رنگ یک ماژیک ممکن است در نگاه اول یک ماده خالص به نظر برسد، اما با حرکت حلال روی کاغذ به چند لکه رنگی تبدیل شود. کروماتوگرافی روشی برای جداسازی و بررسی اجزای مخلوط است که از تفاوت تمایل ذرهها به یک بخش ثابت و یک بخش متحرک بهره میگیرد. در کروماتوگرافی کاغذی، اجزایی که بیشتر همراه حلال حرکت میکنند از اجزایی که بر کاغذ بیشتر نگه داشته میشوند فاصله میگیرند. در این مقاله سازوکار جداسازی، روش درست اجرای آزمایش، تفسیر لکهها و محاسبه ضریب حرکت Rf را در سطح شیمی دبیرستان بررسی میکنیم و خطاهای رایج را با یک مثال و تمرین روشن میسنجیم.
کروماتوگرافی جداسازی را بر پایه توزیع متفاوت انجام میدهد
در هر روش کروماتوگرافی دو بخش داریم: فاز ساکن که در جای خود باقی میماند و فاز متحرک که از کنار آن عبور میکند. اجزای مخلوط بارها میان همراهشدن با فاز متحرک و برهمکنش با فاز ساکن توزیع میشوند. اگر این تعادل برای اجزای مختلف یکسان نباشد، سرعت حرکت میانگین آنها تفاوت پیدا میکند و مخلوط از هم جدا میشود.
در کروماتوگرافی کاغذیِ ساده، کاغذ نقش بستر فاز ساکن را دارد و حلالی که در کاغذ بالا میرود فاز متحرک است. توصیف دقیقتر میتواند آب جذبشده بر الیاف سلولزی را نیز بخشی از فاز ساکن بداند؛ اما برای تحلیل دبیرستانی کافی است به یاد داشته باشیم که هر جزء میان ماندن روی کاغذ و حرکت با حلال رقابت میکند. کروماتوگرافی الزاماً واکنش شیمیایی ایجاد نمیکند و معمولاً یک جداسازی فیزیکی است.
- فاز ساکن در جای خود باقی میماند
- فاز متحرک از میان یا کنار فاز ساکن عبور میکند
- تفاوت در توزیع و برهمکنش، سرعت حرکت اجزا را متفاوت میکند
- جداشدن لکهها معمولاً حاصل یک تغییر فیزیکی است
بالارفتن حلال روی کاغذ با خاصیت مویینگی انجام میشود
وقتی لبه پایین کاغذ با حلال تماس دارد، جاذبه میان مولکولهای حلال و الیاف کاغذ و همچنین جاذبه میان خود مولکولهای حلال باعث میشود مایع در منافذ باریک کاغذ بالا برود. این پدیده را خاصیت مویینگی مینامیم. مرز بالایی ناحیه خیسشده «جبهه حلال» است و باید پیش از خشکشدن کاغذ علامتگذاری شود، زیرا پس از تبخیر دیده نمیشود.
حلال هنگام حرکت به محل لکه نمونه میرسد و اجزای حلشدنی را با خود حمل میکند. اگر یک جزء در حلال انتخابشده حل نشود، نزدیک خط آغاز باقی میماند و جداسازی مطلوبی رخ نمیدهد. از سوی دیگر، اگر همه اجزا بیش از اندازه در حلال محلول باشند و برهمکنش اندکی با کاغذ داشته باشند، همگی نزدیک جبهه حلال حرکت میکنند. پس انتخاب حلال مناسب برای ایجاد تفاوت حرکت ضروری است.
- حرکت حلال در کاغذ به خاصیت مویینگی مربوط است
- جبهه حلال، دورترین محل رسیدن حلال است
- نمونه باید در فاز متحرک تا اندازهای حل شود
- حلال مناسب اجزا را با فاصلههای قابل تشخیص جدا میکند
جایگاه هر لکه از رقابت حلال و کاغذ نتیجه میشود
جزئی که جاذبه یا سازگاری بیشتری با فاز متحرک دارد، زمان بیشتری همراه حلال است و معمولاً مسافت بیشتری طی میکند. جزئی که برهمکنش قویتری با فاز ساکن دارد، بیشتر نگه داشته میشود و به خط آغاز نزدیکتر میماند. قطبیت میتواند در این برهمکنشها مهم باشد، اما نباید بدون دانستن جنس فازها فقط از روی واژه «قطبی» جای لکه را قطعی پیشبینی کرد.
ارتفاع لکه بهتنهایی ویژگی تغییرناپذیر یک ماده نیست. نوع حلال، جنس کاغذ، دما و شرایط آزمایش بر حرکت اثر دارند. بنابراین برای مقایسه نمونه مجهول با ماده مرجع باید هر دو را روی یک کاغذ و در یک محفظه اجرا کرد. همارتفاعشدن دو لکه در شرایط یکسان نشانهای از احتمال یکسانبودن جزء است، اما بهتنهایی اثبات قطعی هویت شیمیایی آن نیست.
- تمایل بیشتر به فاز متحرک معمولاً حرکت را افزایش میدهد
- تمایل بیشتر به فاز ساکن معمولاً حرکت را کاهش میدهد
- رفتار لکه به هر دو فاز و شرایط آزمایش وابسته است
- تطابق لکه مجهول و مرجع یک شاهد مقایسهای است، نه اثبات نهایی
آزمایش را با خط آغاز مدادی و لکه کوچک اجرا کن
نزدیک لبه پایین کاغذ با مداد یک خط باریک میکشیم و مقدار کمی از نمونه را به صورت لکهای کوچک روی آن میگذاریم. استفاده از خودکار مناسب نیست، زیرا جوهر آن ممکن است در حلال حل شود و لکههای اضافی بسازد. پس از خشکشدن لکه، کاغذ را طوری در ظرف دربسته قرار میدهیم که لبه آن در حلال باشد، اما سطح حلال پایینتر از خط آغاز بماند.
اگر لکه نمونه درون حلال اولیه غوطهور شود، نمونه به جای حرکت منظم روی کاغذ در مخزن پخش میشود. در طول آزمایش نباید ظرف را تکان داد. وقتی جبهه حلال به نزدیکی بالای کاغذ رسید، کاغذ را خارج و محل جبهه را فوراً با مداد مشخص میکنیم. سپس کاغذ خشک میشود و مرکز لکهها برای اندازهگیری در نظر گرفته میشود. لکه کوچک و غلیظ معمولاً مرزهای خواناتری از لکه بزرگ و پخششده میدهد.
- خط آغاز را با مداد رسم کن
- سطح حلال باید پایینتر از لکه نمونه باشد
- لکه اولیه را کوچک بگذار و پیش از اجرا خشک کن
- محفظه را ثابت و تا حد امکان بسته نگه دار
- جبهه حلال را بلافاصله پس از پایان علامت بزن
ضریب حرکت Rf امکان مقایسه نسبی را فراهم میکند
برای هر لکه، فاصله مرکز لکه از خط آغاز را اندازه میگیریم. فاصله جبهه حلال نیز از همان خط آغاز سنجیده میشود. ضریب حرکت از رابطه Rf = فاصله طیشده توسط لکه ÷ فاصله طیشده توسط جبهه حلال به دست میآید. چون صورت و مخرج باید یک واحد طول داشته باشند، واحدها حذف میشوند و Rf بدون واحد است.
لکه نمیتواند در اجرای درست از جبهه حلال جلو بزند؛ بنابراین مقدار Rf معمولاً میان صفر و یک است. Rf نزدیک صفر یعنی جزء تقریباً روی خط آغاز نگه داشته شده و Rf نزدیک یک یعنی تقریباً همراه جبهه حرکت کرده است. این عدد فقط در شرایط یکسان قابل مقایسه است. تغییر حلال یا فاز ساکن میتواند Rf همان ماده را تغییر دهد؛ پس Rf را مانند یک ثابت بنیادی مستقل از آزمایش در نظر نگیر.
- هر دو فاصله را از خط آغاز اندازه بگیر
- برای لکه پخششده، مرکز لکه را معیار قرار بده
- Rf واحد ندارد و معمولاً 0 ≤ Rf ≤ 1 است
- مقایسه Rf فقط در شرایط آزمایشی یکسان معتبر است
از تعداد و جای لکهها درباره نمونه نتیجه بگیر
اگر یک نمونه پس از جداسازی چند لکه مجزا ایجاد کند، میدانیم دستکم چند جزء قابل آشکارسازی در شرایط آزمایش دارد؛ پس نمونه خالص نبوده است. بااینحال یک لکه بهتنهایی خلوص را ثابت نمیکند، زیرا ممکن است دو جزء Rf مشابه داشته باشند یا جزئی با روش مشاهده ما دیده نشود. مواد رنگی مستقیم دیده میشوند، اما مواد بیرنگ ممکن است به عامل آشکارساز یا نور مناسب نیاز داشته باشند.
برای شناسایی مقایسهای میتوان نمونه مجهول و چند مرجع را کنار هم روی یک خط آغاز گذاشت. اگر لکهای از مجهول با لکه مرجع در همان شرایط Rf یکسان داشته باشد، حضور آن ماده محتمل است. اگر مخلوط مجهول دو لکه با Rfهای ۰٫۳۰ و ۰٫۷۰ بدهد و دو مرجع نیز همین مقادیر را نشان دهند، داده با حضور هر دو مرجع سازگار است؛ ولی نتیجه باید با محدودیت روش بیان شود.
مثال حلشده: Rf دو رنگ را محاسبه و تفسیر کن
در یک کروماتوگرام، جبهه حلال از خط آغاز 8.0 cm بالا رفته است. مرکز لکه زرد در فاصله 6.0 cm و مرکز لکه آبی در فاصله 2.4 cm از خط آغاز قرار دارد. برای لکه زرد داریم Rf = 6.0÷8.0 = 0.75 و برای لکه آبی Rf = 2.4÷8.0 = 0.30. هر دو پاسخ بدون واحد و میان صفر و یکاند.
در همین دستگاه حلال و کاغذ، رنگ زرد نسبت به رنگ آبی سهم بیشتری از مسیر را همراه فاز متحرک پیموده است؛ پس در این شرایط تمایل نسبی بیشتری به فاز متحرک یا نگهداری کمتری روی فاز ساکن دارد. نمیتوان فقط از این دو عدد نتیجه گرفت زرد در همه حلالها محلولتر است یا الزاماً قطبیت کمتری دارد، زیرا با تغییر فازها ترتیب حرکت نیز ممکن است تغییر کند.
تمرین روشن و نکات کلیدی
تمرین: جبهه حلال 10.0 cm حرکت کرده و یک نمونه سه لکه در فاصلههای 2.0، 5.5 و 8.0 cm ساخته است. مقدارهای Rf بهترتیب 0.20، 0.55 و 0.80 هستند. تشکیل سه لکه نشان میدهد نمونه در این شرایط دستکم سه جزء قابل تشخیص دارد. اگر مرجعی روی همان کاغذ لکهای با Rf = 0.55 بدهد، وجود آن ماده در نمونه محتمل است، اما برای شناسایی قطعی به شواهد بیشتری نیاز داریم.
برای حل سؤال ابتدا خط آغاز و جبهه حلال را پیدا کن، سپس فاصله مرکز هر لکه را از همان مبدأ اندازه بگیر. اگر Rf بزرگتر از یک شد، مبدأ یا جبهه را اشتباه انتخاب کردهای. در تحلیل کیفی نیز همیشه عبارت «در شرایط یکسان» را در نظر داشته باش و تعداد لکهها را با تعداد همه مواد موجود در نمونه بدون توجه به قابلیت آشکارسازی یکسان ندان.
- جداسازی از تفاوت توزیع اجزا میان دو فاز ایجاد میشود
- خط آغاز باید بالاتر از سطح حلال باشد
- فاصله لکه و حلال هر دو از خط آغاز سنجیده میشوند
- Rf بزرگتر نشانه حرکت نسبی بیشتر با فاز متحرک است
- چند لکه، وجود چند جزء قابل آشکارسازی را نشان میدهد
- یک لکه یا Rf برابر بهتنهایی هویت و خلوص را قطعی نمیکند
برای تحلیل کروماتوگرافی کاغذی سه مرحله را دنبال کن: نخست فاز ساکن و متحرک را مشخص کن؛ سپس حرکت هر جزء را نتیجه رقابت میان همراهی با حلال و نگهداری روی کاغذ بدان؛ و در پایان Rf را از تقسیم فاصله مرکز لکه بر فاصله جبهه حلال، هر دو از خط آغاز، حساب کن. در اجرای آزمایش از مداد استفاده کن، لکه را بالاتر از سطح حلال قرار بده و جبهه را فوری علامت بزن. مقدار Rf بدون واحد و وابسته به شرایط است؛ چند لکه نشانه چند جزء قابل مشاهده است، اما تطابق Rf یا دیدهشدن یک لکه بهتنهایی شناسایی و خلوص را قطعی نمیکند.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.