Файл: Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия учеб. пособие.pdf

фии еще называют ж и д к о с т н о - ж и д к о с т н о й р а с п р е д е л и ­ т е л ь н о й х р о м а т о г р а ф и е й .

Из указанных выше двух вариантов жидкостно-жидкостной распределитель­ ной хроматографии наибольшее распространение получила бумажная, поэтому рассмотрим ее несколько подробнее. Носителем для неподвижного растворителя (например, воды) в бумажной хроматографии является фильтровальная бумага специального изготовления. Подвижной фазой служит какой-то органический растворитель. Последний, протекая через участок бумаги, содержащий исследуе-

жидкости

мое вещество, частично его растворяет и уносит с собой. Достигнув участка бу­ маги, не содержащего данного вещества, растворитель отдает определенную ею долю водной фазе. Следующие порции подвижной жидкости (растворителя) должны растворять остаток исследуемого вещества, переносить его еще дальше и тоже передавать водной фазе. Переходя то к органическому подвижному раст­ ворителю, то к водной фазе, исследуемое вещество перемещается вместе с потоком жидкости.

Движение зон компонентов разделяемой смеси может быть количественно охарактеризовано величиной Rf, которая называется подвижностью. Эта величи­ на равна отношению скорости зоны исследуемого вещества к скорости движения

— 352 —

фронта растворителя. Так как от скоростей зависят и пути, пройденные компо­ нентами разделяемой смеси от своего начального положения (х) и фронта раство­ рителя (Xf), то

где х — путь, пройденный тем или иным компонентом разделяемой смеси от сво­ его начального положения, Xf — путь, пройденный фронтом растворителя от того же положения. На рис. 144 дано пояснение этого соотношения. Величина Rf лег­ ко может быть определена на основании экспериментальных данных, так как я и Xf доступны непосредственному измерению на хроматограмме.

насыщенная парами растворителя атмосфера. Это предотвращает испарение раст­ ворителя с листов фильтровальной бумаги. Капля исследуемого раствора нано­ сится на некотором расстоянии от края бумажной полосы. Подвижный раствори­ тель наливают в ванночку, куда опускают конец бумажной полосы. Бумагу за­ крепляют так, чтобы она свободно провисала. Сосуд, в котором происходит хрома­ тографирование, плотно закрывают и помещают в термостат на все время опыта. Колебания температуры на протяжении всего опыта не должны превышать

±1,5° С.

Под действием капиллярных сил подвижная жидкость передвигается по бу­ маге и разделяет составные части исследуемой смеси на отдельные зоны, которые при различии Rf разделяемых веществ передвигаются по слою бумаги с неодина­ ковыми скоростями. Опыт считают законченным, когда фронт подвижной жид­ кости достигнет противоположного края полосы бумаги. После этого бумагу вы­

нимают из сосуда, высушивают и проявляют опрыскиванием соответствующим раствором, дающим окрашенные соединения с компонентами разделяемой смеси. При одновременном хроматографировании ряда растворов берут более широкую полосу бумаги и вдоль ее края на так называемую стартовую линию наносят капли исследуемых растворов с интервалами в 2—3 см.

Бумажная хроматография обычно выполняется в двух вариантах: восходя­ щим и нисходящим движением растворителя. На рис. 145 показан общий вид простейшей камеры для получения нисходящей хроматограммы.

Если при помощи одного растворителя разделить сложную смесь не удается, можно последовательно применять два растворителя, которые обладают различ­ ными коэффициентами распределения. Такую хроматограмму называют дву­ мерной.

Стрелкой указано направление движения фронта подвижной фазы

Для получения двумерной хроматограммы применяют квадратные листы бу­ маги. Каплю исследуемого раствора вначале наносят на бумагу в ее левом углу (рис. 146, а), а затем пятно высушивают. Далее нижний край бумаги опускают в один из растворителей и хроматографируют по восходящему методу. Как толь­ ко фронт растворителя достигнет верхнего края бумаги, хроматографирование прекращают, бумагу высушивают и поворачивают на 90° (рис. 146, б). В таком положении бумагу помещают в другой сосуд для хроматографирования, опу­ скают ее нижний край во второй растворитель и хроматографируют по восходя­ щему методу, как и в первом случае. После высушивания хроматограммы ее

воздействуют электрическим полем постоянного тока. Такой вид хроматографии получил название электрофоретической хроматографии. Он более сложен, широ­ ко применяется для разделения различных белков и им подобных соединений.

Помимо качественного обнаружения разделяемых веществ на хроматограм­ мах, метод бумажной хроматографии может быть использован и для количест­ венных определений. Существуют две группы методов количественного бумажно­ го хроматографического анализа: методы, основанные на вымывании анализи­ руемых веществ, и методы, не требующие удаления анализируемых веществ.

Сущность первой группы методов заключается в том, что пятна анализируе­ мых веществ вырезают из хроматограммы и экстрагируют вещество из бумаги, а затем уже в экстракте определяют концентрацию его любым из доступных спо­ собов. Во второй группе методов концентрацию разделяемого вещества опреде­ ляют по интенсивности окраски пятна. Это измерение проводят с помощью спе­ циальных фотометрических приборов — денситометров. Концентрация вещества

в пятне (и в исследуемом растворе) и интенсивность окраски пятна связаны меж­ ду собой линейно.

—354 —

Методы бумажной хроматографии в настоящее время вошли в практику аг­ рохимических лабораторий. С ее помощью определяют аминокислотный состав биологических объектов. Белки, сахара, карбоновые кислоты и другие важные для растений и животных вещества могут быть определены с помощью этих ме­ тодов.

Газо-жидкостная хроматография. Этот вид хроматографии был открыт срав­ нительно недавно (1952), но за последнее время уже получил довольно широкое распространение в биологии, химии, а также во многих важных отраслях народ­ ного хозяйства. В газо-жидкостной хроматографии происходит распределение компонентов исследуемой смеси между газообразной и жидкой фазами, из кото­ рых последняя является неподвижной. Отношение концентрации-анализируемо-

фаза. Проходя через колонку, исследуемые вещества разделяются (хроматогра­ фируются) и на выходе появляются порознь в определенном порядке.

Прибор для проведения газовой хроматографии носит название хроматогра­ фа. Принципиальная схема хроматографа представлена на рис. 147. Устройство 1 — дозатор — служит для ввода в хроматографическую колонку газовой, жид­ кой или твердой пробы исследуемого вещества. Пробу можно ввести либо непо­ средственно в поток газа-носителя (например, шприцем), либо в ограниченный объем, из которого оно транспортируется газовым потоком в колонку 2, где и про­ исходит разделение.

Поскольку основным способом определения состава анализируемой смеси в гйзовой хроматографии является метод выходной кривой, после колонки уста­ навливают специальный детектор 3, который фиксирует изменение состава выхо­ дящей из колонки газовой смеси. Кривые, записанные на ленте специального ре­ гистратора 4, и есть хроматограммы. Наша промышленность в настоящее время серийно выпускает различные марки хроматографов, из которых наиболее рас­ пространенными являются ХПА-2, ХПА-4, ХТП-63, УХ-1 и многие другие.

С помощью газо-жидкостной хроматографии проводят качественный и ко­ личественный анализ практически любых органических соединений, в том числе

итаких, которые являются жизненно важными для культурных растений,

#* *

Перечисленные физико-химические методы далеко не полностью исчерпы­ вают все возможности физической химии. Многие методы, открытые буквально в последние годы, уже прочно входят в обиход биологических наук. Это в полной мере относится к таким методам исследования, какядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), масс-спектроскопия и мно­ гие другие, с помощью которых уже сейчас решаются сложные биологические проблемы. И нет сомнения, что овладев в должной мере физической химией и ее методами исследования, можно успешно решать проблемы, которые ставит перед нашим сельским хозяйством Коммунистическая партия Советского Союза.

12*

Часть вторая К О Л Л О И Д Н А Я ХИМИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Предмет коллоидной химии и ее значение для промышленности и сельского хозяйства. Коллоидная химия изучает физико-химические свойства гетерогенных высокодисперсных систем и высокомолекуляр­ ных соединений. Коллоидная химия —важный самостоятельный раздел физической химии, изучающий физико-химические свойства высоко­ молекулярных и высокополимерных соединений в твердом состоянии и в растворах. Коллоидная химия уделяет особое внимание роли по­ верхностных явлений на границе раздела фаз.

В настоящее время коллоидная химия занимается уже не только химиче­ ским строением и химическими реакциями, протекающими в коллоидных систе­ мах, но и физической структурой, физическими (и даже механическими) свойст­ вами и физико-химическими процессами, характерными для высокодисперсных и высокомолекулярных систем. Вот почему правильнее было бы называть этот раздел науки более общим термином — физическая химия дисперсных систем.

Из курса физической химии известно, что если одно вещество в бо­ лее или мелко раздробленном (дисперсном) состоянии равномерно рас­ пределено в массе другого вещества, то систему называют дисперсной.

система, представляющая собой взмученную в воде глину, состоит из взвешенных мелких частиц глины — дисперсной фазы и воды — дисперсионной среды.

Для характеристики и классификации различных дисперсных си­ стем в практике широко пользуются понятием степень дисперсности D, которая определяется как величина, обратная величине размера (диа­ метра) дисперсной частицы а, если ее размер выразить в сантиметрах:

— Ма см-1. Отсюда следует, что степень дисперсности есть вели­ чина, показывающая, какое число частиц можно уложить вплотную в 1 см.

Иногда применяется и другая характеристика степени дисперсно­ сти — так называемая удельная поверхность, которая представляет собой отношение поверхности 5 данного тела к занимаемому объему V, т. е. 5УД = 5/1/, где SyH — удельная поверхность. С повышением степени дисперсности величина удельной поверхности быстро растет.

— 356 —