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Der Reiz von Rƒ: Wie beeinflusst diese mysteriöse Zahl die Bewegung von Molekülen auf dem Papier?
Die Papierchromatographie ist eine analytische Methode zur Trennung farbiger Chemikalien oder anderer Substanzen. Obwohl diese Technik derzeit hauptsächlich als Lehrmittel verwendet wird, wurde sie im Labor durch andere chromatographische Methoden wie die Dünnschichtchromatographie ersetzt. Diese Analysemethode besteht aus drei Komponenten: mobile Phase, stationäre Phase und Trägermedium. Die mobile Phase ist eine Lösung, die durch Kapillarwirkung auf der stationären Phase aufsteigt, die normalerweise aus einem unpolaren organischen Lösungsmittel besteht, während die stationäre Phase ein polares anorganisches Lösungsmittel, nämlich Wasser, ist. Hierbei fungiert das Papier als Träger für die stationäre Phase, wobei die Wassermoleküle in den Hohlräumen des Fasernetzwerks des Papiers festgehalten werden.
Der Hauptunterschied zwischen Dünnschichtchromatographie und Papierchromatographie besteht darin, dass bei der Dünnschichtchromatographie die stationäre Phase eine Adsorptionsschicht (normalerweise Kieselgel oder Aluminiumoxid) ist, während bei der Papierchromatographie ein weniger adsorbierendes Papier verwendet wird.
Bei einer Variante der Papierchromatographie, der bidirektionalen Chromatographie, werden zwei Lösungsmittel verwendet und das Papier dazwischen um 90 Grad gedreht, was sehr nützlich ist, um komplexe Gemische ähnlicher Polarität, wie etwa Aminosäuren, zu trennen.
Rƒ-Werte, gelöste Stoffe und Lösungsmittel
Mit dem Rƒ-Wert (Retentionsfaktor) wird das Verhältnis zwischen der vom gelösten Stoff zurückgelegten Distanz und der vom Lösungsmittel zurückgelegten Distanz definiert. Dieser Wert wird in der Chromatographie verwendet, um den Grad der Probenretention in der stationären Phase im Gegensatz zur mobilen Phase zu quantifizieren. Normalerweise werden Rƒ-Werte als Dezimalzahlen ausgedrückt. Wenn eine Lösung einen Rƒ-Wert von Null hat, bedeutet dies, dass der gelöste Stoff in der stationären Phase bleibt und sich nicht bewegt. Wenn der Rƒ-Wert 1 ist, bedeutet dies, dass der gelöste Stoff keine Affinität zur stationären Phase hat und sich mit der Lösungsmittelfront bewegt.
Wenn sich beispielsweise eine Verbindung 9,9 cm bewegt und die Lösungsmittelfront 12,7 cm, kann der Rƒ-Wert als Rƒ = 9,9/12,7 = 0,779 oder 0,78 ausgedrückt werden. Der Rƒ-Wert variiert zwischen verschiedenen Lösungsmitteln, abhängig von der Temperatur im Experiment und dem verwendeten Lösungsmittel.
Pigmente und Polarität
Mithilfe der Papierchromatographie lässt sich die Reinheit von Verbindungen prüfen und Substanzen identifizieren, da die Technik relativ schnell ist und nur geringe Materialmengen erfordert. Dieser Trennungsprozess basiert auf dem Prinzip der Verteilung. Das Material verteilt sich zwischen der stationären Phase, also dem in den Papierfasern enthaltenen Wasser, und der mobilen Phase, also der Entwicklerlösung, die über die stationäre Phase fließt.
Wenn eine bunte chemische Probe auf Filterpapier gegeben wird, trennen sich die Farben, während das Lösungsmittel hindurchfließt, und lösen die Moleküle entsprechend ihrer Polarität auf.
Wenn eine Probe mehrere Farben enthält, bedeutet dies, dass die Probe mehrere unterschiedliche Moleküle enthalten muss. Da die chemische Struktur jedes Moleküls unterschiedlich ist, besteht auch eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass jedes Molekül eine andere Polarität aufweist und daher ihre Löslichkeit im Lösungsmittel unterschiedlich ist. Diese ungleichmäßige Löslichkeit führt dazu, dass sich Moleküle unterschiedlicher Farbe an unterschiedlichen Stellen auf dem Papier trennen und je höher die Löslichkeit, desto höher steigen die festen Moleküle.
Arten der Papierchromatographie
Abwärtselutionsmethode
Bei dieser Methode fließt das Lösungsmittel am Papier herunter. Die mobile Phase wird in eine kontinuierlich tropfende Flüssigkeit gegeben, der Probenfleck wird auf der Oberseite des Papiers gehalten und das Lösungsmittel fließt von oben nach unten.
Aufwärtselutionsmethode
Bei dieser Methode bewegt sich das Lösungsmittel von unten nach oben und sowohl die Probe als auch das Lösungsmittel bewegen sich nach oben. Dieses Verfahren ist sehr effektiv zur Trennung organischer und anorganischer Stoffe.
Hybridmethode
Diese Technik ist ein Hybrid der beiden oben genannten Methoden. An einem kritischen Punkt kann der nach oben steigende Papierabschnitt zurückgeklappt werden, um in einen nach unten gerichteten Spülmodus zu wechseln.
Zirkulärchromatographie
Bei der Zirkularchromatographie wird ein rundes Filterpapier mit der Probe in der Mitte in eine Petrischale mit dem Lösungsmittel gelegt. Sobald das Lösungsmittel zu steigen beginnt, bilden die Moleküle konzentrische Kreise auf dem Papier.
Zweidimensionale Chromatographie
Bei der zweidimensionalen Chromatographie wird quadratisches oder rechteckiges Papier verwendet. Die Probe wird auf eine Ecke aufgetragen und dann für eine zweite Entwicklung um 90 Grad gedreht.
Geschichte der Papierchromatographie
1943 entdeckten Martin und Synge die Papierchromatographie, die erstmals ein Werkzeug zur Untersuchung, Trennung und Identifizierung von Pflanzenbestandteilen bot. Danach entwickelte sich das Feld nach 1945 rasch weiter und förderte den Großteil der Forschungsarbeiten im Bereich dieser Technologie.
Der Aufstieg dieser Technologie hat das Verständnis der wissenschaftlichen Gemeinschaft für chemische Trenn- und Analysemethoden verändert und den Fortschritt vieler damit verbundener Forschungen gefördert.
Verstehen wir im heutigen Zeitalter der immer gründlicheren Erforschung von Molekülen und der Chemie das Potenzial von Rƒ für andere Analysetechniken vollständig?
