11.常用的分离和富集方法课件

1、Analytical Chemistry,定量分析化学中,Methods for Separation and Enrichment,第十一章,11.1 概论,11.2.1 常量组分的沉淀分离 11.2.2 微量组分的共沉淀分离与富集,11.2 沉淀分离法,11.3 溶剂萃取分离法,11.3.1 萃取分离的基本原理 11.3.2 萃取分离的类型及条件 11.3.3 萃取分离的实验方法 11.3.4 萃取分离在分析化学中的应用,（自学）,11.4 离子交换分离法,11.4.1 离子交换树脂 11.4.2 离子交换亲合力 11.4.3 离子交换分离操作方法 11.4.4 离子交换分离法的应用,11

2、.5 色谱分离法,11.5.1 柱色谱 11.5.2 纸色谱 11.5.3 薄层色谱,11.1 概论,问题的提出,实际样品的复杂性,干扰的消除,控制实验条件,使用掩蔽剂,分离 separation,分析方法灵敏度的局限性,满足对灵敏度的要求,选择灵敏度高的方法,富集enrichment,例：,海水中 U （IV) 的测定,C = 1 3 g / L,难以测定,富集为 C = 100 200 g / L,可以测定,分离效果,干扰成分减少至不再干扰,待测组分有效回收,质量分数 1%，,回收率 99.9 % 以上,质量分数 0.01 %，,回收率 95 % 或更低,质量分数 0.01% 1%,回收率

3、 99 %,样品中的待测组分含量是未知的如何测量回收率,？,recovery,常用分离方法,沉淀分离法,溶剂萃取分离法,离子交换分离法,色谱分离法,挥发和蒸馏分离法,Precipitation,Solvent extraction,Ion exchange,Chromatography,Volatilization and distillation,沉淀分离与富集,依据溶度积分步沉淀原理,氢氧化物沉淀分离,通过控制 OH- 选择性沉淀分离,pH12，NaOH,分离两性离子：Al, Zn, Cr, Sn, Pb, Sb 不沉淀,pH 89, NH3,分离络氨离子：Ag, Co, Ni, Zn,

4、Cd, Cu,(Mg) 不沉淀,pH 5 6, ZnO悬浊液或有机碱,沉淀：Al, Fe(III), Ti(IV), Th(IV), Bi .,例如常见阳离子的两酸两碱分离,11.3 溶剂萃取分离法,萃取分离法,在含有被分离物质的水溶液中，加入萃取剂和与水不相混溶的有机溶剂，震荡，利用物质在两相中的分配不同的性质，使一些组分进入有机相中，使另一些组分仍留在水相中，从而达到分离的目的。,梨形分液漏斗,11.3.1 萃取分离的基本原理,萃取分离的依据,物质,亲水性,疏水性,离子型化合物,极性,共价键化合物,弱极性或非极性,相互转换,萃取分离的实质,将待萃取组分由亲水性转化为疏水性，使其萃入有机相中

5、。,例，8-羟基喹啉-CHCl3对Al 3+ 的萃取,反萃取,萃取的反过程（将组分从有机溶液中萃取到水溶液中）,hydrophilic,hydrophobic,Back extraction,例，8-羟基喹啉-CHCl3对Al 3+ 的萃取,溶于CHCl3,8-羟基喹啉,CHCl3,萃取剂,溶剂,水合离子的正电性被中和，亲水的水分子被疏水有机大分子取代,分配系数与分配比,分配系数 partition coefficient,萃取平衡,分配定律,Water 在水相中,Organic 在有机相中,下标,KD分配系数,热力学常数,分配比 distribution ratio,条件分配系数,醋酸在苯和

6、水中的分配,D分配比,条件常数,醋酸在苯和水中的分配,萃取率 extraction rate,称为相比,R 可近似地反应溶质浓缩的效率,当 R = 1 时，,其中,增大萃取率,减小相比,增加萃取次数,多次萃取,设用 Vo mL 有机溶剂萃取 Vw mL中含量为 m0 的 A 物质，一次萃取后剩余的 A 物质的量为 m1 g,据分配比定义,整理，得,萃取 n 次，同理可得,n 次萃取的萃取率,例题,例题,例：用 CCl4 萃取 I2 ( R=1)，,Vo =100 mL，,m0 = 0.20 g，,D = 85,2)、分两次萃取，每次用50 mL 有机溶剂,m2 = 0.00016g,E % =

7、 99.9,结论,1） 用同样量的萃取剂，分多次萃取比一次萃取的效率高,结论：,2）萃取原则：少量多次,11.3.2 萃取分离的类型与条件,萃取类型,螯合物萃取,离子缔合物萃取,简单分子萃取,溶剂配合萃取,螯合物萃取 chelate extraction,生成螯合物的萃取,被三氯甲烷萃取,萃取平衡,用 HL 萃取金属离子 M，有如下平衡,M(w) + n (HL)(o) = MLn (o) + n H+(w),螯合物萃取中酸度的影响,如果考虑到M (w) 和 HL (o) 的副反应,lgD pH,E% pH,Hg2+,Bi2+,Pb2+,Cd2+,二苯硫腙-CCl4萃取金属离子的萃取曲线,离子

8、缔合物萃取 ion association extraction,阳离子和阴离子通过静电引力相结合形成电中性疏水化合物而被有机溶剂萃取。,M+(w) + A-(w) = M+A-(o),例：HCl 介质中乙醚萃取FeCl4-,(CH3CH2)2O + H+ = (CH3CH2)2O+H,(CH3CH2)2O+H + FeCl4- = (CH3CH2)2OH +FeCl4 -,被 (CH3CH2)2O 萃取,例：碱性染料在 酸性介质中萃取络阴离子,次甲基蓝阳离子,被苯、甲苯等惰性溶剂萃取,通常在酸性介质中进行,例：在酸性介质中高分子胺对络阴离子的萃取,R3N(o) + HA = R3N+HA-

9、(o),R3N+HA- (o) + B- = R3N+ HB- (o) + A-,简单分子萃取体系,某些共价无机化合物，例如 I2, Cl2等，它们在水溶液中主要以分子形式存在，不带电荷，可用有机惰性溶剂萃取。,溶剂配合体系,例：磷酸三丁酯（TBP）对硝酸盐的萃取,Mn+ + n NO3- + m TBP = M(NO3)nm(TBP),被 TBP 萃取,11.3.3 萃取分离的实验方法,间歇萃取法,连续萃取法,8.3.4 萃取分离在分析化学中的应用,萃取分离,萃取富集,萃取分光光度法,例：Ni 2+ 的丁二酮肟（三氯甲烷）分光光度法测定,参见陈国珍等人编著： 紫外-可见光分光光度法下册 原子

10、能出版社,Batch extraction using pear-shaped separatory funnel,Continuous liquid-liquid extraction,高密度溶剂萃取,低密度溶剂萃取,连续萃取法,Higher-density solvent extraction,Low-density solution being extracted,Extraction solvent,Vapor,Boiling flask containing high-density extracting solvent and extracted solute,Diverter f

11、or drops of condensate of high-density solvent,Condensate,Reflux condenser,Heat,返回,Lower-density solvent extraction,Heat,High-density solution being extracted,Extracting solvent,Condensate,连续萃取法,返回,11.4.1 离子交换树脂,离子交换分离,离子交换分离法是离子交换剂与溶液中的离子发生交换反应而使离子分离的方法,离子交换树脂的结构,带有活性基团的网状高分子聚合物,骨架,活性基团,酚醛树脂,聚苯乙烯树脂

12、,交联剂,酸性基团,碱性基团,SO3H,COOH,N+R3OH-,NR2,Ion exchange resins,特殊基团,Ion exchange,聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂,交联剂,活性基团,R-SO3H + M+ = R-SO3M + H+,离子交换树脂的分类,依据活性基团分类,阳离子交换树脂,阴离子交换树脂,螯合树脂,特殊交换树脂,强酸型,弱酸型,交换基为酸性，H+与阳离子交换,SO3H,COOH,OH,pH 2,pH 6,使用 pH 范围,pH 10,交换基为碱性，阴离子发生交换,强碱型,弱碱型,N+(CH3)3OH-,N+H3 OH-,N+H2R OH-,N+HR2 OH-,pH

13、 12,pH 4,含有特殊螯合基团的树脂,电子交换树脂，含有氧化还原功能基团,手性基团，进行手性拆分,交换反应,阳离子交换树脂,阴离子交换树脂,水合作用,螯合交换树脂,离子交换树脂的性能参数,交联度,交换容量,表征骨架性能的参数,表征活性基团的性能参数,是指交联剂在反应物中所占的质量分数,交联度大，,树脂孔隙 ，交换反应速度 ，选择性 。,小,慢,高,交联度小，,树脂孔隙 ，交换反应速度 ，选择性 。,大,快,低,氨基酸的分离，交联度8 %， 多肽的分离 2 4 %,每克干树脂所能交换的物质的量（mmol)。,决定于网状结构中活性基团的数目。,交换容量由实验测得,请设计一个测定强碱型阴离子交换

14、树脂容量的方法。,交换容量的测定,称取某R4N+OH- 型阴离子交换树脂2 .00 g，置于锥型瓶中，加入0.200 mol / L HCl 100 mL 浸泡一昼夜。用移液管吸取25.00 mL, 以甲基红为指示剂，用0.100 mol /L NaOH溶液滴定，消耗20.00 mL。计算离子交换树脂的交换容量。,V0,流出曲线,始漏量,交换过程与总交换量 exchange capacity,总交换容量 是指柱上树脂所能 交换的总量。,8.4.2 离子交换亲合力 affinity,离子交换树脂与电解质溶液接触时发生离子交换反应,K选择性系数，也叫分离因素,可以推导得,衡量树脂对离子的亲和力的大

15、小的参数,亲和力,水合离子的半径,离子的电荷,K,半径小,K,电荷数低,离子交换分离的基础,亲和力的 差异,极化度,极化度小,K,强酸型阳离子交换树脂分离示例,Cl-, K+, Na+, Ag+ 的分离,K：亲和力,H+ Na+ K+ Ag+,交换 exchange,洗脱 elute,Na+,K+,Ag+,淋洗曲线,洗脱剂 eluant,洗出液 eluate,11.4.4 离子交换分离法的应用,水的净化,阳离子交换,阴离子交换,除去水中的杂质离子,去离子水 de-ionized water,微量组分的富集,例：矿石中铂、钯的富集与测定,Pt(IV) Pd(II),PtCl62- PdCl42-

16、,RN+(CH3)32PtCl62- RN+(CH3)32PdCl42-,分光光度法测定,阴阳离子的 分离,Cr3+, CrO42-,Al3+, FeCl4-,性质相似的物质的分离,氨基酸的分离,11.5 色谱分离法,概述,1905年 俄国植物学家 M.G. 茨维特,CaCO3,Chromatography,CaCO3 固定相 stationary phase,石油醚 流动相 mobile phase,展开示意图,色谱分离法的分类（按流动相与固定相聚集态分类）,气相色谱,液相色谱,超临界流体色谱,毛细管电泳,气-固色谱,气-液色谱,液-固色谱,液-液色谱,流动相：气体、液体、 超临界流体,固定

17、相：液体、固体,色谱分离法的分类（原理）,吸附色谱,排阻色谱,（凝胶色谱）,分配色谱,离子交换色谱,吸附能力的差异,分子尺寸的大小不同,两相中分配系数的不同,亲和力的差异,Adsorption chromatography,Exclusion chromatography Gel-permeation chromatography,Partition chromatography,Ion-exchange chromatography,亲和色谱,特异性亲和力,Affinity chromatography,柱色谱,以吸附柱色谱为例进行讨论,固定相，如Al2O3，装柱,柱顶倾入样品(A, B),顶部加入洗脱剂（流动相）,物质A,物质B,A、B两组分随流动相的流动而向下移动。A、B在两相不断进行着的溶解、吸附、再溶解、再吸附过程中，由于在两相吸附能力的差异，达到分离。,纸色谱 paper chromatography,以分配色谱为例进行讨论,取一大小适宜的滤纸条,在滤纸条的下端点上标准和样品,放在色谱筒中展开,取出，标记前沿， 凉干,着色，分析,固定相： 滤纸上的H2O,流动相： 展开剂,比移值 Rf,将标准和样品的 Rf 值进行比较，可以对样品进行定性分析,Rf = 0 1,Rf = 0 ，表明在原点不动,Rf = 1，表明随溶剂一起移