Файл: физико-химические методы анализа.pdf

Инструментальные методы анализа

При обмене ионов разного заряда стехиометрические коэффициенты в уравнении ионного обмена не равны 1, поэтому активности (концентрации) входят в выражения констант в степенях, равных соответствующим стехиометрическим коэффициентам. Например, для ионообменного равновесия:

Величина коэффициента селективности зависит от размера и заряда иона, химической структуры ионообменника и условий проведения эксперимента. Например, для сильнокислотного катионообменника Dowex-50, содержащего 8% дивинилбензола:

Для описания ионообменного равновесия используют также концентрационный коэффициент распределения (D), который равен отношению равновесной концентрации иона в сорбенте к его равновесной концентрации в растворе

D(A) [[AA]]

Практическое применение. Понятие об ионной и ион-парной хроматографии

313

Раздел 3

Современными хроматографическими методами анализа, в которых используется ионообменное разделение, являются ионная и ион-парная хроматография.

Ионной хроматографией называется колоночная ионообменная жидкостная хроматография с кондуктометрическим детектированием.

В качестве неподвижной фазы в ионной хроматографии исполь-

зуют поверхностно-пористые ионообменники, состоящие из твёр-

дого ядра, покрытого тонким слоем ионита. Для таких сорбентов характерны диаметр зёрен меньше 50 мкм, низкая ионообменная ёмкость, механическая прочность, химическая устойчивость, быстрое время установления ионообменного равновесия.

Высокочувствительное кондуктометрическое определение ионов возможно только при невысокой фоновой электропроводности потока жидкости, поступающей в детектор. По этой причине предложено два основных варианта ионной хроматографии:

ИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Схема двухколоночной ионохроматографической системы показана на рис. 24.8.

Рис. 24.8. Схема двухколоночной ионохроматографической системы

314

Инструментальные методы анализа

При прохождении через подавляющую колонку фоновый электролит превращается в соединение с низкой электропроводностью, а определяемый ион – в соединение с высокой электропроводностью. Например, при разделении катионов щелочных металлов в качестве элюента используется раствор HNO3. В разделяющей колонке, заполненной катионообменником, происходит ионный обмен и разделение катионов. В подавляющей колонке находится анионобменник в OHформе. При прохождении через подавляющую колонку анионы разделяемых солей и нитрат-ионы, входящие в состав элюента, полностью обмениваются на гидроксид-ионы. Таким образом, HNO3 превращается в H2O, а соли щелочных металлов – в соответствующие гидроксиды (сильные электролиты).

Ион-парной хроматографией называется вариант жидкостной хроматографии, при котором в подвижную фазу добавляют реагент, в состав которого входит гидрофобный ион, хорошо адсорбирующийся на поверхности неподвижной фазы – силикагеля с привитыми алкильными группами (см. рис. 24.1). В качестве ион-парных реагентов при разделении катионов обычно используют алкилсульфаты или алкилсульфонаты, а при разделении анионов – ионы тетраалкиламмония.

Принято считать, что разделение и удерживание веществ в ионпарной хроматографии обусловлено двумя механизмами:

сорбцией ион-парного реагента на поверхности неподвижной фазы и превращении её в ионообменник;

взаимодействием разделяемых веществ и ион-парного реагента в подвижной фазе с образованием ионных пар, которые затем адсорбируются на неподвижной фазе.

Ион-парная хроматография используется для разделения иони-

зированных веществ, которые обладают хорошей растворимостью в полярной подвижной фазе, незначительным сродством к неполярной неподвижной фазе и не могут быть удовлетворительно разделены в условиях обычной обращённо-фазовой ВЭЖХ.

В качестве примера на рис. 24.9 показана жидкостная хроматограмма этанольного извлечения из корня барбариса, содержащая смесь алкалоидов, протобербериновой группы (пик, отмеченный значком *, соответствует берберину – см. рис. 20.10), полученная с помощью микроколоночного жидкостного хроматографа «Миллихром-4». Колонка длиной 64 мм и диаметром 2 мм. Неподвижная фаза

315

Раздел 3

– Separon SGX - C18 (диаметр частиц сорбента 5 мкм). Подвижная фаза – смесь

ацетонитрила и водного 5 10-2 М KH2PO4 (40:60) c добавлением 2 10-3 М додецилсульфата натрия. Детектор – спектрофотометрический (260 нм).

Рис. 24.9. Хроматограмма этанольного извлечения из корня барбариса

24.4.2. Эксклюзионная хроматография

Вэксклюзионной хроматографии (гель-хроматографии) разде-

ление основано на различиях в размерах и форме молекул.

Вкачестве твёрдого носителя в гель-хроматографии используют различные сетчатые полимеры («гели»). Неподвижной фазой является элюент, находящийся в порах зёрен твёрдого носителя, подвижной фазой - этот же элюент, протекающий вдоль слоя частиц полимера. В процессе хроматографирования более мелкие молекулы проникают в поры геля и задерживаются в находящейся в них неподвижной фазе. Более крупные молекулы не проникают в поры и поэтому движутся быстрее. Таким образом, выход компонентов смеси из колонки происходит в порядке уменьшения их молекулярных масс (рис 24.10).

Величина коэффициента распределения (D) в эксклюзионной хроматографии может находиться в пределах от 0 до 1. Для

крупных молекул, не способных проникать в поры геля, D = 0, следовательно, удерживаемый объём равен свободному объёму колонки - VR = Vm. В случае молекул, размер которых позволяет им свободно диффундировать через пористый материал, D = 1 (поскольку состав подвижной и неподвижной фаз одинаков), следовательно, удерживаемый объём равен сумме свободного объёма колонки и объёма жидкости, находящейся в порах – VR = Vm + Vs. Для молекул промежуточного размера Vm < VR < VS. Поскольку диапазон возможных значений D в эксклюзионной хроматографии очень узок, то для эффективного разделения в данном виде хроматографии приходится применять длинные колонки или несколько соединённых друг с другом колонок.

316

Инструментальные методы анализа

сигнал Vm Vs детектора

D = 1

Рис. 24.10. Принцип эксклюзионной хроматографии

Твёрдые носители, используемые вэксклюзионной хроматографии ("гели")

Большинство из мягких гелей гидрофильны. Процесс хроматографирования на мягких гелях называется гель-фильтрационной хроматографией. Полужёсткие гели в основном гидрофобны. Процесс хроматографирования на таких гелях называется гель-прони-

кающей хроматографией.

В качестве растворителей в эксклюзионной хроматографии используют воду, диметилформамид, хлороформ, толуол и т.д. Выбор растворителя зависит от типа используемого геля, вида разделяемых веществ, применяемой системы детектирования.

Основное назначение гель-хроматографии - разделение смесей высокомолекулярных соединений (а также высокомолекулярных и низкомолекулярных) и определение молекулярномассового рас-

пределения полимеров. Как и ионообменная хроматография гельхроматография может быть колоночной и плоскостной, проводиться как в «классическом» варианте, так и в высокоэффективном.

317