Условие задачи
Фильтровальную бумагу положите на керамическую пластинку и нарисуйте на ней шариковой ручкой две точки размером с вишнёвую косточку на расстоянии 5 см друг от друга. В центр первой точки с помощью пипетки нанесите 3-4 капли воды, в центр второй точки – 3-4 капли этилового спирта. Объясните полученный результат.
Решение
Дисциплина, к которой относится эта задача, – аналитическая химия (физическая химия), а именно метод бумажной хроматографии.
Рассмотрим подробное решение с объяснением явления:
1. Фильтровальная бумага здесь играет роль стационарной фазы. Ее пористая структура и капиллярное действие позволяют растворителю (мобильной фазе) подниматься по бумаге и переносить с собой компоненты красящего вещества чернил.
2. Шариковая ручка оставляет на бумаге каплю чернил, которая представляет собой смесь различных красителей. Эти красители имеют разную полярность и, соответственно, разную растворимость в различных растворителях.
3. При нанесении 3–4 капель воды в центр первого пятна получается следующая картина:
• Вода – сильный полярный растворитель. Она растворяет те компоненты чернил, которые обладают высокими значениями сродства к полярной среде.
• Раствор, образованный при контакте воды с чернилами, начинает двигаться по бумаге за счет капиллярного эффекта.
• Компоненты чернил с высокой аффинностью к воде (то есть с большей растворимостью в ней) перемещаются дальше вместе с движущимся растворителем, в то время как менее полярные компоненты остаются ближе к месту нанесения, так как сильнее взаимодействуют с клетчатой структурой бумаги.
4. При нанесении 3–4 капель этилового спирта в центр второго пятна наблюдаются отличия:
• Этиловый спирт – растворитель с меньшей полярностью, чем вода, и имеет меньшую поверхностную натяжку, а также более высокую скорость испарения.
• Благодаря этим свойствам спирт эффективнее проникает в поры бумаги и, растворяя чернила, уносит с собой компоненты, которые лучше растворяются в спирте.
• Из-за быстрого испарения спирта компоненты красителей могут отделяться друг от друга в зависимости от их сродства к неподвижной фазе (бумаге) и мобильной фазе (спирте). В результате на бумаге формируются «разбегающиеся» следы с характерным распределением различных красителей.
5. Основной принцип, лежащий в основе наблюдаемых результатов, – разделение компонентов смеси на основе их различной растворимости в разных растворителях (разными значениями коэффициента распределения) и их различного взаимодействия со стационарной фазой. Это и есть суть метода бумажной хроматографии.
6. Сравнив результаты двух опытов, можно сделать вывод, что:
• В случае с водой, ярко выражены компоненты чернил, которые имеют высокую растворимость в воде, а остальные остаются почти неподвижными.
• В случае со спиртом, распределение компонентов может быть более выраженным за счет его более низкой полярности и быстрого испарения, что приводит к «размытию» и разделению красителей по различным расстояниям от начальной точки.
Таким образом, полученный результат объясняется разной способностью воды и этилового спирта растворять компоненты чернил, что приводит к их различному перемещению по фильтровальной бумаге при действии капиллярного эффекта. Это явление используется в аналитической химии для разделения смесей, и именно его демонстрирует описанный эксперимент.