ХНС

багатьох чинників, зокрема від наявності гідрофільних або гідрофобних груп в молекулі.

Процес перенесення розчиненої речовини з однієї фази в іншу характеризується законом розподілу:

відношення концентрацій розчиненої речовини в обох фазах при постійній температурі постійне і не залежить від загальної концентрації розчиненої речовини.

Кількісно закон розподілу характеризується коефіцієнтом розподілу D і константою розподілу KD. Для з'ясування різниці між цими двома поняттями розглянемо екстракцію йоду з йодної настоянки, де йод знаходиться у вигляді частинок I3–:

I2 + I– Ù I3– (бурого кольору)

При стиканні фаз відбувається перенесення речовини з однієї фази в іншу і встановлюється рівновага. Наприклад, якщо струсити розчин йодної настоянки з вазеліновим маслом або чотирихлористим вуглецем, відбувається екстракція йоду (органічна фаза стає фіолетовою, а водна фаза знебарвлюється). Рівняння реакції екстракції:

I2(вф) Ù I2(оф)

Константа розподілу KD – це відношення активностей речовини в одній певній формі в органічній фазі до його активності в тій же формі у водній фазі:

Якщо коефіцієнти активності невідомі, то використовують реальну константу розподілу, яку виражають через рівноважні концентрації:

K D = [I2 ]оф

[I2 ]вф

Коефіцієнт розподілу D – це відношення сумарної (аналітичної) концентрації всіх форм речовини в органічній фазі до концентрації всіх форм речовини у водній фазі. У нашому випадку:

Ступінь екстракції R (або фактор вилучення) – це відношення кількості речовини в органічній фазі до загальної кількості речовини в системі:

R = Cоф 100%

Сзаг

41

де Vвф і Vоф – об’єми водної і органічної фаз.

Фактор розділення S – це відношення коефіцієнтів розподілу двох речовин:

S = DA/DB

Чим більше фактор розділення, тим більш повно можна відділити одну речовину від іншої.

Константа екстракції Кex. Запишемо рівняння екстракції іону

металу(II) з екстрагентом 8-оксихіноліном НОх в органічному розчиннику: М2+вф + 2НОхоф Ù МОх2 оф + 2Н+вф

Константа екстракції

Кex = [H +2]2 вф [MOx2 2]оф [M + ]вф [HOx] оф

Екстракція широко застосовується в клінічних дослідженнях та фармацевтичному аналізі. Так, для відкриття бромід- і йодид-іонів у водних розчинах їх заздалегідь окислюють до молекулярного стану Br2 і I2 відповідно, після чого екстрагують органічним розчинником, найчастіше – хлороформом. Хлороформний екстракт брому має жовто-коричневе забарвлення, а хлороформний екстракт йоду – фіолетове. Як окислювачі використовують хлорну воду, кислі розчини перманганату калію. Наприклад,

2Br– + Cl2 → Br2 +2Cl– 2I– + Cl2 → I2 + 2Cl–

Екстракційно-фотометричні методи використовують при визначенні деяких вітамінів. Так, при визначенні вітаміну А водний розчин, отриманий після лужної попередньої обробки аналізованого зразка лікарської форми (розтерті в порошок драже або пігулки), що містить вітамін А, обробляють водою і лугом, після чого ефір відганяють. Залишок розчиняють в пропанолі і в отриманому розчині визначають вітамін А спектрофотометричним методом.

При одному із способів визначення вітаміну Е в його лікарських формах на первинній стадії аналізу застосовують екстракцію ефіром з водного розчину.

Особливо часто екстракційні методи використовують при аналізі рослинної лікарської сировини, а також для отримання настоїв, відварів, настоянок, екстрактів лікарських речовин. Згідно Державної Фармакопеї настої і відвари – це рідкі лікарські форми, що є водними витяжками з лікарської рослинної сировини, а також водні розчини сухих або рідких екстрактів (концентратів). Екстракти згідно Фармакопеї – концентровані витяжки з лікарської рослинної сировини. Настоянки – забарвлені спиртові або водно-спиртові витяжки з лікарської рослинної сировини, що отримують екстракцією без нагрівання.

42

Для отримання настоїв і відварів проводять екстракцію лікарських речовин з подрібненої лікарської сировини водою, при отриманні екстрактів – водою, етанолом і іншими екстрагентами.

Для приготування настоїв і відварів екстракцію проводять таким чином. До подрібненої лікарської рослинної сировини додають необхідний об'єм води при кімнатній температурі, суміш витримують на киплячій водяній бані при перемішуванні (настої – 15 хвилин, відвари – 30 хвилин), охолоджують при кімнатній температурі (настої ~45 хвилин, відвари ~10 хвилин), фільтрують і отримують фільтрат, який при необхідності розбавляють водою.

Вміст фармакологічно активних речовин в отриманих настоях і відварах визначають різними аналітичними методами, що рекомендуються відповідними фармакопейними статтями.

3.4. Електрофорез

Електрофорез – метод розділення, який ґрунтується на відмінності в швидкостях руху частинок різного заряду, форми і розміру в електричному полі.

Швидкість руху V залежить від:

V = z·H / 6πrη,

де z – заряд іона; H – напруженість поля; r – радіус частинки; η – в'язкість середовища.

Швидкість руху частинки характеризується рухливістю, тобто відстанню, яку проходить частинка за одну секунду під дією електричного поля напруженістю 1 В/см.

Розрізняють два варіанти електрофорезу: фронтальний (простий) і зонний (на носієві) У першому випадку невеликий об'єм розчину, що містить компоненти, які розділяються, вміщують в трубку з розчином електроліту. У другому випадку пересування відбувається в стабілізуючому середовищі, яке утримує частинки на місцях після відключення електричного поля (рис. 3.1):

L

Рис. 3.1. Електрофоретичне розділення на папері:

43

а – установка для електрофорезу (1 – старт; 2 – буферний розчин; 3 – смужка паперу); б – смужка носія (А, В, С, D – зони речовин, що розділяються); в – крива кількісної оцінки

На швидкість руху частинок сильно впливає склад розчину, зокрема рН, що використовують для підвищення селективності. Головна область застосування – біохімічний аналіз (розділення білків, нуклеїнових кислот, ферментів, алкалоїдів).

Останнім часом інтенсивно розвивається капілярний електрофорез. Довжина капіляра 10-100 см, внутрішній діаметр 25-100 мкм. Він виготовлений з плавленого кварцу. У капілярі знаходиться буферний розчин, або гель чи розчин полімеру. Для отримання електричного поля до платинових електродів прикладають високу напругу (30 кВ). Введення проби здійснюють або за рахунок гравітаційних сил, або електрокінетичним методом (за рахунок потоку електроосмосу). Детектори

– УФ-спектроскопічні або електрохімічні.

Застосування капілярного електрофорезу дозволяє усунути головні проблеми методу – теплову конвекцію і труднощі детектування. Капілярний електрофорез – високоефективний метод, що широко застосовується для визначення амінокислот, пептидів, білків, нуклеїнових кислот та інших біополімерів. Так, суміш фрагментів ДНК можна проаналізувати за 10 хвилин, використовуючи капіляр довжиною 35 см і внутрішнім діаметром 50 мкм в середовищі боратного буферу при напрузі на електродах 8 кВ з фотометричним детектуванням при 260 нм. Для класичного електрофорезу на поліамідному гелі такий же аналіз триває біля 3 годин

3.5. Діаліз і електродіаліз

Метод діалізу ґрунтується на відмінності швидкостей проникнення різних частинок через мембрану. Якщо речовини, що розділяються, – іони, то можна використовувати різновид методу – електродіаліз (діаліз з накладенням напруги). Швидкість діалізу V двох речовин з різними молекулярними масами М підкоряється рівнянню:

Рівняння справедливе для частинок однакової форми і строго виконується для сферично симетричних частинок. Порівнюючи швидкості діалізу досліджуваної речовини і речовини з відомою молекулярною масою, можна розрахувати молекулярну масу невідомої речовини. Одна з найбільш важливих областей застосування діалізу – видалення солей і низькомолекулярних домішок із білків.

44

3.6.Інші методи розділення і концентрування

1.Дистиляція. Метод дистиляції ґрунтується на різній леткості

речовин. Цим методом миш'як, осмій і рутеній у вигляді AsCl3 або AsBr3, OsO4 і RuO4 можна відокремити від багатьох іонів.

2.Відгонка. Проста відгонка (випаровування) – одноступінчатий процес розділення і концентрування. При випаровуванні видаляються речовини, які знаходяться у формі готових летких сполук. Наприклад, один з чутливіших і специфічних методів визначення миш'яку в криміналістиці ґрунтується на утворенні леткого гідриду АsН3.

3.Керована кристалізація.

4.Фільтрація. Тверді частинки, суспендовані в рідинах або газах, пересуваючись крізь пористе середовище, затримуються.

5.Сублімація – процес безпосереднього переходу твердої речовини

вгазоподібний стан, минаючи рідку фазу.

6.Зонна плавка – контейнер з речовиною поволі пересувається крізь нагрівач. Тверда речовина плавиться, а потім викристалізовується в чистішу речовину, а домішки залишаються в розплаві і пересуваються до кінця контейнера.

7.Флотація – метод розділення сумішей твердих частинок речовин, який ґрунтується на відмінності в їх змочуваності. Метод поширений в гідрометалургії як спосіб збагачення корисних копалин. Поверхневоактивні речовини, додані до суспензії подрібненої сировини, адсорбуються на поверхні частинок компоненту, який добувають, і знижують їх змочуваність. Потім крізь суспензію пропускають повітря і флотують здобуті мікрокомпоненти.

1.Пилипенко А.Т., Пятницкий И.В. Аналитическая химия. В 2 кн. – М.: Химия, 1990. – Кн.1. – С. 158-199. – Кн. 2. – С. 542580.

2.. Пономарев В.Д. Аналитическая химия. В 2-х частях. – М.: Высшая школа, 1982. – Ч. 1. – С. 125-145.

3.Харитонов Ю.Я. Аналитическая химия. Аналитика. В 2-х книгах. – М.: Высшая

школа, 2001. – Кн.1. – С. 233-264.

4.Основы аналитической химии. В 2-х книгах/ Под ред.

Ю.А.Золотова. – М.: Высш.шк., 2004. – Кн. 1. – С. 204-258.

5.Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2-х книгах. – М.: Дрофа, 2002. – Кн. 1. – С. 268-272. – Кн. 2. – С. 277-292.

45

ПИТАННЯ ДЛЯ КОНТРОЛЮ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

1.З якою метою в аналітичній хімії використовують методи розділення і концентрування?

2.Що покладено в основу розділення речовин методом осадження? Природа використовуваних осаджувачів.

3.Як можна підвищити специфічність осадження?

4.Охарактеризуйте поняття: а) співосадження; б) колектор; в) поверхневе та внутрішнє співосадження; г) оклюзія; д) ізоморфізм.

5.Сорбція як метод розділення і концентрування та класифікація сорбційних методів.

6.Фізична адсорбція, її характеристики. Хемосорбція.

7.Дайте характеристику наведеним нижче методам розділення і концентрування: дистиляція, відгонка, кристалізація, фільтрація, зонна плавка, флотація.

8.Основні кількісні характеристики сорбції.

9.Особливості процесу екстракції.

10.Охарактеризуйте поняття: а) екстракція; б) розріджувач; в) екстракт; г) реекстракція; д) реекстрагент.

11.Закон розподілу, його суть та кількісні характеристики.

12.Екстракція в методах дослідження та аналізу.

13.Методи електрофоретичного розділення речовин. Основа електрофорезу.

14.Які фактори впливають на селективність електрофорезу?

15.Чим відрізняється метод діалізу від електродіалізу?

16.Назвіть найбільш зручний із розглянутих у розділі 3 метод підвищення чутливості визначення заліза у воді.

Розділ 4 ХРОМАТОГРАФІЯ

4.1. Принцип методу. Класифікація хроматографічних методів аналізу

Сучасні хроматографічні методи характеризуються як ефективні методи концентрування, розділення і визначення неорганічних сполук з близькими хімічними властивостями і органічних сполук, які мають схожі структури. Новітніми хроматографічними методами можна проаналізувати газоподібні, тверді і рідкі речовини з молекулярною масою від 1 до 106. Це можуть бути ізотопи водню, іони металів, полімерні білки, нафта. Застосування хроматографічних методів для розділення білків мало

46

величезний вплив на розвиток сучасної біохімії, фармацевтики, криміналістики, терапевтичного моніторингу у зв'язку із зростанням нелегального вживання наркотиків, ідентифікації антибіотиків, допінгконтролю, аналізу найбільш важливих класів пестицидів.

Це найважливіший аналітичний метод. Більше 10 робіт, виконаних із застосуванням хроматографічних методів, було удостоєно Нобелівських премій.

Хроматографія – це фізико-хімічний метод розділення речовин, який ґрунтується на розподілі компонентів між двома фазами - нерухомою і рухомою. Нерухомою (стаціонарною) фазою служить тверда речовина (сорбент) або плівка рідини, нанесена на тверду речовину; рухомою фазою

– рідина або газ. Рухому фазу, що вводиться в шар нерухомої фази, називають елюентом, а рухому фазу, що виходить з колонки і містить розділені компоненти, – елюатом.

Компоненти аналізованої суміші (сорбат) разом з рухомою фазою пересуваються уздовж стаціонарної фази. Її зазвичай поміщають в скляну або металеву трубку, що називають колонкою. B залежності від сили взаємодії з поверхнею сорбенту (за яким-небудь механізмом) компоненти переміщаються уздовж колонки з різною швидкістю.

Одні компоненти залишаються у верхньому шарі сорбенту, інші, з меншим ступенем взаємодії з сорбентом, знаходяться в нижній частині колонки, деякі покидають колонку разом з рухомою фазою. Таким чином компоненти розділяються.

Хроматографія – гібридний аналітичний метод, в якому поєднуються метод розділення і метод визначення.

На відмінність від інших методів, заснованих на розподілі компонентів між фазами, хроматографія – це динамічний метод, що забезпечує багатократність актів сорбції-десорбції компонентів, які розділяються, оскільки розділення відбувається в потоці рухомої фази. Цим обумовлена велика ефективність хроматографічного методу в порівнянні з методами сорбції і екстракції.

Запропонував хроматографію російський ботанік M.C. Цвєт. Ha колонці, заповненій CaCO3, він розділяв пігменти рослин. Рухомою фазою служив діетиловий ефір. Саме цим методом він виявив, що в екстракті зеленого листя міститься 2 хлорофіли, 4 ксантофіли і каротин.

У табл. 4.1 представлена класифікація хроматографічних методів. Таблиця 4.1. Класифікація видів хроматографії

47

З даних табл. 4.1 видно, що класифікація хроматографічних методів проходить

–за агрегатним станом фаз;

–за механізмом розподілу;

–за технікою виконання.

У відповідності з режимом введення проби в хроматографічну систему розрізняють:

1. Фронтальна хроматографія. Якщо розчинену суміш безперервно вводять в хроматографічну колонку, то в чистому вигляді можна виділити тільки одну речовину, що найслабкіше сорбується (рис. 4.1). Всі інші вийдуть з колонки у вигляді суміші. З колонки спочатку витікатиме чистий розчинник, потім, коли сорбент насититься речовиною А, що сорбується менш за всіх, вона з'явиться в елюаті. Коли сорбент насититься другою речовиною В, що сорбується менш за останні, елюат міститиме обидві ці речовини і т.д. Коли ж сорбент буде повністю насичений всіма компонентами суміші, склад елюату співпаде зі складом розчину, що вводиться в колонку.

48

розташовуються послідовно одна за одною. Кожний з компонентів виділяється в чистому вигляді, але не кількісно, оскільки зони компонентів не розділені проміжками чистого сорбенту (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Витіснювальна хроматограма (здатність до сорбції речовин збільшується в ряду A < B < C)

Найбільш поширений елюентний режим, який дозволяє отримати в чистому вигляді всі компоненти проби.

У будь-якій хроматографічній системі відбувається оборотний перехід молекул речовини А з рухомої фази (РФ) у нерухому фазу (НФ), який характеризується коефіцієнтом розподілу D (відношення концентрації речовини в нерухомій і рухомій фазі відповідно D = Снф/Срф):

Арф Ù Анф

Хроматографічний процес характеризується залежністю концентрації речовини в елюенті від часу хроматографування (графічне зображення цієї залежності називають хроматограма), яка характеризується наступними параметрами (рис. 4.4):

Рис. 4.4. Параметри хроматограми: tR –час утримування; W – ширина піка; h – висота піка

50