§ Х-32 Хроматографічний аналіз: колонкова та тонкошарова хроматографія (ТШХ) і фактор утримування R_f (8–11 клас · Методи розділення сумішей)
Розподіл між нерухомою (сорбент SiO₂) і рухомою (елюент) фазами та розділення пігментів. «Подібно до променів світла у призмі, компоненти складної суміші в потоці розчинника закономірно розташовуються у вигляді кольорових зон, хроматограми», Михайло Цвєт (1903).
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Хроматографія (відкрита М. С. Цвєтом під час розділення пігментів зеленого листя), це фізико-хімічний метод розділення та аналізу сумішей, заснований на багаторазовому перерозподілі компонентів між двома фазами, що не змішуються: нерухомою стаціонарною фазою (сорбентом, наприклад полярним силікагелем SiO₂· xH₂O) та рухомою фазою (елюентом), яка тече вздовж сорбенту.
Кожна речовина i характеризується коефіцієнтом розподілу K_d = C_ст / C_рух. Речовини, які слабко адсорбуються на силікагелі (неполярний оранжевий β-каротин), майже весь час перебувають у потоці елюента і рухаються швидко вслід за фронтом розчинника. Полярні речовини (зелений хлорофіл b), які утворюють міцні водневі зв’язки з силанольними групами –Si–OH, затримуються сорбентом і рухаються повільно.
У тонкошаровій хроматографії (ТШХ) положення плями компонента кількісно описують безрозмірним коефіцієнтом рухомості (утримування) R_f (*Retention factor*): R_f = (zᵢ)/(z_фронт) ∈ (0, 1), що дорівнює відношенню шляху центра плями речовини zᵢ до шляху фронту розчинника z_фронт від лінії старту.
Приклад із життя
Уяви забіг туристів крізь вулицю з магазинами (полярний силікагель). Ті, хто не любить шопінг (неполярний каротин), біжать разом із потоком до самого фінішу (R_f ≈ 0.9), а ті, хто зупиняється біля кожної вітрини (полярний хлорофіл b), відстають на старті (R_f ≈ 0.25)!
Контрольне запитання та розв’язання
На полярну пластинку силікагелю (SiO₂· nH₂O з полярними групами –Si–OH) нанесли суміш трьох рослинних пігментів і занурили край у менш полярний органічний елюент. Який компонент підніметься найвище разом із фронтом розчинника (матиме найбільший фактор R_f)?
- А: Найменш полярний компонент (β-каротин), оскільки він найслабше адсорбується на полярних силанольних групах SiO₂ (K_d малий) і більшу частину часу переміщується з рухомою фазою (R_f → 0.85–0.95)
- Б: Найбільш полярний компонент, бо він утворює міцні водневі зв’язки зі стаціонарною фазою SiO₂
- В: Усі речовини завжди рухаються з однаковою швидкістю і мають R_f > 1.5
Підказка: Полярний силікагель сильніше утримує полярні молекули (менший R_f), тоді як неполярні компоненти рухаються разом з елюентом (більший R_f = zᵢ / z_f).
Доведення: В основі будь-якого хроматографічного методу (відкритого М. С. Цвєтом у 1903 р. під час розділення пігментів зеленого листя) лежить багаторазовий динамічний перерозподіл речовин між нерухомою (стаціонарною) фазою (пористий сорбент SiO₂ або Al₂O₃) та потоком рухомої фази (елюента) згідно з коефіцієнтом розподілу K_d = Cₛ / Cₘ. У нормально-фазовій хроматографії сорбент є полярним: полярні молекули (ксантофіли з –OH групами) міцно утримуються водневими зв’язками на поверхні SiO₂ (K_d великий) і рухаються повільно (малий R_f = x_реч / x_фронту), тоді як неполярні вуглеводні (β-каротин C₄₀H₅₆) слабо взаємодіють із сорбентом і швидко виносяться елюентом (R_f близький до 0.9). Завдяки тому, що речовина не може обігнати фронт розчинника, завжди 0 ≤ R_f ≤ 1.
Основні формули та параметри 3D-симуляції
R_f = (xᵢ)/(x_фронту) = (1)/(1 + K_d (Vₛ/Vₘ)) ∈ [0, 1]
- Елюювальна сила (полярність) розчинника ε⁰ (гексан → етилацетат): 0.15 … 0.95 (стандарт: 0.55)
- Пробіг фронту розчинника вздовж пластинки ТШХ x_фронту: 2 … 9.5 см (стандарт: 7.5 см)
- Адсорбційна активність нерухомої фази SiO₂ (Vₛ / Vₘ): 0.6 … 2 (стандарт: 1.2)
- Об’єм нанесеної проби суміші барвників V_проби: 0.5 … 3 мкл (стандарт: 1.5 мкл)