Хроматографические методы исследования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Хроматографические методы исследования

Оглавление

Введение

1. Области применения хроматографии

2. Краткие теоретические основы хроматографического разделения смеси веществ

3. Выбор адсорбента и растворителя

4. Распределительная хроматография

5. Гель-хроматография

6. Ионообменная хроматография

7. Иониты

8. Хроматографические методы. Тонкослойная хроматография (ТСХ)

9. Хроматография на бумаге

Список литературы

Введение

Хроматографический метод разделения и анализа сложных смесей был разработан в 1903-1906 гг. русским ботаником М. С. Цветом, впервые использовавшим его для разделения растительных пигментов. Характеризуя принцип своего метода, Цвет писал: «При фильтрации смешанного раствора через столб адсорбента пигменты … располагаются в виде отдельных, различно окрашенных зон. Подобно световым лучам в спектре, различные компоненты сложного пигмента закономерно распределяются друг за другом в столбе адсорбента и становятся доступными качественному определению. Такой расцвеченный препарат я назвал хроматограммой, а соответствующий метод анализа - хроматографическим методом».

Уже сам М. С. Цвет понимал, что метод хроматографии в принципе применим не только для разделения окрашенных веществ, но и для выделения и очистки всевозможных неокрашенных органических соединений. Однако широкое применение хроматографический метод разделения веществ получил лишь в 30-е годы, после того, как Кун и его сотрудники таким путём разделили б- и в-каротины, а также лутеин и зеаксантин яичного желтка.

В первоначальном варианте хроматографическое разделение было основано на различной степени адсорбции компонентов смеси и сводилось к многократному установлению равновесия между твёрдым неподвижным адсорбентом и перемещающимся по колонке раствором разделяемой смеси веществ. В настоящее время в хроматографии используют и другие явления.

Все виды хроматографического разделения основываются на различной подвижности растворённых веществ при прохождении их через многофазную, чаще через двухфазную систему. Для каждого вещества устанавливается характерное равновесие концентраций между фазами (в растворе и в сорбирующем материале).При протекании раствора через каждый тончайший слой колонки этот процесс многократно повторяется, так что даже при самой незначительной разнице в положениях равновесия отдельных компонентов он приводит к заметному их разделению.

Если смесь веществ вносят в верхний конец колонки и промывают её растворителем, то все вещества перемещаются вниз, но с разной скоростью: те, которые имеют большее сродство к растворителю, перемещаются с большей скоростью, чем те, которые обладают большим сродством к неподвижной фазе. В результате каждый компонент займёт в колонке определённые зоны.

В зависимости от типа физико-химического взаимодействия между активным адсорбентом и находящимся в растворе веществом различают следующие виды хроматографии: адсорбционную, распределительную, ионообменную, а также аффинную и гель-хроматографию. Адсорбционная хроматография основана на сорбции растворённого вещества поверхностью твёрдой фазы. В распределительной хроматографии вещество распределяется между двумя жидкими фазами, одна из которых неподвижна. Ионообменная хроматография основана на образовании ионных соединений между растворёнными веществами и заряженными группами сорбента. На практике эти процессы чаще всего протекают совместно. Например: адсорбционная хроматография сопровождается распределительной, если распределяют вещества на слабоактивных сорбентах в системах, содержащих воду; распределительная хроматография сопровождается адсорбционной, если разделяемые вещества имеют сродство к сорбенту-носителю; ионообменная хроматография почти всегда сопровождается адсорбцией.

По технике выполнения и типу аппаратуры различают хроматографию тонкослойную, бумажную, колоночную.

1. Области применения хроматографии

Применение хроматографии привело к значительному прогрессу в органической химии, особенно в химии природных соединений, которые часто невозможно разделить старыми методами фракционной кристаллизации и перегонки.

Кроме главного своего применения - качественного и количественного анализа сложных примесей - хроматографические методы позволяют решать другие не менее важные задачи, например:

а) идентификация веществ и установление различий между ними;

б) разделение сложной смеси на отдельные компоненты с препаративными целями;

в) испытание веществ на однородность, на чистоту;

г) очистка веществ от примесей;

д) концентрирование вещества и его выделение из разбавленных растворов или смесей.

В последнее время хроматографический метод начали применять для ряда физических и физико-химических свойств индивидуальных веществ, например: относительной скорости движения хроматографических полос, положение вещества в сорбционном ряду, теплоты сорбции изотермы сорбции. Многие из этих свойств связаны с другими важными физическими характеристиками веществ и структурой молекул, поэтому могут быть использованы для определения этих характеристик.

Особо важное значение в последние годы получили газовая хроматография, жидкостная хроматография высокого давления и аффинная хроматография.

2. Краткие теоретические основы хроматографического разделения смеси веществ

Адсорбционная хроматография. Адсорбционная хроматография основана на различии в адсорбционных свойствах компонентов разделяемой смеси.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Изотерма адсорбции.

На поверхности твёрдого адсорбента имеются активные участки, свободное силовое поле которых способно фиксировать молекулы посторонних веществ. Во время хроматографирования происходит непрерывный процесс сорбции и десорбции растворённого вещества на поверхности сорбента. Когда число частиц, адсорбирующихся на поверхности в единицу времени, становится равным числу частиц, покидающих поверхность (скорость сорбции равна скорости десорбции), наступает состояние адсорбционного равновесия. В состоянии равновесия каждой концентрации адсорбируемого вещества в подвижной фазе отвечает определённое количество его на адсорбенте. Зависимость количества адсорбированного вещества от его концентрации в момент равновесия при постоянной температуре выражается изотермой адсорбции Фрейндлиха и Лангмюра (рис.1), которая описывается уравнением n = aC^b, где n - количество вещества, адсорбированное единицей поверхности, a и b - величины, постоянные для данной системы (адсорбируемое вещество - адсорбент). Из формы кривой изотермы адсорбции следует, что увеличение концентрации адсорбированного вещества. Поэтому наибольшая эффективность метода достигается при пропускании через сорбент разбавленных растворов.

Чем лучше адсорбируется вещество, тем круче адсорбционная кривая, тем меньше скорость продвижения вещества по колонке или слою адсорбента. Поэтому отдельные компоненты смеси движутся через адсорбент с различной скоростью. Чем хуже адсорбируется вещество, тем быстрее оно продвигается по колонке в процессе хроматографирования.

3. Выбор адсорбента и растворителя

Главное требование, предъявляемое к адсорбенту для хроматографии, - отсутствие химического взаимодействия между адсорбентом и анализируемыми веществами. Адсорбент не должен также оказывать каталитического действия как на растворитель, так и на вещества разделяемой смеси. Одно из средств уменьшения каталитического действия адсорбентов - тщательная очистка адсорбентов от примесей, нейтрализация кислых или основных его свойств. Каталитическое окисление можно устранить, проводя процесс в атмосфере инертного газа. Второе важнейшее требование к адсорбенту - его избирательность, т.е. возможно большее различие в адсорбируемости веществ разделяемой смеси. Адсорбенты разделяют на полярные и неполярные. Адсорбционное сродство полярных веществ к полярным адсорбентам значительно выше, чем неполярных к полярным. Немалое значение имеет степень дисперсности адсорбента. Наконец, чрезвычайно важна стандартность свойств адсорбента, что обусловливает воспроизводимость и возможность сопоставления результатов эксперимента.

Один из наиболее часто применяемых адсорбентов - окись алюминия, на которой удаётся хроматографировать весьма широкий круг смесей веществ как в полярных, так и в неполярных растворителях благодаря её амфотерному характеру. Техническая окись алюминия имеет слабощелочную реакцию (pH 9-10). Нейтральную окись алюминия можно приготовить, промывая технический продукт разбавленной азотной или соляной кислотой. Активность окиси алюминия зависит от её влагосодержания. Увлажняя наиболее активную форму окиси алюминия (1-я степень активности) различным количеством воды, можно получить набор адсорбентов с различной активностью.

Широко применяются в хроматографии силикагели различных марок для хроматографического разделения смесей нефтепродуктов, высших жирных кислот и их сложных эфиров, нитро- и нитрозопроизводных, ароматических аминов и других органический соединений. Нейтральный силикагель, который получают промыванием дистиллированной водой промышленного силикагеля, используют при хроматографировании нестабильных веществ. Несколько меньшее применение находят активированные угли, гидроокись кальция, силикаты кальция и магния, окись магния, гипс, сульфат магния, целлюлоза и др.

К числу особенно интересных сорбентов относятся природные и синтетические вещества, получившие название молекулярных сит. Это мелкие пористые кристаллы природных и синтетических минералов - цеолитов. Поры таких кристаллов имеют размеры, близкие к размерам молекул жидких или газообразных веществ (0,8-0,2 нм). Те вещества, молекулы которых по своим размерам могут проникнуть в эти поры, сорбируются в кристаллах цеолитов, а более крупные молекулы остаются несорбированными. Использование цеолитов с различными размерами пор даёт возможность очень чётко разделить на цеолитах смеси различных веществ. Природные цеолиты - довольно большая группа минералов, являющихся водными алюмосиликатами кальция, натрия и некоторых других металлов.

Цеолиты значительно превосходят по величине внутренней удельной поверхности некоторые широко применяемые адсорбенты, например окись алюминия.

В какой-то мере выбор сорбента может быть предсказан заранее. На практике в первую очередь нужно исходить из свойств разделяемых соединений: их растворимости (гидрофильность, гидрофобность), содержания и характера функциональных групп. Насыщенные углеводороды адсорбируются слабо или совсем не адсорбируются. Введение двойных связей, особенно сопряжённых, увеличивает адсорбционную способность соединений. Функциональные группы ещё в большей степени усиливают способность вещества к адсорбции. Адсорбционная способность функциональных групп увеличивается в следующем порядке:

--CH=CH-- < OCH₃ <--COOR <> C=O <-- CHO<--SH <-- NH₂ <--OH<--COOH

Если присутствует несколько заместителей, то эта закономерность может изменяться.

Правильный выбор растворителя в адсорбционной хроматографии имеет существенное значение и тесно связан как с природой выбранного адсорбента, так и со свойствами компонентов анализируемо смеси. В связи с этим представляет интерес элюотропный ряд Траппе (табл. 1), в котором наиболее часто применяемые в

Таблица 1. Элюотропный ряд растворителей

Растворитель	Диэлектрическая проницаемость	Растворитель	Диэлектрическая проницаемость
Вода Метиловый спирт Этиловый спирт Н-Пропиловый спирт Ацетон Дихлорэтан Этилацетат Амилацетат Этиловый эфир Диоксан	80,0 31,2 25,8 22,8 21,5 10,4 6,1 5,1 4,4 8,9	Хлороформ Хлористый метилен Бензол Толуол Трихлорэтилен Четыреххлористый углерод Циклогексан Петролейный эфир (фракция 35-500С)	5,2 2,2 2,3 2,3 3,4 2,2 2,0 1,9

Хроматографии растворителя расположены в порядке убывания десорбирующей способности с полярных адсорбентов. Десорбирующая способность растворителей хотя и не строго, но зависит от их диэлектрической проницаемости (диэлектрическая постоянная). Для неполярных адсорбентов десорбирующая способность приведённых в таблице растворителей изменяется в обратном порядке.

В табл. 2 приведён список растворителей и адсорбентов, наиболее часто применяемых для разделения растворов смесей веществ методом адсорбционной хроматографии.

4. Распределительная хроматография

Распределительная хроматография основана на различии в коэффициентах распределяемой смеси между двумя несмешивающимися жидкостями, в которых компоненты растворяются, причём одна из жидкостей (неподвижная фаза) удерживается твёрдым носителем (по возможности инертным).

Растворители должны прежде всего хорошо растворять все компоненты анализируемой смеси, минимально адсорбироваться на выбранном адсорбенте, не взаимодействовать химически ни с анализируемым веществом, ни с адсорбентом. Выбор растворителей определяется тем, что они в значительной степени влияют на прочность адсорбции. Чем больше полярность адсорбируемого вещества по сравнению с растворителем, тем прочнее оно связывается с адсорбентом. Выбор растворителей определяется тем, что они в значительной степени влияют на прочность адсорбции. Чем больше полярность адсорбируемого вещества по сравнению с растворителем, тем прочнее оно связывается с адсорбентом.

хроматография адсорбент растворитель тонкослойный

Таблица 2. Растворители и адсорбенты, наиболее часто применяемые в жидкостной адсорбционной хромaтографии.

Разделяемые смеси	Растворители	Адсорбенты
Углеводороды Галогенопроизводные углеводородов Спирты Фенолы Альдегиды и кетоны Карбоновые кислоты Сложные эфиры Хиноны Амины, амиды Нитро- и нитрозосоединения Сульфокислоты Сахара Аминокислоты Гетероциклические соединения Алкалоиды Витамины Терпены Сераорганические соединения	Пентан, петролейный эфир, бензин, изооктан, хлороформ, четыреххлористый углерод, хлорбензол, этиловый спирт, ацетон Пентан, изооктан, петролейный эфир, четыреххлористый углерод Изопропиловый спирт, н-бутиловый спирт, диэтиловый эфир, хлоформ, диоксан, бензол, петролейный эфир Петролейный эфир, бензол, диэтиловый эфир, этиловый спирт Петролейный эфир, бензол, диэтиловый эфир, четыреххлористый углерод, сероуглерод Бензол, петролейный эфир, этиловый спирт, н-гептан, нитропропан, вода (для низших кислот) Петролейный эфир, бензол, диэтиловый эфир, четыреххлористый углерод, хлороформ, н-гексан Бензол, н-гексан, этиловый спирт, ацетон, метиловый спирт Петролейный эфир, бензол, четырех- хлористый углерод, диэтиловый эфир Бензол, петролейный эфир, хлористый метилен Вода Вода, изопропиловый спирт, этиловый спирт, н-бутиловый спирт, диоксан, петролейный эфир, бензол, хлороформ Вода, метиловый спирт, водный раствор формальдегида, диэтиловый эфир, раствор фенола, м-крезол, хлоформ Бутиловый спирт, диэтиловый эфир, хлороформ, петролейный эфир, бензол, этиловый спирт, ацетон, 0,004 н. раствор соляной кислоты, вода, уксусная кислота Вода, бензол, хлороформ, диэтиловый эфир, этиловый спирт, ацетон, раствор фенола Петролейный эфир, бензол, вода, этилацетат, этиловый спирт Четыреххлористый углерод, петролейный эфир, гексан, бензол, этиловый спирт, ацетон, метиловый спирт, этилацетат, хлороформ Петролейный эфир, изооктан, спиртобензольная смесь, этиловый спирт, ацетон	Активированная окись алюминия, силикагели различных марок, алюмосиликатный катализатор Силикагели различных марок, активированная окись алюминия Активированный уголь, окись алюминия, силикагели Окись алюминия, окись кальция Окись алюминия, окись магния, тальк, силикагели Тальк, активированный уголь, окись алюминия, силикагели Окись алюминия, силикагели, активированный уголь Окись алюминия, кизельгур Силикагели, окись алюминия Тальк, гидроокись кальция, карбонат кальция, силикагели, окись алюминия Окись алюминия Боксит, активированный уголь, силикагели, окись алюминия Активированный уголь, силикагели, окись алюминия, двуокись титана, крахмал Окись алюминия, гидроокись кальция, крахмал, силикагели, кизельгур, карбонат кальция, сахар, тальк Окись алюминия, силикагели, фуллерова земля Окись алюминия, гидроокись кальция, окись магния Окись алюминия Силикагели, окись алюминия

Наоборот, если степени адсорбции вещества и степени близки, то адсорбированное вещество вытесняется молекулами растворителя, и степень адсорбции вещества понижается.

Часто практикуется последовательное вымывание веществ рядом растворителей с постепенно увеличивающейся десорбционной способностью. В результате отдельные компоненты смеси десорбируются и вымываются из колонки последовательно.

Растворитель (так называемая подвижная фаза) продвигается через неподвижную фазу и увлекает разделяемые вещества, находящиеся на носители. В процессе хроматографирования происходит распределение каждого вещества между подвижной и неподвижной фазами до тех пор, пока не будет достигнуто состояние равновесия. Константа равновесия зависит от выбранных растворителей и от природы хроматографируемого вещества. Эту величину К называют коэффициентом распределения Нернста:

К= С₁/C₂ .

где С₁ и С₂ - молярные концентрации вещества в обеих фазах.

Согласно закону Нернста для определенного вещества и определенной системы фаз коэффициент распределения вещества есть величина постоянная, не зависящая от концентрации вещества. Изотерма, отвечающая закону Нернста, представляет собой прямую линию, поэтому полоса вещества на распределительной хроматограмме имеет симметричную форму.

Из-за различия в значении К Индивидуальные вещества перемещаются по колонке с разной скоростью и благодаря этому достигается их разделение. В зависимости от природы твердого носителя и свойств жидкой неподвижной фазы, а также способа проведения эксперимента распределительная хроматография делится на колоночную, бумажную и тонкослойную. В колоночной и тонкослойной распределительной хроматографии может быть применен любой твердый носитель, который прочно удерживает неподвижную фазу, легко пропуская подвижную жидкую фазу, и не вызывает побочных явлений (каталитического воздействия на компоненты смеси и т. п.). В качестве таких носителей чаще всего применяют силикагель, кизельгур, гипс, цеолиты, крахмал, целлюлозу, диатомит.

В распределительной хроматографии полярных соединений неподвижной фазой обычно служит вода, а подвижной фазой - не смешивающийся с ней менее полярный органический растворитель, к которому добавляют воду или насыщают его водой. Для разделения неполярных (гидрофобных) веществ применяют обращенную распределительную хроматографию. В этом случае носитель пропитывают неполярными органическими веществами (парафиновое масло, силиконовые масла различной вязкости, тетрадекан и т. п.). Полярной фазой служат полярные органические растворители, которые обычно насыщают неподвижной фазой. Для разделения веществ со средней полярностью в качестве неподвижной фазы применяют некоторые нелетучие полярные жидкости такие, как формамид, полиэтиленгликоль. Подвижной фазой служат малополярные и неполярные жидкости, в частности хлороформ и гептан, насыщенные неподвижной фазой. Количество растворителя (неподвижной фазы), необходимое для пропитки, должно быть точно определено экспериментально. В качестве носителя неподвижной жидкой фазы в бумажной хроматографии применяют специальную бумагу, способную удерживать в порах много жидкости, являющейся неподвижной фазой.

В распределительной колоночной хроматографии движение зон компонентов разделяемой смеси может быть количественно охарактеризовано величиной Rf, называемой подвижностью,

где S - поперечное сечение колонки; Sп - поперечное сечение подвижной жидкой фазы; Sн - поперечное сечение неподвижной жидкой фазы; Кр - коэффициент распределения.

Так как в случае бумажной хроматографии или хроматографии в тонком слое величину R_F измерить невозможно, т. о. для характеристики поведения зон в этих случаях вводят величину R_f:

Величину R_f можно выразить также через смещение зоны при промывании чистым растворителем. В самом деле, смещение зоны x при промывании колонки чистым растворителем, объем которого равен V, может быть определено из уравнения

Если смещение фронта растворителя обозначить x_f, то x_f определится равенством

Тогда R_f = x/x_f, т. е. R_f равно отношению смещения зоны к смещению фронта растворителя. На рисунке дано пояснение этого соотношения. Здесь x₁ и x₂ - пути, пройденные соответственно первым и вторым компонентами разделяемой смеси от начального положения; x_f - путь, пройденный фронтом растворителя. Если x₁?x₂, то и R_f'?? R_f??, следовательно, зоны компонентов разделяются. Величина R_f в идеальном случае характеризует скорость передвижения зоны компонента по бумаге и зависит от природы выбранных жидких подвижных и неподвижных фаз. Следовательно, R_f определяется только коэффициентом распределения (который зависит от температуры) и свойствами бумаги или тонкого слоя носителя.

Рис. 3 Схема определения R_f компонентов смеси по результатам хроматографирования на бумаге; Х₁, Х₂, Х_f - путь, пройденный соответственно первым и вторым компонентами смеси и растворителем.

Однако вследствие взаимодействия веществ смеси с носителем, отклонения процесса и по другим причинам R_f зависит от природы носителя, техники эксперимента и других факторов и поэтому не является строгой константой.

Коэффициент распределения рассчитывают из экспериментальных данных по уравнению

где Sп/Sн равно отношению объемов жидких фаз. Значения Rf для компонентов разделяемой смеси должны быть не очень большими, но и не слишком малыми. В первом случае смесь не разделится, а во втором разделение будет очень медленно.

5. Гель-хроматография

C 1960 г. начался развиваться новый метод хроматографии, получивший название гель-хроматографии.

Некоторые полимеры обладают способностью содержать значительное количество прочно связанного растворителя. Если это неполярный растворитель, то гель называется гидрофобным, а если вода - гидрофильным. Хотя при этом мелкие частицы геля и выглядят сухими, масса содержащегося в них растворителя часто во много раз превышает массу самого геля. Так, например, сефадексе G-20 на 1 г сухого геля содержится 20 г связанной воды. В качестве гидрофильных гелей используют чаще всего гели из полиакриламида, агар-агара и декстрана, в качестве гидрофобных - гели, которые набухают в органических растворителях. Обычно это эерифицированные декстрановые гели.

Разделение на гелях основано на том, что растворенные вещества распределяются в зависимости от размеров их молекул размеров пор геля между растворителем,

играющим роль подвижной фазы, и тем же самым растворителем, содержащимся в геле (стационарная фаза). Таким образом, разделение обусловлено способностью растворенных частиц проникать в поры геля, т. е. различной способностью их к диффузии. Разделяемые вещества должны иметь очень малое сродство к геля, чтобы не накладывались адсорбционные взаимодействия.

Гели используются для отделения органических молекул от мелких - гель- фильтрация; для разделения молекул с разной молекулярной массой (отличие должно быть не меньше, чем несколько сот единиц атомной массы) - гель-хроматография; для определения молекулярной массы полимеров (обычно групповой анализ) . Хроматография на гелях широко используется в биохимических исследованиях.

6. Ионообменная хроматография

В основе ионообменной хроматографии лежит обратимый обмен ионов, содержащихся в растворе, на подвижные ионы веществ, называемых ионитами или ионообменниками. Разделение смеси содержащихся в растворе ионов основано на неодинаковой способности иx к обмену с ионами ионита. Ионообменники -- это нерастворимые высокомолекулярные соединения, содержащие способные к ионизации функциональные группы и дающие с ионами противоположного заряда нерастворимые соли. В зависимости от характера ионизирующих групп иониты подразделяют на катиониты и аниониты. Существуют также амфотерные иониты, способные осуществлять одновременный обмен катионов и анионов. Такие ионообменники носят название амфолитов.

Можно представить, что ионит состоит из каркаса, обладающего положительным или отрицательным зарядом, который компенсируется зарядами ионов противоположного знака (противоионов), так что в целом ионит нейтрален. Способность ионита к обмену обусловливается тем, что противоионы обладают определенной подвижностью в пределах каркаса.

Если ионит, содержащий противоионы А, поместить в раствор, в котором находятся ионы В того же заряда, то ионы А будут покидать ионит и переходить в раствор, а ионы В будут в строго эквивалентном количестве связываться с ионитом:

Анионный обмен:

Здесь R -- полимерный радикал, образующий вместе с ионогенной группой каркас ионита, а Аn^- и Kt⁺ -- ионогенные группы или фиксированные ионы, обусловливающие заряд каркаса.

Так, например, если через катионит пропускать глицин, загрязненный хлоридом бария, то катионы, вытесняя ионы Н⁺, будут «садиться» на катионит. Если затем через колонку с этим катионитом пропускать водный .раствор аммиака, то аммиак вытеснит глицин, а ионы Ва²⁺ останутся связанными с катионитом. В выходящем из колонки аммиачном растворе будет находиться очищенный от ионов Ва²⁺ глицин:

К числу важнейших свойств ионообмёнников относится их объемная емкость-- величина постоянная; определяемая в первую очередь числом фиксированных ионов, т. е. ионов, определяющих заряд каркаса. Объемную емкость обычно выражают в миллиграмм - эквивалентах сорбируемого иона на грамм отмытого от сорбированного вещества сухого ионита, находящегося в водородной (для катионита) и хлоридной (для анионита) форме.

Равновесие, устанавливающееся при ионообменных процессах, в первом приближении может быть выражено законом действия масс. Из уравнения обмена двух одновалентных ионов А и В

Согласно закону действия масс следует

Это уравнение можно написать иначе:

где

Аналогично для реакции обмена двухвалентного иона на одно
валентный

применение закона действия масс дает соотношение

Из приведенных уравнений следует: равновесное отношение концентраций или активностей ионов в твердой фазе является линейной функцией соответствующего отношения в жидкой фазе, разумеется, с учетом заряда ионов.

Откладывая по оси ординат равновесные отношения в твердой фазе, а по оси абсцисс равновесные отношения в растворе, можно получить изотермы ионного обмена. Константа ионного обмена равна тангенсу угла наклона изотермы к оси абсцисс.

Физический смысл константы ионного обмена заключается в том, что она позволяет дать количественную характеристику способности ионита к обмену с различными ионами из раствора. Если K_A,B > 1, ион раствора имеет большее сродство к иониту, чем ион, первоначально соединенный с ионитом. Обмен из раствора будет протекать достаточно полно. Если K_A,B < 1, ион раствора имеет меньшее сродство, чем ион ионита. Обмен незначителен. Если K_A,B = 1, сродство обоих ионов одинаково.

7. Иониты

Свойствами ионитов обладают многие природные и синтетические вещества. Важнейшие из них - синтетические смолы, угли и некоторые минеральные иониты. Наибольшее практическое значение имеют синтетические органические иониты, получаемые на основе полимерных веществ -- синтетических смол. Например, в случае катионита Дауэкс структура полимерной молекулы образована цепями сульфированного полистирола, соединенными поперечными мостиками дивинилбензола:



В качестве ионизирующих групп (фиксированных ионов) в катионите присутствуют группы SO^-₃ , СOO^-, PO^2-₃, AsO^2-₃; у анионитов - группы

Синтетические ионообменные смолы являются гелями полиэлектролитов, способными к ограниченному набуханию.

Существует классификация ионитов по их отношению к водородным (для катионитов) и гидроксильным (для анионитов) ионам. Первый тип -- иониты, проявляющие свойства сильных кислот или сильных оснований. Для катионитов этого типа (КУ-2, КУ-3, СДВ-2, СДВ-3, АР) характерна легкость вытеснения из них ионов водорода другими катионами раствора. Фиксированными ионами в катионитах итого типа чаще всего являются группы - SO₃H, которые легко диссоциируют на ион SO^-₃, остающийся в каркасе, и протон. Аниониты первого типа (АВ-16, АВ-17) легко обменивают ионы гидрокеила на анионы из раствора. Такие аниониты содержат четвертичные аммониевые основания, легко диссоциирующие на ионы гидроксила и ионы - NR₃ входящие в каркас ионита.

Второй тип -- иониты, проявляющие свойства слабых кислот или слабых оснований. Катиониты этого типа содержат группы, характерные для слабых кислот: - CОOH, - SiO₃H, фенольный гидроксил и др. Аниониты второго типа имеют в качестве фиксированных ионов группы

Третий тип-- иониты смешанного типа, содержащие функции ионитов первого и второго типа.

8. Хроматографические методы. Тонкослойная хроматография (ТСХ)

Тонкослойная хроматография -- эффективный метод анализа сложных смесей веществ различных классов -- углеводородов, спиртов, кислот, белков, стероидов и т.д. Она заключается в следующем. На одну сторону небольшой стеклянной пластинки с помощью специального валика наносят тонкий слой сорбента.

На стартовую линию слоя сорбента наносят пробы веществ и их смесей; край пластики ниже стартовой линии погружают в систему растворителей, налитую в широкий сосуд с пришлифованной крышкой. За счет капиллярных сил растворитель продвигается по пластинке. По мере продвижения жидкости по пластинке смесь веществ разделяется. Границу подъема жидкости, или линию фронта, отмечают, пластинку сушат и проявляют. Отмечают, как указано на рис. 4, положение пятен, соответствующих исследуемым веществам и находящихся между линией старта и линией фронта жидкости.



Рис. 4 Схема распределения смеси веществ на пластинке с тонким слоем сорбента (А, В - индивидуальные вещества, А+В - смесь веществ).

Для этого измеряют расстояние от центра пятна до стартовой линии (отрезок а). Далее определяют расстояние от линии фронта жидкости до стартовой точки (отрезок Ь). Отношение отрезка а к отрезку b обозначают через константу R_f, характеризующую положение веществ на хроматограмме. Таким образом, величина R_f = а : b характерна для данного соединения на данном Сорбенте и в данной системе растворителей, но зависит от ряда условий: качества и активности сорбента, толщины слоя, качества растворителей, количества нанесенного; вещества, длины пробега растворителей, положения стартовой линии и температуры. Для более надежной идентификации веществ, определяя R_f часто применяют вещества - свидетели. На пластинке рядом с разделяемой смесью веществ хроматографируют известное вещество («свидетель») и сравнивают положение пятен на хроматограмме.

Для разделения смесей веществ в тонком слое применяют как
адсорбционную, так и распределительную а ионообменную хроматографии.

Приготовление пластинок с тонким слоем сорбента.

Готовя тонкий слой cорбента для аналитических целей используют стеклянные пластинки длиной 15--20 см и шириной 4 -- 20 см. Для препаративного разделения смеси веществ берут стекла шириной 30-40 см и длиной 40-50 см.

При хроматографировании применяют закрепленный и незакрепленный слои сорбента. Для получения закрепленного слоя сорбента закрепляют на стекле одним из фиксаторов: гипсом, крахмалом.

Рис. 5. Хроматографические колонки: а - с приспособлением для автоматической подачи растворителя; б -- для работы под давлением; в -- для работы при пониженном давлении; г - колонка с проявленными зонами;

1 -- колба для автоматической подачи растворителя; 2 -- растворитель; 3 -- столбик сорбента; 4 -- стеклянная вата; 5-- шлиф; 6 -- маностат; 7 - колба Бунзена; 8 - зоны компонентов смеси.

Но так, ускоряя, прохождение растворителя через колонку, можно удалить и растворитель из нижней части колонки.

Скорость потока растворителя регулируют с помощью крана на выходе из колонки или уменьшая скорость поступления Жидкости на колонку.

Пропускание раствора и проявление хроматограммы.

В подготовленную воронку осторожно вносят раствор исследуемого вещества. При адсорбционной и распределительной хроматографии раствор должен быть возможно более концентрированным и занимать объем, не превышающий 0,1 объема колонки. Если вещество недостаточно растворяется в выбранной подвижной фазе, его растворяют в другом растворителе, растирают с частью носителя и высушивают в вакууме. Пропитанный таким образом носитель суспендируют в небольшом количестве подвижной фазы и вносят в верхнюю часть готовой колонки.

При ионообменной хроматографии можно добавить в колонку больше pacтворителя, так как чистые неионизированные растворители не вызывают расширения зон. По этой же причине можно вводить также разбавленные исследуемые растворы и концентрировать их на сорбенте. Для проявления хроматограммы применяют растворитель, под действием которого зоны перемещаются вниз по слою сорбента с небольшой скоростью.

Как и в адсорбционной хроматографии, в распределительной подбирают смесь растворителей, в которой и малоподвижные зоны тоже приходят в движение. Например, органические кислоты разделяют смесью бутилового спирта и хлороформа, непрерывно увеличивая содержание бутилового спирта в смеси.

При разделении неокрашенных и нефлуоресцирующих веществ результат разделения определяют, исследуя вытекающий из колонки раствор (элюат). Очень удобен автоматический прибор (коллектор) для отбора фракций элюата порциями по 0,5--10 мл. Фракции отбирают одинакового объема или одинаковой массы или через равные промежутки времени. Разделяя простые смеси, можно отбирать фракции элюата вручную.

Обнаружение при хроматографировании на колонках.

Методы обнаружения можно разделить на три основные группы:

1) наблюдение вещества непосредственно на колонке;

2) регистрация веществ непосредственно после выхода из колонки;

3) обнаружение веществ в отобранных фракциях элюата.

Обнаружение вещества непосредственно на колонке -- наиболее простой и удобный метод. Если разделяемые вещества окрашены (например, динитрофенильные производные аминокислот), то по мере разделения смеси веществ в колонке появляются окрашенные зоны. Обнаружить вещество на колонке можно в УФ - свете. Вещества кислого характера легко обнаружить, если перед хроматографированием носитель пропитать небольшим количеством подходящего индикатора.

Для регистрации вещества в момент выхода из колонки существует несколько способов. Для веществ кислого характера можно использовать цветную реакцию с индикатором. Более эффективен и не вызывает загрязнения элюата метод, при котором элюат по выходе из колонки направляют в микрокювету. Там его непрерывно анализируют потенциометрическим,рефрактометрическим,спектро-фотометрическим или колориметрическим методом. Наиболее распространен метод обнаружения веществ анализом каждой из точно отмеренных фракций элюата. Чаще всего хроматографируют в тонком слое каждую фракцию элюата или используют химические; превращения с последующим исследованием продуктов реакции.

9. Хроматография на бумаге

В настоящее время получили развитие следующие виды хроматографии на бумаге: одномерная, двумерная, круговая и электрофоретическая. Одномерную и двумерную выполняют в двух вариантах (рис. 6 ); восходящим и нисходящим потоком растворителя.



Рис.6 Бумажная хроматография. а - нисходящая, б - восходящая

Одномерная восходящая хроматография. (рис. 6 а). 1-5 мкл исследуемого раствора капилляром наносит на полосу хроматографической бумаги в 2 см от нижнего края. Если неподвижная фаза - вода, то бумагу специально не обрабатывают, так как воздушно-сухая бумага содержит до 20 - 22% влаги. Подвижную фазу, насыщенную неподвижной, наливают на дно сосуда для хроматографирования (в цилиндр или пробирку).

Полосу бумаги нижним карем опускают в жидкость, а верхний край закрепляют так, чтобы бумага свободно свисала вниз, не касаясь стенок сосуда. Под действием капиллярных сил подвижная жидкость поднимается вверх по бумаге и разделяет компоненты смеси, которые при различных значениях Rf движутся по слою бумаги с неодинаковыми скоростями. Опыт считается законченным, когда фронт подвижной фазы почти достигнет верхнего края бумажной полосы. После этого хроматограмму извлекают из сосуда, отмечают линию фронта, высушивают и проявляют.

Ширина полосы обычно 2 - 5 см в случае нанесения одной пробы. Длина ее определяется условиями разделения. При одновременном хроматографировании ряда растворов берут широкую полосу бумаги; вдоль ее нижнего края проводят линию старта, на которую наносят капилляром исследуемые растворы на расстоянии 2--3 см друг от друга.

Одномерная нисходящая хроматография.

В верхней части цилиндра (см. рис. 6б.) укрепляют небольшую ванночку, в которую наливают подвижный растворитель, насыщенный неподвижным. На дно цилиндра помещают бюкс с неподвижным растворителем, насыщенным подвижным. Это создает в цилиндре атмосферу насыщенных паров, предотвращающих испарениерастворителя с бумаги.

На, полоску бумаги на расстоянии 5 см от верхнего края наносят каплю исследуемого раствора; край полоски погружают в ванну с подвижной фазой. Растворитель из ванны стекает под действием капиллярных сил и силы тяжести вниз по бумаге. Опыт считается законченным, когда фронт растворителя, достигнет 3-- 5 см от нижнего края бумаги.

Круговая хроматография. Для получения круговой хроматограммы в центр круга хроматографической бумаги вносят каплю исследуемого раствора. Работу удобно проводить в эксикаторе. Диаметр бумажного круга должен быть на 2--3 см больше диаметра нижней узкой чисти эксикатора. Круг укладывают над узкой частью эксикатора, в которую налита смесь неподвижного и подвижного растворителей. Для подачи растворителя в круге вырезают полоску от края круга до центра («фитиль»), отгибают ее вниз и опускают в растворитель. На полученной хроматограмме разделяемые вещества образуют концентрические круги.

Двумерная хроматография. Если одним растворителем разделить сложную смесь не удается, применяют последовательно два растворителя с разными коэффициентами распределения.

Для двумерной хроматографии применяют квадратные листы бумаги размером 20X 20, 30X30, 40X40 см. В начале опыта исследуемый раствор наносят на бумагу в ее левом углу на расстоянии 5 см от левого и от нижнего краев. После высушивания пятна бумагу помещают в сосуд для хроматографирования, опускают нижний край в один из выбранных растворителей и хроматографируют по восходящему методу. После высушивания бумагу, повернув на 90° против часовой стрелки, помещают в новый сосуд для хроматографирования, содержащий второй растворитель, и хроматографируют по восходящему методу. После проявления получают двумерную хроматограмму.

Бумага для хроматографирования. В распределительной хроматографии к бумаге предъявляются следующие требования: она должна быть химически чистой, химически и адсорбционно нейтральной, однородной по плотности, обеспечивать определенную скорость движения растворителя. В СССР выпускают четыре сорта хроматографической бумаги: № 1, 2, 3, 4. Каждый номер отличается от другого по плотности, а следовательно, и по скорости движения растворителя. Бумага № 1 и 2 называется «быстрой», а № 3 и 4 -- «медленной». Хроматографическая бумага должна содержать достаточное количество неподвижной фазы. Обычные сорта бумаги гидрофильны, поэтому в случае применения воды в качестве неподвижной фазы не требуется специально увлажнять бумагу.

Для разделения некоторых смесей нерастворимых в воде органических соединений целесообразно гидрофильную бумагу превратить в гидрофобную. Для этого бумагу ацетилируют, обрабатывая 10 г бумаги смесью 9 мл уксусного ангидрида, 100 мл петролейного эфира и 8--10 капель концентрированной серной кислоты. После ацетилирований бумагу пропитывают различными гидрофобными веществами (1%-ный раствор парафина в петролейном эфире, 0,5%-ный раствор каучука в бензоле и т. п.). Первостепенное значение для разделения смеси хроматографическим путем на бумаге имеет правильный выбор растворителей. В табл. 7 приведены подвижные фазы, наиболее часто применяемые в бумажной хроматографии для разделения смесей (неподвижная фаза -- вода).

Проявление бумажных хроматограмм. В большинстве случаев хроматограмма на бумаге после высушивания остается бесцветной. Поэтому полученные хроматограммы проявляют. Для этой цели служат растворы различных веществ, при взаимодействии которых с компонентами анализируемой смеси образуются окрашенные соединения. Качественно обнаружить вещества в проявленной хроматограмме можно и по люминесценции в ультрафиолетовом свете.

Для идентификации компонентов смеси на хроматограмме применяют метод «свидетелей». Этот метод основан на том, что коэффициент распределения Rf практически не зависит от присутствия посторонних веществ.

Список литературы

1. Арустамов Э.А., Левакова И.В., Баркалова Н.В. «Экологические основы природопользования»: 5-е изд. перераб. и доп., М.: Издательский Дом «Дашков и К», 2008-320с.

2. Гальперин М.В. Экологические основы природопользования. Учебник - 2-е издание, испр. М.: ФОРУМ: ИНФА- М, 2007-256с.

3. Колесников С.И. «Экологические основы природопользования». Учебник. Изд-во «Дашков и К», 2008-304с.

4. Константинов В.М., Челедзе Ю.Б. ЭОПП: Учебное пособие для студентов учреждения среднего профессионального образования. М.: Издательский центр «Академия», НМЦ СПО, 4-е изд., испр. и доп. 2006-208 с.

5. Трушина Т.П. Экологические основы природопользования. Учебник для колледжей и средне-специальных учебных заведений. 5-е изд. перераб., Ростов на Дону: «Феникс», 2009- 408 с.

Размещено на Allbest.ru

...