4.2.2. Ионообменная хроматоарафия (жидкостная твердофазная хроматография (жтх))

Разделение веществ обусловлено их различной способностью к ионному обмену. Поэтому в качестве неподвижной твердой фазы используют ионообменники, способные замещать одни ионы на другие. (Имеет место электростатическое взаимодействие между ионами раствора и ионами на поверхности ионообменника)

Наиболее распространенными ионообменниками (или ионитами) являются синтетические органические полимеры, называемые смолами. Они представляют собой твердые высокомолекулярные соединения, не растворимые в воде и органических расгворителях, устойчивые к действию кислот и щелочей, механически прочные. Ионообменные смолы бывают двух типов: катиониты, которые содержат функциональные группы кислотные (-SO₃^-; -COO^-; -PO₃^- и другие). Функциональиыми гуппами каркасов анионитов являются четвертичные –NR₃⁺, третичные –NR₂H⁺, первичные –NH₃⁺ и другие основания.

Ионный обмен происходит по следуюшей схемe:

nKTH + Xⁿ⁺ = (KT)_nX + nH⁺ для катионитов

nATOH + Yⁿ = (AT)_n + nOH^- для анионитов

Наиболее удобными в работе оказались иониты, полученные на основе полимеризации стирола и дивинилбеизола

Ионный обмен в аналитической химии обычно проводят ва колонке. Раствор хроматографируемого образца вводят в колонку, заполненную ионообменной смолой, при этом эквивалентное количество катионов или анионов смолы переходят в раствор, заменяясь на катионы или анионы анализируемой смеси.

Ионообменные смолы легко регенерируются. Например:

(KT)_nX + HС1 → nKTH

Ионный обмен используют для замены нежелательных анионов и катионов в различных промышленных средах (очистка сточных вод, изменение жесткости воды и т.п.), для очистки растворов пищевых производств (сахарная, винодельческая промышленность), для разделения смесей катионов и анионов. Например, смесь солей калия и натрия пропускают через катионит и затем элюируют 0,1 М раствором НСI.

Иониты обладают определенной емкостью. Емкость ионообменной смолы определяется количеством ионов, обмениваемых одним граммом смолы. Концентрация ионов определяется количеством моль эквивалентов. Емкость сухих катионитов, находящихся в Н⁺-форме, составляет примергiо 3-5 ммоль-экв/г, а емкость влажной смолы, помещенной в колонку, составляет около 1,8 ммоль-экв/мл. Емкость сухой анионообменной смолы в С1⁺-форме (или ОН^--форме) равна 3,0-3,5 ммоль-экв/г, влажной - 1,2 ммоль/мл.

4.2.3. Распределительная хроматография (жидкость-жидкостная хроматография жжх))

В распределительной хроматографии разделение веществ обусловлено их различными коэффициентами распределения между двумя несмешивающимися жидкими фазами, одна из которых неподвижна (например, вода), а другая фаза подвижна (органический растворитель). Концентрационным коэффициентом распределения (К_р) считают отношение концентрации вещества в подвижной фазе (С_п) к его концентрации в неподвижной (С_н):

Изотерма распределения вещества между двумя несмешивающимися растворителями обычно линейная: С_п = К_р∙ С_н

Распределительная хроматография относится к жидкость-жидкостной хроматографии. В этом методе неподвижным растворителем пропитывают инертный носитель и пропускают подвижный растворитель, содержащий разделяемые компоненты. Предварительно оба растворителя насыщают друг другом.

Требования к носителю:

1) должен быть нейтральным, ни химические, ни сорбциониые процессы не должны происходить;

2) должен быть нерастворим в применяемых растворителях;

3) прочно удерживать неподвижную жидкую фазу.

Необходимым условием для получения четкого разделения смеси является практическое отсутствие какого-либо взаимодействия компонентов с носителем и достаточно большое различие их коэффициентов распределения.

В качестве носителей используют силикагель, очищенный крахмал, целлюлозу и др.

Подвижный и неподвижный растворители подбирают в зависимости от природы разделяемых компонентов, от природы носителя и его полярности. Так, если носитель гидрофильное вещество, то неподвижным растворителем является вода, а подвижным - органический растворитель (хлороформ, бутиловый спирт и др.). Если же носитель гидрофобное вещество, то неподвижный растворитель - неполярные органические вещества (бензол, керосин и т.д.), подвижный растворитель - полярные органические вещества (метиловый спирт, нитрометан, вода, серная кислота)

Четкие распределительные хроматограммы могут быть получены, если использовать в качестве носителя специальную хроматографическую бумагу (химически чистую и однородную). Такой вид хроматографии называют бумажной или распределительной хроматографией на бумаге.

Аналогом хроматографии на бумаге является метод разделения веществ в тонком слое носителя - тонкослойная хроматография (ТСХ).

Бумажная и тонкослойная хроматография характеризуется величиной R_f, которая на практике равна отношению расстояния, пройденного веществом, к расстоянию, пройденному растворителем (подвижной фазой), (рис. 4.6):

.

Разделение проводят в закрытой герметически камере, так как необходимо избегать испарения растворителей при хроматографировании. Если при разделении смеси компоненты не окрашены, то хроматограмму ‘проявляют” реагентом, дающим с ними окрашенные соединения (органические кислоты проявляются бромкрезоловым зеленым, аминокислоты - нингидрином, альдегиды - раствором 2,4-дигидрофенилгидразином и др.).

Носителями в методе тонкослойной хроматографии являются силикагель, оксид алюминия, порошок целлюлозы, нанесенный в виде тонкого (закрепленного или незакрепленного) слоя на пластинку. ТСХ получила широкое распространение из-за простоты, более быстрого разделения, большей устойчивости к изменению температуры, большей чувствительности по сравнению с бумажной (можно определять до 0,005 мкл).

b b

l L

1 2 3

123

a a a a

Рис. 4.6. Тонкослойная хроматограмма

а-а – стартовая линия; b-b – граница фронта растворителя ;

1 – краситель (свидетель 1); 2 – краситель (свидетель 2); 3 – исследуемая смесь красителей.

Качественный анализ проводят сравнением величин R_f с табличными данными или данными, полученными при хроматографировании чистых контрольных компонентов (свидетелей).

Количественный анализ по хроматограммам проводят:

1) визуально по интенсивности окраски пятен по сравнению с эталонными;

2) по площади пятна, сравнением с площадью пятна известной концетрации;

З) для люминесцирующих веществ по интенсивности люминесценции и т.п.

Количественный анализ может быть проведен после экстракции определяемых компонентов с применением различных физико-химических методов анализа.