Аналитические методы разделения

Под относительным концентрированием  понимают увлечение концентрации  примесей по отношению к содержанию основного компонента. Оно сводится к селективной экстракции примесей или (реже) экстракции макрокомпонента.

Существенным достоинством экстракционных методов является их быстрота. Для проведения разделения обычно бывает достаточно нескольких минут и, как правило, кроме делительной  воронки никакой другой аппаратуры не требуется. Широкий выбор экстракционных реагентов и растворителей позволяет  подобрать оптимальные условия  селективного выделения того или  иного компонента практически любой  смеси. Нередко экстрагированное соединение окрашено, что позволяет непосредственно  использовать экстракт для количественных фотометрических определений микрокомпонента. Известно также эффективное использование  экстракционных методов в технологии цветных и других металлов.

Крупные успехи в анализе  микрокомпонентов достигнуты в значительной степени благодаря применению экстракционных методик, которые продолжают интенсивно развиваться и совершенствоваться.

 

 

 

2. Хроматографические  методы

2.1. Теоретические  основы и классификация хроматографических  методов

Хроматография -  это физико-химический метод разделения веществ, основанный на разделение компонентов между двумя фазами – неподвижной и подвижной. Неподвижной (стационарной) фазой обычно служит твердое вещество (его часто называют сорбентом ) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу.

Компоненты анализируемой  смеси вместе с подвижной фазой  передвигаются вдоль стационарной фазы. Последнюю обычно помещают в  стеклянную (или металлическую) трубку, называемую колонкой. В зависимости от силы взаимодействия с поверхностью сорбента компоненты перемещаются вдоль колонки с разной скоростью. Одни компоненты остаются в верхнем слое сорбента, другие, с меньшей степенью взаимодействия с сорбентом, оказываются в нижней части колонки, некоторые покидают колонку вместе с подвижной фазой. Таким образом компоненты разделяются.

Хроматографические метод  принципиально основан на разделении отдельных составляющих многокомпонентных  смесей. Главной особенностью хроматографического  метода анализа является избирательное  поглощение (сорбция) определяемых компонентов  анализируемой смеси различными сорбентами. Метод основан на использовании  сорбционных процессов в динамических условиях. В простейшем виде эти  условия создаются при прохождении  потока смеси газов, паров, жидкостей  или раствора через колонку, содержащую слой зерненного сорбента. При движении смеси через сорбент происходит многократное повторение процессов, обуславливающих  разделение компонентов.

Известны различные хроматографические  методы. Все хроматографические методы можно рассматривать как совокупность элементарных миграционных процессов, в которых компоненты пробы селективно удерживаются неподвижной фазой.

Неподвижная фаза представляет собой твердое вещество с высокоразвитой поверхностью или неподвижную жидкость.

Простота, эффективность и универсальность хроматографического метода обусловили широкое применение его для решения различных вопросов химии, биологии, медицины, физики, химической технологии и связанных с ней других областей промышленности и техники.

С помощью хроматографического  метода возможно: разделение сложных  смесей органических и неорганических веществ на отдельные компоненты, разделение и выделение растительных и животных пигментов, изотопов, редкоземельных элементов и других веществ; разделение веществ, близких по их физико-химическим свойствам; селективное извлечение веществ из сложных смесей; очистка  веществ от посторонних примесей, концентрирование веществ из сильно разбавленных растворов; определение  молекулярной структуры некоторых  соединений путем установления связи  между сорбируемостью  и строением  данного вещества; качественный и  количественный анализ исследуемого вещества. Хроматографический метод используется также для препаративных и  промышленных целей и обеспечения  необходимых мер по очистке окружающей среды от загрязнений.

В отличие от ряда других методов, основанных на распределении  компонентов между фазами, хроматография  – это динамический метод, обеспечивающий многократность актов сорбции-десорбции  разделяемых компонентов, так как  разделение происходит в потоке подвижной  фазы. Этим обуславливается большая  эффективность хроматографического  метода по сравнению с методами сорбции  и экстракции.

2.1.1 Способы выполнения хроматографического анализа

По способу относительного перемещения фаз различают фронтальную,  проявительную  (элюэнтную) и вытеснительную.

Фронтальный метод. Это простейший по методике вариант хроматографии. Он состоит в том, сто через колонку с адсорбентом непрерывно пропускают анализируемую смесь, например, компонентов А и В в растворителе Solv. В растворе, вытекающим из колонки, определяют концентрацию каждого компонента и строят график в координатах концентрация вещества – объем раствора, прошедшего через колонку. Эту зависимость обычно называют хроматограммой или выходной кривой. ( рис.2.1)

Вследствие сорбции веществ  А и В сначала из колонки  будет вытекать растворитель Solv, затем растворитель и менее сорбирующийся компонент А, а затем и компонент В и, таким образом, через некоторое время состав раствора при прохождении через колонку меняться не будет. Фронтальный метод используется сравнительно редко. Он применяется, например, для очистки раствора от примесей, если они сорбируются существенно лучше, чем основной компонент, или для выявления из смеси наиболее слабо сорбирующегося вещества.

 

Проявительный (элюэнтный) метод. При работе по этому методу в колонку вводят анализируемую смесь, содержащую компоненты А и В в виде порции раствора или газа и колонку непрерывно промывают газом-носителем или растворителем Solv. При этом компоненты анализируемой смеси разделяются на зоны: хорошо сорбирующееся вещество В занимает верхнюю часть колонки, а менее сорбирующийся компонент А будет занимать нижнюю часть. Типичная выходная кривая изображена на рис. 2.2

 

 

 

 

В газе или растворе, вытекающем из колонки, сначала появляется компонент А, далее — чистый растворитель, а затем компонент В. Чем больше концентрация компонента, тем выше пик и больше его площадь, что составляет основу количественного хроматографического анализа. Проявительный метод дает возможность разделять сложные смеси, он наиболее часто применяется в практике. Недостатком метода является уменьшение концентрации выходящих растворов за счет разбавления растворителем (газом-носителем).

 

Вытеснительный  метод. В этом методе анализируемую смесь компонентов А и В в растворителе Solv вводят в колонку и промывают раствором вещества D (вытеснитель), которое сорбируется лучше, чем любой из компонентов анализируемой смеси.

 

Концентрация раствора при  хроматографировании не уменьшается в отличие от проявительного метода. Существенным недостатком вытеснительного метода является частое наложение зоны одного вещества на зону другого, поскольку зоны компонентов в этом методе не разделены зоной растворителя.

 

 

2.1.2 Теоретические  основы хроматографии

Известно несколько теорий хроматографического процесса. Существенное значение имеют метод теоретических тарелок и кинетическая теория.

В методе теоретических тарелок  Мартина и Синджа хрома-тографическая  колонка мысленно делится на ряд  элементарных участков — «тарелок»  и предполагается, что на каждой тарелке очень быстро устанавливается  равновесие между сорбентом и  подвижной фазой. Каждая новая порция газа-носителя вызывает смещение этого  равновесия, вследствие чего часть  вещества переносится на следующую тарелку, на которой, в свою очередь, устанавливается новое равновесное распределение и происходит перенос вещества на последующую тарелку. В результате этих процессов хроматографируемое вещество распределяется на нескольких тарелках, причем на средних тарелках его концентрация оказывается максимальной по сравнению с соседними тарелками. Распределение вещества вдоль слоя сорбента подчиняется уравнению

 

С=С_max   , 
где x – расстояние от начала колонки до точки, в которой концентрация равна С; x₀  -  координата центра полосы; H – высота, эквивалентная теоретической тарелки (ВЭТТ); l – длина слоя сорбента, на которой произведено поглощение и размещено

 n теоретических тарелок, при этом

n = l/H.

Эффективность колонки тем  выше, чем меньше высота, эквивалентная теоретической тарелке, и больше число теоретических тарелок.

Таким образом,  теория  тарелок  позволяет  рассчитать важные количественные характеристики хроматографического процесса. Однако теория тарелок, основанная на допущении ступенчатого  характера  хроматографического процесса, по существу формальна, так как реальный процесс протекает непрерывно. Значение высоты, эквивалентной теоретической тарелке, и число тарелок являются характеристиками размытости зон. Эти величины сохраняют свое значение и в кинетической теории хроматографии, учитывающей скорость миграции вещества, диффузию и другие факторы.

Кинетическая теория хроматографии  основное внимание уделяет кинетике процесса, связывая высоту, эквивалентную  теоретической тарелке, с процессами диффузии, медленным установлением равновесия и неравномерностью процесса. Высота, эквивалентная теоретической тарелке, связана со скоростью потока уравнением Ван-Деемтера:

H=A + Ј+CU, 

где А, В и С — константы; U — скорость подвижной фазы.

Константа А связана с действием вихревой диффузии, которая зависит от размера частиц и плотности заполнения колонки, величина В связана с коэффициентом диффузии молекул в подвижной фазе, это слагаемое учитывает действие продольной диффузии, а С характеризует кинетику процесса сорбция-десорбция, массопередачу и другие эффекты. Влияние каждого слагаемого

уравнения  на величину Н в зависимости от скорости подвижной фазы показано на  рисунке. Первое слагаемое дает постоянный вклад в Н. Вклад второго слагаемого существен при небольшой скорости потока. С увеличением скорости подвижной фазы влияние третьего слагаемого возрастает, а доля второго уменьшается.  Суммарная кривая, характеризующая зависимость Н от скорости потока, представляет собой гиперболу. При небольшой скорости потока высота, эквивалентная теоретической тарелке, уменьшается, а затем начинает возрастать. Поскольку эффективность колонки тем выше, чем меньше высота, эквивалентная теоретической тарелке, оптимальная скорость подвижной фазы будет равна скорости, соответствующей точке минимума этой кривой. Чтобы найти эту точку, продифференцируем уравнение  и производную приравняем нулю:

H_oпт=A+2 

Таким образом, динамическая теория дает основу для оптимизации хроматографического процесса. 

2.1.3 Классификация  хроматографических методов

Хроматографические методы различают по следующим признакам:

• по агрегатному состоянию системы, в которой проводится разделение смеси на компоненты, - газовая, жидкостная и газо-жидкостная хроматография;
• по механизму разделения – адсорбционная ( жидкостная, газовая), распределительная, ионообменная, осадочная, окислительно-восстановительная, адсорбционно-комплексообразовательная хроматография;
• по способу проведения процесса – колоночная, капиллярная, плоскостная ( бумажная и тонкослойная).

В ряде случаев разделение оказывается результатом нескольких одновременно протекающих процессов с различными механизмами. Это приводит к образованию хроматограммы  смешанного типа, однако один из процессов всегда является доминирующим.

Особым видом хроматографии  является гель- хроматография, основанная на различной скорости диффузии молекул  и макромолекул компонентов смеси  в поры соответствующих сорбентов .

Вещества с большими молекулярными  массами практически не диффундируют в поры и элюируются первыми.

 

Рисунок  2.3 – Классификация  хроматографических методов анализа

 

2.2 Колоночная  хроматография и области ее  применения

 

2.2.1 Распределительная   колоночная хроматография

Распределительная хроматография  основана на использовании различия коэффициентов распределения (сорбируемости) отдельных компонентов анализируемой  смеси между двумя несмешивающимися жидкостями. В распределительной  хроматографии разделение веществ  осуществляется вследствие различной  и притом обратимой сорбции компонентов  смеси двумя несмешивающимися жидкими  фазами – подвижной и неподвижной.

В распределительной хроматографии  на колонках роль сорбента выполняет  неподвижный растворитель. Колонку  наполняют носителем (силикагель, окись  алюминия и др.) – веществом, индифферентным к хроматографируемому  веществам  и к применяемому растворителю. Носитель удерживает на своей поверхности  жидкую фазу – неподвижный растворитель. Пробу хроматографируемого раствора, содержащего несколько компонентов, вносят в колонку и, после того как раствор впитается, промывают колонку подвижным растворителем. При этом происходит перераспределение веществ смеси между двумя несмешивающимися жидкими фазами.

Для получения четкого  разделения смеси необходимо, чтобы  компоненты ее не взаимодействовали  с носителем и чтобы коэффициенты распределения их сильно различались  между собой. Одним из главных  условий разделения компонентов  анализируемой смеси методом  колоночной распределительной хроматографии  является различие в скоростях передвижения каждой зоны хроматографируемого вещества. Только соблюдение этих условий дает возможность получать отдельные  зоны чистых веществ при промывании колонки подвижным растворителем.