Хроматографический метод

Широкое применение в аналитической практике приобрел хроматографический метод анализа, предложенный в 1903 г. русским ученым

М. С. Цветом.

Метод основан на избирательном поглощении (адсорбции) отдельных компонентов анализируемой смеси различными адсорбентами. Адсорбентами называют твердые тела, на поверхности которых происходит поглощение адсорбируемого вещества.

Сущность хроматографического метода анализа кратко заключается в следующем. Раствор смеси веществ, подлежащих разделению, пропускают через стеклянную трубку (адсорбционную колонку), заполненную адсорбентом (рис. 17).

Вследствие различной адсорбируемости и скорости передвижения отдельных веществ, находящихся в анализируемом растворе, компоненты смеси удерживаются на различной высоте столба адсорбента в виде отдельных зон (слоев).

Г. Р. Кирхгоф (1824—1887).

Вещества, обладающие большей способностью адсорбироваться, поглощаются в верхней части адсорбционной колонки, хуже адсорбируемые — располагаются ниже. Вещества, не способные адсорбироваться данным адсорбентом, проходят через колонку, не задерживаясь, и собираются в фильтрате.

Хроматограмма. По мере прохождения через слой адсорбента новых порций раствора хорошо адсорбируемые вещества продолжают удерживаться в верхней части колонки, а вещества, адсорбируемые слабее, вытесняются с поверхности адсорбента в нижние слои. В результате на столбике адсорбента получается несколько зон.

Рис. 17. Адсорбционные колонки.

Если адсорбент бесцветен, а адсорбируемые вещества окрашены, то на столбе адсорбента появляются цветные зоны, образующие так называемую хроматограмму.

Например, при пропускании водного раствора солей меди и кобальта через слой адсорбента, состоящего из окиси алюминия, можно наблюдать образование двух различно окрашенных зон. Верхний слой, окрашенный в синий цвет, содержит -ионы; нижний слой, окрашенный в розовый цвет, — -ионы. По этим окрашенным зонам судят о наличии в анализируемом растворе катионов меди и кобальта (рис. 18).

Проявление бесцветных зон. Если адсорбируемые вещества бесцветны, то образуемые ими зоны тоже бесцветны. В этом случае для их «проявления» через колонку пропускают реактив, образующий с адсорбируемыми веществами или ионами окрашенные соединения. При этом бесцветные зоны окрашиваются в соответствующие цвета. Например, если через колонку, содержащую бесцветную зону -ионов, пропустить раствор , то слой адсорбента окрашивается в темно-синий цвет.

При пропускании растворителя через слой адсорбента зоны адсорбированных веществ перемещаются в направлении движения растворителя с различной скоростью и тем медленнее, чем сильнее адсорбируется вещество.

Рис. 18. Хроматограмма и -катионов на окиси алюминия.

М. С. Цвет (1872—1919).

Различная скорость движения вещества приводит к разделению зон, в каждой из которых оказывается только одно вещество.

Преимущество хроматографического метода анализа состоит в том, что в ряде случаев он применим тогда, когда другие методы разделения смеси оказываются непригодными. При помощи этого метода можно разделить малые количества веществ с очень близкими химическими свойствами. Хроматографический метод прост в выполнении, и поэтому все более широко используется для разделения самых разнообразных смесей неорганических и органических веществ.

Образование хроматограмм происходит не только в результате адсорбции, но и вследствие других физико-химических явлений. В существующих видах хроматографического анализа используются явления адсорбции, распределения анализируемых веществ между двумя несмешивающи-мися жидкостями, ионного обмена и образования осадков.

В зависимости от того, какое из указанных явлений превалирует в процессе разделения анализируемой смеси на составные компоненты, различают четыре вида хроматографического метода анализа: адсорбционную, распределительную, ионообменную и осадочную хроматографию.

Адсорбционная хроматография основана на избирательной адсорбции (поглощении) отдельных компонентов анализируемой смеси соответствующими адсорбентами. При работе этим методом анализируемый раствор пропускают через колонку, заполненную мелкими зернами адсорбента.

Применяют адсорбционную хроматографию преимущественно для разделения неэлектролитов, паров и газов.

Распределительная хроматография основана на использовании различия коэффициентов распределения (сорбируемости) отдельных компонентов анализируемой смеси между двумя несмешивающимися жидкостями. Одна из жидкостей (неподвижная) находится в порах пористого вещества (носителя), а вторая (подвижная) представляет собой другой растворитель, не смешивающийся с первым. Этот растворитель пропускают через колонку с небольшой скоростью.

Различные величины коэффициентов распределения обеспечивают неодинаковую скорость движения и разделения компонентов смеси.

Коэффициент распределения вещества между двумя несмешивающимися растворителями есть отношение концентрации вещества в одном (в нашем случае подвижном) растворителе к концентрации того же вещества в другом (неподвижном) растворителе:

В распределительной хроматографии одним из растворителей обычно служит вода. Она является неподвижным растворителем и находится в порах носителя, например крахмала или силикагеля. Разделение с помощью распределительной хроматографии выполняют следующим путем. Раствор анализируемой смеси веществ вводят в колонку и, после того как раствор впитается верхней частью носителя, начинают промывание колонки подвижным растворителем (например, бутиловым спиртом или смесью растворителей). В процессе промывания происходит непрерывное перераспределение веществ смеси между двумя несмешивающимися жидкостями.

Рис. 19. Камера для хроматографии на бумаге: 1 — стеклянная палочка; 2 — скрепка для бумаги; 3 — стеклянный цилиндр; 4 - растворитель.

Поскольку разные вещества смеси имеют различные коэффициенты распределения, то и скорость передвижения отдельных веществ смеси тоже различна. Наибольшей скоростью движения обладает то вещество, которое имеет наибольший коэффициент распределения. При промывании колонки подвижным растворителем образуются отдельные зоны чистых веществ.

В последнее время в качестве носителя для неподвижного растворителя вместо колонки используют полоски или листы фильтровальной бумаги, не содержащей минеральных примесей. В этом случае каплю испытуемого раствора, например смесь растворов солей железа (III) и кобальта, наносят на край полоски бумаги. Бумагу подвешивают в закрытой камере (рис. 19), опустив ее край с нанесенной на него каплей испытуемого раствора в сосуд с подвижным растворителем, например с -бутиловым спиртом. Подвижный растворитель, перемещаясь по бумаге, смачивает ее. При этом каждое содержащееся в анализируемой смеси вещество с присущей ему скоростью перемещается в том же направлении, что и растворитель. По окончании разделения ионов бумагу высушивают и затем опрыскивают реактивом, в данном случае раствором , который образует окрашенные соединения с разделяемыми веществами (синее — с ионами железа, зеленое — с ионами кобальта). Образующиеся при этом зоны в виде окрашенных пятен позволяют установить наличие отдельных компонентов (рис. 20) Такой вид распределительной хроматографии называют бумажной хроматографией.

Иногда одним растворителем не удается разделить все взятые вещества. В таких случаях подбирают второй растворитель и разделение осуществляют путем получения так называемой двумерной хроматограммы. Для получения двумерной хроматограммы на один из углов листа фильтровальной бумаги (примерно 50X50 см) наносят каплю анализируемого раствора. Затем лист одной стороной опускают в растворитель (например, смесь ацетона с хлористоводородной кислотой). По мере движения растворителя на бумаге происходит частичное разделение веществ, распределяющихся в вертикальном направлении. Бумагу высушивают, затем лист поворачивают на 90° и снова опускают во Второй растворитель (например, в смесь пиридина с водой), который и производит дальнейшее разделение веществ, вноёь распределяющихся в вертикальном направлении, перпендикулярном по отношению к первоначальному. Благодаря этому разделяемые компоненты смещаются относительно друг друга не только в вертикальном, как это наблюдается при одномерной хроматограмме, но и в горизонтальном направлении. Затем бумагу снова высушивают и положение отдельных компонентов смеси определяют, опрыскивая бумагу реактивом, дающим окрашенные соединения с определяемыми компонентами. Полученная таким способом хроматограмма представляет собой совокупность цветных пятен, расположенных на поверхности бумаги.

Бумажная хроматография в сочетании с применением органических реактивов позволяет провести качественный анализ сложных смесей катионов и анионов. На одной хроматограмме с помощью одного реактива можно обнаружить ряд веществ, так как для каждого вещества характерно не только соответствующее окрашивание, но и определенное место локализации на хроматограмме.

Рис. 20. Вид бумажной хроматограммы после проявлений: 1 - место нанесения капли раствора двухкомпонентной смеси; 2 — зона перйого компонента; 3 — зона второго компонента.

Хроматография на бумаге с успехом применима для разделения очень близких по химическим свойствам компонентов, определение которых обычными химическими методами затруднительно.

Особым видом распределительной хроматографии является газожидкостная хроматография, широко применяемая в последнее время в различных областях науки и промышленности. Ее используют для разделения газов и паров жидкостей. В качестве неподвижной фазы используют различные малолетучие растворители (например, кремний-органические соединения), а в качестве подвижной фазы — газообразные азот, водород, гелий, двуокись углерода и т. п.

Ионообменная хроматография основана на использовании ионообменных процессов, протекающих между подвижными ионами адсорбента и ионами электролита при пропускании раствора анализируемого вещества через колонку, заполненную ионообменным веществом (ионитом).

Иониты представляют собой нерастворимые неорганические и органические высокомолекулярные соединения, содержащие активные (ионогеиные) группы. Подвижные иоцы этих групп способны при контакте с растворами электролитов обмениваться на катионы или анионы растворенного вещества.

В качестве ионитов применяют окись алюминия (для хроматографии), пермутит, сульфоуголь и разнообразные синтетические органические ионообменные вещества — ионообменные смолы.

Иониты делят на катиониты, способные к катионному обмену; аниониты, способные к анионному обмену; амфолиты — ионообменные вещества, обладающие амфотерными свойствами, т. е. способные и к анионному и к катионному обмену.

В настоящее время в СССР применяют следующие катиониты: СБС, , КБ, РФ и аниониты: НО, и др.

Катиоиообменные смолы содержат активные группы: , —СООН, —ОН, которые структурно связаны со скелетом ионита; эти группы не могут переходить в раствор. Подвижными остаются только ионы водорода этих групп или замещающие их катионы. В анионообменных смолах активными являются основные группы . Обменными анионами являются ионы гидроксила, которые образуются на поверхности смолы в процессе ее гидратации.

Процессы обмена чередуют с процессом регенерации катионита или анионита. Это можно представить в виде следующих уравнений.

Катионный обмен:

или в общем виде

где R — сложный органический радикал.

Для регенерации катионита через колонку пропускают кислоту:

Анионный обмен:

или в общем виде

Для регенерации анионита через колонку пропускают щелочь;

Используя различную сорбируемость ионов на окиси алюминия (для хроматографии), К. М. Олыпанова разработала систематический качественный анализ катионов и анионов.

Осадочная хроматография основана на различной растворимости осадков, образуемых компонентами анализируемой смеси со специальными реактивами, нанесенными на высокодисперсное вещество. Анализируемые растворы пропускают через колонку, заполненную пористым веществом (носителем). Носитель пропитан реактивом-осадителем, который образует с ионами раствора осадки, имеющие различную растворимость.

Образовавшиеся осадки в зависимости от растворимости располагаются в определенной последовательности по высоте колонки.

Например, при пропускании раствора смеси солей ртути (II) и свинца через колонку с носителем, предварительно пропитанным раствором иодида калия, образуются два окрашенных слоя: верхний, окрашенный в оранжево-красный цвет , и нижний, окрашенный в желтый цвет .

Закрепление осадков на колонке происходит в результате удерживания осадков в порах носителя, поверхностного взаимодействия кристаллов осадка с зернами носителя и сорбции на носителе вступившего в реакцию осадителя.

Для анализа неорганических веществ применяют хроматографию ионообменную, распределительную и осадочную.

В качественном анализе катиониты применяют, например, для отделения от катионов I, II и III аналитических групп (см. гл. VI, § 22).

Большая заслуга в развитии хроматографических методов анализа в СССР принадлежит советским ученым: Б. П. Никольскому, К. В. Чмутову, А. А. Жуховицкому, Е. Н. Гапон, К. М. Ольшановой, Ф. М. Шемякину, А. Б. Даванкову и др.

Поиск по сайту: