【经营管理】分析化学中常用的分离富集方法

1、第11章分析化学中常用的别离富集方法11.1 概述11.2 气态别离法11.3 沉淀与过滤别离11.4 萃取别离法11.5 离子交换别离法11.6 色谱别离11.7 电别离法11.8 气浮别离法11.9 膜别离11.1 概述别离富集 回收率 100分离后所得待测组分质量试样中原有待测组分质量11.2 气态别离法1 挥发与升华 挥发：固体或液体全部或局部转化为气体的过程 氢气复原砷酸盐转为AsH3飞硅SiF4飞铬(CrO2Cl2)升华: 固体物质不经过液态就变成气态的过程2 蒸馏 a 常压蒸馏 b 水蒸气蒸馏如果一溶液的组成在它的沸点分解，必须减压蒸馏它或水蒸汽蒸馏它，水蒸气蒸馏的那些化合物须不

2、与水混溶c 减压和真空蒸馏 在大气压以下的蒸馏称为减压和真空蒸馏例如无水乙醇的制备，水和乙醇形成共沸物(95乙醇)，b.p.=78.15参加苯形成另一共沸物(苯74，乙醇18.5,水7.5%) b.p.=65在65蒸馏, 除去水, 在68苯和乙醇形成共沸物(苯67.6,乙醇32.4)在68蒸馏直到温度升高，在78.5能获得纯乙醇。 d 共沸蒸馏e 萃取蒸馏(extractive distillation)例由氢化苯(80.1)生成环己烷(80.8)时,一般的蒸馏不能别离，参加苯胺(184)与苯形成络合物，在比苯高的温度沸腾，从而别离环己烷 11.3 沉淀别离1 常量组分的沉淀别离氢氧化物沉淀

3、NaOH法 可使两性氢氧化物(Al,Ga,Zn,Be,CrO2,Mo,W,GeO32-, V, Nb,Ta ,Sn,Pb等)溶解而与其它氢氧化物(Cu, Hg, Fe, Co, Ni, Ti. Zr, Hf, Th, RE等)沉淀别离 氨水-铵盐缓冲法 控制pH值810，使高价离子沉淀(Al, Sn等), 与一、二价离子(碱土金属，一、二副族)别离ZnO悬浊液法 控制pH6, 定量沉淀pH6以下能沉淀完全的金属离子有机碱法 六次甲基四胺，吡啶，苯胺等有机碱与其共轭酸组成溶液控制溶液的pH值硫酸盐沉淀硫酸作沉淀剂，浓度不能太高，因易形成MHSO4盐 加大溶解度, 沉淀碱土金属和Pb2+, CaS

4、O4溶解度大，参加乙醇降低溶解度。卤化物沉淀 氟化稀土和与Mg(II), Ca(II), Sr(II), Th(IV)氟化物沉淀， 冰晶石法沉淀铝 在pH4.5 Al(III)与NaF生成NaAlF6)法沉淀别离Al(III),与Fe(III),Cr(III),Ni(II),V(V)Mo(VI)等别离 硫化物沉淀 控制酸度，溶液中S2-不同，根据溶度积，在不同酸度析出硫化物沉淀, As2S3, 12M HCl; HgS,7.5M HCl; CuS, 7.0M HCl; CdS, 0.7M HCl; PbS, 0.35M HCl; ZnS, 0.02M HCl; FeS, 0.0001M HCl

5、; MnS,0.00008 M HCl 磷酸盐沉淀 稀酸中，锆、铪、钍、铋；弱酸中, 铁、铝、铀(IV)、铬(III)等 有机沉淀剂 草酸: 沉淀Ca, Sr, Ba, RE, Th 铜铁试剂(N-亚硝基苯基羟铵): 强酸中沉淀Cu,Fe,Zr,Ti,Ce.Th,V,Nb,Ta等，微酸中沉淀Al,Zn,Co,Mn,Be,Th,Ga,In,Tl等。主要用于1:9的硫酸介质中沉淀Fe(III),Ti(IV),V(V)等与Al,Cr,Co,Ni别离 铜试剂 (二乙胺基二硫代甲酸钠，DDTC) 沉淀Cu,Cd,Ag,Co,Ni,Hg.Pb.Bi,Zn等重金属离子，与稀土、碱土金属离子及铝等分开2 痕量

6、组分的富集和共沉淀别离 无机共沉淀剂进行共沉淀 有机共沉淀剂进行共沉淀 利用外表吸附进行痕量组分的共沉淀富集, 选择性不高。共沉淀剂为Fe(OH)3, Al(OH)3等胶状沉淀, 微溶性的硫化物，如Al(OH)3作载体共沉淀Fe3 +,TiO2+; HgS共沉淀Pb2+利用生成混晶进行共沉淀，选择性较好，如硫酸铅-硫酸鋇，磷酸铵镁-砷酸铵镁等利用胶体的凝聚作用进行共沉淀, 如动物胶、丹宁 离子缔合共沉淀，如甲基紫与InI4-。 利用“固体萃取剂进行共沉淀，例 1-萘酚的乙醇溶液中，1-萘酚沉淀，并将U(VI)与1-亚硝基-2-萘酚的螯合物共沉淀下来。 1.萃取别离机理11.4萃取别离法相似溶解

7、相似带电荷的物质亲水，不易被有机溶剂萃取可溶的呈电中性的物质疏水易为有机溶剂萃取萃取剂镍(II) 丁二酮肟 丁二酮肟-镍(II) CHCl3带电荷,亲水电中性,疏水萃取溶剂分配系数: 有机溶剂从水相中萃取溶质A，假设A在两相中的存在形态相同，平衡时，在有机相的浓度为Ao, 水相的浓度为Aw 之比，用KD表示。 分配定律 分配比: 物质A在两相中可能存在多种形态，在两相中的各形态浓度总和(c)之比，用D表示。 2 分配定律、分配系数和分配比KD=AoAwD = = cAocAwA1o+A2o+AnoA1w+A2w+Anw如果用Vo (mL) 溶剂萃取含有mo (g) 溶质A的Vw (mL)试液，

8、一次萃取后，水相中剩余m1(g)的溶质A，进入有机相的溶质A为(mo-m1) (g), 此时分配比为： m1=moVw/(DVo + Vw)萃取两次后，水相中剩余物质A为m2(g)m2=moVw/(DVo + Vw)2 萃取n次后，水相中剩余物质A为mn(g)mn=moVw/(DVo + Vw)nD = = cAocAw (mo-m1)/Vo m1/Vw3 萃取率式中，Vw/Vo称相当Vw/Vo1时, E=D/(D+1)100在D10时，E90%, D100, E99% 萃取率用于衡量萃取得总效果，用E表示 E 100溶质A在有机相中的总量溶质A的总量 100coVocoVo+cwVwE 10

9、0DD+(Vw/Vo)例,用乙醚萃取从一肉样品中除去脂，脂的D=2,现有乙醚90ml,有人介绍分三次每次30ml对分散在30ml水中的含有0.1g脂的1.0g肉制品进行萃取，那么一次90ml和三次30ml分别萃取，哪一个好？计算：一次90ml，x=0.1(30/(290)+301=0.014g三次30ml，x=0.1(30/(230)+303=0.0037g 4 萃取体系和萃取平衡萃取平衡 萃取剂多为有机弱酸碱, 中性形式易疏水而溶于有机溶剂，一元弱酸HL在两相中平衡有：HL(o) HL(w)D = = HLo HLw+Lw HLo HLw(1+Ka/H+) KD 1+Ka/H+= = KD

10、(HL)pHpKa时，D=1/2KD; pH pKa-1时，水相中萃取剂几乎全部以HL形式存在，DKD ;在pHpKa时，D变得很小。 萃取体系 螯合物萃取体系 离子缔合物萃取体系 溶剂化合物萃取体系 共价化合物(简单分子)萃取体系a 螯合萃取体系 螯合物萃取是金属离子萃取的主要方式，萃取剂是螯合剂，形成的螯合物为中性，溶于有机溶剂被萃取。 如双硫腙与Hg2+的络合物，8-羟基喹啉与La3+的络合物等属螯合物萃取体系。 总的萃取平衡方程式为：M(w)+nHL(o) =MLn(o)+nH+(w)萃取平衡常数KexKex决定于螯合物的分配系数KD(MLn)和累积稳定常数n以及螯合剂的分配系数KD(

11、HL)和它的离解常数Ka螯合物萃取体系存在的几个平衡关系如以下图：Kex = = MLnoH+wn MwHLonKD(MLn)nKD(HL)Ka(HL)n如果水溶液中仅是游离的金属离子，有机相中仅是螯合物一种MLn形态，那么：D = = Kex MLno Mw HLon H+wn萃取时有机相中萃取剂的量远远大于水溶液中金属离子的量，进入水相和络合物消耗的萃取剂可以忽略不计。即是HLoc(HL)o, 上式变为D = Kex c(HL)on H+wn该式边取对数: lgD=lgKex+nlgc(HL)o+npH 实际萃取过程涉及副反响，采用条件萃取常数Kex 描述萃取平衡： Kex = = MLn

12、oH+wn Mwc(HL)onKex aM aHLnlgD=lgKex-lgaM-nlgaHL+nlgc(HL)o+npHw D = = Kex MLno Mw c(HL)on aM aHLnH+wn水溶液的pH值是影响螯合物萃取的一个很重要因素分配比决定于萃取平衡常数、萃取剂浓度和水溶液的酸度 b 离子缔合物萃取体系 阳离子和阴离子通过静电引力相结合而形成电中性的化合物称为离子缔合物。该物具有疏水性，能被有机溶剂萃取。 碱性阳离子染料与络阴离子形成的缔合物，如次甲基蓝与BF4-、罗丹明B与AuCl4 -,四苯胂(C6H5)4As+与WO42-;金属大络阳离子(Cu+-新亚铜灵络阳离子与Cl-

13、)及季铵盐与阴离子或金属络阴离子形成的缔合物。 中性有机溶剂分子通过配位原子与金属离子键合，而溶于该有机溶剂中，从而实现萃取。如，磷酸三丁酯(TPB) 在盐酸介质中萃取Fe3+, FeCl33TPB 杂多酸萃取体系c 溶剂化合物萃取体系在HCl溶液中乙醚萃取FeCl4-,乙醚与H形成(CH3CH2)2OH+,它与FeCl4-形成缔合物(CH3CH2)2OH+FeCl4-。在这里乙醚既是萃取剂又是萃取溶剂。如此的还有甲基异丁基酮，乙酸乙酯等。含氧有机溶剂化合物成盐的能力大小为：R2OROHRCOOHRCOORRCORRCHO也有把该体系列入离子缔合萃取体系。d 共价化合物萃取体系 也叫简单分子萃

14、取体系，如I2,Br2,GeCl4,OsO4等不带电荷，在水溶液中以分子形式存在，可为CCl4,C6H6等萃取 a 萃取剂的选择 螯合物稳定，疏水性强，萃取率高 b 溶液的酸度 酸度影响萃取剂的离解，络合物的稳定性，金属离子的水解5 萃取条件的选择c 萃取溶剂的选择金属络合物在溶剂中有较大的溶解度，尽量采用结构与络合物结构相似的溶剂，萃取溶剂的密度与水溶液的密度差异要大,粘度要小，易分层。毒性小，最好无毒，并且挥发性小。6 萃取方法及分析化学中的应用萃取方法 单级萃取 连续萃取多级萃取萃取剂比水重 萃取剂比水轻 索氏萃取器7 固相萃取和固相微萃取固相萃取：液-固别离别离载体一般为硅氧基甲烷，颗

15、粒直径40-80 mm选适宜SPE管参加样品溶液到载体洗涤除去共存物洗脱待别离物质润湿载体一般程序为：固相微萃取技术 始于1992年，(加拿大的Janusz Pawliszyn) 原理： 超临界流体萃取:气-固萃取 萃取剂: 超临界条件下的气体 粘度低，接近零的外表张力，比很多液体容易渗透固体颗粒，易于除去。 8 超临界流体萃取超临界萃取别离设备组成及流程： 超临界流体: 1822年, Baron C.Cagnaird 发现，如果加热某气体在一定的温度以上时，无论施加多大的压力都不能迫使该气体成为液体，那个温度叫临界温度。在这个温度使气体变为液体的最低压力，叫临界压力。在这个条件以上的任意气体

16、知道处于超临界。 一些气体的临界温度和压力离子交换别离法：利用离子交换剂与溶液中的离子之间发生的交换反响进行别离的方法。11.5 离子交换别离法无机离子交换剂有机离子交换剂 (离子交换树脂)1.离子交换剂的种类特种树脂螯合树脂大孔树脂萃淋树脂纤维素交换剂负载螯合剂树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂弱酸性阳离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂弱碱性阴离子交换树脂R-SO3H树脂, 如国产732R-COOH, R-OH 树脂R4 N+Cl- 树脂-NH2, -NHR, -NR2 树脂2 离子交换树脂的结构与性质 高分子聚合物，具有网状结构，稳定性好。在网状结构的骨架上连接有活性基团，

17、如-SO3H, -COOH,-N(CH3)3Cl等，它们可以与溶液中的离子进行交换。离子交换的过程：R-SO3H + Na+ R-SO3Na + H+R-N(CH3)3Cl + OH- R-N(CH3)3OH + Cl- 交联度: 树脂合成中，二乙烯苯为交联剂，树脂中含有二乙烯苯的百分率就是该树脂的交联度。 交联度小，溶涨性能好，交换速度快，选择性差，机械强度也差；交联度大的树脂优缺点正相反。一般414适宜。交换容量: 每克干树脂所能交换的物质的量(mmol)。一般树脂的交换容量36mmol/g。离子在离子交换树脂上的交换能力，与离子的水合离子半径、电荷与离子的极化程度有关。3 离子交换树脂的

18、亲合力 强酸性阳离子交换树脂 Li+ H+ Na+ NH4+ K+ Rb+ Cs+ Ag+ Tl+ U(VI)Mg2+Zn2+Co2+Cu2+Cd2+Ni2+Ca2+Sr2+Pb2+Ba2+ Na+Ca2+Al3+Th4+ 对于弱酸性阳离子交换树脂，H的亲合力大于阳离子 水合离子半径,电荷,离子的极化程度 ,亲和力a 阳离子交换树脂b.阴离子交换树脂强碱型阴离子交换树脂F-OH-CH3COO-HCOO-Cl-NO2-CN-Br-C2O42- NO3- HSO4- I- CrO42- SO42- Cit.强碱型阴离子交换树脂F-Cl-BrI-CH3COO-MoO42-PO43-AsO43-NO3

19、-Tart.CrO42- SO42- OH-操作4 离子交换别离操作与应用应用装柱离子交换洗脱树脂再生制备去离子水微量组分富集别离Au,Pt,RE阴阳离子别离 11.6 色谱别离色谱是一种多级别离技术基于被别离物质分子在两相一为固定相，一为流动相中分配系数的微小差异进行别离。固定相 流动相色谱柱被别离组分色谱法液相色谱法气相色谱法平板色谱法柱色谱法薄层色谱法纸色谱法气液色谱法气固色谱法分配色谱法吸附色谱法离子交换色谱法排阻色谱法超临界流体色谱法亲和色谱法1 萃取色谱溶剂萃取原理与色谱别离技术相结合的液相分配色谱，又称反相分配色谱。多用于无机离子的别离。以涂渍或吸留于多孔、疏水的惰性支持体的有机

20、萃取剂为固定相，以无机化合物水溶液为流动相支持体材料有：硅藻土、硅胶、聚四氟乙烯及聚乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，活性碳纤维。惰性多孔且孔径分布均匀，比外表大，在流动相中不膨胀，不吸附水溶液中的离子如正辛胺-纤维素别离Th,Zr,U(10M HCl,6M HCl, 0.05 M HCl 洗脱。 2 薄层色谱和纸色谱 平面色谱薄层色谱固定相有硅胶，活性氧化铝及纤维素并铺在玻璃板上。纸色谱固定相多为滤纸。* 流动相或展开剂：正相薄层色谱中为含有少许酸或碱的有机溶剂；反相色谱多采用无机酸水溶液。正丁醇乙醇氨水9：1：0.5别离显色剂AClP-pF纸色谱用无机酸水溶液或其与有机溶剂的混合物为流动相。乙醇2M

21、HCl(9:1)别离La,Ce,Pm,Eu,Dy等；丁酮HF6：1单宁显色别离Nb和Ta。 2 薄层色谱和纸色谱 平面色谱薄层色谱纸色谱固定相吸附剂(硅胶, Al2O3, 纤维素)滤纸上的水流动相展开剂展开剂载体玻璃片滤纸比移值: 样品点中心到原点距离(a)与溶剂前沿到原点距离(b)的比值。 Rf = a/b = h/c11.7 电泳和毛细管电泳别离电泳: 在电场作用下，电解质中带电粒子以不同的速度向电荷相反的方向迁移的现象。利用这一现象对化学或生物物质进行别离分析的技术常常称为电泳技术。纸电泳 ； 薄层电泳 ； 聚丙稀酰胺电泳； 琼脂糖电泳等。等电聚焦电泳；等速电泳柱状电泳；U形电泳；高效毛

22、细管电泳 高效毛细管电泳别离 在充有电解质溶液的毛细管两端施加高电压，溶解在电解质中的物质组分根据电位梯度及离子淌度的差异，得以电泳别离。HV.高压电源；C.毛细管；E.电极槽；Pt.铂电极；D.检测器；S.试样；DA.数据采集处理系统 淌度与Zeta电势带电离子移动速度淌度电场强度淌度=(介电常数Zeta电势)/(4介质粘度) 淌度: 溶质在给定缓冲溶液中单位时间间隔和单位电场强度下移动的距离。带电粒子和毛细管内壁外表电荷形成双电层的Zeta电势的大小与粒子外表的电荷密度有关，质量一定的离子电荷越大，Zeta电势越大；电荷一定质量越大，Zeta电势越小。 电渗流的淌度与管壁的Zeta电势有关

23、，电渗流在毛细管别离中起重要作用，多数情况下电渗流流速是电泳速度的57倍，在CE条件下，电渗流从阳极流向阴极，利用它可将正、负和中性离子一起朝一个方向产生速差迁移，进行别离。 影响电渗流的因素有: 电场强度、毛细管材料、溶液pH值、电解质成分及浓度、温度、添加剂等。 电渗流电渗流: 毛细管中液体在外加电场作用下相对于带电的管壁整体向一个方向移动。首先用于选矿80年代，中国开始研究，用于微量元素的富集别离离子浮选、沉淀浮选、溶剂浮选原理: 液体里的一和几个组分转移到气泡外表，载有被别离组分的气泡进而聚集成泡沫到达液体上部，别离和破裂泡沫，收集组分。 11.8 气浮别离法1进气口；2浮选池；3聚乙烯过滤器；4泡沫；5法蓝盘；6试样、试剂导入口；7硅相交；8排出口；9接收器。 离子溶液中，参加适当络合剂，调至适当酸度，生成络合物离子，再参加与络离子带相反电荷的外表活性剂，形成离子缔合物，通入气体，鼓泡，吸附在气泡外表上浮至溶液外表。影响因