Come effettuare la cromatografia su carta

Le miscele sono composte da due o più componenti con proprietà diverse. Esistono molti metodi usati per separare le miscele nei loro componenti di base. Per i fluidi, questi metodi sono noti come cromatografia, che lavora per separare la miscela nei suoi componenti in base alla loro relativa capacità di muoversi lungo / attraverso le “fasi stazionarie” (una fase fissa) dalla “fase mobile”. Alcuni componenti della miscela si muovono più facilmente, mentre altri vengono trattenuti. Questo fa sì che la miscela si separi in bande di diversi componenti. In questo articolo illustreremo la semplice cromatografia su carta.

L’esperimento di cromatografia su carta più semplice da fare a casa è la cromatografia su carta di un pennarello nero. In questa sezione troverai una configurazione molto semplice con alcuni dettagli che ti consentono di ottenere i migliori risultati separando i tuoi campioni. È possibile confrontare questo esperimento con la cromatografia su strato sottile, un altro tipo di cromatografia eseguibile a casa, che abbiamo illustrato nell’articolo Esperienze di cromatografia su strato sottile, che trovi qui.

L’ipotesi è che l’inchiostro nero del pennarello sia in realtà una composizione di molti inchiostri colorati e possiamo separarli e trovare marcatori colorati corrispondenti a ciascun inchiostro contenuto nel pennarello nero. Effettueremo l’esperimento in due fasi. Nella fase uno scopriremo se l’inchiostro di colore nero è una combinazione di molti inchiostri. Se ciò è vero, nella seconda fase cercheremo di scoprire se i componenti del pennarello nero sono gli stessi degli inchiostri di altri pennarelli colorati.

L’inchiostro nero di un pennarello è davvero nero? Scoprilo con la cromatografia!

Il primo obiettivo dell’esperienza che stiamo per presentare è ottenere la migliore separazione possibile dei pigmenti presenti all’interno del pennarello nero usando, appunto, la cromatografia su carta. La cromatografia su carta utilizza una forza capillare che sposta l’acqua (oppure un altro solvente) e il campione sulla striscia di carta. I composti più solubili del campione andranno più lontano, quelli meno solubili rimarranno sulla linea di partenza. Ciò provoca una loro separazione.

Utilità della cromatografia su carta

Usando la cromatografia possiamo scoprire quanti componenti sono presenti in vernici, inchiostri, pennarelli, nonché in coloranti naturali, estratti di foglie. Con la cromatografia su carta non è possibile identificare le singole sostanze chimiche, ma solo analizzare approssimativamente la miscela. Finché la miscela è colorata possiamo vedere i loro componenti. Anche le miscele incolori possono essere separate, se possiamo poi visualizzare i composti separati con delle reazioni chimiche colorate.

Rappresentazione schematica della cromatografia su carta.

Nella prima metà del secolo scorso, anzi, sono state condotte molte ricerche in relazione ad analisi di cromatografia senza colori. Sono state sviluppate diverse tecniche per rendere visibili queste sostanze incolori: la presenza di amminoacidi (l’unità strutturale delle proteine), ad esempio, può essere visualizzata spruzzando sulla carta del cromatogramma a striscia di carta della minidrina, sostanza questa che tende a virare il colore di queste sostanze, di solito incolori, ad un porpora profondo.

Altre sostanze possono essere invece evidenziate mediante la loro illuminazione mediante raggi ultravioletti o con la cosiddetta “luce nera” (raggi UV-B), sotto i quali esse tendono a produrre, a loro volta, una luminescenza indotta, di colore determinato. Se ad esempio una goccia comune di inchiostro blu-nero viene depositata su una striscia di carta per cromatogramma e poi si provvede allo sviluppo di essa, con alcool, si ha la formazione da questa di una certa serie di zone di colore bluastro, corrispondenti al contenuto di composti di ferro, e di sostanze coloranti che si separano scorrendo lungo la striscia.

Esempio di cromatogramma esaminato sotto una luce ultravioletta.

Quando però una striscia così ottenuta viene esposta, dopo essiccata, alla luce ultravioletta, ha luogo lo sviluppo di un notevole numero di altre zone di colore nella gamma del verde, dell’arancione e del rosso. Con un secondo cromatogramma dello stesso tipo nel quale sia usata una sostanza nota è quindi possibile indagare sulle sostanze in esame, ignote o che appena si sospettino presenti nel primo cromatogramma, operando con il sistema del confronto, specialmente sfruttando la posizione delle rispettive dello stesso colore, come verrà illustrato più avanti nel corso di questo articolo.

Il metodo della cromatografia su carta e quello della cromatografia su colonna – illustrato in un altro nostro articolo che trovi qui – possono considerarsi complementari, in quanto conviene usare il secondo per una ricerca di carattere quantitativo, per conoscere la quantità delle varie sostanze presenti, mentre si può adottare il primo metodo, ovvero quello della cromatografia su carta, per identificare per confronto le sostanze anche se presenti in piccolissime proporzioni ed in miscele molto complesse.

Cromatografia su carta dell’inchiostro di pennarelli di diversi colori.

Occorrente e procedura della cromatografia su carta

Ecco ciò di cui necessiti per effettuare la cromatografia su carta:

  • Carta per cromatografia (fase stazionaria) – Può anche funzionare un filtro per caffè o della carta assorbente o carta igienica. Carte diverse hanno proprietà diverse e separano le sostanze in modo più o meno efficace. Abbiamo avuto la migliore fortuna con i filtri da caffè.
  • Camera per cromatografia. Andrà bene un barattolo di vetro da 1 litro.
  • Graffetta per fogli.
  • Spiedino (o matita).
  • Pennarello/i nero/i idrosolubile/i.
  • Forbici.
  • Solventi (fase mobile). Esistono molti solventi diversi e le loro combinazioni che devi provare. Abbiamo usato: acqua, aceto, acetone (smalto per unghie), alcool, detergente per vetri.

Una striscia cromatografica è una striscia di materiale attraverso la quale passa la miscela di fase mobile (un liquido o un gas). La striscia funge da stadio fisso in modo da poter vedere la velocità di spostamento dei diversi componenti nella fase mobile. Puoi utilizzare strisce per cromatografia appositamente formulate per risultati superiori (le puoi trovare qui), ma per una semplice cromatografia puoi crearne di tue. Taglia un filtro da caffè (o una carta assorbente) in strisce diritte larghe circa 2,5 cm e lunghe 15 o 20 centimetri.

Rotolo di carta per cromatografia (a sinistra) e strisce di carta per uso cromatografico (a destra). Entrambe si possono acquistare facilmente online, ad es. qui.

Ecco la procedura da seguire per fare la cromatografia su carta:

  1. Taglia la striscia cromatografica dal filtro del caffè (o altra carta, vedi sopra).
  2. La lunghezza della striscia dipende dall’altezza della camera, la larghezza non ha importanza, ma dovrebbe poter entrare liberamente nella camera per cromatografia.
  3. Disegna una linea di matita a 3 cm dalla parte inferiore della striscia. Sarà la tua linea di partenza. Per il nostro esperimento con pennarello nero traccia una linea corta lungo la linea di partenza. Se stai cercando di separare qualcos’altro, metti i tuoi campioni sulla linea di partenza aiutandoti con stuzzicadenti. Al posto di una linea, alcune persone usano un punto. Funzionerà anche questo, ma le bande non saranno definite in modo chiaro usando questo metodo.
  4. Versa il solvente nella camera cromatografica (vaso) solo per coprire il fondo. Quando si esegue la cromatografia semplice, il solvente (il liquido che trasporta la fase mobile attraverso la fase stazionaria) è acqua. Hai solo bisogno che la striscia la assorba, quindi ne basta poca.
  5. Inserisci la striscia di carta per cromatografia con i campioni nella camera di cromatografia, in modo che il fondo della striscia tocchi il solvente. Importante: la linea di partenza dovrebbe rimanere al di sopra del solvente! Non muovere il sistema dopo aver immerso la striscia.
  6. Usa mollette o graffette per fissare la striscia verticalmente ad es. su una matita. Dovrebbe essere appesa in modo tale che il lato con la linea del pennarello sia più vicina al suolo. Assicurati di posizionare la molletta il più in alto possibile sulla striscia mantenendo comunque una buona presa. Se la clip è troppo in basso sulla striscia, potrebbe interferire con le bande.
  7. Vedrai come il solvente si “arrampica” sulla striscia trascinando il campione con esso. Guarda la macchia di colore che sale sulla striscia e possibilmente si separa nei singoli componenti.
  8. Rimuovi la carta dalla camera quando la parte anteriore del solvente si trova a due o tre cm dalla parte superiore o se non si sposta più verso l’alto. Posizionala su una superficie liscia e attendi che si asciughi da sola o accelera il processo con un phon.
  9. Segna dove si trova il livello superiore raggiunto dal solvente e dove sono le macchie di colore al centro (se sei fortunato a trovarne una).
  10. Scrivi la combinazione solvente e le proporzioni sulla striscia per riferimento futuro.

Il semplice apparato da realizzare. A differenza di quanto mostrato in figura, il punto (spot) di inchiostro deve essere un po’ più alto del livello dell’acqua.

Risultati e suggerimenti per analisi più raffinate

I composti più leggeri (più piccoli) si muoveranno più velocemente e quelli più pesanti (più grandi) si muoveranno più lentamente. Ciò separerà i composti in “bande” in base alle loro dimensioni. Tuttavia, questo è un processo lento. Guarda la striscia finché non vedi che l’acqua raggiunge circa 2,5 cm dalla parte superiore della striscia. Il tempo esatto impiegato dall’acqua per giungere a 2,5 cm dalla parte superiore della striscia dipenderà dal tipo di striscia che si sta utilizzando.

Dopo aver rimosso la striscia dall’acqua, le bande dovrebbero rimanere al loro posto. Ciò ti consentirà di contare quante diverse bande sono visibili sulla tua striscia. Ciò ti darà un’idea approssimativa di quanti composti di dimensioni diverse sono presenti nell’inchiostro del pennarello.  Notare il colore di ogni banda. L’inchiostro nero del pennarello è composto da diversi pigmenti diversi. Tutti questi pigmenti hanno i loro colori unici. Quando li dividi in bande, le bande saranno il colore di quel singolo pigmento.

A sinistra cromatografia dell’inchiostro di un pennarello nero che utilizza l’acqua come fase mobile. A destra cromatografia dello stesso pennarello con combinazione di detergente per vetri e aceto bianco in proporzione 10: 1 come fase mobile.

Se il numero di punti o di bande visibili alla fine sulla striscia di carta ti dice quanti composti ci sono nella tua sostanza, il loro colore e la distanza percorsa potrebbero aiutarti a identificare quei composti. Puoi provare a scoprire quali coloranti sono stati usati nel pennarello nero usando altri pennarelli presi dalla stessa scatola. Se un determinato campione di colore di riferimento percorrerà la stessa distanza (chiamata Rf) di uno dei colori del pennarello nero, probabilmente è lo stesso composto chimico.

Elencare le bande dalla parte superiore della striscia verso il basso. Annota le bande colorate in base alla distanza percorsa. Le bande vicino alla parte superiore sono i composti più leggeri e le bande vicino alla parte inferiore sono i composti più pesanti. Probabilmente noterai anche una tendenza del colore dall’alto verso il basso. I colori più chiari sono di solito composti più piccoli e quindi si spostano più in alto nella striscia, mentre i colori più scuri stanno più vicino al fondo perché sono composti più pesanti.

Il rapporto tra la distanza raggiunta dalla banda di un composto (Dc) e la distanza percorsa dal solvente (Ds) è chiamato coefficiente di ritenzione (Rf). È possibile calcolare il valore Rf per qualsiasi banda dividendo la distanza percorsa dalla banda a partire dalla linea originale per la distanza percorsa dal solvente sempre a partire dalla linea originale. Ad esempio, se si ha una banda di 2 cm oltre la linea iniziale e il solvente si era spostato fino a 5 cm sopra il solvente, si ha Rf = Dc / Ds = 5/2 = 0,4.

Separazione cromatografica dell’inchiostro di un pennarello nero e calcolo del coefficiente di ritenzione dei pigmenti di ciascun colore.

La scelta della giusta combinazione di solventi per cromatografia è molto importante. È anche la parte più lunga del processo, quindi sii paziente. Prova ogni solvente disponibile e annota il risultato o semplicemente scrivi il nome del solvente sulla striscia di carta sviluppata. La tenuta dei registri ti aiuterà a organizzare i tuoi dati. La cromatografia perfetta appare come delle macchie colorate con uno spazio tra di esse, dunque senza sovrapposizioni, bensì con una chiara separazione.

È difficile ottenere un simile risultato a casa, quindi non arrabbiarti se puoi solo far sì, con un pennarello nero, di separare il suo colore nero in delle bande arcobaleno. In realtà è già un risultato abbastanza buono. Sfortunatamente, una buona combinazione di solventi per un pennarello ad acqua nero potrebbe non funzionare con altre sostanze. Se vuoi separare i coloranti naturali o pennarelli di tipo diverso oppure inchiostro, dovrai trovare la migliore composizione solvente.

Infine, puoi confrontare i risultati ottenuti con la cromatografia su carta del pennarello nero (o di altre miscele che intendi analizzare) con quelli che si ottengono, per la stessa miscela di partenza, con la cromatografia su strato sottile, illustrata nel nostro articolo Come fare cromatografia su strato sottile, che trovi qui. Ma quali sono le differenze principali fra i due tipi di cromatografia? Quando conviene optare per l’una piuttosto che per l’altra nella pratica di laboratorio?

Cromatogramma di pigmenti fotosintetici ottenuto con la cromatografia su strato sottile, che fornisce risultati migliori rispetto alla cromatografia su carta.