Что происходит в хроматографической колонне?

Что же произошло в стеклянной трубочке, набитой порошком мела? Какие удивительные силы разделили сложную природную смесь многих химических веществ, настолько близких между собой, что отделить их друг от друга не удавалось самым искусным химикам?

Механизм хроматографического разделения теперь хорошо изучен. Лучше всего рассмотреть действие хроматографической колонны (так стали называть независимо от конструкции трубку с сорбентом) на простейшем примере знакомой нам трубки с мелом.

Зеленый раствор вытяжки из листьев обесцвечивается, как только приходит в соприкосновение с порошком мела, а мел становится зеленым. Молекулы всех соединений, входящих в состав хлорофилла, извлеченного из зеленого листа, осаждаются на поверхности частиц мела. Поглощение растворенного вещества, паров или газов поверхностью твердых тел или жидкостью химики называют сорбцией. На этом явлении и основаны все хроматографиче-ские методы разделения смесей, сверхтонкой очистки вещества и анализа. Захваченные поверхностью твердого тела, молекулы не остаются на ней неподвижными. Они могут переходить обратно в раствор, снова поглощаться и вновь растворяться...

Бесчисленное множество раз меняет свое состояние каждая молекула, переходя с поверхности в раствор и обратно. Между раствором (бензол в опытах Цвета) и сорбентом (порошок мела) устанавливается равновесие: на поверхности частиц мела находятся почти все молекулы. В растворе их очень мало — почти нет совсем. Но в этом-то «почти» и заключается сущность хроматографического эффекта.

Немногие молекулы, находящиеся в растворе, увлекаются вниз по трубке вместе с потоком растворителя. Но по пути они немедленно осаждаются вновь на другие частицы мела, а вместо них переходят в раствор новые молекулы. Это повторяется огромное число раз. Поток растворителя непрерывно поступает сверху в трубку. В верхней части сорбированного вещества становится все меньше и меньше, в нижней части — все больше и больше. Постепенно цветная прослойка продвигается в виде колечек (зон) через сорбент вниз по трубке.

Схема разделения смеси из двух компонентов (красные и черные молекулы) на капиллярной колонке. Сначала молекулы движутся вместе (1), затем красные молекулы несколько опережают черные (2) и заметно обгоняют их (3). При попадании красных молекул в детектор (4) на нулевой линии появляется пик первого компонента (5), а при попадании в детектор черных молекул на нулевой линии записывается пик второго компонента (6).

Молекулы с разным составом или строением сорбируются на твердой поверхности по-разному. Одни из них немного прочнее, другие несколько слабее. Одни дольше находятся в связанном состоянии и меньше в растворе. Другие чуть дольше первых задерживаются в растворе и, конечно, быстрее увлекаются потоком растворителя.

Поэтому окрашенная смесь различных веществ постепенно разделяется на свои составные части. Каждая такая часть сосредоточивается в своем слое. И эти слои отличаются друг от друга цветом. Двигаясь с разной скоростью вдоль трубки, эти слои расходятся все дальше друг от друга. Так и образуется хроматограмма. Каждое отдельное цветное кольцо соответствует химическому соединению.

Вытолкнув столбик сорбента из трубки, можно вырезать из него различно окрашенные слои и получить каждое отдельно в чистом виде. Можно поступить еще проще: продолжая промывку бензолом, собирать раствор от каждого цветного слоя отдельно, по мере того как они, пройдя колонну, начнут выходить из нее с потоком растворителя.

Движение молекул в хроматографической колонне напоминает как бы состязание спортивных команд в беге на очень длинные дистанции. Микробегуны в разных спортивных костюмах, например в опыте с хлорофиллом — в желтых, зеленых и синих, бегут с одинаковой скоростью (скорость потока растворителя). Но свое право отдыхать по дороге каждая команда использует по-разному. Все они сидят на поверхности очень подолгу (находятся в сорбированном состоянии). Все они бегут очень короткое время (увлекаются потоком бензола). Но первая команда отдыхает все же чуть меньше второй, а вторая — чуть меньше третьей. Конечно, те бегуны, которые отдыхают меньше, и опередят своих соперников.

Таким образом, даже небольшие различия в скорости поглощения (сорбции) и обратного выделения вещества в раствор (десорбции) позволяют осуществлять разделение смесей хроматографическим способом. А эти ничтожные различия в сорбционной способности молекул, в свою очередь, зависят от их химической природы.

перейти к началу страницы