Хроматографические методы анализа 1. Определение понятия Хроматография – это обширная область физико-химических методов анализа, которая занимается разработкой методов разделения сложных по составу многокомпонентных смесей. 1. Хроматография − это физико-химический метод анализа и исследования веществ и их смесей, основанный на разделении компонентов за счет различия в параметрах распределения их между фазами при перемещении через слой неподвижной фазы потоком подвижной фазы. 2. Хроматография − это процесс разделения молекул за счет дифференциальной миграции, т.е. разделения за счет различных скоростей перемещения различных молекул. Характерными особенностями любых хроматографических методов являются следующие: • Высокая разрешающая способность процесса разделения, обусловленная высокой эффективностью процесса, дающая возможность разделения даже близких по природе, структуре и свойствам веществ. Этим, во многом, объясняется широкое распространение хроматографии в различных областях научных исследований, в лабораторной практике, промышленности. например, разделение смесей аминокислот на индивидуальные компоненты, разделение смесей углеводородов на индивидуальные вещества, разделение смесей редкоземельных элементов на отдельные элементы, выделение ферментов в чистом виде и многие другие разделения. • Мягкие условия разделения Можно сравнить процесс хроматографического разделения смесей с процессом разделения сложных смесей методом перегонки, но если обычная перегонка осуществляется в достаточно жестких условиях (высокая температура, глубокое вакуумирование), то хроматографические разделения осуществляются в очень мягких условиях (при атмосферном давлении, при обычных температурах). Основные задачи, которые могут быть решены с помощью хроматографических методов: • Разделение многокомпонентных по составу смесей на индивидуальные компоненты, т.е. по существу это качественный и количественный анализ сложных смесей веществ. • Концентрирование веществ из их очень разбавленных растворов. Цели здесь могут быть самые разные: хроматографические методы позволяют сконцентрировать уран, содержащийся в природных рудах в десятых, а то и сотых долях процента; сконцентрировать радий, содержащийся в природных водах в концентрациях 10-5-10-6 г-атом/л. Может стоять задача извлечения ценных металлов (серебра, золота, платины) из разбавленных технологических растворов (гидрометаллургия) или производственных сточных вод (вопросы экологии). • Очистка технических продуктов, доведение этих продуктов до заданной степени химической чистоты, получение чистых химических реактивов. • Проверка вещества на однородность, на чистоту, т.е. идентификация вещества, доказательство того, что оно соответствует данной химической формуле. • Контроль различных производств методами хроматографии. Хроматография относится к инструментальным методам анализа и исследования веществ, основана на разделении компонентов смеси при их перемещении через слой неподвижной фазы. В результате повторения многократных актов сорбции и десорбции происходит разделение компонентов смеси, основанное на разнице констант распределения веществ между фазами. Хроматографические методы (газовая, жидкостная хроматография и др.) относятся к гибридным методам. Понятие и термин «гибридные методы» ввел академик Ю.А. Золотов в 1977 году: «…гибридными мы считаем способы анализа, в которых органически объединено разделение и определение». Известны и другие гибридные методы: экстракционнофотометрический, экстракционно-люминесцентный, экстракционно-атомноабсорбционный и др. Основное преимущество хроматографических методов – возможность проводить одновременно разделение, идентификацию и количественное определение веществ. Основными достоинствами хроматографического метода являются высокая чувствительность, избирательность, высокая эффективность, отсутствие в большинстве случаев химических изменений в разделяемых веществах и др. Основателем хроматографии считают русского ботаника-физиолога и биохимика Михаила Семеновича Цвета. 2. Классификация хроматографических методов В основу классификаций хроматографических методов положены принципы, учитывающие следующие различные особенности процесса разделения: • различия в агрегатном состоянии фаз используемой хроматографической системы; • различия в характере взаимодействий разделяемых веществ с неподвижной фазой; • экспериментальные различия в способах проведения процесса хроматографического разделения. Хроматографические методы классифицируют по различным признакам: – агрегатное состояние подвижной и неподвижной фаз, – механизм взаимодействия сорбент-сорбат, – техника выполнения, – цель хроматографирования и другие признаки. 1. В зависимости от агрегатного состояния подвижной фазы различают газовую и жидкостную хроматографию. Неподвижная фаза может быть как твердая, так и жидкая. Основные разновидности газовой хроматографии – газо-адсорбционная (газо-твердофазная) и газо-жидкостная. К жидкостной хроматографии относятся жидкость-твердофазная, жидкостьжидкостная (распределительная), жидкость-гелевая. 2. Классификация хроматографических методов по механизму взаимодействия сорбента и сорбата является условной, так как обычно процесс разделения компонентов протекает по нескольким механизмам. При наличии доминирующего ионообменную, механизма эксклюзионную, различают адсорбционную распределительную, и другие виды хроматографии. В зависимости от способа перемещения анализируемой смеси через слой неподвижной фазы выделяют проявительную, вытеснительную и фронтальные хроматографии. Проявительная (элюентная) хроматография применяется наиболее часто при разделении сложных смесей. Проходящий через колонку газ- носитель или растворитель разделяет компоненты смеси на зоны: в верхней части остаются компоненты, которые хорошо сорбируются, а ниже располагаются менее сорбирующиеся компоненты. Элюентная хроматография является основным способом получения хроматограмм в колоночной хроматографии Разделение компонентов смеси с помощью вещества (вытеснителя), обладающего большей сорбируемостью, чем разделяемые вещества, лежит в основе вытеснительной хроматографии. Разделяемые вещества перемещаются впереди вытеснителя в соответствии со скоростью движения вытеснителя. Недостаток вытеснительного метода – частое наложение зоны одного вещества на зону другого, т.к. зоны разделяемых веществ не разделены растворителем. Фронтальная хроматография – метод, в котором смесь веществ непрерывно вводится с жидкой подвижной фазой и разделяется в колонке на примыкающие друг к другу зоны с последовательно увеличивающимся числом компонентов, выходящих в порядке увеличения их сорбируемости. Этот метод используется в основном для очистки раствора от примесей, которые сорбируются лучше основного компонента. 3. В зависимости от аппаратурного оформления хроматографического процесса различают колоночную и плоскостную хроматографию. В колоночной хроматографии сорбент находится в колонке, подвижная фаза и анализируемая проба движутся вдоль слоя сорбента. Движение подвижной фазы происходит вследствие разницы давления на входе и на выходе из колонки. Если неподвижная фаза нанесена на внутренние стенки капилляра, то это капиллярная хроматография. Различают внутренние и внешние хроматограммы в зависимости от способа получения. В плоскостной хроматографии (тонкослойная и бумажная) получают внутренние хроматограммы – компоненты пробы проходят разное расстояние за одинаковое время. В колоночной хроматографии получают внешние хроматограммы – компоненты проходят одинаковый путь по колонке и через различное время выходят из колонки. Вариантами плоскостной хроматографии является бумажная (разделение веществ на специальной бумаге) и тонкослойная (разделение веществ в тонком слое сорбента). 4. По цели проведения хроматографического процесса различают аналитическую хроматографию (метод качественного и количественного анализа смесей веществ), препаративную хроматографию (получение чистых целевых компонентов путем выделения их из сложных по составу обьектов), и промышленную (производственную) хроматографию. 2. Основные понятия в хроматографии Неподвижная фаза – твердый сорбент или несмешивающаяся с подвижной фазой жидкость, на которых происходит разделение компонентов смеси. Подвижная фаза – поток газа или жидкости, перемещающий компоненты анализируемой смеси вдоль неподвижной фазы. Элюент – жидкость или газ, используемые в качестве подвижной фазы. Элюент – синоним термина «подвижная фаза». Элюат – поток подвижной фазы, выходящий из колонки и содержащий компоненты разделяемой смеси. Адсорбент – твёрдый сорбент, концентрирующий на своей поверхности растворённые вещества. Абсорбент – твердый или жидкий сорбент, растворяющий в своем объеме газы, пары или компоненты жидких смесей. Хроматографическая колонка – трубка, заполненная сорбентом или содержащая сорбент на внутренней поверхности. Хроматограмма – наглядное изображение результатов разделения компонентов исходной смеси в плоскостной хроматографии (в тонком слое сорбента, на бумаге и т.д.). Внешняя хроматограмма – функция концентрации определяемых веществ в подвижной фазе после хроматографического разделения от времени или объема элюата (рис.). Рис. 1. Внешняя хроматограмма Основными характеристиками хроматографического пика являются высота (h или h′), ширина (расстояние между точками контура на половине высоты (w0,5) или на какой-либо другой отметке по высоте). Хроматографические пики также называют хроматографическими полосами или зонами. Нулевая (базовая) линия (А′В) хроматограммы – линия, соответствующая нулевой концентрации анализируемых веществ в элюате. Шум – помехи, статистические флуктуации нулевой линии хроматограммы. Дрейф нулевой линии – постепенное смещение, регистрируемое на хроматограмме. Хроматографический пик – участок хроматограммы, соответствующий площади ограниченной функцией хроматограммы в момент выхода определяемого вещества из колонки и базовой линией. Основание пика – продолжение нулевой линии, соединяющее начало и конец хроматографического пика. Площадь пика, S – площадь хроматограммы, заключенная между пиком и его основанием. Высота пика, h − расстояние от максимума пика до его основания, измеренное вдоль оси отклика детектора. Ширина пика у основания, Wb – отрезок основания пика, отсекаемый двумя касательными, проведенными в точках перегибов восходящей и нисходящей ветвей хроматографического пика. Ширина пика на полувысоте, Wh – отсекаемый пиком отрезок линии, проведенной параллельно основанию пика на середине его высоты. Ионнообменная хроматография В основе хроматографии ионообменной лежит обратимый стехиометрический обмен ионов анализируемого раствора на подвижные ионы сорбентов, называемых ионитами или ионнообменниками. Причиной разделения является различная способность ионов анализируемого раствора к обмену. Иониты могут быть органические и неорганические, природные и синтетические. По знаку обменивающихся ионов различают катиониты (для обмена катионов) и аниониты (для обмена анионов). К природным ионитам относятся алюмосиликаты, некоторые сорта каменных углей, мягкие и твердые угли даже без предварительной обработки. В аналитической практике широко используют синтетические иониты. Ионообменники получают реакциями поликонденсации либо полимеризации, линейные цепи полимеров разветвлены и связаны друг с другом «мостиками», например, молекулами дивинилбензола; в состав ионитов входят различные функциональные (ионогенные) группы, которые и определяют наиболее характерные свойства ионитов. Иониты нерастворимы в воде, кислотах, щелочах и во многих органических растворителях, но способны набухать в воде за счет гидрофильных ионогенных групп. Органические катиониты содержат кислотные функциональные группы: –SO3–, –PO3–, –COO–, –OH–. Органические аниониты содержат группы основного характера: –NH2+, =NH+, ≡N+, –N(CH3)3+. Катиониты – сорбенты, способные к обмену катионами. Катиониты представляют собой полиэлектролиты, диссоциирующие с образованием высокомолекулярного аниона (например, RSO3–) и подвижного катиона (например, Н+-иона), легко обменивающегося на другие катионы. Катиониты содержат в своем составе ионогенные группы различной степени кислотности, например сульфогруппу -SO3H, карбоксильную группу -COOH, ион водорода которых способен к катионному обмену. Химическую формулу катионитов схематично изображают RSO3-H+, RSO3-Na+ или просто [R]-H, [R]-Na, где R – сложный органический радикал. Наиболее часто применяются сильнокислотные катиониты марок КУ-1, КУ2, СДВ-2 и др. Схема катионного обмена: [R]-H + Ме+ → [R]-Ме + H+ Аниониты – сорбенты, способные к обмену анионами. Аниониты диссоциируют на высокомолекулярный катион (например, RNH+) и подвижный анион (например, ОН–), способный обмениваться на другие анионы (R – высокомолекулярный углеводородный радикал ионообменной смолы). Аниониты содержат в своем составе основные ионогенные группы, например, аминогруппы различной степени замещения: –NH2, =NH, N, =NH2OH, NH–OH, способные к обмену гидроксид-ионов на различные анионы. Формулы анионитов схематично изображают: RNH3+OH–, RNH3+Cl– или просто [R]-OH, [R]-Cl. Cхема анионного обмена : [R]-OH + A– → [R]-A + OH– Применяют аниониты марок АВ-17, АН-1, ЭДЭ-10 и др. Существуют универсальные амфотерные иониты – сорбенты, способные как к катионному, так и к анионному обмену. Реакции ионного обмена обратимы и в первом приближении подчиняются закону действующих масс. Важной характеристикой ионита является его обменная емкость. Обменная емкость (ОЕ) – количественная мера способности ионита поглощать противоионы. Численно обменную емкость выражают количеством поглощенных миллимоль эквивалентов ионов на 1г сухой смолы в Н+-форме для катионита и Сl−-форме для анионита. Перед анализом ионообменную колонку регенерируют, т.е. переводят заполняющий ее ионит в определенную ионообменную форму. Зарядка катионита Н+ ионами, а анионита ОН– ионами проводится путем пропускания через колонку определенного количества кислоты или основания. Затем ионит отмывают водой от избытка кислоты или основания и пропускают через него с определенной скоростью анализируемый раствор. Колонку промывают водой или другим элюентом, собирая элюат целиком или по фракциям. Ионы, поглощенные ионитом, могут быть элюированы соответствующим растворителем. Катионы, как правило, элюируют кислотой: [R]-Me + H+ → [R]-H + Me+ а анионы – щелочью: [R]-A + OH– → [R]-OH + A– Классификация ионитов От вида функциональных групп, входящих в состав ионита, зависит, насколько сильно выражены кислотные или основные его свойства. В зависимости от этого различают четыре группы ионитов. 1. Сильнокислотные катиониты имеют в качестве функциональных групп сульфогруппу –SO3−и фосфорную группу –РО3−. Они используются в кислых, нейтральных и щелочных средах. Это сульфокислотные катиониты полистирольного типа марок КУ-2, КУ-23, СДВ, СБС. К фосфорнокислым относятся катиониты марок КФ-2, КФ-11.Катиониты полистирольного типа выпускаются в виде сферических гранул и имеют либо янтарную, либо светло-желтую окраску. Катиониты фенольного типа, например, КУ-1, окрашены в черный цвет, их частицы имеют неправильную форму. Такие катиониты бифункциональны, т.е. наряду с группой –SO3− имеют в своем составе группу –ОН−. Преимущество полистирольных катионитов – их монофункциональность, высокая обменная емкость, высокая термическая устойчивость. 2. Слабокислотные катиониты имеют в качестве функциональных групп карбоксильные группы –СОО−, –ОН−. Это катиониты марок КБ-1, КБ4, КФУ-1. Катиониты с карбоксильными группами окрашены в белый или светло-зеленый цвет. Важным свойством подобных катионитов является их высокое сродство к иону водорода. Даже небольшого количества разбавленной соляной кислоты достаточно для полной регенерации катионита. Слабокислотные катиониты работают в щелочных и нейтральных средах. 3. Сильноосновные (высокоосновные) аниониты имеют в качестве функциональных групп четвертичные аммониевые группы. Это аниониты марок АВ-16, АВ-17, АВ-18, хроматографирования в АВ-20. Они могут применяться для кислых, щелочных и нейтральных средах. Сильноосновные аниониты имеют желтую или светло-желтую окраску. Они часто используются для разделения большинства ионов металлов. Ион щелочных, щелочноземельных, редкоземельных элементов, алюминия, никеля, меди и др. не сорбируются анионитами при любой концентрации соляной кислоты. Остальные ионы металлов в пределах концентрации НСl от 0,1 до 12 моль/л сорбируются анионитами в различной степени, т.к. образуют анионные хлоркомплексы, имеющие сильно отличающиеся константы нестойкости. 4. Слабоосновные (низкоосновные) аниониты в качестве функциональных групп имеют аминогруппы разной степени замещения: – NH2+,=NH+,≡N+. Это аниониты марок АН-2Ф,АН-1, АН-23 и др. Они работают в кислых и нейтральных средах. Анионит ЭДЭ-10П содержит несколько активных аминогрупп вторичного, третичного и четвертичного аммониевых оснований. Поэтому он обладает и слабоосновными, и в некоторой степени сильноосновными свойствами. Практическое применение ионообменной хроматографии Методы ионообменной хроматографии используют преимущественно для разделения компонентов анализируемой смеси, отделения катионов и анионов, разделения катионов, разделения анионов. Простейшая методика разделения заключается последовательном в поглощении элюировании каждого смеси компонентов компонента и подходящим растворителем. Например, при добавлении к смеси ионов Cu2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+, Bi3+ соляной кислоты образуются хлоридные комплексы [CuCl4]2-, [ZnCl4]2-, [CdCl4]2-, [PbCl3]-, [BiCl4]-, стойкость которых растет от Cu к Bi. При пропускании через анионитную колонку комплексы поглощаются. Далее последовательно вымывают металлы HCl, H2O и HNO3. 2М раствором HCl вымывают Cu; 0,6М HCl – Zn; 0,3М HCl – Cd; H2O – Pb; HNO3 – Bi. Для получения аналитических концентратов. При пропускании больших объемов разбавленных растворов через слой ионита и последующем извлечении поглощенного вещества малым объемом растворителя возможно повышение концентрации вещества в 200-500 раз; Для обнаружения ионов. Разработаны методы выделения и обнаружения всех наиболее важных ионов. Иониты используют также в водоподготовке (умягчение воды, опреснение морской в воды); гидрометаллургии и гальванотехнике (селективное извлечение ценных металлов из производственных растворов и сточных вод; в пищевой и гидролизной промышленности (очистка сахаросодержащих растворов, осветление плодово-ягодных соков и т.д.); в медицине и фармацевтической промышленности (очистка лекарственных препаратов, антибиотиков). Рассмотренные области применения ионообменных смол не исчерпывают всего многообразия, однако они показывают широкие возможности, которые открывают использование ионитов в аналитической химии и технологии. Вопросы для самоконтроля В чем сущность метода ионообменной хроматографии? Как подготовить ионообменную смолу к работе? Какие функциональные группы обеспечивают обменные свойства различных синтетических ионообменных смол? Какие типы катионитов и анионитов Вам известны? Что такое «обменная емкость» ионита, в каких единицах измеряется? Как определяют: а) статическую обменную емкость ионита; б) динамическую обменную емкость ионита? Зависит ли селективность ионообменника от его емкости? Как провести деионизацию воды с помощью ионообменников? Напишите уравнения реакций. Каковы области применения, достоинства и недостатки ионообменной хроматографии?
