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为什么色素溶解度越高,跑得越快?

Daria-Yakovleva / CC0

高中生物色素的提取与分离中为什么色素溶解度越高跑的越快?

小虎纸,万物并育而不相害,道并行而不相悖

哈哈哈,这是个好问题,涉及了很多物理化学的基础知识,我们有必要慢慢来梳理一下。

高中教材确实是这么说的。

图 1:高中生物教材截图,图片来源[1]
溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快,反之则慢[1]

此处色素分离的方法为纸层析法,属于分配层析的一种。明白了分配层析的基本原理也就差不多清楚为什么有的快有的慢了。

我把我的回答分成了两部分,第一部分用了很蹩脚的比喻来解释,第二部分是正规回答,大家可以按需求跳到自己想看的部分。

第一部分:我能想到的最简单解释。

干燥的滤纸其实也是有水分子的,这些水分子与滤纸上的纤维素紧密结合。滤纸上的小孔相当于毛细管,在毛细作用下,层析液沿着滤纸向上移动,越过滤液细线并将色素分子溶解其中。

图 2:分配层析的原理,图片来源,小虎纸

接下来我们看图说话,留意图注。

色素的分子中有亲水基团和疏水基团,亲水基团会和水分子亲亲,水分子好像伸出了小手,把色素分子拉过来密切接触一下。也就是说,如果某物质的亲水作用越强,在色素分子纸层析的过程中就越容易被拖住,前进的步伐就会受阻,速度也就越慢。相反的,亲水作用越差的,在滤纸上移动时受到的阻挠就越小,扩散也就越快。

第二部分:言归正传,正规解答

2.什么是纸层析法

先咬着牙念一遍下面的概念,然后再慢慢解释。

纸层析(paper chromatography)又叫做纸色谱法[2],是分配层析的一种。以滤纸为多孔支持物吸着一种极性溶剂作为固定相的分配层析。滤纸纤维和水有较强的亲和力,结合的水难以脱去,为固定相;而有机溶剂与纸纤维的亲和力弱、为流动相。当有机溶剂经过样品点移动时,样品中的各物质在两相之间不断被重新分配。由于它们的分配系数不同,移动速度也不同,从而得到分离[3]

3.为什么是多孔材料

滤纸可以把层析液吸上来,在物理上称为毛细现象,物理课本上的定义是“浸润液体在细管中上升的现象,以及不浸润液体在细管中下降的现象”[4]

图 3:表面张力,图片来源[4]

比如,把吸管插入奶茶后,吸管中的奶茶液面会比大杯中的液面要高。比如灯芯吸油,也是。这和液体的“表面张力”有关,滤纸内有许多细小的孔道,它们起到了毛细管的作用。

现在滤纸可以把层析液吸上去,当层析液越过滤液细线的时候,细线中的色素也溶解在了层析液中个,跟着层析液一起向上运动。

4.溶解度大意味着溶解速度快吗?NO!

胡萝卜素大喊一声,“我溶解度大,我先溶解了,走起!”,然后是其他色素,这样条带就区分开了。是这样的吗?答案是否定的,不是。

溶解度大小和溶解速度不是同一个概念。溶解度是指“在一定温度和压力下,物质在一定量溶剂中溶解的最高量[5]”,是溶解能力的定量表示。这个很好理解,我们可以用玻璃棒搅拌或者震荡仪来提高溶解速度,但是这些过程中,溶解度并没有变化。因此,上述用溶解速度来替代溶解度的解释是错误的。

5.固定相与流动相,说说纸层析的原理

纸层析法是以纸为载体的色谱法。固定相一般为纸纤维上吸附的水分,流动相为不与水相溶的有机溶剂。由于样品中各物质在两相的分配系数不同,因而扩散速度不同,从而达到分离的目的[6]

色谱过程是物质在相对运动着的两相间进行分布平衡,物质既可进入固定相,又可进入流动相,这个过程叫做分配过程。分配过程进行的程度可用分配系数(K)来表示。

其中,表示组分在 A 相中的浓度,表示组分在 B 相中的浓度。真正实验中,我们还要考虑有效分配系数()和比移值([7]

图 4:分配系数与比移值,图片来源[7]

回到我们的实验中。

用铅笔在纸的底部画一条基线,用毛细管在基线上点少量混合试样。然后将纸垂直浸在适当溶剂中,溶剂通过毛细作用向上流动至基线并超越。样品中组分溶解在流动相,并被吸附在纸上向上移动。然而,纸含有一定量水分,如果一些组分可以与水分子发生作用,这些组分将会稍稍黏附在纸表面。与水分子越亲密,移动速度就越慢。说到底,还是要做受力分析啊。

因此,色素分离的原理更准确的说法是:色素在层析液和水中的分配系数不同,分配系数高的沿滤纸条扩散得快,反之则慢[8]

综上,供参考!