Ионообменная, ионная, ион-парная хроматография

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Кафедра химии, технологии упаковочных производств

Курсовая работа

по дисциплине «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа»

Ионообменная, ионная, ион-парная хроматография

Исполнитель:

Киселёва К.А.

студент 2 курса, группа ТСП-10

Руководитель:

Варламова И.А.

доцент кафедры ХТУП

Магнитогорск, 2012



Содержание

химический смесь ионный хроматография

Введение

1. Ионообменная хроматография

1.1 Типы ионообменных смол

1.2 Ионообменное равновесие

1.3 Практическое применение

2. Ионная хроматография

2.1 Методы ионной хроматографии

2.2 Практическое применение

3. Ион-парная хроматография

Заключение

Список использованных источников



Введение

С необходимостью разделения и анализа смеси веществ приходится сталкиваться не только химику, но и многим другим специалистам.

В мощном арсенале химических и физико-химических методов одно из ведущих мест занимает хроматография.

Хроматография - это физико-химический метод разделения и анализа смесей газов, паров, жидкостей или растворённых веществ и определения физико-химических свойств индивидуальных веществ, основанный на распределении разделяемых компонентов смесей между двумя фазами: подвижной и неподвижной. Вещества, составляющие неподвижную фазу, называются сорбентами. Неподвижная фаза может быть твёрдой и жидкой. Подвижная фаза - это поток жидкости или газа, фильтрующийся через слой сорбента.

Ионообменная хроматография - метод разделения, анализа и физико-химического исследования веществ, основанный на различии констант ионообменного равновесия между неподвижной фазой и компонентами разделяемой смеси. Применяется при неорганическом анализе. Этот широко распространенный в настоящее время метод был разработан в 1947 году, когда Т.Б. Гапон, Е.Н. Гапон и Ф.М. Шемякин впервые осуществили хроматографическое разделение смеси ионов в растворе, которое было объяснено ими обменом ионов сорбентов на ионы из раствора.

Ионная хроматография - это вариант ионообменной хроматографии, включающий ионообменное разделение ионов и кондуктометрическое определение концентрации хроматографически разделенных ионов. Поскольку высокочувствительное кондуктометрическое определение ионов возможно только при невысокой фоновой электропроводности потока жидкости, поступающей в детектор, были предложены два основных метода ионной хроматографии. Первый метод, предложенный в 1975 г. Смолом, Стивенсом и Бауманом, основан на компенсации (подавлении) электролита с помощью второй ионообменной колонки, расположенной между детектором и разделяющей колонкой. Этот метод назван ионной хроматографией.

Второй метод, предложенный Гьрде, Фритцем и Шмуклер, основан на использовании для разделения электролита с невысокой электропроводностью. Вторая (подавительная) колонка в этом случае не используется.

Ион-парная хроматография - метод, контролирующий удерживание и селективность добавлением ион-парного агента в подвижную фазу, он может быть использован для образцов, содержащих как ионные, так и неионные компоненты. Чаще всего используют обращено-фазовые сорбенты. В качестве элюентов в этом режиме наиболее распространены системы метанол/вода и ацетонитрил/вода. Основное ограничение при выборе элюента: растворять ион-парный агент [1].

В данной курсовой работе рассмотрены теоретические основы методов ионообменной, ионной, ион-парной хроматографии и представлены следующие разделы: типы ионообменных смол, ионообменное равновесие, практическое применение ионообменной хроматографии, методы и практическое применение ионной хроматографии.



1. Ионообменная хроматография

Ионообменная хроматография основана на обратимом стехиометрическом обмене ионов, находящихся в растворе, на ионы, входящие в состав ионообменника. Хотя явление, известное в настоящее время как ионный обмен, фактически было известно с середины прошлого века, широкое применение ионообменных процессов в практике началось после создания синтетических ионообменников - так называемых ионообменных смол или ионитов.

Используемые ранее естественные ионообменники (различные алюмосиликаты и другие соединения) не обладали достаточной воспроизводимостью свойств, не были химически устойчивыми и т. д., и поэтому существенного практического значения не имели.

Применяемые в настоящее время синтетические ионообменники лишены многих недостатков, присущих естественным ионообменникам, и обладают рядом важных достоинств: они имеют высокую обменную емкость и воспроизводимые ионообменные и другие свойства, устойчивы к действию кислот и оснований, не разрушаются в присутствии многих окислителей и восстановителей и т. д.

Обычно синтетический ионообменник представляет собой высокополимер, например, поперечно-сшитый полистирол, содержащий различные функциональные группы, которые и определяют наиболее характерные свойства смол.

Известны также синтетические неорганические иониты, например, различные пермутиты, активированный оксид алюминия, гели на основе соединений железа или соединений циркония и т. д. Однако органические ионообменные смолы имеют намного большее практические применение.



1.1 Типы ионообменных смол

В зависимости от знака разряда функциональных групп ионообменные смолы являются катионитами или анионитами. Катиониты содержат кислотные функциональные группы [--; ----; --()], поэтому каркас катионита, несущий фиксированные отрицательные заряды, заряжен отрицательно. Отрицательные заряды каркаса компенсируются положительными зарядами противоионов, так что в целом катионит остается электронейтральным. Однако противоионы, в данном случае катионы, в отличие от функциональных групп каркаса обладают подвижностью и могут переходить в раствор в обмен на эквивалентное количество ионов из раствора. Этот обмен приводит к установлению подвижного равновесия между ионами, находящимися в фазе смолы, и ионами в растворителе. Наиболее распространенными катионитами являются сульфокислоты, образованные сульфированными продуктами сополимеризации стирола и дивинилбензола. Это отечественные смолы КУ-2, СДВ-3 и др., иностранные дауэкс-50, амберлит IR-120 и др. Сульфокатиониты характеризуются высокой химической стойкостью и механической прочностью, большой скоростью установления ионообменного равновесия. Функциональными группами каркаса анионитов являются четвертичные --, третичные --или первичные -- аммониевые, пиридиновые или другие основания, а в качестве подвижных противоионов выступают анионы. Анионообменные смолы получаются также путем проведения реакций полимеризации или поликонденсации с использованием различных аминосоединений (фенилендиамина, полиэтиленполиамина) формальдегида и др. Так были получены аниониты АН-1, АН-2Ф, амберлит. Широкое распространение получил полифункциональный анионит ЭДЭ-10П, содержащий амины различной степени замещения, включая четвертичные. Амфотерные иониты или амфолиты способны осуществлять одновременный обмен катионов и анионов. Биполярным или амфотерным ионитом является продукт поликонденсации диэтилентриамина, фенола и формальдегида, так как в его состав наряду с аминогруппами входят слабокислотные фенольные группы. Амфотерными и комплексообразующими свойствами обладают смолы, содержащие остатки комплексонов, например, ЭДТА.

Важной характеристикой ионообменника является его обменная емкость, определяемая в первом приближении числом функциональных групп каркаса и степенью их ионизации при данном pH раствора. Обменную емкость ионита численно можно выразить количеством молей эквивалента противоиона на единицу массы или объема смолы. В аналитической химии емкость ионита обычно выражают количеством молей эквивалента обменивающегося иона на один грамм сухой смолы в -форме для катионита и или -форме для анионита. Оговорка относительно сухой смолы необходима, так как в контакте с водой смола набухает в 1,5--2 раза, а некоторые виды смол -- в 5 раз и более. Величина обменной емкости характеризуется несколькими (3...5 до 10) моль экв иона на один грамм смолы. Емкость, найденную в статических условиях, когда навеску смолы помещают в раствор насыщающего иона достаточной концентрации и выдерживают при встряхивании до полного насыщения, называют статистической обменной емкостью (СОЕ). Величину емкости, полученную в динамических условиях при пропускании насыщающего раствора через колонку с ионитом, называют динамической обменной емкостью (ДОЕ). Эта емкость ионита, определяемая по первому появлению насыщающего иона в вытекающем растворе. Полная обменная емкость (ПДОЕ) находится по полному насыщению ионита данным ионом.

1.2 Ионообменное равновесие

Взаимодействие ионообменной смолы с раствором электролита включает несколько сложных процессов, наиболее важными из которых являются собственно ионный обмен, физическая абсорбция ионов и молекул на смоле и набухание смолы за счет поглощения растворителя и проникновения электролита внутрь смолы.

Процесс собственно ионного обмена протекает стехиометрически. Если, например, катионит в водородной форме ввести в раствор, содержащий ионы , в системе установится равновесие:

,

т. е. в растворе появятся ионы водорода, а эквивалентное количество ионов Сa ⁺ будет поглощено катионитом.

Аналогичный процесс обмена имеет место при взаимодействии раствора, содержащего, например, хлорид-ионы, с анионитом :

.

Распределение каждого иона между смолой и раствором можно охарактеризовать коэффициентом распределения :

= или = .

Концентрация иона в растворе обычно выражается в моль/л, а в фазе ионита - молярными долями.

Более строго это равновесие характеризуется константой ионного обмена:

,



где а - активности частиц.

Уравнение ионного обмена нередко записывают так же, как

+ = + ,

где горизонтальная черта показывает принадлежность иона к фазе ионита.

По Никольскому константа ионного обмена имеет вид

.

Активности ионов в фазе смолы выражаются в ммоль экв/г смолы.

Во многих случаях оказываются достаточными концентрационные константы равновесия:

.

Константы обмена связаны с коэффициентом распределения соотношением

.

Хотя количественный подход к ионообменным равновесиям на основании закона действующих масс, когда константы равновесия выражены через концентрации, а не через активности, является приближенным, все же он оказывается весьма полезным. На основе так называемых концентрационных констант ионного обмена могут быть, например, построены ряды сродства катионов к данной смоле, позволяющие предвидеть возможности ионообменных разделений.

К настоящему времени установлено несколько эмпирических закономерностей, связывающих константы ионного обмена со свойствами ионов. Так, в частности, найдено, что с ростом заряда сродство ионов к смоле увеличивается и, например, в ряду <<< оно возрастает.

С повышением температуры избирательность поглощения несколько уменьшается, хотя этот эффект не очень велик.

Введение в раствор веществ, способных образовывать комплексные соединения с присутствующими ионами, сдвигает равновесие ионного обмена, так как в результате комплексообразования уменьшается равновесная концентрация иона в растворе.

1.3 Практическое применение

Методы ионообменной хроматографии используются преимущественно для разделения ионов. Количественные определения компонентов после разделения могут быть выполнены любым подходящим методом.

Простейшая методика ионообменного разделения состоит в поглощении компонентов смеси ионитом и последовательном элюировании каждого компонента подходящим растворителем.

Например, катионы щелочных металлов легко элюируются разбавленным раствором соляной кислоты (0,1 М ). Выходная кривая на рисунке 1 показывает эффективность этого разделения. Как видно, элюирование раствором 0,1 М позволяет легко разделить и .

В качестве другого примера можно указать на методику разделения ионов циркония (IV) и гафния (IV). Для разделения эти катионы сначала переводят в анионные сульфатные комплексы, которые поглощают анионитом. При последующем элюировании 1 М раствором , содержащим сульфат натрия, происходит их полное разделение: сначала вымывается гафний, а затем цирконий.

Применение ионообменной хроматографии к анализу смеси лантаноидов с использованием в качестве элюентов растворов лактата, цитрата, ЭДТА и других привело к разработке эффективного способа разделения этих элементов. На основе полученных данных была предложена и успешно осуществлена на практике технологическая схема промышленной переработки руд лантаноидов.

Рисунок 1. Элюирование поглощённых на катионите ионов и растворм 0,1 М

Известны ионообменные методики даже для разделения изотопов. Например, ^l4 и ¹⁵ могут быть разделены на сульфосмоле в виде , так как оказалось, что ^l4 сорбируется хуже и потом вымывается раньше, чем ¹⁵.

Ионообменные методы применяют для определения суммарного содержания катионов или анионов в растворе и для анализа растворов чистых солей. При пропускании через катионит в - форме раствора, например, соли натрия в результате ионообменного процесса



в растворе появляется эквивалентное количество -ионов. Концентрация ионов в этом растворе может быть определена, например, титрованием и, таким образом, найдена концентрация в исходном растворе.

Большое практическое значение имеет основанный на ионном обмене процесс деминерализации воды. Сущность его заключается в следующем. Солевой раствор или вода, предназначенная для деминерализации, обрабатывается одновременно катионитом в -форме и анионитом в -форме. В результате обмена на катионите в растворе появятся -ионы:

,

а в результате обмена на анионите ОН^--ионы:

,

Но и в растворе взаимодействуют + = , сдвигая равновесие ионного обмена до полного извлечения ионов из раствора и получения чистой деминерализованной воды. Такая вода используется в лабораториях вместо дистиллированной.

Ионообменные процессы применяются также для переведения в раствор малорастворимых соединений. Для этого взвесь малорастворимой соли следует обработать ионитом до наступления равновесия:

и десорбировать с ионита подходящим растворителем. Возможность растворения будет, очевидно, определяться сродством и растворимостью . В настоящее время известны методики растворения с помощью ионного обмена таких осадков, как , и др.

Интенсивно разрабатываются электрохимические аспекты применения ионообменных смол. Специально для электрохимических целей изготавливают так называемые ионообменные мембраны. Их получают в виде листов из ионообменной смолы, поэтому они обладают одновременно и свойствами ионообменника, способного к ионному обмену, и свойствами мембраны, как полупроницаемой перегородки. Однако ионная проницаемость ионообменных мембран селективна - мембраны из катионита проницаемы только для катионов, а мембраны из анионита - для анионов. Это открывает широкие возможности их практического использования.

Так, например, с помощью ионообменных мембран можно приготовить растворы чистых и при электролизе раствора в ячейке, разделенной двумя ионообменными мембранами (рисунок 2).

Рисунок 2. Электролиз раствора в ячейке с ионообменными мембранами

Катодное пространство отделено от раствора катионитом, пропускающие ионы , но задерживающим ионы , а анодное пространство отделено мембраной из анионита , проницаемой для и непроницаемой для иона .

При электролизе водного раствора в катодном пространстве происходит восстановление воды:



,

а в анодном пространстве идет окисление воды:

+ 2

Таким образом, в катодном пространстве образуется чистый , а анодном - чистая , а в центральном отделении, в конце концов, остается деминерализованная вода. В принципе, такое устройство может быть использовано для водоочистки или обессоливания морской воды.

Рассмотренные способы применения ионообменных смол, конечно, не исчерпывают всего многообразия, однако они показывают широкие возможности, которые открывает использование ионитов в аналитической химии и технологии.



2. Ионная хроматография

Это один из вариантов разделения на ионитах, характеризующийся более высокоэффективной техникой, чем обычная ионообменная хроматография. В методе ионной хроматографии используются поверхностно-слойные сорбенты с небольшой емкостью (10^-2...10^-1 ммоль экв/г) и небольшим размером частиц (5...50 мкм), повышенное давление на входе в колонку (2…5 МПа) и высокочувствительные детекторы с автоматической записью сигнала. Для ионной хроматографии характерны экспрессность, удобство работы и более высокая разделительная способность.

Детекторы ионообменных разделений должны регистрировать концентрацию анализируемых ионов в элюате в присутствии ионов элюента. Особенно широко в ионной хроматографии используют кондуктометрический детектор, являющийся универсальным, так как он реагирует на все ионы в растворе. Применяют также селективные детекторы: электрохимические (полярографический, кулонометрический и т. д.) и спектрофотометрический. В кондуктометрическом детекторе должны быть предусмотрены какие-либо средства для компенсации фонового сигнала, который может на 2-3 порядка превышать аналитический сигнал. Фоновый сигнал может быть скомпенсирован с помощью электронной схемы. Элюат можно обработать также на второй колонке, чтобы ослабить электрическую проводимость элюента и усилить проводимость образца.

2.1 Методы ионной хроматографии

В ионной хроматографии используют два основных метода: одноколоночный и двухколоночный.

В одноколоночной анионной хроматографии применяют элюенты с низкой электрической проводимостью, например, разбавленнные растворы (10--³...10--⁴ ммоль/л) бензоата или фталата щелочного металла или бензойной кислоты (= 32 См-см²/моль экв). Электрическая проводимость хлорида, нитрата и многих других анионов существенно превышает электрическую проводимость бензоата или фталата ( = 71 См-см²/моль экв), что вызывает при элюировании увеличение электрической проводимости и на хроматограмме регистрируется соответствующий пик. В качестве элюента используют также разбавленные растворы щелочных гидроксидов. В этом случае регистрируются так называемые отрицательные пики, которые появляются вследствие уменьшения электрической проводимости при замене гидроксид-иона в растворе на какой-либо анион.

В катионной хроматографии элюирование проводят разбавленным раствором азотной или другой минеральной кислоты. Здесь также получаются отрицательные пики как результат замены ионов , имеющих высокую подвижность, на какой-либо катион.

В двухколоночной хроматографии используются две колонки: разделительная и компенсационная. Для разделения применяют колонки с малой емкостью: в качестве элюентов при анализе анионов используют растворы гидроксидов щелочных металлов и солей слабых кислот, а при анализе катионов - азотную или другую минеральную кислоту.

В анионной хроматографии компенсационная колонка заполняется сильнокислотным катионитом, при пропускании через который щелочной раствор нейтрализуется.

В катионной хроматографии компенсационную колонку с той же целью заполняют сильноосновным анионитом. Электрическая проводимость раствора на выходе из компенсационной колонки определяется главным образом ионами анализируемого образца.



2.2 Практическое применение

Методами ионной хроматографии определяют очень многие анионы в питьевой и технической воде, в продуктах технологической переработки в пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. Известны методики определения галогенидов, нитрата, нитрита, сульфата, ацетата и т. д., всего свыше 70 анионов неорганических и органических кислот. Число катионов значительно меньше. Методами ионной хроматографии определяют главным образом катионы щелочных и щелечно-земельных металлов, а также органические катионы замещенных солей аммония. Определение многих других катионов оказывается ненадежным, так как они выпадают в осадок в компенсационной колонке с сильноосновной смолой. Ионная хроматография успешно применяется в анализе объектов окружающей среды (атмосферы, воды и т. д.), в клинических исследованиях и многих отраслях промышленности [2].



3. Ион-парная хроматография

Ион-парная хроматография давно находила применение в жидкостной хроматографии и экстракции для извлечения лекарств и их метаболитов из биологических жидкостей в органическую фазу. Как самостоятельный раздел ВЭЖХ ион-парная хроматография, называвшаяся также экстракционной, парно-ионной, хроматографией с использованием ПАВ, хроматографией с жидким ионообменником, стала развиваться с середины 70-х годов. Метод занимает промежуточное положение между ионообменной хроматографией и адсорбционной, распределительной или обращеннофазной. Недостатки ионообменных материалов, а именно невоспроизводимость от партии к партии, меньшая активность и стабильность по сравнению с другими сорбентами и небольшой выбор наполнительного материала, исключающий изменение селективности за счет сорбента, привел к некоторому ограничению применения ионообменной хроматографии. В ион-парной хроматографии большинство этих недостатков можно преодолеть. Метод ион-парной хроматографии характеризуется универсальностью и обладает преимуществом по сравнению с классической ионообменной хроматографией, в котором активные центры фиксированы. Вследствие более быстрой массопередачи в ион-парной системе хроматографическое разделение более эффективно, чем на ионообменнике с фиксированными и активными зонами.

Ион-парную хроматографию используют для разделения образцов, содержащих как ионные, так и неионные соединения. Ее применяют в тех случаях, когда трудно или невозможно получить приемлемое разделение образца методом ионообменной хроматографии адсорбционной или обращеннофазной. В некоторых случаях ионные соединения можно разделить на обращенной фазе, придавая им свойства неионных соединений (подавление ионов) с помощью буферного раствора с соответствующим рН, при котором равновесие смещается в сторону образования неионизированной формы. Полярные вещества, обладающие липофильными свойствами, делятся при этом на обращенной фазе как неполярные. Однако большинство наполнительных материалов колонок надежно работает только при рН=1,5-7,5. Исключение составляет партисил 5 ОДС, работающий при рН=1-8,5. В этом диапазоне рН сильные кислоты и основания ионизированы [3].

Попытки разделения сильных кислот и оснований методом подавления ионов оказываются неудачными из-за плохого удерживания веществ и асимметрии пиков. Соединения, остающиеся ионизированными в интервале рН=2-8, удовлетворительно разделяются методом ион-парной хроматографии, когда в подвижную фазу добавляют противоион, заряд которого противоположен заряду молекулы, и создается ион-парный комплекс, обладающий свойствами неполярного вещества. Если к ионному соединению, растворимому только в воде, добавить противоион, то образуется ионная пара, которая, обладая свойством растворяться в органической фазе, распределится между водным и органическим слоем. Возможна также адсорбция липофильной части противоиона в углеводородной фазе наполнительного материала. Очевидно, что катионы будут хорошо экстрагироваться анионами, и наоборот.

Таким образом, ионизированные молекулы находятся в равновесии и образуют ионную пару: растворенное вещество-противоион, причем все равновесия имеют концентрационные зависимости. В упрощенном виде распределительное равновесие может быть представлено в виде

вод + орг <=> () орг,

где - протонированная форма основания, которое нужно экстрагировать; - анион кислоты, который применяют для образования ионной пары. Ионная пара будет растворяться в полярной органической фазе, например в смеси спирта с хлороформом, а ионные формы будут растворяться в воде. Для определения ароматических сульфокислот применяют в качестве противоиона тетра-бутиламмоний, а для анализа хинина - сульфокислоты камфоры. В качестве противоиона обычно используют четвертичные или третичные амины, соли сульфокислот. Наиболее часто применяют тетраметил, тетрабутил, пальметилтриметиламмоний для анализа кислот, сульфированных красителей и третичные амины типа триоктиламина для анализа сульфонатов. Противоионами для анализа оснований являются соли алкил- и арилсульфокислот, перхлораты, пикраты.

Существует четыре варианта ион-парной хроматографии:

Адсорбционная хроматография, когда ионные пары вымываются элюентом с силикагеля;

Нормально-фазная распределительная хроматография, когда вода, нанесенная на пористую подложку, является неподвижной фазой, органический растворитель-элюентом;

Обращеннофазная распределительная хроматография с органическим растворителем в качестве неподвижной фазы и водой в качестве элюента;

Обращеннофазная хроматография, когда гидрофобный ион, образующий ионную пару, адсорбируется углеводородной частью неподвижной фазы. Иногда добавляют ПАВ, например, цетилтриметиламмонийбромид (цетримид).

Ион-парную хроматографию применяют и для разделения амфотерных веществ. Когда ион-парную хроматографию применяют в нормально-фазном варианте в качестве противоионов, иногда используют ионы, способные к абсорбции света или к флуоресценции, для улучшения идентификации некоторых не поглощающих свет соединений. В этом варианте ион-парной хроматографии селективность системы изменяется за счет изменения полярности органической фазы.

Однако наиболее часто применяют ион-парную хроматографию на обращенной фазе, при которой в качестве подвижной фазы используют водный буферный раствор и органический растворитель, смешивающийся с водой, обычно метанол или ацетонитрил. В подвижную фазу добавляют противоион, заряд которого противоположен заряду молекулы, а в качестве сорбента используют силикагель с химически привитой фазой, обычно или . Иногда разделение осуществляют с применением несмешиваемой с водой механически удерживаемой фазы, например, бутанола. При разделении на обращенной фазе более стабильной, чем механически удерживаемая фаза, водные образцы могут непосредственно вводиться в колонку, что особенно важно для анализа биологических образцов. При этом нет необходимости в предварительной очистке, так как гидрофильные компоненты мгновенно вызываются из колонки. Градиентное элюирование проводят, изменяя концентрацию противоиона в подвижной фазе или меняя полярность растворителя. При изменении концентрации противоиона, который остается в неподвижной фазе, изменяется сила растворителя, а при изменении рН подвижной фазы изменяется селективность разделения [4].

От обычной обращеннофазной хроматографии легко перейти к ион-парной на обращенной фазе, и наоборот.

Ион-парное разделение на обращенной фазе может быть проведено несколькими методами:

На привитой к матрице неподвижной фазе, состоящей из углеводородов;

То же самое, но в качестве противоиона используют ПАВ;

На неподвижной фазе, состоящей из механически удерживаемой органической жидкости;

На неподвижной фазе, содержащей жидкий ионообменник.

Важным условием проведения ион-парной хроматографии является стабильность системы. Это означает в случае механически удерживаемой жидкости несмешиваемость водной и органической фаз, что достигается четким термостатированием и предварительным насыщением подвижной фазы неподвижной. При работе с нормальной фазой при введении противоиона в неподвижную фазу необходимо предотвратить его унос неподвижной фазой за счет образования ионных пар, покидающих колонку. Противоион в этом случае добавляют в образец до введения его в хроматограф или в подвижную фазу. Поскольку в ион-парной хроматографии работают с полярными веществами, склонными к образованию хвостов, следует помнить, что в этом случае желательно применить другую подвижную или неподвижную фазу, другой противоион. Необходимо, чтобы в ион-парной хроматографии при изменении концентрации не изменялось значение k' образца (уравнение 1), что может повлечь образование хвостов. Водная фаза должна иметь постоянную концентрацию противоиона и рН. Обычно используют цитратный или фосфатовый буферный раствор.

Иногда противоион сам является буфером. В случае разделения при низких рН растворы сильных кислот обеспечивают достаточное буферное действие.

Интересно проследить роль противоиона в ион-парной обращенно-фазной хроматографии. Можно написать следующие уравнения для образца, имеющего анион

(1)

где Е-константа экстракции конкретной ион-парной системы; (с+) и (с-) - концентрации анионного и катионного противоиона.

При прочих неизменных условиях Е постоянна и, следовательно, повышение концентрации противоиона в подвижной фазе приводит к увеличению k' при разделении на обращенной фазе. В нормально-фазной ион-парной хроматографии k' также меняется за счет изменения концентрации противоиона в подвижной фазе. Значение k' может регулироваться типом противоиона, например, замена гептансульфокислоты пентансульфокислотой может изменить k' в 2-5 раз. Этот эффект ярко выражен при низких концентрациях противоиона. Крупные молекулы противоиона дают большие величины k' при ион-парном разделении на обычной фазе. Так, переход от тетраэтиламмония к тетрапентиламмонию позволил изменить k' на несколько порядков.

Способность различных анионов экстрагировать ион тетрабутлламмония из воды в хлороформ является мерой эффективности этих противоионов.

В тех случаях, когда вещество полностью ионизировано, изменение силы растворителя за счет изменения концентрации противоиона не влияет на селективность, и только когда вещество частично ионизировано или не ионизировано, селективность меняется при изменении концентрации противоиона. В ион-парном разделении на обращенной фазе сила растворителя меняется за счет изменения полярности подвижной фазы. Увеличивая в смесях воды с метанолом или ацетонитрилом содержание воды, мы увеличиваем силу растворителя и снижаем значение k' для образца. В ион-парной хроматографии в качестве подвижных фаз применяют бутанол, пентанол, метиленхлорид и гексан. При этом более полярные растворители являются более сильными и дают самые низкие значения k''. Сила растворителя в ион-парной хроматографии зависит от его способности стабилизировать или растворять ионы и ионные пары, в отличие от фактора полярности растворителя Р', связанного с его способностью растворять полярные неионные вещества.

Повышение ионной силы водной фазы приводит к уменьшению числа образующихся ионных пар из-за конкуренции буферных ионов с противоионом за образование ионной пары. Поэтому повышение ионной силы в ион-парной хроматографии приводит к снижению k' при разделении на обращенной фазе и к повышению k' при разделении на нормальной фазе. Влияние буферных ионов возрастает в последовательности: <^-<< - Селективность растворителя в ион-парной хроматографии изменяется по тем же правилам, как и в случае распределительной жидкостной хроматографии.

Оптимальными при ион-парном разделении на обращенной фазе являются средние значения рН. При снижении рН подвижной фазы анионы начинают превращаться в неионизированные кислоты и число ионных пар образца в неподвижной фазе уменьшается, а следовательно, снижается и значение k'. Изменение рН оказывается мощным средством изменения селективности разделения.

При высоких значениях рН значение k' также падает, что аналогично уменьшению обменной емкости, так как ионы подвижной фазы начинают связывать противоионы и конкурировать с анионом образца в образовании ионных пар.

Слабые кислоты или основания обычно не используют в качестве противоионов для ион-парной хроматографии.

При ион-парном разделении на нормальной фазе зависимость k' от рН обратна. Компоненты образца более сильно удерживаются при низких и при высоких значениях рН при условии, что неионизированные ионы образца не удерживаются водной фазой. Объем вводимого в ион-парной хроматографии вещества обычно не должен быть очень большим, чтобы не было размывания зон. Иногда ограничивающим фактором является концентрация противоиона в подвижной фазе; повышая его концентрацию, можно увеличить максимальную концентрацию вводимого вещества. При повышении концентрации противоиона и соответственном изменении значений k' образца возможно одновременное добавление избытка нейтральной соли в водную фазу, что стабилизирует значение k'. Получаем закономерность, аналогичную закономерности влияния буферного раствора. Максимальное количество вводимого образца может быть повышено при добавлении образца в виде ионных пар. При этом до введения в хроматограф противоион смешивают с образцом, а рН доводят до нужного значения.

Влияние температуры имеет в ион-парной хроматографии большое значение. При использовании механически удерживаемых неподвижных фаз колонка должна быть термостатирована. В ион-парной хроматографии применяют обычно фазы с повышенной вязкостью, а повышение температуры снижает ее. Зависимость селективности от температуры также наиболее выражена в ион-парной хроматографии.

Применяя противоионы, поглощающие в УФ-области, можно получать при ион-парном разделении легко обнаруживаемые спектрофотометром ионные комплексы. Требуется, однако, чтобы противоионы не растворялись в органической фазе во избежание высокого поглощения выходящего из колонки раствора. Таким образом, используя ион пикрата или 2-нафтилсульфоната, можно обнаружить амины.

Одним из затруднений, наиболее часто встречающихся в ион-парной хроматографии, является нестабильность колонок, особенно в обращенно-фазном режиме. В колонках с обычной фазой наблюдается постепенный унос противоиона из неподвижной фазы, однако этого можно избежать, получая ионные пары до введения образца в хроматограф. Большим недостатком ион-парной хроматографии является образование хвостов. Причиной этого является либо диссоциация ионных пар, которая уменьшается при повышении концентрации противоиона, либо неправильная концентрация буферного раствора. Иногда удается уменьшить затягивание зон и увеличить эффективность разделения, перейдя от обычной ион-парной хроматографии к хроматографии с использованием поверхностно-активных веществ.

Такой способ разделения, по-видимому, пригоден для анализа очень полярных молекул, например, сульфированных красителей. Длина углеродной цепи неподвижной фазы также варьируется в ион-парной хроматографии. Воспроизводимость колонок в ион-парной хроматографии удовлетворительная в отличие от таковой в ионообменной хроматографии.

Ион-парную хроматографию обычно применяют для анализа физиологических и биологических жидкостей, полярных соединений и веществ с несколькими ионизируемыми группами, в том числе промежуточных продуктов красителей. Расфасованные реагенты для ион-парной хроматографии, состоящие из буфера и противоиона, которые можно непосредственно добавлять в подвижную фазу, выпускает фирма «Уотерс». К ним относится реактив А (0,005 М раствор тетрабутиламмонийфосфата, рН=7,5), реактив В-5 (0,005 М раствор пентансульфокислоты, рН=3,5) и реактив В-7 (0,005 М раствор гептансульфокислоты, рН=3,5).

При отсутствии четких литературных аналогий начинают разделение методом ион-парной хроматографии на обращенной фазе C18 с размером частиц 5-10 мкм. Наполнителем в ион-парной хроматографии с добавкой органической неподвижной фазы является материал, используемый для обращенной фазы, при работе с нормальной фазой применяют обычный силикагель 5-10 мкм, как и в случае адсорбционной хроматографии. Возможно применение нейтральных полистиролдивинильных смол или смол ХАД. Колонки с C18 служат дольше в ион-парной хроматографии, чем колонки с неподвижной фазой, имеющей более короткую углеводородную цепь. Последующая после «привязывания» фазы силанизация улучшает свойства материала и увеличивает срок его службы (партисил 5 ОДС).

Для увеличения стабильности колонки рН следует уменьшать по мере увеличения концентрации противоиона.

Для этой же цели предложено использовать триэтиламин в качестве основания, так как этот реактив доступен, растворим, удобен в работе и обладает малой химической активностью. Предполагается, что сильные основания, так же как четвертичные гидроксиды, разрушают силикагелевую подложку. Подвижную фазу для ион-парной хроматографии желательно фильтровать через фильтр из стекловолокна, а после окончания работы колонку следует промывать пятикратным объемом элюента метанол - вода (50: 50).

Необходимо, чтобы противоион растворялся в элюенте. Неправильный выбор противоиона может привести к образованию осадка, что вызовет возрастание значений k', размывание пика и заметное повышение давления на входе. Концентрация обычно колеблется от 0,01 М для противоиона с малой длиной цепи до 0,005 М для противоиона с более длинной цепью.

Для препаративных разделений ион-парную хроматографию не применяют, а количество вводимого образца сопоставимо с количествами, применяемыми для распределительной хроматографии. Увеличение максимально вводимого количества может быть достигнуто за счет предварительного образования ионных пар в образце. Для некоторых ионизированных анионов и катионов не требуется добавка буфера. Кислоты обычно разделяются при рН=4-7,4, а основания - при рН=2-5. При этом значения рН подвижной фазы могут для улучшения селективности разделения варьироваться.

Следует помнить, что ион-парная хроматография на обращенной фазе в целом метод более грубый, чем разделение на обращенной фазе, и должен использоваться, когда неприменимы распределительная хроматография на обращенной фазе или метод подавления ионов [5].



Заключение

В данной работе рассмотрены методы ионообменной, ионной, ион-парной хроматографии и их практическое применение. Описаны типы ионообменных смол (катиониты и аниониты). Также рассмотрено ионообменное равновесие: взаимодействие ионообменной смолы с раствором электролита, включавшее несколько сложных процессов, наиболее важными из которых являются собственно ионный обмен, физическая абсорбция ионов и молекул на смоле и набухание смолы за счет поглощения растворителя и проникновения электролита внутрь смолы. Далее объяснены два основных метода в ионной хроматографии: одноколоночный и двухколоночный. Затем изложены четыре варианта ион-парной хроматографии: обращеннофазная, распределительная обращеннофазная, распределительная нормально-фазная, адсорбционная.



Список использованных источников

1. Коренман Я.И. Хроматографические методы анализа: Учебное пособие для пищевых специальностей технологических вузов. - Воронеж: Издательство Воронежской государственной технологической академии, 2000. - 336 с.

2. Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 ч. Ч. 2. Физико-химические методы анализа: Учебное пособие для химико-технологических специальностей вузов. - М.: Высш. шк., 1989. - 384 с.: ил.

3. Петрухин О.М. Физические и физико-химические методы анализа: Учебное пособие для химико-технологических специальностей вузов. - М.: Высш. шк., 1993. - 496 с.

4. Пискарёв С.К. Аналитическая химия: Учебник для средних спец. заведений. - М.: Высш. шк., 1994. - 385 с.

5. Роева Н.Н. Аналитическая химия и физико-химические методы анализ: Учебное пособие для химико-технологических специальностей вузов. - М.: Высш. шк., 2004. - 385 с.

6. Айвазов Б.В. Введение в хроматографию. - М.: Высш. шк., 1983 - С. 8-18, 48-68, 88-233.

7. Крешков А.П. Основы аналитической химии. Теоретические основы. Качественный анализ, книга первая, изд. 4-е, перераб. М.: «Химия», 1976 - С. 119-125.

Размещено на Allbest.ru

...