6.5. хроматографический метод

Хроматографический метод является в настоящее время одним из распространенных физико-химических способов разделения сложных смесей. Основоположником хроматографического адсорбционного анализа является русский ученый - биохимик и ботаник М.С. Цвет.

Различают адсорбционную, ионообменную и распределительную хроматографию для жидких и газовых смесей анализируемых веществ.

а. Адсорбционная хроматография

Адсорбционная хроматография основана на избирательной адсорбии (поглощении) одного али нескольких компонентов из жидкой или газовой смеси соответствующими сорбентами, помещенными в колонку. При этом наиболее хорошо сорбируемые вещества задерживаются в верхних слоях сорбента, менее сорбируемые располагаются ниже и совсем не сорбирующиеся при данных условиях вещества проходят сквозь сорбант. При промывании колонки соответствующим растворителем, ниже расположенные зоны десорбируются быстрее, чем расположенные выше. Таким образом, в приемник можно поочередно собирать чистые компоненты анализируемой смеси.

При графическом изображении процесса вымывания выходные кривые имеют максимумы. Количество их соответствует количеству компонентов в анализируемой смеси, а площадь, ограниченная кривой, отражает количественное содержание каждого компонента (концентрацию компонента). Если зоны каждого компонента хорошо обособлены, то для каждой зоны на выходной кривой получаем максимум, а между соседними максимумами - минимум, почти доходящий до нуля. Если зоны хроматограммы взаимно накладываются, то максимумы на выходной кривой не резко отличаются друг от друга.

В качестве сорбентов применяют активированный уголь, силикагель, окись алюминия, окись кальция и др. Величина сорбции, например, для гомологического ряда углеводородов повышается с увеличением молекулярного веса, а также с увеличением количества двойных связей в соединениях. При повышении температуры величина сорбции уменьшается поэтому, меняя температуру, можно изменять режим сорбции в широких пределах.

Большое значение имеет выбор проявителя. В случае жидкостной хроматографии растворитель должен сорбироваться хуже, чем любое из разделяемых веществ. При газовой хроматографии в качестве проявителя применяют хроматографически индифферентный газ - воздух, азот, гелий, углекислый газ и др.

Для фиксации выходящих компонентов применяют главным образом термохимические детекторы, основанные на измерении их теплопроводности и теплоты горения. Детекторы этого типа не чувствительны для определения малых количеств исследуемых веществ. Высокой чувствительностью отличаются ионизационные счетчики, принцип действия которых основан на различных потенциалах ионизации разных молекул. Идентификация разделенных веществ может быть основана на инфракрасной спектрометрии, методе масс-спектрометрии и т.д.

б. Ионообменная хроматография

Ионообменная хроматография отличается от адсорбционной тем, что на ионитах одновременно с сорбцией одного иона из раствора происходит десорбция другого иона, ранее связанного с сорбентом. Обмениваться между раствором и сорбентом могут одноименные ионы, то есть одинаково заряженные. Вследствие этого различают процесса анионного и катионного обмена. Иониты, на которых протекает процесс катионного обмена, называют катионитами, при процессе анионного обмена - анионитами.

В качестве ионитов применяют главным образом фенольно-формальдегидные синтетические смолы, представляющие по своей химической природе кислоты - катиониты и основания - аниониты.

Активными группами катионитов являются кислотные группы. Наиболее важные катиониты содержат сульфогруппы SO3H, которые диссоциируют даже в кислой среде. В некоторых случаях используют также иониты слабокислотного типа, например смолы, содержащие карбоксильные СООНгруппы. В реакциях обмена во всех случаях участвует водород функциональной группы. Реакция ионного обмена обратима, на чем основана способность катионита регенерироваться при обработке кислотами.

Аниониты можно рассматривать как высокомолекулярные нерастворимые основания или как соли таких оснований. Активными группами таких анионитов являются аминогруппы NH2, NHR, NHR2 или четвертичные аммониевые группы NR3. В реакциях обмена анионитов обычно участвуют гидроксильные группы амаониевых оснований.

Регенерируются аниониты обычно слабым раствором щелочи.

в. Распределительная хроматография

Распределительная хроматография основана на различии в величине коэффициента распределения компонентов разделяемой смеси между двумя несмешивающимися растворителями - неподвижным и подвижным.

В жидкостной распределительной хроматографии неподвижным растворителем пропитывают сорбент и после внесения анализируемой смеси в колонку наливают растворитель - подвижную фазу. В силу различной растворимости компоненты смеси переходят из одного растворителя в другой с различной скоростью. Подвижный растворитель, двигаясь вдоль сорбента, вымывает отдельные компоненты смеси. В данном случае сорбент служит только в качестве носителя растворителя. Основное требование при распределительной хроматографии состоит в том, чтобы разделяемые компоненты достаточно хорошо растворялись в двух несмешивающихся растворителям. Скорость движения компонентов смеси в распределительной хроматографии характеризуется отношением их скорости к скорости движения подвижного растворителя.

По технике выполнения колоночная распределитетельная хроматография не отличается от адсорбционной.

Для разделения сложных смесей газов и паров широкое применение нашла газожидкостная распределительная хроматография. В данном случае в качестве подвитого растворителя применяют инертный газ, в качестве неподвижной фазы - нелетучие и устойчивые при температуре колонки высокомолекулярные органические соединения - вазелиновое масло, трикрезилфосфат, дибутилфталат, динонилфталат, силиконовые масла и др. Неподвижный растворитель наносят на твердый инертный носитель - диатомит, стекло, кизельгур путем непосредственного смешения с носителем или его эфирным раствором. Толщина жидкой пленки не должна превышать 10-3 мм. Сорбент помещают в. соответствующие хроматографические колонки, которые изготовляют в виде U -образных трубок или змеевиков разной длины - от 40 см до нескольких метров.

Эффективность разделения до известного предела пропорциональна длине колонки.

Разделение газовой смеси можно производить при постоянной и переменной температуре хроматографической колонки. Для наиболее эффективного разделения необходимо, чтобы температура колонки была близка к температуре кипения наиболее летучего компонента смеси.

Одной из разновидностей распределительной хроматографии является хроматография на бумаге. Распределительная бумажная хроматография основана также на различии в коэффициентах распределения компонентов смеси между двумя несмешивающимися жидкими фазами. При этом одна из фаз - органический растворитель - подвижная фаза просачивается по порам бумаги, другая фаза - неподвижный растворитель - вода адсорбируется бумагой.

Хроматографические методы, за исключением бумажной хроматографии, осуществляются в настоящее время на приборах, которые носят название хроматографов. Из отечественных хроматографов широкое распространение получили различные хроматографы марки «цвет». Чувствительность хроматографических методов с наиболее чувствительными детекторами достигает 10-10 \%.