Что происходит в хроматографической колонне?

Что происходит в хроматографической колонне?

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

Механизм хроматографического разделения теперь хорошо изучен. Он прост, хотя теория действия колонн очень сложна и ученые еще не умеют их точно рассчитывать. (Трубки с сор­бентом для хроматографического разделения независимо от их конструкции теперь называ­ются колоннами.)

Лучше всего рассмотреть действие хроматографической колонны 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 хроматографические 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 осаждаться, 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. Медленный поток растворителя беспрерывно поступает сверху в трубку. В верхней части окрашенного слоя становится все меньше и меньше сорбированного вещества, в нижней части этого слоя — все больше и больше. И так постепенно цветная прослойка продви­гается в виде колечка через сорбент вниз по трубке.

Но различные 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 одному химическому соединении).

Вытолкнув столбик сорбента из трубки, можно вырезать из него различно окрашенные слои и, отмыв содержащиеся в них вещества, 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 насквозь, 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 одна команда отдыхает все же чуть меньше другой, а вто­рая — чуть меньше третьей. Конечно, те бегу­ны, которые отдыхают меньше, и опередят сво­их соперников.

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