ИОНООБМЕННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Ионообменная хроматография – метод разделения и анализа веществ, основанный на эквивалентном обмене ионов анализируемой смеси и ионообменника (ионита). Происходит обмен ионами между фазами гетерогенной системы. Неподвижной фазой являются иониты; подвижной, как правило, вода, т.к. этот элюент обладает хорошими растворяющими и ионизирующими свойствами. Соотношение концентраций обменивающихся ионов в растворе и в фазе сорбента (ионита) определяется ионообменным равновесием.

Иониты – полимеры природного и синтетического, органического и минерального происхождения, содержащие ионогенные группы. Иониты имеют разветвленную матричную структуру, в состав которой входят фиксированные ионы. В зависимости от заряда иона матрица имеет положительный или отрицательный заряд, который компенсируется подвижными противоионами.

Наличие в матрице фиксированных ионов (гидрофильных групп) определяет основное физическое свойство ионитов – способность матрицы к набуханию. При этом смола превращается в полиэлектролит, объем ионообменника увеличивается в несколько раз.

В соответствии со свойствами и природой иониты классифицируются на следующие группы.

1. Катиониты – в состав матрицы входят фиксированные ионогенные группы кислотного характера: –SО₃^–; –РО₃^2– ; –СОО ^– и другие; противоионы – Н⁺; Na⁺; К⁺ и другие. Например, катионит КУ–2 – это сульфированный сополимер стирола и дивинилбензола RSО₃Н в Н-форме, где R – матрица полимера.

На катионите протекают гетерогенные реакции катионного обмена:

RSО₃Н + КNO₃ → RSО₃К + НNO₃.

Элюат (раствор, выходящий из колонки) – раствор кислоты.

2. Аниониты – в составе матрицы находятся фиксированные аммонийные основания: –NН₃⁺; =NН₂⁺; ≡NН⁺ и другие; противоионы – ОН^–; Cl^– и другие. Например, анионит АН–1 имеет формулу RNН₂ОН в ОН-форме.

На анионите протекают реакции обмена анионами:

RNН₂ОН + КNO₃ → RNН₂NO₃ + КОН.

Элюат – раствор щелочи.

3. Амфолиты – содержат одновременно группы кислотного и основного характера. На этих смолах протекают реакции обмена катионами и анионами:

НSО₃–R–NН₂ОН + КNO₃ → КSО₃–R–NН₂NO₃ + Н₂О.

Элюатом является элюент (вода).

Перед анализом ионит переводят в активную (рабочую) форму: катионит в Н-форму, анионит в ОН-форму. Для этого через колонку (рис. 20) пропускают раствор кислоты или щелочи соответственно. После каждого анализа ионообменную смолу регенерируют, восстанавливая ее активную форму. Для регенерации ионообменников проводят обратную ионообменную реакцию, пропуская через катионит раствор кислоты, через анионит – раствор щелочи. Таким образом, ионообменные смолы служат много циклов.

Рис. 20. Ионообменная колонка: 1 – стеклянная трубка; 2 – ионит; 3 – стеклянная вата или синтетическое волокно (дренаж); 4 – кран или зажим; 5 – стакан с элюатом

После ионообменной реакции элюат анализируют титриметрическими, электрохимическими, спектральными и другими методами.

Способность ионитов к ионному обмену количественно определяется обменной емкостью. Полная динамическая обменная емкость – количество моль-эквивалентов иона, поглощаемого 1 г сухого ионита (весовая емкость, моль-экв/г) или 1 см³ набухшей смолы (объемная емкость, моль-экв/см³).

Применение в анализе ионообменников позволяет проводить разделение и селективное определение ионов в смеси. Хроматографическое разделение ионов основано на их различной сорбционной способности по отношению к иониту. Экспериментально установлены ряды сродства ионов к ионообменникам. Для ионов с различными зарядами сорбционная способность возрастает с повышением заряда:

Na⁺ < Ca²⁺ < Fe³⁺ < Th⁴⁺.

Ионы с одинаковым зарядом на сильнокислотных китионитах сорбируются в определенной последовательности:

Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺ < Mg²⁺ < Ca²⁺ < Sr²⁺ < Ba²⁺.

Ряды селективности установлены и для анионообменников:

F^– < OH^– < Cl^– < Br^– < NO₃^– < I^– < SCN^–.

Для достижения селективности разделения ионов выбирают подходящую подвижную фазу и условия анализа (рН, концентрация, ионная сила и состав раствора).

В анализе пищевых продуктов метод ионообменной хроматографии применяется для решения следующих задач:

¨ концентрирование металлов с последующим анализом элюата полярографическим, фотоколориметрическим, комплексонометрическим или другими методами; эта операция заменяет трудоемкую стадию минерализации пробы;

¨ концентрирование и определение органических кислот и солей хроматографическими методами;

¨ определение суммарного содержания катионов или анионов;

¨ деминерализация (деионизация) пищевых продуктов, при которой удаляются электролиты;

¨ хроматографическое разделение отдельных ионов и соединений, основанное на их различном сродстве к ионитам.