Je možné oddeliť od seba rôzne prírodné farbivá?

Papierová chromatografia

Papierová chromatografia patrí usporiadaním experimentu k plošným chromatografickým technikám. Na rozdiel od TLC, pri ktorej je vrstva sorbentu nanesená na vhodnej podložke (sklo, plastová fólia, hliníková fólia), je papier vďaka vláknitej štruktúre celulózy samonosný. Separácia je založená na opakovanom rozdeľovaní chromatografovanej látky medzi dve fázy, z ktorých jedna je nepohyblivá (stacionárna) a druhá sa pohybuje (mobilná fáza). V prípade papierovej chromatografie sa zložky vzorky rozdeľujú medzi dve navzájom nemiešateľné kvapalné fázy (rozdeľovacia chromatografia), z ktorých jedna je kvôli interakciám vnútri pórov stacionárnej fázy tiež nepohyblivá. Na celulóze sa z inak homogénnej mobilnej fázy prednostne zadržiava polárnejšia zložka - obyčajne voda, ktorá takto vnútri pórov celulózy vytvára kvapalné prostredie s odlišným zložením ako má mobilná fáza.

Mobilná fáza sa pohybuje vo vrstve stacionárnej fázy účinkom kapilárnych síl, vzlínaním. Pohybom mobilnej fázy sú zložky vzorky unášané v smere pohybu tejto fázy a opakovane, kontinuálne a v rôznej miere danej ich chemickou a štruktúrnou odlišnosťou sú zachytávané interakciami so stacionárnou fázou. Viacnásobným opakovaním tohto procesu môže dôjsť k vzájomnému odlíšeniu chromatografovaných látok. Pri separácii farebných látok pozorujeme výsledok týchto dejov ako rôzne rýchly postup farebných škvŕn na papieri v oblasti medzi štartom (bodom nanesenia vzorky) a čelom postupujúceho rozpúšťadla. Charakteristickou kvalitatívnou črtou každej zložky vzorky je poloha jej škvrny, jej správanie a vzhľad pri detekcii. Veľkosť a intenzita signálu (farebnosť) škvrny má vzťah ku množstvu analyzovanej látky v škvrne (kvantitatívna črta).

Technika papierovej chromatografie

Obr. 3: Znázornenie prevedenia chromatografického experimentu v plošnom usporiadaní

Hodnoty R_F sa pohybujú od 0 do 1. Pre látky, ktoré zostávajú blízko štartu, sa R_F blíži k nule. Pre látky, ktoré sa pohybujú nezadržané stacionárnou fázou takmer s čelom mobilnej fázy sa R_F blíži k jednej.

Chromatografický papier

Chromatografický papier je veľmi čistý celulózový papier, ktorý musí spĺňať viaceré podmienky:

- relatívne rýchly prietok mobilnej fázy umožňujúci rýchlu analýzu,

- dostatočná homogenita, kapacita a mechanická pevnosť,

- malý obsah nečistôt.

Nedodržanie týchto podmienok môže mať za následok neprimerane dlhú analýzu, nerovnorodý a ťažko vyhodnotiteľný tvar škvŕn, predčasné ukončenie experimentu a problémy s detekciou separovaných látok. Pre účely papierovej chromatografie sa vyrábajú špeciálne chromatografické papiere líšiace sa hrúbkou (0,15 mm až 0,5 mm), hustotou (plošná hmotnosť 85 až 180 g m^-2), homogenitou kladenia vlákien a čistotou (napr. Whatman, Schleicher-Schull). K ideálnemu chromatografickému papieru sa blížia niektoré druhy filtračného papiera, ktoré je možné tiež použiť po premytí papiera, odstránení prípadných nečistôt a vysušení.

Pomôcky a chemikálie

Chromatografický alebo filtračný papier, vyvíjacia nádoba, kadička, deionizovaná voda, chlorid sodný čistý, nanášacia kapilára (2 µl), individuálne štandardy farbív, zmes vodorozpustných farbív v roztoku, rôzne farebné fixky.

Úlohy

1. Porovnať separáciu jednotlivých farbív za použitia rôznych mobilných fáz.
2. Vyhodnotiť R_F hodnoty separovaných farbív a porovnať ich s R_F hodnotami vybraných štandardov vodorozpustných farbív. Na základe vyhodnotenia priradiť odpovedajúce štandardy k jednotlivým fixkám.
3. Diskutovať vzťah medzi farbou fixky a počtom a kvalitou farbív v nej obsiahnutých.

Pracovné podmienky a postup

Na papier (veľkosť papiera prispôsobte vyvíjacej nádobe – cca 18,5 x 15,0 cm) narysujte grafitovou ceruzkou vodorovnú čiaru vo vzdialenosti 2 cm od spodného okraja (Štart) a na ňu vyznačte v 1,5 – 2,0 cm odstupoch od ľavého okraja papiera miesta pre nanášanie vzoriek a štandardov. Na jednotlivé body postupne naneste vzorky fixiek a štandardov farbív tak, aby priemer škvrny nebol väčší ako 2 mm. Približne 0,5 cm pod horným okrajom papiera naneste vzorky fixiek a štandardov farbív v identickom poradí ako na spodnej časti papiera a jednotlivé škvrny si popíšte. Škvrny na hornom okraji papiera sú referenčné škvrny umožňujúce diskutovať výsledok delenia s pôvodným vzhľadom farby fixky. Vložte pripravené chromatografické papiere do vyvíjacej nádoby s mobilnou fázou a pozorujte separáciu. Mobilnou fázou je deionizovaná voda resp. 3 % roztok NaCl alebo NaNO₃ (podľa pokynov vyučujúceho). Hladina mobilnej fázy by mala siahať približne 1 cm od spodu nádoby. Keď čelo mobilnej fázy dosiahne potrebnú vzdialenosť (minimálne 10 cm od Štartu), papier z vyvíjacej nádoby vyberte, označte čelo mobilnej fázy a po vysušení priamo vyhodnoťte výsledok separácie farebných analytov.

Výkonový štandard:

Porozumieť separačnej metóde (chromatografia).

Zaznamenať výsledky pokusov do tabuliek.

Formulácia hypotéz.

Obsahový štandard:

Spôsob oddeľovania zložiek chromatografiou.

Vodný roztok.

Zložky farebného spektra.

Východiskové poznatky:

Vedomosti získané v rámci predmetu fyzika v 6. ročníku. o vlastnostiach kvapalných, plynných a tuhých látok.

Vedomosti získané z bežného života (kuchyňa).

ÚVOD DO PROBLEMATIKY PRE UČITEĽA

• papierová chromatografia je pekným príkladom ako žiakom názorne ukázať jednotlivé zložky farieb
• tento pokus umožňuje reverzný pohľad na farby
• téma chromatografia je prepojenie CHE – FYZ – MAT
• CHE – zloženia látok/farieb, vlastnosti roztokov
• CHE/FYZ – rozpustnosť
• MAT – vzorce, zlomky (výpočet faktora Rf)
• v reálnom živote sa prepojenia s chromatografiou dajú nájsť v oblastiach: pesticídy, kontrola kvality vody a potravín, umelé a prírodné farbivá

MOTIVÁCIA

Na začiatku hodiny učiteľ predstaví tému hodiny a žiaci si vo vytvorenom experimente v SPARKvue pustia motivačné video, ktoré sa snaží upútať žiakov pre danú tému. Motivácia pokračuje odpovedaním na motivačné otázky.

Motivačné video: https://www.youtube.com/shorts/zbiNlYgplxU 

Motivačné otázky:

• Aká je tvoja obľúbená farba?
• Na koľko farieb sa rozloží tvoja obľúbená farba?

PROBLÉM

Chromatografia je separačná metóda, ktorá sa používa na oddelenie zložiek v zmesi, v našom prípade budeme rozdeľovať farby na ich jednotlivé zložky. Žiaci si prečítajú základný princíp chromatografie v SPARKvue. Nastoleným problémom pre žiakov preto ostáva nasledujúca otázka:

Na koľko farieb sa vedia rozložiť jednotlivé farby? (čierna, zelená, tvoja obľúbená farba, vybraná farba).

HYPOTÉZA

Hypotézu žiaci vytvárajú ako odpoveď na otázku, uvedenú ako problémovú. Učiteľ by mal v tejto časti overiť, či žiaci rozumejú pojmu hypotéza.

Príklady hypotéz, ktoré by žiaci mohli uviesť: 

•  Čierna farba sa rozloží na 5 farieb.
•  Zelená farba sa rozdelí na 2 farby.

Učebné pomôcky, materiál, chemikálie pre 15 žiakov:

• 8 chromatografických papierov,
• farebné fixky,
• ceruzka, pravítko, nožnice,
• soľ a voda,
• plastová/sklenená nádoba,
  • násuvná lišta.

POSTUP

Postup experimentu, na základe ktorého sa potvrdia alebo vyvrátia stanovené hypotézy je uvedený v nasledujúcej časti.

• Z filtračného papiera si vystrihneme 2 obdĺžniky tak, aby sa nedotýkali dolnej a bočných stien prázdnej nádoby vo vzdialenosti cca 2cm.
• Ceruzkou a pravítkom si vyznačíme štart horizontálnou čiarou na každom z nich.
• Vyberieme si 6 – 8 fixiek rôznych farieb a na štartovaciu čiaru prvého obdĺžnika urobíme každou z nich väčšiu bodku, pričom zachováme dostatočnú vzdialenosť medzi bodkami (aby sa nám dve farby nerozpili cez seba).
• Do plastovej/sklenenej nádoby nalejeme 3%-ný roztok NaCl cca 3 – 4cm od jej dna.
• Každý obdĺžnikový papier vložíme do lišty a opatrne ich zavesíme zhora na jednu nádobu tak, aby sa papiere nedotýkali jej stien, a ani navzájom.
• Chvíľu (cca 10 – 20min.) necháme rozpúšťať resp. oddeľovať jednotlivé základné farby od seba.
• Po úplnom rozpustení farieb papiere opatrne vyberieme, (vysušíme ich fénom) a označíme si ceruzkou cieľ.
• Po dôkladnom vysušení papiera určíme pri každej oddelenej farbe faktor Rf ako podiel vzdialenosti stredu každej oddelenej farby od štartu/vzdialenosti štart – cieľ.
• R_F= a/b
• Čas, ktorý vznikol počas oddeľovania farebných zložiek sa využije na vysvetlenie podstaty chromatografie na príklade lodičiek.

POZOROVANIE (ČO POZORUJEME)

Žiaci svoje pozorovania vložia pomocou fotografie. Vypočítajú Rf faktor farieb, ktoré vznikli rozložením čiernej a ich obľúbenej farby. Svoje zistenia zapíšu.

ZÁVER

V závere žiaci prijmú alebo vyvrátia hypotézy, ktoré si stanovili na začiatku hodiny. Komentár k zisteniam vpíšu do pripraveného políčka. Zároveň určia, ktoré farbičky sa pohybovali rýchlejšie a ktoré pomalšie.

ZHRNUTIE

Ako zhrnutie majú žiaci za úlohu napísať 5 príkladov, ako by získané poznatky z pokusu využili v konkrétnych situáciách v praxi, príp. kde v živote s tým môžeme stretnúť.

Žiaci majú taktiež priestor na vyjadrenie názoru a pýtanie sa otázok, ktoré ešte k téme majú. Otázky vpíšu do Padletu pomocou uvedeného QR kódu. QR kód je dostupný neobmedzene, žiaci sa na stránke môžu nie len pýtať ale aj odpovedať na otázky od spolužiakov. Učiteľ si na nasledujúcu hodinu pripraví odpovede na položené otázky.

QR kód:

Na záver majú žiaci možnosť pozrieť si videá, v ktorých je názorne ukázaná chromatografia listov a cukríkov. Posilňuje sa tým prenesenie získaných poznatkov o danej téme do praxe (bežného života).

Videá:

https://www.youtube.com/watch?v=qH-AJDqsSII

https://www.youtube.com/watch?v=963waYurXp4

https://www.youtube.com/watch?v=kAScwuoLaE0

METODICKÉ POZNÁMKY

• počas experimentu treba dať veľký pozor na to, aby sa papier neotlačil o stenu nádooby, je potrebné, aby to učiteľ skontroloval u každého žiaka
• žiaci môžu pracovať aj v skupinách alebo dvojiciach
• učiteľ si musí premyslieť primeranosť otázok, ktoré položí vzhľadom na vedomosti, ktorými disponujú žiaci 7. ročníka

POUŽITÁ LITERATÚRA

Inovovaný Štátny vzdelávací program. 2015. Biológia – nižšie stredné vzdelávanie [online]. Štátny pedagogický ústav, 2015, [cit. 2025-04-30]. Dostupné na: https://www.statpedu.sk/files/articles/dokumenty/inovovany-statny-vzdelavaci-program/biologia_nsv_2014.pdf