ХРОМАТОГРАФІЯ - ПРОСТИЙ СПОСІБ АНАЛІЗУ СКЛАДНИХ РЕЧОВИН

Михайло Семенович Колір народився 14 травня 1872 року.

Перший досвід з розділення і аналізу речовини складного складу, пройдений Михайлом Семеновичем Кольором в 1903 році, був на диво простим.

Для дослідження складних хімічних речовин і з'єднань застосовується цілий ряд дуже точних фізичних методів.

Мас-спектроскопія. Досліджувана речовина випаровується при високій температурі і перетворюється в потік іонів.

Найпростішу хроматограму можна отримати і самому, розділивши на листку фільтрувального паперу суміш різнокольорових чорнил або анілінових фарб.

Рентгенівська спектроскопія.

Хроматографія.

Хроматограмма суміші декількох цукрів: 1 - Рамноза, 2 - ксилоза, 3 - фруктоза, 4 - глюкоза, 5 - сахароза, 6 - мальтоза, 7 - лактоза. Їх молекули розрізняються по структурі, кількості атомів і масі.

Рідинний хроматограф фірми "Bruker".

<

>

Михайло Семенович Колір зацікавився природою хлорофілу, який робить листя зеленими. Роль цієї речовини в природі величезна: з його допомогою в живому аркуші світлова енергія Сонця перетворюється в хімічну енергію органічних сполук.

Професор Колір насипав у скляну трубку тонко подрібнений порошок чистого крейди, змочив його бензолом, налив зверху трошки розчину хлорофілу, витягнутого зі свіжого листа (самий верхній шар порошку, звичайно, відразу убрався в зелений колір), і став повільно, по краплях підливати в трубочку з крейдою бензол. У міру того як пофарбований шар промивали бензолом, зелене колечко слідом за розчинником почало пересуватися вниз по трубці. Потім (в цьому-то й полягала чудове відкриття Кольори) воно стало поступово розділятися. З'явилася вузька жовта смужка, вона рухалася по трубці найповільніше, її випередила жовто-зелена смуга, перед якою йшла широка зелено-синя смуга, дві жовті і в самому низу рухалася ще одна смуга, теж жовтого кольору. Ретельний аналіз показав, що над верхньою жовтою смужкою розташовувалася ще одна - безбарвна. Своїм досвідом Колір довів, що хлорофіл має складну будову, і ця робота лягла в основу нової науки.

Компоненти речовини, подібно до світлових променів в спектрі, розташувалися одна за одною в стовпі порошку у вигляді забарвлених смуг. Це явище було названо хроматограммой, а сам метод дослідження - хроматографією, від грецьких слів "хроматос" - забарвлення, "грама" - зчитування і "графія" - запис.

Що ж відбувалося в "хроматографічній колоні" - скляній трубочці, набитою порошком крейди?

Зелений розчин витяжки з листя знебарвлюється, як тільки приходить в зіткнення з порошком крейди, а крейда стає зеленим. Молекули всіх сполук, що входять до складу хлорофілу, витягнутого з листа, осідають на поверхні частинок крейди. Поглинання розчиненої речовини, парів або газів поверхнею твердих тіл або рідиною хіміки називають сорбцією, а речовини-поглиначі - сорбентом. На цьому явищі і засновані всі хроматографічні методи розділення сумішей, надтонкого очищення речовини і аналізу.

Захоплені поверхнею твердого тіла - сорбенту молекули можуть переходити назад в розчин - елюент, знову поглинатися і знову розчинятися, незліченну кількість разів змінюючи свій стан. Між розчином (бензолом в дослідах Кольори) та сорбентом (порошком крейди) встановлюється рівновага: на поверхні частинок крейди знаходяться майже всі молекули, а в розчині майже зовсім немає. Але в цьому-то "майже" і полягає сутність хроматографічного ефекту.

Мало хто молекули, що знаходяться в розчині, захоплюються вниз по трубці разом з потоком розчинника. Але по дорозі вони повільно осідають знову на інші частинки крейди, а замість них переходять в розчин нові молекули. Потік розчинника безперервно надходить зверху в трубку. У верхній частині сорбованої речовини стає все менше і менше, в нижній частині - все більше і більше. Поступово кольорова прошарок просувається у вигляді кілець через сорбент вниз по трубці.

Молекули з різним складом або будівлею осідають (сорбируются) на твердій поверхні по-різному. Одні - прикріплюються трохи міцніше, інші - дещо слабше. Одні - довше знаходяться у зв'язаному стані і менше в розчині; інші - трохи довше затримуються в розчині і швидше захоплюються потоком розчинника.

Тому забарвлена ​​суміш різних речовин поступово розділяється на складові частини. І кожна така частина зосереджується в своєму шарі. Рухаючись з різною швидкістю уздовж трубки, ці шари розходяться все далі один від одного - утворюється хроматограмма. Кожне окреме кольорове кільце відповідає якомусь одному хімічній сполуці.

Стовпчик сорбенту з трубки можна або розрізати на шари і отримати їх окремо в чистому вигляді, або, продовжуючи промивку бензолом, збирати розчин від кожного кольорового шару окремо, у міру того як вони виходять з колони з потоком розчинника.

Це нагадує забіг на дистанцію спортивних команд в різнокольорових костюмах. Ті, хто використовує для "перепочинку" на ділянках дистанції (колони) менше часу, виявляться попереду, а хто відпочивав довше - в середині або позаду. Так і розтягується цей ланцюг "мікробегунов" по всій довжині колони. Або інша схожа аналогія: як швидкість забігу спортсменів залежить від стану їх здоров'я та фізичних можливостей, так і швидкість руху компонентів речовини по колоні залежить від розмірів молекул і їх хімічної природи.

Безбарвні речовини виявляють, висвітлюючи їх ультрафіолетом, під дією якого дуже багато сполук флюоресцируют, або "виявляють", обробивши реактивом, який їх забарвлює.

Серед нових методів аналізу найбільш часто використовується газорідинна хроматографія. Сорбентом в ній служить нелетка рідина, якою змочена, наприклад, розтерта в порошок кераміка (іноді - звичайна цегла), а рухомим середовищем - будь-який інертний газ. За допомогою цього методу досліджують складні суміші, що містять сотні компонетов.

Система їх поділу на диво проста: все відбувається в тоненькій металевій або пластмасовій трубочці діаметром 0,2-0,4 мм. Щоб досягти високого ступеня поділу, трубочку доводиться робити дуже довгою. Скажімо, для аналізу суничного аромату (повітря, що оточує ягоди) потрібна була колона довжиною 120 метрів. Згорнуту в спіраль трубку поміщали в термостат, температура в якому поступово підвищувалася. Це було необхідно для того, щоб вивчити і ті компоненти суничного запаху, які ягода виділяє тільки в спекотний сонячний день. Через колону пропускали аргон, опромінений радіоактивним джерелом. Радіоактивний газ іонізованних органічні речовини, породжуючи електричний сигнал, який після підсилення подавався на записуючий пристрій. Чутливість такого приладу дуже велика і її можна порівняти зі спектральним і мас-спектрометрії методами аналізу: він виявляє одну тисячну частину мільярдної частки грама речовини (10-12 г). А всього для повного аналізу достатньо кількох міліграмів суміші.

Запах свіжої суниці виявився дуже складним. Щоб створити аромат її стиглих ягід, в маленькій "лабораторії" рослини синтезується не менше дев'яноста шести найскладніших органічних запашних з'єднань.

Щоб вивчити склад нафти, потрібно сконструювати хроматографічну колону довжиною близько півкілометра. На ній вдалося не тільки встановити число різних компонентів сирої нафти (їх виявилося близько шестисот), але і розшифрувати формулу кожного з них.

Хроматограми отримують і на паперових смужках. Таку смужку підвішують вертикально і нижній її кінець занурюють в посудину з розчинником. Усмоктуючись в папір і піднімаючись по ній вгору, розчинник з різною швидкістю переміщує окремі складові частини із суміші. На паперовому аркуші утворюється хроматограмма - кольорові смуги. За їх положенню і забарвленням можна визначити, що входить до складу досліджуваного речовини. Трудноразделімие суміші часто обробляють двічі, різними розчинниками і пропускають в двох взаємно перпендикуляр них напрямках, отримуючи двомірну хроматограму.

Дуже схожа на паперову хроматографія в тонкому шарі. На скляну або пластмасову пластинку наносять тонкий рівномірний шар добре подрібненого сорбенту. Сам процес хроматографічного поділу йде так само, як і на папері. Тонкошарова хроматографія має істотні переваги: ​​поділ протікає значно швидше, а головне, легше вибрати найбільш підходящі сорбенти.

Хроматограми дозволили не тільки зрозуміти, з яких складових частин - амінокислот - складається білок різних живих організмів, але і визначити порядок їх чергування в молекулі білка. А розшифрувавши склад тютюнового диму, з'ясували, що він складається із сотні різних сполук, в тому числі канцерогенних, що викликають ракові захворювання.

За допомогою хроматографії легко встановлюється факт застосування спортсменами збуджуючих засобів - допінгів: достатньо взяти на аналіз крапельку крові, щоб визначити їх присутність.

Ще більш перспективний метод іонообмінної хроматографії. Він відрізняється від способу М. С. Кольори тим, що замість нейтрального сорбенту - крейди, крохмалю, вугілля - застосовуються полімерні речовини - іонообмінні смоли. Кожна крупинка такого сорбенту - як би гігантська молекула кислоти (смоли-катіоніту) або основи (смоли-аніоніти) - вступає в реакцію іонного обміну.

Іонообмінні смоли нерозчинні. Тонкий порошок такої смоли в хроматографічній колоні поглинає іони важких металів з розчину, заміщаючи їх на кислоту або луг. Так, наприклад, готують воду для живлення парових котлів на великих теплових електростанціях. Вода очищається від мулу і піску і надходить в колону, наповнену катіонітової смолою. У ній повністю поглинаються солі кальцію і магнію, що роблять воду "жорсткою", замість них з'являються іони водню - утворюється кислота. Підкислена вода проходить колону, в якій аніони утворилися кислот нейтралізуються, і виходить чиста вода. Іонообмінні смоли перетворюють навіть солону морську воду в прісну, придатну для пиття, і витягають цінні метали з промислових стічних вод.

На ионообменной колоні змогли розділити суміш ізотопів рідкоземельних елементів. Радіоактивність кожної краплі розчину, що випливає з колони, вимірювалася окремо. Виявилося, що чим вище порядковий номер елемента, тим швидше він виходить з колони при хроматограмі фического поділі. І чергування елементів дивним чином точно відповідає їх взаємному положенню в періодичній системі елементів: америцій (№ 95), кюрий (№ 96), берклій (№ 97) і калифорний (№ 98).

Метод, створений М. С. Кольором 95 років тому, сьогодні застосовують у всіх областях науки і техніки. Він не застарів, і його можливості далеко не вичерпані.

Фізпрактікум

Хроматограму НА промокашки

Спробуємо самостійно отримати паперову хроматограму, розділивши на компоненти рідина складного складу. Для цього нам знадобиться по кілька крапель різнокольорових чорнил, фарби або туші і лист промокальним або фільтрувального паперу.

Змішаємо чорнило, отримавши темну рідину невизначеного кольору. Нанесемо крапельку рідини в центр паперового листа. Потім точно в середину кольорового плями почнемо по краплях доливати чисту воду. Кожну краплю потрібно вносити тільки після того, як вбереться попередня.

Вода грає роль елюента, що переносить досліджувана речовина по сорбенту - пористої папері. Речовини, що входять до складу суміші, поглинаються папером по-різному: одні добре утримуються нею, а інші вбираються повільніше і продовжують деякий час розтікатися разом з водою. Незабаром по аркушу паперу почне розповзатися справжня барвиста хроматограмма: пляма одного кольору в центрі, оточене різнокольоровими концентричними кільцями. Так можна отримати найрізноманітніші, дуже барвисті візерунки.