СОРБЦИЯ

ХРОМАТОГРАФИЯ — РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСЕЙ ВЕЩЕСТВ

Ц то за странное название — хроматография? По-гре - * чески «хрома» — цвет и «графо» — пишу. При чем же тут адсорбционные процессы?

В 1903 г. русский ученый Михаил Семенович Цвет от­крыл интереснейшее явление. Из листьев растений путем растирания их с различными растворителями (спиртом, эфиром и др.) он получил экстракты веществ, входящих в состав растения. В то время не было, да и в настоящее время нет еще достаточно точных методов разделения этих цеществ. Разделение же необходимо для установле­ния химической природы этих соединений. Как же разде­лить эти вещества: ведь химические свойства их так мало различимы?

Если бы вы не прочитали предыдущих разделов этой книжки, вы не могли бы сказать, что разделение можно осуществить адсорбционным методом.

В самом деле, пусть химические свойства веществ схо­жи между собою, но, может быть, их адсорбционные свой­ства различны? Если одно вещество сорбируется хуже дру­гого, то при прохождении вдоль адсорбционной колонки оно обгонит первое и в конце концов выйдет из колонки вместе с растворителем.

Это и обнаружил М. С. Цвет. Экстракты растений окрашены веществами — пигментами, а адсорбцион­ная колонка наполнена бесцветным поглотителем — крахмалохм, мелом, окисью алюминия, сахаром и т. п. Бла­годаря различной адсорбируемости составные части смеси образовывали по длине колонки зоны с различной окрас­кой — зеленой, оранжевой и желтой. Описать состав сме­си веществ по цветам зон их распределения в колонке — это и значит дать их «хроматограмму».

Но ведь мало показать, что исследуемая смесь состоит из различных кохмпонентов. Нужно еще знать, из каких составных частей они состоят.

Как же извлечь их из хроматографической колонки? Есть несколько способов. Самый простой заключается в том, что адсорбент выталкивают из колонки в виде стол­бика и разрезают его ножом по зонам. Это сделать очень легко, так как зоны различно окрашены. Далее методами химического анализа анализируют состав каждой зоны. Понятно, что анализ облегчается наличием в вырезанной зоне только одного вещества. Но это, пожалуй, самый сча­стливый случай. Чаще всего зоны не настолько резко от­деляются друг от друга, чтобы их можно было разделить механически, зоны совмещаются, один край находит на другой. Ну, а если адсорбент имеет темную окраску, как, например, почти все катиониты или активированный уголь? Что же делать в таких случаях? В этих случаях ко­лонку, содержащую адсорбированные вещества, промы­вают специально подобранным растворителем, который по-разному относится к адсорбированным составным частям смеси. Некоторые из этих составных частей раство­римы лучше, другие хуже. Лучше растворимые вымывают­ся из смешанной зоны и, продвигаясь все дальше и даль­ше, адсорбируются ниже, у выхода из колонки. При дли­тельном промывании, из колонки вытекает растворитель, содержащий сначала наиболее хорошо растворимый ком­понент. Потом его концентрация в выходящем растворе возрастает, а затем уменьшается. И когда концентрация доходит до нуля, это показывает, что весь компонент уже удален из колонки и нужно ждать появления следующего. Такой прием вымывания называется элюцией; в настоящее время он применяется часто. Этот прием дает возможность использовать не только различие в адсорбируемости ком­понентов смеси, но и в их растворимости.

Вымывание осуществляется следующим образом. В хроматографическую колонку помещается слой адсор­бента. В верхнюю часть колонки вводится несколько ка­пель исследуемой смеси. Произошло ли при этом разделе­ние смеси, мы еще не знаем. Далее, через колонну мед­ленно пропускают растворитель, а отдельные порции его, выходящие из колонки, собирают в сосудики, например пробирки. Вымывание обычно идет очень медленно, так как раствор вытекает по каплям. Когда отобрано доста­точно много порций раствора, их анализируют. Понятно, что чем меньше порции, тем точнее можно судить о раз­делении смеси. При отборе больших количеств раствора в одной пробирке может оказаться сразу несколько компо­нентов смеси.

В некоторых случаях через колонку пропускают не рас­творитель, а реактив, образующий с разделяемыми веще­ствами химические соединения, которые адсорбируются данным сорбентом по-разному: одни адсорбируются

Хуже и проходят через колонку быстрее, а другие — лучше и задерживаются в колонке.

Этот прием можно назвать химической элюцией. В ре­зультате такого вымывания можно получить отдельно два или несколько компонентов в виде новых соединений с примененным реактивом. Но для химика это уже не имеет значения: он всегда может разделить компоненты обыч­ными химическими приемами для дальнейшего их иссле­дования.

Способ элюирования сыграл решающую роль в откры­тии новых элементов периодической системы Менделеева.

Может быть, вы уже знаете, что три последних элемен­та периодической системы являются искусственно приго­товленными, в природе они не обнаружены. Это № 99 —.

Эйнштейний (Е), № 100 — фермий (Ит) и № 101 — менделеевий (Му). Эти элементы были получены при «бомбардировке» мишеней ионами инертных газов. В ре­зультате такой бомбардировки и последующих ядерных взаимодействий образуется смесь элементов, может быть, новых. Однако еще нужно доказать, что полученные ве­щества являются именно теми самыми ожидаемыми эле­ментами. Казалось, что проще — исследовать их по всем правилам химического анализа. Однако практика показа­ла, что это не так просто. Основная трудность заключает­ся в том, что новые элементы радиоактивны и обладают довольно коротким периодом полураспада. Физики рас­полагали чрезвычайно точными методами для обнаружения новых элементов. Но для исследования нужны ощутимые количества веществ, с которыми можно было бы работать довольно продолжительное время. А на деле пришлось ра­ботать всего лишь несколько минут, по истечении которых химический элемент нельзя было обнаружить.

Вот здесь-то и сказалось преимущество метода хрома­тографии. Име нно при помощи элюирования удалось до­казать, что полученные элементы действительно являются новыми элементами — фермием, эйнштейнием и менделее- вием. Следует особо отметить, что хроматографический метод оказался настолько чувствительным и быстрым, что позволил отделить и обнаружить всего... 17 ато­мов элемента менделеевия. Хроматография позволила в течение пяти минут обнаружить и отделить новый элемент.

Какое утомительное занятие — отбирать маленькие порции жидкости, вытекающей из колонки! Вы правы, тем более, что процесс элюции длится не минуты, а часы и даже десятки часов. Вот и приходится придумывать вся­кие приспособления для автоматизации отбора проб.

На рис. 14 изображен так называемый карусельный пробоотборник. Несколько пробирок вставлены в гнезда на дисках, вращающихся вокруг вертикальной оси. На одной из пробирок расположена хроматографическая ко­лонка, из которой вытекает растворитель. Каждая капля растворителя пересекает луч света, идущий от малень­кой лампочки 1 к фотоэлементу 2. При этом срабатывает счетчик капель, находящийся в ящике. После отсчета за­ранее заданного количества капель счетчик дает сигнал механическому устройству, которое поворачивает всю ка­русель так, что под колонкой оказывается новая пустая пробирка. На практике применяются и другие пробоотбор­ные приспособления, например, такие, в которых смена приемного сосуда происходит после того, как в нем на­копилось определенное весовое или объемное количество жидкости.

Иногда оказывается возможным не анализировать от­дельные порции раствора, вытекающего из колонки, а не­прерывно исследовать его физико-химические свойства,

Например электропроводность или показатель преломле­ния. Если растворенное вещество, вымывающееся из ко­лонки, изменяет электропроводность растворителя, то мож­но использовать устройство, схема которого изображена на рис. 15. Жидкость, вытекающая из колонки, проходит через маленький сосудик 1, в который помещены электроды 2. Электроды соединены с измерителем электропроводности 3; Величина последней записывается сахмопишущим гальвано­метром на бумажной ленте 4. Из рисунка видно, что на кривой изменения электропроводности во времени имеется изгиб. Это соответствует прохождению через сосудик / растворенного вещества, ранее адсорбированного на ко­лонке. Подобную автоматику можно применять и в тех случаях, когда изменяется окраска раствора, вытекающе­го из колонки, или его показатель преломления. Широ­ко применяются такие устройства при работе с мече­ными атомами. Тогда рядом с сосудиком 1 помещают счетчик радиоактивных частиц или излучений, показания которого после соотйетствующего усиления и преобразо­вания могут быть фиксированы самопишущим гальвано­метром.

Хроматографический метод в настоящее время являет­ся могучим орудием в руках химика-аналитика. По чув­ствительности он превосходит все классические методы аналитической химии.