1.4 Ионообменная хроматография

Ионообменная хроматография основана на обратимом стехиометрическом обмене ионов, находящихся в растворе, на ионы входящие в состав ионообменника. Синтетические ионообменники представляют собой высокополимер R (например, поперечно-сшитый полистирол), содержащий различные функциональные группы, например – SOH или –NHOH. В общем виде химическую формулу ионообменника можно записать как RSOH или RNHOH. Группы SOи NH фиксированы на полимерной матрице, а противоионы H и OH подвижны и могут быть заменены другими ионами с зарядом того же знака. В зависимости от знака заряда функциональных групп ионообменники могут быть катионитами или анионитами. Имеются также и амфотерные иониты (амфолиты), на которых в зависимости от условий проведения ионного обмена возможен обмен как катионов, так и анионов.

Реакции ионного обмена записывают как обычные химические гетерогенные реакции:

реакция катионного обмена:

RSOH+ Na RSONa+ H

катионит р-р катионит р-р

реакция анионного обмена:

RNHOH+ Cl RNHCl+OH

анионит р-р анионит р-р

Процесс ионного обмена протекает стехиометрически. Распределение каждого иона между ионообменником и раствором характеризуют коэффициентом распределения или константой ионного обмена. На основании константы ионного обмена могут быть составлены ряды сродства катионов (анионов) к данному иониту, позволяющие предвидеть возможности ионообменных разделений.

Различные ионы имеют различное сродство к ионообменнику и следовательно разную скорость передвижения по колонке, разделение происходит в соответствии со значениями их коэффициентов распределения. Например, найдено, что с ростом заряда ионов, сродство ионов к катиониту увеличивается (Al³⁺>Ca²⁺>Na⁺), поэтому ионообменная хроматогрфия используется, прежде всего, для разделения ионов, а после разделения и для количественного их определения химическими или физико-химическими методами.

На процесс ионного обмена влияет природа ионов раствора и ионообменника, скорость пропускания раствора через колонку, параметры колонки, размеры зёрен ионообменника, температура и др.

Важной характеристикой ионообменника является его обменная ёмкость. В аналитической практике ёмкость ионита выражают количеством молей обменивающегося иона на 1 г сухой смолы.

Различают статическую и динамическую обменную ёмкость (СОЕ и ДОЕ).

Ёмкость, найденную в статистических условиях, когда навеску ионита помещают в раствор насыщенного иона достаточной концентрации, выдерживают при встряхивании до полного насыщения, называют статической обменной ёмкостью (СОЕ).

Емкость, полученная в динамических условиях при пропускании насыщенного раствора через колонку с ионитом до первого появления насыщающего иона в вытекающем растворе (до проскока), называют динамической обменной ёмкостью (ДОЕ).

Ионный обмен широко используется в аналитической практике и технике для разделения и количественного определения, для удаления мешающих ионов, для концентрирования веществ из разбавленных растворов, для обессоливания и получения чистой воды в промышленных масштабах и т.д.