Хроматографическое разделение /4/

Основные принципы физического разделения

С разделением веществ приходится сталкиваться при каждом химическом синтезе, и оно является обычной стадией анализа. Как правило, разделение должно предшествовать идентификации вещества.

Разделение относительно просто, если отдельные компоненты смеси находятся в различных фазах. В этом случае оно может быть достигнуто фильтрацией, осаждением, центрифугированием и т. д. Напротив, если несколько веществ находятся в одной фазе, то нужно добиваться либо образования новой фазы путем химического превращения (например, перевода в осадок), либо применять физические методы разделения.

Физические методы разделения основаны на использовании кинетических явлений или фазовых равновесий. Фазовые равновесия лежат в основе таких методов разделения, как дистилляция, сублимация, кристаллизация, экстракция и адсорбция из газообразной или жидкой фазы. В этих процессах молекулы разделяемых веществ переходят через границу раздела фаз в обоих направлениях, причем они стремятся к такому состоянию распределения, при котором, несмотря на продолжающееся молекулярное движение через границу, в каждой из фаз устанавливается постоянная концентрация составляющих веществ.

В других методах разделения, где используются кинетические явления (например, при молекулярной дистилляции или диализе), напротив, происходит перенос вещества через поверхность раздела фаз по меньшей мере за счет одного сорта молекул и только в одном направлении, потому что перешедшие через границу молекулы удаляются от нее. Такие методы разделения имеют незначительную эффективность.

Если разделяемые компоненты мало различаются в отношении свойств, решающих для выбранного метода (например, давление пара, растворимость, адсорбируемость или размер молекул), то концентрирования вещества практически не происходит. В этом случае достаточного разделения можно достигнуть путем многократного использования элементарного акта разделения. Наглядным примером такого процесса может служить многократная экстракция. При дистилляции в ректификационной колонне с насадкой или тарелками также осуществляется ряд последовательных равновесных состояний между жидкостью и паром. Увеличение числа элементарных актов разделения ограничивается требованиями, которые предъявляются ко времени разделения, размерам аппаратуры и соответственно к расходу веществ. Кроме того, высокого обогащения одной из равновесных фаз желательным компонентом достигают только для простых (не выше тройных) систем. В случае многокомпонентных смесей наряду с чистыми веществами всегда получаются смешанные фракции.

Основной принцип хроматографического разделения

Значительное повышение степени разделения возможно, если эффект, вызванный повторным установлением фазовых равновесий, налагается на разделяющий эффект, обусловленный кинетическими явлениями. В данном случае улавливание и удаление молекул, выходящих с поверхности раздела фаз (из неподвижной фазы), осуществляется благодаря постоянному движению одной из фаз (а именно подвижной фазы). Выходящие из неподвижной фазы молекулы, как и при фазовом равновесии, попадают в нее снова, однако при достаточно быстром движении подвижной фазы они не достигают прежнего элемента объема неподвижной фазы, а попадают в ближайший элемент объема в направлении потока.

Высокая эффективность разделения может быть достигнута только благодаря частым фазовым переходам, поэтому неподвижная и подвижная фазы должны иметь большую поверхность соприкосновения, а внешние условия должны быть выбраны так, чтобы молекулы разделяемых веществ были способны к быстрому обмену между двумя фазами. Так как эффективность разделения снижается вследствие диффузионных явлений, то обе фазы всюду должны иметь небольшую толщину слоя, а поток подвижной фазы должен быть ламинарным.

Эти требования в первом приближении проще всего осуществляются, например, если подвижная фаза протекает под действием перепада давления в трубке, наполненной мелко раздробленным сорбентом в качестве неподвижной фазы. Такая трубка, наполненная сорбентом, называется хроматографической колонкой (подобно ректификационной колонке в случае дистилляции). Подлежащая разделению смесь вводится в подвижную фазу и вместе с ней поступает в колонку. Там каждый из компонентов смеси стремится распределиться между подвижной фазой и сорбентом в определенном отношении, соответствующем его адсорбируемости. Однако еще до того, как такое распределение успеет произойти, некоторая часть компонента в подвижной фазе продвинется дальше и на другом элементе поверхности неподвижной фазы должно возникнуть уже новое соотношение концентрации. Истинное равновесие между двумя фазами достигается в тем меньшей степени, чем больше скорость подвижной фазы. Так как компоненты смеси, погло­щенные в данный момент сорбентом, не участвуют в движении подвижной фазы, то каждому из них для прохождения колонки в общем требуется больше времени, чем для любой из молекул подвижной фазы. Разделение смеси достигается, если компоненты смеси обладают различными коэффициентами распределения между обеими фазами, т. е. если неподвижная фаза по-разному препятствует их прохождению по колонке.

Разделение веществ, основанное на этом принципе, называют хроматографией (что при буквальном переводе на русский означает «цветописание»). Первое хроматографическое разделение провел русский ботаник Цвет (1903 г.), который разделил этим способом хлорофилл на отдельные окрашенные компоненты.

В настоящее время хроматография применяется со многими методическими изменениями, которые имеют одну общую основу: разделение происходит вследствие частого перехода молекул отдельных компонентов смеси между двумя фазами, из которых одна является неподвижной фазой с развитой поверхностью, а вторая фаза (подвижная) перемещается относительно нее. Благодаря различному распределению разделяемых веществ между неподвижной и подвижной фазами они испытывают разное замедление в своем движении вдоль колонки.