Jak działa chromatografia?

Pomyśl o chromatografii jak o wyścigu, a „przekonasz się”, że jest to znacznie prostsze niż się wydaje. Czekając na linii startowej, masz mieszankę chemikaliów w jakiejś niezidentyfikowanej cieczy lub gazie, tak jak mnóstwo biegaczy zmieszanych i zebranych razem. Kiedy zaczyna się wyścig, biegacze szybko się rozpraszają, ponieważ mają różne zdolności. Dokładnie w ten sam sposób , chemikalia w czymś w rodzaju ruchomej ciekłej mieszaniny rozprowadzają się, ponieważ przemieszczają się z różnymi prędkościami po nieruchomym ciele stałym. Kluczową rzeczą do zapamiętania jest to, że chromatografia to efekt powierzchniowy.

Gdy ciecz zaczyna przemieszczać się obok ciała stałego, niektóre z jego cząsteczek (energetycznych rzeczy, które nieustannie się poruszają) są zassane w kierunku powierzchni ciała stałego i tymczasowo przyklejają się tam, zanim zostaną ponownie wciągnięte do cieczy, z której pochodzą. Ta wymiana cząsteczek między powierzchnią ciała stałego a cieczą jest rodzajem efekt adhezyjny lub klejący zwany adsorpcją (z ad – nie myl go z wchłanianiem, z ab, gdzie cząsteczki jednej substancji są trwale uwięzione w ciele innej). Teraz pamiętaj, że nasz płyn jest w rzeczywistości mieszaniną kilku różnych płynów. Każdy z nich w nieco inny sposób ulega adsorpcji i spędza mniej lub więcej czasu w fazie stałej lub ciekłej. Jedna z cieczy mogłaby spędzać znacznie dłużej w fazie stałej niż w cieczy, więc wolniej przemieszczałaby się po substancji stałej; inny mógłby spędzać mniej czasu w ciele stałym, a więcej w cieczy, więc działałby trochę szybciej. Innym sposobem patrzenia na to jest myślenie o cieczy jako mieszaninie cieczy podobnych do kleju, z których część przylega bardziej do ciała stałego (i podróżuj wolniej) niż inni. To właśnie powoduje, że różne ciecze w naszej oryginalnej ciekłej mieszaninie rozprowadzają się na ciele stałym.

Grafika: Jak działa chromatografia: tutaj faza ruchoma jest cieczą (niebieska), a faza stacjonarna jest ciałem stałym (szara). Zielona cząsteczka spędza najwięcej czasu w cieczy, więc porusza się najszybciej. Żółta cząsteczka spędza więcej czasu na powierzchni ciała stałego, więc porusza się wolniej. Czerwona cząsteczka spędza jeszcze więcej czasu na stałej powierzchni, więc porusza się najwolniej.

Aby chromatografia działała efektywnie, potrzebujemy oczywiście jak największej separacji składników fazy ruchomej, gdy przechodzą przez fazę stacjonarną . Dlatego faza stacjonarna jest często czymś o dużej powierzchni, na przykład arkuszem bibuły filtracyjnej, ciałem stałym złożonym z drobno rozdrobnionych cząstek, cieczą osadzoną na powierzchni ciała stałego lub jakimś innym silnie adsorbującym materiałem.

Jakie są różne rodzaje chromatografii?

Jest wiele różnych sposobów korzystania z chromatografii. Oto niektóre z najbardziej znanych:

Chromatografia papierowa

Zdjęcie: Prosta chromatografia na papierze. Narysuj kilka plam atramentu na papierze (idealnie nadają się do mycia dziecięce pióra Crayola), zwiń papier do cylindra i umieść w kieliszku do wina z niewielką ilością wody. Gdy woda będzie pełzać po papierze, kolory rozdzielą się na składniki. To jest chromatografia w akcji!

To jest eksperyment polegający na „plamie atramentu na papierze”, który często wykonujesz w szkole (również efekt, który opisaliśmy na początku, kiedy zamoczyłeś swoje papiery). atramentu blisko jednej krawędzi papieru filtracyjnego, a następnie zawieś papier pionowo, dolną krawędzią (najbliżej miejsca) zanurzoną w rozpuszczalniku, takim jak alkohol lub woda. Działanie kapilarne powoduje, że rozpuszczalnik przemieszcza się w górę papieru, gdzie spotyka się i rozpuszcza atrament. rozpuszczony atrament (faza ruchoma) powoli przemieszcza się po papierze (faza stacjonarna) i rozdziela na różne składniki, czasami są one kolorowe; czasami trzeba je pokolorować, dodając inne substancje (zwane wywoływaczami lub rozwijającymi się cieczami), które pomagają w identyfikacji.

Chromatografia kolumnowa

Zamiast papieru, faza stacjonarna to pionowy szklany słoik (kolumna) wypełniony silnie adsorbującym ciałem stałym, takim jak kryształy krzemionki lub żelu krzemionkowego lub ciało stałe pokryte cieczą Faza ruchoma kapie (lub jest pompowana pod wysokim ciśnieniem) przez kolumnę i dzieli się na jej składniki, które są następnie usuwane i analizowane.

Istnieje kilka odmian, w tym:

• Ciecz- chromatografia kolumnowa, w której badaną mieszaninę umieszcza się na jednym końcu kolumny i wlewa się dodatkową substancję zwaną eluentem (czasami eluent orkiszowy), aby ułatwić jej przejście.
• Chromatografia cienkowarstwowa jest odmianą ta technika, w której „kolumna” jest w rzeczywistości warstwą szkła, tworzywa sztucznego lub metalu pokrytą bardzo cienką warstwą materiału adsorbującego.
• Wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC), w której mieszanina jest przepuszczana przez kolumna pod wysokim ciśnieniem (około 400 razy ciśnienie atmosferyczne).Jest to szybsze, dokładniejsze i bardziej czułe.

Zdjęcie: Chromatografia kolumnowa: bierzesz swoją kolumnę zawierający fazę stacjonarną i załaduj ją próbką u góry (ciemnoszara). W miarę dodawania eluentu (rozpuszczalnika) do próbki, rozpada się ona na składniki (powiedzmy, że są w kolorze czerwonym, żółtym i niebieskim). Poruszają się one z różnymi prędkościami i wyłaniają się pojedynczo na dnie, gdzie można je zebrać w różnych pojemnikach.

Chromatografia gazowa

Do tej pory rozważaliśmy chromatografię cieczy przemieszczających się obok ciał stałych, ale jedną z najpowszechniej stosowanych technik jest rodzaj chromatografii kolumnowej wykorzystującej gazy jako ruchome faza. Chromatografia gazowa to w dużej mierze zautomatyzowany rodzaj analizy chemicznej, którą można przeprowadzić za pomocą wyrafinowanego urządzenia laboratoryjnego zwanego, co nie jest zaskoczeniem, chromatografem gazowym.

Zdjęcie: Chromatografia gazowa jest w dużej mierze zautomatyzowana, ale do obsługi jednej z tych maszyn nadal potrzeba przeszkolonego operatora. Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA Kennedy Space Center (NASA-KSC).

Najpierw niewielką próbkę mieszaniny badanych substancji umieszcza się w strzykawce i wstrzykuje do maszyny. Składniki mieszanki są podgrzewane i natychmiast odparowują. Następnie dodajemy nośnik (eluent), który jest po prostu gazem obojętnym, takim jak wodór lub hel, zaprojektowanym, aby pomóc gazom w naszej próbce przejść przez kolumnę. W tym przypadku kolumna jest cienką szklaną lub metalową rurką, zwykle wypełnioną cieczą o wysokiej temperaturze wrzenia (lub czasami żelem lub substancją adsorbującą). Gdy mieszanina przemieszcza się przez kolumnę, jest adsorbowana i rozdziela się na jej składniki. Każdy składnik po kolei wyłania się z końca kolumny i przechodzi obok elektronicznego detektora (czasami spektrometru mas), który go identyfikuje i drukuje pik na Wykres. Końcowy wykres zawiera serię pików, które odpowiadają wszystkim substancjom w mieszaninie. Chromatografia gazowa jest czasami nazywana chromatografią parowo-fazową (VPC) lub chromatografią gazowo-cieczową (GLPC).