Ионообменная хроматография

Содержание

Слайд 2

Является частным вариантом ионной хроматографии. Позволяет разделять ионы и полярные молекулы,

Является частным вариантом ионной хроматографии.
Позволяет разделять ионы и полярные молекулы,

на основании зарядов разделяемых молекул.
Позволяет разделить практически любые заряженные молекулы, в том числе: крупные — белки, малые—молекулы нуклеотидов и аминокислот.
Часто используют как первый этап очистки белков.
Слайд 3

Основана на обратимом обмене содержащихся в растворе ионов электролита на подвижные

Основана на обратимом обмене содержащихся в растворе ионов электролита на подвижные

ионы, входящие в состав ионообменного вещества (ионита).
При этом происходит образование хроматограмм вследствие различной способности к обмену ионов хроматографируемого раствора.
Слайд 4

При фронтальном анализе исследуемый раствор смеси веществ непрерывно подают в верхнюю

При фронтальном анализе исследуемый раствор смеси веществ непрерывно подают в верхнюю

часть колонки и собирают отдельные фракции фильтрата.
При анализе системы, содержащей компоненты А и В, первым из колонки вытекает чистый растворитель, затем, после насыщения сорбента менее сорбирующимся веществом, например В, из колонки вытекает раствор, содержащий компонент В, а когда сорбент насыщается компонентом А, в приемник поступают одновременно два компонента А и В.
Указанным способом можно получить в чистом виде только наименее сорбируемое вещество.
Слайд 5

При вытеснительном анализе в колонку вводят порцию раствора смеси, содержащей компоненты

При вытеснительном анализе в колонку вводят порцию раствора смеси, содержащей компоненты

А и В, и с помощью более сорбирующегося вещества Д вытесняют ранее сорбированные компоненты А и В.
Введенное вещество Д вытесняет компонент А, который вытесняет менее сорбируемый компонент В.
Происходит перемещение веществ А и В вдоль слоя сорбента со скоростью, равной скорости движения вытеснителя Д.
Из колонки последовательно выходят компоненты В и А в соответствии с их избирательной сорбируемостью на сорбенте.
Полнота разделения веществ зависит от условий проведения анализа.
Слайд 6

При элюентном анализе в колонку вводят исследуемую смесь компонентов, например, А,

При элюентном анализе в колонку вводят исследуемую смесь компонентов, например, А,

В, С.
Компоненты смеси располагают вдоль колонки сверху вниз в перекрывающихся зонах в соответствии с их сорбируемостью, например А>В>С.
Нижняя зона хроматограммы в колонке содержит чистое вещество С.
При элюировании (промывании) сорбента элюентом (растворителем) вдоль колонки происходит передвижение компонентов смеси вследствие взаимного вытекания в соответствии с их сорбируемостью.
В фильтрате собирают компоненты в порядке повышения их сорбируемости, вначале компонент С, затем В и А.
Слайд 7

Приблизительную закономерность сорбируемости ионов с одинаковой степенью окисления можно представить в

Приблизительную закономерность сорбируемости ионов с одинаковой степенью окисления можно представить в

виде сорбционных рядов:
Cs+ > Rb + >NH4+ > Na+
Вa2+ > Sr2+ > Ca2+ > Mg2+
Zn2+ > Сu2+ > Ni2+ > Co2+
и т.д. - эти ряды изменяются в зависимости от природы ионита, хроматографируемых веществ, внешних условий и т. д.
Слайд 8

Иониты Ионитами называют твердые органические или неорганические вещества практически нерастворимые в

Иониты

Ионитами называют твердые органические или неорганические вещества практически нерастворимые в воде

и органических растворителях, содержащие активные (ионогенные) группы с подвижными ионами, способными обмениваться на ионы электролитов при контакте с их растворами.
Слайд 9

Неорганическими ионитами являются оксид алюминия «для хроматографии», пермутит и др. В

Неорганическими ионитами являются оксид алюминия «для хроматографии», пермутит и др.
В

качестве органических ионитов применяют целлюлозу, сульфоуголь, синтетические ионообменные полимеры (смолы).
Иониты особая группа полиэлектролитов, один из ионов которых вследствие большой ионной (молекулярной) массы обладает малой подвижностью в отличие от остальных подвижных ионов, способных обмениваться на другие ионы.
Слайд 10

Иониты делят на три группы: катиониты, аниониты, амфолиты (амфотерные иониты). Катиониты

Иониты делят на три группы: катиониты, аниониты, амфолиты (амфотерные иониты).
Катиониты

- полимеры, способные обменивать свои подвижные положительно заряженные ионы на катионы электролитов в растворе.
У катионитов активными группами являются кислотные группы: -SO3H; -РО3Н2; -СООН, которые структурно связаны с пространственной молекулярной сеткой ионита. Подвижными остаются только ионы водорода этих групп или замещающие их катионы.
Слайд 11

Аниониты - полимеры, которые обменивают свои подвижные, отрицательно заряженные ионы, на

Аниониты - полимеры, которые обменивают свои подвижные, отрицательно заряженные ионы, на

анионы электролитов в растворе.
У анионитов активными группами являются основные группы:-NH2; =NH;=N- и др.
Слайд 12

Амфотерные иониты проявляют себя как катиониты или как аниониты в зависимости

Амфотерные иониты проявляют себя как катиониты или как аниониты в зависимости

от условий их применения.
Важнейшей характеристикой ионитов является их обменная емкость, которую выражают в миллимолях поглощенных ионов на 1 г сухого ионита или на 1 мл на­бухшего ионита (ммоль/г или ммоль/мл).
Для определения обменной емкости ионитов существует два основных метода статический и динамический.
Статическим методом определяют полную обменную емкость, т.е. обменную емкость по отдельным активным группам ионита (СОЕ).
В этом случае ионит непосредственно помещают в исследуемый раствор на 24 часа и между содержанием определяемых ионов в растворе и ионитом возникает равновесие.
Слайд 13

Динамическим методом определяют динамическую обменную емкость ионита или обменную емкость ионита

Динамическим методом определяют динамическую обменную емкость ионита или обменную емкость ионита

до проскока поглощающего иона (ДОЕ).
В этом случае исследуемый раствор пропускают через слой ионита высотой 20 см, при скорости пропускания 0,5 л/ч и поперечном сечении колонки 1 см-;
при этом равновесия не наступает т.к. по мере продвижения вниз раствор проходит сквозь свежие порции ионита.
В большинстве случаев СОЕ составляет около 5-8 ммоль/л или 5-8 мл 1 М раствора на 1 г ионита.
ДОЕ обычно в 3 раза меньше, чем СОЕ.
Слайд 14

Классификация ионитов От степени диссоциации активных групп зависит, насколько сильно выражены

Классификация ионитов
От степени диссоциации активных групп зависит, насколько сильно выражены основные

или кислотные свойства ионита.
В зависимости от этого различают четыре группы ионитов.
1. Сильнокислотные катиониты, содержащие сильно диссоциирующие кислотные группы, например: -SO3H.
Эти катиониты способны к обмену ионов в кислой, нейтральной и щелочной средах (КУ-1, КУ-2, СДВ и др).
Слайд 15

Слабокислотные катиониты, содержащие слабо диссоциирующие кислотные группы -СООН, -ОН и др.,

Слабокислотные катиониты, содержащие слабо диссоциирующие кислотные группы -СООН, -ОН и др.,

способны обменивать ионы при рН>7(КБ-2, КБ-4 и др.).
Сильно основные аниониты, содержащие четвертичные аммонийные группировки – NR+. Эти аниониты способны к обмену ионов в кислой, щелочной, нейтральной средах (АВ-17, AB-I8 и др.).
Слабоосновные аниониты, содержащие основные группы -NH2; =NH;=N-. Обмен ионов на таких анионитах происходит при рН<7 (АН-23,АН-2Ф и др.).
Слайд 16

Иониты, содержащие только одинаковые ионогенные группы, называются монофункциональными, а имеющих несколько

Иониты, содержащие только одинаковые ионогенные группы, называются монофункциональными, а имеющих несколько

подвижных групп называются полифункциональными.
Катиониты, у которых все подвижные ионы представляют собой ионы водорода, обозначают как Н - катиониты или Н-форма катионита.
Если же ионы водорода замешены катионами (Na+, Са2+ и т.д.), то применяют соответственно обозначения Na-форма катионита.
Аналогичны обозначения для анионитов.
Свойства некоторых ионитов приведены в таблице. Обменная емкость определена для катионитов по 0,1 н NaOH, для анионитов - по 0,1 н НС1.
Слайд 17

Слайд 18

Ионообменные процессы Реакции на ионитах протекают согласно следующим уравнениям: катионный обмен

Ионообменные процессы
Реакции на ионитах протекают согласно следующим уравнениям:
катионный обмен -
R-

H+ Na+ ↔ R-Na+H+
R- Na + К+ ↔ R-K + Na +
анионный обмен -
R- ОН + Сl- ↔ R-Cl +OH-
R - Cl + NO3- ↔ R – NO3 + Сl-
Слайд 19

Поглощение ионов сорбентом зависит от природы и структуры ионита, от природы

Поглощение ионов сорбентом зависит
от природы и структуры ионита,
от природы

хроматографируемых веществ,
от условий проведения эксперимента.
Весьма важной величиной, характеризующей процесс ионного обмена, является коэффициент распределения Кр, определяют и используют для нахождения оптимальных условий хроматографического разделения ионов.
Слайд 20

Коэффициент распределения определяют отношением количества ионов, поглощенных ионитом, к количеству ионов,

Коэффициент распределения определяют отношением количества ионов, поглощенных ионитом, к количеству ионов,

оставшихся в водной фазе:

Где Сионита, Сраствора - равновесные концентрации ионов в соответствующих фазах;
М - масса ионита, г;
V - объем водной фазы, мл,

Слайд 21

Количество ионов определяют произведением концентрации его в той или другой фазе

Количество ионов определяют произведением концентрации его в той или другой фазе

на количество этой фазы.
Чем больше концентрация ионов в фазе ионита и чем больше масса ионита, тем более полным является извлечение.
О возможности разделения ионов судят по отношению коэффициентов распределения этих ионов, определенных в одинаковых условиях.
Отношение коэффициентов распределения двух ионов, найденных в одинаковых условиях, называют коэффициентом разделения, характеризующим способность этих ионов к разделению.
Если коэффициенты распределения одинаковы, то разделение ионов невозможно. Поэтому для разделения выбирают такие условия, при которых коэффициент разделения достаточно высок.
Слайд 22

Адсорбционная хроматография основана на различной адсорбции веществ поверхностью адсорбента. Силы взаимодействия,

Адсорбционная хроматография

основана на различной адсорбции веществ поверхностью адсорбента.
Силы взаимодействия, обусловливающие

адсорбцию, зависят от структуры молекул и имеют различную природу.
Общая энергия взаимодействия молекул состоит из энергии дисперсионных, индукционных и ориентационных сил.
Слайд 23

На поверхности твердого тела имеются участки, которые способны притягивать молекулы посторонних

На поверхности твердого тела имеются участки, которые способны притягивать молекулы посторонних

веществ.
Максимальное количество адсорбированных примесей соответствует покрытию поверхности адсорбента мономолекулярным слоем.
Между поверхностью адсорбента и средой устанавливается подвижное равновесие, определяемое равенством скоростей адсорбции и десорбции молекул.
Слайд 24

Каждой концентрации адсорбируемого вещества отвечает определенное равновесное количество его на адсорбенте.

Каждой концентрации адсорбируемого вещества отвечает определенное равновесное количество его на адсорбенте.


Разделение веществ в адсорбционной хроматографии определяют многократным повторением элементарных актов сорбции и десорбции и различием сорбируемости анализируемых веществ.
Зависимость количества адсорбированного вещества от его концентрации в растворе при постоянной температуре выражают изотермой адсорбции (рис.1.).
Слайд 25

Рис. 1. Изотерма адсорбции: а - величина адсорбции; С - концентрация вещества в растворе.

Рис. 1. Изотерма адсорбции:
а - величина адсорбции;
С - концентрация вещества в

растворе.
Слайд 26

Из графика изотермы адсорбции следует, что с ростом концентрации адсорбция возрастает

Из графика изотермы адсорбции следует, что с ростом концентрации адсорбция возрастает

лишь до некоторого предела.
Предельная адсорбция наступает тогда, когда на поверхности адсорбента образуется насыщенный мономолекулярный слой.
Если обозначить через "а" количество адсорбированного вещества, соответствующее равновесному состоянию при заданной концентрации, а - максимальное число мест на адсорбенте, которое может быть занято молекулами адсорбированного вещества, то изотерма адсорбции Ленгмюра для одного компонента будет иметь вид:
Слайд 27

а = а∞ ∙ (В∙С)/(1+ В∙С) где В - константа, характеризующая

а = а∞ ∙ (В∙С)/(1+ В∙С)
где В - константа, характеризующая поверхностную

активность вещества;
С - равновесная концентрация.
Если С< 1, то а = а∞,
В∙С = Кс или а = Кс,
т.е. получаем уравнение прямой, выходящей из начала координат.
Если С≥1,то :
а = а∞ ∙ (В∙С)/(В∙С) или а = а∞
В этом случае получаем уравнение прямой, параллельной оси абсцисс.
Слайд 28

Анализ уравнения Ленгмюра показал, что при малых значениях "С" величина адсорбции

Анализ уравнения Ленгмюра показал, что при малых значениях "С" величина адсорбции

"а" прямо пропорциональна концентрации, а при очень больших - является постоянной величиной, соответствующей состо­янию насыщения поверхности адсорбента.
Уравнение Ленгмюра описывает зависимость величины адсорбции от концентрации.
Из уравнения следует, что существует предел адсорбции, т.е. увеличение концентрации раствора выше определенного значения не приводит к дальнейшему увеличению количества адсорбированного вещества.
Слайд 29

На процесс адсорбции молекул из растворов влияет присутствие растворителя, молекулы которого,

На процесс адсорбции молекул из растворов влияет присутствие растворителя, молекулы которого,

адсорбируясь на поверхности сорбента, уменьшают адсорбируемость растворенного вещества.
Поэтому следует подбирать растворитель с наименьшей сорбционной способностью по отношению к применяемому адсорбенту.
На величину адсорбции влияет и ряд других факторов, к числу которых относят структуру адсорбента, температуру и др.
Слайд 30

Распределительная хроматография основана на распределении вещества между двумя не смачивающимися жидкостями:

Распределительная хроматография

основана на распределении вещества между двумя не смачивающимися жидкостями: принято

определять отношение количества вещества в неподвижном растворителе к количеству вещества в подвижном растворителе.
Подобное распределение концентрации называется коэффициентом распределения данного вещества, т.е.:
К = Снеподвиж./Сподвиж, где К - коэффициент распределения;
Снеподвиж - концентрация, определяемого компонента в неподвижной фазе, моль/л;
Сподвиж - концентрация того же вещества в подвижной фазе, моль/л.
Коэффициент распределения зависит от различных факторов: природы вещества, природы растворителя, температуры и техники проведения эксперимента.
Слайд 31

Осадочная хроматография Метод основан на различной растворимости трудно растворимых осадков, которые

Осадочная хроматография

Метод основан на различной растворимости трудно растворимых осадков, которые образуются

в результате реакции между хроматографируемыми ионами и осадителем, находящимся в колонке на твердом носителе.
Основной особенностью является многократное повторение процесса образования и растворения осадка, происходящее на поверхности носителя вдоль всей колонки.
Различие в растворимости образующихся осадков и возможность закрепления их на носителе создают условия разделения смеси неорганических ионов.
В основе образования осадочной хроматограммы лежат два процесса: процесс образования осадка и процесс закрепления его на носителе.