分离科学与进展 中科大lecture3.ppt

1、展开时层析缸内展开剂蒸气的饱和问题,边缘效应：与展开剂在薄层的边缘挥发较快有关（单组分展开剂展开时不发生这种现象）,展开时层析缸内展开剂蒸气的饱和问题,有时在预先饱和的层析缸中，由于抑制了展开剂的挥发，使展开剂沿着薄层上升较快，分离效果反而不好,展开时层析缸内展开剂蒸气的饱和问题,也有人认为，在层析过程中薄层要吸附展开剂蒸气，这种吸附的蒸所对展开也起作用，因此各种溶剂不一定都要加到展开剂中去，这种做对于不相混溶的挥发性溶剂作展开剂时特别有用 也可使用共沸混合溶剂作展开剂,薄层层析的定性检出,显色方法和显色剂：（1）紫外灯下观察（吸收紫外或有荧光物质、荧光衍生）；（2）以蒸气熏（碘、浓氨水、液体

2、溴）；（3）喷以显色剂 显色剂的分类：通用显色剂和专属显色剂,薄层层析的定性检出,通用显色剂：1）浓硫酸或50%硫酸（在110120degC加热人会出现棕色到黑色斑点）；2）酸碱指示剂；3）5%磷钼酸乙酸溶液（需在120degC烘烤，还原性物质显蓝色斑，再以氨气熏，背景变为无色）；4）碱性高锰酸钾试剂（还原性物质在淡红色背景上显黄色斑）；5）硝酸盐-氨水试剂（需在105degC烘烤，还原性物质显黑色；6）荧光显色剂,薄层层析的定性检出,专属性显色剂：1）2%2,4-二硝基苯肼乙醇溶液（120degC加热10min，醛、酮在黄橙色背景上显红色或橙色斑）；2）Dragendorff试剂（生物碱和其

3、它含氮化合物）；3）Ehrlich试剂（胺类化合物）；4）茚三酮（氨基酸及脂肪族伯胺类化合物，在白色背景上显粉红到紫色斑）,薄层层析的定量,目视比较法（与一系列标准溶液比较斑点的大小和颜色，半定量） 从薄层上将被测组分洗脱下来进行定量,薄层层析的定量,薄层层析的定量,在薄层上用薄层色谱扫描仪直接扫描以进行定量测定（透射光测定法、反射光测定法、透射光反射光同时测定法） 散射光的影响（散射参数SX） Kubelka-Munk理论,薄层层析的应用,试样分析（定性或定量） 产品质量控制及杂质检验 反应终点的控制,萃取色层法,萃取色层法是用有机萃取剂作固定相，涂渍于多孔、疏水、惰性的担体上，用合适的酸及

4、相应盐的水溶液作流动相进行洗脱分离的，特殊的反相分配层析，其主要特点是将液液萃取的高选择性与层析分离的高效能相结合，是实现多级萃取分离的最简单最有效的方法。,萃取色层法,萃取色层法的缺点：萃取层析固定相在担体上的牢固程度欠佳，柱的稳定性较差，影响柱的寿命，使用萃淋树脂（固定相加入树脂单体中进行聚合）可克服该点。 萃取色层法按操作方法的不同也可分为柱色层、纸色层和薄层色层三种,萃取色层法,萃取色层的保留机制：1）离子交换（酸性有机磷类固定相）；2）分配（中性有机磷化合物如TBP为固定相）；3）形成内络盐（螯合剂作固定相，可能未达平衡）,萃取色层法,担体：必须对用作固定相的各种萃取剂有浸润性，固定

5、相在担体上有一定的牢固性与稳定性，化学惰性，较大表面积，多孔性，机械强度；常用的有无机担体有：硅胶、硅藻土、玻璃粉、氧化铝等；有机聚合物担体有：聚乙烯、聚氯乙烯、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、氯乙烯-乙酸乙酯共聚物、苯乙烯-二乙烯苯共聚物及泡沫橡胶、纤维粉等,萃取色层法,固定相：各种萃取剂，常用的有中性有机磷类萃取剂如TBP（磷酸三丁酯），TOPO（三辛基氧化膦），TBPO（三丁基氧化磷）等，膦酸酯类萃取剂如P350，液体离子交换剂以及长碳链脂肪胺N235，N263等，以及常用的螯合萃取剂 流动相：不同浓度的无机酸及其相应盐的水溶液，为了减少固定相的损失，可用固定相预先饱和的流动相 层析柱的制备：

6、干法或湿法,离子交换法,19世纪中叶发现沸石（硅铝酸盐）具有离子交换作用，可用于除去水中的钙、镁等离子 1930年，C. Rullgron发现亚硫酸纳处理过的纸浆具有离子交换性能 磺化煤、人工合成离子交换树脂的问世 19世纪50年代后出新型无机离交换剂的出现,离子交换剂,离子交换剂：一类带有离子交换功能基的固体微粒。其结构为在交联的高分子骨架上结合可解离的无机基团。在离子交换反应中，离子交换剂的本体结构不发生明显的变化，仅由其带有的离子与外界同电性离子发生等量的离子交换。,离子交换剂,一些天然的无机物如沸石和微晶高岭土等，以及许多不溶的无机盐如水合磷酸锆、钨酸锆、钼酸锆、磷钼酸锆和氧化锆等，均

7、具有离子交换性质，属于无机离子交换剂。某些无机离子交换剂已在分析化学和一些放射性元素的提取中得到应用。最广泛应用的离子交换剂是以交联的有机聚合物为骨架，在其聚合物链上带有离子交换功能基团的离子交换树脂。,离子交换树脂,离子交换树脂是一种高分子聚合物，具有三维网状结构的骨架部分和许多可以电离的、可被交换的基团。这些基团可能是磺酸基，羧基、季胺基等。,离子交换树脂,离子交换树脂,聚苯乙烯型磺酸基阳离子交换树脂：由苯乙烯和二乙烯苯共聚制得的，因此在聚苯乙烯的长链状结构间存在着“交联”，形成了网状结构。在网状结构的骨架上分布着磺酸基团，网状结构的骨架有一定大小的孔隙，可允许离子自由通过。,离子交换树脂

8、,离子交换树脂,离子交换树脂,离子交换树脂,交联度：在合成聚苯乙烯型磺酸基阳离子交换树脂时，二乙烯苯的用量愈多，交联愈多。二乙烯苯为交联剂，在树脂中含有二乙烯苯的质量百分数称为“交联度”。通常树脂的交联度用X表示，如X-4，X-8，X-10分别表示树脂的交联度为4%，8%，10%。,离子交换树脂,离子交换树脂,树脂的溶胀：将干燥树脂浸泡于水中时，由于亲水性基团如磺酸基的存在，水分子能扩散渗入树脂内部的网状结构中，使树脂溶胀。但随着水分子的不断渗入，聚合物的网络扩张，增大了对内部溶液的压力，从而使溶胀过程达到了平衡。 树脂的交联度愈大，溶胀愈少；外界离子浓度愈稀，树脂的溶胀程度愈大。,离子交换树

9、脂,离子交换反应：当树脂浸泡于水中溶胀时，树脂上的磺酸基团电离产生H+，这些H+可与外界的阳离子，例如Na+发生交换，交换过程可表示如不 RSO3H + Na+ RSO3Na+H+,交换过程,洗脱或再生,离子交换树脂,交换容量：每克干树脂或每毫升溶胀树脂能交换离子的物质的量（mmol），一般交换容量为34毫摩尔每克树脂。 树脂上网状结构中所含有的可被交换的基团越多，交换容量越大，交换容量的大小可用实验来测定。,离子交换树脂的分类,强酸型阳离子交换树脂：指功能基为磺酸基SO3H的一类树脂。它的酸性相当于硫酸、盐酸等无机酸，在碱性、中性及至酸性介质中都有离子交换性能。磺酸型离子交换树脂中所含有的活

10、泼基团为磺酸基(SO3H)，含有一个可被交换的阳离子H+（平衡离子或反离子）和一个不能交换的阴离子SO3（固定离子）。,离子交换树脂的分类,弱酸性阳离子交换树脂：这种树脂以含羧酸基的为多，母体有芳香族和脂肪族两类。用二乙烯苯交联的聚甲基丙烯酸可以作为一个代表。聚合单体除甲基丙烯酸外，也常用丙烯酸；含膦酸基PO3H2的树脂酸性较强，有人把它从弱酸类分出来，称为中酸性树脂。,离子交换树脂的分类,强碱性阴离子交换树脂：这种树脂的功能基为季铵离子，其骨架多为交联聚苯乙烯。 I型树脂碱性甚强，即对OH的亲和力很弱，当用NaOH再生时效率较低。为此可使用II型强碱性阴离子交换树脂,离子交换树脂的分类,I

11、型,II 型,离子交换树脂的分类,强碱性阴离子交换树脂：II型强碱型阴离子交换树脂的耐氧化性和热稳定性较I型树脂略差。 弱碱性阴离子交换树脂：为一些含伯胺NH2、仲胺NRH或叔胺NR2基的树脂，基本骨架也是交联聚苯乙烯。 螯合树脂：功能基为胺羧基N(CH2COOH)2，能与金属离子形成六环螯合物。 氧化还原树脂：其功能基具有氧化还原能力，如硫醇基，对苯二酚等。 两性树酯：同时具有阴离子和阳离子交换基团。,离子交换树脂的物理性能,粒度：离子交换树脂一般为球状，直径为0.31.2mm，树脂颗粒的直径呈连续分布。一般用有效粒径和均一系数来描述。有效粒径是指在筛分树脂时，10%的树脂颗粒通过，而90%

12、树脂颗粒保留的筛孔直径；均一系数指能通过60%树脂的筛孔直径与能通过10%体积树脂的筛孔直径之比。 球粒直径=16/筛目数（mm）（美制） ,离子交换树脂的物理性能,含水量：将树脂放在水中，使其吸收水分达到平衡，然后在规定转速和时间内离心除去外部水分，得到含平衡水的湿树脂。在105degC烘干，比较烘干前后的重量，即得到平衡水含量占湿树脂的重量百分数就是平常所说的含水量。,离子交换树脂的物理性能,密度：离子交换树脂的密度表示有两种，即湿真密度和湿视密度。将含平衡水的湿树脂加到水中，观察其排开水的量，即得树脂的真体积；将含平衡水的树脂加入量筒中，敲击振动使体积达极小，即得树脂的空间体积，即视体积

13、，与之相应所计算得的湿树脂的密度则分别称作湿真密度和湿视密度。,离子交换树脂的化学特性,酸碱性：离子交换树脂是聚电解质，其功能团释放出H+或OH能力的不同表示它们酸碱性的不同。树脂可视为固态的酸或碱，可以用酸碱滴定的方法测出各种树脂的酸碱滴定曲线。在滴定过程中考虑到离子交换的速度，达到平衡的时间较长。,离子交换树脂的化学特性,离子交换树脂的化学特性,离子交换树脂的化学特性,交换容量：交换容量是离子交换树脂的重要指标，单位可以是mmol/g、mmol/mL等。 总交换容量：又称全交换容量、极限交换容量、最大交换容量。由树脂中功能基的含量决定，对于一种树脂它是一个固定值。 工作交换容量：指一定工作

14、条件（溶液组成、温度、流速、再生条件等）下，树脂所能发挥的交换容量。同一树脂在不同条件下表现出不同的交换容量。,离子交换树脂的化学特性,化学稳定性：指树脂耐化学试剂、耐氧化和耐辐照的能力。钠型比氢型稳定、氢氧型强碱性阴离子交换树脂易发生不可逆的降解，变为叔胺、仲胺以至最后失去交换能力。一般而言，树脂的交联度越低，其化学稳定性越差。,特殊的离子交换树脂,具有高度选择性的离子交换树脂：在合成树脂时有意识地引入某些活泼基团，这些基团对某种或某些离子具有特殊的选择性。如五硝基二苯胺聚苯乙烯型树脂对K+，Rb+，Cs+，NH4+等具有很高的选择性。,特殊的离子交换树脂,特殊的离子交换树脂,螯合树脂：在离

15、子交换树脂中引入某些能与金属离子螯合的基团，就成为螯合树脂，具有较高的选择性。 大孔径树脂：一般的离子交换树脂为微网孔树脂，网孔的大小为24nm，比表面积一般为2120m2/g。而大孔径树脂又称大网树脂，树脂骨架部分的网孔很粗，孔径可达20120nm，比表面小于0.1m2/g，而机械性能却相当好。这种树脂在极性和非极性溶剂中溶胀程度的差异比一般树脂小，对氧化剂的稳定性较好，可用于交换相对分子质量高的离子。 萃淋树脂：,离子交换的基本理论,晶格理论：把离子交换树脂看成聚电解质，离子交换的机理与晶格点阵上的离子交换十分相似。 双电层理论：认为离子交换剂的活性表面存在一个双电层,离子交换的基本理论,

16、Donnan平衡理论：该理论由Donnan在20世纪初研究胶体膜两侧离子平衡问题时提出的。处于胶态的电解质RNa中的R是不能透过膜的基团，膜的另一侧是食盐溶液。当渗透达到平衡时，由于膜的半渗透性质，两侧的离子不能趋于均匀。在离子交换体系中的情形是相似的，只要把离子交换树脂表面设想成是一半透膜。,离子交换的基本理论,Donnan平衡理论： 当达到平衡时，膜两侧电解质的化学位相等：m NaCl = m NaCl 电解质的化学位是离子化学位之和，于是有： mNa+0 + RTlnNa+ + mCl0 + RTlnCl = mNa+0 + RTlnNa+ + mCl0 + RTlnCl,离子交换的基本

17、理论,mNa+0 + RTlnNa+ + mCl0 + RTlnCl = mNa+0 + RTlnNa+ + mCl0 + RTlnCl 于是有：Na+Cl = Na+Cl 由于在溶液侧：Na+ = Cl 因此有： Na+Cl = Cl2 在树脂侧： Na+ = R+ Cl 故： Na+Cl = (R+ Cl) Cl = Cl2 + R Cl,离子交换的基本理论,Na+Cl = (R+ Cl) Cl = Cl2 + RCl = Na+Cl = Cl2 Cl2 = Cl2 + RCl 因此有：Cl Cl 当树脂相中R浓度很高（可达 5 mol/L）时进入树脂相中的Cl是很少的，此现象称Donna

18、n排斥。,离子交换的基本理论,若存在第二种阳离子H+，则有 Na+Cl = Na+Cl H+Cl = H+Cl 两式相除得：Na+/H+=Na+/H+ 对于二价离子如Ca2+， Na+/Ca+1/2=Na+/Ca+1/2 Donnan理论解释了离子交换的基本事实，说明了离子价态、电解质浓度、树脂固定离子浓度的影响，但其得到的离子间选择性系数永远为1这一点偏离实验事实。,离子交换的基本理论,多相化学反应理论：这种理论把离子交换视为多相的化学置换反应，该理论可以说明离子交换平衡受电解质浓度和价态影响的事实，这与Donnan膜理论是相同的，该理论没有导出平衡常数为1的绪论，多相置换理论不能说明溶液中

19、的电解质何以很少能进入树脂相。,离子交换的基本理论,离子交换平衡：选择系数和平衡系数,EAB的数值说明了离子交换树脂对于A+，B+两种不同的离子的交换选择性，因此称为选择系数。,离子交换平衡：选择系数和平衡系数,KDB，KDA分别代表B+，A+在树脂相与水相间的分配系数，因此选择系数即分配系数之比，因此也就是“分离因子”aAB,离子交换平衡：选择系数和平衡系数,由于外部溶液和树脂相内部实际都不是理想状态（尤其是树脂相内部）因此应用活度来代替浓度,KAB称为热力学交换常数。kAB的引入是因为树脂相内部的活度系数测量有困难， kAB称为平衡系数。,离子交换的选择性问题,离子交换的选择性问题,离子的

20、亲和力,碱金属：Li+ H+ Na+ K+ Rb+ Cs+（由于Li+交换亲和力最小，常把它的选择系数定为1） 碱土金属：Mg2+ Ca2+ Sr2+ Ba2+ 稀土离子在强酸性离子交换树脂上的亲和力随着原子序数的增加而降低（镧系收缩） 不同价数的离子其交换亲和力随价数的增加而增大 一价阴离子在强碱性阴离子交换树脂上的交换亲和力：F OH Cl Br I CNS ClO4,解释离子交换选择性的理论：Eisenman理论,在碱金属离子中，离子裸半径最小的Li+，静电场引力最强。因此它吸引水分子形成水合离子的现象最显著，所形成的水合离子的半径最大，于是水合了的Li+静电场最弱。,解释离子交换选择性

21、的理论：Eisenman理论,解释离子交换选择性的理论：Eisenman理论,对于离子交换树脂上的活性基团，在电离后也存在着静电引力。但是不同的活性基团静电场的强弱不同，羧酸基强于磺酸基，即在弱酸性阳离子交换树脂中交换基团上的静电引力比强酸性阳离子交换树脂中交换基团上的静电引力强。 对于强酸性阳离子交换树脂： Li+ Na+ K+ Rb+ Cs+,解释离子交换选择性的理论：Eisenman理论,对于弱酸性阳离子交换树脂，如COO 型树脂，由于它具有较强的静电场，将和水分子竞争阳离子，结果它从水合离子中夺取阳离子并与之结合。这时离子裸半径越小，交换的亲和力越大。 对于弱酸性阳离子交换树脂： Li

22、+ Na+ K+ Rb+ Cs+,解释离子交换选择性的理论：Eisenman理论,对于浓溶液，由于离子的水合程度减小，这时裸离子的半径会起主要作用，导致亲和力顺序发生改变甚至与稀溶液时相反； 在非水溶剂或混合溶剂中，由于影响了离子的水合，会导致选择性系数变大，改善分离,离子交换的动力学,离子交换反应发生在固、液之间，反应速度一般较慢，所以反应速率对于分离情况影响较大。当溶液中离子A与树脂上离子B发生交换反应时，整个过程可分以下五步： （1）离子A达到树脂表面（离子必须扩散通过树脂表面存在的一层厚度为10100mm的溶液薄膜才能到达树脂表面，因而该过程称为膜扩散或外扩散）； （2）离子A在树脂内

23、扩散到交换位置（颗粒扩散或内扩散）； （3）A和B在交换位置上发生交换反应； （4）反应后释放出的B从交换位置扩散到树脂表面； （5）离子B从树脂表面通过液膜扩散到溶液中,离子交换的动力学,为了保持电中性条件，（1）和（5）必须同时以同样的速度发生，（2）和（4）也是同时产生的，这样实际上就是三个步骤，即膜扩散、树脂颗粒内的扩散和化学交换。其中两个扩散之一步骤往往是决定交换反应速度的步骤。,离子交换的动力学,影响离子交换速度的因素： （1）树脂粒度：小颗粒优于大颗粒 （2）树脂交联度：树脂交联度越大，树脂的溶胀性越差，从而影响离子在树脂颗粒内部扩散的速度。 （3）温度：提高温度可提高扩散速度和

24、交换反应的速度 （4）溶液浓度：低浓度下，总的交换速度由膜扩散决定；随浓度增加，树脂内扩散常变成速度控制步骤。 （5）搅拌速度：加大搅拌速度可减小膜厚提高扩散速度 （6）交换离子的性质：离子价态越高，吸引力越大，扩散速度越快；水化离子越大，越难扩散。 （7）非极性溶剂中，离子交换速度通常十分缓慢。,离子交换的动力学,离子交换分离操作方法,离子交换树脂的选择：（1）分析化学中通常选择聚苯乙烯型的强酸或强碱性离子交换树脂；（2）当阴（阳）离子为干扰离子时，可通过阴（阳）离子交换柱除去；（2）阳离子树脂常用H型或Na+型或NH4+型，阴离子交换树脂常用Cl型。；（3）羧酸型的弱酸性阳离子交换树脂常用

25、来分离碱性氨基酸或从弱碱中分离较强的有机碱，这种树脂对H+的亲和力大，用稀盐酸洗脱便很容易再生。,离子交换分离操作方法,树脂颗粒大小的选择：（1）制备去离子水可用较粗的树脂，均匀性可差些；（2）分离用的树脂粒度应细些，均匀性好些；（3）用于离子交换层析法的树脂应更细些，但过细的树脂会引起阻力增大，需加压过柱；（4）分析用的阳离子树脂交联度一般为8%，阴离子树脂一般为4%左右。,离子交换树脂的处理,仪器装置,离子交换的操作可分两种：即间歇操作（静态法）和柱上操作（动态法）。 间歇操作：将离子交换树脂置于盛有试液的容器中，不断搅拌或放置一定时间后使用之发生交换的过程； 柱上操作：将离子交换树脂填于

26、玻璃管中制成交换柱，试液一般都是自上而下流经交换柱，这种方法的交换效率高。柱上操作过程中要注意整个操作过程中树脂层保持在液面下，否则会混入空所泡，从而影响分离效果。,仪器装置,仪器装置,柱上操作,（1）交换：将待分离的溶液倾入交换柱，溶液浓度控制在0.050.1M，使之以一定的流速经过树脂层，发生离子交换； （2）洗涤：一般用水或稀酸（0.01M）溶液将留在交换柱中不发生交换作用的离子洗下； （3）洗脱：对于阳离子交换树脂常用浓度为34M的HCl为洗脱液，对于阴离子交换树脂常用HCl，NaCl或NaOH溶液作洗脱液，通常洗脱过程中树也得到再生。,交换过程及交换条件的选择,交界层：,交换过程及交

27、换条件的选择,始漏点（流穿点）：随着交换溶液的不断加入，交换作用将不断进行，当流出液中开始出现未被交换离子时（即交界层底部到达交换层底部时）的这一点称为始漏点，与之相应的柱交换容量称为始漏量，而柱中树脂的全部交换容量称为“总交换量”，始漏量总是小于总交换量。,交换过程及交换条件的选择,影响始漏量的各种因素,离子的种类：亲和力大的离子容易交换，交界层薄，始漏量与总交换量接近 树脂颗粒的大小：树脂颗粒较细，交换速度快，交换过程达到平衡较快，交界层薄，始漏量大 溶液的流速：若流速大，交换过程未达到平衡时溶液就往下移动了，导致交换层变厚，始漏量小 温度：温度较高时可使交换作用进行较快，容易达到平衡，交

28、界层较薄，始漏量大 交换柱的形状：对于一定量的树脂，柱直径小些，交换层会厚些，但交界层中树脂量少，始漏量较大 溶液的酸度：对于H型阳离子交换树脂，溶液酸度愈高，始漏量越小,影响始漏量的各种因素,因此，要使始漏量增大，应选择较小颗粒、较低酸度、较慢的流速、较高的温度和较细长的交换柱。但要根据具体情总具体选择。,洗脱曲线,洗脱曲线,影响洗脱曲线形状的因素,树脂颗粒的大小：树脂颗粒越粗，积分洗脱曲线越向右下移动，要得到同样的洗脱效率，所需的洗脱体积较大，原因是树脂内部的离子难以洗脱 洗脱剂的浓度：太大的浓度（如HCl）会引起树脂吸水收缩，内部的离子难以被洗脱；另外溶液粘度的增大也会降低扩散速度，从而使得洗脱效率降低。 流速：流速大，洗脱过程来不及达到平衡，会降低洗脱效率，但在流速很慢的时间，适当增加流速可以加速洗脱的。,三种色谱流出（区带迁移）过程,(1)洗脱法(elution method) 又称淋洗法，如将含三组分的样品注入色谱柱，流动相连续流过色谱柱