Распределительная хроматография

5.1.4 Распределительная хроматография

Распределительная хроматография является разновидностью жидкостной и основана на распределении вещества между двумя несмешивающимися фазами.

В качестве основного показателя в этом методе является коэффициент равновесного распределения, вернее различие в величинах коэффициентов распределения отдельных компонентов раствора между двумя ненасыщенными растворителями.

При распределительной хроматографии носитель пропитывается одним из растворителей — “неподвижный” растворитель (например, водой пропитывают бумагу или силикагель). Другой растворитель (например, хлороформ) является “подвижным” растворителем и его пропускают через колонку носителя.

В качестве неподвижного растворителя чаще всего используют полярные жидкости — воду, H₂SO₄, CH₃OH и др., в качестве подвижного растворителя применяют менее полярные жидкости, органические растворители.

Анализ может проводиться как в колонке, так и на бумаге и на пластинке — в тонком слое.

При обработке носителя неподвижным растворителем — на поверхности носителя образуется тонкая жидкая плёнка, колонка считается подготовленной к работе. После этого через колонку начинают пропускать исследуемую смесь в подвижном растворителе.

Подвижный и неподвижный растворители подбирают в зависимости от природы носителя.

Если носитель гидрофильный, то неподвижным растворителем должна быть вода, а подвижным растворителем — органический малоподвижный растворитель.

Если носитель гидрофобный, то неподвижным растворителем должно быть органическое вещество, а подвижным растворителем — вода. (Полярный растворитель всегда вытесняет менее полярный из полярных сорбентов).

Порцию исследуемой смеси, растворённой в подвижном растворителе, вводят в колонку и после того, как она впитывается верхней частью колонки, начинают промывание колонки подвижным растворителем.

В процессе промывания происходит непрерывное перераспределение веществ смеси между двумя несмешивающимися жидкими фазами.

Так как разные компоненты смеси имеют различные коэффициенты распределения, то и скорость передвижения компонентов по колонке различна. Наибольшей скоростью продвижения по колонке будет обладать тот компонент смеси, который имеет наибольший коэффициент распределения.

Краспр. =

т.е. отношение концентрации растворённого вещества в подвижной фазе (г/л) к его концентрации в неподвижной фазе (г/л). если коэффициенты распределения отдельных компонентов смеси достаточно между собой различаются, то при промывании колонки образуются отдельные зоны чистых веществ, т.е. происходит полное разделение смеси. (Чем больше Краспр., тем быстрее вещество движется по колонке).

Например, смесь веществ А и В пропускают через воронку в подвижном растворителе, причём Краспр. компонента В больше Краспр. компонента В, поэтому скорость распределения компонента А будет больше и компонент А уходит вниз колонки.

 В

 В

 А Первичная

 позиция А

Промывая колонку растворителем между компонентами образуется чёткая граница.

При дальнейшем промывании из колонки будет вытекать:

Подв.раств. + А

Подв.раств.

Подв.раств. + В

Разновидностью распределительной хроматографии является бумажная и тонкослойная.

В тонкослойной — разделение проводится на пластинках, покрытых тонким слоем окиси алюминия, силикагеля или другого сорбента, который удерживает неподвижный растворитель. Нижний край пластинки с нанесённой на неё пробой опускают в подвижный растворитель.

Хроматография на бумаге является разновидностью метода распределительной хроматографии, носителем для неподвижного растворителя служит при этом фильтровальная бумага, а не колонка с сорбентом. Разделение веществ происходит вследствие различия в распределении между двумя жидкими фазами, одна из которых подвижна (смесь органических растворителей), а другая — неподвижная и представляет собой воду, находящуюся в волокнах фильтровальной бумаги.

Разделение смесей веществ или ионов с помощью хроматографии на бумаге основано на различной скорости движения компонентов, которые характеризуются коэффициентом движения R_f.

Величины коэффициентов ионов вычисляют по формуле:

R_f =  =  где: υ — скорость движения зоны иона на бумаге

h — расстояние, пройденное зоной иона на бумаге

υ₁ — скорость движения фронта подвижного растворителя

h₁ — расстояние, пройденное растворителем

Под фронтом растворителя понимают видимую границу распространения растворителя по бумаге.

Коэффициент движения каждого катиона — постоянная величина, не зависит от концентрации анализируемого раствора, температуры, присутствия других катионов и природы аниона, с которым связан изучаемый катион.

Однако, коэффициент движения R_f зависит от состава и свойств используемого подвижного растворителя, а также от сорта хроматографической бумаги.

Чем больше величина R_f, тем быстрее и дальше продвигается катион по бумаге и тем лучше отделяется он от другого катиона с низким значением R_f.

Например, у катионов Fe³⁺ и Cu²⁺ коэффициенты движения значительно отличаются по величине, поэтому они чётко разделяются.

Просто и удобно проводить разделение ионов с помощью круговых хроматограмм, полученных на обеззоленных фильтрах “синяя лента” с использованием в качестве хроматографической камеры-эксикатора. Для контакта с растворителем из фильтра вырезается полоска — “фитиль”, который погружается в растворитель (а), или контакт с растворителем осуществляется с помощью конуса, сделанного из этой же фильтровальной бумаги и вставленного в середину отверстия, находящегося в середине фильтра-хроматограммы.

 Конус бумажный

 фитиль

 растворитель

 растворитель

Для расчёта R_f какого-то иона, например, Fе³⁺, на середине фильтра помещают 0,05 мл раствора, содержащего Fe³⁺, при этом этот процесс должен быть медленным, постепенным, чтоб происходило впитывание раствора за счёт капиллярных сил бумаги.

Образовавшееся пятно осторожно обводят простым карандашом, фиксируя его положение на бумаге, фильтр сушится и бритвой вырезается фитиль. После этого фильтр устанавливается над сосудом с растворителем, таким образом, чтоб контакт фильтра с ним осуществлялся через фитиль:

 фильтр

 фитиль

 растворитель в тигле

Оставляют систему в таком виде на 2-3 часа, поместив её в эксикатор с крышкой (хроматографическую камеру) для размывания первичной хроматограммы, после этого вынимают фильтр из эксикатора и отмечают карандашом границы фронта растворителя, таким образом, получаем величины:

h — расстояние, пройденное зоной иона на бумаге (для Fe³⁺ - экспериментально, 1,5 см)

h₁ — расстояние, пройденное растворителем (экспериментально, для смеси 90 % С₂Н₅ОН и 10 % 5 н HCl, 4,8 см)

отсюда RFe³⁺ =  = 0,31

Аналогично можно определить для любого иона (Rcu²⁺ = 0,45).

После этого можно провести хроматографическое разделение на бумаге смеси этих катионов. Причём, учитывая величины R_f , можно сделать заключение, что Cu²⁺ будет быстрее и дальше продвигаться по бумаге, т.к. имеет большую величину R_f, чем Fe³⁺.

Кроме круговых хроматограмм можно использовать бумажные полосы, помещённые в стеклянные камеры, эксикаторы, пробирки. Конец этих полос помещают в растворитель (восходящая хроматография, нисходящая хроматография).

а) Восходящая бумажная хроматография.

Исследуемое вещество наносят на линию старта, которая проводится на расстоянии 1-2 см от нижнего края ХР-бумаги.

Бумагу помещают в камеру с подвижным растворителем таким образом, чтобы линия старта была выше границы растворителя. (Камера закрыта крышкой). Под действием капиллярных сил подвижный растворитель поднимается вверх, захватывая компоненты анализируемой смеси. Так как компоненты обладают различной растворимостью в этом растворителе, то и двигаться они будут с различной скоростью. При этом происходит разделение смеси на компоненты.

Если смесь А и В (К_А > К_В), то В будет выше В.

Линия, до которой доходит подвижный растворитель — называют линий фронта.

R_f =  h — путь, пройденный растворителем от линии старта до линии фронта

h₁ — путь, пройденный веществом от линии старта до середины пятна.

б) Нисходящая бумажная хроматография.

В этом методе растворитель находится в верхней части камеры, линия старта находится в верхней части камеры, линия старта сверху. Растворитель движется вниз под действием силы тяжести, забирая с собой определяемое вещество, чем больше Кр вещества, тем ниже на бумаге будет находиться вещество.

Распределительная хроматография на бумаге, особенно с применением органических реактивов, является макроаналитическим методом, широко применимым в тех случаях, когда обычные химические методы малопригодны.

Например, для разделения близких по свойствам соединений — аминокислот, пептидов, углеводов и т.д.

Хроматографию на бумаге используют для определения следов ФОВ в пищевых продуктах и на биологическом материале.

Ионообменная хроматография

1)    Ионообменная хроматография основана на явлении обмена ионов находящихся в растворе и ионов, адсорбируемых твёрдым адсорбентом. Образование хроматограмм в этом случае происходит вследствие неодинаковой способности к обмену различных ионов хроматографируемого раствора. В ионообменной хроматографии, также как и в адсорбционной, можно применять фронтальный, вытеснительный и проявительный (элюентный) метод анализа.

При фронтальном анализе исследуемую смесь непрерывно подают в верхнюю часть колонки и следят за появлением отдельных компонентов в вытекающем растворе, но полного разделения компонентов в этом методе не происходит и метод не пригоден для препаративного разделения и количественного определения веществ.

При вытеснительном методе анализа для вытеснения применяют растворы веществ, ионы которых сорбируются лучше, чем ионы компонентов хроматографической смеси, поэтому они вытесняют из сорбента ранее сорбированные ионы разделяемых веществ.

В проявительном (элюентном) методе промывание проводят чистым растворителем. Во всех видах ионообменной хроматографии имеет место многократное повторение процессов ионного обмена.

В зависимости от того происходит ли обменная сорбция положительно заряженных ионов (катионов) или отрицательно заряженных ионов (анионов) — ионообменники делятся на катиониты и аниониты.

Существуют иониты, обладающие амфотерными свойствами..

а) Катионный обмен: RH + NaCl ↔ RNa + HCl

б) Анионный обмен: ROH + NaCl → RCl + NaOH

R — радикал, образующий элементарную ячейку ионита.

Качественная характеристика ионообмена зависит от природы ионита, хроматографируемого иона, растворителя, от условий опыта (tº, рН и др.).

Рассмотрим ионообменное равновесие на примере обмена на ионите двух одновалентных ионов А⁺ и В⁺.

RA + B⁺ ↔ RB + A⁺

Согласно закона действия масс: Кр. =  или  = Кр.

Или  = Кр. , где Кр. — константа ионного обмена

 [B⁺], [A⁺] — концентрации ионов А и В в растворе

 _ _

 [B⁺], [A⁺] — концентрация ионов В⁺ и А⁺ в твёрдой фазе

Аналогично для обмена двухвалентного иона на одновалентный

В²⁺ + 2RA → R₂B + 2A⁺

 = Кр.

Константа равновесия (ионного обмена) позволяет количественно характеризовать сравнительную способность ионита к обмену.

Если Кравн. < 1 ион, находящийся в растворе, имеет большое сродство к иониту, чем ион, пришедший в раствор с твёрдой фазой — на ионите. Обмен из раствора в этом случае будет протекать достаточно полно.

Если Кравн. > 1 ион раствора имеет меньшее сродство к иониту, чем ион, входящий в состав ионита, обмен в данном случае незначительный.

в) Сорбенты, применяемые в ионообменной хроматографии.

Вещества, применяемые в качестве ионообменных сорбентов, подразделяются на два основных класса: неорганические и органические сорбенты, которые могут быть естественного и искусственного происхождения.

Ионообменные сорбенты должны отвечать следующим требованиям:

1.   Обладать максимально возможной поглотительной способностью;

2.   Обладать избирательной сорбцией по отношению к веществам разделяемой смеси;

3.   Быть однородными, иметь степень дисперсности, достаточную для обеспечения необходимой скорости адсорбции и равновесного прохождения раствора через колонку с требуемой скоростью;

4.   Иметь ограниченную набухаемость, не растворяться в хроматографируемом растворе и той среде, в которой они используются, обладать механической прочностью;

5.   Производство сорбентов должно быть экономически выгодным и основываться на применении отечественного сырья.

г) Минеральные иониты.

Сорбенты минерального происхождения — слабокислотные китиониты или слабоосновные аниониты.

Наиболее распространены — оксид алюминия, природные алюмосиликаты, фосфат циркония, применяемые как катиониты.

В качестве анионитов — оксид Al, гидроксид Zr и др.

Органические иониты — являются продуктами химической переработки угля и лигнина, их называют ионообменными смолами.

д) Органические иониты.

Катиониты содержат в своих формулах сульфогруппы — SO₃H, фосфогруппы РО(ОН)₂, карбоксильные — СООН — (фенолформальдегидные, полистирольные катиониты).

Органические аниониты — полиамины, т.к. содержат NH₂R⁺, NHR₂⁺ и т.д. Аминоформальдегидные, полиаминовые, полистирольные аниониты.

Использованные иониты можно вернуть в исходную форму, пропуская через него соответствующий раствор, этот процесс называется регенерацией.

Оксид алюминия проявляет амфотерные свойства и может играть роль как катионита, так и анионита.

Al₂O₃ — катионит Al + NaOH + CO₂ → Al₂O₃

На поверхности Al₂O₃ адсорбируется NaAlO₂, образуя соединение (Al₂O₃)_mNaAlO₂, появляются подвижные ионы Na⁺

[(Al₂O₃)_mNaAlO₂^-]Na⁺ + Me⁺An → [(Al₂O₃)_mAlO₂^-]Me + NaAn

 AlO₂^- Na AlO₂

Или (Al₂O₃)_m + MeAn₂ → (Al₂O₃)_m Me + 2NaAn

 AlO₂^- Na AlO₂

Al₂O₃ — анион (перед использованием промывают азотной кислотой, в результате чего на поверхности Al₂O₃ появляется подвижный анион — NO₃).

[(Al₂O₃)_mAlO₂]Na + 2HNO₃ → [(Al₂O₃)_mAlO⁺]NO₃ + NaNO₃ + H₂O

[(Al₂O₃)_mAlO⁺]NO₃ + MeAn → [Al₂O₃)_nAlO⁺]An + MeNO₃

По способности поглощать ионы для каждого ионита существуют адсорбционные ряды по способности замещать друг друга (для Al₂O₃):

H⁺ > As³⁺ > Sb³⁺ > Bi³⁺ = Fe²⁺ + Hg²⁺ = UO₂ > Pb²⁺ > Cu²⁺ > Zn²⁺ > Co²⁺ = Ni²⁺ = Cd²⁺ > Mn²⁺

Т.е. на Al₂O₃ легче адсорбируется Н⁺, хуже Mn²⁺.

Реакции на органическом ионите (ионнообменной смоле) происходят по схеме:

2R – SO₃H + CuSO₄ → (RSO₃)₂Cu + H₂SO₄

Основные качества ионита определяются сорбционной ёмкостью, физическими свойствами и химической стойкостью.

Ёмкость сорбента условно характеризуется количеством растворённого электролита, поглощённым единицей веса или объёма сорбента.

К показателям физических свойств ионита следует отнести величину насыпаемого веса, влагостойкость и механическую прочность.

Химическая стойкость сорбента определяется по тем рабочим средам, в которых должна проходить сорбция и регенерация.

Мерой стойкости служит степень потери веса сорбента и степени потери ёмкости.

Многие сорбенты постепенно окисляются под влиянием кислорода воздуха, теряют прочность, снижается содержание активных групп, появляются водорастворимые фракции.

е) Получение хроматограммы на колонке и её анализ.

Раствор анализируемой смеси пропускают через хроматографическую колонку.

Вследствие различной адсорбируемости компонентов смеси в колонке образуются зоны. Однако, полного разделения смеси при этом не произойдёт, только первая, самая нижняя зона будет содержать в чистом виде один наименее адсорбируемый компонент, вторая — будет состоять из смеси двух компонентов, третья — из смеси трёх и т.д.

Таким образом, при получении первичной хроматограммы можно получить в чистом виде лишь одно из смеси веществ.

Для полного разделения компонентов смеси используют операцию вытеснения (элюирования). Она заключается в том, что после получения первичной или промытой хроматограммы, через колонку пропускают растворитель, способный вытеснять все или некоторые адсорбированные компоненты смеси. При этом компоненты смеси, вытесняя друг друга, располагаются в колонке в виде отдельных чистых зон в соответствии с их способностью к адсорбируемости, а продолжительным пропусканием раствора через колонку достигают последовательного вытеснения из колонки компонентов смеси.

Например, пропуская через колонку с анионитом солянокислый раствор ионов Fe³⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Pb²⁺ и Bi³⁺ получают первичную хроматограмму этих ионов, сорбируемых на анионите.

Затем последовательно промывают колонку 2,5 н и 0,02 н HCl, а затем 2 н H₂SO₄.

При этом:

а) 2,5 н HCl разрушает менее прочные солянокислые комплексы Fe³⁺ и Cu²⁺ и они уходят в фильтрат;

б) 0,02 н HCl разрушает солянокислые комплексы цинка и свинца, вытесняя их из колонки;

в) 2 н H₂SO₄ разрушает комплекс висмута и также вытесняет его из колонки.

Собирая отдельные фракции вытеснения, проводят определение компонентов в них любым физико-химическим методом — спектрометрическим, полярографическим и т.п.

Для выбора условий проведения хроматографического анализа, т.е. для изучения сорбции и десорбции каждого элемента в отдельности, строят выходные кривые. Полное разделение компонентов возможно, если между пиками концентраций имеет место чистая зона растворителя.

На приведённой кривой чёткое разделение между Cu²⁺, Pb²⁺, Bi³⁺, железо отделяется хуже.

Заключительной стадией хроматографического анализа смеси веществ является качественный и количественный анализ полученной хроматограммы.

Хроматограмма, полученная на адсорбенте белого цвета, представляет собой серию цветных зон, расположенных в определённом порядке.

Выявление бесцветных зон осуществляется методом проявления хроматограммы, обрабатывая зоны соответствующими реактивами или индикаторами.

Количественный анализ проводится лишь в том случае, когда осуществлено полное разделение смеси и хроматограмма состоит из отдельных неперекрывающихся зон, анализ сводится к определению вещества в каждой зоне. Широко применяется способ химического и радиохимического анализа отдельных зон, вырезанных из колонок.

При фронтальном анализе собирают последовательно порции фильтрата в отдельные приёмники и подвергают их количественному анализу химическими и физико-химическими методами.

Последовательность их распределения на колонке будет соответствовать величинам их ПР:

в верхней зоне расположится жёлтый осадок иодида серебра (ПРAgJ = 1,1·10^-16);

в средней части — голубовато-серый бромида серебра (ПРAgBr = 6·10^-13);

в нижней части белый осадок хлорида серебра (ПРAgCl = 1,8·10^-10).

В качестве носителя используют чистые вещества, обладающие хорошей фильтрующей способностью (Al₂O₃, силикагель) — высокодисперсные, (BaSO₄) — гидродисперсные.

Носитель может быть индиферентным по отношению к осадителю, хроматографируемым веществам, к образующимся осадкам.

Желательно, чтобы носитель имел светлую окраску.

Осадитель — это реагент, образующий с определяемыми ионами труднорастворимые осадки.

Осадитель должен быть индиферентным к носителю и хорошо адсорбироваться на носителе.

Осадочная хроматография может проводиться на колонке, на бумаге и на тонком слое.