Ионообменная хроматография

Краткие теоретические сведения

Ионообменная хроматография основана на обратимом стехиометрическом обмене ионов, находящихся в растворе, на ионы, входящие в состав ионообменника. Ионообменниками или ионитами называют твердые, малорастворимые, органические или неорганические высокомолекулярные кислоты, основания и их соли.

В зависимости от знака заряда функциональных групп ионообменные смолы являются катионитами или анионитами. Катиониты содержат кислотные функциональные группы [– SO₃^‾, – CO₂^‾, – PO₃^2‾, – N(CH₂CO₂^‾)₂], поэтому каркас катионита, несущий фиксированные отрицательные заряды, заряжен отрицательно. Отрицательные заряды каркаса, компенсируются положительными зарядами противоионов, так что в целом катионит остается электронейтральным. Противоионы, в данном случае катионы, в отличие от функциональных групп каркаса, обладают подвижностью и могут переходить в раствор в обмен на эквивалентное количество ионов из раствора. Этот обмен приводит к установлению подвижного равновесия между ионами, находящимися в фазе смолы, и ионами в растворе. Химические формулы катионообменников схематически можно изобразить следующим образом: RSO₃H; RSO₃Na или R–H, R–Na. В первом случае катионообменник находится в Н⁺–форме, во втором – в Na⁺-форме; R – полимерная матрица. Тогда процесс ионного обмена записывают как обычную химическую гетерогенную реакцию:

R – H + Na⁺ ↔ R – Na + Н⁺

То есть в растворе появятся ионы водорода, а эквивалентное количество ионов Na⁺ будет поглощено катионитом. Функциональными группами каркаса анионитов являются четвертичные –NR₃^‾, третичные –NR₂H⁺, первичные –NH₂⁺, аммониевые, пиридиновые и другие основания, а в качестве подвижных противоионов выступают анионы. Амфотерные иониты или амфолиты, способны осуществлять одновременный обмен катионов и анионов. Анионообменники схематично можно изобразить так: RNH₃OH или RNH₃Cl (или R–ОН, R–Cl). В первом случае анионообменник находится в ОН^‾-форме, во втором – в Cl^–-форме.

Анионообменную реакцию можно записать следующим образом:

R-ОН + Cl^– ↔ RCl+ОН^–

Важной характеристикой ионообменника является его обменная емкость – свойство ионообменника поглощать определенное количество ионов из раствора. Обменную емкость выражают количеством моль-эквивалентов обменивающегося иона на единицу массы или объема смолы (моль экв/г или моль экв/мл).

На процесс ионного обмена оказывают влияние природа ионообменника и ионов раствора, а также ряд экспериментальных факторов: параметры колонн, размер зерен ионообменника, скорость пропускания раствора, состав подвижной фазы, температура и др.

В зависимости от цели эксперимента применяемый теплообменник обрабатывают растворами кислот, щелочей, солей для превращения в определенную форму (например, RН, RОН или их солевые формы RNа, RCl, RNH₄). Обработанный ионообменник регенерирует, возвращая его в исходное состояние. Так, при десорбции катионов растворами кислот происходит регенерация обменника:

(RSO₃)_nН + nН⁺ ↔ nRSO₃Н + Мⁿ⁺

Синтетические высокополимерные ионообменные смолы делятся на четыре группы ионитов:

1) сильнокислотные катиониты: КУ-1, КУ-2, КУ-23, СДВ-3. Способны к обмену в кислой, нейтральной и щелочной среде;

2) слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные группы: КБ-2, КБ-4, КФУ, СГ-1. Способны к обмену ионов при рН > 7;

3) сильноосновные аниониты, содержащие четвертичные аммониевые или пиридиновые группы: АВ-17, АВ-18, АВ-19, АВ-31 7ДЭ-10П. Способны к обмену ионов в кислой, нейтральной и щелочной среде;

а

4) слабоосновные аниони­ты, содержащие аминогруппы и пиридиновые основания: АН-2Ф, АМ-23 и др. Способны к обмену ионов при рН < 7.

Для ионообменной хроматографии в количественном анализе применяют стеклянные колонки (рис. 17).

Р а б о т а 17