3: Papirkromatografi-adskillelse og identifikation af fem metalkationer (eksperiment)

de fleste kemikere og mange andre forskere skal rutinemæssigt adskille blandinger og identificere deres komponenter. Evnen til kvalitativt at identificere de stoffer, der findes i en prøve, kan være kritisk. For eksempel vil en miljøkemiker, der undersøger prøver af forurenet grundvand, gerne vide, hvilke giftige ioner der kan være til stede i en prøve.

kromatografi er et af de første værktøjer, der anvendes i sådanne situationer. I denne teknik kan mange typer blandinger adskilles i komponenten rene stoffer; i sammenligning med en standardprøve kan hvert komponentstof også identificeres foreløbigt.

Der findes mange sorter af kromatografi, der hver især er designet til at adskille specifikke typer blandinger. Det fælles træk ved hver type kromatografi er, at en mobil fase (en væske eller gas) skubbes gennem en stationær fase (et fast stof). Tabel 1 viser flere varianter af kromatografi og typiske identiteter af faser. Papirkromatografi vil blive brugt i dette eksperiment.

Type of Chromatography	Mobile Phase	Stationary Phase
Gas (GC)	inert gas (helium)	waxy liquid or silicone inside narrow tubing
Liquid (LC ,HPLC, column)	solvent/solvent Mixture (organic or aqueous)	solid packing (silica, alumina)
Paper	solvent/solvent Mixture (organic or aqueous)	paper
Thin-Layer (TLC)	solvent/solvent Mixture (organic or aqueous)	silica/alumina coated glass, plastic or metal

eksemplet med kolonnekromatografi (Figur 1) viser de typiske træk, der findes i denne analytiske teknik. Diagrammet viser et eksperiment, hvor en to-komponentblanding udsættes for søjlekromatografi. Søjlen er pakket med et fast materiale kaldet den stationære fase. Et flydende opløsningsmiddel eller elueringsopløsning hældes i søjlen og fugter det faste emballagemateriale fuldstændigt. Derefter lægges blandingen på toppen af den våde søjle, og der tilsættes mere eluent. Tyngdekraften trækker den mobile fase ned gennem den stationære fase, og komponenterne i blandingen begynder at bevæge sig gennem søjlen med forskellige hastigheder. I diagrammet bevæger komponent A sig hurtigere end komponent B; således bevares komponent B på søjlen i længere tid end komponent A. normalt skyldes dette en forskel i opløseligheden af de to forbindelser i opløsningsmidlet og/eller en forskel i tiltrækning til det faste emballagemateriale. Efterhånden som der tilføjes mere eluent øverst i kolonnen, forlader komponenterne til sidst kolonnen separat. Den tid, det tager at forlade kolonnen, kaldet retentionstid, vil være reproducerbar for hver komponent under de givne indstillede betingelser—mobile og stationære faseidentiteter, temperatur og kolonnebredde. Når komponenterne forlader søjlen, kan opløsningsmidlet fjernes ved fordampning, og de rene komponenter kan analyseres eller identificeres yderligere.

Figur 1: Et typisk kolonnekromatografieksperiment demonstrerer adskillelsen af en to-komponentblanding.

foreløbig identifikation af komponenterne kan opnås ved at sammenligne den ukendte blanding en omhyggeligt forberedt kendt blanding: hvis en kendt komponent har samme retentionstid som en ukendt komponent under de samme betingelser, er det sandsynligt—men ikke afgørende—at de to komponenter er de samme. Yderligere analyse kan være nødvendig for at bekræfte denne hypotese. Hvis det kendte og det ukendte har forskellige retentionstider, er det ikke sandsynligt, at de to komponenter er identiske.

andre variationer af kromatografi bruger kapillærvirkning—tiltrækningen af en væske til en fast overflade—for at trække et opløsningsmiddel gennem fast materiale. En uformel version af papirkromatografi kan observeres, når en blækskrevet side kommer i kontakt med vand eller andre væsker. Blækket kører, og flere farver adskilles i blækstrimlen.

diagrammet nedenfor (figur 2) viser resultatet af et tyndtlagskromatografieksperiment. To sorte blækpletter på den faste overflade har haft et opløsningsmiddel passeret gennem dem. Opløsningsmidlet er vand eller en anden væske, der trækkes gennem den stationære fase ved kapillærvirkning. I dette eksempel anvendes et stykke plast belagt med et pulveriseret fast stof som den stationære fase. Alternativt kan et stykke filterpapir bruges som den stationære fase. Eksperimentet viser, at det sorte blæk er en blanding, der indeholder flere forskellige farvede stoffer. Hver komponent har en lidt anden opløselighed i den mobile fase, så når væsken trækkes gennem den stationære fase, bevæger hver komponent sig med en anden hastighed og adskiller blækket i pletter i forskellige farver.

figur 2: tyndtlagskromatografi af sort blæk efter udvikling. Dette billede viser et almindeligt problem, hvor pletterne udvides, når de bevæger sig op på pladen og til sidst smelter sammen øverst på pladen.

i dette eksperiment anvendes lignende principper til at adskille flere metalkationer ved en papirkromatografiprocedure. Metalionerne – \(\ce{Ag^{+}}\), \(\ce{Fe^{3+}}\),\(\ce{Co^{2+}}\), \(\ce{Cu^{2+}}\) og \(\ce{Hg^{2+}}\)—har forskellig opløselighed i den mobile fase—vandig \(\ce{HCl}\) med ethyl og butylalkohol—og vil bevæge sig med forskellige hastigheder op på papiret. De forskellige metalionopløseligheder skyldes sandsynligvis dannelsen af forskellige forbindelser med chloridionen og deres varierende evne til at opløses i det organiske opløsningsmiddel.

et diagram, der viser, hvordan man forbereder papiret, er vist nedenfor. Standardopløsninger indeholdende hver af disse ioner vil blive plettet på papiret ved hjælp af et kapillarrør sammen med en standardopløsning indeholdende alle fem ioner. En ukendt vil også blive set på papiret. Når papiret er klargjort, udvikles det ved at placere papiret i eluenten. Efter 75-90 minutter visualiseres papiret ved at befugte det med en vandig opløsning indeholdende kaliumiodid, \(\ce{KI}\) og kaliumferrocyanid, \(\ce{K4}\). Den unikke farve, der observeres for hver ion, produceres ved en kemisk reaktion med visualiseringsopløsningen. Dette er en nyttig måde at identificere, hvilke ioner der er til stede i en ukendt blanding.

figur 3: Diagram, der viser, hvordan man forbereder papiret til kromatografieksperimentet

afstanden, som ionen bevæger sig op på papiret, kan også bruges til at identificere ionen. Da studerende imidlertid vil udvikle deres kromatografieksperimenter i forskellige mængder tid og under lidt forskellige forhold, vil hver studerende have noget anderledes målt afstand for en given ion. Forholdet mellem afstanden bevæget af en ion (\(D\)) og afstanden bevæget af opløsningsmidlet (\(F\), opløsningsmiddelfront) er karakteristisk og bør være næsten den samme for alle studerende. Dette forhold kaldes Rf, eller ” retention factor.”

\

Pre-laboratory opgave: Papirkromatografi

1. en to-komponent blanding analyseres ved papirkromatografi. Komponent A er mere opløselig i mobilfasen end komponent B. følgende resultat opnås. Beregn Rf for hver komponent, og mærk identiteten på hvert sted.

1. blandingen fra Spørgsmål 1 (ovenfor) analyseres ved kolonnekromatografi under anvendelse af den samme mobile fase og en silicagel stationær fase. Hvilken komponent har den kortere retentionstid? Forklar dit svar. (Antag, at den samme type bindingskræfter mellem komponenterne og den stationære fase er til stede i både papirkromatografi og søjlekromatografi.)

1. en ukendt væskeprøve analyseres ved hjælp af papirkromatografi ved hjælp af opløsningsmiddel som den mobile fase. Et sted observeres, efter at pladen er udviklet og visualiseret. Det samme ukendte stof analyseres igen ved hjælp af opløsningsmiddel Y som den mobile fase. Denne gang observeres tre pletter, efter at pladen er udviklet og visualiseret.

• er den ukendte prøve et rent stof eller en blanding? Forklar dit svar, herunder en mulig årsag til de forskellige observationer i de to eksperimenter.