6.5. Інші види хроматографії

6.5.1. Йонообмінна хроматографія

Йонообмінна хроматографія ґрунтується на оборотному обміні йонами між взірцем (рідинна рухома фаза), який підлягає аналізу, і сорбентом, який називають йонообмінником (тверда нерухома фаза), або йонітом. Йоніти, які вступають у обмін з катіонами (позитивно зарядженими йонами), називають катіонітами, а при взаємодії з аніонами (негативно зарядженими йонами) – аніонітами.

Здатність до йонного обміну проявляють деякі мінерали і низка синтетичних матеріалів. Найпоширеніше застосування отримали синтетичні органічні йонообмінники на основі штучних смол.

Зазвичай синтетичний йоніт є полімером, який містить різні функціональні групи. Ці групи визначають характерні властивості йонообмінних смол. Полімер складається із каркасу – тривимірної просторової структури, утвореної матрицею з нерозчинної хімічно інертної органічної речовини R. Матриця з’єднана з йоногенними групами, здатними до обміну з йонами розчину. Наприклад, у йоніті на основі полістиролу де органічна частина –CH₂ – CH + C₆H₄ + CH₂ є матрицею, а – йоногенною групою.

Одна частина йоногенної групи (у цьому прикладі ) жорстко закріплена у каркасі. Ці йони називають фіксованими: вони створюють заряд каркаса (у наведеному прикладі– фіксований йон, каркас позитивно заряджений, отже,– аніоніт). Заряд каркаса компенсується іншою частиною йоногенної групи – протийонами (у наведеному прикладі –OH ^), які є рухомими. Протийони беруть участь у йонному обміні, переходячи у розчин, а на їхнє місце приходить еквівалентна кількість йонів із розчину, які мають заряд того ж знака, що і протийони; отже, йоніт залишається електронейтральним.

Схема йонного обміну для наведеного прикладу має вигляд:

.

Аналогічним є рівняння йонного обміну для катіоніта:

.

Зазначимо, що існують біполярні йонообмінні смоли-амфоліти, які мають властивості як аніонітів, так і катіонітів.

Якість йонообмінників характеризують їхньою сорбційною (обмінною) ємністю і хімічною стійкістю.

Обмінна ємність – це кількість йонів із розчину, яку поглинає одиниця маси або об’єму йоніта (число грам-екв. протийонів на 1 г сухої смоли).

Хімічну стійкість визначають відношенням йоніта до робочого середовища при хроматографічному аналізі. Її мірою є ступінь зменшення маси і ємності йоніта.

Для йонообмінників визначені адсорбційні ряди (ряди селективності) йонів, у яких кожен наступний член ряду має дещо більшу здатність утримуватись йонітом (зазвичай цій здатності відповідає більший заряд і менший радіус йона).

Йонообмінний цикл налічує дві стадії.

Перша стадія – сорбція – поглинання йонів нерухомою фазою (йонітом). Друга – десорбція – добуття йонів із йонообмінника за допомогою рухомої фази – елюенту.

Практично це виглядає так:

• підбирають відповідний йоніт, здійснюють його обробку і розташовують у колонці;

• пропускають через колонку розчин, який підлягає аналізу;

• пропускають через колонку елюент;

• здійснюють аналіз елюенту.

Підбираючи склад і кислотність елюенту, можна вилучати із колонки одні йони, залишаючи адсорбованими інші (селективне елюювання).

Основні напрями застосування йонообмінної хроматографії: розділення близьких за властивостями елементів; вилучення заважаючих йонів; концентрування цінних мікроелементів із природних і промислових вод; кількісне визначення сумарного вмісту солей у розчинах; демінералізація води; отримання солей, кислот і основ.