Ф. БАЙБУРТСКИЙ.
В 1997 году торжественно отмечалось 125-летие со дня рождения выдающегося русского химика Михаила Семеновича Цвета, открывшего и впервые применившего принципиально новый метод исследований - хроматографию. Она стала в наши дни незаменимым методом разделения и анализа сложных веществ. С ее помощью удалось, в частности, разобраться в сложностях строения и состава белковых соединений, получить многие трансурановые элементы периодической системы Менделеева, разделять и очищать антибиотики, витамины, алкалоиды и гормоны. Хроматографические явления составляют основу многих природных геохимических процессов, вроде образования почвы и многих рудных месторождений.
Первый опыт по разделению и анализу вещества сложного состава, проделанный Михаилом Семеновичем Цветом в 1903 году, был удивительно простым.
Для исследования сложных химических веществ и соединений применяется целый ряд очень точных физических методов.
Масс-спектроскопия. Исследуемое вещество испаряется при высокой температуре и превращается в поток ионов.
Простейшую хроматограмму можно получить и самому, разделив на листке фильтровальной бумаги смесь разноцветных чернил или анилиновых красок.
Рентгеновская спектроскопия.
Хроматография.
Хроматограмма смеси нескольких сахаров: 1 - рамноза, 2 - ксилоза, 3 - фруктоза, 4 - глюкоза, 5 - сахароза, 6 - мальтоза, 7 - лактоза. Их молекулы различаются по структуре, числу атомов и массе.
Жидкостный хроматограф фирмы "Bruker".
Михаил Семенович Цвет заинтересовался природой хлорофилла, который делает листья зелеными. Роль этого вещества в природе огромна: с его помощью в живом листе световая энергия Солнца превращается в химическую энергию органических соединений.
Профессор Цвет насыпал в стеклянную трубку тонко измельченный порошок чистого мела, смочил его бензолом, налил сверху немножко раствора хлорофилла, извлеченного из свежего листа (самый верхний слой порошка, конечно, сразу окрасился в зеленый цвет), и стал медленно, по каплям подливать в трубочку с мелом бензол. По мере того как окрашенный слой промывался бензолом, зеленое колечко вслед за растворителем начало передвигаться вниз по трубке. Потом (в этом-то и заключалось замечательное открытие Цвета) оно стало постепенно разделяться. Появилась узкая желтая полоска, она двигалась по трубке наиболее медленно, ее опередила желто-зеленая полоса, перед которой шла широкая зелено-синяя полоса, две желтые и в самом низу двигалась еще одна полоса, тоже желтого цвета. Тщательный анализ показал, что над верхней желтой полоской располагалась еще одна - бесцветная. Своим опытом Цвет доказал, что хлорофилл имеет сложное строение, и эта работа легла в основу новой науки.
Компоненты вещества, подобно световым лучам в спектре, расположились друг за другом в столбе порошка в виде окрашенных полос. Это явление было названо хроматограммой, а сам метод исследования - хроматографией, от греческих слов "хроматос" - окраска, "грамма" - считывание и "графия" - запись.
Что же происходило в "хроматографической колонне" - стеклянной трубочке, набитой порошком мела?
Зеленый раствор вытяжки из листьев обесцвечивается, как только приходит в соприкосновение с порошком мела, а мел становится зеленым. Молекулы всех соединений, входящих в состав хлорофилла, извлеченного из листа, осаждаются на поверхности частиц мела. Поглощение растворенно го вещества, паров или газов поверхностью твердых тел или жидкостью химики называют сорбцией, а вещества-поглотители - сорбентом. На этом явлении и основаны все хроматографические методы разделения смесей, сверхтонкой очистки вещества и анализа.
Захваченные поверхностью твердого тела - сорбента молекулы могут переходить обратно в раствор - элюент, снова поглощаться и вновь растворяться, бесчисленное множество раз меняя свое состояние. Между раствором (бензолом в опытах Цвета) и сорбентом (порошком мела) устанавливается равновесие: на поверхности частиц мела находятся почти все молекулы, а в растворе почти совсем нет. Но в этом-то "почти" и заключается сущность хроматографического эффекта.
Немногие молекулы, находящиеся в растворе, увлекаются вниз по трубке вместе с потоком растворителя. Но по пути они медленно осаждаются вновь на другие частицы мела, а вместо них переходят в раствор новые молекулы. Поток растворителя непрерывно поступает сверху в трубку. В верхней части сорбированного вещества становится все меньше и меньше, в нижней части - все больше и больше. Постепенно цветная прослойка продвигается в виде колечек через сорбент вниз по трубке.
Молекулы с разным составом или строением осаждаются (сорбируются) на твердой поверхности по-разному. Одни - прикрепляются немного прочнее, другие - несколько слабее. Одни - дольше находятся в связанном состоянии и меньше в растворе; другие - чуть дольше задерживаются в растворе и быстрее увлекаются потоком растворителя.
Поэтому окрашенная смесь различных веществ постепенно разделяется на составные части. И каждая такая часть сосредотачивается в своем слое. Двигаясь с разной скоростью вдоль трубки, эти слои расходятся все дальше друг от друга - образуется хроматограмма. Каждое отдельное цветное кольцо соответствует какому-то одному химическому соединению.
Столбик сорбента из трубки можно либо разрезать на слои и получить их отдельно в чистом виде, либо, продолжая промывку бензолом, собирать раствор от каждого цветного слоя отдельно, по мере того как они выходят из колонны с потоком растворителя.
Это напоминает забег на дистанцию спортивных команд в разноцветных костюмах. Те, кто использует для "передышки" на участках дистанции (колонны) меньше времени, окажутся впереди, а кто отдыхал дольше - в середине или позади. Так и растягивается эта цепь "микробегунов" по всей длине колонны. Или другая похожая аналогия: как скорость забега спортсменов зависит от состояния их здоровья и физических возможностей, так и скорость движения компонентов вещества по колонне находится в зависимости от размеров молекул и их химической природы.
Бесцветные вещества обнаруживают, освещая их ультрафиолетом, под действием которого очень многие соединения флюоресцируют, или "проявляют", обработав реактивом, который их окрашивает.
Среди новых методов анализа наиболее часто используется газожидкостная хроматография. Сорбентом в ней служит нелетучая жидкость, которой смочена, например, растертая в порошок керамика (иногда - обыкновенный кирпич), а движущейся средой - любой инертный газ. При помощи этого метода исследуют сложные смеси, содержащие сотни компонетов.
Система их разделения удивительно проста: все происходит в тоненькой металлической или пластмассовой трубочке диаметром 0,2-0,4 мм. Чтобы достичь высокой степени разделения, трубочку приходится делать очень длинной. Скажем, для анализа земляничного аромата (воздуха, окружающего ягоды) потребовалась колонна длиной 120 метров. Свернутую в спираль трубку помещали в термостат, температура в котором постепенно повышалась. Это было необходимо для того, чтобы изучить и те компоненты земляничного запаха, которые ягода выделяет только в жаркий солнечный день. Через колонну пропускали аргон, облученный радиоактивным источником. Радиоактивный газ ионизовал органические вещества, порождая электрический сигнал, который после усиления подавался на записывающее устройство. Чувствительность такого прибора очень велика и сравнима со спектральным и масс-спектрометрическим методами анализа: он обнаруживает одну тысячную часть миллиардной доли грамма вещества (10 -12 г). А всего для полного анализа достаточно нескольких миллиграммов смеси.
Запах свежей земляники оказался очень сложным. Чтобы создать аромат ее спелых ягод, в маленькой "лаборатории" растения синтезируется не менее девяноста шести сложнейших органических душистых соединений.
Чтобы изучить состав нефти, потребовалось сконструировать хроматографическую колонну длиной около полукилометра. На ней удалось не только установить число различных компонентов сырой нефти (их оказалось около шестисот), но и расшифровать формулу каждого из них.
Хроматограммы получают и на бумажных полосках. Такую полоску подвешивают вертикально и нижний ее конец погружают в сосудик с растворителем. Впитываясь в бумагу и поднимаясь по ней вверх, растворитель с разной скоростью перемещает отдельные составные части из смеси. На бумажном листе образуется хроматограмма - цветные полосы. По их положению и окраске можно определить, что входит в состав изучаемого вещества. Трудноразделимые смеси часто обрабатывают дважды, разными растворителями и пропускают в двух взаимно перпендикуляр ных направлениях, получая двухмерную хроматограмму.
Очень похожа на бумажную хроматография в тонком слое. На стеклянную или пластмассовую пластинку наносят тонкий равномерный слой хорошо измельченного сорбента. Сам процесс хроматографического разделения идет так же, как и на бумаге. Тонкослойная хроматография обладает существенными преимуществами: разделение протекает значительно быстрее, а главное, легче выбрать наиболее подходящие сорбенты.
Хроматограммы позволили не только понять, из каких составных частей - аминокислот - состоит белок различных живых организмов, но и определить порядок их чередования в молекуле белка. А расшифровав состав табачного дыма, выяснили, что он состоит из сотни различных соединений, в том числе канцерогенных, вызывающих раковые заболевания.
С помощью хроматографии легко устанавливается факт применения спортсменами возбуждающих средств - допингов: достаточно взять на анализ капельку крови, чтобы определить их присутствие.
Еще более перспективен метод ионообменной хроматографии. Он отличается от способа М. С. Цвета тем, что вместо нейтрального сорбента - мела, крахмала, угля - применяются полимерные вещества - ионообменные смолы. Каждая крупинка такого сорбента - как бы гигантская молекула кислоты (смолы-катионита) или основания (смолы-анионита) - вступает в реакцию ионного обмена.
Ионообменные смолы нерастворимы. Тонкий порошок такой смолы в хроматографической колонне поглощает ионы тяжелых металлов из раствора, замещая их на кислоту или щелочь. Так, например, готовят воду для питания паровых котлов на больших тепловых электростанциях. Вода очищается от ила и песка и поступает в колонну, наполненную катионитовой смолой. В ней полностью поглощаются соли кальция и магния, делающие воду "жесткой", вместо них появляются ионы водорода - образуется кислота. Подкисленная вода проходит колонну, в которой анионы образовавшихся кислот нейтрализуются, и получается чистая вода. Ионообменные смолы превращают даже соленую морскую воду в пресную, пригодную для питья, и извлекают ценные металлы из промышленных сточных вод.
На ионообменной колонне смогли разделить смесь изотопов редкоземельных элементов. Радиоактивность каждой капли раствора, вытекающего из колонны, измерялась отдельно. Оказалось, что чем выше порядковый номер элемента, тем быстрее он выходит из колонны при хроматогра фическом разделении. И чередование элементов удивительным образом точно соответствует их взаимному положению в периодической системе элементов: америций (№ 95), кюрий (№ 96), берклий (№ 97) и калифорний (№ 98).
Метод, созданный М. С. Цветом 95 лет назад, сегодня применяют во всех областях науки и техники. Он не устарел, и его возможности далеко не исчерпаны.
Физпрактикум
ХРОМАТОГРАММА НА ПРОМОКАШКЕ
Попробуем самостоятельно получить бумажную хроматограмму, разделив на компоненты жидкость сложного состава. Для этого нам понадобится по нескольку капель разноцветных чернил, краски или туши и лист промокательной или фильтровальной бумаги.
Смешаем чернила, получив темную жидкость неопределенного цвета. Нанесем капельку жидкости в центр бумажного листа. Затем точно в середину цветного пятнышка начнем по каплям приливать чистую воду. Каждую каплю нужно вносить только после того, как впитается предыдущая.
Вода играет роль элюэнта, переносящего исследуемое вещество по сорбенту - пористой бумаге. Вещества, входящие в состав смеси, поглощаются бумагой по-разному: одни хорошо удерживаются ею, а другие впитываются медленнее и продолжают некоторое время растекаться вместе с водой. Вскоре по листу бумаги начнет расползаться настоящая красочная хроматограмма: пятно одного цвета в центре, окруженное разноцветными концентрическими кольцами. Так можно получить самые разнообразные, очень красочные узоры.
Билет №2 Простые и сложные вещества: различие в их составе. Основные классы неорганических - страница №1/1
Билет № 2
Простые и сложные вещества: различие в их составе. Основные классы неорганических соединений: примеры соединений, различие в их составе.
Простые вещества состоят из атомов только одного химического элемента. В настоящее время открыто около 120 химических элементов. А простых веществ насчитывается около 400. Причина этого различия между числом химических элементов и простых веществ заключается в том, что некоторые химические элементы могут образовывать несколько простых веществ. Такое явление получило название аллотропия, а простые вещества, образованные атомами одного химического элемента называются аллотропными видоизменениями данного химического элемента. Например,
Аллотропные видоизменения кислорода - кислород О 2 и озон О 3: углерода - графит, алмаз, карбин, фуллерен; фосфора - белый, красный, черный фосфор.
Различие в свойствах объясняется разным порядком связи атомов в молекулах и их расположением в пространстве, т. е. химическим строением.
Сложные вещества
Оксиды - это сложные вещества, состоящие из двух элементов, один из которых кислород в степени окисления -2.
Кислоты - это электролиты, при диссоциации которых в качестве катионов образуются только ионы водорода (Н +).
Основания - это электролиты, при диссоциации которых в качестве анионов образуются только гидроксид-ионы (ОН -).
Соли - это электролиты, при диссоциации которых образуются катионы металлов и анионы кислотного остатка.
Характерным свойством солей является взаимодействие друг с другом:
(к последним трем уравнениям, в которых участвуют кислоты, основания, соли, составьте ионные уравнения).
В настоящий момент известно более 500 тыс. неорганических веществ. Это объясняется тем, что атомы в сложных веществах могут соединяться в разном количественном соотношении. Так, например, азот может образовывать пять оксидов: N 2 O; NO; N 2 O 3 ; NO 2 , N 2 O 5 . А сера входит в состав 11 кислот.
Химический состав меда очень сложен и в значительной степени зависит от вида растений, с которых собирался нектар. В настоящее время в меде насчитывается до 400 различных веществ. Мед содержит воду, углеводы, органические кислоты (яблочная, винная, лимонная, щавелевая) и их соли, азотистые соединения (белки, аминокислоты, амиды, амины), минеральные вещества, витамины, гормоны (фитогормоны и гормоны, поступающие со слюной пчелы), биогенные стимуляторы, ферменты, антибиотические вещества, фитонциды, высшие спирты, эфирные масла, красящие вещества, фосфотиды и другие липиды. Представляем процентное содержание и краткую характеристику основных компонентов меда. Вода составляет 15-20%. Углеводы - 65-80%, в их состав входит 25 видов сахаров, до 90% которых это глюкоза и фруктоза (т.е. инвертированный сахар). Содержание фруктозы колеблется в разных сортах меда от 38 до 40%, глюкозы - 32-35%. Эти моносахариды определяют основные качества меда: вязкость, кристаллизацию, гигроскопичность, сладость, питательную ценность. В разных сортах меда количество инвертированного сахара, а также соотношение фруктозы и глюкозы различно. В цветочном меде инвертированный сахар достигает 80%, в падевом меде - 60-70%. Чем больше в меде глюкозы и фруктозы, тем выше его качество. Если пчел подкармливали сахарным сиропом, то мед будет содержать низкий процент инвертированного сахара, мало его и в фальсифицированном меде.
Глюкоза в 2 раза менее сладкая, чем фруктоза, она негигроскопична, легко кристаллизуется. Фруктоза очень гигроскопична и почти не кристаллизуется.
Сахароза - обычный сахар, вырабатываемый из сахарной свеклы и сахарного тростника, он же содержится и в нектаре. Под влиянием фермента инвертазы, содержащегося в нектаре и в слюне пчелы, сахароза инвертируется в моносахариды - глюкозу и фруктозу. У молодых и сильных пчел инвертазы много, поэтому мед такого улья будет содержать мало сахарозы. Если улей располагается близко к месту взятки, то наполненный нектаром зобик пчелы быстро освобождается от нектара, и такой мед будет содержать много сахарозы. Подобное наблюдается при кормлении пчел сахарным сиропом, что повышает уровень сахарозы в меде до 2 5%.
Качественный цветочный мед обычно содержит 1-5% сахарозы. Повышенное ее содержание свидетельствует о низком качестве меда. Например, в падевом меде может быть до 10%, в меде, фальсифицированном искусственно инвертированным сахаром, сахароза достигает 45%. Сахароза хорошо сохраняется при нагревании меда и при воздействии солнечных лучей.
Помимо сахаров мед содержит мальтозу, туранозу и другие дисахариды, а также 3-4% декстринов (смеси полисахаридов).
Большой процент легко усвояемых углеводов придает меду высокую энергетическую ценность - 100 г меда дают организму 335 калорий энергии. Это, конечно, меньше, чем шоколад (549 калорий), сахар (406 калорий), грецкие орехи (621 калория), однако достоинством меда является его легкая усвояемость, обо- гащенность микроэлементами, витаминами, ферментами и др.
Помимо углеводов мед содержит важные ферменты - инвертазу, диастазу, каталазу, пероксидазу, кислую фосфотазу, липазу. Они поступают в мед с пыльцой растений и со слюной пчелы. Их количественное определение - дело сложное. Самым доступным исследованием является определение диастазы (превращающей сложный углевод крахмал в простые сахара - дисахариды). Ее содержание в меде отражает его качество и натуральность. Применяются качественная и количественная пробы.
Качественная проба: берется 10 мл 50%-го меда (мед разводится дистиллированной водой в соотношении 1:1), добавляется к нему 1 мл 1 %-го раствора крахмала, взбалтывается и выдерживается в водяной бане при температуре 40°С в течение часа. После охлаждения в смесь добавляется несколько капель люголевского раствора. При отсутствии диастазы смесь приобретает синий цвет, что указывает на ненатуральность меда. При наличии диастазы смесь лишь темнеет.
Количественная проба: оценивается степень активности диастазы, содержащейся в меде - определяется «диастазное число». Оно выражается в количестве кубических сантиметров 1%-го раствора крахмала, разлагаемого за 1 час диастазой, содержащейся в 1 г меда. Для нормального натурального меда диастазное число должно быть выше 17,9. Мед с диастазным числом от 17,9 до 10,0 считается низкокачественным, ниже 10,0 -мед, испорченный перегревом, разведенный или смешанный с патокой, искусственным медом, или представлен искусственный мед.
Минеральные вещества присутствуют в меде в большом ассортименте - соли кальция, натрия, магния, железа, серы, хлора, йода, фосфора и др. Их количество близко к содержанию таковых в крови человека. Из микроэлементов в меде есть кобальт, марганец, кремний, алюминий, бор, хром, медь, литий, олово, цинк, фтор и другие. Более темные сорта меда богаче минеральными веществами, у них большая потенциальная щелочность, что важно учитывать при лечении заболеваний желудка с повышенной кислотностью желудочного сока.
Роль минеральных веществ и микроэлементов в организме человека очень велика. Например, железо входит в состав гемоглобина и ряда окислительно-восстановительных ферментов, кобальт стимулирует костный мозг и образование гемоглобина, входит в состав витамина В 12 , медь участвует в процессах тканевого дыхания, магний способствует выведению холестерина из организма, расслабляет спазмы сосудов и кишечника, цинк и марганец способствуют росту, развитию и размножению, участвуют в кроветворении и обменных процессах, цинк повышает остроту зрения, увеличивает продолжительность действия инсулина. Присутствие минеральных веществ и микроэлементов в меде, хотя и в небольшом количестве, является чрезвычайно полезным как для здорового человека, так и для больного.
Азотистые соединения представлены в меде белками в количестве 0,1 - 1,0%. В цветочном меде их меньше, в падевом больше. Многие из них являются биологическими катализаторами обменных процессов, хотя пищевая ценность этих белков невелика.
Органические кислоты содержатся в меде в небольшом количестве - это яблочная, молочная, лимонная, янтарная, винная, щавелевая. Мед всегда имеет кислую реакцию - pH = 3,26-4,36. Более высокую кислотность имеют гречишный, вересковый, донниковый мед.
Мускус - особое ароматическое вещество. Бывает как животного, так и растительного происхождения. Мускус животных - это продукт, выделяемый из мускусных желез самцов некоторых млекопитающих. К таким животным относятся олень, кабарга, овцебык, выхухоль, бобер и др.
В природе животные выделяют мускус, чтобы обозначить принадлежащую им территорию. Еще это вещество необходимо для смазки шерсти. Выглядит мускус как вязкая зернистая масса коричневого цвета с резким характерным запахом. Мускус имеет очень сложный химический состав. Он содержит жирные кислоты, воск, сложные эфиры, ароматические и стероидные соединения Мускус может быть выделен и из растений, например, таких как гибиск абельмоша или аптечный дягиль. Конечно, эфирные масла растений имеют другой химический состав и дают более слабый аромат. К тому же в природе они находятся в очень малом количестве. Мускус считается мощным афродизиаком. В Европе первое упоминание о мускусе встречается в 4 веке нашей эры. Мускусом лечили арабские врачи Серапино и Ибн-Сина.
Полезные свойства
Мускус является природным мужским феромоном. Он оказывает возбуждающее действие и вызывает сексуальное желание. Запах мускуса вызывает легкую эйфорию и придает чувство уверенности в собственных силах. Он оказывает подавляющее воздействие на агрессию и располагает к комфортному общению. Растительный мускус также имеет достаточно сильное воздействие на человеческий организм. К примеру, мускусный шалфей считается сильным антидепрессантом, а мускусный орех относится к эффективным спазмолитикам.
Эффективность мускуса в качестве лечебного средства используется тибетской медициной. Китайцы еще до нашей эры применяли как растительный, так и животный мускус для лечения головной боли и укусов змеи. В Китае и в наше время мускус является компонентом около 200 лекарственных средств. В Индии проведенные эксперименты доказали общестимулирующее действие мускуса на сердце и нервную систему. Его можно с успехом применять как эффективное антивоспалительное средство. Препараты, в состав которых он входит, облегчают приступы эпилепсии, астмы и истерии.
Интересный факт
Неповторимый природный аромат мускуса по-разному воспринимается людьми. 30% из числа всех людей, живущих на Земле, его совсем не воспринимают — просто не чувствуют. Для 5% он пахнет отвратительно. Остальные же считают его запахом любви и сексуального желания.
Использование в косметологии
Основной «виновник» мускусного запаха - макроциклический кетон мускон, именно благодаря ему характерный запах мускуса ощущается даже в мизерной концентрации 1:100 000 000 000. Мускус включают в состав сложных парфюмерных композиций из-за присущего ему неповторимого запаха. Кроме того, мускус является хорошим фиксатором запахов, входя в состав духов, он заставляет их «звучать» намного дольше.
Мускус нашел применение и в косметологии. Его используют в составе препаратов антивозрастной косметики. Он хорошо омолаживает кожу и разглаживает морщины. Благодаря ему активизируется процесс образования новых клеток, и усиливаются межклеточные связи в эпидермисе. Косметика с мускусом хорошо восполняет дефицит влаги, минеральных веществ и витаминов. Массажные масла с добавление мускуса дают превосходный расслабляющий и противовоспалительный эффект.
Загрузка...