Практическое применение. Понятие об ионной и ион-парной хроматографии 1 страница

RNa + H

\ NaCl

колонка, наполненная катионообменником в H-форме

У RH + Na

,-титруют стандартным раствором NaOH

HCl

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.

разделяющая колонка

подавляющая колонка

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.

элюент		насос		ввод образца

ионообменник с малой обменной ёмкостью

ионообменник с большой обменной ёмкостью

регистрирующее		кондуктометрический
устройство		детектор

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 тетраалкиламмо- ния.

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 эта- нольного извлечения из корня барбариса, содержащая смесь алкалоидов, прото- бербериновой 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

24.4.2. 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).

6 8 10 время, мин Рис. 24.9. Хроматограмма этанольного извлечения из корня барбариса

- Separon SGX - C₁₈ (диаметр час бента 5 мкм). Подвижная фаза - смесь ацетонитрила и водного 5 -10^-2 М K 40:60) c добавлением 2-10^-3 М додецил- сульфата натрия. Детектор - сиект гетрический (260 нм).

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

сефадексы, агарозные гели, полиакриламидные гели и др органические ВМС с небольшим числом поперечных связей

сополимеры стирола и дивинилбензола, поливинилацетатные гели и др

силикагели и пористые стёкла имеют фиксированный размер пор, который не изменяется ни при каких условиях

Большинство из мягких гелей гидрофильны. Процесс хромато- графирования 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.

V

V

R

маленькие молекулы, свободно диффундирующие через пористый материал

сигнал ^_________ — детектора

молекулы промежуточного крупные молекулы, размера не проникающие в поры D = 0

D = 1

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА. КОНДУКГОМЕТРИЯ

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.

Электрод, на котором происходят электрохимические процессы, приводящие

к возникновению 'аналитического сигнала

Эталон, относительно которого измеряется потенциал индикаторного электрода.

Индикаторный электрод, который за время измерения оказывает значительное влияние на состав анализируемого раствора, называется рабочим

электрод сравнения

индикаторным электрод

ЭЛЕКТРОДЫ, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ

Потенциал электрода сравнения должен:

• быть хорошо воспроизводимым;

• не изменяться во времени;

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

На практике в качестве

/ электродов сравнения чаще

i.

\ всего применяют хлоридсереб-

ряный и каломельный электро­ды. Например, хлоридсеребря- ный электрод представляет со­бой серебряную проволочку, покрытую AgCl и помещённую в раствор KCl (рис. 25.2).

/------ 1 ----- 2

AgCl^ + e г Ag^ + Cl^-

0,059 lg aci -

E = E

AgCl/Ag,Cl^-

хлоридсеребряного

При использовании на­сыщенного раствора KCl по­

Рис. 25.2. Насыщенный хлоридсеребряный

тенциал

электрод 1 - серебряная проволока, 2 - внутренний насыщенный раствор KCl, 3 - ^электр^{ода п}р^{и темпе}р^атур^{е 25} внешний насыщенный раствор KCl, 4 - ас- °С равен +0,222 В. бестовое волокно

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:

электрическая энергия, передаваемая извне, преобразуется в химическую

энергия химической реакции превращается в электрическую

А

	Kt+
	An^-

кинетическая

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.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ

концентрационная

Концентрационная поляризация (ц_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 (ц) обу­словлена медленным переносом электронов на поверхности электро­дов. Величина кинетической поляризации зависит от природы окис­лительно-восстановительной системы и материала электрода.

25.2. Классификация электрохимических методов анализа

Согласно IUPAC

I

прямые

В табл. 25.1 приведена классификация основных электрохими­ческих методов анализа в зависимости от измеряемого параметра.

Табл. 25.1. Классификация основных электрохимических методов анализа по измеряемому параметру

Метод	Измеряемый параметр	Условия измерения
кондуктометрия	удельная электропроводность - к, См-см^-1 (непосредственно измеряют R)	переменный ток (~ 1000Гц)
потенциометрия	потенциал электрода (ЭДС ячейки) - E, В	I = 0
кулонометрия	количество электричества - Q, Кл	I = const или E = const
вольтамперометрия/ полярография	сила тока - I, мкА	^I ^^(Еналож^)

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

I

косвенные

используется зависимость электрического параметра от концентрации вещества

изменение величины электрического параметра используется для обнаружения конечной точки титрования

25.3. Кондуктометрия

Кондуктометрия - это совокупность электрохимических ме­тодов анализа, основанных на измерении удельной электропроводно­сти (или сопротивления) растворов электролитов.

25.3.1. Теоретические основы и классификация

_G 1 S S G =----------- = к— p i t

Любое вещество характеризуется своим электрическим сопро­тивлением (R). Величина обратная сопротивлению называется элек­тропроводностью или электрической проводимостью (G). Для рас­твора электролита, находящегося между двумя электродами, площадь поверхности которых равна S и расстояние между которыми равно t:

R = p i

S

где к- удельная электропроводность раствора

В аналитических целях G не используется, так как она зависит от размеров и формы проводника. Удельная электропроводность, ха­рактеризующая лишь токопроводящую среду, не зависит от этих па­раметров.

Размерность R - Ом, G - См (сименс) = Ом'¹, р - Ом-см (в СИ Ом-м), к - См-см'¹ (в СИ См-м^-1). Удельная электропроводность (См-м^-1) численно равна си­ле тока, проходящего через слой раствора с поперечным сечением, равным еди­нице, под действием градиента потенциала 1В на единицу длины.

Удельная электропроводность связана с молярной концентраци­ей эквивалента вещества (моль/л):

к = 1-10^-3ХС,

где X - молярная (эквивалентная) электропроводность (См-см²/моль)

При малых и средних концентрациях (до 2-4 моль/л) удельная электропроводность раствора прямо пропорциональна молярной кон­центрации электролита в растворе. При больших концентрациях эта зависимость отклоняется от прямолинейной, а при концентрациях больше 8-10 моль/л удельная электропроводность раствора начинает даже уменьшаться. При бесконечном разбавлении раствора величина удельной электропроводности стремится к нулю.

Молярная электропроводность равна произведению абсолютной скорости движения иона на постоянную Фарадея. При уменьшении концентрации электролита и уменьшении ионной силы скорости дви­жения ионов возрастают, поэтому величина X увеличивается. При бесконечном разбавлении молярная электропроводность достигает некоторого предельного (ненулевого) значения, называемого пре­дельной молярной электропроводностью X<. Согласно закону Кольрауша:

Значения X< для некоторых ионов приведены в табл. 25.2.

Табл. 25.2

Значения X< для некоторых катионов и анионов

Катион	^Xto^,	Анион	^X<x>^,
	См-см /моль		2 См-см /моль
H3O+		OH"	197,0
NH4+	73,7	Br	78,1
Ag+	61,9	Cl^-	76,4
1/2Ca^2+	59,8	NO3-	71,5
Na+	50,1	CH3COO-	40,9

Самую высокую среди катионов имеет катион гидроксония, а

среди анионов - гидроксид-ион. Это связано с их способностью пере­давать свой заряд через молекулы растворителя по особому «эстафет­ному» механизму, на что затрачивается значительно меньше времени, чем для непосредственного перемещения к электроду.

(-0~0-ч

IX

К

Рис.25.3. Простейшая ячейка для измерения электропроводности

бесконтактная

контактная низкочастотная < 0,1 МГц высокочастотная > 0,1 МГц

25.3.2. Измерение аналитического сигнала

Контактные кондуктометрические изме­рения проводят в ячейке для измерения элек­тропроводности. Простейшая ячейка представ­ляет собой стеклянный сосуд с двумя плоско­параллельными платиновыми электродами (рис. 25.3). Для уменьшения концентрационной по­ляризации используют платинированную (по­крытую платиновой чернью) платину, имею­щую большую площадь поверхности. Раствор, находящийся в ячейке, постоянно перемешива­ется. Ячейку подключают к источнику пере­менного тока, имеющего частоту около 1000 Гц. Непосредственно измеряемой величиной в кондуктометрии является не электропроводность, а сопротивление. Сопротивление раствора можно измерять с помощью моста Уитстона Мосты переменного тока могут быть уравновешенными и неуравно­вешенными. В случае уравновешенного моста (рис. 25.4) величины сопротивлений R₁, R₂ и R₃ должны быть такими, чтобы мост пришёл в состояние равновесия, при котором сила тока в измерительной диаго­нали равна нулю (или имеет минимальное значение).

^R3^R2 Ri

Измерить с удовлетвори­тельной точностью величины £ и S трудно, поэтому вначале изме­ряют сопротивление раствора, удельная электропроводность ко­торого точно известна. В качестве такого стандарта используется

„, ^ раствор KCl. Например, при 18°С

Рис. 25.4 Мост Уитстона, используе­мый при кондуктометрических измере- ^к(0,1 м^{оль/кг KCl)} — ^0,011100 ниях

переменное эталонное сопротивление R3

£

R

к=

x

RxS

Cм•см^-. Отношение £/S— 0 на­зывается постоянной ячейки.

⁰ _к ^RKCl

Kx =

R

= KKCl"

R

x

25.3.4. Практическое применение

Прямая кондуктометрия основана на существовании (в облас­ти разбавленных и умеренно концентрированных растворов) прямо­линейной зависимости между к и С. Поскольку электропроводность раствора является аддитивной величиной, прямая кондуктометрия об­ладает малой избирательностью и используется лишь в тех случаях, когда достаточно знать общую концентрацию ионов в растворе, например, при контроле качества воды, определении суммарного со­держания солей в природных водах или биологических жидкостях. Кондуктометрический детектор является одним из детекторов, ис­пользуемых в ВЭЖХ. Прямую кондуктометрию используют также для определения различных физико-химических характеристик веще­ства (K_a, Ks и др.).

Кондуктометрическое титрование основано на изменении удельной электропроводности раствора в зависимости от количества добавленного титранта. Чаще всего в кондуктометрическом титрова­нии используются протолитические реакции, реже всего - окисли­тельно-восстановительные. Электропроводность исходного раствора должна заметно отличаться от электропроводности реагента или про­дукта реакции. Константу ячейки при кондуктометрическом титрова­нии знать не обязательно, поскольку определяют не абсолютное зна­чение к, а её изменение в процессе титрования. Главное, чтобы в про­цессе титрования константа ячейки оставалась постоянной.

В качестве примера на рис. 25.5 показана кривая титрования рас­твора HCl раствором NaOH. До точки эквива­лентности величина удельной электропровод­ности раствора уменьша­ется вследствие того, что ионы H₃O+ заменяются гораздо менее подвиж­ными ионами Na+. После точки эквивалентности в растворе появляется из­быток подвижных OH^- ионов, что вновь приво­дит к значительному уве­личению электропроводности. Конечной точке титрования соответст­вует точка пересечения нисходящей и восходящей ветвей кривой тит­рования.

Кондуктометрическое титрование может быть использовано в тех случаях, когда трудно провести визуальное обнаружение конеч­ной точки титрования - при анализе мутных и окрашенных растворов, а также в случае определения веществ в сильно разбавленных раство­рах (10^-4 М и меньше).

25.3.5. Понятие о высокочастотной кондуктометрии

В высокочастотной кондуктометрии (осциллометрии), приме­няемой, главным образом, в виде высокочастотного титрования, ис­пользуется электрический ток высокой частоты (мегагерцы). Электро­ды в ячейках для высокочастотного титрования не соприкасаются с анализируемым раствором. Существует два типа таких ячеек: емко­стная и индуктивная. При использовании емкостных ячеек измеряют изменение частоты генератора в процессе титрования. Индуктивная ячейка помещается внутрь электромагнитной катушки. При титрова­нии происходит изменение величины индуктивности.

К преимуществам высокочастотной кондуктометрии относится возможность анализа растворов как с очень малой, так и с очень боль­шой электропроводностью. Электроды находятся вне раствора, по­этому не происходит их поляризации. Метод высокочастотного тит­рования может быть использован для анализа агрессивных сред, рас­творов, находящихся в замкнутых сосудах и т.д. Основной недостаток - более высокая стоимость оборудования.

Рис. 25.5. Кривая титрования HCl раствором NaOH с указанием вкладов отдельных ионов (без учёта разбавления раствора)

326

ГЛАВА 26

ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЙ И КУЛОНОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

26.1. Потенциометрический метод анализа

Потенциометрическими называют методы анализа, основан­ные на измерении зависимости равновесного электродного потенциа­ла от активности определяемого иона.

26.1.1. Общая характеристика и классификация

При потенциометрических измерениях используется электрохи­мическая ячейка, работающая в режиме гальванического элемента. В состав ячейки входит индикаторный электрод, потенциал которого зависит от активности определяемого иона или от активности хотя бы одного из компонентов протекающей химической реакции, и элек­трод сравнения (чаще всего хлоридсеребряный), величина потенциа­ла которого постоянна. Величина потенциала индикаторного электро­да связана с активностью определяемого иона уравнением Нернста (см. главу 7).

E = E⁰ ₊ ^ ₌ E⁰ ₊ ⁰⁰⁵⁹ lg^OL (при 298 К) ^nF ared ⁿ _ ared

Э^ДС ^гальв^анич^{еского э}леме»*»AE = Eср - Eинд+ E^I ^—диффузионный

прямая ("ионометрия")

потенциал

ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ

Дата добавления: 2015-09-07