כרומטוגרפיה של טוש שחור

בניסוי הזה נפריד את הצבע השחור של טוש לצבעים שמהם הוא מורכב, ונראה שהוא בעצם בנוי מתערובת של כמה צבעים.

ציוד

• נייר עיתון פשוט ללא לכה (עדיף) או פילטר של קפה או נייר סופג או נייר בריסטול מאריזת דגני בוקר (בעדיפות האחרונה). לא להשתמש בדפי מחברת או בדפי מדפסת – הניסוי לא יצליח איתם.  
• כוס שקופה
• מספריים
• טוש שחור על בסיס מים (טוש לא מחיק, המבוסס על אצטון, לא יעבוד!)
• מים
• עיפרון
• נייר דבק (סלוטייפ)

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

התחיל בצמחים והתפשט

כרומטוגרפיה היא שיטה יעילה מאוד להפרדת תערובות של חומרים: כלומר מספר חומרים המעורבבים יחד. השם של השיטה הוא חיבור של שני מילים ביוונית: כרומו – 'צבע', וגרפיה – 'לרשום / לכתוב'. כלומר הפירוש המילולי של כרומטוגרפיה זה 'רישום צבעים'. את השם נתן לשיטה מי שפיתח אותה – המדען הרוסי-איטלקי מיכאיל צוויט (או צבט).

צוויט לא היה כימאי, אלא בוטניקאי – כלומר חוקר צמחים, והתעניין בצִבענים (פיגמנטים) שנמצאים בצמחים. בגלל שהצבעים שבצמחים נמצאים בדרך כלל כתערובת של כמה חומרים, ובגלל שכאשר מערבבים כמה צבעים – מתקבל צבע חדש, שיכול להטעות, צוויט ניסה למצוא שיטה להפריד בין חומרי הצבע השונים. השיטה שהוא המציא בשנת 1901 הייתה למלא צינור זכוכית אנכי ארוך (המכונה "קולונה") באבן גיר שהוא טחן לאבקה דקה. הוא מזג לקצה העליון של הצינור תמיסה ירוקה שהשיג מעלי צמח כתושים, ואז שטף אותה כלפי מטה לתחתית הצינור.

תוך כדי הזרימה בצינור התמיסה הירוקה הופרדה לשלושה חלקים – ירוק, כתום וצהוב. הם מייצגים שלוש משפחות של חומרים הנמצאים בעלי הצמח: כלורופיל, קרוטן וקסנטן. כל חומר יצא בזמן אחר מתחתית הצינור.

הפרדת תערובת חומרים (אדום וכחול) על ידי הזרמתם ב'קולונת עמודה' – כל צבע יוצא בזמן אחר | מקור: ויקיפדיה

בגלל שהשיטה עסקה בצבעים, כינה אותה צוויט כרומטוגרפיה. לצערו של צוויט הוא פרסם את השיטה בעיתון מדעי נידח שיצא לאור בפולין, וחלף עשור שנים עד שהוא זכה להכרה כממציא השיטה. הוא הלך לעולמו ב-1919 – ולא זכה לראות את התפתחות והשתכללות השיטה שהמציא: בשנת 1952 הוענק פרס נובל בכימיה לכימאים ארצ'ר מרטין וריצ'רד סינג' על שיכלול הכרומטוגרפיה – שהיום היא אחת השיטות השימושיות ביותר, אם לא ה-, להפרדת חומרים.

עקרון הפרדה בספיחה

אז איך הכרומטוגרפיה עובדת? כימאים שקדמו לצוויט וערכו ניסויים דומים במקצת לשלו – חשבו שהכרומטוגרפיה מפרידה חומרים במנגנון דומה סינון, או אולי תכונה של נימיות של נוזלים (נימיות זה ספיגה של נוזלים דרך צינורות דקים) – אולם עקרון הפעולה שלה הוא שונה: ומבוסס על תכונה כימית בשם ספיחה, שהיא סוג של 'הידבקות' של חומר על פני חומר אחר. חומרים יכולים להידבק זה לזה עקב כוחות משיכה חשמליים שמתקיימים בין החלקיקים הקטנים שמרכיבים את החומר.

דוגמה לחומר שסופח בצורה חזקה מאוד – פחם פעיל, שהדגמה לאופן שבו הוא סופח ומטהר מים מצבעים הודגמה בניסוי אחר של מדע בבית.

בכרומטוגרפיה הספיחה היא חלשה – כלומר חומרים שזורמים על פי חומר מסויים – כמו הנייר בניסוי שלנו, או אבקת גיר בניסוי המקורי של צוויט, נדבקים לזמן קצר לפני השטח של החומר. בגלל שהחומרים גם מקיימים כוחות משיכה עם הממס (למשל המים) שבו הם נמצאים, הם נמשכים חזרה מפני השטח אל התמיסה. התוצאה של המשיכה החלשה הזו היא האטה או עיכוב בזרימה של החומר. העניין הוא שכל חומר יוצר אינראקציות שונות / כוחות בעוצמה שונה, עם הממס ועם החומר שעליו הוא זורם, ולכן מתעכב במידה שונה. כך שאם יש תערובת של חומרים נוצרת הפרדה – כל אחד מתעכב זמן אחר וזורם בקצב שונה. אפשר לדמיין את זה כמו קבוצה של אנשים המתחילה לרוץ יחד במסלול, כאשר מסביב למסלול עומד קהל השולח ידיים ותופס לרגע קצר את הרצים. כל אצן הוא מעכב לזמן שונה,  והתוצאה היא שקבוצת הרצים תתפזר ותגיע לקו הסיום בזמנים שונים.

כפי שכתבתי – היום השיטה משוכללת מאוד, ישנן 'קולונות' הפרדה המצופות בחומרים מיוחדים להפרדה מיטבית של חומרים, יש גלאים שמזהים מתי החומרים השונים יוצאים מהקולונה (גם אם אין להם 'צבע') יש קולונות ארוכות מאוד (אפילו עשרות מטרים!), כרומטוגרפיות המפרידות גזים, ותערובות ממסים ומשאבות שמזרימות את הכל במהירות כדי לחסוך זמן. היום כמעט כל תערובת חומרים אפשר להפריד באמצעות כרומטוגרפיה. ההפרדה היא חשובה גם לזיהוי וכימות חומרים – תחום שבו עוסק ענף הכימיה האנליטית, וגם לייצור של חומרים.

עוד נקודה מדעית להתייחסות בניסוי שלנו: בניסוי של צוויט – הזרימה של התמיסה הייתה באמצעות כוח המשיכה – מלמעלה למטה. בניסוי הנוכחי הזרימה הייתה בכוח הנימיות של הנייר – המים נספגים ועולים למעלה, בגלל 'משחק' של כוחות שיש בין המים לנייר, החללים בתוך הנייר, ובין מולקולות המים לבין עצמן – ראו כאן ניסוי על נימיות, וגם כתבה על נימיות להרחבה.

כרומטוגרפיה בנייר המפרידה צבעים  – עליה נימית