Ионообменная хроматография

Ионообменная хроматография - это метод разделения смесей, основанный на распределении ионов смеси одного знака заряда между раствором и ионообменником (ионитом). Ионообменники поглощают из раствора положительно или отрицательно заряженные ионы в обмен на эквивалентное количество ионов того же знака заряда ионообменика.

При этом следует отличать ионообменную хроматографию от обычного ионного обмена, когда на колонке разделяют два вида ионов противоположных зарядов или поглощают только один вид ионов с целью концентрирования их.

В зависимости от знака заряда обменивающихся ионов иониты разделяются на катиониты, когда происходит обмен катионов, и аниониты, когда происходит обмен анионов. В основном применяются синтетические иониты на полимерной органической основе, но в особо агрессивных средах применяют и неорганические ионообменники.

Синтетические ионообменники состоят из полимерной матрицы (каркаса) R и ионогенных активных групп: –SO₃H, –COOH, –NH₃OH, –OH, –SO₃Na и т.п. В общем виде химические формулы ионитов можно записать таким образом: R(SO₃H)_n, R(COOH)_n, R(NH₃OH)_n и т.д. Здесь функциональные группы –SO₃^–, –COO^–, –NH₃⁺ зафиксированы на полимерном каркасе, а противоионы Н⁺ и ОН^– подвижны и могут обмениваться на другие ионы раствора с зарядом того же знака. Реакцию ионного обмена можно записать как обычную обратимую химическую гетерогенную реакцию. При этом равновесие может достигаться только в статических условиях.

Так для реакций катионного обмена:

R(SO₃H)_n + mM^z⁺ +mzH₂O ⇄ [R(SO₃H)_n_-_mzM_m(SO₃)_mz] + mzH₃O⁺

Аналогично и для анионного обмена:

R(NH₃OH)_n + mA^z^– ⇄ [R(NH₃OH)_n_-_mzA_m(NH₃)_mz] + mzOH^–

Количественное соотношение обменивающихся ионов в растворе и в фазе сорбента зависит от природы ионогенных групп и свойств анализируемого раствора, т.е. от рН среды, природы поглощаемых ионов, их концентраций и заряда.

Характеристики ионитов. По своим химическим свойствам, а следовательно, и по поведению в водных растворах иониты подразделяются на сильнокислотные (сильноосновные) и слабокислотные (слабоосновные). Их способности к ионному обмену в водных растворах полностью определяются поведением функциональных ионогенных групп.

Сильнокислотные ионогенные группы (–SO₃H) хорошо ионизируются и практически не протонируются (при рН ≥ 2) в водных растворах и обладают способностью к обмену ионов в кислой, нейтральной и щелочной средах. Слабокислотные ионогенные группы (–COOH) ионизируются слабо, а в кислых растворах сильно протонируются, поэтому они способны к ионному обмену только в щелочных средах и незначительно в нейтральных. Сильноосновные аниониты так же способны поглощать анионы из водных растворов в широком интервале рН, а слабоосновные – только в кислых средах.

Экспериментально установлены ряды селективности ионов по отношению к ионообменникам. Так при низких концентрациях раствора на сильнокислотных катионитах ионы с одинаковым зарядом поглощаются в последовательности возрастания их ионных радиусов (или в порядке уменьшения радиусов гидратированных ионов):

Ионы	Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺
Радиус иона, нм	0.07 0.10 0.13 0.15 0.17
Ионы	Mg²⁺ < Ca²⁺ < Sr²⁺ < Ba²⁺
Радиус иона, нм	0.07 0.10 0.12 0.14

Для ионов разных зарядов сорбируемость, как правило, увеличивается в порядке возрастания заряда: Na⁺ < Ca²⁺ < Al³⁺ < Th⁴⁺.

Сорбционные (ионообменные) характеристики ионитов. Важной характеристикой ионита является его обменная емкость. В этой связи различают:

· полную обменную емкость (ПОЕ) ионита, которая характеризуется количеством миллиэквивалентов ионогенных групп в 1 г воздушно-сухого ионита или в 1 мл набухшего ионита;

· статическую обменную емкость (СОЕ) ионита, которая характеризуется количеством миллиэквивалентов поглощенных ионов в статических условиях единицей массы или объема ионита;

· динамическую (рабочую) обменную емкость (ДОЕ), которая характеризуется количеством миллиэквивалентов поглощенных ионов на единицу массы ионита в динамических условиях до проскока поглощаемых ионов на выходе из колонки;

· полную динамическую обменную емкость (ПДОЕ), которая характеризуется количеством поглощенных ионов (в миллиэквивалентах на единицу массы ионита) в динамических условиях при полном насыщении ионита, когда концентрация ионов на выходе из колонки становится такой же, как и на входе в нее.

Всегда СОЕ < ПОЕ и ДОЕ < ПДОЕ.

Плоскостная (планарная) хроматография

К плоскостным видам хроматографии относят бумажную (БХ) и тонкослойную (ТСХ). Эти два вида жидкостной хроматографии близки по технике выполнения, экспрессны и не требуют дорогостоящего оборудования.

Разделение веществ этими методами можно выполнять с использованием различных механизмов взаимодействия разделяемых веществ с сорбентом. Адсорбционный и распределительный виды БХ и ТСХ применяют, главным образом, для разделения и качественного определения компонентов анализируемой смеси. Для количественных определений обычно используют бумажную осадочную хроматографию.

В методе БХ в качестве неподвижной фазы используют целлюлозное волокно специальной бумаги (хроматографической), а в методе ТСХ – различные сорбенты (оксид алюминия, силикагель, целлюлозу и др.), нанесенные на пластинку тонким слоем. В качестве подвижной фазы используют различные растворители (включая и дистиллированную воду) или их смеси, например, 50%-ную смесь воды с глицерином.

Хроматографическое разделение в плоскостных видах хроматографии, как и в колонке, обусловлено переносом компонентов подвижной фазой вдоль слоя неподвижной фазы с различными скоростями в соответствии с их коэффициентами распределения. Разделяемые компоненты образуют в тонком слое сорбента или на полоске бумаги отдельные зоны (рис.5.3), положение которых на хроматограмме характеризуется относительной скоростью перемещения компонентов R_f (см. уравнение 5.2) в тонком слое сорбента или на полоске бумаги. Величина R_f зависит от природы неподвижной и подвижной фаз и техники проведения эксперимента. Эффективность разделения двух веществ можно оценить по величине коэффициента селективности .

В зависимости от способа хроматографирования хроматограммы получают восходящими, нисходящими, двухмерными (в перпендикулярных направлениях с различными подвижными фазами) и круговыми. Обычно предпочтение отдают восходящим хроматограммам.

Качественный анализ проводят визуально по характерной окраске окрашенных зон разделяемых компонентов. Неокрашенные зоны компонентов проявляют соответствующими реагентами. При количественных определениях, не требующих высокой точности, применяют различные приемы: смывают окрашенные зоны или вырезают их из бумажной хроматограммы и определяют аналиты другими методами, например, по спектрам отражения спектрофотометрическим методом.

Для количественных определений известных компонентов наиболее простым и достаточно надежным способом является метод бумажной осадочной хроматографии.

Бумажная осадочная хроматография

Бумажная осадочная хроматография применяется для количественного определения органических и неорганических веществ, образующих в порах бумаги, импрегнированной (пропитанной) осадителем, малорастворимые окрашенные соединения. Иногда этот вид хроматографии называют титриметрической или пиковой.

Растворы анализируемых компонентов одним и тем же капилляром наносят на стартовую линию бумаги и получают первичные хроматограммы. Затем после высушивания бумагу проявляют, опуская ее в кювету с раствором проявителя. Проявитель, поднимаясь вдоль волокон бумаги, увлекает (перемещает) не вступившие в реакцию с осадителем частицы аналита. В результате на проявленной хроматограмме осадки определяемых компонентов образуют зоны в виде пиков (рис. 5.7). Для бесцветных осадков применяют дополнительный проявитель – опрыскиватель, позволяющий получить окрашенный пик. Эмпирически установлено, что площадь зоны (S) осадка на хроматограмме является функцией концентрации с компонента в анализируемом растворе:

S = a lg с + b,

где a и b – постоянные, определяемые экспериментально. Поскольку площадью зоны является треугольник (пик), площадь которого пропорциональна его высоте (при одинаковых основаниях) h, которая в этом методе и является аналитическим сигналом. Если образуется несколько осадков, то пики компонентов на хроматограмме располагаются один над другим в порядке возрастания растворимости осадков (h ₁ и h ₂). Хорошее разделение зон осадков на хроматограмме наблюдается только в том случае, если растворимость осадков различается не менее, чем в 10³ раз.

c ₁ < c ₂< c ₃ < c ₄ < c ₅< c ₆ < c ₇ < c ₈

Рисунок 5.7 – Бумажная осадочная хроматограмма: h – высота пика;

с ₁, с ₂, …, с ₈ – концентрации растворов

Сравнивая высоты пиков на хроматограмме, полученной при хроматографировании стандартных растворов с известной концентрацией и анализируемых растворов, одним из методов находят неизвестные концентрации, а зная объем проб, находят неизвестное содержание определяемых компонентов. Чаще всего используют метод градуировочного графика зависимости h от с. Этот метод пользуется особой востребованностью при проведении анализов во внелабораторных условиях (экспедициях, природных условиях и т.п.).