Perché la cromatografia funziona?

La cromatografia identifica diverse sostanze chimiche in base alle proprietà e alla mobilità delle molecole nel composto analizzato. La cromatografia consente agli scienziati di separare liquidi e gas che vanno dal petrolio e il DNA alla clorofilla e agli inchiostri a penna. Gli studenti possono anche utilizzare la cromatografia per esperimenti e progetti divertenti.

"Chromat-" deriva dalla parola greca "chroma", che significa colore. "-Graphy" deriva dal latino "-graphia" o greco "graphein" e significa (per Merriam-Webster) "scrittura o rappresentazione in un modo (specificato) o con un mezzo (specificato) o di un oggetto (specificato)." Cromatografia quindi significa letteralmente scrivere o rappresentare con il colore. Una definizione più formale di Merriam-Webster afferma che la cromatografia è "un processo in cui una miscela chimica trasportata da un liquido o da un gas è separato in componenti a causa della distribuzione differenziale dei soluti mentre scorrono intorno o sopra un liquido o un solido stazionario fase."

La cromatografia funziona a causa delle differenze nelle proprietà delle molecole nei materiali. Alcune molecole, come l'acqua, hanno polarità, quindi agiscono come piccoli magneti. Alcune molecole sono ioniche, il che significa che gli atomi sono tenuti insieme dalle loro differenze di carica, sempre come piccoli magneti. Alcune molecole differiscono per forma e dimensioni. Queste differenze nelle proprietà molecolari consentono agli scienziati di separare i composti in singole molecole utilizzando la cromatografia.

La cromatografia dipende anche dalla mobilità delle molecole. In altre parole, la capacità delle molecole di essere spostate determina se la cromatografia funziona. Mettere le molecole in una fase mobile richiede la dissoluzione della sostanza in un solvente o la presenza della sostanza in uno stadio liquido o gassoso. Se viene utilizzato un solvente, il solvente dipende dal materiale da separare. Le miscele di liquidi e gas possono essere spinte o tirate attraverso un materiale che assorbe le molecole mentre passano. Indipendentemente dal materiale analizzato, affinché la cromatografia funzioni, il materiale deve avere una fase mobile.

Sebbene le tecniche di cromatografia differiscano, dipendono tutte da una combinazione di differenze molecolari e mobilità del materiale. La cromatografia funziona facendo passare il materiale disciolto, liquido o gas attraverso un materiale filtrante. Le molecole si separano in strati mentre le molecole passano attraverso il filtro. Il meccanismo di separazione dipende dal metodo di filtraggio, che è determinato dai tipi di molecole da separare. Ma indipendentemente dal metodo utilizzato, le molecole viaggiano a velocità diverse attraverso il filtro, separandole in strati che spesso appaiono come linee colorate nel materiale del filtro.

In generale, le molecole più grandi o più pesanti attraversano il materiale filtrante più lentamente delle molecole più piccole o più leggere. Le molecole si separano mentre si muovono perché viaggiano a velocità diverse, cadendo come sedimenti che cadono dall'acqua quando il volume o l'energia dell'acqua diminuisce.

Mentre molti test cromatografici richiedono attrezzature e tecniche speciali, la cromatografia può essere utilizzata in alcuni esperimenti a casa e a scuola utilizzando materiali semplici.

Analisi dell'inchiostro della penna

Una semplice dimostrazione della cromatografia utilizza filtri per caffè e una varietà di pennarelli. Se le penne utilizzano inchiostri idrosolubili, il solvente utilizzato è l'acqua. Se i pennarelli utilizzano inchiostro permanente, l'alcol isopropilico spesso funziona come solvente. Inizia appiattendo un filtro da caffè. Posizionare il filtro del caffè su un piatto usa e getta o altro materiale per evitare di macchiare le superfici sottostanti. Usa una varietà di penne per fare punti intorno alla parte centrale del filtro. Aggiungere acqua o alcol al centro del filtro del caffè. Un cucchiaino va bene per questo. Non aggiungere abbastanza liquido per creare una pozzanghera; l'acqua o l'alcol dovrebbero espandersi dal centro. Man mano che il liquido si sposta dal centro, gli inchiostri si dissolveranno e si sposteranno verso l'esterno dal centro. Diversi pigmenti negli inchiostri si separeranno, eseguiti dalla macchia di inchiostro iniziale e depositati in file in base alle molecole di pigmento.

Cromatografia con clorofilla

Un progetto cromatografico un po' più complicato ma ugualmente interessante separa la clorofilla che si trova nelle foglie. La clorofilla si trova nelle foglie delle piante. Sebbene la clorofilla sia verde, la maggior parte delle foglie contiene anche pigmenti aggiuntivi come i carotenoidi, che creano i colori rosso e arancione che si vedono in autunno. Questi carotenoidi e altri pigmenti si rivelano mentre la clorofilla verde si degrada, motivo per cui le foglie delle piante decidue mostrano colori diversi in autunno. Inizia selezionando diverse foglie verdi. Schiacciare le foglie e immergere i pezzi in alcol isopropilico o acetone (chiamato anche propanone). La clorofilla fuoriesce dalle foglie e rende il liquido verde.

• L'alcol isopropilico e l'acetone sono entrambi infiammabili. Non posizionarli o usarli vicino o con fiamme o una fonte di calore.

Per separare i pigmenti, taglia una striscia larga circa un pollice dal centro di un filtro da caffè appiattito o usa carta per cromatografia. Fissa un'estremità del foglio a una matita. Versa circa 2,5 cm di liquido in un contenitore leggermente più corto della striscia di carta. Appoggia la matita sulla parte superiore del contenitore in modo che il fondo della carta sia immerso nel liquido. Il liquido si alzerà nella carta a causa dell'azione capillare, portando con sé la clorofilla e altre molecole di pigmento. Man mano che il liquido evapora, le molecole vengono lasciate sulla carta, creando linee di pigmento. Rimuovi la carta quando le linee diventano distinte perché se la carta viene lasciata troppo a lungo il liquido alla fine trasporterà tutte le molecole di pigmento sulla parte superiore della carta.