常用分离与富集方法.ppt
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1、第三章,常用分离与富集方法,分析测定中的分离方法有挥发法(包括蒸馏、冷冻干燥等)、萃取法(连续萃取、固相萃取和超临界流体萃取等)、色谱法、毛细管电泳法、离子交换法,浮选法,膜分离法以及沉淀法等。3.1沉淀分离法3.2萃取分离法3.3膜分离法3.4相变分离法3.5浮选分离法3.6 毛细管电泳法,干扰的消除分离、富集与掩蔽,干扰是指在分析测试过程中,由于非故意原因导致测定结果失真的现象(有意造成的失真称为过失!)。主要是由于样品中与待测组分性质相似的共存物引起的,或者是某种外因给出与待测组分相同的信号响应,从而产生错误的结果。干扰是产生分析误差的主要来源。消除干扰是一门艺术,是分析测试最耗时费力的
2、一环。消除干扰的主要方法是分离、富集和掩蔽。,3.1沉淀分离法根据溶解度的不同,控制溶液条件使溶液中化合物或离子分离的方法统称为沉淀分离法。对于金属离子的分离,根据沉淀剂的不同,可分为无机沉淀剂分离法、有机沉淀剂分离法和共沉淀分离富集法。3.1.1 无机沉淀剂分离法最有代表性的无机沉淀剂有NaOH、NH3、H2S等。大多数金属离子都能生成氢氧化物沉淀,但沉淀的溶解度往往相差很大,有可能借控制酸度的方法使某些金属离子彼此分离。金属离子分离的最宜pH范围与计算值常会有出入,必须由实验确定。,采用NaOH作沉淀剂可使两性元素与非两性元素分离,两性元素便以含氧酸阴离子形态保留在溶液中,非两性元素则生成
3、氢氧化物沉淀。在铵盐存在下以氨水为沉淀剂(pH8-9)可使高价金属离子如Th4+、Al3+、Fe3+等与大多数一、二价金属离子分离。此时,Ag+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+等以氨络合物形式存在于溶液中,而Ca2+、Mg2+因其氢氧化物溶解度较大,也会留在溶液中。此外,还可加入某种金属氧化物(如ZnO)或有机碱如(CH2)6N 4等来调节和控制溶液的酸度,以达到沉淀分离的目的。,硫化物沉淀法与氢氧化物沉淀法相似,不少金属硫化物的溶度积相差很大,可以借控制硫离子的浓度使金属离子彼此分离。在常温常压下,H2S饱和溶液的浓度大约与H+2呈反比因此,可以通过控制溶液酸度的方法来控制溶液中硫离
4、子的浓度,以实现分离的目的。例如,往氯代乙酸缓冲溶液中通入H2S,则使Zn2+沉淀为ZnS而与Fe2+,Co2+,Ni2+,Mn2+分离。硫化物共沉淀现象严重,分离效果常常不理想,加之H2S有毒气味难闻,现在硫化物沉淀分离法应用不广泛。,3.1.2 有机沉淀剂分离法有机沉淀剂种类繁多、选择性高、共沉淀不严重、沉淀晶形好、在较低温度下就能够除掉水分。例如:丁二酮肟在氨性溶液中,在酒石酸存在下,它与镍的反应几乎是特效的:,在弱酸性溶液中也只有Pd2+、Ni2+与它生成沉淀。,例如:铜铁试剂在1:9 H2SO4中可定量沉淀Fe3+、Th4+、V(V)等而与Al3+、Cr3+、Co2+、Ni2+等分离
5、。8-羟基喹啉能与许多金属离子在不同pH下生成沉淀,可通过控制溶液酸度和加入掩蔽剂来分离某些金属离子。在8-羟基喹啉分子中引入某些基团,也可以提高分离的选择性。例如:与Al3+、Zn2+均生成沉淀,而2-甲基8-羟基喹啉不能与Al3+生成沉淀,仍能与Zn2+生成沉淀,可使Al3+与Zn2+分离。可参考有机分析试剂手册,3.1.3 共沉淀剂分离富集法在定量分析课程中讨论共沉淀现象时,主要考虑它的消极方面。但在微量组分测定中,却往往利用共沉淀现象来分离和富集那些含量极微的不能用常规沉淀方法分离出来的组分。例如,自来水中微量铅的测定,因铅含量甚微,测定前需要预富集。若采用浓缩的方法会使干扰离子的浓度
6、同样地提高,但采用共沉淀分离富集的方法则较合适。为此,通常是往大量自来水中加入Na2CO3,使水中的Ca2+转化为CaCO3沉淀或特地向中加CaCO3并猛烈摇动,水中的就Pb2+会被CaCO3沉淀载带下来。可将所得沉淀用少量酸溶解,再选适当方法测定铅。上述方法中所用的共沉淀剂(载体)是CaCO3,属于无机共沉淀剂。这类共沉淀剂的作用机理主要是表面吸附或形成混晶,而把微量组分载带下来。,3.1.4 提高沉淀剂分离选择性的方法(1)控制溶液的酸度这是最常用的方法,前面提到的氢氧化物沉淀分离、硫化物沉淀分离都是控制溶液酸度以提高沉淀选择性的典型例子。(2)利用络合掩蔽作用利用掩蔽剂提高分离的选择性是
7、经常被采用的手段。例如,往含Cu2+、Cd2+的混合溶液中通入H2S时,它们都会生成硫化物沉淀;若在通H2S之前,加入KCN溶液,由于Cu2+与CN-反应生成稳定的络合物,便不再被H2S沉淀;而Cd2+虽也生成Cd(CN)42-络合物,但稳定性差,仍将生成CdS沉淀,这样就能使Cu2+与Cd2+分离了。,又如Ca2+和Mg2+间的分离问题,若用(NH4)2C2O4作沉淀剂沉淀时,部分MgC2O4也将沉淀下来,但若加过量(NH4)2C2O4,则Mg2+与过量C2O42-会形成Mg(C2O4)2络合物而被掩蔽,这样便可使Ca2+和Mg2+分离。在沉淀分离中应用EDTA作掩蔽剂,可以有效地提高了分离
8、效果。以草酸盐形式分离Ca2+和Pb2+就是一例:PbC2O4在水溶液中的溶解度比CaC2O4小,但在EDTA存在下,并控制一定酸度,就能选择性地沉淀Ca2+而使之与Pb2+分离,,(3)利用氧化还原反应许多元素可以处于多种氧化态,而不同氧化态与同一种试剂的作用常不同,通过预先氧化或还原,改变离子的价态,可以实现分离的目的。例如,Fe3+与Cr3+的分离,用氨水为沉淀剂是不能使两者分离的,如果先把Cr3+氧化成CrO42-,则CrO42-就不会被氨水沉淀了,这样就能将铁和铬定量分离。再如,在岩石分析中,Mn2+含量不高,往往仅部分地与氧化物Fe2O3和Al2O3等一起沉淀,仍有一部分留在溶液中
9、,就会干扰以后对Ca2+、Mg2+的测定。为此,可先把Mn2+氧化到Mn(IV),由于MnO(OH)2溶解度小,就可与上述氧化物一起定量沉淀,从而消除了Mn2+对Ca2+、Mg2+测定的干扰。,3.2萃取分离法,萃取是将所要分析的化合物从一种溶液(如水相)转移到另外一种不相混溶的溶液中(通常为有机相)或者从固体中将化合物提取到液相中的方法。前者是液-液萃取,后者是液-固萃取。最近由于可反应固定相的发展,可以将物质从液相中萃取到固定相中,这一新技术被称为固相萃取。,3.2.1 萃取分离的基本原理当与水互不相溶的有机溶剂(有机相)和水溶液(水相)一起混合振荡时,由于一些组分的疏水性而从水相转入有机
10、相,而亲水性的组分留在水相中,这样就实现了提取和分离。无机化合物的溶剂萃取可以追溯到十九世纪。1892年,Rothe 和Hanroit分别用二乙醚萃取了盐酸中的铁之后这一方法被应用于从共存金属离子中分离铁。,1891年Nernst从热力学的角度阐述了分配定律:假定化合物A在水相和与水不相溶的有机相中都没有达到饱和,当分配达到平衡时,如果A在两相中存在的形式相同,则A在水相和有机相中的浓度之比在给定的温度下是常数。该常数记作KD,称作分配系数:,严格地讲活度之比才为常数。只有中性分子才可被萃取,而中性分子的活度受介质影响较小,所以在应用分配定律时可用浓度代替活度。,(3.1),定义化合物A在两相
11、中各形式浓度和之比为分配比(Distribution ratio),以D表示:,当化合物A在两相中的存在形式相同时,分配比就是分配系数,是常数。在其它情形下,分配比不是常数,且随介质条件改变而变化。,(3.2),萃取率是衡量萃取的总效果的量,常用E表示:,即,R=V水/V有 相比,(3.3),(3.4),图3.1 当R=1时分配比与萃取率的关系曲线,D,当D不高时,萃取不完全,可采用多次萃取以提高萃取率。例如,对于n次萃取,萃取率为:,(3.5),3.2.2 萃取平衡A 萃取剂在两相中的分配大多数萃取剂是有机弱酸(碱),它们的中性形式具有疏水性,易溶于有机相,在水相中主要是它们的各种离解形式(
12、带正电荷或负电荷)。,设萃取剂是一元弱酸(HL),它在两相中的平衡可用下式表示:,(3.6),(3.7),从(3.7)式可见:在pH=pKa时,D=KD;当pHpKa时,D将变得很小。,图3.2乙酰丙酮在水/苯中的分配与pH的关系,例如在苯/水体系中(图3.2),乙酰丙酮的KD=5.9,其pKa=8.9,则pH7.9时,D5.9;pH8.9时,D=5.9/23.0。,图3.3乙酰丙酮在苯/水体系中各种形式的摩尔分数,只要KD,Ka,R及水溶液的pH,就可算出萃取剂各种存在形态的摩尔分数。,B 金属离子的萃取,不论萃取的机理如何,只有中性的化合物才能被萃取到有机相。由于这一原因,在很长一段时间里
13、,溶剂萃取并没有广泛应用于金属离子的分离。直到1925年,Fischer应用双硫腙作为沉淀剂与一些金属离子形成稳定的螯合物来分离金属,他于1934年报道了应用双硫腙形成螯合物萃取金属离子。金属离子的萃取,根据萃取剂的类型可分为螯合物萃取、离子缔合物萃取等方式。,B1 螯合物萃取,螯合物萃取中使用的螯合剂,一般是有机弱酸或有机弱碱。例如,丁二酮肟与镍,双硫腙与汞等都是典型的螯合物萃取体系。为了了解影响螯合物萃取的主要因素,下面对萃取平衡作简单介绍。螯合物萃取体系存在几个平衡关系,可用下图表示:,螯合物萃取体系存在几个平衡关系,可用下图表示,总的萃取平衡方程式为:,(3.8),该反应的平衡常数可简
14、称为萃取常数,用Kex表示,(3.9),Kex的大小,取决于鳌合物的分配系数KD(MLn)和累积稳定常数n,以及鳌合剂的分配系数KD(ML)和离解常数(Ka)。,若水相中只有游离的金属离子M,有机相中只有螯合物MLn一种形式,则式(3.9)可改写成:,(3.10),实际萃取时所涉及的平衡关系要复杂得多,如螯合剂在两相中的分配,以及它在水相中的离解或质子化,金属离子和其他络合剂的副反应等等。若考虑水相中的M与有机相中的HL的副反应,它的条件萃取比D为:,(3.11),在研究金属鳌合物萃取分离时,可以通过实验作出不同金属离子的萃取率E-pH曲线。萃取率为50时的pH称为pH1/2,即金属离子被萃取
15、一半时的pH。在E=50%和R=1时,D=1,因此,式(3.11)可改写为:,(3.12),为使两种金属离子达到定量分离,要求两者的pH1/2相差约3个pH单位(即分离效果达到99.9%)。,图3.4以双硫腙的四氯化碳溶液萃取金属离子时酸度对萃取率的影响,如何才能使两种金属离子的pH差值加大,以达到定量分离的目的?在萃取条件相同的情况下,若两种金属离子的螯合物皆是MLn 形式,则式3-12中右边的后两项是相同的。为扩大它们间的差值,必须从前面两项考虑:(i)扩大两种金属离子的萃取常数的差值。应选用螯合物稳定常数相差较大的螯合剂和合适合适的溶剂,使被萃取的螯合物在有机相中有较大的分配系数KD以及
16、使留在水相中的另一种金属鳌合物的KD尽可能小。(ii)加入适当的掩蔽剂,使干扰离子的M(A)有更大的值。而被萃取的金属离子与掩蔽剂基本无作用。,螯合物萃取有许多成功的例子,被萃取的金属离子主要以分光光度法测定,比如临床检验中血铅的分离和测定。结合使用掩蔽剂和调整溶液pH值,可以达到选择性萃取Pb的目的。实验方案之一如下图:,B2 离子缔合物萃取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离子缔合物。该缔合物具有疏水性,能被有机溶剂萃取,例如在HCl溶液中用乙醚萃取FeCl-4时,溶剂乙醚与H+键合生成离子(CH3CH2)2OH+,该yang 离子与铁的络阴离子缔合成称为yang 盐的
17、中性分子,可被有机溶剂萃取,即,(C2H5)2O:H+,FeCl4(C2H5)2O-2,3.2.3 其他萃取方法简介A 连续萃取在很多情况下,欲萃取的物质的分配比很低,需要溶剂的体积非常大,或者需要多次萃取才能够实现待测物质的定量萃取。连续萃取方法和装置的建立能够使得溶剂被重复使用,而且满足有机相和水相接触的时间足够长。使得这些化合物的萃取分离或富集成为可能。例如,以氯仿萃取可乐中的咖啡因。,图3.5 有机溶剂重于水时的连续萃取装置,图3.6 索氏提取器,有些固体样品中待测成分的分配比较低,对于这些物质的提取则同样需要大量的有机溶剂。理想的装置能够容纳非常细的固体颗粒以保证与有机溶剂有较大的接
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