В основе ионообенной хроматографии лежит обмен ионами между ионообменником и раствором. Ионообменник имеет противоионы – подвижные ионы, способные к обмену на другие аналогично заряженные ионы. В зависимости от заряда обмениваемых ионов различают катионо- и анионообменники (катиониты и аниониты).
Ионообменники могут быть минерального и органического происхождения. В катионообменниках ионогенными группами являются сульфогруппы –SO3H, обеспечивающие сильнокислотные свойства ионообменных смол. Слабее выражены кислотные свойства у катионообменников, содержащих в качестве ионогенных групп карбоксильную –COOH, фосфиновую –PO3H2 и другие. Примером ионообменников является сильноосновной АВ–17, содержащий триметиламмониевую группу, в которой группа –ОН может обмениваться на другие анионы.
Ионный обмен протекает путем обмена катионами или анионами между ионообменной смолой и раствором. Например, катионообменники, имеющие на поверхности группы –SO3H, при реакции обмена вследствие диссоциации выделяют протон и присоединяют из раствора соответствующий катион:
Матрица· n SO3H + n Kt+ ↔ Матрица· n SO3Kt + n H+.
Процесс ионного обмена обратим. При обработке раствором НСl катионообменник восстанавливается, отдавая в раствор катионы и присоединяя протоны. При этом происходит переход катионообменника в исходную рабочую кислотную форму. Аналогично анионообменник при обработке раствором NaOH превращается в основную форму, готовую к работе.
Ионообменные смолы имеют соответствующую маркировку: КУ – катионит универсальный, активная группа –SO3H; КБ – катионит буферный, активная группа –СООН; КФ – катионит фосфиновокислый, активная группа –РО3Н2; АВ – анионит высокоосновной; АН – анионит низкоосновной. Иногда применяют обозначения, указывающие химическую основу ионообменной смолы, например ММГ – меланин, мочевина, гуанидин; СДВ – стирол, дивинилбензол; АЭ – аминэтилцеллюлоза и др. Ионообменные смолы характеризуются емкостью поглощения, или удельной емкостью, равной количеству миллимолей ионогенных групп (или поглощенных ионов) на 1 г сухой смолы.
Процесс ионного обмена (в неподвижной системе) может быть охарактеризован с помощью закона действующих масс. Представив реакцию ионного обмена в виде
| R–H + Na+ ↔ R–Na + H+ |
| С 1' С 2 С 2' С 1 |
и обозначив через С 1' и С 2' равновесные концентрации связанных ионов, С 1 и С 2 – равновесные концентрации ионов в растворе, можно получить константу равновесия реакции ионного обмена:
По константе можно определить степень сорбируемости ионов: если К = 1, сорбируемость вытесняемого иона и иона вытеснителя одинакова, при К > 1 сорбируемость иона-вытеснителя больше, при К < 1 сорбируемость вытесняемого иона выше. Если подвижная фаза движется относительно ионообменной смолы, равновесие состояния между ионообменником и раствором принимают характер сложных зависимостей вида
,
где V – объем вытесняющего раствора; С – концентрация в растворе вытесняющих ионов; m – удельная емкость ионита; L – высота слоя смолы в колонне; S – поперечное сечение колонки; z - заряд вытесняемого иона.
Разные катионы отличаются величиной константы равновесия, поэтому процесс ионного обмена может быть использован для разделения смесей катионов. Для этой цели применяют обычно элюентный метод, предусматривающий промывание ионообменной колонки с адсорбированными ионами раствором электролита-вытеснителя. Первыми из колонки вытесняются ионы, обладающие минимальной способностью к сорбции, затем более прочно сорбируемые ионы. Фракции элюата на выходе из колонки содержат отдельные виды ионов. В элюентном методе в качестве электролита-вытеснителя используют вещества, содержащие ионы, выделяемые ионогенными группами смолы HCl для катионообменников, NaCl для анионообменников, вытесняющих Cl– и т.д.). После окончания разделения в колонке остается ионит в исходной форме, готовый к дальнейшей работе. Разновидностью элюэнтного является вытеснительный метод, в котором применяют вытесняющий раствор, содержащий ионы, сорбируемые смолой лучше, чем ионы разделяемой пробы.
Ионообменная хроматография проводится в колонках, которые заполняют ионообменной смолой, подвергнутой набуханию. Сверху на слой в колонке наносят небольшое количество раствора пробы, затем пропускают ток элюэнита. Для разделения ионов чаще всего используют смолы КУ–2, АН–2, в качестве элюирующих растворителей – растворы НСl в воде или спирто-водных смесях.
На ионообменной хроматографии основан ряд методов количественного определения ионов. Через колонку с ионообменной смолой пропускают раствор пробы. При этом вследствие обмена на смоле сорбируется определяемые ионы, в элюате образуется кислоты анионов или гидроксиды (хлориды и т.д.) катионов, например:
R–H + МА ↔ RМ + HА.
Затем либо элюируют сорбированные ионы и проводят их анализ, либо анализируют элюат, определяя содержащиеся в нем в эквивалентных количествах кислоты или гидроксиды.