La cromatografia è un classico. Ne possiamo parlare in chimica quando affrontiamo i metodi fisici per separare le componenti di un miscuglio omogeneo oppure in biologia quando parliamo di pigmenti fotosintetici.
Possiamo, quindi, usarla per separare i componenti dell’inchiostro di penne a sfera o pennarelli di colori diversi o quelli della clorofilla presente, ad esempio, nell’estratto di foglie di spinaci.
Hai mai provato con gli M&M’S®?
La cromatografia è una tecnica analitica di separazione ideata nel 1906 dal botanico russo Michael Tswett che con questa tecnica riuscì per la prima volta a separare la clorofilla da un estratto vegetale.
Credits immagine: https://www.treccani.it/enciclopedia/michele-tswett/
Oggi con cromatografia si intende un gruppo di tecniche che vengono utilizzate per separare i componenti di un miscuglio omogeneo. In ogni apparato cromatografico è generalmente presente una fase mobile (detta anche eluente), che è un fluido che scorre lungo una fase fissa (o stazionaria) a cui i diversi componenti del miscuglio aderiscono in modo differente a seconda della loro natura. Ad esempio nella cromatografia su carta, la fase mobile potrebbe essere alcool denaturato, mentre la fase stazionaria è una striscia di carta.
In che modo la cromatografia separa i componenti della soluzione?
La cromatografia sfrutta le differenze di affinità dei componenti di un miscuglio per la fase fissa e la fase mobile. Maggiore è l’affinità di un componente del miscuglio per la fase fissa, più tempo impiegherà ad attraversare la striscia di carta; diversamente se la sostanza ha maggiore affinità per la fase mobile, percorrerà la striscia di carta con maggior rapidità.
La diversa adsorbibilità delle componenti del miscuglio dipende da proprietà come solubilità, polarità, carica elettrica.
Quindi, è la fase mobile che separa i componenti di una goccia di miscuglio deposto sulla carta (fase fissa) sotto forma di macchia. Il solvente si muove attraverso la fase fissa per azione capillare e trascina con sé più facilmente i componenti che aderiscono meno alla fase fissa: le sostanze del miscuglio si muovono, quindi, a velocità diversa e perciò si separano.
Il colore di una macchia sulla carta non è però sufficiente per l’identificazione di una sostanza, per cui è necessario ricorrere ad un criterio più affidabile, ossia il calcolo del valore Rf (FATTORE di RITENZIONE o FATTORE di RITARDO) per ciascun componente.
Rf è il rapporto tra la distanza percorsa da un componente e la distanza percorsa dal solvente (fase mobile) da un punto di partenza comune (linea di base).
È possibile utilizzare i valori Rf per identificare componenti diversi purché il solvente, la temperatura, il pH e il tipo di carta rimangano gli stessi.
In un determinato sistema cromatografico il movimento di un qualsiasi composto rispetto al fronte del solvente è una proprietà caratteristica e riproducibile. Questo rapporto sarà, quindi, diverso per ciascun componente a causa delle sue proprietà chimiche uniche.
Quando si misura la distanza percorsa dal componente, bisogna misurare la distanza dalla linea di base (dove originariamente si trovava il centro del punto colorato) al centro del punto nella sua nuova posizione. Per calcolare il valore Rf, si utilizza quindi la seguente equazione:
Ad esempio, se uno dei componenti del campione si sposta di 2,5 cm lungo la carta e il solvente si sposta di 5,0 cm, come mostrato nella Figura di seguito,il valore Rf è 2,5/5=0,5.
E’ importante sottolineare che l’Rf non può essere considerato una grandezza di valore assoluto, in quanto è legato a molte variabili come temperatura, concentrazione, eterogeneità della carta, presenza di ioni estranei, impurezze del solvente, condizioni di saturazione della camera, percentuale di umidità ecc., per cui difficilmente avrà un valore costante e andrà calcolato nel contesto specifico.
Questo processo, nelle sue varianti più sofisticate, è ampiamente utilizzato in vari settori, dalla chimica alimentare all’analisi forense, per separare e analizzare sostanze diverse, ad esempio campioni di scene del crimine come sangue, droghe o residui di esplosivi. Metodi cromatografici altamente accurati vengono utilizzati anche per il monitoraggio di un processo, ad esempio per garantire che un processo di produzione farmaceutica produca il composto farmacologico desiderato in forma pura.
In un laboratorio scolastico che non sia super attrezzato, l’unico tipo di cromatografia possibile è quella su carta. Per modificare un po’ la “solita” attività, ho adattato una variazione trovata online usando un prodotto ben noto ai miei studenti e molto ben rappresentato nei distributori delle merende a scuola: gli M&M’S®.
In questa investigazione, i ragazzi utilizzano, quindi, il valore Rf per confrontare i componenti “sconosciuti” dei coloranti alimentari contenuti negli M&M’S® con i componenti “noti” di alcuni coloranti alimentari. Poiché esiste solo un numero limitato di coloranti alimentari approvati, si dovrebbe essere in grado di identificare quelli utilizzati negli M&M’S® mettendo a confronto gli Rf ottenuti per gli M&M’S® con quelli ottenuti per i coloranti alimentari testati.
Domanda da investigare: quali coloranti sono presenti negli M&M’S®?
La procedura è abbastanza semplice.
Prima parte:
1. Preparazione della striscia di carta:
– prendere una striscia di carta per cromatografia o semplice carta da filtro e tracciare una linea orizzontale a circa 1.5-2 cm dal margine inferiore con una matita;
– disegnare tre piccoli cerchi sulla linea tracciata come punti di origine;
– utilizzare un tubicino capillare o una pipetta per porre una goccia di colorante alimentare su ciascun cerchio;
– far asciugare la carta.
2. Procedura di cromatografia:
– versare circa 10 ml di acqua distillata in un becher;
– sospendere la striscia di carta in un becher contenente acqua distillata, mantenendo una parte immersa;
– consentire al solvente di salire lungo la carta fino a circa 2 cm dall’estremità superiore.
3. Misurazione della distanza percorsa dai coloranti:
– rimuovere la striscia di carta dal becher e registrare la distanza percorsa dall’acqua e dai coloranti.
Seconda parte:
1. Preparazione:
– mettere una goccia d’acqua in una capsula petri.
– appoggiare un M&M’S® verde sulla goccia e lasciarlo immerso per 3 minuti.
2. Estrazione del colore:
– rimuovere l’M&M’S® dalla capsula Petri: il colore estratto è il campione da analizzare;
– ripetere con gli M&M’S® rosso e blu.
3. Preparazione della carta:
– preparare tre nuove strisce di carta lunghe abbastanza da toccare il fondo del becker;
– disegnare una linea orizzontale a 1.5-2 cm dal margine inferiore di ogni striscia e scrivere con una matita il colore dell’M&M’S® dall’altro lato.
4. Applicazione del campione da analizzare:
– con una pipetta, mettere una goccia di acqua colorata sulla striscia di carta al centro della linea e lasciare asciugare, ripetendo 3-5 volte per ogni M&M’S®.
5. Preparazione della soluzione di acqua e sale:
– mescolare 1 grammo di sale per litro d’acqua fino a dissoluzione completa.
6. Procedura di cromatografia:
– appendere le strisce di carte nel becher, immergendo un’estremità nell’acqua in modo da lasciare la linea tracciata a matita fuori dall’acqua;
– versare la soluzione di acqua e sale nel becher;
– lasciare salire il solvente fino a 2 cm dal bordo.
7. Misurazione delle distanze percorse:
– rimuovere le strisce di carta e appoggiarle su carta assorbente;
– segnare la distanza percorsa dall’acqua (Df) e misurarla;
– misurare la distanza percorsa dai coloranti dal punto di origine (Ds) e registrarla in una tabella, includendo anche i punti separati se presenti.
A questo punto, i ragazzi utilizzano i diversi valori Rf ottenuti per identificare i coloranti presenti negli M&M’S confrontandoli con i valori ottenuti per i coloranti alimentari noti.
Perché mi piace questa attività?
1. Maggiore coinvolgimento degli studenti: svolgere un’attività di laboratorio sulla cromatografia utilizzando materiali della vita di tutti i giorni come gli M&M’S è un modo efficace per coinvolgere gli studenti e promuovere una comprensione più profonda dei concetti scientifici. Questo approccio pratico rende la scienza più accessibile e divertente, e motiva gli studenti incoraggiandoli ad esplorare e apprendere in modo più efficace.
2. Collegamento con la vita quotidiana: gli M&M’S sono un alimento comune che gli studenti conoscono e amano. Collegare la cromatografia agli M&M’S permette loro di vedere come i concetti scientifici possono essere applicati nel loro quotidiano, rendendo la scienza più rilevante e significativa per loro.
3. Apprendimento attivo: è un’attività di laboratorio che offre agli studenti la possibilità di esplorare attivamente la cromatografia, osservando i concetti scientifici in azione. Questo tipo di apprendimento attivo è estremamente efficace nel favorire una comprensione più profonda dei concetti scientifici.
4. Sviluppo delle competenze sperimentali e trasversali: attraverso questa attività, gli studenti hanno l’opportunità di sviluppare abilità come la manipolazione di strumenti di laboratorio, la raccolta e l’interpretazione dei dati e la risoluzione dei problemi scientifici. Queste competenze sono essenziali per il successo nel campo scientifico ma anche nella vita di tutti i giorni.
E tu che ne pensi? Pensi di rifarla con i tuoi studenti?
Se ti interessa la scheda di questa attività sostieni il blog e scrivimi!
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