4.1. Жидкостная адсорбционная хроматография

В адсорбционной хроматографии разделение веществ обуславливается различием адсорбционных свойств компонентов разделяемой смеси, растворенных в жидкой фазе.

М.С. Цвет установил закон адсорбционного замещения, заключающийся в том, что адсорбируемые вещества способны вытеснять друг друга из их адсорбционных соединений: «Вещества, растворенные в определенной жидкости, образуют определенный адсорбционный ряд: А > В > С, выражающий относительное адсорбционное сродство его членов к адсорбенту. Каждый из членов адсорбционного ряда, обладая бóльшим адсорбционным сродством, чем последующий, вытесняет его из соединения, и в свою очередь вытесняется предыдущим».

1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 -

Рисунок 18 – Хроматограмма хлорофилла по Цвету: 1 – бесцветная зона (коллоидальные спутники хлорофилла); 2 – желтая (ксантофилл β); 3 – желто-зеленая (хлорофиллин β); 4 – сине-зеленая (хлорофиллин α); 5, 6, 7 – желтые (ксантофилл α); 8 – серая (хлорофиллин)

Зональное распределение веществ раствора в колонке адсорбента выражает относительное положение их в адсорбционном ряду (рис. 18).

Силы взаимодействия, обуславливающие адсорбцию, зависят от структуры молекулы и могут иметь различную природу. Общая энергия взаимодействия молекул складывается из энергии дисперсионных, индукционных и ориентационных сил.

На поверхности твердого тела находятся участки, силовое поле которых способно притягивать молекулы посторонних веществ. Максимальное количество адсорбированного вещества соответствует покрытию поверхности адсорбента мономолекулярным слоем.

Между поверхностью адсорбента и средой устанавливается подвижное равновесие, определяемое равенством скоростей адсорбции и десорбции.

с>>1 а с<<1

Рисунок 19 – Изотерма адсорбции а – величина адсорбции; с – концентрация газа

Каждой концентрации адсорбируемого вещества отвечает определенное равновесное количество его на адсорбенте. Разделение веществ в адсорбционной хроматографии определяется многократным повторением элементарных актов сорбции и десорбции и различием сорбируемости анализируемых веществ. Зависимость количества адсорбированного вещества от его концентрации в растворе при постоянной температуре выражается изотермой адсорбции (рис. 19).

Рассматривая график изотермы адсорбции, можно заметить, что с ростом концентрации адсорбция возрастает лишь до некоторого предела. По теории Лэнгмюра, предельная адсорбция наступает, когда на поверхности адсорбента образуется насыщенный мономолекулярный слой, экранирующий силовое поле адсорбента. Мономолекулярная адсорбция наблюдается на гладких поверхностях. На адсорбенте происходит не только адсорбция молекул из окружающей среды, но и их возврат в окружающую среду – десорбция. В результате между поверхностью адсорбента и средой устанавливается подвижное равновесие, определяемое равенством скоростей адсорбции и десорбции молекул.

Для скорости процесса адсорбции И_адс можно написать уравнение:

И_адс = k₁С (1 – Q),

где k₁ – постоянная;

Q – доля занятых мест на адсорбенте;

С – концентрация вещества в растворе.

Число десорбирующихся молекул пропорционально общему числу адсорбированных молекул. Поэтому скорость десорбции равна:

И_дес = k₂Q = k₂Q

где k₂ – постоянная.

В состоянии равновесия скорости И_адс и И_дес равны между собой, поэтому:

k₁ С(1 - Q),

Решая уравнение, относительно Q и заменяя k₁/k₂ = в, где в – константа, характеризующая поверхностную активность вещества, получим:

Q = - .

Если обозначить через а количество адсорбированного вещества, соответствующее равновесному состоянию при заданной концентрации, а максимальное число мест на адсорбенте, которое может быть занято молекулами адсорбированного вещества, обозначить через а_∞, то, а = а_∞Q, а уравнение изотермы адсорбции Лэнгмюра для одного компонента будет иметь вид:

а = а_∞ ,

где с – равновесная концентрация.

Уравнение Лэнгмюра вполне удовлетворительно записывает зависимость величины адсорбции от концентрации. Из уравнения следует, что существует предел адсорбции, т.е. увеличение концентрации раствора выше определенного значения не приводит к дальнейшему увеличению количества адсорбированного вещества. Изотермы адсорбции Лэнгмюра по своему виду аналогичны как изотермам адсорбции газов и паров, так и изотермам адсорбции из растворов. На процесс адсорбции молекул из жидких сред оказывает влияние присутствие растворителя, молекулы которого, адсорбируясь на поверхности сорбента, уменьшают адсорбируемость растворенного вещества, что искажает изотерму адсорбции. Поэтому следует подбирать растворитель с наименьшей сорбционной способностью по отношению к применяемому адсорбенту. В случае сорбции поляризованных молекул образуются последовательно вторичный и последующие адсорбционные слои. Изотерма адсорбции имеет S-образную форму. В этом случае с увеличением концентрации вещества адсорбция его возрастает.

На величину адсорбции оказывает влияние также и ряд других факторов, к числу которых относятся структура сорбента, температура и др.

В адсорбционно-жидкостной хроматографии применяют органические и неорганические адсорбенты. Из органических адсорбентов применяют сахарозу, инсулин, молочный сахар, целлюлозу, крахмал. Из неорганических адсорбентов наиболее употребительны активированная окись алюминия, карбонат кальция, окись кальция, окись цинка, окись магния, активированный уголь, некоторые минералы (главным образом различные сорта глин).

Применяемые адсорбенты не должны вступать в химические реакции с растворителями и хроматографируемыми веществами, должны иметь достаточную адсорбционную способность.

Активность адсорбента в значительной мере определяется способом его приготовления.

Жидкими фазами для получения адсорбционных хроматограмм являются растворители, обладающие слабой адсорбируемостью на применяемых адсорбентах.

При выборе растворителей руководствуются правилом, согласно которому неполярные (гидрофобные) адсорбенты, как, например, активированые угли, адсорбируют из полярных растворителей, особенно из воды и спирта, значительно лучше, чем из неполярных; полярные же (гидрофильные) адсорбенты хуже адсорбируют из полярных растворителей и лучше адсорбируют из неполярных.

Для получения хроматограмм на полярных адсорбентах применяют такие малополярные растворители, как петролейный эфир, бензин, бензол. Для промывания хроматограмм используют обычно тот же растворитель.

Если по условиям опыта необходимо разделенные в колонке вещества перевести в фильтрат, применяют растворители, вытесняющие адсорбированные вещества из колонки. Хорошими вытеснителями на полярных адсорбентах являются спирты, эфиры, пиридин и др. Часто практикуется последовательное промывание колонки с полученной на ней хроматограммой рядом растворителей с постепенно увеличивающейся десорбционной способностью, например, промывают колонку петролейным эфир, затем бензолом, этиловым эфиром, хлорофиллом и т.д. При этом последовательно вытесняются отдельные компоненты смеси.