1.3. Общий механизм разделения двухкомпонентной системы методом элюентной (проявительной) хроматографии
Исследуемый раствор (смесь веществ А и В) вводят в верхнюю часть колонки (рис. 1а). Происходит перемещение и распределение разделяемых веществ вдоль колонки с различными скоростями. Количественное распределение разделяемых веществ между подвижной и неподвижной фазами описывается константной, называемой коэффициентом равновесного распределения:
K = Cs / Cm, (1)
где Cs - концентрация вещества в неподвижной фазе; Cm - концентрация вещества в подвижной фазе. Поэтому каждое вещество А и В будет характеризоваться своим коэффициентом распределения:
K(A) = Cs(A) / Cm(A) и K(B) = Cs(B) / Cm(B). (2)
При непрерывном пропускании растворителя происходит многократное перераспределение молекул веществ А и В между подвижной и неподвижной фазами. Средняя скорость перемещения вещества зависит от времени его пребывания в подвижной фазе и от его способности сорбироваться в неподвижной фазе. Если скорости перемещения компонентов А и В достаточно различаются, то на выходе из колонки сначала появляется наименее сорбируемый компонент А, а затем компонент В. В конце колонки помещается детектор, реагирующей на изменение концентрации веществ А и В.
На рис. 1б представлена идеализированная хроматограмма смеси двух веществ А и В. По оси абсцисс отложено время хроматографирования (можно отложить объем элюата), по оси ординат - аналитический сигнал, зависящий от концентрации веществ А и В в элюате. Каждый пик соответствует определенному веществу, а высота или площадь пика позволяет определить его концентрацию. Поэтому хроматограммы используют как в качественном, так и количественном анализе.
Процесс вымывания из колонки растворенных веществ чистым растворителем называется элюированием. В ходе элюирования компоненты выделяются отдельными зонами, которые изолированы друг от друга чистым элюентом.
При хроматографировании одновременно происходит разделение веществ и размывание хроматографических пиков разделяемых веществ. Последнее явление приводит к ухудшению определения качественного и количественного состава разделяемой смеси. Имеется несколько теорий хроматографического процесса, объясняющих причины размывания пиков и позволяющих прогнозировать эффективность разделения веществ. Среди теорий существенное значение имеет кинетическая теория, которая основное внимание уделяет кинетике процесса, связывая его с диффузией, медленным установлением равновесия и неравномерностью процесса.
1.4. Адсорбционная хроматография
Адсорбционная хроматография основана на различии в адсорбируемости веществ твердым сорбентом.
В адсорбционной хроматографии используются тонкодисперсные пористые сорбенты, которые бывают двух типов: полярные и неполярные. К полярным сорбентам относятся оксид алюминия (Al2O3(xH2O)) силикагель (SiO2(xH2O), крахмал, целлюлоза; к неполярным сорбентам - активированный уголь, графитированная сажа. Полярные сорбенты имеют на поверхности слабокислотные ОН-группы, способные удерживать вещества с основными свойствами. Большое влияние на селективность разделения и эффективность колонки имеет выбор растворителя (подвижной фазы). Подвижная фаза должна растворять анализируемую пробу, обладать малой вязкостью и из нее должно быть возможным выделение разделенных компонентов. В качестве растворителей используют воду, спирты, бензол, гексан и другие углеводороды. На практике часто используют не индивидуальные растворители, а их смеси.
Адсорбция различных веществ из растворов зависит от природы растворителя и разделяемых веществ, от природы и структуры поверхности сорбента.
Между сорбентом и разделяемыми компонентами смеси возможны следующие виды взаимодействия: силы Вандер-Ваальса, образование водородных и химических связей (в последнем случае происходит хемосорбция).
Если вещество слабо адсорбируется, то скорость его перемещения по колонке будет большей. При последующем промывании колонки чистым растворителем или смесью растворителей (процесс элюирования) первыми вымываются слабо адсорбируемые молекулы, а последними - молекулы, наиболее прочно связанные с сорбентом. На поверхности сорбента происходит не только адсорбция молекул из раствора, но и обратный процесс - десорбция. С течением времени устанавливается адсорбционное равновесие.
Чтобы растворенное вещество хорошо адсорбировалось на поверхности адсорбента, надо, чтобы молекулы растворителя плохо смачивали поверхность адсорбента, т.е. не занимали активные центры. Например, из водных растворов активированный уголь хорошо адсорбирует органические кислоты, спирты, амины, но плохо адсорбирует эти вещества из органических растворителей.
Сорбция органических соединений на полярном сорбенте уменьшается в ряду: кислоты --> альдегиды --> кетоны --> сложные эфиры --> ненасыщенные углеводороды --> насыщенные углеводороды. Неполярные сорбенты не проявляют селективности к полярным молекулам.
С повышением температуры молекулярная адсорбция всегда уменьшается, т.к. возрастание интенсивности молекулярно-теплового движения затрудняет фиксацию молекул на поверхности сорбента.
В медицине широко используется гемосорбция, при которой применяются активированные угли для очистки крови от токсических веществ. В спиртовом производстве из водно-спиртовой смеси адсорбцией на угле обесцвечивают сахарные и глюкозные сиропы. Во время первой мировой войны активированный уголь использовали в противогазах для защиты от боевых отравляющих веществ. Гидрофильные адсорбенты: глины и кизельгур используют при рафинировании жиров - очистке жиров от свободных жирных кислот, смолистых и красящих веществ.