- •1.1. Предмет аналитической химии
- •1.2. Принцип, метод и методика анализа
- •1.3. Виды анализа
- •2.1. Аналитические реакции
- •2.2. Систематический и дробный анализ
- •3.1. Общая характеристика химического равновесия. Константа химического равновесия
- •3.2. Активность и коэффициент активности
- •3.3. Отклонения от идеальности в растворах сильных электролитов
- •3.5. Общие принципы расчёта состава равновесных систем
- •4.1. Важнейшие теории кислот и оснований
- •4.3. Влияние растворителя на кислотно-основные свойства растворённого вещества
- •4.4. Нивелирующее и дифференцирующее действие растворителя. Сильные и слабые кислоты и основания
- •4.6. Расчёт состава равновесных смесей протолитов при заданном значении рН
- •4.7. Кислотно-основные буферные растворы
- •5.1. Понятие о комплексном соединении
- •5.2. Классификация комплексных соединений
- •5.5. Применение органических реагентов в аналитической химии
- •6.1. Произведение растворимости малорастворимого электролита
- •6.2. Растворимость
- •6.3. Влияние различных факторов на растворимость
- •7.1. Общая характеристика окислительно-восста- новительных реакций
- •7.2. Количественная оценка окислительно-восстано- вительной способности веществ
- •7.3. Влияние различных факторов на протекание окислительно-восстановительных реакций
- •8.1. Отбор пробы
- •8.2. Разложение пробы
- •9.1. Общая характеристика и классификация
- •9.2. Жидкость - жидкостная экстракция
- •10.1. Приближённые вычисления и значащие цифры
- •10.2. Понятие об аналитическом сигнале
- •10.4. Неопределённость и погрешности измерений
- •10.6. Пример статистической обработки результатов измерений. Исключение промахов
- •10.7. Основные характеристики методики анализа
- •11.1. Общая характеристика
- •11.2. Виды гравиметрических определений
- •11.3. Понятие о механизме образования осадка
- •11.4. Коллоидная стадия образования осадка
- •11.6. Основные этапы методики гравиметрического определения методом осаждения
- •12.1. Основные понятия титриметрии
- •12.2. Классификация титриметрических методов анализа и способов титрования
- •ГЛАВА 13 Кислотно-основное титрование
- •13.1. Титранты и стандартные вещества
- •13.2. Обнаружение конечной точки титрования. Ки- слотно-основные индикаторы
- •13.3. Кривые титрования
- •13.5. Погрешности титрования
- •13.6. Некоторые случаи практического применения кислотно-основного титрования в водных растворах
- •14.1. Ограничения возможностей кислотно-основного основного титрования в водных растворах
- •14.3. Применение в фармацевтическом анализе
- •ГЛАВА 15 Комплексометрическое титрование
- •15.1. Общая характеристика
- •15.2. Меркуриметрическое титрование
- •15.3. Комплексонометрическое титрование
- •15.3.1. Понятие о комплексонах
- •15.3.2. Свойства этилендиаминтетрауксусной кислоты и её взаимодействие с катионами металлов
- •15.3.3. Кривые титрования
- •15.3.4. Способы обнаружения конечной точки титрования. Металлоиндикаторы
- •15.3.5. Индикаторные погрешности
- •15.3.6. Титранты и стандартные вещества
- •15.3.7. Способы комплексонометрического титрования и его применение
- •ГЛАВА 16 Осадительное титрование
- •16.1. Общая характеристика
- •16.2. Аргентометрическое титрование
- •16.2.1. Кривые титрования
- •16.2.2. Способы обнаружения конечной точки титрования
- •16.2.3. Титранты и стандартные вещества
- •16.2.4. Применение в фармацевтическом анализе
- •16.3. Меркурометрическое титрование
- •17.1. Общая характеристика и классификация
- •17.2. Кривые титрования
- •18.1. Иодометрическое титрование
- •18.2. Хлориодометрическое титрование
- •18.3. Иодатометрическое титрование
- •18.4. Броматометрическое титрование
- •18.5. Нитритометрическое титрование
- •18.6. Перманганатометрическое титрование
- •18.7. Дихроматометрическое титрование
- •18.8. Цериметрическое титрование
- •20.3. Атомно-абсорбционная спектроскопия
- •20.3.1. Процессы, приводящие к появлению аналитического сигнала
- •20.3.2. Измерение аналитического сигнала
- •20.3.3. Практическое применение
- •20.4.2. Измерение аналитического сигнала
- •20.5. ИК-спектроскопия
- •20.5.1. Процессы, приводящие к появлению аналитического сигнала
- •20.5.2. Общая характеристика ИК-спектров
- •20.5.3. Измерение аналитического сигнала
- •20.5.4. Практическое применение
- •21.1. Атомно-эмиссионная спектроскопия
- •21.1.1. Процессы, приводящие к появлению аналитического сигнала
- •21.1.2. Измерение аналитического сигнала
- •21.1.3. Практическое применение
- •21.2. Люминесцентная спектроскопия
- •20.2.1 Классификация видов люминесценции
- •21.2.4. Влияние различных факторов на интенсивность флуоресценции растворов
- •21.2.5. Измерение аналитического сигнала
- •22.1. Общая характеристика
- •22.2. Классификация хроматографических методов
- •22.3. Хроматографические параметры
- •22.4. Теории хроматографического разделения
- •ГЛАВА 23 Газовая хроматография
- •23.1. Общая характеристика
- •23.2. Устройство газового хроматографа
- •23.3. Особенности газотвёрдофазной хроматографии
- •23.4. Особенности газожидкостной хроматографии
- •23.5. Индексы удерживания Ковача
- •23.6. Практическое применение
- •ГЛАВА 24 Жидкостная хроматография
- •24.1. Общая характеристика
- •24.2. Плоскостная хроматография
- •24.2.1. Методика получения плоскостной хроматограммы
- •24.2.2. Анализ плоскостной хроматограммы
- •24.2.3. Практическое применение
- •24.3. Колоночная жидкостная хроматография
- •24.3.1. Устройство жидкостного хроматографа
- •24.3.2. Практическое применение
- •24.4. Характеристика отдельных видов жидкостной хроматографии
- •24.4.1. Ионообменная хроматография
- •24.4.2. Эксклюзионная хроматография
- •25.2. Классификация электрохимических методов анализа
- •25.3. Кондуктометрия
- •25.3.1. Теоретические основы и классификация
- •25.3.2. Измерение аналитического сигнала
- •25.3.4. Практическое применение
- •25.3.5. Понятие о высокочастотной кондуктометрии
- •26.1. Потенциометрический метод анализа
- •26.1.1. Общая характеристика и классификация
- •26.1.2. Условия измерения аналитического сигнала
- •26.1.3. Индикаторные электроды
- •26.1.4. Прямая потенциометрия
- •26.1.5. Потенциометрическое титрование
- •26.2. Кулонометрический метод анализа
- •26.2.1. Общая характеристика и классификация
- •26.2.2. Прямая кулонометрия
- •26.2.3. Кулонометрическое титрование
- •27.1. Принцип измерения аналитического сигнала.
- •27.2. Вольтамперограмма
- •27.4. Практическое применение вольтамперометрии. Амперометрическое титрование
- •ЛИТЕРАТУРА
- •Общая
- •Справочная
- •Дополнительная литература к отдельным темам
- •Химические методы обнаружения неорганических веществ
- •Хемометрика
- •Химические методы анализа
- •Инструментальные методы анализа (общая литература)
- •Спектроскопические методы анализа
- •Хроматографические методы анализа
- •Электрохимические методы анализа
Инструментальные методы анализа
В фармацевтическом анализе метод ВЭЖХ используется чаще, чем метод газовой хроматографии, поскольку многие лекарственные вещества представляют собой сложные органические соединения, имеющие высокие температуры кипения или разрушающиеся при нагревании. Основные области применения ВЭЖХ в фармацевтическом анализе:
•идентификация лекарственных веществ, присутствующих в лекарственных формах;
•определение примесей в лекарственных веществах (как в ин-
дивидуальных образцах, так и в лекарственных формах);
•количественное определение лекарственных веществ, входящих в состав лекарственных форм (особенно в случае лекарст-
венных форм сложного состава или при малом содержании определяемого компонента);
•определение лекарственных веществ в биологических объектах.
24.4.Характеристика отдельных видов жидкостной хроматографии
Хроматографическое разделение в жидкостной хроматографии может быть обусловлено различными процессами: адсорбцией, распределением веществ между двумя несмешивающимися жидкими фазами, ионным обменом, распределением молекул в соответствии с их размерами и т.д
24.4.1. Ионообменная хроматография
В основе ионообменной хроматографии лежит процесс обмена ионов, связанных с неподвижной фазой, на ионы элюента, попадающие в колонку.
Неподвижные и подвижные фазы
В качестве неподвижных фаз в ионообменной хроматографии используются различные ионообменники.
Ионообменниками (ионитами) называют электролиты, у ко-
торых один ион является полимерным макроионом, а ионы противоположного знака могут обмениваться на ионы, находящиеся в растворе.
По химическому строению ионообменник представляет собой полимер (полимерную матрицу), в составе которого имеются ионогенные функциональные группы.
Ионообменники могут быть твёрдыми и жидкими. В ионообменной хроматографии в большинстве случаев используют твёрдые
309
Раздел 3
ионообменники. Полимерная матрица, лежащая в основе структуры ионообменника, может быть неорганической или органической. Наибольшее практическое применение имеют ионообменники органической природы, главным образом, сополимеры стирола с дивинилбензолом.
|
|
ИОНООБМЕННИКИ |
|
|
катионобменники |
амфотерные |
анионообменники |
||
|
|
|
|
|
|
|
ионообменники |
+ - |
|
+ |
+ |
|
+ - |
|
+ |
+ |
|
- |
- |
+ +
Катионообменники содержат в своей структуре ионогенные группы кислотного характера, анионообменники – основного. В состав амфотерных ионообменников входят и кислотные, и основные группы. Ионообменники, имеющие только один тип функциональных групп (например, только –SO3H), называются монофункциональными. Ионообменники, в состав которых входит более одного типа ионогенных функциональных групп (например, -SO3H и –OH), называ-
ются полифункциональными.
|
|
|
OPO(OH)2 |
|
pKa |
|
|
|
... |
|
-SO3H |
1 |
|
|
|
РФ |
OH |
-COOH |
4-5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
среднекислотные |
Ph-OH |
9-10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
сильнокислотные |
КАТИОНООБМЕННИКИ |
слабокислотные |
||||
OH |
|
OH |
|
|
... |
... |
... |
|
|
|
COOH |
||
|
|
... |
|
|||
|
|
|
... |
... |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
SO3H |
|
|
COOH n |
|
||
... |
|
|
... |
... |
||
|
|
|
|
|||
|
КУ-1 |
|
|
|
||
|
|
КБ-2 |
|
|
310
Инструментальные методы анализа
Уравнение ионного обмена с участием катионообменника может иметь следующий вид
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ Na+ |
|
|
|
|
|
|
H+ |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
RH |
î |
|
RNa + |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
H-форма |
|
Na-форма |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
среднеосновные |
содержат смесь третичных аминогрупп |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и четвертичных аммониевых групп |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
сильноосновные |
|
|
АНИОНООБМЕННИКИ |
|
|
слабоосновные |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
... |
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
... |
... |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pKBH+ |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
OH- |
|
-NR3OH |
|
13 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
CH2 |
|
|
|
N(CH3)3 |
|
-NHR; - NR2 |
9-11 |
|
|
|
|
CH2NH2 |
||||||||||
|
АВ-17 |
|
-NH2 |
|
5-8 |
|
|
|
|
|
|
АН-15 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ Cl- |
|
|
|
|
OH- |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ROH |
î |
|
RCl + |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
OH-форма |
|
Cl-форма |
|
|
|
|
Каждый ионообменник содержит в своей структуре определённое число функциональных групп, способных к ионному обмену. Число таких групп в единице массы (или объёма) ионообменника характеризуется величиной обменной ёмкости. Практически обменную ёмкость выражают в виде количества ионов (в ммолях), поглощённых 1 г сухого или 1 мл набухшего ионообменника в Н- или Cl-форме при определённых условиях.
В качестве подвижных фаз в ионной хроматографии чаще всего используют водные растворы, поскольку вода является высокополярным растворителем и способствует ионизации вещества. Хроматографирование может проводиться при разных значениях рН в зависимости от природы разделяемых веществ и типа используемого ионообменника. С сильнокислотными и сильноосновными ионообменниками работают при рН 2 – 12, слабокислотными – 5 – 12, слабоосновными –
2 – 6.
На рис. 24.6 показан пример ионообменного разделения двух аминокислот – глутаминовой кислоты и гистидина с использованием сильнокислотного ионообменника.
311
Раздел 3
|
|
H2N CHCOOH |
|
H2N CHCOOH |
pI |
= 3,22 |
CH2 |
|
CH2 |
CH2 |
|
pI = 7,47 |
||
|
|
|
||
|
|
COOH |
|
N |
|
|
|
NH |
|
|
|
|
|
|
pH 2 |
|
pH 5 |
pH 9 |
|
+ |
|
+ |
||
|
+ |
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
+ |
+ |
+ |
|
+ |
+ |
|
|
|
+ |
|
|
||
+ |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
+ |
|
|
+ |
|
|
|
Рис. 24.6. Разделение двух аминокислот методом ионообменной хроматографии с использованием сильнокислотного катионообменника (ионы Na+, участвующие в ионном обмене, не показаны)
Ионообменное равновесие
Процесс обмена иона А, связанного с матрицей ионообменника (R), на ион В, находящийся в растворе, можно представить в виде равновесия:
RA + B î RB + A
Термодинамическая константа данного равновесия характеризует способность иона В обмениваться на ион А и имеет вид:
K 0 |
= a |
|
aA |
||
B |
|||||
B / A |
aB a |
|
|
||
A |
На практике для описания ионообменного равновесия вместо термодинамической константы используют аналогичную концентрационную константу, называемую коэффициентом селективности (KB/A), или смешанную константу, называемую исправленным ко-
эффициентом селективности ( K′B / A ):
|
|
|
|
|
|
|
K′B / A = aA[ |
B |
] |
K B / A = |
[B][A] |
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||
[B][A] |
|
||||||||
|
aB [A] |
312
Инструментальные методы анализа
При обмене ионов разного заряда стехиометрические коэффициенты в уравнении ионного обмена не равны 1, поэтому активности (концентрации) входят в выражения констант в степенях, равных соответствующим стехиометрическим коэффициентам. Например, для ионообменного равновесия:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K Ca / Na = |
[Ca 2+ |
][Na + ]2 |
|||
2RNa + Ca2+ î R2Ca + 2Na+ |
||||||||||
|
|
|
|
|
||||||
|
[Na + ]2 [Ca 2+ ] |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
Величина коэффициента селективности зависит от размера и заряда иона, химической структуры ионообменника и условий проведения эксперимента. Например, для сильнокислотного катионообменника Dowex-50, содержащего 8% дивинилбензола:
KX/H 0,79 |
1,56 |
2,28 |
2,56 |
6,70 |
Li+ |
Na+ |
K+ |
Cs+ |
Ag+ |
Для описания ионообменного равновесия используют также концентрационный коэффициент распределения (D), который равен отношению равновесной концентрации иона в сорбенте к его равновесной концентрации в растворе
D(A) = [[AA]]
Практическое применение. Понятие об ионной и ион-парной
хроматографии |
|
|
|
|
|
NaCl |
Ионный |
обмен ис- |
|
|
||||
|
||||
|
|
пользуется |
для разделе- |
|
|
колонка, наполненная |
ния различных неоргани- |
||
|
катионообменником |
ческих и |
органических |
|
|
в H-форме |
ионов, например, с целью |
||
|
RH + Na+ î RNa + H+ |
|||
|
устранения мешающего |
|||
|
|
влияния одних ионов при |
||
|
|
обнаружении |
других, |
|
|
|
выделения определённых |
||
|
|
ионов из смеси и т.д. На |
||
|
|
|||
|
титруют стандартным |
рис. 24.7 показан про- |
||
|
раствором NaOH |
стейший вариант исполь- |
||
|
||||
HCl |
зования |
ионообменной |
||
|
|
хроматографии для коли- |
||
Рис. 24.7. Определение NaCl методом ионообмен- |
чественного определения |
|||
ной хроматографии |
веществ. |
|
|
313
Раздел 3
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 исполь-
зуют поверхностно-пористые ионообменники, состоящие из твёр-
дого 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:
ИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ
двухколоночный вариант |
одноколоночный вариант |
фоновый электролит, входящий в состав элюента, подавляется (компенсируется) с помощью второй ионообменной колонки, расположенной между разделяющей колонкой и детектором
используется элюент с очень низкой электропроводностью; (1-5) 10-3 М водные растворы ароматических кислот или (1-5) 10-4 М растворы их солей
Схема двухколоночной ионохроматографической системы показана на рис. 24.8.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
элюент |
|
|
|
|
|
насос |
|
|
|
ввод |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
образца |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ионообменник |
|
|
разделяющая |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
с малой обменной |
|
|
|
|
|
|
|
колонка |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ёмкостью |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ионообменник |
|
|
|
подавляющая |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
с большой обменной |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ёмкостью |
|
|
|
колонка |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
регистрирующее |
|
|
|
|
кондуктометрический |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
устройство |
|
|
|
|
детектор |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 24.8. Схема двухколоночной ионохроматографической системы
314
Инструментальные методы анализа
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 OHформе. 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 ионпарной 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 иони-
зированных 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
315