COLONNA
La cromatografia su colonna è nota sin dall'inizio del 1900.
Utilizza una colonna di vetro munita di un rubinetto all'estremità inferiore e
riempita della fase stazionaria (che è diversa secondo la sostanza da esaminare.
In alcuni casi può essere conveniente, avvenuta la separazione cromatografica
della miscela in diverse zone separatesi lungo la colonna, estrarre questa dal
tubo di vetro che la contiene, tagliandola in modo da separare le singole zone.
Ciascuna sostanza può, poi, venire ricavata dalla zona di materiale adsorbente
che la contiene eluendola separatamente mediante un solvente adatto.
Talvolta risulta conveniente condurre la cromatografia a temperatura superiore a
quella ambiente: a caldo l'equilibrio di ripartizione
tra fase fissa e fase mobile si stabilisce più rapidamente e le
separazioni ottenute risultano perciò più nette. Allo scopo ci si serve di
tubi per cromatografia muniti di una camicia termostatica, che consente di
mantenere la colonna alla temperatura voluta. La miscela delle sostanze che si
vogliono separare forma all'inizio una sottile zona all'estremità superiore
della colonna; se si sceglie opportunamente la fase mobile, allorché questa
viene fatta percolare lungo la colonna, i singoli componenti della miscela in
esame migrano con velocità diversa come bande abbastanza ristrette.
A seconda dei valori del coefficiente di ripartizione tra le due fasi e dei loro
rapporti, si possono distinguere tre diversi metodi di eluizione:
-
quella semplice o progressiva;
-
quella a stadi;
-
quella a gradiente di potere eluente.
Nel primo metodo la fase mobile rimane la medesima
durante tutta l'eluizione e le sostanze escono dalla colonna in una successione
che dipende dai loro coefficienti di ripartizione. L'eluizione a stadi si
utilizza quando si vogliono separare due sostanze che presentano un coefficiente
di ripartizione molto diverso tra la fase fissa e la fase mobile utilizzate. Nell'eluizione
a gradiente di potere eluente la variazione della composizione della fase
mobile, anziché brusca come nel metodo a stadi è progressiva; il gradiente di
composizione può essere lineare, esponenziale o parabolico. Questo metodo di
eluizione viene utilizzato soprattutto quando le sostanze che costituiscono la
miscela in studio presentano valori assai diversi dal coefficiente di
ripartizione tra fase fissa e fase mobile.
La separazione delle sostanze risulta migliore quando lo straterello di miscela
introdotto inizialmente alla sommità della colonna cromatografica non subisce,
per ogni sostanza, alcuna deformazione durante il processo cromatografico. Tale
condizione si verifica più facilmente quando la quantità sottoposta a processo
cromatografico è piccola rispetto al volume dell'eluente ed alle dimensioni
della colonna cromatografica, e quando il rapporto tra la lunghezza ed il
diametro della colonna è sufficientemente elevato.
Si può parlare di cromatografia "ideale" e cromatografia
"non ideale".(Cromatografia ideale), si suppone che i processi di
scambio tra fase fissa e mobile siano reversibili, che gli equilibri delle
sostanze tra le fasi siano raggiunti istantaneamente, e che nessuno dei
componenti il miscuglio turbi l'equilibrio di ripartizione delle altre sostanze.Nel
caso della Cromatografia non ideale, i
processi parassiti dovuti al mancato raggiungimento dell'equilibrio di
ripartizione delle sostanze tra le fasi, all'incompleta reversibilità del
processo di ripartizione, alla decomposizione delle sostanze durante la
cromatografia ecc., si manifestano in diversa misura. A seconda dei casi, essi
possono disturbare ed anche impedire la separazione dei prodotti che formano la
miscela sottoposta alla tecnica cromatografica.
Grazie alla cromatografia ideale, più semplice da affrontare
rispetto a quella non ideale, i fondamenti teorici della cromatografia possono
costruirsi introducendo una grandezza caratteristica dell'equilibrio statico di
ripartizione della sostanza cromatografata tra fase fissa e fase mobile. Questo
equilibrio può essere rappresentato, per ogni sostanza e per ogni coppia di
fasi fisse e fasi mobili, da una curva detta Isoterma di Ripartizione
che indica per ogni concentrazione del prodotto nella fase mobile Cm
la concentrazione dello stesso prodotto nella fase fissa Cf.
Queste isoterme sono delle curve che volgono la loro concavità verso l'asse
delle Cm. Il tipo di isoterma ha una notevole importanza; nel caso
in cui l'isoterma sia una retta, lo strato di sostanza non si deforma durante il
processo cromatografico.
Nel caso di un'isoterma a concavità rivolta verso
l'asse dei Cm, la teoria prevede (e l'esperienza conferma) che lo
strato di sostanza si deformi durante il suo passaggio lungo la colonna.
In questo caso la curva rappresentativa è non simmetrica, poiché la
concentrazione decresce da valle a monte.
L'asimmetria della distribuzione della concentrazione nei singoli strati ne
determina la sovrapposizione; ne consegue che, nel diagramma della
concentrazione dei componenti in funzione del volume di eluente che ha
attraversato la colonna, la curva si presenti non come insieme di picchi ben
separati, ma come una serie di curve appiattite, che possono parzialmente
sovrapporsi. Questi fenomeni si osservano particolarmente nella cromatografia di
adsorbimento in fase liquida o in fase gassosa.
Il riempimento del tubo da cromatografia con il
materiale adsorbente deve essere condotto in modo da evitare nella
colonna qualsiasi irregolarità perché questa si tradurrebbe in una
deformazione dei fronti di eluizione e cioè in separazioni imperfette. Colonne
ben omogenee si possono ottenere con due diverse tecniche di riempimento.
Nel riempimento a secco il materiale adsorbente viene
introdotto a piccole porzioni che si assestano successivamente nel tubo
battendolo sul fianco o pressando con una bacchetta di largo diametro;
l'operazione è importante perché, quanto maggiore è il tasso di riempimento
del tubo, tanto più fini sono le separazioni che si ottengono. Formata così la
colonna, si pressa sopra di essa un primo disco di carta
da filtro di diametro pari a quello del tubo, poi un secondo di diametro
superiore che rimane, perciò, legato ai bordi. I due dischi evitano, quando si
introducono nella colonna le soluzioni, che il moto del liquido porti in
sospensione lo straterello superiore di materiale adsorbente. Con questo
sistema, però, non è sempre facile ottenere una colonna perfettamente omogenea
ed evitare la formazione di bolle d'aria al suo interno.
Nella tecnica
di riempimento
a umido

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il materiale adsorbente
viene, invece, introdotto nel tubo cromatografico sotto forma di sospensione nel
solvente che verrà poi usato per la cromatografia. L'assestamento del solido si
facilita applicando all'uscita inferiore della colonna una leggera aspirazione
avendo, però, cura che il solido stesso rimanga in ogni momento ricoperto dal
solvente. Si introducono, così, altre piccole quantità di adsorbente, fino a
che la colonna abbia raggiunto l'altezza voluta. Infine, si sistemano sulla sua
estremità superiore due dischetti di carta da filtro nel modo descritto per il
riempimento a secco. La tecnica di riempimento ad umido presenta meno di quella
a secco il pericolo della formazione di bolle d'aria in seno alla colonna. Per
evitarlo del tutto, si può preventivamente riempire il tubo con solvente puro e
lasciarvi cadere l'adsorbente, a piccole porzioni, battendo lateralmente il tubo
stesso con un martelletto di gomma. Prima dell'introduzione della miscela da
separare si versa sopra la colonna, che comunque si sarà sempre mantenuta
ricoperta dal solvente, un'altra piccola quantità di solvente, che si lascia
poi percolare attraverso la colonna fino a quando questa rimane coperta solo da
uno strato molto basso di liquido. A questo punto, si introduce cautamente la
soluzione della miscela da risolvere. É importante che questa formi sulla
colonna una zona di adsorbimento molto ristretta; se la zona è troppo larga, le
bande di eluizione devono poi percorrere un cammino maggiore per potersi
separare nettamente, e comporta l'uso di colonne di lunghezza eccessiva.
Il solvente impiegato per l'eluizione è assai spesso
quello utilizzato per solubilizzare le sostanze da separare.
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