<4D F736F F D20E4F4F8E320E5EEF9E5EC202D20FAE9F7E5F0E9ED20E1F2F7E1E5FA20E4F9FAECEEE5FA20E7E5F8F320FAF9F2E0205F325F2E646F63>

תמליל

1 המכון למצוינות בהוראה הפ רד ומשוֹל! עקרונות הפרדת חומרים ד"ר נורית שחם ולדמן, שייקה שפריר יעוץ מדעי: ד"ר נועה סרי, האוניברסיטה העברית עריכה: ד"ר גיא אשכנזי, ד"ר קובי בן ברק מהדורת פברואר 2011 אדר תשע"א חומרי הלימוד הינם לשימוש במסגרת ההוראה בתכנית "מצוינות 2000" בלבד. אין להפיצם ללא רשות, מראש ובכתב, מהמרכז הישראלי למצוינות בחינוך.

2 הקדמה ביחידה זו נעסוק בנושא הפרדת חומרים. נושא זה אינו רק נושא מרתק מבחינה מדעית אלא הוא גם בעל השלכות חשובות בתחומים שונים כגון תעשיה ורפואה תרופות מתוך תערובות של חומרי טבע דורשת שימוש בטכניקות הפרדה. ההפרדה הנפוצות היא טכניקה הידועה בשם לימוד זו. התלמידים יתנסו מוחשיות של חומרים, נראות לעין. בשיטות הפרדה שונות, הפקת חומרי גלם או אחת משיטות 1 "כרומטוגרפיה", עליה נשים את הדגש ביחידת החל בשיטות פשוטות המסתמכות על תכונות וכלה בשיטות מתקדמות המתבססות על תכונות מולקולאריות, שאינן בעזרת הטכניקות שלמדו יידרשו התלמידים לתכנן ולבצע ניסויים חצי-פתוחים כדי לפתור משימות שונות שיוטלו עליהם, הפעילויות השונות ביחידת הלימוד ערוכות בשלבים, והקושי. פעילויות אלה כוללות עידוד הניסויים, ודרישה לחשיבה יצירתית. חשוב לאפשר לתלמידים סקרנות וגילוי, המדגימות יישומים מעשיים לשיטות ההפרדה. ההולכים ועולים בדרגת המורכבות מתן אוטונומיה לתכנן ולהתנסות באופן עצמאי, פעילותם ובסוף כל פעילות לסכמה עם הידע המדעי, לטעות, כפי שהוא ידוע כיום. לתלמידים בתכנון וביצוע לתקן ולהשביח את מומלץ להתחקות אחר ההבנות של התלמידים לגבי מושגים שלמדו לפני הצגת התיאוריה על-ידי המורה, וזאת באמצעות דיאלוג. מבחינת התפתחותם הקוגניטיבית של הילדים, אנו עוסקים במעבר מן העולם הגלוי (המאקרוסקופי), אל העולם הנסתר מן העין (המיקרוסקופי). המעבר מן העולם המאקרוסקופי לעולם המיקרוסקופי הוא בעל חשיבות מדעית ברורה, שהינו תורם להתפתחות התפיסה המופשטת של התלמידים הצעירים. אך גם בעל חשיבות חינוכית, כיוון 1 הפירוש המילולי הוא "רישום צבע", אך הכוונה היא לכל שיטת הפרדה המתבססת על יחס משיכה שונה של החומר המבוקש לשני חומרים אחרים: האחד נע ומושך עימו את החומר המבוקש, ואילו והשני נייח ומעכב את התקדמות החומר המבוקש. 1

3 מבנה יחידת הלימוד ביחידת לימוד זו חמישה פרקים: 1. הפרדה של תערובות הטרוגניות בדף תלמיד 1 יוצג לתלמידים סיפור המסגרת המלווה את היחידה לכל אורכה. בעקבות הסיפור, יתנסו התלמידים בהפרדת תערובות בטכניקות פשוטות, תוך זיהוי התכונה המפרידה. 2. אנליזה באמצעות כרומטוגרפיית נייר שיטת הכרומטוגרפיה על גבי נייר מאפשרת הפרדת חומרים המצויים בתערובת הומוגנית, תוך ניצול יחס המשיכה השונה של החומרים בתערובת לשתי פאזות: פאזה נעה (ממס) ופאזה נחה (רצועת נייר). התלמידים יתוודעו לטכניקה בדף תלמיד 2, ויפתרו חידה בלשית המתבססת על טכניקה זו בדף תלמיד הפרדה כמותית באמצעות עמודה בכרומטוגרפיית עמודה, הפאזה הנחה נדחסת לתוך צינור זכוכית אנכי (קולונה). בהפרדת החומרים על עמודה יש אפשרות להפרדה בכמויות גדולות, עם אפשרות של איסוף החומר הטהור בסוף התהליך. התלמידים ימצו פיגמנטים המצויים בעלי תרד ויפרידו אותם באמצעות עמודה בדף תלמיד יישום: הפרדה שהצילה חיים! בחלק זה ישתמשו התלמידים בידע שצברו ובחשיבה יצירתית כדי לפתור את המשימה שהוצגה בפניהם בשיעור הראשון (דף תלמיד 5). 5. סיכום: חגיגה של צביעת חולצות חלק זה יסכם את היחידה בחגיגה של יצירת חולצות ייחודיות וצבעוניות (דף תלמיד 6). במקביל, יידונו באופן עיוני ההיבטים המעשיים והטכנולוגיים של שיטות ההפרדה שנלמדו במהלך היחידה. מומלץ להקדיש ליחידה זו 5 שיעורים כפולים: שיעור לכל פרק. ניתן להקדיש לפרק 3 שיעור נוסף, במידה ורוצים לנצל את העמודות שהוכנו להפרדה של חומרי טבע נוספים. 2

4 פרק 1: הפרדה של תערובות הטרוגניות הקדמה בפעילות זו נחשפים התלמידים לעקרונות הבסיסיים של הפרדת חומרים. הם יבצעו הפרדת תערובות הטרוגניות בטכניקות שונות, ע"י שימוש בהבדלים בתכונות של החומרים כגון: מצב צבירה, משיכה למגנט וצפיפות. רקע מדעי עקרונות הפרדת חומרים לא נקדים את המאוחר. כדי להבין שיטות הפרדה מודרניות כמו הכרומטוגרפיה, עלינו להתחיל מבראשית ולהכיר היטב את התיאוריה העומדת מאחורי הפרדת חומרים הנמצאים בתערובת זה מזה. נתחיל במושגי יסוד, המוכרים בוודאי לרבים מכם. חומר טהור הוא חומר שהרכבו הכימי (היחס הכמותי בין היסודות המרכיבים אותו) קבוע, והוא בעל תכונות קבועות ומוגדרות (כמו צפיפות, נקודת היתוך ורתיחה). לדוגמא: מימן הוא חומר טהור, שכן הוא מורכב מיסוד אחד בלבד; גם מים הם חומר טהור, שכן הם מורכבים מהיסודות מימן וחמצן ביחס קבוע של (O 1:2 H). 2 תרכובת היא חומר טהור המורכב ממספר יסודות. תערובת היא חומר המורכב ממספר חומרים טהורים ביחס שיכול להשתנות באופן רציף, ותכונותיו משתנות באופן רציף בהתאם להרכב. לדוגמא: אוויר הוא תערובת של החומרים הטהורים חמצן וחנקן, שכן ניתן לשנות את הרכבו באופן רציף (למשל אוויר מועשר בחמצן לצרכים רפואיים); מי ים הם תערובת של מים ומלח, והצפיפות שלהם תלויה בריכוז המלח (ריכוז המלח הגבוה בים המלח מאפשר לאנשים לצוף עליו בשל צפיפותו הגבוהה). עיקר המאמצים של הכימאים הוקדש להפרדת תערובות לחומרים הטהורים (יסודות ותרכובות) המרכיבים אותן, ולא להפרדת תרכובות ליסודות המרכיבים אותן. מדוע? כיוון שהחומרים הפעילים בחיינו הם בעיקרם תרכובות, ולא יסודות. מספרם של היסודות הוא 100 לערך, אך מספרן של התרכובות, שהן צירוף של יסודות הקשורים זה בזה, הוא מיליונים רבים, כשלכל תרכובת תכונות ייחודיות משלה. ואמנם, הכימאים פיתחו במהלך השנים טכניקות מתקדמות ויעילות מאד להפרדת החומרים הטהורים המרכיבים תערובות. המשותף לכל השיטות הוא מציאה של תכונה המבדילה בין החומרים המרכיבים את התערובת, ומציאת דרך להפרדה פיזית בין החומרים המבוססת על הבדל זה. 3

5 סוגי תערובות כאמור, תערובות הינן צירוף של חומרים טהורים. מחלקים את התערובות לשני סוגים: 1. תערובות הטרוגניות: תערובות בהן ניתן להבחין בראייה בין מרכיבי התערובת. לדוגמא: סלט ירקות, רוטב איטלקי (שמן וחומץ), בטון. תערובות הומוגניות: תערובות הנראות כחומר אחיד, 2 אופטי. לדוגמא: תה (עם או בלי סוכר), יין, זהב 14 קראט. גם בבחינה תחת מיקרוסקופ.2 שיטות להפרדת תערובות הטרוגניות קיימות מספר שיטות להפרדת חומרים מתוך תערובות הטרוגניות. נסקור כמה מהן, שישמשו את התלמידים במהלך הפעילויות: 1. הפרדת מוצקים אם אנו קונים לילד גולות למשחק, והוא מעוניין רק בגולות כחולות, הילד ייגש אל הכלי שבו נמצאת תערובת של גולות במספר צבעים ויבחר את הגולות הכחולות בלבד. עקרון ההפרדה הוא הפרדה ויזואלית לפי צבע. זו דוגמה מחיי היומיום להפרדה ידנית של תערובת. דוגמאות נוספות הן הפרדה על-פי גודל גרגר (בעזרת מסננת) ותכונות מגנטיות (באמצעות מגנט). 2. הפרדת תערובת של מוצק שאינו נמס בנוזל השיטה המקובלת להפרדה של תערובת המכילה מוצק ונוזל מתבצעת באמצעות העברת התערובת דרך נייר סינון. בסוף התהליך מתקבל בכלי הנוזל שנאסף, ועל נייר הסינון מתקבל המוצק שהופרד. עקרון הפרדה זה מבוסס על השוני ביכולת התנועה של החלקיקים המרכיבים את התערובת. דוגמה: הפרדת תערובת חול ומים - חול הוא מוצק, וחלקיקי החול "ארוזים" בגרגירים שאינם משנים את צורתם, ולכן אינם יכולים לעבור דרך הנייר. המים הם נוזל, וחלקיקי המים יכולים להיפרד זה מזה בשעת המעבר דרך המרווחים 2 ישנם גם מקרי ביניים, בהם ניתן להבחין בין מרכיבי התערובת רק באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני. נקראות "קולואידים", ולא נעסוק בהם ביחידה זו. תערובות אלו 4

6 הזעירים הקיימים בין חלקיקי הנייר, ולהתקבץ מחדש בצידו השני של הנייר. 3. הפרדת תערובת של שני נוזלים שאינם מתמוססים זה בזה בתערובת זו שני החומרים נוזלים, ולכן נייר סינון לא יוכל לשמש כגורם מפריד. עלינו להשתמש בעקרון שונה המבדיל בין החומרים. שיטת ההפרדה במקרה זה מתבססת על תכונת הצפיפות של מרכיבי התערובת. בדרך כלל משתמשים ב"משפך מפריד" להפרדת מרכיבי תערובות כאלה. משפך מפריד הוא כלי זכוכית בצורת משפך שבתחתיתו ברז. עם פתיחת הברז, הנוזל הראשון שיצא הוא זה בעל הצפיפות הגבוהה ביותר, ואחריו יעבור הנוזל בעל הצפיפות הנמוכה יותר. דוגמה: הפרדת תערובת שמן ומים - שמן אינו נמס במים וכמו כן צפיפותו קטנה מזו של המים, ולכן נפריד אותם באמצעות משפך מפריד. 5

7 1 דף תלמיד הפרדה שהצילה חיים? סיפור המעשה כיתת המצוינות יצאה לחגוג את סיום שנת הלימודים. החגיגה, כך הוחלט, תתקיים במחנה שיקימו התלמידים במקום מרוחק. אחד ההורים השיט אותם לאי נחליאלי, מקום יפהפה שאין רבים כמותו. בבוקר שלמחרת המסיבה, בעודם מארגנים את האוהלים, נשמעה צעקה חדה. אורית, אחת התלמידות, נפלה על הקרקע ופניה חיוורים. "יש לי נפילת סוכר. עליי לשתות משקה מתוק, או שאתעלף", מלמלה. מיכאל רץ להביא לה בקבוק ובו מיץ פטל. "איני יכולה לשתות מיץ פטל, כי אני אלרגית לצבע המאכל שבו", אמרה אורית. "אבל זהו המשקה המתוק היחיד שיש לנו", אמר אך אורית מיכאל, התעקשה שהיא חייבת לשתות משקה המכיל סוכר ללא צבע מאכל. בחיפושם אחר משקה ממותק, התברר לחבורה שלא נותרה להם שתייה אחרת מלבד מיץ הפטל. התלמידים ישבו על החול, מסביב לפחמי המדורה של ליל אמש. על החול היו פזורים בקבוקי פלסטיק ריקים ותיק עזרה ראשונה. לא הייתה קליטה של טלפונים סלולריים על האי, והסירה שצריכה הייתה להחזירם אמורה הייתה להגיע רק בעוד שעתיים. הזמן היה קריטי עבור הילדה החולה. "מה שעלינו לעשות", אמר מיכאל, "הוא להפריד את צבע המאכל מהסוכר שבמשקה. זה כמו להפריד גולות אדומות וגולות לבנות מעורבבות בשקית צריך רק למצוא תכונה המבדילה בין שני החומרים, ולהפריד אותם על-פיה. אני אדגים לכם..." 6

8 דף תלמיד 1 המשך הפרדת תערובות בטבלה שלפניכם כל משבצת ריקה מייצגת צנצנת המורכבת משני חומרים שונים. עליכם להפריד את שני החומרים זה מזה. ח שבו לפני שתבצעו. תחילה תכננו ור שמו בכל משבצת מהי התכונה אותה תנצלו כדי להפריד את שני החומרים מהתערובת ולקבל כל חומר בנפרד. סוכר מים שמן חול שבבי עץ שבבי ברזל שבבי עץ חול שמן מים השתמשו בציוד כדי להפריד את החומרים על-פי התכונה המפרידה. שקיבלתם, והשוו לכמויות המקוריות של החומרים לפני הערבוב. ש קלו את החומרים שאלות לגבי כל אחד מזוגות החומרים, ענו על השאלות הבאות: 1. באיזו מידה הצלחתם לסלק שאריות של חומר אחד מהחומר האחר, מה דרגת הניקיון שהשגתם? או במלים אחרות: האם הצלחתם לקבל חזרה את כל החומר שהיה לפני הערבוב, או במילים אחרות: מה.2 הניצולת של שיטת ההפרדה? 7

9 ניהול הפעילות דיון תנו לתלמידים זמן למלא את כל הטבלה לפני שאתם מחלקים להם את התערובות. אין צורך שכל קבוצה תפריד בפועל את כל הזוגות האפשריים המופיעים בטבלה, אך המינימום הוא שכל קבוצה תקבל 4 תערובות: 1. שמן + מים 2. נוזל + מוצק 3. מים + סוכר 4. מוצק + מוצק המטרה של הפרדת שתי התערובות הראשונות היא לימוד טכניקות עבודה (עבודה עם משפך מפריד ועבודה עם נייר סינון + משפך), שישמשו את התלמידים בהמשך היחידה. התערובת השלישית (מים + סוכר) שונה מכל שאר התערובות בניסוי זה בכך שהיא תערובת הומוגנית. היא תשמש אותנו כקצה חוט שיוביל את הדיון אל הפרק הבא, ועל כן היא מופיעה כאן. ההפרדה במקרה הזה תתבצע ע"י אידוי המים. שיטות הפרדה המתבססות על ההבדל בנקודות הרתיחה של החומרים בתערובת נקראות "זיקוק". בתערובות של שני מוצקים יכולה להיות יותר מדרך אחת להפרדה. למשל, תערובת של סוכר וחול ניתן להפריד באמצעות פינצטה וזכוכית מגדלת (על-פי מראה הגרגירים), או על-ידי הוספת מים והמסת הסוכר (על-פי מסיסות). יש לאפשר לתלמידים לבחור בדרך הנראית להם, וכל דרך המביאה לתוצאה הרצויה היא נכונה. אם זאת, יש מקום לשאול עם התלמידים על היעילות היחסית של השיטות השונות, ובכך להגיע לדיון במושגים "דרגת ניקיון" ו"ניצולת". דוגמאות לפעולות אחרי שהתלמידים ענו על השאלות בדף התלמיד, דונו בנושאים הבאים: - הדגשה של מציאת תכונה מפרידה, שאינה פוגעת בחומר שיש לטהר. פוגעות - מעיכה או חימום בטמפרטורה גבוהה. מידת היעילות של הפרדת החומרים. האם, לאחר שהתלמידים הוציאו את כל שבבי הברזל מן החול, לא נותר ולוּ שבב ברזל אחד? ומנגד האם לא נספח קצת חול אל שבבי הברזל שהוציאו? - כאן המקום להגדיר לתלמידים באופן כמותי את המושגים נצולת ודרגת ניקיון, ולדון ביחסי הגומלין ביניהם. 8

10 נ צולת: היחס, המבוטא באחוזים, בין כמות התוצר בתום תהליך ההפרדה לבין כמותו בתחילת התהליך. דוגמה: 1,000 שמתוכם עלינו להפריד את החומר קפאין מתערובת של פּוֹל י קפה כתושים. גרם של פולי קפה יש 10 גרם קפאין, אך לאחר ההפרדה קיבלנו 8 6 גרם קפאין. 4. 6/10 x 100 = 60% גרם קפאין אבדו בתהליך. נניח שבתוך גרם תוצר, נצולת תהליך ההפרדה היא 100 =ניצולת כמות חומר שהתקבלה כמות חומר שהייתה בתערובת ניתן לתת לתלמידים לחשב את נצולת התהליך שביצעו על-פי הנוסחה: דרגת ניקיון: אחוז החומר הטהור בתוצר הסופי, לאחר שלבי הטיהור. דוגמה: בתהליך הפרדת הקפאין מתערובת של פּוֹל י קפה כתושים קיבלנו 8 גרם תוצר, אך רק 6 גרם מתוכם הינו הקפאין הרצוי. התוצר הסופי שהתקבל מכיל 2 גרם תוצרי לוואי. דרגת הניקיון של התוצר היא = 75% /8 x כדי להבהיר לתלמידים את יחסי הגומלין בין שני המושגים, ניתן להשתמש בדוגמא הבאה: מחפשי הזהב מחפשי הזהב עומדים בפני ערמה גדולה של חול ובה גרגרי זהב מועטים. גרגרי הזהב וגרגרי החול אינם בעלי גודל אחיד. למרות שבממוצע גרגרי הזהב גדולים יותר מגרגרי החול, יש גרגרי זהב הקטנים מגרגרי החול, ולהפך יש גרגרי חול הגדולים מגרגרי הזהב שבערמה למחפשי הזהב שתי מסננות: האחת בעלת חורים בקוטר של 1 מ"מ, והשנייה בעלת חורים בגודל של 2 מ"מ (ראו קווים מקווקווים בגרף). באיזו מהן עליהם להשתמש? אם ישתמשו מחפשי הזהב במסננת בעלת חורים בגודל גרגרי הזהב הפרדת זהב מגרגרי חול גרגרי החול מספר הגרגרים גודל הגרגרים (מ"מ) 9

11 מ"מ, כל גרגרי הזהב יישארו על המסננת, לשמחתם של המחפשים. אך שימו לב 1 ששמחתם מוקדמת מדי, כיוון שרבים מגרגרי החול (כל הגרגרים הגדולים מ- 1 מ"מ) ייוותרו אף הם על המסננת יחד עם גרגרי הזהב. המחפשים יקבלו את כל הזהב (נ צוֹ לת גבוהה), אך הוא עדיין יהיה מזוהם בחול (דרגת ניקיון נמוכה). אם כך, כדי להגביר את דרגת הניקיון של הטיהור, כל שעליהם לעשות הוא להשתמש במסננת בעלת חורים גדולים יותר, וזאת כדי שגרגרי החול יסתננו דרכה (דרגת ניקיון גבוהה יותר). זהו צעד נכון, אך גם חלק מגרגרי הזהב יסתננו דרך המסננת, והמחפשים יאבדו חלק משללם (נצולת נמוכה יותר). נ צוֹ לת וניקיון שיקולים מעשיים אם כך, באיזו מסננת על מחפשי הזהב להשתמש? זו שאלה העומדת לא רק בפני מחפשי זהב, אלא בפני כל יצרני התרופות והכימיקלים. הנצולת באה לעולם על חשבון דרגת הניקיון, ולהפך. אין פתרון חד משמעי לדילמה, וצריך לשקול כל מקרה לגופו. למשל, תרופות המוזרקות לוורידים חייבות להיות בעלות דרגת ניקיון של יותר מ- 95%. גם במקרים אלה יש הקפדה רבה יותר על זריקות המוזרקות באופן תדיר (אינסולין, המוזרק לחולי סוכרת על בסיס יומי), מאשר על תרופות המוזרקות באופן חד-פעמי (נסיוב נגד הכשת נחשים, כיוון למשל). שאינסולין מופק היום בשיטות של הנדסה גנטית ואין מגבלה מעשית לכמות שניתן לייצר (בניגוד לזהב, שהוא מתכת נדירה), הרי יצרני האינסולין מקפידים מאד על דרגת הניקיון על חשבון הנצולת. הם מוכנים להישאר עם 1% מכלל האינסולין המופק מן החיידקים, ובלבד שהחומר הפעיל בתרופה המוזרקת יהיה בדרגת ניקיון גבוהה ביותר, לפחות 99%. גם השיקול של חוקרי המשטרה יהיה דומה. הם מעוניינים לקבל חומר טהור מזירת הפשע. הם אינם מעוניינים בהפקת כמויות מסחריות (הנצולת אינה חשובה להם), אך הם חייבים להקפיד על כך שהדוגמה הנלקחת מזירת אירוע הפשע (טיפת דם, תהיה טהורה למשל), (דרגת הניקיון חשובה). בניגוד ליצרני התרופות או חוקרי המשטרה, יצרני פלסטיק ממוחזר יעדיפו נצולת על-פני דרגת ניקיון. כיוון שהפלסטיק הממוחזר משמש לאריזה, ולא להזרקה או לאכילה, הם יעדיפו נצולת גבוהה, שתוזיל את מחיר המוצר הסופי; פלסטיק ממוחזר בדרגת ניקיון נמוכה הוא עדיין חזק דיו עבור מרבית צורכי האריזה, ודרגת הניקיון שלו אינה משמעותית בדרך-כלל. 10

12 פעילות נוספת אם נותר זמן לאחר הדיון, ניתן לתת לתלמידים תערובת המורכבת משלושה (או יותר) חומרים, ולבקש מהם להפריד אותה למרכיביה. במקרה כזה עליהם להכין תרשים זרימה המתאר את סדר הפעולות אותו הם מתכננים לבצע. לדוגמא: שבבי עץ, מים שבבי עץ כן חול, שבבי עץ, שבבי ברזל ציפה במים לא חול, שבבי ברזל, מים סינון מ ג נוּט ויבוש כן לא שבבי ברזל חול, מים סינון ויבוש חול 11

13 פרק 2: אנליזה באמצעות כרומטוגרפיית נייר הקדמה לאחר שהתנסו בעקרונות הפרדת חומרים נראים לעין מתוך תערובות הטרוגניות, יעברו כעת התלמידים לשיטות מתוחכמות יותר, שנועדו להפרדת תערובות הומוגניות. שיטת ההפרדה העיקרית בה נתעמק מכאן ואילך היא הכרומטוגרפיה. בנוסף, התלמידים יכירו באופן שטחי שתי שיטות הפרדה נוספות: שיטת הזיקוק (בה פגשו כבר התלמידים כשהפרידו את תערובת הסוכר והמים) ושיטת המיצוי (בה ישתמשו התלמידים בפרק הבא). בפרק זה ישתמשו התלמידים בטכניקה הפשוטה ביותר של הכרומטוגרפיה כרומטוגרפיית הנייר. ב"דף תלמיד 2" התלמידים ילמדו את העקרונות הבסיסיים של כרומטוגרפיית הנייר באמצעות נייר סינון. עקרונות אלה יעזרו להם לפתור את החידה הבלשית המוצגת להם ב"דף תלמיד 3". רקע מדעי פירוש השם כרומטוגרפיה הוא "רישום צבע". הסיבה לשם זה היא היסטורית. החומרים הראשונים שהופרדו בשיטה זו היו בעלי צבע, ואחרי הפרדתם נראו כרישום צבעוני. כיום הורחבו עקרונות השיטה, והכימאים מפרידים היום בעזרת הכרומטוגרפיה גם חומרים חסרי צבע, אבל השם ההיסטורי נותר השם המקובל. הכרומטוגרפיה מאפשרת להפריד חומרים ביעילות ובדייקנות רבה ולחקור כל אחד מהם באופן נפרד. לפני שהומצאה שיטה זו, לא ניתן היה להבין תהליכים מורכבים על-ידי בידוד חומרים וזיהויים בתערובות שונות. בעשרות השנים האחרונות התפתחה שיטה זו והתפצלה לשיטות שונות ומורכבות. עקרון פעולה העיקרון על-פיו פועלת הכרומטוגרפיה מבוסס על הזרמת חומר נע (נוזל או גז) על גבי שכבה של חומר נ ייח. למערכת הזו מוסיפים את התערובת שאותה רוצים להפריד. התערובת הזו זורמת יחד עם החומר הנע. החומרים השונים שבתערובת נעים במהירות שונה, משום שהם נמשכים בעוצמות שונות הן אל החומר הנייח והן אל החומר הנע שבו הם מומסים. החומרים הנמשכים חזק יותר אל החומר הנייח מאשר אל החומר הנע ינועו לאט יותר, ואלה הנמשכים חלש יותר אל החומר הנייח מאשר אל החומר הנע ינועו מהר יותר. החומר הנייח נקרא הפ אז ה הנחה, או החומר המס פּ ח, והחומר הזורם נקרא הפאזה הנעה, או החומר המ ריץ. קיימות שיטות רבות המתבססות על עיקרון זה. השיטות השונות נקראות לעתים על-פי הפאזה הנחה: כרומטוגרפיית שכבה דקה TLC),(Thin Layer Chromatography 12

14 כרומטוגרפיית נייר, כרומטוגרפיית עמודה לעתים הן נקראות ועוד. על-פי הפאזה הנעה: כרומטוגרפיית נוזל HPLC),(High Pressure Liquid Chromatography - כרומטוגרפיית גז.(GC) השיטות השונות דורשות מכשור וציוד שונה והן מותאמות לחומרים שונים. חשוב להדגיש כי אמנם השיטות בהן משתמשים התלמידים הן יחסית ביחידה זו "פרימיטיביות", ואינן דורשות ציוד משוכלל ויקר, אך העקרונות העומדים בבסיס הפעולה של הציוד המודרני זהים לאלו אותם פוגשים התלמידים בעבודתם עם האמצעים הפשוטים יחסית. יחס העיכוב ההפרדה הכרומטוגרפית מבוססת על כך שלחלקיקים המרכיבים חומרים שונים יש אינטראקציות שונות עם הפאזה הנחה והנעה. עובדה זו גורמת לכך שחומרים שונים ינועו למרחקים שונים על-פני הפאזה הנחה בזמן הרצה נתון. שוני זה ניתן לביטוי כמותי על-ידי - קבוע שנקרא R f העיכוב" ("יחס R f =.(Retardation Factor יחס העיכוב המרחק שעבר החומר מנקודת ההתחלה המרחק שעברה חזית הנוזל מנקודת ההתחלה R f מוגדר כך: יחס העיכוב מבטא את היחס שבין מיקום הכתם הנבדק ומיקום חזית לכל חומר המריץ. יש R f המאפיין אותו בתנאים (סוג נתונים המריץ, מבנה וסוג הפאזה הנחה, הטמפרטורה וכד'). אם המשימה היא להפריד בין שני חומרים, הרי ברור שככל שיחסי העיכוב יהיו שונים זה מזה, כך תהיה ההפרדה ביניהם טובה יותר, וזאת כיוון שההבדל במרחק הפיזי שאותו הם יעברו על הפאזה הנחה יהיה גדול יותר. חישוב יחס העיכוב על-פי הדוגמה: 8.0 cm 7.5 cm 1.9 cm R R f f 7.5cm = 0.94 = (תכלת ( 8.0cm 1.9cm = 0.24 = (צהוב ( 8.0cm 13

15 היות ונקודת הצבע הראשונית המדידה מקו העיפרון המופרד ניתן, הקרנה במנורת בדרך-כלל, תגובה בינם לבין חומר אחר, "נמרחת" (מתחילת ההרצה) לראות ככתם צבע. בתהליך והופכת לכתם צבע מאורך, עד למרכז UV (המפיצה אור אולטרא סגול), התקדם החומר על-גבי הפאזה הנחה. היוצרת כתם צבע). החלק הרחב יש לבצע את של כל כתם. את החומר חומרים שאינם בעלי צבע ניתנים להבחנה ע"י או ע"י סימון בדרך ספציפית (למשל ע"י באופן זה ניתן למדוד את המרחק אותו את ערכי ה- R f של החומרים השונים שהופרדו ניתן להשוות לערכי R f ידועים, או להריצם יחד 3 (בכרומטוגרמה אחת) עם חומרים ידועים, ועל-ידי כך לזהות את הרכב התערובת. יש להדגיש שגם שינוי של אחת מהפאזות גם ובוודאי שינוי שתי הפאזות במקביל, (הנחה או הנעה) האופטימאלי בין שתי הפאזות שיוביל להפרדה מיטבית. הסבר חלקיקי לכרומטוגרפיית נייר מספיק בכדי לשנות את ה- R, f ולכן עבור כל תערובת יש למצוא את השילוב 4 בין כל שני חלקיקים קיימים כוחות משיכה, שמקורם במשיכה חשמלית בין מטענים מנוגדים. דוגמא לכוח כזה הוא כוח המשיכה הפועל בין מולקולות המים לנייר, הגורם לתופעת הנימיות, בה המים נמשכים ועולים בתוך החללים הצרים הקיימים בין סיבי הנייר. חומר מומס בתוכם, אם המים מכילים מולקולות החומר המומס נמשכות הן למולקולות המים והן לסיבי הנייר. אם, באופן יחסי, מולקולות המומס נמשכות חזק יותר למים מאשר לנייר, הרי שרוב הזמן הן יימצאו בתנועה עם המים, ויתקדמו במהירות לאורך הנייר. אם, לעומת זאת, מולקולות המומס נמשכות חזק יותר לנייר מאשר למים, הרי שרוב הזמן הן יימצאו צמודות לסיבי הנייר, ורק מדי פעם יעזבו את מקומן ויסחפו מרחק קצר עם המים, לפני שיחזרו וייצמדו אל התוצאה, במקרה האחרון, היא קצב התקדמות איטי של המומס לאורך הנייר. הנייר התרשים המתקבל מהרצת כרומטוגרפיה. אמנם, המולקולות המרכיבות את החומר הן ניטרליות, אולם הן עצמן מורכבות מחלקיקים טעונים גרעיני האטומים החיוביים והאלקטרונים השליליים. מנגנוני האינטראקציה בין המטענים החשמליים שבתוך המולקולות, והדרך בה הם יוצרים כוחות משיכה בין המולקולות, הם מעבר לרמת הדיון ביחידה זו. המתעניינים יכולים לעיין בספרי כימיה תיכונית המלמדים את הנושא "כוחות בין-מולקולאריים".

16 פאזה נעה פאזה נחה דוגמא: בציור למעלה מתואר מצב בו יותר מולקולות מומס (בשחור) נמצאות בתנועה עם הפאזה הנעה, מאשר ספוחות על פני הפאזה הנחה. במקרה הזה, קצב ההתקדמות של המומס יהיה גבוה, שכן משך הזמן בו כל מולקולת מומס אינה מתקדמת הוא קטן. מצב זה קורה כאשר המשיכה של המומס לפאזה הנחה קטנה ביחס למשיכה של המומס לפאזה הנעה. קוטביות מידת האינטראקציה של חומר עם מים (או עם חומרים בעלי מבנה דומה) נקראת "קוטביות" (פולאריות). חומרים שלהם אינטראקציה חזקה עם המים מכונים "קוטביים", ואילו חומרים שהאינטראקציה שלהם עם המים חלשה מאד נקראים "לא קוטביים". ניתן לדרג את החומרים השונים על סקלה של קוטביות. לדוגמא, ארבעת הנוזלים איתם יעבדו התלמידים ביחידה, מסודרים על-פי סדר קוטביות עולה, הם: פטרול אתר (חומר דמוי בנזין) > אצטון > אלכוהול (אתנול) > מים גם את החומרים המומסים בנוזלים אלה ניתן לדרג ע"פ הקוטביות שלהם. מומסים שנעים מהר כשהנוזל המריץ הוא מים מכונים "קוטביים", וחומרים שנעים לאט (או לא נעים כלל) מכונים "פחות קוטביים" (או "לא קוטביים"). כדי להריץ חומרים שלא נעים כלל בנוכחות מים, ניתן להשתמש בנוזל בעל קוטביות פחותה, למשל אלכוהול. זו הסיבה שבניסוי ההפרדה של צבעי "טוש" (דף תלמיד 3) יש לספק לתלמידים גם אלכוהול כממס אפשרי. יש לזכור שאם צבע לא "רץ" בנוכחות מים, אין הדבר אומר שהוא כלל לא קוטבי, אלא יתכן שהקוטביות שלו נמוכה יותר משל הצבעים האחרים, והמשיכה שלו לנייר גדולה מהמשיכה שלו אל המים. 15

17 נ" דף תלמיד 2 מ רוֹץ הצבעים המשך סיפור המעשה... "אתם רואים?" אמר מיכאל, "זה מאד פשוט להפריד חומרים מתערובת!". "זו לא חוכמה", השיבה נטע. "בכל התערובות שהתלמידים הפרידו ניתן היה להבחין ב ר איה בין המרכיבים. הסוכר וצבע המאכל שבמיץ הפטל עשויים מחלקיקים זעירים כל-כך שאי אפשר לראות אפילו בעזרת זכוכית מגדלת, ולא ניתן לתפוס אותם אפילו בעזרת פינצטה. איך נוכל להפריד ביניהם?" "גם במים עם הסוכר לא ראינו את החלקיקים, ובכל זאת הצלחנו להפריד!" כון. אבל אם נרתיח את מיץ הפטל, יישאר בכוס גם צבע המאכל עם הסוכר. וחוץ מזה, ראית מה קורה לסוכר כאשר מרתיחים את המים הוא משנה את צבעו ומתקלקל!" "מה שאתם אומרים," ניסתה נעמי להרגיע את הוויכוח, "הוא שקל להפריד תערובת ה ט רוֹג נ ית באופן ידני, אבל יש לנו בעיה להפריד תערובת הוֹמוֹג נ ית, בה לא ניתן להבחין בראיה בין המרכיבים, אפילו לא במיקרוסקופ" (נעמי אהבה להשתמש במלים קשות אותן למדה מצפייה בערוץ המדע). "בדיוק בעיה כזאת עמדה בפני החוקר הבריטי ארצ'ר מרטין. בשנת 1944 עסק מרטין בהפרדה של חומצות אמינו שפּ ר ק מתוך חלבון, אך ללא הצלחה רבה. באחת הארוחות במועדון הפקולטה גולל מרטין את בעיותיו בפני חברו, ואף רשם בעט תיאור סכמטי של שיטת ההפרדה על מפית נייר. קצה המפית נרטב במקרה בקפה שנשפך לפני כן מהספל. תוך כדי שיחה ערנית, שם מרטין לב לכך שהדיו שעל המפית נפרדת לשלושה אזורים, הצבועים באדום, צהוב, וירוק. הוא מיהר למעבדתו ושיחזר את הניסוי, בתחילה עם דיו ומאוחר יותר גם עם חומצות אמינו, כאשר נייר סינון ממלא את מקומה של המפית. תגלית מקרית זו זיכּתה את החוקר מרטין, יחד עם ריצ'ארד סינג', חוקר נוסף שסייע לפתח שיטה זו, בפרס נובל בשנת פיתוח השיטה הווה מהפכה שהביאה להישגים גדולים מאד בענפי מדע שונים, כגון ביולוגיה, ביוכימיה ורפואה. שיטת ההפרדה הזו נקראת כרומטוגרפיה, מהמלה היוונית כרוֹמ ס,וֹ שפירושה צבע". נעמי הורידה את משקפיה וניקתה אותם בחולצתה, כשהבעה של סיפוק על פניה מיכאל ונטע עמדו פעורי פה לנוכח מבול המידע שנחת עליהם, ושכחו את הוויכוח ביניהם. "אל תּ ראוּ כל-כך המומים. זה מאד פשוט. אני אדגים לכם..." 16

18 דף תלמיד 2 המשך המשימה לפניכם 3-4 סוכריות "עדשים" בצבעים שונים. עליכם להשיב על השאלה: האם כל צבע המצפה את הסוכרייה הינו חומר טהור, או שהוא מורכב מתערובת של מספר צבעים? הוראות הכינו פיסת נייר כרומטוגרפיה ברוחב ובאורך מתאימים לכוס הכימית שבה תשתמשו, כך שתוכלו לתלות אותה על קיסם בתוך הכוס (ראו ציור)..1 סמנו בעזרת עיפרון קו ישר, המרוחק כ- 2 ס"מ.2 מתחתית הנייר. זהו "קו הזינוק". טפטפו טיפת מים על הסוכרייה, וגרדו באמצעות קיסם את הציפוי, עד שיתקבל בקצה הקיסם צבע. העמידו בעזרת הקיסם את הצבעים הנבדקים על קו הזינוק במרווחים של 1 ס"מ זה מזה. רשמו בעיפרון, בראש הנייר, איזה צבע העמסתם בכל נקודה..3.4 לכוס מים שפכו עד לגובה כ- 1 ס"מ (פני המים צריכים להיות מתחת לנקודות שבנייר.5 ראו ציור). תלו את נייר הכרומטוגרפיה על קיסם בתוך הכוס. הניחו לנוזל לעלות ו"להריץ" את נקודות הצבע..6 סיימו את הרצת הכרומטוגרמה על-ידי הוצאת נייר הכרומטוגרפיה עשו זאת מן המים..7 כאשר הנוזל רץ עד גובה של 3/4 לערך מגובה הדף. 8. סמנו בעפרון את הגובה המקסימאלי אליו הגיעו המים. 9. ז הוּ את הרכב הצבעים של כל התערובת. 10.מדדו את הגובה של כל נקודת צבע ביחס לקו ההתחלה, ואת הגובה שאליו הגיעו המים. שמרו את התוצאות לשימוש מאוחר יותר. 17

19 א 4 ניהול הפעילות יש להניח לתלמידים להתנסות בהרצה כרומטוגרפית, על-פי הבנתם. זיהוי הטעויות בהרצה צריך להיעשות על-ידי התלמידים בבואם לבחון את התוצאות שהם קיבלו. לאחר המסקנות הראשוניות יש להנחותם על-פי הנקודות הבאות: חשוב לסמן את קו הזינוק בעפרון ולא בעט, מכיוון שהדיו שבעט עשוי להיפרד אף הוא. בניסוי זה יש צורך להעלות על הדף לפחות שתי נקודות חומר, וזאת בכדי שלכל הרצה תהיה חזרה כפולה. הרצה כרומטוגרפית עם חזרות באה להראות שתוצאת הניסוי אינה מקרית ואינה תוצאה של שיבוש בנקודת חומר מסוימת. יש להבהיר שהסיבה לשימוש בכמות קטנה של ממס (המים) בתוך הכוסית, היא לגרום לכך שהממס לא יציף את כל הדף, כולל את התערובת, או במילים אחרות - החומר (התערובת) על-גבי הנייר חייב לבלוט מעל פני הממס כדי שלא יומס ויימהל בממס עוד לפני תחילת ההרצה הכנסת הנייר לתא ההרצה תהיה בצורה ישרה ביחס למישור האופקי, יתחיל להריץ את החומרים הנחקרים באותו הזמן. וזאת כדי שהממס.4 תוצאת הניסוי היא שבעוד חלק מהצבעים עולים יחד עם הנוזל במעלה הנייר כנקודה אחת, צבעים אחרים נפרדים למספר אזורים צבעוניים. מכאן נסיק כי חלק מצבעי המאכל הם צבעים טהורים, ואילו חלקם הם תערובת של מספר חומרי צבע (פיגמנטים). הסבר אנלוגיה כדי להסביר לתלמידים מדוע קווי הצבע התקדמו בקצב שונה על הכרומטוגרמה, באנלוגיה הבאה: משפחה המונה אם, אב, 5 בן ובת יוצאים להשתתף בעדלאידע. לצעוד ברחוב בין שאר הצועדים המחופשים. מרגישים בנוח בין הצועדים. בנוסף, הבגדים הרבות שלאורך מסלול הצעדה, הוריהם, השתמשו הבן והבת מחופשים, ורוצים לעומת זאת, בנות המשפחה מעוניינות מאד לא התחפשו, ואינם גם להיכנס לחנויות ואילו בני המשפחה לא מגלים כל עניין בכך. יקרה אם ארבעת בני המשפחה יתחילו את המסלול באותו הזמן? בין הצועדים, יגיע ראשון לסוף המסלול. הבת, הבן, מה שיבלה את כל זמנו שמידת משיכתה לצועדים ולחנויות גבוהה, 18 5 תהלוכת תחפושות ברחובה הראשי של העיר.

20 א 4 תחלק את זמנה בין הצועדים לחנויות, ותגיע מאוחר יותר לסוף המסלול. האב, שמידת משיכתו לצועדים ולחנויות נמוכה, יבלה, בלית ברירה, את חלק מזמנו בין הצועדים, וחלק מזמנו בחנויות, ויגיע לאחר זמן דומה לבת. האם, לעומת זאת, היא בעלת העדפה ברורה לביקור בחנויות, ועל כן תבלה את רוב זמנה במדידת בגדים וקנייתם. במקרה הטוב היא תגיע אחרונה לסוף המסלול, אך כלל לא ברור אם תזכה לסיים אותו... קישור האנלוגיה לניסוי אחרי הצגת האנלוגיה, בקשו מהתלמידים לשייך כל מרכיב באנלוגיה למרכיב אותו הוא מייצג בניסוי. לכל אחד מהמרכיבים הגדירו את המונח המדעי המתאים לו: החנויות שלאורך המסלול מייצגות את נייר הסינון, שאינו זז לאורך הניסוי. o המונח המדעי המתאים הוא "הפאזה הנחה" או "החומר הסופח". זרם הצועדים מייצג את המים העולים בנייר. "הפאזה הנעה" או "הנוזל המריץ". המונח המדעי המתאים הוא o בני המשפחה מייצגים את החומרים השונים שהעמסנו על הנייר. ההעדפות של בני המשפחה מייצגות את המשיכה היחסית של החומרים o o לנייר ולמים. הסבירו לתלמידים כי מידת המשיכה של החומרים המרכיבים את התערובת אל הנייר (הפאזה הנחה) מצד אחד, ואל המים (הפאזה הנעה) מצד שני, היא שקובעת את קצב ההתקדמות של החומרים ביחס להתקדמות חזית הנוזל. ההפרדה של החומרים השונים בתערובת נובעת ממאזן כוחות של כל חומר הנמצא בתערובת כל חומר נמשך בכוח שונה אל המים ואל הנייר. החומר שיצר אינטראקציה חזקה עם הנייר, או היה בעל אינטראקציה חלשה עם המים, עוכב בהתקדמותו על-גבי הנייר ביחס לחומר שלא יצר אינטראקציה חזקה עם הנייר, או שהיה בעל אינטראקציה חזקה עם המים, "ורץ" על הנייר במהירות גבוהה יותר. חישוב כמותי של התוצאות שהתקבלו התוצאה המתקבלת בסיום הרצה בממס מסוים, הנקראת "כרומטוגרמה", היא שורה של נקודות, שכל אחת מייצגת אחד ממרכיבי התערובת. לכל חומר טהור יש קצב התקדמות אופייני לו יחסית לנוזל המריץ הנתון ולחומר הסופח הנתון. עבור מערכת של פאזה נעה ו\או פאזה נחה שונות, ההפרדה המתקבלת תהיה שונה. 19

21 א 4 שני התנאים העיקריים הקובעים את כושר ההפרדה הם סוג הנייר (הפאזה הנחה) וסוג הממס (הפאזה הנעה). מכאן שמרחק התנועה של כל חומר הוא קבוע בתנאי ניסוי מסוימים. שוני זה ניתן לביטוי כמותי על-ידי קבוע שנקרא R f ("יחס העיכוב" - Factor.(Retardation יחס העיכוב R f מוגדר כך: המרחק שעבר החומר מנקודת ההתחלה המרחק שעברה חזית הנוזל מנקודת ההתחלה R f = יחס העיכוב מבטא את היחס שבין מיקום הכתם הנבדק ומיקום "חזית המריץ". לכל חומר R f המאפיין אותו (באותם התנאים - אותו המריץ, אותו הנייר, אותה טמפרטורה וכדומה). הנחו את התלמידים לחשב האופייני לו. של כל כתם. לכל יש לבצע את המדידה מקו העיפרון ראינו כי ישנם צבעי מאכל פיגמנטים. שאלו את התלמידים: כתם צבע שהתקבל בהפרדת צבעי במאכל את ה- (מתחילת ההרצה) המכילים סוג פיגמנט אחד בלבד, עד ואילו אחרים למרכז החלק R f הרחב מורכבים ממספר כיצד נוכל לדעת האם הפיגמנטים שבצבעים הטהורים הם אלו המשמשים ליצירת התערובות? לא מספיק לומר כי הצבעים נראים דומים, שכן ראינו כבר שהעין שלנו אינה רגישה מספיק כדי להבחין בין צבע טהור לבין תערובת צבעים. יחס העיכוב נותן לנו מדד כמותי לדמיון בין הפיגמנטים מידה, הדבר מעיד על דמיון במבנה החלקיקים שלהם. סביר להניח שהם מכילים את אותו הפיגמנט. מתקדמים במידה שונה (יחס העיכוב שונה), בפיגמנטים שונים, בעלי מבנה כימי שונה. המשך הפעילות אם צבעים הנראים דומים מתקדמים באותה אין בכך הוכחה חד-משמעית, לעומת זאת, בחלק השני של הפרק יתמודדו התלמידים עם חידה בלשית, אבל אם צבעים הנראים דומים הרי אנו יכולים לומר בוודאות כי מדובר דמוית חקירה של המחלקה לזיהוי פלילי (מז"פ) במשטרה. בחידה זו צריכים התלמידים לזהות צ'קים (המחאות) מזויפים בעזרת כרומטוגרפיית נייר. התלמידים יקבלו צ'קים מזויפים, בהם הסכום (בספרות ובמילים) שוּנה על-ידי הוספת ספרות ומילים. שאינו מאפשר זיהוי באמצעות ראייה. על-ידי הפרדה כרומטוגרפית. השינויים בוצעו באמצעות עט שונה בעל אותו צבע, נוכל לזהות אם הדיו שונה כך בחלקי הצ'קים השונים רק 20

22 3 תעלומת הצ'קים במכּוֹלת דף ד 4 א תלמי זה יומיים רועשות וגועשות הרוחות ביישוב רמת-חיים. לא ניתן לקנות במכולת את המצרכים הבסיסיים. סביב המכולת מתוח סרט סימון משטרתי, שעליו מודפס באותיות שחורות על רקע צהוב: "זירת פשע אין מעבר". במכולת שוהים חוקרים מהמחלקה לזיהוי פלילי של המשטרה. השמועות עוברות מפה לאוזן וכולם יודעים שמדובר במעשה מ רמה, אבל של מי? הכל התחיל כאשר גברת תמר שרוני בדקה את חשבון הבנק שלה והתברר לה שהוצאות הבית הינן גבוהות ביותר. לאחר בירור מקיף עם הבנק, הגיעה הגברת שרוני למסקנה שחשבון המכולת אינו תואם את היקף הקניות של בני הבית. כאשר התלוננה הגברת שרוני בפני מר חן ווני, בעל המכולת, הוא טען בתוקף שאינו יודע במה מדובר; הוא בסך הכל פדה את הצ'קים שגברת שרוני שילמה בסוף כל חודש. וזאת, כך הדגיש, לאחר בדיקת החשבון על-ידה. גברת שרוני, הידועה כאישה עקשנית (במיוחד בכל הנוגע לכספה), לא התייאשה והתלוננה במשטרה על גניבה ומ רמה. מר חן ווני מצידו מיהר להגיש תלונה במשטרה על הטרדה מצד גברת שרוני. העניינים הוסיפו להתחמם. בנוסף להחלפת האשמות בין שני הצדדים, החלה המשטרה לחקור בנושא. צו חיפוש בחתימת השופט רעם הוצג בפני מר חן ווני, והמכולת הוכרזה כזירת פשע. על-פי הממצאים בשטח, כך טענו חוקרי המשטרה, המכולת ברמת-חיים שימשה כבסיס למ רמה וזיוף מסמכים, ומר חן ווני היה החשוד העיקרי. בין הממצאים שאספו החוקרים במכולת היו שלושה צ'קים שנמצאו באחת המגירות, וכן עט שצבעו תואם את צבע הכתב בצ'קים. הסבּ רוֹ של מר חן ווני לגבי הצ'קים והתנהגותו בזמן הת שאול לגביהם, עוררו את חשדם של החוקרים. חוקרי ה"מחלקה לזיהוי פלילי" (מז"פ) החליטו לבדוק את תקינותם של הצ'קים הללו. 21

23 א 4 דף תלמיד 3 המשך המשימה אתם אנשי המחלקה לזיהוי פלילי. משימתכם היא לפענח הפשע, את על-פי שלושת הצ'קים והעט שקיבלתם לבדיקה. ענו על השאלות: האם שלושת הצ'קים הינם מזויפים? האם מר חן ווני אכן אשם במ רמה וזיוף? הוראות קבלו את שלושת הצ'קים והעט מהמורה. תכננו ניסוי שיביא אתכם למסקנה או לאישוש טענת אחד הצדדים המעורבים בפרשה. קבלו אישור מהמורה ובצעו מהן מסקנותיכם? השוו אותן לקבוצות מז"פ אחרות בכיתה. 22

24 ניהול הפעילות ישנן שתי שיטות לפענוח התעלומה: שיטה א': התלמידים ימיסו את הדיו בעזרת מעט אלכוהול וישאבו בעזרת פיפטת פסטר. יש לדגום מספר אזורים בצ'ק (חתימה, סכום, תאריך וכדומה). ההפרדה תתבצע על נייר סינון. שיטה ב': ניתן לבצע את ההפרדה על הצ'ק עצמו, כך שנייר הצ'ק יהווה את הפאזה הנחה. שיטה ב' היא בעייתית, שכן כושר הספיגה של נייר צילום הוא נמוך, וקצב עליית המים בו איטי מאד. אם התלמידים בוחרים בשיטה ב' הניחו להם לנסות, אך כעבור זמן מה גשו אליהם וכוונו אותם אל הפתרון המוצע בשיטה א'. אם יתגלו הבדלים באופן שבו הופרד הדיו למרכיביו בספרות השונות, וקצב ההרצה יהיה שונה ) f R שונה), סימן הוא שנעשה שימוש בשני סוגי דיו על אותו הצ'ק, וזו עשויה לשמש ראייה שהצ'ק מזויף. בזמן ניתוח התוצאות יש לוודא כי התלמידים הקפידו על תנאי ניסוי זהים. אם דגימות הדיו הורצו על ניירות שונים או במשך זמן שונה, הדבר עלול לפגום באמינות התוצאות! אין לשלול רעיונות נוספים שהינם בני-ביצוע. לנסות פתרונות שונים. התלמידים מקבלים 3 צ'קים כדי לאפשר להם ניתן להשתמש כנוזל מריץ במים או באלכוהול (ניתן לתת לחלק מהתלמידים מים ולחלק אלכוהול). בדקו לפני השיעור כי מתקבלת הפרדה טובה של הדיו לפחות באחד מהממסים! הוראות להכנת הצ'קים המזויפים מופיעות בנספח כלים וחומרים בסוף החוברת. אתגר נסו מספר עטים ומצאו שני עטים שונים בעלי דיו שאינו מסיס במים (0 = f R) אבל מסיס מאד באלכוהול (1 = f R). במקרה כזה לא תתבצע כל הפרדה בכל אחד משני הממסים במים יישארו כל הפיגמנטים בנקודת ההתחלה, ובאלכוהול כל הפיגמנטים ירוצו עם חזית הנוזל המריץ. כדי להשיג הפרדה עלינו להשתמש באלכוהול כנוזל מריץ, אבל להקטין את המשיכה של הפיגמנטים אליו כדי לקבל יחס עיכוב קטן מ- 1. הפתרון שימוש בתערובת של שני ממסים. כיוון שהפיגמנטים אינם מסיסים במים, משמעות הדבר כי המשיכה שלהם אל המים היא קטנה. הוספת מים לאלכוהול תקטין את המשיכה של הפיגמנטים לנוזל המריץ, ותקטין בהתאם את יחס העיכוב. על-ידי ניסוי וטעייה ניתן למצוא את היחס בין האלכוהול למים שייתן הפרדה מקסימלית בין הפיגמנטים. 23

25 ה פר ד ומשוֹל! פרק 3: הפרדה כמותית באמצעות עמודה הקדמה הפעילות שהתלמידים יבצעו היא הפרדת תמיסה בכרומטוגרפיית עמודה פיגמנט בידוד הכלורופיל הנמצא בעלי התרד. רקע מדעי כרומטוגרפיית עמודה עד כה נחשפנו לכרומטוגרפיה מסוג אחד כרומטוגרפיית נייר. כרומטוגרפיה זו משמשת בעיקר לאנליזה של חומרים זיהוי המרכיבים המומסים בתמיסה. ראינו שבכדי לזהות האם הצ'ק מזויף אין צורך בכמויות גדולות של דיו. המטרה לא הייתה להשתמש בדיו זה, אלא רק לאפיין את תכונותיו. בשיטות מסוג זה נעזרת גם המשטרה בכדי לזהות חומרים הנמצאים בזירת הפשע,DNA) למשל). אך במקרים רבים אחרים יש צורך לבצע הפרדה בכדי לקבל כמויות גדולות של החומרים המטוהרים, וזאת כדי שניתן יהיה להשתמש בהם. כרומטוגרפיית עמודה (קולונה) היא שיטה המאפשרת הפרדה של כמות גדולה יחסית של תערובת. שיטה זו מאפשרת איסוף של החומר הטהור בסוף התהליך, זיהויו, כּימוּתוֹ ושימוש בו לצרכים שונים. בעזרת כרומטוגרפיית עמודה ניתן לקבל כמויות גדולות יחסית של חומר טהור בדרגת ניקיון גבוהה, ללא חומרי הלוואי שהיו בתערובת המקורית, כך שניתן להשתמש בו בצורה הטהורה לצרכים הרצויים. ניקוי חלבונים לצרכים רפואיים הוא דוגמה רוֹו חת לשימוש בכרומטוגרפיית עמודה. בכרומטוגרפיית עמודה, הפאזה הנחה נדחסת לתוך קולונה, שהיא צינור זכוכית אנכי שבתחתיתו ברז. החומרים המקובלים בשימוש לפאזה הנחה הם אלומינה, סיליקה ג'ל, מגנזיה, עמילן, פולימרים של רב-סוכרים ועוד, שהינם לרוב חומרים קוטביים (פולריים). כדי לקבל דרגת ניקיון גבוהה בהפרדה יש להשתמש בחלקיקים בעלי גודל קטן ואחיד ככל האפשר על מנת ששטח הפנים יהיה גדול ככל האפשר, וכך תגדל האינטראקציה עם חלקיקי התערובת. מצד שני, ככל שגודל החלקיקים קטן יותר כך מואטת תנועת הפאזה הנעה במורד העמודה, ומתארך זמן היציאה של החומרים המופרדים מהעמודה. 24

26 ה פר ד ומשוֹל! הפרדת החומרים בעמודה במשך ההרצה מבנה העמודה ציר הזמן באופן עקרוני, ניסוי בכרומטוגרפיית עמודה מתבצע באופן הבא: בשלב ראשון ממלאים ודוחסים את העמודה בחומר המשמש להפרדה (הפאזה הנחה). לשמור את העמודה ובה הפאזה הנחה לשימושים חוזרים רבים ולתקופות ארוכות. ניתן בשלב השני, בעת ביצוע ההפרדה, מעמיסים בראש העמודה את התערובת שאת מרכיביה (או את אחד מרכיביה) מבקשים להפריד, פותחים את פתח העמודה הנמצא בתחתיתה, כך שהתערובת להפרדה שוקעת אל תוך החלק העליון של הפאזה הנחה. בשלב הבא מוסיפים את הפאזה הנעה במנות קטנות יחסית, תוך הקפדה על מינימום בפאזה הנחה. הפאזה הנעה שוקעת אל תוך העמודה בכוח הגרביטציה. פגיעה אם החומרים המופרדים הם בעלי צבע, ניתן לזהותם מיד, בדומה לכרומטוגרפיית נייר. הם חסרי צבע, ניתן לזהותם על-ידי: אם א) איסוף מקטעים (כמויות מדודות) של נוזל ביציאה מהעמודה ו אפיונם. ב) הפעלת חומרי זיהוי, כגון אינדיקטורים, על כל מקטע. הפיגמנטים בתרד הפיגמנטים העיקריים הקיימים בתרד, ע"פ סדר קוטביות עולה: בטא-ק ארוֹטן צהוב-כתום פ אוֹפיטין (תוצר פירוק של הכלורופיל) אפור כלורופיל a ירוק-כחול כלורופיל b ירוק 25

27 ה פר ד ומשוֹל! ק ס נ טוֹפ יל ים (תוצרי פירוק של הקארוטן) צהוב הבטא-קארוטן הוא חומר לא קוטבי, ושאר הפיגמנטים הם בעלי קוטביות נמוכה-בינונית, ולכן אינם מתמוססים טוב במים (לכן כשמבשלים אפונה במים, המים נשארים חסרי צבע ולא הופכים ירוקים). לעומת זאת, הם נמסים היטב בפטרול אתר, שהוא לא קוטבי, ובאצטון, שהוא בעל קוטביות בינונית: פטרול אתר, בטא-קארוטן > כלורופיל > אצטון << מים כדי למצות ולרכז את הפיגמנטים, משתמשים בתכונות המסיסות שלהם, ובתכונות המסיסות של הפטרול אתר והאצטון במים. הפטרול אתר, שאינו קוטבי, לא מתמוסס במים. האצטון, בעל קוטביות בינונית, מתמוסס היטב במים. בשלב הראשון ממצים את הפיגמנטים מהצמח ע"י שטיפת רסק עלים באמצעות אצטון. בשטיפות הראשונות, מתערבב האצטון עם המים שבעלים, ומסלק אותם מהרסק. לאחר מכן, שוטף איתו האצטון את הפיגמנטים. את תמיסת הפיגמנטים באצטון מערבבים עם נפח קטן של פטרול אתר ונפח גדול של מים. הפיגמנטים, שאינם מסיסים במים, עוברים לתוך הנפח הקטן של הפטרול אתר. האצטון, המסיס במים, עובר לתוך הנפח הגדול של המים. באופן זה מושג ריכוז של הפיגמנטים בנפח קטן. שיטת הפרדה זו, המבוססת על ההבדל במסיסות של חומר בממסים שונים, נקראת "מיצוי". בהרצה של הפיגמנטים על נייר או דרך סיליקה ג'ל (בעלי קוטביות בינונית-גבוהה), המשפיע על קצב ההתקדמות הוא יחס הקוטביות של הפאזה הנעה והפאזה הנחה: הגורם פטרול אתר, בטא-קארוטן > כלורופיל > אצטון > נייר, סיליקה ג'ל > מים מים: לא ניתן להשתמש במים כנוזל מריץ, בשל המשיכה החלשה של הפיגמנטים למים. פטרול אתר: הפטרול אתר מריץ היטב את הקארוטן, בשל המשיכה החלשה של הקארוטן לפאזה הנחה הקוטבית. הכלורופיל, בהיותו קוטבי יותר, נמשך חזק יותר לפאזה הנחה מאשר לפטרול אתר. התוצאה היא שהכלורופיל לא מתקדם כלל (0 = f R). בכרומטוגרפיית נייר, בשל היכולת הנמוכה של הנייר לקלוט מולקולות כלורופיל, הכלורופיל "נמרח" על הכרומטוגרמה. בכרומטוגרפיית עמודה, שטח הפנים הגדול של הסיליקה ג'ל מאפשר החזקה של כל הכלורופיל במקומו, בתחילת העמודה. אצטון: האצטון מריץ היטב את הקארוטן, בשל המשיכה החלשה של הקארוטן לפאזה הנחה הקוטבית. הבעיה שהוא מריץ היטב גם את הכלורופיל, בשל המשיכה החזקה בין הכלורופיל הקוטבי לבין האצטון הקוטבי. התוצאה היא שהאצטון מריץ את כל הפיגמנטים בקצב מקסימאלי (1 = f R), ולא משיג הפרדה. 26

28 ה פר ד ומשוֹל! דף תלמיד 4 המשך סיפור המעשה... צבע הת ר ד "מצוין!" קרא מיכאל בהתרגשות, "באמצעות הכרומטוגרפיה ניתן להפריד בין חלקיקים בתערובת הומוגנית, בדיוק כמו שרצינו. ההבדל במשיכה של חלקיקי צבע המאכל והסוכר לנייר הוא התכונה שמאפשרת הפרדה. אם התלמידים הצליחו להפריד בין צבעי מאכל שונים בסוכריות העדשים, בוודאי נוכל להפריד בין צבע המאכל לבין הסוכר במיץ הפטל!" "מה זה יעזור?!", קראה לעומתו נטע בכעס. "הכמות של החומר שאפשר להפריד בשיטה הזו היא מזערית נקודה קטנה של חומר בכל פעם. וחוץ מזה, בסוף ההפרדה הצבעים נשארו על הנייר, ואי אפשר להשתמש בהם. זו שיטה מצוינת לזיהוי איכותי של חומרים, כמו בתעלומת הצ'קים, אך אין כל אפשרות להשתמש בה להפקה כמותית של חומרים, כך שיהיה אפשר להשתמש בהם לצרכים אחרים. אורית צריכה הרבה סוכר, ומהר!" "זה לא מדויק", אמרה נעמי בקול שקט. "אם במקום לחכות שהמים יעלו בכוח הנימיות, ניתן להם לרדת בעזרת כוח הכבידה, נוכל להעביר כמות גדולה יותר של נוזל דרך הפאזה הנחה. זה בדיוק מה שעשה הבוטנאי הרוסי מיכאיל צוט בתחילת המאה ה- 20, במהלך מחקרו על כלורופיל. ב סינן צווט תמצית מצמחים באמצעות אבקת גיר שנדחסה בצינור דק של זכוכית. התמצית הכילה מספר פּ יג מ נ ט ים (חומרי צבע). כאשר יצק את התמיסה בראש העמודה, נפרדו הפיגמנטים על-פי כושר ספיחתם לגיר. התוצאה הייתה סדרה של טבעות צבעוניות שירדו במהירוי תו שונות במורד הצינור. זו בעצם הפעם הראשונה שהשתמשו בשיטה כרומטוגרפית להפרדת חומרים. צווט גם נתן לשיטה את שמה, כרומטוגרפיה, על שם מגוון הצבעים השונים המתקבלים בהפרדה של תמציות צמחים. זה ממש יפה! אתם מוכרחים לראות בעצמכם..." המשימה הפרדה והפקה כמותית של פיגמנטים שונים מתוך תמצית עלי תרד. 27

29 מ 5 ה פר ד ומשוֹל! דף תלמיד 4 המשך מיצוי פיגמנטים מעלי תרד 1. י בּ שו 10 גרם עלי תרד בעזרת נייר מגבת, והכניסו למכתש. שימו כפית שטוחה של חול במכתש ו כּתשו באמצעות ע לי. הוסיפו 10 מ"ל אצטון והמשיכו לכתוש עד לקבלת עיסה אחידה..2.3 העמידו משפך בתוך כוס כימית בנפח 250 מ"ל, והניחו בתוכו נייר סינון מקופל בצורת.4 חרוט (כמו בניסוי הפרדת התערובות). העבירו את תוכן המכתש אל תוך נייר הסינון, ובחשו בזהירות באמצעות מקל זכוכית,.5 עד שהטפטוף אל תוך הכוס פוסק. שימו לב לא לקרוע את נייר הסינון! ש טפו את העיסה שנותרה בנייר הסינון באצטון: הוסיפו לעיסה 5 מ"ל אצטון ובחשו עד.6 שהטפטוף אל תוך הכוס פוסק. שימו לב לשינוי בצבע הנוזל! השטיפה מסלקת את שאריות המים מהעיסה, ומאפשרת לכמות גדולה יותר של פיגמנטים להתמוסס באצטון. 10 מקמו את המשפך עם העיסה מבחנה, מעל הוסיפו מ"ל אצטון ובחשו. התמיסה.7 המתקבלת במבחנה צריכה להיות בעלת צבע ירוק כהה מאד, שכמעט ולא ניתן לראות דרכה. 8. העבירו את התמיסה הכהה שהתקבלה מהמבחנה אל תוך משפך מפריד. הוסיפו 5 מ"ל פטרול אתר (נוזל דמוי בנזין), פקקו ונערו. הוסיפו 15 מ"ל מים מזוקקים, פקקו ונערו. המתינו להפרדות השכבות. אם השכבות לא נפרדות, הוסיפו כמה טיפות תמיסת מלח רוויה ונערו שנית. רוקנו את השכבה התחתונה אל תוך משורה בנפח 25 העבירו את השכבה מ"ל..9 העליונה בחזרה למבחנה. ח שבו: הוספתם 10 מ"ל של תמיסת פיגמנטים באצטון ל- "ל פטרול אתר ו- 15 מ"ל מים. ע"פ נפח הנוזל שרוקנתם אל המשורה, באיזה מהנוזלים התמוססו רוב הפיגמנטים במים או בפטרול אתר? באיזה מהנוזלים התמוסס רוב האצטון? הפעולה אותה ביצעתם בשלב 9 נקראת "מיצוי" העברה של מומס מנוזל אחד לנוזל אחר. בעזרת תהליך המיצוי הצלחתם להפריד את הפיגמנטים מהאצטון, ולרכזם בנפח קטן של פטרול אתר. אם כן, גם תהליך המיצוי הוא שיטת הפרדה. שיטה זו מתבססת על ההבדל בתכונת המסיסות של חומר בנוזלים שונים. בנוכחות האצטון, הפטרול אתר השומני מסוגל להתערבב עם המים. הוספת המלח מבטלת את השפעת האצטון. 28

30 מ 5 מ 5 ס 4 מ 5 מ 5 ה פר ד ומשוֹל! דף תלמיד 4 המשך הכנת העמודה 1. הרכיבו את העמודה (קולונה) על עמוד הברזל. בעזרת מקל ארוך הכניסו חתיכת צמר גפן קטנה לתחתית העמודה גרם) (לא 0.1).2 לדחוס!), וכסו בש כבה דקה של חול (5-10 מ"מ). סגרו את הברז בתחתית העמודה, והוסיפו 5 מ"ל פטרול אתר אל תוך העמודה בעזרת.3 משפך. אם שכבת החול הופרעה, נערו את העמודה כדי להחזירה למקומה. 4. שקלו 2 גרם של סיליקה ג'ל לתוך מבחנת זכוכית ארוכה. הוסיפו 10 מ"ל של פטרול אתר למבחנה ופקקו אותה. ערבבו את תוכן המבחנה עד שכל הסיליקה ג'ל תרחף בנוזל, ושפכו במהירות את כל תוכן המבחנה אל תוך העמודה, דרך המשפך. מקמו כּוֹס כימית בנפח לאיסוף 100 מ"ל הנוזל בתחתית העמודה. ניתן להשתמש בנוזל.5 שנאסף בכוס לשטיפת העמודה בשלבים הבאים. 6. בעזרת פיפטת פסטר הוסיפו פטרול אתר וש טפו את המבחנה, המשפך ודפנות העמודה משאריות האבקה. פטרול אתר ) חול ) "מ) "מ) 7. פתחו את הברז בתחתית העמודה, והורידו את גובה פני הממס עד כ- 5 מ"מ מעל גובה הסיליקה. סגרו את הברז. סיליקה ג'ל ) "מ) 5-) הוסיפו 8. שכבה דקה של חול חול ) צמר גפן ) "מ) "מ) 10 מ"מ). בעזרת פיפטת פסטר הוסיפו פטרול אתר וש טפו את דפנות.9 העמודה משאריות החול. הקפידו לתת לנוזל לזרום על דופן הכלי, על החול, ולא להתיזו ישירות כדי שלא לפגוע באחידות פני שכבת החול. 10. הורידו את פני הנוזל לגובה של 5 מ"מ מעל פני החול. הקפידו שמעל החול תהיה תמיד שכבת נוזל בכדי שהעמודה לא תתייבש. 29

31 ס 5 ס 2 ה פר ד ומשוֹל! דף תלמיד 4 המשך בחירת נוזל מריץ בעלי התרד שני פיגמנטים עיקריים: הכלורופיל (בעל צבע ירוק) והק רוֹט ן (בעל צבע צהוב- כתום). קצב ההתקדמות של הפיגמנטים בעמודה תלוי בשני גורמים: המשיכה שלהם לחומר ממנו עשויה העמודה, והמשיכה שלהם אל הנוזל המריץ. כדי לקבל הפרדה טובה בין הפיגמנטים צריך קודם לברר מה מידת המשיכה שלהם לנוזלים שונים, ולבחור את הנוזל שישיג הפרדה מרבית. לשם כך נשתמש בטכניקה שלמדנו בניסוי הקודם כרומטוגרפיית נייר: ח תכו 3 רצועות נייר סינון ארוכות מעט יותר מאורך.1 מבחנה וברוחב המתאים למבחנה. 2 שתי נקודות סמנו בעיפרון על הנייר, האחת בגובה.2 ס"מ והשנייה בגובה 7 ס"מ מתחתית הנייר (ראו ציור). העמיסו, באמצעות עץ, קיסם את תמצית עלי התרד.3 באזור הנקודה התחתונה, בכל אחד מהניירות. כדי לרכז כמות גדולה יותר של חומר, ח יזרו על פעולת ההעמסה "מ שלוש פעמים לפחות, כשאתם ממתינים להתייבשות הנייר בין העמסה להעמסה. הקפידו להעמיס את החומר כך שיהיה נקודתי ככל האפשר. "מ 4. רשמו בראש כל נייר את הנוזל שישמש להרצת הפיגמנטים: מים, אצטון ופטרול אתר. סמנו שלוש מבחנות בשמות הנוזלים: מים, אצטון ופטרול אתר, והכניסו את הנוזל.5 המתאים לכל מבחנה, בגובה של 1 ס"מ. העמידו את המבחנות בצורה מאונכת, והכניסו לכל מבחנה את הנייר המתאים. הניחו לכרומטוגרמה להתפתח עד שחזית הנוזל תגיע לנקודה העליונה. הוציאו את הניירות מהמבחנה והניחו אותם על מגבת נייר לייבוש. ח שבו את מקדם העיכוב ) f R) של שני הפיגמנטים עבור כל אחד מהמריצים ח שבו, על-פי ערכי R f שח שבתם: o מה תוכלו לומר על המשיכה היחסית של הפיגמנטים לנייר בנוכחות מים? אצטון? פטרול אתר? o באיזה נוזל כדאי להשתמש כדי להשיג הפרדה המרבית? 30

32 ה פר ד ומשוֹל! דף תלמיד 4 המשך הפרדת הפיגמנטים בעמודה הנחיות כלליות: o כל תוספת של נוזל לעמודה תתבצע באמצעות פיפטת פסטר, בצורה שלא תפגע באחידות שכבת החול העליונה על-ידי הזרמת הנוזל על דופן העמודה בקצב איטי. o הקפידו שפני הנוזל לא ירדו בשום שלב אל מתחת לפני שכבת החול! העמסה: 1. הורידו את פני הנוזל בעמודה עד לגובה החול. 2. העבירו חצי מ"ל מתמצית עלי התרד אל העמודה. 3. פּ תחו את הברז בתחתית והניחו לנוזל לטפטף אל תוך כ סו איסוף, כך שהתמצית תחדור כולה אל תוך שכבת החול. סגרו את הברז. 4. הוסיפו מעט נוזל מריץ בכדי לשטוף את דפנות העמודה, והורידו את פני הנוזל עד גובה החול. סגרו את הברז. הרצה: הוסיפו 1-2 מ"ל של נוזל מריץ, ופתחו את הברז. בכל פעם שפני הנוזל יורדים לגובה של 5 מ"מ מעל החול, הוסיפו מנה נוספת של נוזל. משך כל התהליך המשיכו לאסוף אל כוס כימית את הנוזל היוצא מן הברז בתחתית העמודה, ושימו לב להתקדמות הפיגמנטים. ח שבו: האם בחרתם בנוזל מריץ מתאים? בהתקדמות הפיגמנטים. פנו למורה אם נראה לכם שיש בעיה איסוף: 1. החליפו את כוס האיסוף במבחנה ברגע שהפיגמנט הראשון מתחיל לצאת בתחתית העמודה. 2. החזירו את כוס האיסוף לאחר שכל הפיגמנט הראשון יצא. 3. החליפו את הכוס במבחנה חדשה בכל פעם שפיגמנט אחר יוצא מהעמודה. 31

33 ה פר ד ומשוֹל! ניהול הפעילות הכנות מיצוי הפיגמנטים מעלי התרד ובנית העמודה הן פעולות מורכבות, הדורשות זמן רב לביצוע נאות. מומלץ שכל קבוצה תעבוד במקביל על שתי המשימות, כך שחלק מחברי הקבוצה יעסקו במיצוי, בעוד חבריהם בונים את העמודה. אם הזמן לא מספיק לביצוע הניסוי, ניתן להמשיך בשיעור הבא: את התמצית יש לשמור במבחנה פקוקה במקרר לשבוע הבא. מתייבשת, יש להוסיף לה 2 מ"ל של פטרול אתר ולנער היטב. במידה והתמצית.1 2. יש להוסיף לעמודה 10 מ"ל פטרול אתר, ולפקוק היטב. אסור שהעמודה תתייבש! בהפרדה על-ידי המשפך המפריד, יכול להיווצר מצב שבו השכבות לא נפרדות. מכיוון שמולקולות האצטון נמשכות גם לפטרול אתר וגם למים, נוצרות כדוריות זעירות של פטרול אתר המוקפות במולקולות אצטון. כדוריות אלו מפוזרות במים כמו שהשומן מפוזר בחלב (זו הסיבה שהתערובת המתקבלת היא "חלבית" עכורה). הוספת המלח מחלישה את המשיכה בין המים לאצטון, דבר הגורם לכדוריות להתחבר זו לזו וליצור פאזה רציפה הנפרדת מן המים. אחרי ההיפרדות, שתי הפאזות צלולות, דבר המעיד על היעלמות הכדוריות ויצירת שתי תערובת הומוגניות מימית ואורגנית. בסוף התהליך, מתקבלים כ- 25 מ"ל של נוזל ירוק בהיר מאד, וכ- 5 מ"ל של נוזל בעל צבע ירוק כהה. ניתן להסיק כי בתהליך המיצוי, רוב הפיגמנטים עוברים לתוך הפטרול אתר, ואילו רוב האצטון עובר אל המים. שימו לב כי הוספת כמות גדולה של מלח תגרום לחלק גדול מהאצטון לעבור לפטרול אתר, דבר שאינו רצוי! בניית העמודה הינה מורכבת. יש להקפיד עם התלמידים על השלבים השונים, תוך שמירה קפדנית על כך שהעמודה לא תתייבש. השכבות השונות צריכות להיות מיושרות ודחוסות ככל האפשר, בכדי שהנוזל המועבר בעמודה לא ימצא נתיבים שאינם עוברים דרך הפאזה הנחה. יש להקפיד על קצב טפטוף איטי יחסית בכדי שתהליך ההפרדה יתבצע כראוי. בחירת נוזל מריץ R f מערכי שחושבו, התלמידים צריכים להסיק כי המשיכה היחסית של שני הפיגמנטים לנייר גדולה בנוכחות מים וקטנה בנוכחות אצטון. בנוכחות פטרול אתר, יש הבדל במשיכה היחסית לנייר הכלורופיל נמשך חזק יותר מאשר הקארוטן. ההבדל במשיכה היחסית הוא התכונה המשמשת להפרדה, ועל כן הפטרול אתר הוא הנוזל המתאים להרצה. 32

34 ה פר ד ומשוֹל! בהרצה באמצעות פטרול אתר מקו ההתחלה ועד גובה מסוים, "צל" גם סביר שהתלמידים יקבלו כרומטוגרמה בה הכלורופיל "מרוח" 7 בשל יכולת הספיחה הנמוכה של הנייר. יכול להיות שיתקבל צהוב של קסנטופילים (בעלי קוטביות בינונית) סביב כתם הכלורופיל. במקרה כזה, המליצו לתלמידים לחזור על הבדיקה כשהם מעמיסים כמות קטנה יותר של פיגמנט. מקרה, הסבו את תשומת ליבם לקו הצהוב הנמצא בחזית הנוזל המריץ בכל זהו הקארוטן 8 המבוקש. הקארוטן ממשיך להתקדם עם חזית המריץ גם לאחר שחזית הכלורופיל נעצרה. הפרדת הפיגמנטים בעמודה אחרי שהתלמידים יתחילו להריץ את התמצית בעמודה, בראש העמודה, o o הם יבחינו כי הכלורופיל 9 ולכן לא יוכלו לאסוף אותו. בשלב זה עומדות בפניהם שתי אפשרויות: להמשיך להריץ את הקארוטן באמצעות פטרול אתר עד לאיסופו המלא, הנוזל המריץ לאצטון על מנת להריץ את הכלורופיל. "נתקע" ואז להחליף את להחליף את הנוזל המריץ לתערובת של פטרול אתר ומעט אצטון, שתאפשר גם לכלורופיל להתקדם, אך בקצב איטי (תערובת אופטימלית: 10% אצטון, 90% פטרול אתר). הניחו לתלמידים להגיע לפתרון בעצמם, לטעות, גם הניחו להם אם זו בחירתם. על-פי תוצאות כרומטוגרפיית הנייר אותה ביצעו. במידה ולא התקבלה הפרדה טובה, ניתן לחזור על הניסוי בעזרת אותה העמודה שטפו את העמודה על-ידי הרצת 5 מ"ל של אצטון (לסילוק כל הפיגמנטים) ולאחר מכן הרצת 5 מ"ל של פטרול אתר. העמודה מוכנה לפעולה! בהפרדת הכלורופיל ייתכן ויופיעו מספר צבעים שונים, תלוי במידת הטריות של העלים. ניתן לזהות את החומרים על-פי צבעם וסדר הופעתם, (ככל שהחומר קוטבי יותר, קצב התקדמותו נמוך יותר). פעילות נוספת בהתאם לרשימה המופיעה ברקע המדעי לאחר סיום הפעילות ניתן להשתמש בעמודה כדי להפריד פיגמנטים ממקורות צמחיים אחרים, כמו עלי כותרת של גרניום אדום או עלים של יהודי נודד סגול. לגלות שגם מחלקי הצמח הצבעוניים ניתן לבודד את הכלורופיל הירוק! התלמידים ודאי יופתעו 7 בהתאם לאנלוגיה בה השתמשנו, ה"חנויות" ברחוב הנייר הן קטנות ולא יכולות להכיל מספר רב של קונים. אם כמות גדולה של קונים מגיעה לרחוב, החנויות הראשונות יתמלאו במהירות עד אפס מקום, והקונים המאוכזבים יאלצו להמשיך ללכת במורד הרחוב, עד שימצאו חנות פנויה. ככל שיש יותר קונים, כך יאלצו אחרוני הקונים לנוע רחוק יותר במורד הרחוב עד שימצאו חנות פנויה. 8 לאחר שכל הקונים נכנסו לחנויות, היחידים שממשיכים לנוע במורד הרחוב הם הילדים המחופשים, שאין להם כלל עניין בקניות. 9 הסיליקה ג'ל עשויה במכוון מגרגירים זעירים בעלי שטח פנים גדול, כך שה"חנויות" ברחוב הסיליקה ג'ל הן רבות ומרווחות, וכל הקונים מוצאים חנות פנויה כבר בתחילת הרחוב. 33

35 ה פר ד ומשוֹל! פרק 4: יישום: הפרדה שהצילה חיים! הקדמה בפעילות זו נגיע, בשעה טובה, לסיומו המיוחל של סיפור המסגרת בו פתחנו את היחידה (דף תלמיד הסיפור: הסוכר..(1 התלמידים בקבוק פלסטיק, יבנו עמודת הפרדה באמצעות תחבושת, ופחמים, חול צמר גפן, עקרון בניית העמודה בחלק זה דומה מאוד לעקרון המשמש הפילטרים לטיהור מי השתייה בבית פחם) והזרמת המים דרכם. האביזרים הזמינים על האי על-פי ויפרידו את הצבע האדום ממי בניקוי מים המבוסס על בניית עמודה מחומרים סופחים כמו (כמו בניית העמודה הכרומטוגרפית תיעשה בעזרת חומרים הזמינים על-פי המתואר בסיפור בלבד. אין לתת לתלמידים הנחיות, העקרונות המדעיים שלמדו ביחידה. אלא לאפשר להם להיות יצירתיים, זכרו תוך התבססות על - יש יותר מדרך אחת שתביא לפתרון המשימה, וחשוב שהתלמידים ירגישו כי הפתרון אליו הגיעו הוא פרי יכולתם האישית והקבוצתית! לפני חלוקת דף התלמיד, וודאו כי התלמידים זוכרים את סיפור המעשה. אם לא, הקריאו להם שוב את הסיפור מדף התלמיד הראשון. 34

36 5 ה פר ד ומשוֹל! דף תלמיד הפרדה שהצילה חיים! סוף סיפור המעשה "איזה יופי!" התלהב מיכאל, "באמת צבעים יפים. לכל פיגמנט יש יחס שונה בין מידת המשיכה שלו לסיליקה ג'ל לעומת המשיכה שלו לנוזל המריץ. ההבדל הזה ביחס המשיכה גורם להם להיפרד, והמבנה של העמודה מאפשר לנו להזרים בתוכה כמות גדולה של נוזל, ולאסוף בתחתיתה את החומרים המופרדים, אחד אחרי השני. בדיוק מה שאנחנו צריכים!" "מה אתה מתלהב?", קטעה אותו נטע. "שכחת איפה אנחנו? מאיפה נשיג כאן עמודה כרומטוגרפית? שלא לדבר על סיליקה ג'ל... כל מה שיש כאן זה חול הרבה חול, ושום דבר אחר!" "וגם פחמים מהמדורה של ליל אמש", הוסיפה נעמי, מסתכלת סביב. "ובקבוקי פלסטיק ריקים. ותיק עזרה ראשונה. בטח אפשר להנדס משהו מכל הדברים הללו. למשל, הפחם ידוע כחומר בעל כשר ספיחה גבוה. משתמשים בו במטהרי מים כדי לספוח תרכובות לא רצויות הנמצאות במי השתייה, משום שחומרים רבים נמשכים אליו חזק יותר משהם נמשכים למים. אבל אני חושבת שסוכר נמשך למים חזק יותר מאשר לפחם." "הבנתי אותך!" קרא מיכאל. "אני יודע בדיוק מה צריך לעשות..." רגע חושבים... האם גם לכם יש רעיון כיצד לטהר את המים מן הצבע האדום? תכננו, הראו למורה ובצעו את ניסוי הפרדת צבע המאכל ממיץ הפטל כדי להציל את אורית. המשימה הפיקו ממיץ הפטל כוס שלמה של מי סוכר, ללא צבע מאכל. 35

37 ה פר ד ומשוֹל! ניהול הפעילות אין לשלול רעיונות נוספים שהינם בני-ביצוע בתנאי המעבדה! פתרון אפשרי: שלב 1: הכנת העמודה חתכו את תחתית בקבוק הפלסטיק שבידיכם. הפכו את הבקבוק וס גרו את הפיה עם תחבושת בכדי שגרגרי החול לא "יברחו" החוצה. בעזרת מקל ארוך הכניסו חתיכת צמר גפן לתחתית העמודה וכסו עם שכבה של חול. הרכיבו את הבקבוק מופנית כלפי מטה. הכניסו שכבת (הקולונה) טבעת בעזרת על עמוד הברזל, כך שהפיה הצרה 10 פחם כתוש ספוג במיץ פטל, הדקו היטב, ומעליה עוד שכבת חול. מקמו כוס לאיסוף ממס בתחתית הקולונה. התחילו להזרים מיץ פטל דרך הקולונה עד שכל שכבות הקולונה רטובות שלב 2: הפרדת הצבע האדום המשיכו להוסיף את מיץ הפטל לראש העמודה בזהירות, העליונה. א ספו דוגמאות של נוזל בתחתית העמודה. ללא פגיעה בש כבת החול.1.2 יש להקפיד על כך שהשכבות השונות בעמודה תהיינה מיושרות ככל האפשר ומהודקות, כך שהפאזה הנעה תחלוף דרך הגרגרים, ולא תמצא נתיבים העוקפים את השכבה. יש להקפיד עם התלמידים על קצב טפטוף סביר ואיטי בכדי למנוע הצפות. על התלמידים להכין מראש מספר כוסות איסוף בקרבתם בכדי שיוכלו להחליפן בקלות. המטרה הסופית אינה לאסוף את הצבע האדום, אלא להראות ולהסביר שבתנאי הכרומטוגרפיה שבחרנו, הצבע האדום נקשר באופן חזק יחסית לפאזה הנחה ואינו משתחרר עם הפאזה הנעה, ולכן אנו יכולים לאסוף מים שטוהרו מצבע מאכל. יש להדגיש שההפרדה נעשתה רק עבור הצבע האדום (צבע המאכל). הסוכר הממתיק את מיץ הפטל יוצא מן הקולונה עם המים. 10 מים לא מחלחלים טוב דרך פחם יבש. 36

38 ה פר ד ומשוֹל! פרק 5: סיכום: חגיגה של צביעת חולצות הקדמה בפעילות זו, התלמידים ינצלו את תהליך הכרומטוגרפיה כדי לייצר לעצמם חולצה צבעונית ומקורית. את הזמן הארוך שצריך להמתין עד להשלמת התהליך ננצל כדי לדון בהיבטים טכנולוגיים של השיטה. סיכום בזמן ההמתנה להרצת הצבעים בחולצות, בשיטות אותן למדתם ביחידה זו?" שאלו את התלמידים: "היכן לדעתכם משתמשים להלן מספר דוגמאות שבהן הפרדת חומרים מיושמת הלכה למעשה: גילוי תרופות: תרופות רבות מקורן בתערובות עממיות שהיו מקובלות בעמים ובשבטים רבים משך דורות. אלא שכיום אנו יודעים שרק אחד (בדרך-כלל) ממרכיבי התערובת הוא המרכיב הפעיל במרקחת. בכדי להפוך תרופה עממית (הקרויה גם "תרופת סבתא" בלשון העם) לתרופה מקובלת, עלינו לגלות מי מבין אלפי החומרים המרכיבים את התערובת הוא המרכיב הפעיל, לבודד אותו, להוכיח שהוא אכן המרכיב הפעיל, לזהות את מבנהו המולקולרי ולייצר אותו בכמויות מסחריות. הדוגמה הבולטת ביותר היא תרופת הפניצילין. בשנת 1928 הבחין אלכסנדר פלמינג לראשונה כי עובש בשם "פניציליום" מפריש חומר המעכב התרבות של חיידקים. עם זאת, רק ב נעשה יישום לתופעה זו, לאחר שייצרו את התרופה האנטיביוטית "פניצילין", שמקורה בפטרייה הנ"ל. השבטים ביערות הגשם, השבטים בהרי קווקז ועמים אחרים הם מקור לא אכזב של תרופות, שחלקן הפכו למסחריות ולשימושיות עבור העולם המערבי (ואת חלקן איננו מכירים עדיין). 37

39 ה פר ד ומשוֹל! ייצור תרופות בדרגת ניקיון גבוהה: בעזרת הפרדת חומרים מוודאים בעת שלבי הייצור שהתרופות המיוצרות מכילות את החומר הפעיל בלבד, ללא חומרים מזהמים לא רצויים, העלולים לגרום לתופעות לוואי. ייצור חומרי מזון ללא מזהמים: בעזרת שיטות להפרדת חומרים בודקים את רמת החומרים השונים הנמצאים במשקאות ומזון. ריכוז גבוה מדי של חומרים מסוימים עלול לגרום להרעלה. מעקב אחר רמת זיהום האוויר: ניתן לבדוק את רמות זיהום האוויר על-ידי הפרדת המזהמים וזיהויים. הדבר מאפשר להתריע בפני אנשים רגישים על רמות גבוהות של זיהום אוויר בימים מסוימים. הקפדה על רמות נמוכות של חומרי הדברה בפירות ובירקות: לצערנו, אנו נאלצים להשתמש בחומרי הדברה, הרעילים גם לאדם, בכדי למנוע ממזיקים להרוס את היבול. באמצעות השיטות להפרדת חומרים בודקים שכמות חומרי ההדברה במזוננו הינה ברמה שאינה גורמת נזק לאדם. פיתוח הדברה ביולוגית: כדי להימנע משימוש בחומרי הדברה רעילים, ביוכימאים חוקרים מהם החומרים שצמחים משחררים לאוויר כדי למשוך אליהם, או לדחות מהם, חרקים. על- ידי זיהוי חומר כזה ניתן לפתח הדברה ביולוגית, שהינה בריאה יותר וטובה יותר לאדם ולסביבה. ייצור שמנים בדרגת ניקיון גבוהה: רמת הניקיון של שמן המנוע והדלק במכוניות ובמטוסים, מנוטרת על-ידי הפרדת החומרים מהם הם מורכבים. המשמשים הפרדת הנפט למרכיביו השונים, מהם מייצרים את הדלקים למיניהם, וכן פלסטיק ושקיות ניילון. הפרדת קפאין מיתר חומרי הטבע המצויים בפולים כדי לנצלו לשימושים שונים (למשל תוסף במשקאות "אנרגיה"), או כדי לייצר קפה נטול קפאין. 38

40 דף תלמיד 6 וזאת התעודה שלמדתם כרומטוגרפיה! כולכם מוזמנים בזאת לתחרות עיצוב החולצה הכרומטוגרפית, שאותה תיקחו לביתכם כפרס על מעשיכם הטובים על האי וכאות עידוד להיותכם כימאים כה מוכשרים! בתחרות זו אנו "משחקים" בכרומטוגרפיה לעיצוב תלבושת ייחודית. ליצור חולצה זהה ויפה כמו זאת שלכם! נסו ותראו. מובטח שאיש לא יוכל שלב א': הכנת החולצה ציירו על גבי החולצה ציור ככל העולה על רוחכם בעזרת עטי סימון לא מחיקים (מרקרים). ניתן להוסיף טפטוף שעוות פּ ר פין מנר רגיל, לפני השימוש במרקרים ובמריץ, כדי ליצור אזורים בהם החולצה לא תּ צ ב ע. מהו, לדעתכם, תפקיד הפּ ר פין? התחילו את הציור מגובה של 10 ס"מ לפחות מתחתית החולצה. ציור במרווחים גדולים ייתן תוצאה ברורה יותר. שלב ב': הכנת מתקן לתליית החולצה הכניסו מקל עץ בין שרוולי החולצה ותלו אותה בין שני עמודים, כמתואר בציור. שלב ג': חולצה כרומטוגרפית שפכו אלכוהול למגש עד לגובה של 2-3 ס"מ. הכניסו את החולצה למגש, כך שהקצה התחתון שלה יטבול באלכוהול. המתינו בסבלנות והניחו לאלכוהול לעלות במעלה החולצה. הוסיפו אלכוהול במידת הצורך. בסוף ההרצה, הניחו את החולצה לייבוש. אם השתמשתם בפרפין, לאחר הייבוש יש להרחיק את הפרפין על-ידי התכתו במים חמים. לאחר מכן תוכלו לקחת את החולצה לביתכם וללבוש אותה. תתחדשו! 39

41 נספח: כלים וחומרים דף תלמיד 1 (לכל צוות): 4 צנצנות עם זוגות החומרים: שמן + מים o מים + סוכר o נוזל + מוצק (מים / שמן + שבבי ברזל / שבבי עץ / חול / סוכר) o מוצק + מוצק (שניים מתוך: שבבי ברזל / שבבי עץ / חול / סוכר) o יש לשקול ולרשום על כל צנצנת את משקל כל אחד מהחומרים. צלחת פטרי ומכסה מגנט מקל זכוכית פינצטה זכוכית מגדלת 4 כוסות 100 מ"ל מסננת נייר סינון עגול משפך משפך מפריד פלטת חימום דף תלמיד 2 (לכל צוות): סוכריות "עדשים" בצבעים שונים מים נייר סינון לכרומטוגרפיה כוס כימית 100 מ"ל עיפרון קיסמים סרגל מספריים 40

42 דף תלמיד 3 (לכל צוות): צ'קים מזויפים (הכנה מפורטת בהמשך) מים אלכוהול כוס כימית 100 מ"ל פיפטות פסטר נייר סינון לכרומטוגרפיה הכנת הצ'קים:.1.2 הדפסת עותק אחד של כל צ'ק לדוגמא (מצורף בהמשך) לכל צוות. מילוי כל צ'ק באופן מלא, כולל תאריך וחתימה באותה עט. בכל צ'ק רושמים תאריך וסכום (ללא אגורות) וחתימה שונה. בצ'ק אחד שלפניה ולא למלא שום סימן מימין לסכום הנרשם במספרים. - להשאיר רווח מתאים בין המילה ש"ח למילה זיוף הצ'ק הנ"ל נעשה בעט בעל צבע זהה אך מסוג שונה, כך שלא ניתן יהיה להבחין בהבדל בין התוספת למקור. מוסיפים לסכום את הספרות 000, ואת המילה "אלף" לסכום במילים ברווח שהושאר. יש לבצע ניסוי מקדים, ולוודא שלכל עט כרומטוגרמה שונה, כך שהתלמידים יראו הבדל ניכר בין סוגי העטים..3 הצ'ק לפני הזיוף הצ'ק לאחר הזיוף 41

43 צ'קים לדוגמא: 42