Мишустин А.И. - Лекции по физико-химическим методам анализа, страница 6

4) Эксклюзионная (молекулярно-ситовая или гель-фильтрационная) хроматография основана на разной проницаемости молекул компонентов (ВМС) в неподвижную фазу, частицы которой имеют поры определённого размера (пористые стёкла, молекулярные сита, гели).

5) Осадочная хроматография основана на различной способности разделяемых компонентов выпадать в осадок на твёрдой неподвижной фазе.

Классификация по способу проведения процесса

Хроматография разделяется на колоночную и плоскостную. Рассмотрим сначала колоночную. В неподвижную фазу вводится подвижная фаза, называемая элюентом, а из колонки выходит элюат. Распределение компонентов в виде отдельных зон внутри колонки называется внутренней хроматограммой. Графическое изображение распределения веществ в элюате как функции времени называют внешней, или просто хроматограммой. Существуют три способа проведения хроматографического процесса в колонках, называемые проявительной (элюентной) хроматографией, фронтальной хроматографией и вытеснительной хроматографией.

1. Проявительная хроматография - наиболее распространенная. Колонку промывают растворителем, затем вводят разделяемую смесь. После этого непрерывно пропускают растворитель. Разделяемые вещества продвигаются в колонке с разными скоростями, на выходе сначала появляется наименее сорбируемый компонент, затем следующий и т.д. Хроматограмма имеет ряд пиков (рис.1; вещество А слабее всех сорбируется, вещество С - сильнее всех). Можно достичь полного разделения, но недостаток - анализируемые компоненты на выходе разбавлены растворителем.

2. Вытеснительная хроматография. В колонку вводят немного разделяемой смеси, затем через колонку непрерывно пропускают раствор вещества - вытеснителя, обладающего лучшей сорбируемостью, чем любой из компонентов. По мере продвижения элюент вытесняет ближайшее вещество С, которое в свою очередь вытесняет вещество В. В результате анализируемая смесь перемещается впереди фронта вытеснителя и скорость движения веществ равна скорости движения вытеснителя. Разделяемые вещества идут последовательно друг за другом. Каждый из компонентов выделяется в чистом виде, но не разделены промежутками (рис.2).

3. Фронтальная хроматография. Анализируемый раствор непрерывно подается в колонку. Из колонки сначала вытекает чистый растворитель, затем, когда сорбент насытится компонентом А (установится динамическое равновесие сорбции-десорбции), он появится в элюате. Когда сорбент насытится веществом В, оно появится в элюате вместе с компонентом А, и т.д. Когда сорбент полностью насытится всеми компонентами разделяемой смеси, состав элюата будет совпадать с составом элюента (рис. 3). Таким образом, в чистом виде можно получить только одно вещество - наименее сорбируемое А, которое первым выйдет из колонки.

Часто используется комбинированный метод. Сущность этого метода заключается в том, что после получения первичной хроматограммы проводится обычный проявительный анализ, затем в растворитель добавляют сильно сорбирующееся вещество, которое вытесняет оставшиеся в слое сорбента компоненты.

Аппаратурное оформление хроматографических процессов

Хроматография разделяется на колоночную и плоскостную. Блок-схема колоночного хроматографа приведена на рисунке.

Основным аппаратом является стеклянная или металлическая трубка, заполненная сорбентом. Вариантом колоночной хроматографии является капиллярная хроматография. В этом случае неподвижную фазу наносят на внутренние стенки капилляров.

Важную роль играет стабильность работы насоса, потому что основным параметром сигнала от данного вещества является время удерживания - отрезок времени между введением вещества в колонку и выходом данного вещества. Распространённым вариантом газовых хроматографов являются хроматографы с повышенным давлением, что сильно ускоряет процесс получения хроматограммы.

Детектор - устройство для идентификации вещества - может быть основан на измерении зависимости одного из простых физических свойств (теплопроводности, плотности, показателя преломления) от времени. Они обязательно предварительно калибруются по чистым компонентам. Один из типов детекторов - катарометр. В цилиндрической полости помещена металлическая спираль, нагреваемая током. При протекании газа-носителя с постоянной скоростью спираль охлаждается, но температура постоянна. При появлении в газе вещества изменяется теплопроводность и изменяется температура. Температура быстро реагирует на появление выходящих с газом-носителем веществ.

Другой вариант детектора - пламенно-ионизационный. Выходящий из колонки газ-носитель, содержащий вещество, смешивается с водородом и проходит в форсунку горелки. Пламя ионизирует молекулы элюента, что изменяет электрическое сопротивление между электродами и увеличиваети ток сигнала детектора.

Для жидкостной хроматографии применяют спектрофотометрические детекторы (в видимой, УФ, ИК-области), а также рефрактометрические (измеряют показатель преломления). В некоторых случаях для идентификации веществ хроматография сочетается с другими методами (масс-спектрометрией, ИК-, УФ-спектроскопией и др.). В случае ионообменной хроматографии ионов детектором служит кондуктометри, измеряющий сопротивление выходящего из колонки раствора.

Для качественного хроматографического анализа определяют время удерживания, а для количественного анализа определяют высоты или площади хроматографических пиков. Здесь на рис. пример хроматограммы.

Плоскостная хроматография подразделяется на тонкослойную и бумажную. В первой тонкий слой гранулированного сорбента или пористая плёнка наносится на стеклянную или металлическую пластинки; например, паста оксида алюминия.

В случае бумажной хроматографии используют специальную хроматографическую бумагу (похожую на промокашку). Она может быть пропитана реагентом.

Перемещение подвижной фазы происходит благодаря капиллярным силам.

Исследуемую смесь в жидком виде наносят на стартовую линию (начало пластинки или полоски бумаги), а затем разделяют на компоненты восходящим или нисходящим потоком элюента. Последующее обнаружение (проявление) разделённых веществ на хроматограмме осуществляют при помощи УФ, ИК спектроскопии или обработкой реактивами, образующими с анализируемыми веществами окрашенные соединения.

В жидкостно-жидкостной распределительной хроматографии применяется метод разделения на бумаге. Неподвижная фаза покрывает тонким слоем волокна бумаги, а движение жидкой подвижной фазы происходит под действием капиллярных сил. Хроматография на бумаге получила широкое распространение в биохимии для разделения белковых веществ.

ЛЕКЦИЯ 6. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Эти методы используются для анализа питьевой воды, природных и сточных вод и продуктов питания. Любой электрический параметр - потенциал Е, сила тока I, сопротивление R, заряд - зависит от состава анализируемого раствора и может служить аналитическим сигналом.

Классификация электрохимических методов по измеряемому параметру.

6.1. ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ

Этот метод анализа основан на уравнении Нернста. Измерение потенциала электрода в равновесных обратимых условиях, то-есть при отсутствии тока, позволяет определить активность ионов. Измеряют ЭДС цепи, составленной из индикаторного и эталонного электродов. В качестве индикаторных электродов применяют металлические либо ионоселективные (мембранные).

Ионометрия - перспективный и быстро развивающийся раздел потенциометрии, основанный на ион-селективных электродах. Главная часть ионоселективного электрода - мембрана, проницаемая для одного вида ионов. Мембрана разделяет внутренний раствор с известной концентрацией ионов и внешний, исследуемый раствор с неизвестной концентрацией. В каждом из растворов находится металлический электрод. Исследуемые ионы проходят через мембрану в сторону меньшей концентрации, накапливаются, устанавливается динамическое равновесие и на поверхности мембраны возникает мембранный потенциал, противодействующий дальнейшему движению ионов. Измеряемая разность потенциалов между металлическими электродами описывается уравнением Нернста и позволяет рассчитать активность (концентрацию) ионов в широком интервале (до 5 порядков). Даже тысячекратный избыток посторонних ионов не влияет на работу электродов.

Мембраны бывают:

1. Твердые:

а) из кристаллического вещества, малорастворимого в воде и обладающего ионной проводимостью, ионы перемещаются по дефектам кристаллической решетки. Пример -

б) Стеклянные - ионный обмен Н⁺ происходит в тонком гелеобразном поверхностном слое стекла, образующимся после выдерживания в водном растворе. Стеклянные электроды широко применяются для измерения рН.

в) гетерогенные из различных кристаллов.

1. Жидкие (раствор ионнообменного соединения в органическом растворителе, удерживаемый пористой перегородкой). Это хелатообразующие соединения, краун-эфиры и др. Они избирательно комплексуют исследуемый тип иона и переносят его от одного водного раствора к другому. Органический растворитель (бензол, толуол) не должен смешиваться с водой.

2. Пластифицированные - из ВМС.

Промышленностью выпускаются ион-чувствительные электроды для многих ионов: галогенид-ионов, нитрит- и нитрат-ионов, цианид-ионов, катионов лития, натрия, калия, кальция, серебра, меди, кадмия, свинца, на общую (Са-магниевую) жёсткость воды, на ПАВ. Есть разновидность - газочувствительные электроды - на NH3, NO2, CO2. Внутри находится буферный раствор с определённым значением рН. Молекулы газа проникают через мембрану, реагируют с буферным раствором и изменяют его рН, а рН измеряется вспомогательным стеклянным электродом. Преимущества ионометрии: простота, малогабаритность, дешевизна, экспрессность, возможность непрерывного измерения.

Второй вариант потенциометрии - потенциометрическое титрование. Измерение зависимости потенциала электрода от состава раствора используют для определения конечной точки титрования. Вблизи точки эквивалентности происходит скачок потенциала (связан с заменой одной электрохимической реакции другой).

6.2. КУЛОНОМЕТРИЯ

Электролиз - химическая реакция окисления или восстановления на электроде под действием электрического тока. Для измерения количества прошедшего через ячейку заряда применяются кулонометры или электронные интеграторы. В кулонометре протекает известная реакция с 100%-ным выходом по току. Измерение массы образовавшегося в кулонометре вещества позволяет рассчитать прошедший заряд.

Кулонометрический метод анализа использует законы электролиза Фарадея:

1. Количество восстановленного или окисленного в результате электролиза вещества прямо пропорционально количеству прошедшего электричества.

2. Массы различных веществ, выделенных на электроде при прохождении 1 Кулона электричества, равны их электрохимическим эквивалентам.

Электролиз начинается при определенном напряжении между электродами, называемом потенциалом разложения. Для того чтобы электролиз проходил быстро, напряжение в цепи поддерживают выше потенциала разложения. Если раствор содержит несколько компонентов, имеющих различные потенциалы разложения, можно выделять их из смеси в определенной последовательности, регулируя напряжение. При увеличении напряжения сначала выделяются на катоде металлы, имеющие меньший потенциал разложения. Например, из раствора ионов Pb⁺² и Cd⁺² (с единичными активностями) сначала будут восстанавливаться на катоде ионы свинца (E⁰_Pb= - 0126 В, Е⁰_Сd= - 0,402 В). Если потенциал катода сделать равным - 0,35 В, то будут восстанавливаться только ионы свинца, а ионы кадмия останутся в растворе.