Хроматография
ТОВАРОВ.
Разделение сложных смесей хроматографическим способом основано главным образом на различной сорбируемости компонентов смеси. Немаловажное значение имеют также различия
растворимости, диффузии и других физико-химических свойствах. Существенный признак хроматографического процесса - его динамический характер. При хроматографировании так называемая подвижная фаза, содержащая анализируемую пробу, перемещается через неподвижную фазу. При этом акты сорбция - десорбция многократно повторяются, что является характерной особенностью хроматографического процесса и в значительной степени обусловливает эффективность тонких хроматографических разделений.
Хроматографический метод анализа разработан русским ботаником М.С.Цветом в 1903 г., однако по достоинству метод был оценен значительно позже. Заметное развитие хроматографичес-ких методов началось в 1930-е годы, когда возникла острая потребность в новом методе разделения смесей, так как существовавшие в то время методы не могли обеспечить эффективное разделение веществ, разлагающихся при нагревании.
Хроматография продолжает бурно развиваться и в настоящее время. Применение хроматографии исключительно велико и многообразно и не ограничивается областью только аналитической химии. Хроматографические методика и аппаратура используются для определения и исследования различных физико-химических свойств вещества и характеристик процессов (коэффициентов диффузии, удельной поверхности, термодинамических и кинетических характеристик адсорбции и т.д.). С помощью методов препаративной хроматографии в лаборатории получают чистые вещества. Методы промышленной хроматографии используют в ряде производств.
Различные методы хроматографии можно классифицировать по агрегатному состоянию фаз, методике эксперимента и механизмам разделения.
По методике проведения хроматографического эксперимента различают следующие основные виды хроматографии:
· фронтальную;
· проявительную (элюентную);
· Вытеснительную.
Фронтальный метод. Это простейший по методике вариант хроматографии. Он состоит в том, что через колонку с адсорбентом непрерывно пропускают анализируемую смесь, например компонентов Аи Б в растворителе S. В растворе, вытекающем из колонки, определяют концентрацию каждого компонента и строят график в координатах количество вещества - объем раствора, прошедший через колонку. Эту зависимость обычно и называют хро-матограммой или выходной кривой.
Вследствие сорбции компонентов А и В сначала из колонки будет вытекать растворитель S, потом 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. Его применяют, например, для очистки раствора от примесей, если они сорбируются существенно лучше, чем основной компонент.
Проявительный (элюентный) метод. При работе по этому методу в колонку вводят порцию анализируемой смеси, содержащей компоненты А и В в растворителе S колонку непрерывно промывают газом-носителем или растворителем S При этом компоненты анализируемой смеси разделяются на зоны - хорошо сорбирующееся вещество В занимает верхнюю часть колонки, а менее сорбирующийся компонент А - нижнюю. В газе или растворе, вытекающем из колонки, сначала появляется компонент А, а затем В. Чем больше концентрация компонента, тем выше пик и больше его площадь, что является основой количественного анализа. Проявительный метод дает возможность разделять сложные смеси. Недостаток метода - уменьшение
концентрации выходящих растворов за счет разбавления растворителем.
Вытеснительный метод. В этом методе некоторое количество анализируемой смеси компонентов А и В в растворителе S вводят в колонку и промывают раствором вещества D (вытеснитель), которое сорбируется лучше, чем любой из компонентов анализируемой смеси (см. рис. 1, в). При некоторых условиях длина ступени (S + Л и др.) пропорциональна концентрации. Эта зависимость используется в количественном анализе. Концентрация раствора при хроматографировании не уменьшается в отличие от проявительного метода. Существенный недостаток вытеснительного метода - частое наложение зоны одного вещества на зону другого, поскольку зоны компонентов в этом методе не разделены зоной растворителя.
Рассмотрим теперь основные механизмы хроматографического разделения.
Молекулярная адсорбционная хроматография жидкостей. Разделение в этом методе основано на различной молекулярной адсорбируемости компонентов смеси. Распределение вещества между сорбентом и раствором характеризуется изотермой адсорбции, показывающей зависимость количества адсорбированного вещества от концентрации при постоянной температуре (уравнение Лангмюра):
где а - количество адсорбированного вещества при равновесии; а0 - максимальное количество мест на адсорбенте, которое может быть занято адсорбированным веществом; b - постоянная; С- концентрация.
Хотя изотермы адсорбции как растворенных веществ, так и газов описываются одним и тем же уравнением, все же процесс адсорбции из раствора осложняется участием растворителя. Очевидно, чем меньше будет адсорбируемость растворителя, тем более эффективно будет сорбироваться растворенное вещество. Растворители в молекулярной адсорбционной хроматографии жидких веществ должны быть химически инертными по отношению к растворенным веществам и сорбенту и обладать высокой растворяющей способностью. В зависимости от химической природы хро-матографируемых веществ и сорбентов в качестве растворителей применяют воду, спирты, ацетон, эфиры, диоксан, бензол, толуол и т.д.
Адсорбент в молекулярной хроматографии жидкостей должен быть химически инертным к компонентам смеси и растворителю, избирательным и обладать определенным постоянством свойств. Наиболее распространенные адсорбенты молекулярной хроматографии
жидких веществ - оксид алюминия, силикагели, активные угли и цеолиты.
Аппаратурное оформление хроматографии жидкостей и про-боотбор могут быть самыми разнообразными. Применяют колонки с нисходящим и восходящим потоками, работающие как под давлением, так и в вакууме. Хотя на колонках с восходящим потоком достигается лучшее разделение, их применяют реже, чем более простые колонки с нисходящим потоком. В некоторых случаях четкость разделения увеличивается при применении вакуума.
Молекулярную адсорбционную хроматографию жидкостей часто применяют в органической химии - в технологии и анализе. С помощью этого метода весьма успешно изучают, например, состав нефти, керосина, углеводородов и эффективно разделяют транс- и ^wc-изомеры, алкалоиды и т.д. Обычно используется вытеснительный или проявительный метод.
Газовая хроматография. Адсорбция газа на твердом адсорбенте также подчиняется уравнению изотермы адсорбции. Адсорбционная хроматография является весьма эффективным способом разделения компонентов газовой смеси. В принципе с помощью хро-матографической методики можно разделить любые газовые смеси. Однако практическое разделение достигается далеко не всегда вследствие наложения диффузионных, кинетических и других факторов, существенно осложняющих процесс адсорбции.
Основными узлами хроматографа являются дозатор, хромато-графическая колонка, детектор. Кроме того, в хроматографе имеются устройства для подачи газа-носителя, преобразования импульса детектора в соответствующий сигнал и некоторые другие.
Хроматографические колонки весьма различны по форме, размерам и конструкционным материалам. Применяются прямые, спиральные и другие колонки длиной от 1 - 2 м до нескольких десятков метров, внутренний диаметр колонок составляет обычно несколько миллиметров. В зависимости от свойств анализируемой системы в качестве конструкционных материалов для колонок используют сталь, латунь, стекло и др.
Большое влияние на сорбируемость газа оказывает температура, поэтому хроматографические колонки, как правило, термо-статируют, нередко при температурах значительно ниже О °С, что необходимо, например, для эффективного разделения низкокипящих газов.
Детектор предназначен для обнаружения изменений в составе газа, прошедшего через колонку. Показания детектора обычно преобразуются в электрический сигнал и передаются фиксирующему или записывающему прибору, например на ленту электронного потенциометра, компьютер.
Детекторы подразделяют на дифференциальные, которые отражают мгновенное изменение концентрации, и интегральные,
суммирующие изменение концентрации за некоторый отрезок времени. К группе дифференциальных относятся :
· Термохимический;
· Пламенный;
· Ионизационный;
· и некоторые другие детекторы, катарометры и т.д.
Один из наиболее распространенных типов дифференциальных детекторов - катарометр. Принцип его работы основан на измерении сопротивления нагретой платиновой или вольфрамовой нити. Сопротивление зависит от состава омывающего газа. Количество теплоты, отводимое от нагретой нити, при прочих постоянных условиях зависит от теплопроводности газа, а теплопроводность смеси газов - от ее состава. Таким образом, чем больше теплопроводность определяемых компонентов смеси будет отличаться от теплопроводности газа-носителя, тем большей чувствительностью будет обладать катарометр.
Наиболее подходящим газом-носителем с этой точки зрения является водород, теплопроводность которого значительно превышает соответствующую характеристику большинства других газов. Катарометр позволяет обнаружить 10~5- 10~8 моль примеси. В последнее время металлические нити успешно заменяются термистора-ми, имеющими более высокий, чем у металлов, коэффициент электрической проводимости. Наибольшей чувствительностью обладают ионизационные или пламенно-ионизационные детекторы, позволяющие обнаружить 10~15 моль примесей. В пламенно-ионизационных детекторах измеряют электрическую проводимость пламени водородной горелки. Чисто водородное пламя обладает очень низкой электрической проводимостью. При появлении в водороде многих примесей пламя ионизируется пропорционально концентрации примеси, что легко может быть измерено. Высокая чувствительность детекторов этого типа обусловила их широкое применение.
В интегральных детекторах анализируемый газ на выходе из колонки поглощается каким-либо раствором, а затем анализируется поглощающий раствор или оставшийся непоглощенным газ.
Возможности хроматографического определения веществ в газовой фазе значительно возросли с открытием в 1952 г. метода газожидкостной хроматографии. Анализируемая газовая смесь проходит через колонку, наполненную в отличие от адсорбционной газовой хроматографии не просто адсорбентом, а твердым носителем, на поверхность которого нанесен тонкий слой жидкой фазы. Таким образом, с компонентами пробы здесь взаимодействует уже вещество жидкой пленки, а не твердый адсорбент.
Появление жидкой пленки изменяет природу физико-химических процессов в хроматографической колонке. Вместо процесса сорбции газа на твердом адсорбенте в колонке происходит растворение газа в тонкой пленке, находящейся на твердом носителе. Эффективность разделения определяется не процессами сорбции - десорбции газа, как это было в адсорбционной газовой хроматографин, а растворением газа в жидкой пленке и его выделением. Различие в растворимости газов оказалось более существенным, чем различие в их адсорбционных свойствах, поэтому газожидкостная хроматография открыла более широкие возможности в разделении и анализе многокомпонентных смесей. Очень важным преимуществом газожидкостной хроматографии является возможность работы в области линейной изотермы, что обеспечивает получение практически симметричных хроматографических пиков.
В качестве твердых носителей применяются инертные вещества с развитой поверхностью, но малой микропористостью, чтобы исключить адсорбцию газа на поверхности. Наибольшее распространение в качестве носителя получили каолин, трепел, тефлон и т.д.
Существенно повышается эффективность разделения в капиллярной хроматографии. Название метода связано с тем, что в качестве хроматографической колонки используется капилляр с внутренним диаметром 0,1 - 0,5 мм и длиной в несколько десятков метров. Жидкая фаза наносится непосредственно на стенку этого капилляра, которая в данном случае играет роль носителя. Условия разделения, реализуемые в процессе капиллярной хроматографии, приводят к получению более четких полос, позволяют применять небольшие дозы анализируемого вещества и сокращают время анализа. Однако применение капиллярной хроматографии увеличивает требования к точности отбора пробы, чувствительности детектора и т.д.
Эффективным оказалось сочетание газовой хроматографии с другими методами исследования: ИК-спектроскопией, масс-спек-трометрией и др., а также использование селективных и последовательно работающих детекторов.
Количественный хроматографический анализ основан на измерении различных параметров пика, зависящих от концентрации хроматографируемых веществ - высоты, ширины, площади и удерживаемого объема или чаще - произведения удерживаемого объема на высоту пика. При достаточной стабильности условий хроматографирования и детектирования определяющим параметром пика можно считать его высоту. Расчет по площади пика позволяет несколько снизить требования к стабильности условий хроматографирования по сравнению с расчетом по высоте пика, однако само измерение площади вызывает появление новых источников ошибок. В случае узких пиков некоторые преимущества имеет измерение произведения удерживаемого объема на высоту пика. При неполном разделении ошибки возрастают из-за наложения и искажения контуров пиков. В этих случаях используют специальные приемы, опирающиеся главным образом на измерение высоты пиков.
В количественной хроматографии применяются методы абсолютной калибровки и внутренней нормализации, или нормирования.
Используется также метод внутреннего стандарта. При абсолютной калибровке экспериментально определяют зависимость высоты или площади пика от концентрации вещества и строят калибровочные графики или рассчитывают соответствующие коэффициенты. Далее определяют те же характеристики пиков в анализируемой смеси и по калибровочному графику находят концентрацию анализируемого вещества. Этот простой и точный метод является основным при определении микропримесей.
При использовании метода внутренней нормализации принимают сумму каких-либо параметров пиков, например высот всех пиков или их площадей, за 100%. Тогда отношение высоты отдельного пика к сумме высот или отношение площади одного пика к сумме площадей при умножении на 100 будет характеризовать процентное содержание компонента в смеси. При таком методе необходимо, чтобы зависимость величины измеряемого параметра от концентрации была одинаковой для всех компонентов смеси.
Широкое применение и большое значение газовой хроматографии в практике вызвано тем, что с ее помощью можно идентифицировать отдельные компоненты сложных газовых смесей и определять их количественно; выполнение анализа не требует больших затрат времени, а метод является достаточно универсальным.
Распределительная жидкостная хроматография. Распределительная хроматография на колонках по идее близка к газожидкостной хроматографии. На твердый носитель также наносится пленка жидкой фазы, однако через колонку, наполненную таким сорбентом, пропускают не газовую пробу, а жидкий раствор. В связи с этим такой вид хроматографии называют жидкостно-жидкостной распределительной или просто распределительной хроматографией. Жидкость, нанесенную на носитель, называют неподвижной жидкой фазой, а растворитель, передвигающийся через носитель, - подвижной жидкой фазой. В качестве твердого носителя может быть использован почти любой из тех, которые применяются в газожидкостной хроматографии. Применяют также крахмал, целлюлозу, некоторые полимеры и ряд других веществ. Распределительную жидкостную хроматографию с применением колонок называют распределительной хроматографией на колонках или распределительной колоночной хроматографией.
Осадочная хроматография. Разделение вещества в осадочной хроматографии основано на образовании малорастворимых соединений. Успешное разделение смеси достигается многократным повторением процесса образования осадка и его растворения в ходе хроматографирования.
Практически осадочную хроматограмму можно получить пропусканием анализируемого раствора через хроматографическую колонку, содержащую носитель и осадитель, или пропусканием раствора осадителя через колонку, содержащую носитель и определяемые вещества. В качестве носителя часто применяется оксид алюминия. Вместо колонки с носителем может быть использована также хроматографическая бумага. Тогда метод называют осадочной бумажной хроматографией.
Если осадки окрашены, качественный анализ проводится по цвету зоны и ее расположению в колонке или на бумаге. Многие реакции классического капельного анализа на бумаге являются, по сути дела, реакциями осадочной хроматографии. В случае бесцветных осадков в колонку после хроматографирования вводят специфичные реактивы, образующие окрашенные соединения с определяемыми ионами.
Ионообменная хроматография. Она основана на обратимом стехиометрическом обмене ионов, находящихся в растворе, на ионы, входящие в состав ионообменника. Хотя явление, называемое ныне ионным обменом, фактически было известно с середины XIX в., широкое применение ионообменных процессов в практике началось после создания синтетических ионообменников - ионообменных смол, или ионитов. Используемые ранее естественные ионообменники (различные алюмосиликаты и другие соединения) не обладали достаточной воспроизводимостью свойств, не были химически устойчивыми и т.д. и поэтому существенного практического применения не имели.
Применяемые в настоящее время синтетические ионообменники лишены многих недостатков, присущих естественным ионо-обменникам, и обладают рядом важных достоинств - имеют высокую обменную емкость и воспроизводимые ионообменные и другие свойства, устойчивы к действию кислот и оснований, не разрушаются в присутствии многих окислителей и восстановителей и т.д.
Обычно синтетический ионообменник представляет собой полимер, например поперечносшитый полистирол, содержащий различные функциональные группы, которые и определяют наиболее характерные свойства смол. Известны также синтетические неорганические иониты, например различные пермутиты, активированный оксид алюминия, гели на основе соединений железа или циркония и т.д. Однако практическое применение органических ионообменных смол намного больше.
В качестве примера можно указать методику разделения ионов циркония (IV) и гафния (IV). Для разделения эти катионы сначала переводятся в анионные сульфатные комплексы, которые поглощаются анионитом. При последующем элюировании 1М H2SO4 комплексы полностью разделяются (сначала вымывается гафний, а затем цирконий).
Ионообменные методы применяют для определения суммарного содержания катионов или анионов в растворе и анализа растворов солей. При пропускании через катионит в Н+-форме раствора, например соли натрия, в результате ионообменного процесса HR + Na+=NaR + H+ в растворе появляется эквивалентное количество Н+-ионов. Концентрация ионов Н+ может быть определена, например, титрованием и таким образом найдена концентрация Na+ в исходном растворе.
Ионообменные процессы могут быть использованы также для перевода в раствор малорастворимых соединений. Для этого взвесь малорастворимой соли MX следует обработать ионитом HP до наступления равновесия MX + НР = МР + Н+ + X-- и десорбировать М+ с ионита подходящим растворителем. Возможность разделения будет определяться величиной сродства М+ к Р и растворимостью соли MX. Известны методики растворения с помощью ионного обмена таких осадков, как BaSO4, AgCl и др.
Рассмотренные способы применения ионообменных смол показывают широкие возможности, которые открывает использование ионитов в аналитической химии.