中学受験理科｜クロマトグラフィーを縦横に進める理由｜一つの点に隠れた成分

クロマトグラフィーで点が一つに見えても、成分が一種類とは限りません。一つ目の溶媒で同じ位置まで動く成分が重なっている場合があります。違う溶媒を使い、直角の方向へもう一度展開すると、隠れていた成分が分かれることがあります。

これは点の幅を狭くするだけの工夫とは違います。成分と溶媒、固定された面との関わりを変えて、もう一つの見分け方を加える方法です。本稿では溶媒の性質の暗記ではなく、二方向の位置の記録を扱います。

紙の縦横に二つの履歴が残る

薄層板などの角に混合試料を置き、最初の溶媒で一方向へ展開します。乾燥させてから、板を90度回し、別の溶媒で新しい方向へ展開します。元の座標へ戻して見れば、横の移動が第一の溶媒、縦の移動が第二の溶媒に対応します。

一方向目でAとBが同じ所へ動いても、二方向目で違う所へ進めば二つの点になります。反対に、二つの溶媒で両方とも同じ位置へ動く成分は、この組み合わせでも分かれません。二次元にしたから全ての成分を必ず分離できる、と一般化しないようにします。

展開方向が変わっただけで、第一の移動距離を第二の原点から数え直すわけではありません。第一の位置は横座標として残り、そこから縦へ新しい移動が加わります。地図の東西・南北を別々に読むように、二本の軸を分けると整理できます。

座標は第一方向・第二方向の移動cm。円の大きさは成分量を表さない。

溶媒の先端でそろえる

移動距離は、溶媒をどこまで進めたかでも変わります。成分の距離を溶媒先端の距離で割った値を使えば、条件をそろえた比較ができます。ただし、この比は溶媒の種類や固定相、温度などに左右されます。異なる条件で得た数字を、物質固有の住所のように扱ってはいけません。

二方向の比を一つずつ計算すると、座標のように組で表せます。第一方向の比が同じでも第二方向の比が違えば、二つを分ける手掛かりになります。一方向の一致だけを見て、未知試料が標準物質と同じだと即断するより、多くの条件を比べられます。

色のない成分もあるため、見える点だけが全成分だとは限りません。本稿では全成分を検出でき、移動中に反応や分解を起こさないと仮定します。実験では、検出の方法が何を見せているかも重要な情報になります。

例題1：一つから二つへ分かれる位置

第一方向の溶媒先端は10cmです。成分AとBはともに4cm、Cは7cm進みました。第二方向の先端を8cmまで進めると、Aは2cm、Bは6cm、Cは2cm進みました。最終的な三成分の位置を、第一方向、第二方向の順で答えてください。

答え・解説： Aは（4cm、2cm）、Bは（4cm、6cm）、Cは（7cm、2cm）です。第一方向だけではAとBが重なりますが、二方向目で上下に分かれます。第二方向だけならAとCが同じ2cmでも、第一方向の位置が違うので同じ点にはなりません。

例題2：移動距離の比を使う

例題1で、Aの二方向の移動比を求めてください。別の未知成分Xの比も同じになりました。これだけでXが必ずAだと言えますか。

答え・解説： 第一方向は4÷10＝0.40、第二方向は2÷8＝0.25です。Xも同じ組ならAである候補になりますが、別成分が二条件で同じ位置へ来る可能性は残ります。比の一致だけでは、必ず同一という断定はできません。

点の個数と混ぜた液の個数を区別する

三種類のインクを混ぜたから、点も三つになるとは限りません。一つのインク自体が複数成分を含むことがありますし、別々のインクに同じ成分が含まれることもあります。出発の容器の数と、分離した化学成分の数は、数えているものが違います。

図で点を数える前に、にじんで重なっていないか、検出できない成分を無視してよい条件かを読みます。反応で新しい成分ができた場合は、最初の組成を単純に推定できなくなります。説明用の理想図と、実際の分析像にはこの違いがあります。

二次元の図に慣れるには、点Aの横座標と縦座標へ別々に補助線を引くとよいでしょう。「第一方向では同じ、第二方向では違う」と文章にすると、位置の比較が理由の説明になります。難しい器具名があっても、図に残った二つの観察結果を読むことから始められます。

一回目で重なった二成分を、二回目で分ける

一回目の展開ではAもBも4cm進むため、そこに一つのしみだけが見えるかもしれません。この時点で「一種類だけ」と数えると、重なった成分を見落とします。板を回して別の溶媒で展開すると、Aは2cm、Bは6cm進み、横の位置が同じでも縦の位置が分かれます。一方、CはAと二回目の距離が等しくても、一回目の7cmという位置が違うので区別できます。二回の移動を一つずつ組にして追うことが必要です。

完成した板だけを見るときは、原点と二つの展開方向を先に見つけます。紙の右端からの距離を測ったり、回転前の上下を回転後にもそのまま使ったりすると座標が入れ替わります。本稿の図では、一回目を横、二回目を縦として整理しました。実験中に板を持ち替えた向きそのものより、原点から各方向へどれだけ進んだかが大切です。図の向きが変わっても、対応する成分の二つの値を保って読み直します。

未知のしみがAと同じ位置に来た場合には、「二つの溶媒での動きが一致した」とまではいえます。しかし、別の成分が偶然同じ動きをする可能性は残ります。より確かな判別には、標準物質を並べる、別の条件でも比べる、色やほかの性質を調べるなどの追加情報が必要です。反対に位置が違ったときも、塗った位置や溶媒の到達距離が同じ条件かを確認します。座標の一致を、成分の同一性そのものと取り違えないようにします。