ROZDZIELANIE SUBSTANCJI Rozdzielanie substancji jest jednym z najistotniejszych problemów w pracy laboratoryjnej. Problem ten ma istotne znaczenie zarówno dla preparatyki (chemiczna synteza preparatów), jak i dla analizy chemicznej (oznaczanie składu substancji). W pierwszym przypadku uzyskanie odpowiedniej jakości preparatu wymaga zazwyczaj oddzielania produktów ubocznych i zanieczyszczeń od substratów i produktów, a proces rozdzielania może być konieczny na różnych etapach syntezy. W przypadku analizy, poprawne oznaczenie danego związku chemicznego w badanej próbce bardzo często wymaga wstępnego wyodrębnienia substancji, które mogą fałszować wynik oznaczenia. W związku z powyższym niezbędne jest poznanie podstawowych metod rozdzielania substancji. Substancje rozdziela się wykorzystując różnice w ich właściwości chemicznych i fizycznych. W typowej procedurze pierwszym z etapów jest zagęszczenie poszczególnych składników faz układu (na bazie ich różnic fizykochemicznych) zaś drugim etapem rozdzielenie poszczególnych faz metodami fizycznymi. Przykładem może być ekstrakcja barwników roślinnych z materiału roślinnego. Materiał roślinny (np. posiekane liście pietruszki) ucierany jest w moździerzu z dodatkiem acetonu, co prowadzi do zniszczenia struktury błon i ścian komórkowych i uzyskania mieszaniny wody, barwników roślinnych oraz pozostałego materiału roślinnego. Dodanie do takiej mieszaniny eteru naftowego prowadzi do powstania układu dwufazowego woda/eter (ze względu na hydrofobowe właściwości eteru). Metoda ta wykorzystuje większe powinowactwo barwników roślinnych do eteru niż do wody, co powoduje, iż barwniki zostają zagęszczone w fazie eterowej (pierwszy etap). W drugim etapie należy rozdzielić w wydajny sposób fazę wodna (zwierającą większą część pozostałego materiału roślinnego) od fazy eterowej. Rozdzielanie prowadzi się zazwyczaj w rozdzielaczu (Rysunek 1). Należy pamiętać, iż w opisanym przypadku (jak i w większości metod rozdzielania) rozdział nie jest całkowity. W fazie wodnej nadal pozostaje część barwników zaś w fazie eterowej niewielka ilość pozostałych składników mieszaniny. Skład poszczególnych faz jest związany z tzw. współczynnikiem podziału. Współczynnikiem podziału określamy stosunek stężeń substancji w dwóch niemieszających się rozpuszczalnikach w stanie równowagi. Mnogość fizycznych i chemicznych właściwości, które mogą być podstawą metody rozdzielenia (miedzy innymi: powinowactwo do danego rozpuszczalnika, temperatura wrzenia, masa cząsteczkowa, obecność grup funkcyjnych, właściwości magnetyczne, moment dipolowy) nie pozwala na stworzenie prostego podziału metod w oparciu o to kryterium. Najprostsza systematyka metod rozdzielania substancji oparta może zostać o fazowy 1 skład układu. 1 Fazą w tym kontekście nazywamy tak naprawdę stan skupienia materii, czyli podstawową formę, w jakiej występuje dana substancja i określająca jej podstawowe właściwości fizyczne. Dla wielu substancji w obrębie jednego stanu skupienia można wyróżnić więcej niż jedna fazę termodynamiczną. Strona 1 z 6
Możliwe układy przedstawiono poniżej: Wydział Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego 1. ciało stałe / ciecz, 2. ciało stałe / gaz, 3. ciało stałe / ciało stałe, 4. ciecz / ciecz, 5. ciecz / gaz, 6. mieszanina gazów. Rysunek 1: Schemat rozdzielacza stożkowego wykorzystywanego do rozdzielania niemieszających się cieczy. Układy te mogą składać się z jednej lub wielu faz. Rozdzielanie układów ciało stałe / gaz i ciecz / gaz na ogół nie sprawia trudności, gdyż często rozdzielenie taki następuje samorzutnie. Wyjątek stanowią ciała stałe o dużej powierzchni, ponieważ może nastąpić adsorpcja gazu, lub takie układy ciecz / gaz, w których tworzy się aerozol. Rozdzielanie w układzie ciało stałe/ciecz W praktyce laboratoryjnej najczęściej spotykanym układem jest układ ciało stałe/ciecz. Rozdzielanie takiego układu można prowadzić stosując metody takie jak odparowanie składnika ciekłego, odsączenie, sedymentacja lub odwirowanie składnika stałego czy dekantacja cieczy znad osadu. 1. odparowanie składnika ciekłego metoda polegająca na przejściu w stan gazowy ciekłego składnika mieszaniny. Może zachodzić samoistnie lub być przyspieszona poprzez ogrzewanie mieszaniny lub poprzez wygenerowanie podciśnienia (jeśli zwiększenie temperatury mogłoby prowadzić do zniszczenia któregoś ze składników). Strona 2 z 6
2. odsączenie polega na przelaniu mieszaniny cieczy z ciałem stałym przez sączek z bibuły laboratoryjnej umieszczony na lejku. W zależności od wyboru lejka i sposobu uformowania sączka możemy wpływać na szybkość i dokładność odsączania. 3. sedymentacja technika rozdzielania mieszanin niejednorodnych ciecz / ciało stałe wykorzystująca zjawisko opadania zawiesiny ciała stałego w cieczy w wyniku działania siły grawitacji. Warunkiem wystąpienia tego zjawiska jest obecność zawiesiny o gęstości większej niż gęstość cieczy. 4. odwirowanie technika laboratoryjna, tożsama z sedymentacją w której siłę grawitacji zastępuje siła odśrodkowa wygenerowana w rotorze wirówki (może przekraczać siłę grawitacji nawet kilka tysięcy razy). Odwirowanie stosowane jest w przypadku, gdy czas opadania sedymentacyjnego byłby zbyt długi. Rozdzielanie w układzie ciecz/ciecz W przypadku układu ciecz/ciecz, gdy ciecze nie mieszają się ze sobą, rozdzielenie jest proste i można go wykonać przy pomocy rozdzielacza. W przypadku jednofazowego układu mieszających się ze sobą cieczy rozdzielanie bywa kłopotliwe, ale jest możliwe przy pomocy destylacji frakcjonowanej pod warunkiem, że nie tworzy się mieszanina azeotropowa. 1. rozdział za pomocą rozdzielacza (Rysunek 1) - jest możliwy gdy dwie ciecze nie mieszają ze sobą, tworząc mieszaninę ciekłą niejednorodną, o wyraźnej granicy pomiędzy nimi 2. destylacja rozdzielanie ciekłej mieszaniny wieloskładnikowej poprzez odparowanie, a następnie skroplenie jej składników. Stosuje się ją w celu wyizolowania lub oczyszczenia jednego lub więcej związków składowych. Proces wykorzystuje różną lotność względną składników mieszaniny. Główny produkt destylacji (czyli skroplona ciecz) nazywany jest destylatem. Pozostałość po destylacji nazywana jest cieczą wyczerpaną. Rozdzielanie w układzie ciało stałe/ciało stałe Rozdzielanie układu ciało stałe/ciało stałe może być dokonane różnymi metodami przy wykorzystaniu odmiennych właściwości składników mieszaniny. Najczęściej stosowanymi metodami są: sublimacja, flotacja, metody wykorzystujące różnice we właściwościach magnetycznych, czy metody chromatograficzne. 1. sublimacja - przemiana fazowa bezpośredniego przejścia ze stanu stałego w stan gazowy z pominięciem stanu ciekłego często wykorzystywana do oczyszczania związków chemicznych, które mają na tyle wysoką temperaturę wrzenia, że ich destylowanie byłoby bardzo kłopotliwe. Strona 3 z 6
2. flotacja - metoda rozdzielania rozdrobnionych ciał stałych, wykorzystująca różnice w zwilżalności składników. Flotacja polega na kąpieli mieszaniny w cieczy wzbogaconej często w tzw. odczynniki flotacyjne (substancje chemiczne zapewniające odpowiednie warunki fizyko-chemiczne, poprawiające efektywność flotacji). Cząstki trudno zwilżane otaczają się w większym stopniu pęcherzykami powietrza niż łatwo zwilżalne, dzięki czemu unoszą się na powierzchnię, skąd zbierane są w postaci piany. Metody chromatograficzne Osobną kategorią metod rozdzielania, którą można wyróżnić, są metody chromatograficzne (gr. χρῶμα (chrōma) = barwa + γράφω (graphō) = piszę ). W każdej technice chromatograficznej najpierw rozdziela się badaną mieszaninę na odpowiednie frakcje, a następnie przeprowadza się detekcję poszczególnych składników. Rozdział substancji następuje w wyniku przepuszczenia roztworu badanej mieszaniny przez specjalnie spreparowaną fazę stacjonarną (złoże, adsorbent), zwaną też fazą rozdzielczą. Fazą rozdzielczą są substancje wykazujące zdolności sorpcyjne lub zdolne do innych oddziaływań z substancjami przepływającymi. Podczas przepływu fazy ruchomej (zwanej także eluentem) przez fazę stacjonarną następuje proces wymywania zaadsorbowanych (lub związanych) substancji. Rozdzielenie chromatograficzne następuje na skutek różnic w szybkości wędrowania substancji w procesie tzw. rozwijania chromatogramu. Różnice w szybkości wędrówki różnych substancji są konsekwencją ich niejednakowego powinowactwa do adsorbenta. W związku z faktem, iż jedne składniki są zatrzymywane w fazie dłużej, a inne krócej, może następować ich separacja. Czas przebywania danego składnika w kolumnie określany jest mianem czasu retencji. Dwa podstawowe kryteria na bazie których można sklasyfikować metody chromatograficzne to rodzaju eluentu oraz rodzaj fazy stacjonarnej. Podział ze względu na rodzaj eluentu: chromatografia cieczowa w której eluentem jest ciekły rozpuszczalnik lub mieszanina rozpuszczalników chromatografia gazowa w której eluentem jest gaz (zwykle hel, argon lub wodór, czasem azot). Podział ze względu na fazę stacjonarną: chromatografia bibułowa fazę stacjonarną stanowi pasek lub arkusz bibuły filtracyjnej lub specjalnego typu bibuły chromatograficznej; Rozwijanie chromatografu może następować wzdłuż paska lub koncentrycznie, pod wpływem działania sił kapilarnych. chromatografia cienkowarstwowa TLC (ang. thin layer chromatography) fazą rozdzielczą jest cienka warstwa porowatego materiału (np. żel krzemionkowy) naniesiona na sztywną płytkę. Próbka analitu naniesiona na płytkę jest wymywana Strona 4 z 6
przez eluent wędrujący na skutek działania sił kapilarnych, grawitacji lub pola elektrycznego; chromatografia kolumnowa w której faza stacjonarna jest umieszczona w specjalnej kolumnie, wypełnionej adsorbentem, przez którą przepuszcza się następnie roztwór badanej mieszaniny. Przepływ roztworu przez kolumnę można wymuszać grawitacyjnie lub stosując różnicę ciśnień na wlocie i wylocie kolumny; W chromatografiach bibułowej i cienkowarstwowej, (które można wspólnie sklasyfikować jako tzw. chromatografie planarne zachodzące na płaszczyźnie) zdefiniować można tzw. współczynnik opóźnienia Rf (ang. retardation factor). Współczynnik ten charakteryzuje przesuwanie się badanej substancji w trakcie rozwijania chromatografu. Definiujemy go jako stosunek odległości start-położenie danej substancji do odległości start-czoło eluenta. Przykład obliczenia współczynników dla chromatografu, który pozwolił na wyodrębnienie 3 substancji przedstawiono na Rysunku 2. Rysunek 2: Ideowy obrazek przedstawiający rozwinięty chromatogram planarny. Mieszanina uległa rozdzieleniu na trzy składniki (A, B i C). Sposób obliczania współczynników opóźnienia wymaga zmierzenia odpowiednich odległości na chromatogramie. Należy pamiętać, iż metody chromatograficzne nie ograniczają się do rozdzielania faz w układzie ciało stałe/ciało stałe Zakres materiału naukowego: Definicje pierwiastka, związku chemicznego, mieszaniny jedno- i niejednorodnej, fazy, składnika, gazu, cieczy, ciała stałego. Pojęcia adsorpcji i absorbcji. Podstawy procesu destylacji i destylacji frakcjonowanej. Pojęcie pary nasyconej i nienasyconej. Zależność temperatury wrzenia od ciśnienia. Zjawisko azeotropii. Rozdzielanie mieszanin azeotropowych. Sublimacja, flotacja, sedymentacja, Strona 5 z 6
krystalizacja frakcjonowana. Chromatografia i pojęcia powiązane (eluent, rozwijanie chromatografu, faza stacjonarna, współczynnik podziału, współczynnik refrakcji). UWAGA: Definicje zawarte w niniejszym opracowaniu są bardzo ogólne i należy uzupełnić/rozszerzyć wymaganą wiedzę w oparciu o inne źródła. Strona 6 z 6