第二章分析化学中常用的分离与富集方法

第二章分析化学中常用的分离与富集方法在定量分析中，如果试样组成比较复杂，测定时往往会受其它组分影响，严重时可导致测定工作无法进行，因此需要选择适当的分离方法使待测组分与干扰组分达到分离；另一方面，对于试样中微量或痕量组分的测定，则由于含量低于测定方法的检测限而造成测定工作的困难，为此需要富集后才能测定；鉴于以上两种情况，本章讨论几种常用的分离与富集的方法。§2-1沉淀分离法这是一种较经典的分离方法，经过不断的发展与完善，目前还经常使用。一.无机沉淀剂沉淀分离法定量分析中，当试样组成较简单，如碳酸钠、氢氧化铁等，可直接把它们处理成溶液后进行滴定；但如果为混合试样时，如Fe3+、Zn2+混合溶液，要测其中的Fe3+含量，就必须除去Zn2+。已知：

设Fe3+和Zn2+的初始浓度均为

0.01molL-1，通过计算，当[OH-]＞1.6×10-12molL-1(pH＞

2.2)，Fe3+开始沉淀；如果认为溶液中[Fe3+]=10-6molL-1时沉淀完全，则计算得到pH值为3.5；同理，同浓度的Zn2+刚开始沉淀时，pH值为6.5，使0.01molL-1

Zn2+沉淀完全其pH值应大于8.5。由此可以得到，只要把pH值控制在3.5~6.5之间即可分离Fe3+和Zn2+。1.氢氧化物沉淀分离法像这种使用无机化合物作沉淀剂的，称之为无机沉淀剂沉淀分离法。如上所述，用控制溶液pH值而使被测离子沉淀为氢氧化物的称为氢氧化物沉淀分离法。一些常见金属氢氧化物开始沉淀和沉淀完全时的pH值，见P.381表13-1。常用于氢氧化物沉淀分离法中的常用试剂有：(1)NaOH溶液可控制pH值≥12，用于两性金属离子和非两性金属离子的分离；非两性金属离子一般均生成氢氧化物沉淀，两性的则生成含氧酸阴离子而留在了溶液中，介于两者之间的。则部分生成沉淀。如有一混合溶液含Al3+、Mg2+、Cu2+、Zn2+,当加入NaOH溶液后，Mg2+、Cu2+生成沉淀，而Al3+和Zn2+则留在溶液中生成含氧酸根离子AlO2-、ZnO2-。(2)氨和氯化铵缓冲溶液此溶液可控制pH值在8~9左右，常用于沉淀不与NH3形成配离子的许多金属离子，也可使许多两性金属离子生成氢氧化物沉淀。如有一混合溶液含有Fe3+、Cr3+、Cu2+、Ag+,加入氨和氯化铵缓冲溶液后，Fe3+和Cr3+沉淀下来，Cu2+和Ag+则生成Cu(NH3)42+和Ag(NH3)2+。(3)氧化锌悬浊液ZnO在水溶液中有如下平衡：根据溶度积常数：假设：[Zn2+]=0.01mol/L，pH≈6.5

[Zn2+]=0.1mol/L，pH≈6

[Zn2+]=1.0mol/L，pH≈5.5由此可见，[Zn2+]改变100倍，pH只改变了一个单位，∴氧化锌悬浊液可控制溶液pH在5.5~6.5之间。利用氢氧化物沉淀分离的缺点是选择性较差，且大部分沉淀属于非晶形沉淀，同时还可能有共沉淀现象产生，P.181介绍了几种改善的方法。2.硫化物沉淀分离法沉淀为硫化物的即称为硫化物沉淀分离法。方法使用的沉淀剂为H2S，能与H2S生成沉淀物的金属离子约有40余种，且它们之间的溶解度相差悬殊。

由以上平衡得知，控制一定的pH值，即可控制[S2-]的浓度，进行沉淀分离。方法的缺点类似于氢氧化物沉淀法，即选择性较差，沉淀系非晶形沉淀，吸附现象严重。通过改用硫代乙酰胺为沉淀剂，利用其在酸性或碱性溶液中产生H2S和S2-来进行均相沉淀，则沉淀性能和分离效果将有所改善。例：在pH2~3，可生成ZnS↓；在pH5~6可生成CoS↓和NiS↓；pH中性时，In3+和Tl3+可生成沉淀。二.有机沉淀剂沉淀分离法与无机沉淀剂相比较，有机沉淀剂在选择性和灵敏度方面性能要优越许多。其与金属离子形成的沉淀主要存在三种形式：螯合物沉淀、缔合物沉淀和三元配合物沉淀。1.形成螯合物沉淀所谓的螯合物是指具有五元或六元环的稳定配合物。即通过加入某种有机试剂，使之与溶液中的被测离子形成螯合物，举例P.384。大部分这样的有机试剂必须含有较多的憎水性基团，形成的螯合物不带电荷，难溶于水。三.共沉淀分离法重量分析中，共沉淀现象是指由于沉淀的表面吸附作用、混晶现象、吸留和包藏等原因，使重量分析的测定产生误差。但利用上述的共沉淀现象，可达到微量和痕量组分的富集和分离的目的。如：利用CuS沉淀的生成，可使至少0.02gHg2+从一升溶液中与CuS一起沉淀出来；若单独沉淀其中的Hg2+，则因为浓度太低无法直接进行沉淀操作。这里我们把CuS称为共沉淀剂或载体。这种方法称为共沉淀分离法。利用共沉淀现象进行分离主要有三种情况：1.利用表面吸附作用进行共沉淀分离具有表面吸附作用的沉淀大都为胶状的非晶形沉淀，如Fe(OH)3、Al(OH)3，因其沉淀的表面积大，吸附性能强，对痕量组分易产生吸留现象。这种形式的沉淀，富集效率较高，但选择性较差，且引入过多的载体离子，往往给下一步的分析造成一定的难度。2.利用生成混晶进行的共沉淀分离如果两种金属离子的晶格相同，则在进行沉淀时，这两种金属离子就有可能生成混晶。常见的混晶有BaSO4-RaSO4，BaSO4-PbSO4，MgNH4AsO4-MgNH4PO4等。同样这种方法也存在载体干扰痕量组分的测定问题。3.利用有机共沉淀剂进行的共沉淀分离方法的作用机理与无机共沉淀剂不同，可采用离子与离子之间的缔合作用进行共沉淀，也可利用胶体的凝聚作用进行共沉淀；其选择性优于无机沉淀剂，并且由于共沉淀剂是有机物，因而沉淀后可以灼烧，对下一步的测定影响较小。§2-2溶剂萃取分离法一.分配系数、分配比、萃取效率和分离因数溶剂萃取又称液—液萃取法，使用与水不相溶的有机溶剂与试液一起振荡，试样中某些组分进入有机相，某些组分留在了水相，达到彼此分离。该方法简单、快速、应用广泛。方法的基本原理是基于不同的物质在不同溶剂中其分配系数的不同。如有一溶质A，同时接触两种互不相溶的溶剂(水和某有机溶剂)，振荡后，A物质在两相中的分配达到了平衡，即：

A物质在两相中的浓度关系可用分配系数KD表示：KD=[A有]/[A水]

如I2在水和CCl4之间的分配系数KD为一常数为85.3，即:但有些物质在两相中的存在形式与I2不同，如：Os(锇)，如果同样用CCl4来萃取溶液中OsO4时，水相中Os是以OsO4、OsO52-、HOsO5-三种形式存在；此时若用分配系数(KD=[OsO4]有/[OsO4]水)来表示锇元素在两相中分配就与实际情况不符，为此引入了分配比D的概念，即：由此可见，D是存在于两相中溶质总浓度之比。如前所述，用CCl4萃取I2，溶质I2在两相中的存在形式完全相同，这时D=KD，但大多数情况下D≠KD。对于D较大的物质，根据公式可知，溶质进入有机相的量↑，有利于该物质与水相中其它组分的分离，即萃取效率较高。当溶质A的水溶液用有机溶剂萃取时，如已知水溶液的体积为V水，有机溶剂的体积为V有，则萃取效率(E)：如果分子分母同除以[A总]水V有，得到：可见，萃取效率E由分配比D及V水/V有决定，D↑，E↑，如果D不变，V水/V有↓，E↑；所以增加有机溶剂的用量，可提高萃取效率；实际工作中，一般不采用增加有机溶剂的用量，而是采取分几次加入溶剂的方法来提高萃取效率E。P.409举例说明。如果两种共存的组分可同时被萃取到有机相，那么在考虑萃取效率E的同时，还必须考虑共存组分的分离效果，一般用分离因素表示。=DA/DB，DA/DB表示A、B两种物质分配比的比值；↑或↓，DA与DB相差↑，A、B两物质可达到定量分离；反之，A、B两物质就难以分离。以上我们介绍了分配系数、分配比、萃取效率和分离因素。二.萃取体系的分类和萃取条件的选择萃取过程一般都用到有机溶剂，而无机物质中只有少数的共价分子可直接用有机溶剂萃取，多数难溶于有机溶剂。为使这部分无机离子的萃取过程也能顺利进行，则必须在水溶液中加入某种试剂与被萃无机离子结合形成不带电荷并能溶于有机溶剂的中性分子，这种试剂称为萃取剂。根据萃取剂与被萃离子所形成的分子性质的不同，可把萃取体系分类如下：1.形成螯合物的萃取体系此方法所用的萃取剂一般是有机弱酸，如Cu2+在pH=9的氨性溶液中，可与铜试剂(DDTC)生成疏水性的螯合物：欲分离水溶液中的Cu2+，可在上述条件下加入铜试剂，然后用氯仿萃取，形成的螯合物即进入有机相。2.形成离子缔合物的萃取体系阴离子和阳离子通过互相缔合，形成中性分子，从而被有机溶剂所萃取。P.410举例说明。3.形成三元配合物的萃取体系如前所述，三元配合物具有选择性好，灵敏度高的特点，因而这类体系发展较快，研究较多。

以上大都是针对金属离子的萃取分离，对于有机物的萃取分离，一般遵守“相似相溶”原则。即：极性有机物和有机物的盐类，通常溶于水而不溶于非极性的有机溶剂中；反之，非极性的有机化合物可溶于非极性的有机溶剂中。§2-3色谱法色谱法也称色层法、层析法。该方法由俄国植物学家M.茨维特在1906年创立，他用此方法为了分离叶绿素的成分。··其中起分离作用的柱称为色谱柱；··固定在柱内的填充物(如CaCO3)称为固定相；··沿着柱流动的溶剂(如石油醚)称为流动相；试样混合物的分离过程也就是试样中各组分在色谱分离柱中的两相间不断进行着的分配过程。

当流动相(石油醚)携带的混合物(叶绿素)流经固定相时，组分与固定相发生了相互作用。由于混合物中各组分在性质和结构上的差异，固定相对植物叶中不同组分(叶绿素中的色素)的吸附力不同，随着流动相的移动而使它们彼此分离，结果被固定相CaCO3吸附牢固的往下流动慢些，反之，流动快些，如此形成色谱带。茨维特即根据谱带颜色对植物叶的色素进行鉴定分析，为此命名该方法为色谱法或层析法等(chromatography)。一.色谱法的分类1.按固定相和流动相性质的不同进行分类：流动相固定相色谱法液体固体液固色谱法液相色谱法液体液液色谱法气体固体气固色谱法气相色谱法液体气液色谱法2.按固定相操作方式以及所处的状态不同进行分类：••柱色谱将固定相装入玻璃管或金属管中做成色谱柱进行色谱工作。••纸色谱利用滤纸作为层析工具进行色谱工作。••薄层色谱把一种吸附剂粉末铺在一玻璃板上，作为固定相进行色谱工作．3.按色谱法的工作原理不同进行分类：••吸附色谱其固定相是一种吸附剂，利用它对被分组分吸附能力的差别来进行分离。••分配色谱其固定相是一种液体，利用不同组分在固定相和流动相两相间的分配系数的差别来进行分离。••离子交换色谱利用离子交换原理进行分离。••排阻色谱利用多孔性物质对不同大小分子的排阻作用进行分离。二.纸色谱法和薄层色谱法1.纸色谱法纸色谱法(paperchromatography)是在滤纸上进行的一种色谱分析法。其固定相为结合于滤纸上的水分或其他溶剂；而滤纸则被看作一种惰性载体，不参与分离组分的过程；流动相(展开剂)为分离过程中沿滤纸流动的溶剂。

在纸色谱法中，组分在固定相和流动相两相间作相对运动，其分离原理属于分配原理。一般要求适合于做纸色谱的滤纸能吸收20~25%的水分。其中6%的水通过氢键与滤纸纤维素上的羟基结合，形成纸色谱中的固定相。因此在纸色谱法分离中，组分在两相中的分配系数起主要作用。

分配系数定义为：

K=Cs/Cm

Cs表示组分在固定相中的浓度，Cm表示组分在流动相中的浓度。

在纸色谱和薄层色谱法中，组分的移动情况通常以比移值Rf来表示，其定义如下：在纸色谱法和类似的其他色谱法中，Rf值与分配系数K值有关。两者的关系为：纸色谱法中组分的K值愈大(K=Cs/Cm)，说明组分在固定相(水)中的分配量也愈大，该组分易溶于固定相，而不易溶于流动相，具体表现d1↓，∴

Rf↓，因此：Kd2/d1

该公式推导如下：设组分移动距离为d1，流动相移动距离为dm，两者之差为d2，则：Rf=d1/dm=d1/(d1+d2)另一方面，组分的移动距离还与两相的体积比有关，KVs/Vmd2/d1；综合以上两式：d2/d1=K∙(Vs/Vm)

根据Rf的定义，可推出：

K=Vm/Vs(1/Rf-1)

如果实验条件固定，则决定组分Rf值的主要因素为它的分配系数。

在分配色谱中，当固定液的极性大于流动相的极性时，称为正相色谱；当固定液的极性小于流动相的极性时，称为反相色谱。

薄层色谱法(thinlayerchromatography)是在纸色谱法的基础上发展而来。薄层色谱按其分离机理也可分为两种，即分配色谱和吸附色谱。通常在纸色谱中，因固定相(水)的极性较强，所以常属于正相色谱；如果将滤纸用极性较低的液体(如烃类)进行处理替代水作固定液，而以极性较大的溶剂为流动相，即可形成反相纸色谱。2.薄层色谱法

吸附色谱是利用吸附剂对试样中各组分吸附能力的不同来进行分离。

分配色谱是利用试样中各组分在流动相和固定相中溶解度的不同，在两相间不断进行分配而达到分离的目的。

在一定温度下，组分在固定相与流动相之间的分配情况可用分配等温线表示，即达到分配平衡时组分在固定相中的浓度对流动相中浓度作图得到的曲线(固定相为吸附剂时称为吸附等温线)。常用流动相按极性增强次序排列如下：石油醚、环己烷、四氯化碳、苯、甲苯、氯仿、乙醚、乙酸乙脂、正丁醇、正丙醇、1,2-二氯甲烷、丙酮、乙醇、甲醇、水、吡啶、醋酸。3.分配等温线

一般有三种形式：

第一种为直线型，此时组分在两相间的分配与组分浓度无关，这种类型的物质展开后，斑点对称，形状较好一般呈圆形。第二种为凸线型，又称Langmuir等温线，当组分浓度较高时，曲线向下弯曲，浓度大的区域较浓度小的区域移动快，在展开过程中形成前沿清晰而后面拖尾的斑点。第三种为凹线型，又称Frenundlich等温线，与凸线型相反，组分浓度较高时移动慢，斑点的后沿清晰而前沿呈“伸舌头”状。从三种等温线图可看出，在低浓度时它们都有一段呈线性的关系。分离时如将样品量控制在一定范围内，则可获得较好的斑点形状，有利于鉴定和定量。三.纸色谱和薄层色谱法的基本操作两种方法的基本操作相同，包括点样、展开、显色、定位等几个步骤。分别概述如下：1.薄板的制备(1)干法制板：将固体吸附剂(氧化铝或硅胶)均匀撒在薄层上，用手拉动两端带有套圈的玻棒，套圈的厚度即为薄层所需的厚度，一般为0.25~0.3mm。此法的缺点：薄板不易保存，展开时毛细管作用力大，斑点较易扩散，展开方式只能近水平位置。(2)湿法制板：称取一定量的吸附剂用适量溶剂(通常为水)调成糊状；根据所需薄层厚度及玻板的大小，量取一定体积的吸附剂糊状物倒在板上，振动，使之均匀分布形成薄层，然后平放阴干，置烘箱中活化(80～105℃)1/2～2h，放于干燥器中备用。最常用的吸附剂有硅胶，氧化铝，其次是聚酰胺，硅酸镁等；活性炭的吸附性太强，又呈黑色，不易观察；故现在很少使用。2.点样在纸或薄层板的一端约1～3cm处点上样品溶液，等溶剂挥发后即将纸或薄板放入缸内或槽内展开。3.展开所谓展开即使流动相溶剂沿滤纸或薄层板从点有样品的一端向另一端流动的过程。样品中组分被流动相带动前移，并由于各组分与固定相的作用力不同而得到分离。

纸色谱分离时，应将滤纸用流动相蒸汽饱和，展开时间也比薄层色谱长些。4.定位经上述展开至溶剂前沿到达纸或薄板另一端时，即可将其取出。待溶剂挥发干后，用适当方法确定斑点的位置。如荧光﹑喷试剂等使斑点显色。纸色谱与薄层色谱的检出方法很相似，根据不同的检出对象与检出目的，可选用不同的试剂与方法。如果希望定位后，物质不改变，可采用非破环性检出法。如需确认某一成分，可用专属显色剂或几种显色剂进行定位。一般纸色谱所用的显色剂均可用于分配薄层，但颜色可能不同；薄板的灵敏度通常较纸色谱高；显色剂的应用还取决于载体的性质。一般定位方法分为物理检出法和化学检出法。物理检出法属于非破坏性检出法，方法包括使用紫外光、碘和水。分配薄层的载体和粘合剂均为无机物，可使用很多种试剂包括腐蚀性试剂浓硫酸等；而纸色谱则不能用。

对于未知化合物展开后，一般都先使用紫外光进行观察，常用的波长为254nm和365nm。芳香胺化合物使用365nm波长较多。如果被检化合物在紫外区某波长处有较强吸收，其特征为薄板用此波长照射时斑点处会变暗。

碘也属于非破坏性显色剂。显色迅速、灵敏。碘的显色反应往往是可逆的；当化合物用I2定位后放置于空气中，I2即可升华，组分可恢复原来状态。I2简单的显色方法：在一个密闭的容器中，放入几粒碘晶体使整个容器充满I2蒸汽。把展开后的薄板(晾干)放入盛碘的容器内，斑点即呈淡黄色或褐色。取出薄板，用小针画出斑点轮廓，在空气中放置一段时间，碘挥发以后颜色随之褪去。

I2对许多化合物(含氮，脂类，甾体，皂苷等)检出灵敏度较高。另外要注意的是被检化合物的性质，因为有的有机物与I2也可能进行不可逆的反应，导致化合物的结构发生改变。

水也属于非破坏性的显色剂，通常用于硅胶薄层，许多憎水性化合物的硅胶板展开后，用水喷薄板，在光照下观察，半透明薄板上可显出不透明的斑点，此法已用于环己醇、烃类、胆酸等化合物的分析。

化学检出法在纸或薄层上使用一种或数种化学试剂与被检物反应，生成有色化合物而定位。这种试剂通常称为显色剂。对显色剂的基本要求：

1.背景与斑点颜色需形成鲜明对比。

2.能在纸和薄板上显出一个轮廓清晰的斑点。

3.显出的颜色有足够的稳定性。

4.反应灵敏，能显出微量组分。常用的显色剂：•H2SO4系列：硫酸－水溶液硫酸－甲醇或乙醇溶液硫酸溶液硫酸铵溶液喷雾后有的化合物立即反应，而有的则需加热经数分钟后才显色。•磷钼酸铵溶液(NH4)3[P(Mo3O10)4]

适用于多种有机化合物的显色，常常喷后于120℃加热，磷钼酸铵的还原性物质显蓝色，薄板如用氨气熏一熏，背景可变为无色。•高锰酸钾溶液可与许多有机化合物反应，在淡红色背景下，斑点呈黄色。•荧光黄溶液喷雾后，常常把板置于紫外光下观察，为芳香族与杂环化合物的通用显色剂．有时还常采用专用显色剂，如茚三酮为检测氨基酸的专用显色剂。要注意的是对于有些反应在纸色谱中是无法应用的。

综上所述，纸色谱和薄层色谱法相比较：1.操作过程基本相同；2.薄层分离所需时间较短，纸色谱分离所需时间较长；3.薄层分离能力强，斑点较集中，检出灵敏度较高；纸色谱分离后斑点较为扩散，检出灵敏度不如薄层；但有些水溶性物质如糖﹑苷﹑氨基酸等用纸色谱法比用薄层法的分离效果好些．两者共有的优点是不需特殊设备，操作简便,可用于微克量样品的分离．§2-4离子交换分离法该方法利用离子交换剂与溶液中的离子之间发生交换反应来进行的分离方法。这种方法不仅可分离带不同电荷的离子，也可分离带相同电荷的离子，同时可富集微量或痕量组分，制备纯物质。离子交换剂有无机交换剂和有机交换剂，常用的大都为有机交换剂，即称为离子交换树脂。一.离子交换树脂离子交换树脂是一种高分子聚合物，具有稳定的网状结构的骨架部分，与酸、碱、弱氧化剂、某些有机溶剂都不发生作用，如常用的聚苯乙烯型骨架，是由苯乙烯和二乙烯苯聚合得到：此聚合物经浓硫酸磺化可制得聚苯乙烯型磺酸基离子交换树脂，骨架用R表示。

这里把磺酸基称为可以交换的活性基团，根据可被交换活性基团的性质不同，可把离子交换树脂分成阳离子交换树脂和阴离子交换树脂。1.阳离子交换树脂所谓的阳离子交换树脂是指在树脂上含有可以和阳离子发生交换作用的酸性基团，如-SO3H、-COOH、酚基和磷酸基等。根据这些酸性基团的酸性强弱，又可分为强酸型阳离子交换树脂和弱酸型阳离子交换树脂。强酸型的如R-SO3H，因其酸性较强，外界pH的变化对它影响很小，所以在酸性、中性、碱性溶液中均可使用，另外磺酸基上的H容易电离，所以交换速度快，与各种复杂的、无机的和有机的阳离子都可进行交换。相反，弱酸型的如R-COOH，在溶液中有如下的平衡：当溶液酸度过高时，交换过程就难以进行，只有当pH值＞4时，羧基才具备一定的离子交换能力；而对于酚基，pH值则必须＞9.5。虽然应用上受到一定的限制，但选择性提高了，可用来分离不同强度的有机物。上述的树脂均利用了酸性基团中H+与溶液中的其它阳离子进行交换来达到分离的目的，因此这类阳离子交换树脂也称为H-型阳离子交换树脂。如R-SO3H与溶液中Na+的交换反应可表示如下：溶液中的Na+进入树脂的网状结构中，交换了磺酸基上的H+，H+则进入了溶液，此时树脂转化为Na型，此过程称为交换过程；如果以适当浓度的酸溶液处理已交换的树脂(Na型)，反应向反方向进行，树脂可恢复原状，此过程称为再生或洗脱过程。再生后的树脂可重复使用。2.阴离子交换树脂阴离子交换树脂大都含有可交换溶液中的阴离子的碱性基团，如：伯氨基-NH2、仲胺基-NH(CH3)、叔胺基-N(CH3)2、季胺基-N(CH3)+3OH-等树脂水合后即分别生成R-NH3+OH-，R-NH2(CH3)+OH-和R-NH(CH3)2+OH-，水合后含有季胺基的树脂为强碱性阴离子交换树脂，其中的OH-与其他阴离子(Cl-)进行交换和洗脱的过程可表示为：同样交换后的柱子如果再用含有OH-的溶液进行处理，树脂可再生重复使用。与阳离子交换树脂类似，阴离子交换树脂中以强碱性的应用较广，弱碱性的同样受溶液中酸度的影响较大，在pH较高的溶液中会失去其交换能力。3.螯合树脂在离子交换树脂中引入某些能与金属离子螯合的活性基团，即成为螯合树脂。如常用的氨基二乙酸树脂：和金属离子形成的螯合物结构为：对Cu2+、Co2+、Ni2+等离子具有较高的选择性。P.

表13-3介绍了几种常用的树脂。二.离子交换分离法分析中应用最多的是强酸型和强碱型树脂，其他类型的则根据分析任