Оборудование. Прибор для бумажной хроматографии, пульверизатор, капилляры, хроматографическая или фильтровальная бумага, 1–5%-ный раствор хлорида железа (III), 10%-ный раствор гексациано-II-феррат калия, этанол, разбавленная соляная кислота.
Хроматографию как оригинальный метод разделения веществ открыл русский естествоиспытатель М. С. Цвет в 1903 г. В то время он изучал природный пигмент хлорофилл и установил, что этот продукт, ранее считавшийся индивидуальным, при пропускании его в растворе петролейного эфира через колонку, наполненную мелом, разделяется на четыре окрашенные зоны.
(Учитель демонстрирует опыт М. С. Цвета: в колонку, набитую измельченным мелом, вливает по каплям раствор хлорофилла в смеси толуола и ацетона (4:1).)
Эти компоненты различались между собой способностью связываться (сорбироваться) на меле. Таким образом М. С. Цвет установил неоднородность хлорофилла и в то же время предложил новый простой путь анализа и разделения смесей веществ, в том числе очень близких по свойствам. Заслуга М. С. Цвета состоит в том, что он разработал этот метод, правильно оценил его значение и предсказал его универсальность.
Сегодня хроматография в ее различных вариантах получила значительное распространение в науке и промышленности, занимая одно из первых мест среди физико-химических методов исследования.
Хроматография – это учение о закономерностях разделения сложных смесей веществ на индивидуальные соединения за счет различий в сорбируемости (поглощении). Термин “хроматография” означает “хрома”– цвет, “графо” – пишу, впервые был введен также М. С. Цветом, поскольку он в своих экспериментах имел дело с окрашенными соединениями; в настоящее время этим методом анализируют и бесцветные вещества, но старый термин сохранился.
Учитель сообщает, что в основе хроматографии лежат два процесса: сорбция и десорбция. Учащиеся записывают в тетрадях определение понятий:
- сорбция
Учитель объясняет, что адсорбция – процесс обратимый. В системе существует равновесие между явлениями поглощения вещества поверхностью (адсорбцией) и явлением выделения вещества с поверхности (десорбцией). Адсорбция обычно характеризуется экзотермическим эффектом, т. е. выделением теплоты, и поэтому для смещения приведенного равновесия вправо необходимо нагреть систему (принцип Ле-Шателье). Учитель демонстрирует опыты.
Опыт 1. В пробирку со спиртовым раствором иода учитель добавляет активированный уголь, закрывает пробкой, встряхивает и отфильтровывает. Спиртовой раствор иода обесцвечивается в результате адсорбции иода активированным углем.
Опыт 2. Отфильтрованный активированный уголь учитель нагревает в пробирке. Из пробирки выделяются фиолетовые пары иода, т. е. происходит десорбция иода из активированного угля.
По химическим признакам хроматографию можно разделить на два основных вида: газовая и жидкостная.
К газовой хроматографии относятся газожидкостная, газоадсорбционная. Жидкостная делится на жидко-жидкостная (сюда входит бумажная), твердо-жидкостная (к ней относится тонкослойная), газообменная.
В соответствии с механизмами процессов, на которых основывается разделение смеси веществ, различают следующие виды хроматографии: 1) адсорбционную, 2) распределительную, 3) ионообменную. Однако на практике нередко при хроматографировании происходят явления, характерные для двух или даже трех указанных типов.
Адсорбционная хроматография заключается в том, что смесь веществ, подлежащих разделению, вводят в контакт с адсорбентом, причем каждое из индивидуальных соединений смеси в соответствии со своей природой (физическими и химическими свойствами) связывается с адсорбентом специфическими силами в той или иной степени.
Затем через хроматограмму пропускают растворитель (вещество или смесь веществ), способный десорбировать одно или все соединения разделяемой смеси. Процессы адсорбции и десорбции равновесны. Коэффициенты, характеризующие эти явления для разных веществ, обычно различны, что и определяет возможность разделения смесей.
Явление адсорбции, т. е. поглощение одного вещества поверхностью другого, впервые открыл в конце XVIII в. русский ученый Т. Е. Ловиц. Успехи в области адсорбции тесно связаны с развитием хроматографического метода.
Силы взаимодействия, обуславливающие адсорбцию, зависят от структуры молекул и могут иметь различную природу. Это могут быть дисперсионные, индукционные и ориентационные силы. Дисперсионные силы – это в основном силы электрокинетические. Для насыщенных соединений вклад дисперсионных сил в энергию адсорбции на оксиде алюминия составляет 100%, для полярных соединений 50%. Ориентационные силы проявляются в основном при адсорбции полярных молекул на поверхностях, несущих постоянные электрические заряды (диполи, ионы). Индукционные силы наблюдаются в тех случаях, когда химическая связь имеет постоянное, связанное с ней электрическое поле, например связь С–С. Под влиянием этого поля электроны соседнего атома или молекулы поляризуются таким образом, что дают индуцированный дипольный момент.
В основе распределительной хроматографии лежит различие коэффициентов распределения компонентов исследуемой смеси между двумя жидкими фазами, например вода – углеводород. Процесс протекает в условиях, в которых одна фаза является неподвижной и находится в порах твердого носителя. Неподвижная фаза стремится удержать то или иное количество вещества, а подвижная – перенести его в направлении своего движения; так как коэффициент распределения каждого вещества индивидуален, то и перенос индивидуальных веществ разделяемой смеси в фиксируемое время происходит на различные расстояния от старта. Ионообменная хроматография основана на обмене между ионами некоторых веществ, называемых иопита-ми, представляющими собой высокомолекулярные кислоты или основания. Этот способ в последнее время приобрел большое значение.
По форме проведения процесса хроматографические методы классифицируют на колоночную, бумажную, хроматографию в тонком слое (ТСХ).
Учитель демонстрирует прибор для бумажной хроматографии.
Он говорит, что для проведения анализа методом бумажной хроматографии используют хроматографическую бумагу, отличающуюся высокой степенью чистоты, одинаковыми размерами волокон и равномерностью их расположения. При отсутствии такой бумаги используют фильтровальную бумагу. Далее учитель на хроматографическую бумагу наносит капилляром каплю 1–5%-ного раствора хлорида железа (III) и рядом, на расстоянии 2–3 см от первого пятна, наносит другим капилляром пробу на стартовую линию сока яблока и помещает эту бумагу в прибор, содержащий смесь растворителей, например спирта и разбавленной вдвое соляной кислоты в объемном соотношении 1:4.
Затем учитель предлагает учащимся провести анализ пищевого продукта методом бумажной хроматографии, для чего учащиеся получают карточки с индивидуальными заданиями по анализу одного из следующих пищевых продуктов: молока, клубники, меда, красной смородины, крыжовника, мяса, шоколада, гречневой крупы.
Для обнаружения иона Fe3+ 1 чайную ложку гречневой крупы размельчить в ступке, прокипятить с 10 мл воды и отфильтровать. Фильтрат упарить до объема 2 мл, и каплю нанести на хроматографическую бумагу.
Для обнаружения иона Fe3+ в молоке 50 мл его упарить до объема 5–10 мл.
Мед и шоколад взять на кончике ножа и растворить в 2 мл воды.
Учитель дает задание, указывает оборудование и реактивы, необходимые для проведения эксперимента, и предлагает план его выполнения.
Проведение эксперимента.
Вырезать полоску хроматографической бумаги размером 10х6 см. Отметить стартовую линию.
Нанести капилляром в качестве свидетеля на стартовую линию 1–5%-ный раствор хлорида железа (III) так, чтобы диаметр пятна был не более 5 мм. На эту же стартовую линию на расстоянии 2–3 см нанести другим капилляром сок исследуемого продукта: клубники, красной или черной смородины, яблока так, чтобы диаметр пятна был не более 5 мм. Для большего концентрирования ионов Fe3+ пробу сока наносят несколько раз, касаясь капилляром одного и того же места на стартовой линии и дожидаясь улетучивания растворителя из предварительной пробы.
Опустить хроматографическую или фильтровальную бумагу с нанесенными пробами в прибор для бумажной хроматографии так, чтобы смесь растворителей, состоящая из этанола и разбавленной вдвое соляной кислоты в соотношении 1:4, касалась нижнего края бумаги, но была не выше стартовой линии.
Далее учитель рассказывает, что железо является одним из элементов человеческого организма. В случае большого недостатка железа в организме возникает заболевание – железодефицитная анемия (малокровие), так как основная часть входящего в состав организма железа сосредоточена в красных кровяных клетках (эритроцитах), каждая из которых содержит 280 млн. молекул гемоглобина – дыхательного пигмента. Железо содержится в мышечном белке, во многих ферментах. Главное депо железа – печень: здесь у взрослого человека может быть запасено до 1 г железа. В организме взрослого человека всего 3,5 г железа. Избыточное количество железа приводит к образованию нерастворимого в воде железосодержащего белка. Этот белок уже не может быть использован организмом и, откладываясь в тканях и органах, вызывает нарушение их функций и приводит к заболеванию.
Учитель дает задание:
- Зарисовать прибор для бумажной хроматографии.
- Наблюдать за подъемом растворителя по бумаге.
- Через 1 ч бумагу с результатами опытов достать из прибора и обнаружить ионы Fe3+ опрыскиванием из пульверизатора 10%–ным раствором гексациано-II-феррата калия. Появляется синее окрашивание – образование берлинской лазури.
- Записать уравнение реакции.
- Зарисовать вид хроматограммы. Хроматограмма – бумага с нанесенными и обнаруженными веществами.
- Сделать вывод о наличии ионов Fe3+ в исследуемом продукте.
Ионы железа были обнаружены в молоке, клубничном соке, соке красной смородины, соке черной смородины, соке крыжовника, яблочном соке, в гречневой крупе, мясном соке, в шоколаде.