6.3. Хроматографія. Класифікація хроматографічних методів аналізу за ознакою агрегатного стану фаз, техніки виконання та механізму розподілу. Адсорбційна, йонообмінна та розподільча хроматографія.

У 1903 р. російський ботанік М. С. Цвет виявив, що при пропусканні через шар адсорбенту суміші речовин, що володіють різною адсорбційною здатністю, останні маються в своєму розпорядженні в нім шарами, в порядку своєї адсорбованості (мал. 63). Якщо ці речовини забарвлені, то в адсорбенті видні, шари адсорбованих речовин; звідси цей метод розділення сумішей речовин був названий хроматографічним (хромос - по-грецьки колір). Ця ж назва була збережена і для випадків аналогічного розділення безбарвних речовин. Розрізняють декілька видів хроматографії.

Адсорбционная хроматография основана на избирательности адсорбции веществ тем или иным адсорбентом.

Сущность ее можно пояснить следующим приме­ром: через адсорбционную колонку, аналогичную предложенной М. С. Цветом (рис. 63) и заполненную окисью алюминия, пропускают раствор, содержащий ионы меди и кобальта. Вначале в верхней части колонки адсорбируются оба иона, затем ток раствори­теля, который продолжают про­пускать, будет вымывать хуже адсорбируемые окисью алюми­ния ионы кобальта и уносить их ниже, на свободный от ионов меди участок адсорбента. Та­ким образом, происходит посте­пенное разделение смеси ионов.

Ионообменная хрома­тография. В ее основе ле­жит обмен ионами между рас­твором и адсорбентом.

Как и при адсорбционной хроматографии, здесь через ад­сорбент .пропускают раствор, причем адсорбентом служит какой-либо ионообменник. В верхней части обмениваются наиболее интенсивно адсорбируемые ионы, затем менее интенсивно адсорбируемые и т. д., в результате происходит .послойное выделе­ние ионов из раствора. Таким образом, в этом случае обмен ионами сочетается с избирательностью адсорб­ции.

Распределительная хроматография. При этом методе используются различия в распределении веществ между несмешивающимися жидкостями. Эти различия определяются законом Нернста: при по­стоянной температуре соотношение концентраций вещества, распределившегося между двумя несмешивающимися жидкостями (фазами), является величиной постоянной:

c₁

----------- = k

c₂

В этой форме закон применим для веществ, при растворении не диссоциирующих и не ассоциирую­щих. Распределительную хроматографию можно пояс­нить на следующем примере: предположим, что имеет­ся смесь равных количеств веществ A и В ,и две практически несмешивающиеся жидкости — вода и бензол. Допустим, что в этой системе коэффициенты распределения вещества А и В равны 10, т. е. они распределяются в соответствии со своей растворимо­стью так, что в воде вещества А оказывается в 10

раз больше, чем в бензоле, а вещества В — наоборот, в 10 раз меньше. Приготовим ряд пробирок с водой (так называемая неподвижная фаза хроматографической системы), прильем в первую из них равный объем бензола, а затем добавим разделяемую смесь веществ. После встряхивания пробирки и расслоения жидкостей окажется, что в воде содержится 9 частей А и 1 часть В (рис. 64), а в слое бензола 1 часть А и 9 частей В.

Перенесем этот слой бензола во вторую пробирку, взболтаем, дадим отстояться. В слое бензола теперь останется 0,1 часть А и 8,1 частей В, При перене­сении бензола из второй в третью пробирку после перераспределения в нем останется всего 0,01 части А и 7,3 частей В и т. д. В конце ряда слой бензола будет содержать практически только вещество В.

Если же вслед за первой порцией бензола в пер­вую пробирку добавить вторую его порцию, то из слоя воды в бензол перейдет 0,9 содержащегося там вещества В, в третью порцию бензола, которую мож­но добавить после второй, — еще 0,9 от оставшегося в воде количества В и т. д. Таким образом, после­довательным пропусканием порций бензола (подвиж­ный растворитель хроматографической системы) мож­но добиться накопления в водных слоях первых про­бирок ряда чистого вещества А.

Чем меньше отличаются коэффициенты распреде­ления веществ или чем больше количество компо­нентов смеси, тем длиннее нужен ряд пробирок и тем больше повторных порций подвижного растворителя.

Очень удобным оказалось фиксировать неподвиж­ную фазу (обычно полярный растворитель — воду, спирт) на полярных же веществах, например на хроматографической бумаге (специальный сорт фильтро­вальной). В этом случае каждое волокно бумаги может рассматриваться как отдельная пробирка, а смена порций подвижного растворителя осуществляется непрерывным его током. Эта разновидность метода называется бумажной хроматографией;

Чаще применяют нисходящую бумажную хромато­графию (рис. 65), при которой лист хроматографиче­ской бумаги свисает в сосуде из укрепленной в верху его специальной стеклянной «лодочки» со смесью растворителей. Ток этой смеси перемещает разделя­емые вещества, нанесенные у верхнего края бумаги, на разное расстояние. Отношение скорости движения растворителя к скорости движения какого-либо ве­щества называется коэффициентом распределения (Rf) и в стандартных условиях является величиной постоянной.

Восходящая бумажная хроматография отличается от нисходящей лишь тем, что лодочка с растворителем стоит на дне сосуда и ток растворителя дви­жется по вертикальному листу бумаги снизу вверх. Нередко применяют двухмерную бумажную хро­матографию: проведя разделение способом, напри­мер, нисходящей хроматографии, лист бумаги пово­рачивают на 90° и повторяют разделение, но с другими растворителями (в этом случае разделяемые вещества будут характеризоваться уже другими Rf). В результате после фиксации и окраски специфиче­скими красителями получают хроматограммы (рис.66),

на которых пятна соответствуют каждому из разде­ляемых веществ. Для идентифицирования пятен обычно рядом со смесью разделяемых веществ наносят от­дельно капельки чистых компонентов смеси (так на­зываемые «свидетели»); при сравнении их расположе­ния на хроматограмме с расположением пятен разде­ляемых веществ делают заключение об их тождестве. Изображенная хроматограмма показывает, что смесь состоит из веществ А, В, Д, какого-то неустановленного вещества X и не содержит вещества С.

Существует целый ряд других вариантов бумаж­ной и распределительной хроматографии.

Менее разработаны и реже применяются другие виды хроматографического анализа:

осадочная хроматография, основанная на неодинаковой растворимости образующихся в резуль­тате химического взаимодействия осадков; при этом смесь веществ пропускают через носитель, пропитан­ный осадителем, т. е. веществом, реагирующим с компонентами разделяемой смеси, и термохрома­тография, при которой разделение веществ осно­вано на изменении их адсорбируемости при изменении температуры.