Практическое применение. Понятие об ионной и ион-парной хроматографии

Рис. 24.7. Определение NaCl методом ионообменной хроматографии

Ионный обмен используется для разделения различных неорганических и органических ионов, например, с целью устранения мешающего влияния одних ионов при обнаружении других, выделения определённых ионов из смеси и т.д. На рис. 24.7 показан простейший вариант использования ионообменной хроматографии для количественного определения веществ.

Современными хроматографическими методами анализа, в которых используется ионообменное разделение, являются ионная и ион-парная хроматография.

Ионной хроматографией называется колоночная ионообменная жидкостная хроматография с кондуктометрическим детектированием.

В качестве неподвижной фазы в ионной хроматографии используют поверхностно-пористые ионообменники, состоящие из твёрдого ядра, покрытого тонким слоем ионита. Для таких сорбентов характерны диаметр зёрен меньше 50 мкм, низкая ионообменная ёмкость, механическая прочность, химическая устойчивость, быстрое время установления ионообменного равновесия.

Высокочувствительное кондуктометрическое определение ионов возможно только при невысокой фоновой электропроводности потока жидкости, поступающей в детектор. По этой причине предложено два основных варианта ионной хроматографии:

Схема двухколоночной ионохроматографической системы показана на рис. 24.8.

Рис. 24.8. Схема двухколоночной ионохроматографической системы

При прохождении через подавляющую колонку фоновый электролит превращается в соединение с низкой электропроводностью, а определяемый ион – в соединение с высокой электропроводностью. Например, при разделении катионов щелочных металлов в качестве элюента используется раствор HNO₃. В разделяющей колонке, заполненной катионообменником, происходит ионный обмен и разделение катионов. В подавляющей колонке находится анионобменник в OH-форме. При прохождении через подавляющую колонку анионы разделяемых солей и нитрат-ионы, входящие в состав элюента, полностью обмениваются на гидроксид-ионы. Таким образом, HNO₃ превращается в H₂O, а соли щелочных металлов – в соответствующие гидроксиды (сильные электролиты).

Ион-парной хроматографией называется вариант жидкостной хроматографии, при котором в подвижную фазу добавляют реагент, в состав которого входит гидрофобный ион, хорошо адсорбирующийся на поверхности неподвижной фазы – силикагеля с привитыми алкильными группами (см. рис. 24.1). В качестве ион-парных реагентов при разделении катионов обычно используют алкилсульфаты или алкилсульфонаты, а при разделении анионов – ионы тетраалкиламмония.

Принято считать, что разделение и удерживание веществ в ион-парной хроматографии обусловлено двумя механизмами:

· сорбцией ион-парного реагента на поверхности неподвижной фазы и превращении её в ионообменник;

· взаимодействием разделяемых веществ и ион-парного реагента в подвижной фазе с образованием ионных пар, которые затем адсорбируются на неподвижной фазе.

Ион-парная хроматография используется для разделения ионизированных веществ, которые обладают хорошей растворимостью в полярной подвижной фазе, незначительным сродством к неполярной неподвижной фазе и не могут быть удовлетворительно разделены в условиях обычной обращённо-фазовой ВЭЖХ.

В качестве примера на рис. 24.9 показана жидкостная хроматограмма этанольного извлечения из корня барбариса, содержащая смесь алкалоидов, протобербериновой группы (пик, отмеченный значком *, соответствует берберину – см. рис. 20.10), полученная с помощью микроколоночного жидкостного хроматографа «Миллихром-4». Колонка длиной 64 мм и диаметром 2 мм. Неподвижная фаза – Separon SGX - C₁₈ (диаметр частиц сорбента 5 мкм). Подвижная фаза – смесь ацетонитрила и водного 5×10^-2 М KH₂PO₄ (40:60) c добавлением 2×10^-3 М додецилсульфата натрия. Детектор – спектрофотометрический (260 нм).

Рис. 24.9. Хроматограмма этанольного извлечения из корня барбариса

Эксклюзионная хроматография

В эксклюзионной хроматографии (гель-хроматографии) разделение основано на различиях в размерах и форме молекул.

В качестве твёрдого носителя в гель-хроматографии используют различные сетчатые полимеры («гели»). Неподвижной фазой является элюент, находящийся в порах зёрен твёрдого носителя, подвижной фазой - этот же элюент, протекающий вдоль слоя частиц полимера. В процессе хроматографирования более мелкие молекулы проникают в поры геля и задерживаются в находящейся в них неподвижной фазе. Более крупные молекулы не проникают в поры и поэтому движутся быстрее. Таким образом, выход компонентов смеси из колонки происходит в порядке уменьшения их молекулярных масс (рис 24.10).

Величина коэффициента распределения (D) в эксклюзионной хроматографии может находиться в пределах от 0 до 1. Для крупных молекул, не способных проникать в поры геля, D = 0, следовательно, удерживаемый объём равен свободному объёму колонки - V_R = V_m. В случае молекул, размер которых позволяет им свободно диффундировать через пористый материал, D = 1 (поскольку состав подвижной и неподвижной фаз одинаков), следовательно, удерживаемый объём равен сумме свободного объёма колонки и объёма жидкости, находящейся в порах – V_R = V_m + V_s. Для молекул промежуточного размера V_m < V_R < V_S. Поскольку диапазон возможных значений D в эксклюзионной хроматографии очень узок, то для эффективного разделения в данном виде хроматографии приходится применять длинные колонки или несколько соединённых друг с другом колонок.

Рис. 24.10. Принцип эксклюзионной хроматографии

Большинство из мягких гелей гидрофильны. Процесс хромато­графирования на мягких гелях называется гель-фильтрационной хроматографией. Полужёсткие гели в основном гидрофобны. Про­цесс хроматографирования на таких гелях называется гель-прони­кающей хроматографией.

В качестве растворителей в эксклюзионной хроматографии используют воду, диметилформамид, хлороформ, толуол и т.д. Выбор растворителя зависит от типа используемого геля, вида разделяемых веществ, применяемой системы детектирования.

Основное назначение гель-хроматографии - разделение смесей высокомолекулярных соединений (а также высокомолекулярных и низкомолекулярных) и определение молекулярномассового распределения полимеров. Как и ионообменная хроматография гель-хроматография может быть колоночной и плоскостной, проводиться как в «классическом» варианте, так и в высокоэффективном.

ГЛАВА 25

 

 

Электрохимическими называют методы анализа, основанные на использовании процессов, происходящих в электрохимической ячейке.

25.1. Основные понятия, связанные с электрохими­ческими методами анализа

Электрохимической ячейкой называется система, состоящая из пары электродов и электролита, контактирующих между собой.

Электродом называется граница раздела, на которой электронный механизм переноса заряда (направленное движение электронов) меняется на ионный (направленное движение ионов). В менее строгом смысле под термином «электрод» обычно подразумевают проводник электрического тока с электронной проводимостью. Электролитом называется среда, в которой происходит перенос заряда в результате направленного движения ионов. Электроды, входящие в состав электрохимической ячейки, могут находиться в одном растворе либо в разных растворах, контактирующих друг с другом с помощью солевого мостика или через пористую перегородку (рис. 25.1). Ячейки первого типа называются ячейками без жидкостного соединения, второго типа - ячейками с жидкостным соединением.

 

Рис. 25.1. Электрохимическая ячейка с жидкостным соединением (слева) и без жидкостного соединения (справа)

В состав электрохимической ячейки должно входить, по крайней мере, два электрода.

Потенциал электрода сравнения должен:

· быть хорошо воспроизводимым;

· не изменяться во времени;

· не зависеть от состава анализируемого раствора, действия электрического тока и т.д.

Рис. 25.2. Насыщенный хлоридсеребряный электрод 1 - серебряная проволока, 2 - внутренний насыщенный раствор KCl, 3 - внешний насыщенный раствор KCl, 4 - асбестовое волокно

На практике в качестве электродов сравнения чаще всего применяют хлоридсеребряный и каломельный электроды. Например, хлоридсеребряный электрод представляет собой серебряную проволочку, покрытую AgCl и помещённую в раствор KCl (рис. 25.2).

AgCl¯ + › Ag¯ + Cl^-

При использовании насыщенного раствора KCl потенциал хлоридсеребряного электрода при температуре 25 °С равен +0,222 В.

В некоторых случаях в состав электрохимической ячейки может входить ещё и третий электрод, называемый вспомогательным. Этот электрод служит источником электронов либо, наоборот, играет роль стока электронов и тем самым обеспечивает возможность протекания электрического тока через ячейку. Как правило, ни сила тока, ни потенциал вспомогательного электрода не измеряются. Вспомогательный электрод изготавливают из инертного материала.

Если в электрохимической ячейке протекают электрохимические реакции, то в зависимости от режима работы она может быть:

Если во внешней цепи не протекает электрический ток, то потенциал индикаторного электрода подчиняется уравнению Нернста и называется равновесным. Если во внешней цепи начинает протекать электрический ток, то это приводит к отклонению величины потенциала электрода от рассчитанной по уравнению Нернста. Такое явление называется поляризацией, а электрод (или электрохимическая ячейка) - поляризованным.

Концентрационная поляризация (h_с) возникает вследствие медленной диффузии вещества из объёма раствора к поверхности электрода и приводит к уменьшению потенциала электрода. В том случае, когда измеряют величину равновесного потенциала, концентрационная поляризация является нежелательным процессом, и её стремятся свести к минимуму. В вольтамперометрических методах анализа она, наоборот, необходима. Для уменьшения концентрационной поляризации, анализируемый раствор постоянно перемешивают и кроме того, плотность тока на индикаторном электроде должна быть незначительной. В вольтамперометрии измерение проводят в разбавленных неперемешиваемых растворах и применяют электроды с большой плотностью тока.

Кинетическая поляризация, или перенапряжение (h_t) обусловлена медленным переносом электронов на поверхности электродов. Величина кинетической поляризации зависит от природы окислительно-восстановительной системы и материала электрода.