книги из ГПНТБ / Волынец М.П. Тонкослойная хроматография в неорганическом анализе [Текст] 1974. - 151 с

вания улучшает четкость разделения, так как исчезают «хвосты» в зонах макрокомпонента.

Для разделения сложных смесей веществ используют также расслоение компонентов подвижных фаз в процессе полизональной хроматографии в тонком слое [304, 442].

Для улучшения эффективности разделения некоторые авторы используют специальные приемы работы: круговую ТСХ, много­ кратное (повторное) элюирование, двумерное разделение, гради­ ентные методы (с изменением разделительной способности слоя, элюирующего растворителя, температуры и т. д.). О них подробно говорится в упоминавшихся выше монографиях и руководствах по ТСХ. Здесь остановимся лишь на некоторых приемах, исполь­ зуемых в неорганической ТСХ.

Проста и удобна, например, для быстрого подбора необходимого растворителя методика круговойТСХ. За очень короткое время (1—2 мин.) она позволяет проводить тонкие разделения. Раство­ ритель подают с помощью специального приспособления в центр нанесенного на тонкий слой пятна. Вещества разделяются с обра­ зованием зон в виде концентрических колец. Этот способ целесо^ образно использовать при разделении основного компонента и примеси. С помощью круговой ТСХ были разделены благородные металлы [203, 204], Си, Со, Ni [209], ряд анионов [206], разделены катионы внутри различных аналитических групп [208], проведен качественный полумикроанализ с обнаружением 40 катионов и 19 анионов после их предварительного разделения экстракцией на 5 групп [207]. Метод круговой ТСХ применен при качественном ана­ лизе некоторых минералов и других веществ.

Обычно при развитии хроматографического процесса подвиж­ ный растворитель пропускают по пластинке один раз (однократный процесс). Но иногда целесообразно провести повторное (многократ­ ное) хроматографирование [163, 414]. Это целесообразно делать, например, в том случае, если необходимо более четко отделить достаточно большие количества макрокомпонента от веществапримеси, имеющего меньшие значения Rf. Так, например, посту­ пили при отделении миллиграммовых количеств урана от микрограммовых количеств РЗЭ в случае анализа высокочистого нитрата уранила [12]. В этом случае использовали один и тот же подвижный растворитель. Прием повторного элюирования применяют и при разделении элементов с очень близкими значениями Rf, например, при разделении РЗЭ [214].

Но иногда с одним и тем же растворителем вещества не могут быть разделены и при повторном хроматографировании. Тогда применяют ступенчатый метод, при котором сначала пропускают один растворитель, разделяющий несколько компонентов, допуская поднятие фронта почти до конца пластинки, а затем подбирают другой растворитель (для разделения веществ с более низкими зна­ чениями Rf), причем опыт прерывают, когда фронт второго раство­ рителя поднимется на меньшую высоту, чем фронт первого раство­

19

рителя. Таким способом ступенчатого хроматографирования раз­ делены, например, 1-нитрозо-2-нафтолаты никеля, двух- и трех­ валентного железа, меди, кобальта [325].

Развитие хроматографического процесса в двух взаимно пер­ пендикулярных направлениях (двумерные методы) применяют в слу­ чае разделения многокомпонентных смесей сложного состава. При этом могут быть использованы элюенты как одинакового, так и различного состава. Использование двумерного метода особенно целесообразно тогда, когда эффект разделения в двух направле­ ниях различен. Двумерное хроматографирование в неорганическом анализе применено для разделения многокомпонентных смесей РЗЭ [215], соединений иода в различных состояниях окисления [118], смеси моно-, ди- и трифосфорных кислот [116].

При проведении двумерного процесса особенно интересно со­ четание ТСХ (в одном направлении) с тонкослойным электрофоре­ зом (в перпендикулярном направлении) [118]. Комбинация этих двух способов была использована для разделения различных гидро­ лизованных форм хлоридных комплексов трех- и четырехвалент­ ного иридия на тонких слоях целлюлозы [317].

Существует способ градиентной хроматографии для разделения смеси веществ в системах с непрерывно изменяющимися свойствами [305]. В этом способе могут изменяться состав элюирующей системы (полярность, концентрация компонентов, величина pH и др.) [303, 306], состав сорбента [406, 411], его активность [219]. В неор­ ганической ТСХ градиентные способы еще не нашли широкого применения.

Из других методических приемов можно отметить метод чере­ дующихся слоев [121, 124] различной природы, нанесенных на пластинку рядом и плотно прилегающих один к другому. Так, для разделения смеси Fe—Ni—Со были использованы два соприкаса­ ющихся слоя (целлюлоза с добавкой диметилглиоксима и ионо­ обменная смола дауэкс-50ШХ2 в ЫН4-форме). При хроматографи­ ровании смесью воды, этанола, винной кислоты и аммиака компо­ ненты по-разному удерживаются сорбентами различной природы, и благодаря этому происходит их разделение.

Для непосредственного соединения двух или нескольких хрома­ тографических систем (например, перенос веществ из тонкого слоя на бумагу для изменения стационарной фазы) предложена «са­ мопереносящаяся хроматография», принцип осуществления которой изложен в [227].

Очень большая четкость и малое время разделения свидетель­ ствуют о целесообразности применения ТСХ для препаративных целей — разделения смесей веществ в граммовых количествах

[200, 201, 216, 218, 350, 421, 432]. Толщина слоя (закрепленного или незакрепленного) при этом увеличивается до 1,5—3 мм. Раз­ меры используемых пластинок различны — до 20—40 X 100 см (чаще всего 20 X 20 см).

Анализируемый раствор наносят на пластинку со слоем сор-.

20

бента узкой полосой вдоль стартовой линии. Емкость нагрузки слоя специфична для различных веществ и должна быть определена на модельном опыте. При перегрузке могут образовываться «хвосты» и происходит размытие в направлении, перпендикулярном направ­ лению движения. Как правило, на пластинке размером 20 х 20 см слой толщиной 1 мм разделяет 5—25 мгісм смеси компонентов. При этом длина стартовой линии, отступающей на 2 см от нижнего края пластинки, равна 15 см [216].

При использовании препаративной ТСХ для количественных определений, так же как и для получения чистых веществ, необ­ ходимо особенно тщательно очищать сорбент и растворители.

УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ХРОМАТОГРАФИИ В ТОНКИХ с л о я х

При разделении смеси веществ методом хроматографии в тонких слоях, так же как и при хроматографии на бумаге, для харак­ теристики отдельных компонентов приводят величины Rf, иногда, умноженные на 100. Как известно, величина Rf , характеризующая расположение вещества на хроматограмме, является величиной относительной и специфична для данного вещества при использова­ нии лишь данного сорбента и в данной системе'. Она зависит от ряда условий: способа работы, использованной камеры и ее насы­ щения, толщины слоя сорбента и его качества, качества раствори­ телей, длины пробега растворителей и т. д.

Для получения хороших разделений, воспроизводимых резуль­ татов и возможности сопоставления полученных данных необходима стандартизация условий проведения опыта при осуществлении хроматографического процесса в тонком слое сорбента на пластинке1357, 412]. Некоторые из этих условий обсуждаются ниже.

Прежде всего в методе ТСХ, и в неорганической ТСХ особенно, очень важно работать на предварительно очищенных от ионов железа продажных сорбентах. Для такой очистки приненяют соля­ ную кислоту. (О способах очистки сорбентов см. стр. 26.)

Постоянство структуры сорбента (например, постоянство мик­ ропористости силикагеля), размера гранул сорбента также играетбольшую роль для получения воспроизводимых результатов [438].

Не менее важна и чистота используемых растворителей. В боль­ шинстве случаев методы их очистки являются общепринятыми.

При разделении неорганических ионов методом ТСХ очень незначительные изменения во влажности сорбента (его активности) весьма сильно и по-разному могут изменить скорость продвижения тех или иных ионов по пластинке, хотя последовательность их расположения сохранится. При этом значения Rf могут сущест­ венно колебаться. Изучению влияния сорбента и относительной влажности атмосферы на воспроизводимость значений Rj посвя­ щены работы [150, 244]. На примере разделения красителей на слое силикагеля G установлено, что значения Rf уменьшаются с воз­

21

растанием активности сорбента, а наиболее воспроизводимые зна­ чения Rf получаются на слое, высушенном на воздухе без последу­ ющего нагревания (активирования).

Разделительные слои должны быть защищены от паров, находя­ щихся в атмосфере лаборатории.

Колебания в значениях Rf могут быть вызваны непостоянством толщины разделительного слоя. Поэтому при использовании при­ готовленных вручную пластинок воспроизводимость величин Rf значительно меньше, чем на пластинках, приготовленных с по­ мощью специальных устройств для нанесения слоя сорбента [322].

Одним из непременных условий для получения устойчивых значений Rf является насыщение атмосферы камеры парами под­ вижного растворителя [217]. Существующие конструкции раздели­ тельных камер обеспечивают это насыщение. В случае недостаточ­ ного насыщения камеры в результате неравномерного испарения растворителя с различных участков поверхности слоя наблюдает­ ся так называемый краевой эффект, при котором одни и те же ве­ щества у краев пластинки имеют большие значения Rf, чем в центре. Д ля устранения краевых эффектов необходимо равномерное насы­ щение камеры парами растворителя перед хроматографическим процессом, которое может быть достигнуто помещением в камеру (прижимают к стенке) смоченного этим растворителем листа филь­ тровальной бумаги. Перед опытом камеру выдерживают ~ 30 мин. Перед тем как вставить пластинку, фильтровальную бумагу еще раз смачивают растворителем, наполняя камеру. При работе с на­ сыщенной камерой время анализа значительно сокращается.

Так как величины R f зависят от расстояния, пройденного фрон­ том растворителя по пластинке, следует для получения сопостави­ мых результатов по возможности подбирать одинаковые пройден­ ные пути (высоты подъема фронта растворителя).

Как правило, работают при комнатной температуре (18—23° С). Стараются не допускать одностороннего нагрева, так как уже не­ значительная разница температур внутри камеры (в результате

ционной ТСХ на слоях силикагеля и А120 3 со стандартной смесью красителей было изучено в работе [186], в которой показано, что чем выше относительная влажность, тем больше изменение Rf

•с изменением температуры.

Обычно работают при дневном рассеянном освещении, не на солнечном свету.

Учитывая все сказанное выше, следует признать целесообразным и необходимым для получения сравнимых результатов работать в стандартизированных условиях. При описании результатов эксперимента нужно точно описывать состав подвижной и непод­ вижной фаз, указывать сорт используемого сорбента, технику и условия работы.

22

Г л а в а 2

ТЕХНИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА, МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

ТЕХНИКА РАБОТЫ

Микрометод хроматографии в тонком слое сорбента на плас­ тинке прост в выполнении, удобен и не требует сложного оборудо­ вания. По чувствительности же и возможности идентификации разделенных компонентов метод ТСХ, наряду с хроматографией на бумаге, может быть охарактеризован, пожалуй, как один из самых тонких приемов аналитической химии.

Судя по литературным данным, при использовании метода тон­ кослойной хроматографии в аналитической и неорганической химии чаще всего работают способом восходящей ТСХ. Сущность метода восходящей хроматографии заключается в следующем. На тонкий ровный слой сорбента на стеклянной или пластмассовой пластинке наносят на стартовую линию в виде точек небольшие объемы (nd^ рядка 0,001—0,003 мл) исследуемых растворов. Пластинку высу­ шивают и край ее ниже стартовой линии погружают в подвижный растворитель (или смесь растворителей), налитый в камеру. По мере продвижения растворителя вверх по слою сорбента под дей­ ствием капиллярных сил ионы элементов располагаются на хро­ матограмме зонами в соответствии с их коэффициентами распреде­ ления в данных условиях.

Линию фронта подвижного растворителя отмечают и после вы­ сушивания пластинки обнаруживают зоны элементов подходящим способом (см. ниже).

Методы нисходящего, горизонтального, кругового и проточного хроматографирования отличаются способами подачи подвижной фазы, которые определяются соответствующими особенностями в конструкции разделительных камер, о чем будет сказано ниже.

СОРБЕНТЫ-НОСИТЕЛИ ДЛЯ ТОНКОСЛОЙНОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

В ТСХ неорганических ионов в качестве сорбентов применяют неорганические вещества — силикагель, окись алюминия и- орга­ нические — целлюлозу, иониты, крахмал. Реже тонкий слой сор­ бента готовят из кизельгура, гетерополикислот, фосфата циркония,

:24

ферроцианида цинка и других веществ. Нередко прибегают к мо­ дифицированию сорбента (силикагеля, целлюлозы) импрегнированием его высокомолекулярными аминами, ди-2-(этилгексил)- фосфорной кислотой, трибутилфосфатом и др.

Такие сорбенты-носители, как силикагель, окись алюминия, целлюлозы, характеризуются большой адсорбционной способно­ стью и относительно низкой ионообменной емкостью. Другие — обладают высокой обменной емкостью (как, например, синтетиче­ ские смолы, жидкие иониты, нанесенные на носитель) или комплек­ сообразующими свойствами (некоторые модифицированные сор­ бенты) .

Мы остановимся на описании наиболее часто используемых сор­ бентов, а также отметим некоторые новые сорбенты, использован­ ные в последнее время в ТСХ.

Силикагель. Этот неорганический сорбент— высокомолекуляр­ ное соединение, имеющее остов, образованный кремнекислородны­ ми тетраэдрами, и функциональные ОН-группы, которые располо­ жены в вершинах тетраэдров, выходят на поверхность скелета и обусловливают химические свойства силикагеля, в частности его* способность к ионному обмену [54, 65]:

Ионообменное взаимодействие между силикагелем и растворами солей наблюдаются в нейтральной, слабокислой и щелочной средах. Этот ионит, хотя и обладает относительно небольшой емкостью, может быть использован для сорбции следовых количеств элементов, для концентрирования элементов из очень разбавленных растворов, для отделения малых количеств элементов от большого избытка других элементов.

Сорбция ионов металлов и их комплексов на силикагеле имеет преимущественно ионообменный характер. В случае электронейтральных соединений или комплексов больших размеров имеет место молекулярная адсорбция [282].

За рубежом в тонкослойной хроматографии чаще всего исполь­ зуют силикагель Н (без связующего) или силикагель G (с добавкой 5% гипса), силикагель «для тонкослойной хроматографии» (фирмы «Дезага» и «Мерк»), а также силикагель «Вёльм» (ГДР).

Из отечественных силикагелей наиболее широко применяют силикагель марки КСК — крупнопористый, образующий прочноприлипающий слой сорбента-носителя. Зернение силикагеля

150—200 меш (диаметр частиц 0,10—0,07 мм).

В работе [67а] были сопоставлены свойства тонких слоев, при­ готовленных из отечественных силикагелей различных марок, при­ менительно к разделению неорганических ионов. Исследовали особо чистую Si02 (производство ОЭЗ ИРЕА), силикагель

25

КСК (производство Салаватского нефтехимического комбината), силохрома С-80 (производство ВНИИ люминофоров, г. Ставрополь); для сравнения изучали также силикагели производства фирм «Мерк», «Вёльм», а также чешские силуфолы. Предварительно образцы силикагелей были размолоты и фракционированы методом седиментации.

В качестве контрольной разделяемой смеси была выбрана систе­ ма, состоящая из хлоридов кобальта и никеля в 2 N НС1. Подвижной фазой служила смесь ацетона с 3 N НС1 (99 : 1). Была исследована зависимость разделительной способности перечисленных силика­ гелей в выбранной системе от структурных и поверхностных свойств ■сорбента: удельной поверхности и среднего радиуса пор (что опре­ деляется технологией их получения), а также от дисперсности си­ ликагелей.

Как оказалось, наилучшей разделительной способностью (в от­ ношении коэффициента разделения, воспроизводимости результатов, компактности зон) обладают отечественные силикагели с удельной поверхностью 200—400 мѴг и средним радиусом пор в пределах 21—87 Â. К таким силикагелям относятся силикагель КСК и силикагели, полученные из особо чистой аморфной двуокиси крем­ ния, приготовленной методом жидкофазного гидролиза с последу­ ющей сушкой и прокаливанием, а также силикагели, синтезиро­ ванные из тетрахлорида кремния. Оптимальный размер частиц, обеспечивающий наилучшую разделительную способность слоя, составлял около 10 мк.

Используемый для разделения неорганических ионов силика­ гель должен быть очень тщательно очищен от примесей железа, если они в нем содержатся. Для этого размолотый и просеянный через сито силикагель многократно кипятят со свежими порциями HCl (1 : 1) до полной отмывки Бе3+-ионов (реакция с роданидом аммония), а затем тщательно отмывают от хлорид-ионов дистилли­ рованной водой (проба с AgN03), отмучивают от мелкой взвеси взбалтыванием и декантацией. Отмытый силикагель высушивают сначала на воздухе, а затем в сушильном шкафу при 120° С в тече­ ние 24—48 час. и хранят в склянках с притертыми пробками.

Для получения особо чистого силикагеля для хроматографии чешские ученые [333] предложили ионообменный способ получения его из технического растворимого стекла, заключающийся в сле­ дующем.

Техническое растворимое стекло разбавляют четырехкратным объемом воды {до уд. веса 1,70), подщелачивают аммиаком. Полученный раствор силиката нат­ рия освобождают от катионов, пропуская его через катионит (например, вофатит KPS-200) в Н-форме. Вытекающий раствор представляет собой золь кремневой кислоты. Полученный золь в течение нескольких дней является устойчивым. Переход его в мелкопористый гель происходит самопроизвольно через 4—7 дней или гелеобразованием при 120° С.

Для приготовления силикагеля с более крупными порами в насыщенный раствор бикарбоната аммония при интенсивном перемешивании электрической мешалкой тонкой струей вливают половинный объем золя кремневой кислоты.

26

При этом происходит моментальное образование геля. Полученный гель остав­ ляют дозревать на ночь. Затем густую кашицу фильтруют, промывают водой, из­ мельчают и сушат при 120° С в слое толщиной 3—4 см. Сухой гель размалывают и декантацией удаляют пыль (частицы размером<0,04—0,05 мм). Промытый адсор­

бент сушат при 100— 120° С, чтобы он стал сыпучим, просеивают его и снова сушат 24—48 час. при 120° С в слое толщиной 2—3 см. Этот гель — легкая, хруп­

кая белая масса. Максимальная сорбция воды для этого препарата составляет

140— 150%.

Окись алюминия. В тонкослойной хроматографии применяют «окись алюминия для хроматографии», которая образует на пла­ стинке активный хорошо прилипающий слой носителя. Свойства этого сорбента можно изменять соответствующим подбором рас­ творителей и добавлением определенных веществ, что позволяет использовать его для разделения различных соединений.

Если вещество неустойчиво к щелочам, а используемый образец окиси алюминия имеет щелочную реакцию, то его отмывают до нейтральной реакции [1, стр. 17].

Для этого окись алюминия сначала отмучивают от пыли, затем зали­ вают 10%-ной уксусной кислотой и нагревают до кипения (раствор должен сохра­ нить кислую реакцию). Затем осадок промывают декантацией дистиллированнойводой до нейтральной реакции, отфильтровывают, сушат 4 часа при 120° С, затем 6 час. при 300—400 °С. После этого добавлением определенного количества воды сорбент доводят до нужной активности.

В настоящее время окись алюминия для хроматографии'в тон­ ких слоях готовят фирмы «Флюка» (Швейцария) и «Вёльм» (ГДР).

Кизельгур. Как сорбент он слабее силикагеля и А120 3 и исполь­ зуется чаще всего как носитель при работе распределительным методом. Его применяют обычно для разделения полярных соеди­

слойной хроматографии» довольно часто применяют для хромато­ графического разделения веществ на пластинке [443], в частности, и для разделения неорганических ионов.

Строение молекулы целлюлозы может быть выражено следующей формулой:

Наличие спиртовых групп в молекуле целлюлозы обусловливает ее высокую реакционную способность [94].

Фирмой «Махерей», «Нагель и К°» (ФРГ) выпускаются различ­ ные сорта целлюлозы: целлюлоза без гипса марки MN-ЗОО, ацетилированная целлюлоза MN-ЗОО Ас, карбоксиметилцеллюлоза MN300 СМ, фосфорилированная целлюлоза MN-300 Р, диэтиламино­

27

этилцеллюлоза MN-300 DEAE, анионообменная MN-300 ECTEOLA и соответствующие сорта с добавкой 5% гипса (MN-300G; MN 300G/Ac; MN-300G/CM; MN-300 G/P; MN 300 G/DEAE; MN-300G /ECTEOLA).

Разделительные слои из целлюлоз готовятся просто и быстро. Следует отметить, что целлюлозные ионообменники не образуют идеального сплошного слоя без добавки гипса. Поэтому рекомен­ дуется к ионообменным порошкам добавлять небольшое количество

800 г хлопковой целлюлозы с 5 л 10%-ного раствора хлористого водорода в

абсолютном этаноле кипятят в течение 20—25 мин., после чего целлюлозу промы­ вают водой, метанолом, высушивают на воздухе и просеивают через сито 150— 200 меш.

Недавно было предложено применять для одновременного се­ лективного концентрирования и определения неорганических ионов модифицированную хелатообразующую целлюлозу [15, 22] с введенными в целлюлозную матрицу специфично взаимодейству­ ющими с неорганическими ионами группировками бисазозамещенных хромотроповой кислоты. Синтез такой целлюлозы прост и заключается в следующем [22].

Навеску 10 г целлюлозы заливают 100 мл воды и прибавляют 5 мл эпихлоргид­ рина, 10 мл 20%-ного раствора NaOH, 3 а л-нитроанилина. Смесь перемешивают

и нагревают при 70° С в течение 1 часа. Затем целлюлозу отфильтровывают и про­ мывают ацетоном и водой, заливают 100 мл воды и при перемешивании и нагрева­ нии (60—70° С) прибавляют 10 г SnCl2 в 10 мл НСІ.

Через 1 час целлюлозу отфильтровывают, промывают нитратом натрия и во­

фильтровывают и вводят в 100 им раствора, содержащего 2 г 1,8-диокси-2-(4-нитро- 6-сульфофенолазо-1)-нафталин-3,6-дисульфокислоты, 0,5 г NaOH и 0,5 г СаО.

Через 2 часа готовую целлюлозу отфильтровывают, промывают водой, раз­ бавленной НСІ, снова водой, ацетоном и сушат на воздухе.

Ионообменные синтетические смолы довольно редко применяют для хроматографического разделения неорганических соединений. Возможно, это связано с их большой набухаемостью, которая при пересушивании слоя может привести к его растрескиванию. Кроме того, подвижный растворитель не всегда поднимается по пластинке ровным фронтом.

Чаще используют жидкие ионообменники, пропитывая1ими слой носителя на пластинке. Разделительные слои из ионообменных смол обычно готовят, смешивая порошки ионита и целлюлозы, чтобы добиться лучшей однородности слоя.

Первые опыты по ТСХ на ионообменных смолах зернением 200— 400 меш были предприняты в работах [122, 124], в которых анион­ ный обмен осуществляется на смоле типа дауэкс-1, а катионный обмен'— на смоле дауэкс-50. Методом восходящей хроматографии удалось воспроизвести в микромасштабе разделения неорганиче­

28