Химия · Аналитическая и физическая химия · 2 курс

Экстракция и хроматография

Как получают масло из хлопковых семян и как смесь разделяется на пятна?

Ситуация

На маслоэкстракционных заводах масло из хлопковых семян сначала отжимают прессом, а остаток экстрагируют гексаном: масло переходит в органический растворитель, растворитель отгоняют и используют повторно. В лаборатории контроля качества такого комбината в Ташкенте то же явление — распределение вещества между двумя фазами — работает в малом масштабе: в делительной воронке иод переходит из воды в CCl₄, на пластинке для тонкослойной хроматографии аминокислоты и красители разделяются на пятна, в колонке пигменты делятся на цветные кольца, а газовый хроматограф за минуты называет состав бензина. Как разделить внешне однородную смесь на чистые части и как измерить количество каждой?

Тема

Методы разделения: экстракция и хроматография. Ташкентский маслоэкстракционный комбинат: экстракция масла из хлопковых семян гексаном; в лаборатории на пластинке для тонкослойной хроматографии пятна аминокислот и красителей,…

Ключевые понятия

Коэффициент распределения
Rf и активность адсорбента
Степень разделения

Формулы

K = \frac{c_{орг}}{c_{воды}} = const

Закон распределения Нернста: в равновесии вещество распределяется между двумя несмешивающимися жидкостями в постоянном отношении (если находится в одном и том же молекулярном состоянии).

q_{n} = {(\frac{V_{воды}}{V_{воды} + K V_{орг}})}^{n}

Доля, оставшаяся в воде после $n$ экстракций порциями растворителя по $V_{орг}$ мл.

R_{f} = \frac{l_{пятна}}{l_{фронта}} = \frac{1}{1 + k}

Тонкослойная и бумажная хроматография: отношение пути пятна к пути фронта растворителя; $k$ — коэффициент удерживания.

k = \frac{t_{R} - t_{M}}{t_{M}}, N = 16 {(\frac{t_{R}}{w})}^{2}, H = \frac{L}{N}

Коэффициент удерживания, число теоретических тарелок (w — ширина пика у основания) и высота тарелки.

R_{s} = \frac{2 (t_{R 2} - t_{R 1})}{w_{1} + w_{2}} = \frac{\sqrt{N}}{4} \cdot \frac{α - 1}{α} \cdot \frac{k}{1 + k}

Степень разделения (уравнение Пурнелла): $R_{s}$ ≥ 1,5 — пики разделены полностью; $α = k_{2} / k_{1}$ — селективность.

Теория

Экстракция: закон распределения

Вещество распределяется между двумя несмешивающимися жидкостями, и в равновесии отношение концентраций постоянно: $K = c_{орг} / c_{воды}$ (закон Нернста). Для иода в системе CCl₄–вода при 25 °C $K$ ≈ 85: светло-жёлто-бурый иод из воды переходит в нижний слой и окрашивает его в фиолетовый цвет. При одинаковом общем объёме растворителя эффективнее экстрагировать несколькими порциями: каждый раз в воде остаётся доля $V_{воды} / (V_{воды} + K V_{орг})$ , и эта доля возводится в степень $n$ . Например, из 100 мл воды одной порцией 20 мл CCl₄ извлекается 94 %, двумя порциями по 10 мл — 98,9 %. Если вещество в одной из фаз ассоциирует (бензойная кислота в бензоле образует димер) или диссоциирует, простое отношение перестаёт быть постоянным: при димеризации $c_{орг} / c_{воды}^{2}$ ≈ const — так определяют молекулярное состояние вещества. Экстракция из твёрдого вещества: на заводе оставшееся масло вымывают гексаном из прессованного жмыха хлопковых семян; в лаборатории масличность определяют в аппарате Сокслета — растворитель испаряется, конденсируется в холодильнике, промывает семена в гильзе и возвращается в колбу через сифон; цикл повторяется. Затем растворитель отгоняют и масло взвешивают. Перегонка, закон Рауля, криоскопия, эбулиоскопия, осмос, законы Гиббса–Коновалова и Вревского, азеотропы — в эксперименте «Закон Рауля, перегонка и осмос».

Хроматография: фазы и классификация

В хроматографии смесь перемещается в потоке подвижной фазы (газа или жидкости) вдоль неподвижной фазы (адсорбент, плёнка жидкости, ионит). Вещество, сильнее удерживаемое неподвижной фазой, движется медленнее: его скорость $u / (1 + k)$ , где $k$ — отношение количеств вещества в неподвижной и подвижной фазах. По состоянию фаз: газовая (газо-жидкостная, газо-твёрдая) и жидкостная хроматография. По механизму разделения: адсорбционная (поглощение поверхностью), распределительная (между двумя жидкостями), ионообменная, эксклюзионная (гель-фильтрация — по размеру молекул) и аффинная (специфическое связывание). По методу: колоночная, тонкослойная и бумажная хроматография. Оптимизация опирается на уравнение Пурнелла: разделение улучшают эффективность ( $N$ ), селективность ( $α$ — неподвижная фаза, элюент, температура) и удерживание ( $k$ ≈ 2–10).

Тонкослойная и бумажная хроматография (лаборатория)

На расстоянии 1,5 см от нижнего края пластинки карандашом проводят линию старта, образцы капилляром наносят небольшими пятнами. Пластинку опускают в камеру, насыщенную парами элюента (уровень элюента ниже линии старта!). Растворитель поднимается капиллярными силами ( $l_{фронта} \propto \sqrt{t}$ ); фронт отмечают и вычисляют $R_{f}$ . С ростом силы элюента (элюотропный ряд: гексан < толуол < хлороформ < этилацетат < ацетон < этанол < вода) на силикагеле все $R_{f}$ растут. Активность адсорбента по шкале Брокмана: от I (самый активный, безводный) до V — к Al₂O₃ добавляют 0, 3, 6, 10, 15 % воды; активность определяют по тому, какие компоненты стандартной смеси азокрасителей сдвигаются со старта. Нитроанилины и нитрофенолы: у o-изомеров из-за внутримолекулярной водородной связи полярные группы «закрыты» — они слабо удерживаются адсорбентом и поднимаются выше всех. Аминокислоты разделяют на бумаге (вода в целлюлозе — неподвижная фаза, распределение) смесью н-бутанол–уксусная кислота–вода (4 : 1 : 5), а при опрыскивании нингидрином и нагревании они дают фиолетовые пятна (пролин — жёлтое). Сухофрукты (изюм, курага, сушка): сахара экстрагируют горячей водой; реактив Фелинга обнаруживает глюкозу и фруктозу (сахароза — невосстанавливающий сахар); если опрыскать пластинку спиртовым раствором H₂SO₄ и нагреть, все углеводы обугливаются и дают бурые пятна (о сахарах — в эксперименте «Углеводы: глюкоза и крахмал»).

Колоночная и ионообменная хроматография

Колонку заполняют адсорбентом (силикагель, Al₂O₃) или ионитом, образец вносят сверху и промывают элюентом; вытекающий раствор собирают фракциями. Постепенно усиливая элюент (гексан → гексан–ацетон → ацетон), сначала выводят слабо удерживаемые вещества, затем сильно удерживаемые: из пигментов листа сначала выходит оранжевый β-каротин, затем зелёные хлорофиллы и жёлтые ксантофиллы. Иониты — полимеры с ионными группами: катионит $R - SO_{3} H$ заменяет катионы раствора на H⁺, анионит $R - N (CH_{3})_{3}^{+} Cl^{-}$ заменяет анионы на Cl⁻; обменная ёмкость — ммоль ионов на 1 г сухого ионита. По методу Крауса–Мура на анионите разделяют хлоридные комплексы: Ni²⁺ не образует анионного комплекса даже в концентрированной HCl и выходит сразу; $[CoCl_{4}]^{2 -}$ (синий) вымывается 4 М HCl, а $[FeCl_{4}]^{-}$ — 0,5 М HCl. Адсорбция ионов на поверхности и ионный обмен — тема и коллоидной химии (уравнение адсорбции Гиббса — в том курсе). Белки выделяют гомогенизацией, экстракцией и высаливанием (сульфат аммония), затем очищают ионным обменом (заряд белка зависит от pH и изоэлектрической точки; вымывают градиентом соли), гель-фильтрацией, аффинной хроматографией (фермент–ингибитор, антитело–антиген) и ВЭЖХ; чистоту проверяют электрофорезом и масс-спектрометрией (эксперимент «Спектры: определение строения»).

Газовая и высокоэффективная жидкостная хроматография

В газовом хроматографе газ-носитель (N₂, He) течёт через колонку; в колонке, помещённой в термостат, вещества разделяются и по очереди достигают детектора. Время удерживания $t_{R}$ (качественный анализ: сравнивают со стандартом; индекс Ковача $I$ — относительно н-алканов), $t_{M}$ — время неудерживаемого вещества. Ширина пика определяется диффузией и массообменом: уравнение Ван Деемтера $H = A + B / u + C u$ — существует оптимальная скорость потока. При понижении температуры $k$ и обычно $α$ растут, но анализ удлиняется. Детекторы: катарометр (по теплопроводности, ДТП) — чувствует все газы; пламенно-ионизационный (ПИД) — только органические вещества, очень чувствителен, «не видит» N₂, CO₂, H₂O; детектор электронного захвата — галогенсодержащие вещества; масс-спектрометр — строение. В ВЭЖХ жидкий элюент насосом (10–40 МПа) пропускают через колонку с мелкими (3–5 мкм) частицами; детекторы: УФ, рефрактометрический (RI), флуоресцентный. Количественный анализ: площадь пика пропорциональна количеству вещества; нормировка (с поправочными коэффициентами), методы внешнего или внутреннего стандарта.

Безопасность и модель

Безопасность: CCl₄ и бензол ядовиты (бензол — канцероген): работайте только в вытяжном шкафу и в перчатках; сейчас чаще применяют дихлорметан, гексан, толуол. При встряхивании делительной воронки сбрасывайте давление через кран, не направляйте её носик на людей. Гексан и эфиры легко воспламеняются — аппарат Сокслета нагревают электроплиткой, без открытого огня. Нингидрин окрашивает кожу в фиолетовый цвет; опрыскивание и приливание H₂SO₄ и HCl — в вытяжном шкафу, в очках; не смотрите на УФ-лампу; водород для ПИД — горючий газ, баллоны закрепляйте. Модель: для I₂ $K$ = 85 (25 °C, литература); константы распределения и димеризации бензойной кислоты, доля экстракции в цикле Сокслета, параметры $\lg k$ и $S$ в ТСХ, коэффициенты активности по Брокману (шкала составлена для Al₂O₃ и условно применена к силикагелю), значения $k$ в колонке, коэффициенты Ван Деемтера — примерные; $R_{f}$ аминокислот — приблизительные литературные значения; индексы Ковача — приблизительные для неполярной фазы; состав образцов бензина, природного газа и сухофруктов — примерный; чувствительность детекторов упрощена; время показано ускоренным (множитель × у часов).

Знаете ли вы?

Арчер Мартин и Ричард Синг получили Нобелевскую премию по химии 1952 года за открытие распределительной хроматографии; в том же году Мартин вместе с А. Джеймсом опубликовал газо-жидкостную хроматографию.
Нингидрин в 1910 году открыл химик Зигфрид Руэман, работавший в Кембридже: с аминокислотами он даёт фиолетовый краситель. Криминалисты этой реакцией проявляют невидимые отпечатки пальцев на бумаге — в составе пота есть аминокислоты.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Термохимия и энергия Гиббса — 1 курс
Электрохимический анализ — 1 курс
Качественный анализ и гравиметрия — 2 курс
Титриметрический анализ — 2 курс
Оптические методы анализа — 2 курс
Спектры: определение строения — 2 курс
Сплавы: диаграммы состояния — 2 курс
Химическая кинетика и уравнение Аррениуса — 2 курс
Катализ и ферменты — 2 курс
Коллоиды и адсорбция — 2 курс