Алемасова - Лекции по аналитической химии

фазой, особенно в ВЭЖХ, т.е. при повышенном давлении в колонке. Поэтому жидкие фазы прививают к носителю. Например, силикагель с привитыми нитрильными, аминными и другими группами или силикагель с привитыми алкилсилильными группами от С2 до С22.

4.2.3. Ионообменная, ионная хроматография

B основе ионообменной, ионной и ион-парной хроматографии лежит динамический процесс замещения ионов, связанных с неподвижной фазой, ионами элюента, поступающими в колонку.

Неподвижная фаза – ионообменники – поглощают из раствора электролита катионы или анионы, выделяя в раствор эквивалентное число других ионов с зарядом того же знака. Между катионообменником и раствором происходит обмен катионов, между анионообменником и раствором – обмен анионов.

Катионообменники (катиониты) – специально синтезированные полимерные нерастворимые в воде вещества, содержащие в своей струк-

туре ионогенные группы: –SO3H , –COOH, –OH, –PO3H2, –AsO3H2.

Химические формулы катионитов схематически могут быть записаны как R–SO3H, R–SO3Na, где R – макромолекула. Можно записать эти формулы еще проще: R–Н – катионит в Н-форме и R–Na – катионит в Naформе.

Реакции ионного обмена – обычные химические гетерогенные реак-

ции:

R–Н + Na+ Ù R–Na + H+

Анионообменники (аниониты) содержат в своей структуре ионогенные группы основного характера :

–N(CH3)3+

=NH2+ ≡NH+

Их химические формулы могут быть изображены как RNH3OH и RNH3C1 (или R–OH, R–Cl).

Анионообменнуюреакциюможнозаписатьследующимобразом: R–OH + Cl– Ù R–Cl + OH–

Ионообменники получают реакциями поликонденсации или полимеризации. В качестве сшивающего реагента для создания межцепных (поперечных) связей применяют дивинилбензол.

Максимальное количество ионов, которые может связать ионообменник, определяет его емкость, которая совпадает с содержанием в ионообменнике ионогенных групп. Емкость относят к единицы массы или объема и обычно выражают в ммоль/1г сухого или набухшего ионообменника в H- или Cl-форме.

51

Набухание объясняется наличием в структуре ионообменников гидрофильных ионогенных групп. Чем больше плотность матрицы, тем меньше набухание ионообменника.

Селективность ионного обмена. Экспериментально установлены ряды сродства ионов по отношению к ионообменникам. Так, при низких концентрациях растворов на сильнокислотных катионитах ряды сорбируемости одно- и двухзарядных катионов выглядят так:

Cs+>Rb+>K+>Na+>Li+

Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+.

Для ионов с разными зарядами сорбируемость увеличивается с увеличением заряда:

Th4+ > Аl3+ > Ca2+ > Na+.

Ряды сродства установлены и для анионообменников. Например, для сильноосновного анионообменника сорбируемость анионов увеличивается

в ряду:

ClO4– > SCN– > I– > NO3– >Br– > Cl– > OH– > F–.

Подвижные фазы: чаще всего используют водные растворы, т.к. вода обладает прекрасными растворяющими и ионизирующими свойствами. Ha элюирующую силу подвижной фазы основное влияние оказывает рН, ионная сила, природа буферного раствора, содержание органического растворителя или поверхностно-активного вещества (ион-парная хроматография).

Для селективного элюирования поглощенных ионов можно использовать воду, буферные растворы, растворы минеральных и органических (фенол, лимонная, молочная, винная, щавелевая, ЭДТА) кислот.

Ионная хроматография

Это экспрессный метод определения органических и неорганических ионогенных соединений, сочетающий ионообменное разделение с высокочувствительным кондуктометричным детектированием. Такое детектирование возможно только при низкой фоновой электропроводности.

В основу метода положено: элюентное ионообменное разделение катионов или анионов на разделяющей колонке, заполненной ионообменником низкой емкости; подавление фонового сигнала элюента в подавляющей (компенсационной) колонке, заполненной ионообменником с высокой емкостью; кондуктометрическое детектирование ионов после разделения.

Разделяющая колонка:

с использованием в качестве элюента 0,001 М HCl и катионообменника RH происходит разделение катионов RH + MCl Ù RM + HCl

52

ROH + MCl Ù RCl + MOH (для paздeляeмыx ионов)

сильный электролит

B результате элюент преобразуется в воду (слабый электролит), а разделяемые ионы М+ кондуктометрически детектируются в виде гидроксидов (сильные электролиты).

На рис. 4.7 представлена хроматограмма разделения микроколичеств однозарядных катионов методом ионной хроматографии:

Рис. 4.7. Хроматограмма смеси однозарядных катионов

Ионная хроматография – это метод определения анионов NO3–, F–, Cl–, AsO43–, PO43–, SeO42–.

Высокоэффективная жидкостная хроматография – универсальный метод, позволяющий автоматически разделять и определять сложные смеси органических и неорганических веществ, который отличает экспрессность и высокая чувствительность. Некоторые примеры использования жидкостной хроматографии обобщены в табл. 4.2.

Таблица 4.2. Применение различных видов ВЭЖХ для разделения органических соединений

53

Наркотические и Анионообменник Буфер рН=9 болеутоляющие средства

Детекторы в жидкостных хроматографах

1. Рефрактометрический (универсальный)

Он определяет общий показатель преломления системы проба – элюент, т.е. сигнал дают все компоненты, показатель преломления которых отличается от показателя преломления элюента. Его чувствительность 10–6 г. Диапазон линейности – 4 порядка.

2. УФ - детектор

Работает при одной и той же длине волны, соответствующей наиболее интенсивной линии ртутной лампы низкого давления λ=253,7нм. УФ – детектор наиболее чувствителен, если молярные коэффициенты светопоглощения ε компонентов высоки, а элюент не поглощает в УФ области спектра. Объем проточной кюветы этого детектора меньше 10 мкл. При такой λ можно определять любые ароматические соединения, большинство кетонов и альдегидов. Этот детектор селективен, пoзвoляeт определять 10-9 г.

3. Фотометры и спектрофотометры.

Они позволяют работать при любой длине волны (190 – 650 нм). Можно регистрировать изменение поглощения во времени при определенной длине волны или в остановленном потоке элюента снимать спектр.

4. Кондуктометрический детектор

Применяется в ионной хроматографии для измерения проводимости растворов, которая пропорциональна числу ионов в растворе, их подвижности. Предел обнаружения n·10-3 мкг/мл.

4.3. Газовая хроматография

Методом газовой хроматографии происходит разделение летучих соединений, отсюда необходимость термостатирования. Подвижная фаза – газ-носитель (H2, He, N2, Ar, CO2), он протекает через неподвижную фазу, обладающую большой поверхностью. Газ – носитель не взаимодействует с разделяемыми веществами и неподвижной фазой. Процесс разделения основан на различии в летучести и растворимости разделяемых компонентов. Через хроматографическую колонку быстрее движется тот компонент, растворимость которого в неподвижной фазе меньше , а летучесть при данной температуре больше.

Количественный анализ можно провести только в том случае, если вещество термостойкое, т.е. испаряется в дозаторе воспроизводимо и

54

элюируется без разложения. При разложении вещества на хроматограмме появляются ложные пики, относящиеся к продуктам разложения.

Газовая хроматография – серийный метод анализа органических соединений. Газовую хроматографию делят на газоадсорбционную и газожидкостную.

4.3.1.Газоадсорбционная хроматография

Вгазоадсорбционной хроматографии неподвижная фаза - адсорбенты с высокой удельной поверхностью. Адсорбция молекул из газовой фазы происходит за счет межмолекулярных взаимодействий (дисперсионных, ориентационных, индукционных), имеющих электростатическую природу.

Температура колонки может быть постоянной, а может градиентно возрастать.Низкокипящие вещества элюируются быстро, а высококипящие имеют большее время удерживания, их пики на хроматограмме будут ниже и шире.

Адсорбенты в газовой хроматографии: активные угли, силикагели, пористое стекло. B последнее время используют адсорбенты с однородной поверхностью – пористые полимеры, макропористые силикагели (силихром, порасиль, сферосил).

Наиболее широко метод газоадсорбционной хроматографии приме-

няют для анализа смесей газов (О2, N2, CO, CH4, CO2) и низкокипящих углеводородов, не содержащих активных функциональных групп.

4.3.2.Газожидкостная хроматография

Ваналитической практике газожидкостную хроматографию используют чаще, чем газоадсорбционную. Это связано с чрезвычайным разнообразием жидких неподвижных фаз, что облегчает выбор селективной для данного анализа фазы.

Неподвижная жидкая фаза должна хорошо растворять компоненты смеси, быть нелетучей, химически инертной, должна обладать небольшой вязкостью и на носителе образовывать равномерную, прочно связанную пленку. Примеры неподвижных фаз в газожидкостной хроматографии представлены ниже:

55

Жидкую фазу наносят на носители. Для ее равномерного нанесения на твердый носитель жидкую фазу смешивают с легколетучим растворителем, например, эфиром. К этому раствору добавляют твердый носитель. Смесь нагревают, растворитель испаряется, жидкая фаза остается на носителе. Сухим носителем с нанесенной таким образом неподвижной фазой заполняют колонку. Для равномерной упаковки через колонку пропускают струю газа.

Носители неподвижной жидкой фазы:

–силанизированный хромосорб;

–стеклянные гранулы;

–флуоропак (фторуглеродный полимер);

–SiO2 (диатомит).

Области применения газовой хроматографии (объекты анализа):

–нефтехимия ( анализ бензина, керосина);

–пестициды, удобрения;

–лекарственные препараты;

–наркотики;

–выхлопныегазыавтомобилей;

–металлы, их переводят в летучие хелаты. Особенно пригодны для хроматографии β– дикетонатыметаллов.

C помощью газового хроматографа, установленного на космической

станции «Венера -12», был определен состав атмосферы Венеры. Газовые хроматографы устанавливают в жилых отсеках космических кораблей. При повышении допустимых норм вредных веществ автоматическая система хроматографа дает команду прибору, который очищает воздух.

Пробу вводят шприцем через мембрану из силиконовой самоуплотняющейся резины. Проба должна испаряться практически мгновенно, иначе пики на хроматограмме расширяются и точность анализа снижается. Поэтому дозирующее устройство хроматографа снабжено нагревателем и его температура примерно на 50ºС выше, чем температура колонки.

Температура колонки определяется летучестью пробы и может изменяться в пределах от –196 (температура кипения жидкого азота) до 350°С. Температура колонки контролируется с точностью до нескольких десятых градуса и поддерживается постоянной с помощью

56

термостата. Температуру можно повышать с постоянной скоростью (линейное программирование температуры).

Детекторы в газовых хроматографах 1. Детектор по теплопроводности (катарометр)

Устройство катарометра показано на рис. 4.8.

металлический блок

нить сопротивления с высоким термическим сопротив-

лением W, Pt, Ni

Рис. 4.8. Детектор по теплопроводности

В полость металлического блока помещена спираль из металла с высоким термическим сопротивлением (W, Pt, Ni). Через спираль проходит постоянный ток, в результате чего она нагревается. Если спираль обмывает чистый газ-носитель, ее температура постоянная. Если газ-носитель содержит примеси, то меняется теплопроводность газа и соответственно температура спирали. Это приводит к изменению сопротивления нити, которое измеряют с помощью моста Уитстона. Газноситель – это газ с максимально возможной теплопроводностью – He, H2.

2. Детектор электронного захвата

Это ячейка с двумя электродами (ионизационная камера), в которую поступает газ-носитель, прошедший через хроматографическую колонку. В камере он облучается постоянным потоком β-электронов, т.к. один из электродов изготовлен из материала, являющегося источником излучения (63Ni, 3H, 226Ra). Наиболее удобный источник излучения – титановая фольга, содержащая адсорбированный тритий. Газ-носитель ионизируется под действием потока частиц от радиоактивного источника (рис. 4.9).

57

Выходящий из колонки газ смешивается с H2 и поступает в форсунку горелки детектора (рис. 4.10). Образующиеся в пламени ионизованные частицы заполняют межэлектродное пространство, в результате чего сопротивление снижается, ток резко усиливается. Т.е. концентрацию ионов определяют, измеряя проводимость пламени. ПИД реагирует практически на все соединения, кроме H2, инертных газов, О2, N2, оксидов азота, S, C, а также H2О. Этот детектор чувствителен только к соединениям, ионизирующимся в пламени, т.е к соединениям с C-C и C-H связями.

4.4.Плоскостная хроматография

Кплоскостной хроматографии относятся бумажная и тонкослойная хроматография. Бумажная хроматография: в качестве носителя неподвижной фазы, например воды, используют целлюлозное волокно бумаги. Тонкослойная хроматография: неподвижная фаза представляет из себя различные сорбенты (оксид алюминия, силикагель, целлюлоза), нанесенные на пластинку тонким слоем. В обоих методах используют хроматографические системы жидкость – твердый сорбент, жидкость – жидкость – твердый сорбент. Подвижная фаза – различные растворители и их смеси, органические и неорганические кислоты.

В 2 – 3 см от края пластинки на стартовую линию наносят пробу анализируемой жидкости и край пластинки погружают в растворитель, который действует как подвижная фаза жидкостной адсорбционной хроматографии. Под действием капиллярных сил растворитель движется вдоль слоя сорбента и с разной скоростью переносит компоненты смеси, что приводит к их пространственному разделению. Разделяемые компоненты на пластинке или на полоске бумаги образуют отдельные зоны (пятна), как это показано на рис. 4.11:

Рис. 4.11. Схема плоскостной хроматографии:

59

а) на линию старта нанесены растворы индивидуальных веществ, соответствующих предполагаемым компонентам смеси («свидетели»), а также раствор анализируемой смеси; b) после развития хроматограммы

1 – подвижная фаза; 2 – проведенная карандашом линия старта; 3 – анализируемый раствор и растворы «свидетелей», которые капают на линию старта; 4 – фронт растворителя

Положение зон (пятен) на пластинке или полоске бумаги характеризует индекс Rf – относительная скорость перемещения.

R f = Ll ,

где l – смещение зоны вещества относительно линии старта, L – смещение фронта растворителя.

Величина Rf зависит от природы носителя (бумага, активность и природа сорбента), качества и природы растворителя, способа нанесения пробы, детектирования. Чем больше различие в величинах Rf разделяемых веществ, тем лучше их разделение. Величина Rf изменяется от нуля до единицы. Полное разделение двух веществ методом плоскостной хроматографии происходит, если R f1 − R f2 = ∆R f ≥ 0,05 для бумажной и ∆R f ≥ 0,1 для

тонкослойной хроматографии.

Бывает восходящая и нисходящая хроматограммы. Хроматограммы неокрашенных веществ проявляют соответствующими реагентами, как правило, групповыми. По характерной окраске образующихся цветных зон судят о составе анализируемой пробы.

Примеры проявителей:

Для идентификации используется величина Rf при условии хроматографирования в одинаковых условиях. Количественный анализ – зону (пятно) вырезают, анализируемое вещество вымывают из слоя сорбента и полученный раствор анализируют каким-либо методом.

4.5. Ситовая (гель-проникающая, молекулярно-ситовая, эксклюзионная) хроматография

Этот вид хроматографии является разновидностью жидкостной хроматографии, в которой разделение компонентов смеси основывается на

60