Wie funktioniert Chromatographie?

Stellen Sie sich Chromatographie als Rasse vor und Sie werden feststellen, dass sie viel einfacher ist, als es sich anhört. Während Sie auf der Startlinie warten, haben Sie eine Mischung von Chemikalien in einer nicht identifizierten Flüssigkeit oder einem unbekannten Gas, genau wie eine Ladung Läufer, die alle durcheinander und gebündelt sind. Wenn ein Rennen beginnt, breiten sich die Läufer bald aus, weil sie unterschiedliche Fähigkeiten haben. Auf genau die gleiche Weise Chemikalien in so etwas wie einem beweglichen Flüssigkeitsgemisch breiten sich aus, weil sie sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten über einen stationären Feststoff bewegen. Das Wichtigste ist, dass die Chromatographie ein Oberflächeneffekt ist.

Wenn sich die Flüssigkeit am Feststoff vorbei bewegt, Einige seiner Moleküle (energetische Dinge, die sich ständig bewegen) werden an die Oberfläche des Feststoffs gesaugt und bleiben dort vorübergehend haften, bevor sie wieder in die Flüssigkeit zurückgezogen werden, aus der sie stammen. Dieser Austausch von Molekülen zwischen der Oberfläche des Feststoffs und der Flüssigkeit ist eine Art Adhäsionseffekt, der als Adsorption bezeichnet wird (mit ad – verwechseln Sie ihn nicht mit Absorption, mit ab, wenn Moleküle einer Substanz dauerhaft im Körper einer anderen Substanz eingeschlossen sind). Denken Sie jetzt daran, dass unsere Flüssigkeit tatsächlich eine Mischung aus vielen verschiedenen Flüssigkeiten ist. Jeder wird auf etwas andere Weise adsorbiert und verbringt mehr oder weniger Zeit entweder in der festen oder in der flüssigen Phase. Eine der Flüssigkeiten könnte in der festen Phase viel länger als in der Flüssigkeit hängen, so dass sie langsamer über den Feststoff wandern würde; Ein anderer könnte weniger Zeit in dem Feststoff und mehr in der Flüssigkeit verbringen, so dass es etwas schneller gehen würde. Eine andere Sichtweise besteht darin, sich die Flüssigkeit als eine Mischung aus kleberartigen Flüssigkeiten vorzustellen, von denen einige mehr am Feststoff haften (und langsamer reisen) als andere. Dies führt dazu, dass sich die verschiedenen Flüssigkeiten in unserer ursprünglichen flüssigen Mischung auf dem Feststoff ausbreiten.

Kunstwerk: Wie Chromatographie funktioniert: hier Die mobile Phase ist flüssig (blau) und die stationäre Phase ist fest (grau). Das grüne Molekül verbringt die meiste Zeit in der Flüssigkeit und bewegt sich daher am schnellsten. Das gelbe Molekül verbringt mehr Zeit auf der Oberfläche des Festkörpers und bewegt sich daher langsamer. Das rote Molekül verbringt noch mehr Zeit auf der festen Oberfläche und bewegt sich daher am langsamsten.

Damit die Chromatographie effektiv funktioniert, müssen sich die Komponenten der mobilen Phase offensichtlich so weit wie möglich trennen, wenn sie sich über die stationäre Phase hinaus bewegen . Aus diesem Grund hat die stationäre Phase häufig eine große Oberfläche, z. B. ein Blatt Filterpapier, einen Feststoff aus feinteiligen Partikeln, eine auf der Oberfläche eines Feststoffs abgelagerte Flüssigkeit oder ein anderes hochadsorbierendes Material

Was sind die verschiedenen Arten der Chromatographie?

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, die Chromatographie zu verwenden. Dies sind einige der bekanntesten:

Papierchromatographie

Foto: Einfache Papierchromatographie. Zeichnen Sie einige Tintenkleckse auf Papier (Crayola waschbare Kinderspitzen sind perfekt), rollen Sie das Papier in einen Zylinder und legen Sie es in ein Weinglas mit einer kleinen Menge Wasser. Wenn das Wasser auf dem Papier kriecht, trennen sich die Farben in ihre Bestandteile. Das ist Chromatographie in Aktion!

Dies ist das Experiment „Tinte auf Papier“, das Sie häufig in der Schule durchführen (auch der Effekt, den wir zu Beginn beschrieben haben, wenn Sie Ihre Papiere nass machen). Normalerweise setzen Sie einen Punkt Tinte in der Nähe einer Kante eines Filterpapiers und hängen Sie das Papier dann vertikal auf, wobei die untere Kante (am nächsten an der Stelle) in ein Lösungsmittel wie Alkohol oder Wasser getaucht ist. Durch die Kapillarwirkung wandert das Lösungsmittel über das Papier, wo es auf den Waschbecken trifft und ihn auflöst Gelöste Tinte (die mobile Phase) wandert langsam über das Papier (die stationäre Phase) und trennt sich in verschiedene Komponenten. Manchmal sind diese gefärbt, manchmal müssen Sie sie färben, indem Sie andere Substanzen (Entwickler oder Entwicklungsflüssigkeiten genannt) hinzufügen, die Ihnen bei der Identifizierung helfen.

Säulenchromatographie

Anstelle von Papier ist die stationäre Phase ein vertikales Glas (die Säule), das mit einem stark adsorbierenden Feststoff wie Kieselgel- oder Kieselgelkristallen oder a gepackt ist fest mit einer Flüssigkeit überzogen. Die mobile Phase tropft (oder wird bei hohem Druck gepumpt) durch die Säule und teilt sich in ihre Komponenten auf, die dann entfernt und analysiert werden.

Es gibt einige Variationen, einschließlich:

• Liquid- Säulenchromatographie, bei der die zu untersuchende Mischung an einem Ende der Säule platziert wird und eine extraaddierte Substanz, die als Elutionsmittel (manchmal als Elutionsmittel mit Dinkel bezeichnet) bezeichnet wird, eingegossen wird, um den Durchgang zu erleichtern.
• Die Dünnschichtchromatographie ist eine Variation von Diese Technik, bei der die „Säule“ tatsächlich ein Film aus Glas, Kunststoff oder Metall ist, der mit einer sehr dünnen Schicht aus Adsorbensmaterial beschichtet ist.
• Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC), bei der die Mischung durch die Säule bei hohem Druck (ungefähr 400-facher atmosphärischer Druck).Dies ist schneller, präziser und empfindlicher.

Foto: Säulenchromatographie: Sie nehmen Ihre Säule , die die stationäre Phase enthält, und laden Sie sie mit Ihrer Probe oben (dunkelgrau). Wenn Sie der Probe Elutionsmittel (Lösungsmittel) hinzufügen, teilt es sich in seine Komponenten auf (sagen wir, sie sind rot, gelb und blau gefärbt). Diese bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und tauchen nacheinander unten auf, wo Sie sie sammeln können in verschiedenen Behältern.

Gaschromatographie

Bisher haben wir die Chromatographie von Flüssigkeiten in Betracht gezogen, die an Festkörpern vorbeifahren, aber eine der am häufigsten verwendeten Techniken ist eine Art Säulenchromatographie unter Verwendung von Gasen als Mobil Phase. Die Gaschromatographie ist eine weitgehend automatisierte Art der chemischen Analyse, die Sie mit einem hoch entwickelten Laborgerät durchführen können, das nicht überraschend als Gaschromatograph bezeichnet wird.

Foto: Die Gaschromatographie ist weitgehend automatisiert, aber ein geschulter Bediener muss noch mit einer dieser Maschinen arbeiten. Foto mit freundlicher Genehmigung des NASA Kennedy Space Center (NASA-KSC).

Zunächst wird eine winzige Probe der untersuchten Substanzmischung in eine Spritze gegeben und in die Maschine injiziert. Die Komponenten der Mischung werden erhitzt und verdampfen sofort. Als nächstes fügen wir einen Träger (das Elutionsmittel) hinzu, bei dem es sich einfach um ein neutrales Gas wie Wasserstoff oder Helium handelt, das die Gase in unserer Probe durch die Säule bewegen soll. In diesem Fall ist die Säule ein dünnes Glas- oder Metallrohr, das üblicherweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die einen hohen Siedepunkt aufweist (oder manchmal ein Gel oder ein Adsorbensfeststoff). Während sich das Gemisch durch die Säule bewegt, wird es adsorbiert und in seine Komponenten zerlegt. Jede Komponente tritt wiederum aus dem Ende der Säule aus und bewegt sich an einem elektronischen Detektor (manchmal einem Massenspektrometer) vorbei, der sie identifiziert und einen Peak auf a druckt Diagramm. Das endgültige Diagramm enthält eine Reihe von Peaks, die allen Substanzen in der Mischung entsprechen. Die Gaschromatographie wird manchmal als Dampfphasenchromatographie (VPC) oder Gas-Flüssigkeits-Verteilungschromatographie (GLPC) bezeichnet.