روش های جداسازی | دقیق شیمی آزما

روش های جداسازی

شیمی تجزیه شامل جداسازی ، شناسایی و تعیین مقدار نسبی اجزای سازنده یک نمونه از ماده می باشد. تجزیه شیمیایی برای به دست آوردن آوردن اطلاعاتی درباره ترکیب ماده است. گاهی مواقع ما به اطلاعات کیفی در مورد حضور یا عدم حضور یک یا چند جزء در نمونه نیاز داریم و گاهی اطلاعات کمی مورد توجه است. شیمی تجزیه نقش حیاتی در توسعه علوم مختلف به عهده دارد و روش های تجزیه شیمیایی موجود بسیار سریع و گسترده است.

در شیمی می‌توان با روش‌های جداسازی مواد، یک آنالیت یا دیگر ترکیبات شیمیایی را از یکدیگر جدا نمود و این کار وقتی امکان پذیر است که حداقل در یکی از خواص فیزیکی یا شیمیایی، اختلاف زیادی داشته باشند. انتخاب روش مناسب برای جداسازی مواد شیمیایی، به وضعیت فیزیکی محلول یا مخلوط مورد نظر و روابط شیمیایی بین اجزا بستگی دارد .

در شیمی،‌ به ماده‌ای جداسازی و بررسی روی آن انجام می شود،‌ آنالیت‌ (Analyte) و به جزء دیگری که باید از آنالیت جدا شود تداخل‌کننده (Interferent)گفته می شود.

بیشتر بخوانید: الکتروشیمی تجزیه ای

روش‌های جداسازی مواد را بر اساس خواص فیزیکی یا شیمیایی

3 روش جداسازی بر اساس اندازه:

از جمله روش‌های جداسازی مواد می‌توان به جداسازی بر اساس اندازه اشاره کرد. اندازه (Size)، ساده‌ترین خاصیت فیزیکی است که از آن استفاده کرد. برای این منظور به یک محیط متخلخل نیاز داریم که فقط یک جزء مانند آنالیت توانایی عبور از میان آن را دارد. 

از جمله نمونه‌های جداسازی مواد بر اساس اندازه می‌توان فیلتراسیون (Filtrations)، دیالیز (Dialysis) و اندازه طردی (Size Exclusion) را نام برد.

فیلتراسیون

در فیلتراسیون،‌ اجزاء به کمک یک فیلتر از یکدیگر جدا می‌شوند. ماده‌ای که از فیلتر عبور می‌کند، فیلترات نامیده می شود و ماده‌ای که در پشت فیلتر جمع می‌شود موسوم به کیک فیلتر می باشد. در مواردی،‌ به کیک فیلتر، پس‌آب  نیز می‌گویند. 

فیلتراسیون ثقلی و خلاء از جمله نمونه‌های این نوع از روش‌های جداسازی مواد است. در مواردی که محلول، شامل ذرات بسیار ریزی باشد، از فیلترهای غشایی (Membrane Filters) استفاده می‌شود. 

دیالیز

در این روش، از یک غشای دیالیزی ساخته شده از سلولوز استفاده می شود که این غشا به شکل لوله، کاسِت یا کیسه می باشد. نمونه به داخل غشای دیالیزی تزریق می‌شود. این غشا از اطراف کاملا عایق شده است. این کاست را داخل ظرفی پر شده از یک محلول قرار می‌دهند که محلول مورد نظر، ترکیب شیمیایی متفاوتی از نمونه دارد.

اگر غلظت ذرات در دو طرف غشا متفاوت باشد،‌ یک گرادیان غلظتی ایجاد شده که باعث فراهم شدن نیرو محرکه‌ای برای نفوذ (Diffusion) از طریق غشا خواهد شد. در این حالت، ذرات کوچکتر، از غشار عبور کرده و ذرات بزرگتر در طرف دیگر باقی می‌مانند. از دیالیز برای خالص‌سازی پروتئین‌ها، هورمون‌ها و آنزیم‌ها استفاده می‌شود. 

در زمان دیالیز کلیه‌های انسان، با عبور دادن خون از یک غشای دیالیزی، فرآورده‌های حاصل از سوخت‌ و ساز بدن مثل اوره، اسید اوریک و کراتینین (Creatinine) را از خون حذف می‌کنند.

کروماتوگرافی اندازه طردی

در روش اندازه طردی از یک ستون حاوی ریزمهره‌های (Beads) پلی‌آکریل آمیدی استفاده می‌شود. اندازه حفراه ها را  استفاده از درجه اتصال عرضی (Cross-linking) کنترل می شود. هرچقدر اتصال عرضی ریزمهره‌ها بیشتر باشد، اندازه حفره ها کوچکتر خواهد بود. نمونه‌ مورد نظر را در مسیر جریان یک حلال قرار می‌دهند که با دبی جریان ثابتی به ستون کروماتوگرافی پمپ می‌شود. ذراتی که اندازه آن‌ها از حفره ها بزرگتر باشد، با همان سرعت حلال، از داخل ستون عبور می‌کند. 

ذرات کوچکتر، زمان بیشتری برای عبور از میان حفره ها نیاز دارند. در تحلیل پلیمرها و همچنین جداسازی پروتئین‌ها از کروماتوگرافی اندازه طردی به طور گسترده استفاده می‌شود.

جداسازی مواد بر اساس جرم یا چگالی

وقتی دو ترکیب که قرار است از هم جدا شوند، در جرم یا چگالی با یکدیگر تفاوت داشته باشند، از سانتریفیوژ استفاده می‌شود. نمونه در داخل لوله سانتریفیوژ قرار می‌گیرد و این لوله با سرعت زاویه‌ای زیادی می چرخد. ذرات نمونه، بر اثر اعمال نیروی گریز، به انتهای لوله سانتریفیوژ کشیده می‌شوند. ذراتی که نیروی گریز از مرکز بیشتری را حس می‌کنند، سریع‌تر در انتهای ظرف ته‌نشین خواهند شد.

اگر دو ذره مختلف، چگالی یکسانی داشته باشند، جداسازی آن‌ها بر اساس جرم صورت می گیرد به طوری که ذره سنگین‌تر، دارای سرعت ته‌نشینی بیشتری می باشد. اگر دو ذره،‌ جرم‌های یکسانی داشته باشند، جداسازی مواد بر اساس چگالی صورت می‌گیرد و بر این اساس، ذره‌ای با بیشترین چگالی، سرعت ته‌نشینی بیشتری خواهد داشت.

سانتریفیوژ، از جمله مهم‌ترین روش‌های جداسازی مواد در بیوشیمی است. به طور مثال می‌توانیم «لیزوزوم‌ها» (Lysosomes) را از دیگر ترکیبات سلولی جدا کنیم 

به عنوان مثال برای جداسازی چربی از شیر از روش سانتریفیوژ استفاده می‌شود و با چرخش روتور و اعمال نیروی گریز از مرکز، چربی از شیر جدا خواهد شد.

جداسازی مواد بر اساس واکنش‌های تشکیل کمپلکس

یکی از روش‌هایی که به طور گسترده در جداسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد، بهم‌پیوستگی یک ذره در داخل یک کمپلکس و جداسازی آن از ذره دیگر است. یک ماده پوشاننده مناسب، ماده‌ای است که بتواند با ماده مورد نظر تشکیل کمپلکس دهد. 

به طور مثال،‌ اگزالات برای این کار مناسب نیست چون هم با آلومینیوم و هم با آهن تشکیل کمپلکس می‌دهد. اما تیوگلیکولیک اسید گزینه مناسبی است چون با آهن تشکیل کمپلکس می‌دهد. یون‌های دیگری همچون سیانید، تیوسیانات و تیوسولفات نیز گزینه‌های مناسبی هستند.

جداسازی مواد بر اساس تغییر حالت(تغییر در حالت فیزیکی)

زمانی که قرار است دو ماده‌ از یکدیگر جدا شود و هردو مایع و در یکدیگر امتزاج‌پذیر (Miscible) باشند، می‌توان به کمک تقطیر استفاده کرد. این نکته قابل توجه است که باید نقطه جوش این دو ماده با یکدیگر اختلاف زیادی داشته باشند. در این حالت، دو ماده آنالیت و تداخل‌کننده در مخلوط موجود هستند. زمانی که محلول را به نقطه جوش خود برسد، فاز بخار با فاز مایع در آنالیت به تعادل می‌رسد.

به کمک تقطیر جزءبه‌جزء ، جداسازی بهتری خواهیم داشت. اگر ستون تقطیر را به کمک موادی با سطح بیشتر، مثل ریز‌مهره پر کنیم، شرایط بهتری برای انجام فرآیندهای تکرار‌شونده تبخیر و میعان خواهیم داشت که در نهایت بر انجام یک تقطیر کامل تاثیرگذار است.

اگر نمونه مورد نظر، جامد باشد، دو ماده به کمک تصعید از یکدیگر جدا می شوند. نمونه را در دما و فشاری پایین‌تر از نقطه سه‌گانه (Triple-point) آنالیت حرارت می‌دهیم. در نتیجه،‌ نمونه جامد بدون ورود به فاز مایع، تبخیر می‌شود. 

میعان بخار، آنالیت خالص را بدست می‌دهد. از کاربردهای این نوع از روش‌های جداسازی مواد می‌توان به تصعید آمینواسیدها از فسیل‌ها و رسوبات اشاره کرد.

علاوه بر تصعید،‌ تبلور مجدد (Recrystallization)، روش دیگری برای خالص‌سازی یک جامد می باشد. باید حلالی انتخاب ‌شود که انحلال‌پذیری آنالیت در آن به هنگام گرم و سرد بودن به ترتیب،‌ زیاد و کم باشد. 

به طور عکس،‌ تداخل‌کننده نیز باید انحلال‌پذیری کمی در حلال گرم داشته باشد. بعد از حرارت دادن بخشی از حلال در یک ارلن، مقدار کمی از نمونه را تا زمانی  به ارلن اضافه می‌کنند که ذرات نامحلول قابل رویت باشند. دوباره حلال گرم را به ارلن اضافه می‌کنند تا موجب حل‌شدن ذرات نامحلول شود.

این فرآیند اضافه کردن نمونه و حلال تا زمانی که تمامی نمونه به داخل ارلن وارد شود ادامه خواهد داشت. اگر ناخالصی هم در ارلن وجود داشته باشد، می‌توان آن را به کمک فیلتراسیون جدا کرد. وقتی محلول به آرامی سرد شد، بلورهایی بزرگ و خالص رشد پیدا می‌کنند. 

در مرحله بعد ،‌ باید محلول در یک حمام یخ سرد شود تا انحلال مجدد مواد رخ ندهد. نمونه خالص را به کمک فیلتراسیون جدا می‌کنند و برای حذف ذرات قابل انحلال، آن‌را شستشو می‌دهند. در آخر، نمونه را خشک می‌کنند تا اثری از حلال باقی نماند. اگر نیاز باشد، می‌توان با فرآیندهای اضافی تبلور مجدد، نمونه را بازهم تحت خالص‌سازی قرار داد.

برای جداسازی الکل از آب،‌ از تقطیر جزء به جزء استفاده می شود.

تغییر در حالت شیمیایی

تغییر در حالت شیمیایی شامل رسوب، رسوبدهی الکتریکی و تبخیر می باشد. تقطیر، تصعید و تبلور مجدد، تغییر فیزیکی هستند. به عبارت دیگر، تمامی این فرآیندها از یک تغییر در حالت فیزیکی به عنوان ابزاری برای جداسازی مواد استفاده می‌کنند. 

واکنش‌پذیری شیمیایی و انجام تغییرات شیمیایی راهکار مناسب دیگری برای جداسازی مواد می باشد. به طور مثال، برای جداسازی SiO2SiO2، آن را با HFHF برای تشکیل SIF4SIF4 وارد واکنش می کنیم و چون ترکیب حاصل، فرار است، می‌توان آن را به کمک تقطیر، از نمونه حذف کرد.

اگر بخواهیم این فرآورده فرار را جمع‌آوری کنیم، می‌توان از تقطیر استفاده کرد. به عنوان مثال، برای جداسازی NH+4NH4+ از یک نمونه، کافی است محلول را قلیایی (بازی) و به NH3NH3 تبدیل کنیم. سپس به کمک تقطیر، جداسازی آمونیاک از نمونه را انجام دهیم. 

واکنشی دیگر برای جداسازی مواد، رسوب است. دو نمونه مهم از استفاده از رسوب، انحلال‌پذیری اکسیدهای فلزی و هیدروکسیدها بر اساس pH و همچنین انحلال‌پذیری سولفیدهای فلزی است.

در جداسازی مواد بر اساس انحلال‌پذیری وابسته به pH اکسیدها و هیدروکسیدها، به طور معمول از اسیدها و بازهای قوی یا محلول بافر NH3/NH4ClNH3/NH4Cl استفاده می شود. بسیاری از اکسیدهای فلزی و هیدروکسیدها در HNO3HNO3 غلیظ، انحلال‌پذیراند. 

 برخی از اکسیدها نیز حتی در شرایط شدیدتر نامحلول باقی می‌مانند. در تعیین مقدار CuCu در آلیاژ برنج، برای پیشگیری از تداخل SnSn می‌توان نمونه را در یک اسید قوی حل کرد و به کمک فیلتراسیون، رسوب جامد SNO2SNO2  را جدا کرد.

بیشتر فلزات در حضور NaOHNaOH غلیظ،‌ تشکیل رسوب هیدروکسید می‌دهند. البته برخی فلزات، هیدروکسیدهای آمفوتری و در نهایت طی واکنش‌هایی، کمپلکس هیدروکسیدی (Hydroxo-Complexes) را تشکیل می‌دهند. در نتیجه، این دسته از کمپلکس‌ها، رسوب نمی‌کنند. مثلا، Zn2+Zn2+ و Al3+Al3+ به دلیل تشکیل کمپلکس‌های محلول Zn(OH)–3Zn(OH)3– و Al(OH)–4Al(OH)4–، در محلول غلیظ NaOHNaOH رسوب نمی‌کنند.

در نتیجه، انحلال‌پذیری Al3+Al3+ در محلول غلیظ سدیم هیدروکسید،‌ سبب می‌شود تا بتوان آلومینویم را از نمونه‌های ناخالص سنگ معدن بوکسیت استخراج کرد. در این روش، بعد از خرد کردن Al2O3Al2O3، آن را در محلول غلیظ سدیم هیدروکسید قرار می‌دهند که موجب انحلال Al2O3Al2O3 و تشکیل Al(OH)−4Al(OH)4− می‌شود. سایر اکسیدها مانند Fe2O3Fe2O3 و SiO2SiO2 در سنگ معدن به صورت نامحلول باقی می‌مانند. بعد از عمل فیلتراسیون، آلومینیوم را از آن بدست می‌آورند.

مقدار pH محلول بافر NH3/NH4ClNH3/NH4Cl با pKapKa برابر با 9/26،‌ برای رسوب دادن بیشتر فلزات به صورت هیدروکسید کافی است. البته فلزات قلیایی و قلیایی‌خاکی،‌ در این pH رسوب نخواهند کرد. به علاوه، یون‌های فلزی که با NH3NH3 کمپلکس‌های محلول تشکیل می‌دهند نیز، تحت این شرایط رسوب نخواهند کرد. این یون‌های فلزی به این شرح هستند: Cu2+,Zn2+,Ni2+,Co2+Cu2+,Zn2+,Ni2+,Co2+

استفاده از یون S2−S2− از گذشته در جداسازی یون‌های فلزی کاربرد داشته است. به دو دلیل برای جداسازی یون‌های فلزیاز سولفید استفاده می‌شود:

1-بیشتر یون‌های فلزی، به غیر از فلزات قلیایی و قلیایی‌خاکی، سولفیدهای نامحلول تولید می‌کنند.

2-سولفیدهای فلزی در انحلال‌پذیری تغییرات زیادی از خود نشان می‌دهند. چون انحلال‌پذیری و غلظت S2−S2− به pH وابسته است، انحلال‌پذیری فلزات در محلول را می‌توان با تنظیم pH کنترل کرد. به طور مثال، در یک روش گراویمتری، در سه مرحله، از سولفید برای جداسازی Co2+Co2+، Ni2+Ni2+ و Cu2+Cu2+ استفاده می‌شود.

جداسازی مواد بر اساس تقسیم‌بندی بین فازها

جداسازی مواد بر اساس تقسیم بندی بین فازها به دو شکل استخراج و کروماتوگرافی صورت می گیرد. از مهم‌ترین روش‌ های جداسازی مواد، تقسیم‌بندی انتخابی آنالیت یا تداخل‌کننده بین دو فاز امتزاج‌ناپذیر است. اگر یک فاز حاوی حل‌شونده S در تماس با فاز دومی قرار گیرد، حل‌شونده، در یک واکنش تعادلی، خود را بین دو فاز تقسیم می‌کند.

Sphase 1⇌Sphase 2Sphase 1⇌Sphase 2

ثابت تعادل برای واکنش بالا به صورت زیر خواهد بود:

KD= [Sphase2] [Sphase1] KD= [Sphase2][Sphase1]

به این ثابت تعادل، ضریب تقسیم (Partition Coefficient) گفته می شود. اگر میزان KDKD، خیلی بزرگ باشد، حل‌شونده از فاز ۱ به فاز ۲ حرکت خواهد کرد. به عکس،‌ اگر ضریب تقسیم، عدد کوچکی باشد، حل‌شونده در فاز ۱ باقی می‌ماند.

استخراج بین دو فاز

به فرآیند حرکت یک ذره از یک فاز به فاز دیگر، استخراج (Extraction) نام دارد. زمانی که تنها یکی از اجزا، ضریب تقسیم مناسبی داشته باشد از این روش استفاده می شود. 

بسیاری از روش‌ های جداسازی بر مبنای استخراج انجام می‌شوند که شامل موارد زیر هستند:

استخراج مایع-مایع (Liquid-liquid Extractions)

استخراج مایع-جامد (Liquid-Solid Extractions)

استخراج جامد-مایع

استخراج گاز-جامد

استخراج مایع-مایع

استخراج مایع-مایع به کمک یک قیف استخراج صورت می گیرد. بعد از قرار دادن دو مایع در قیف استخراج، برای افزایش سطح بین دو فاز، باید آن‌را خوب تکان بدهیم. زمانی که استخراج به طور کامل انجام شود، کمی صبر می کنیم تا به طور کامل از یکدیگر جدا شوند. در نهایت به کمک یک شیر در پایین قیف استخراج، می‌توان دو فاز را از یکدیگر جدا کرد.

بیشتر بخوانید: اسپکتروسکوپی تجزیه ای

روش های  جداسازی می تواند به این صورت نیز تقسیم بندی شود:

جداسازی جامدات از مایعات:

1-فیلتراسیون

2-تبخیر

جداسازی مخلوطی از مایعات(بسته به میزان امتزاج پذیری):

1-تقطیر جزئی (بر اساس نقطه جوش) 

2-تقطیر ساده 

جداسازی مایعات : 

1- مایعات قابل امتزاج مثل جداسازی نفت خام

 2- مایعات غیر قابل امتزاج: مایعات غیر قابل امتزاج به مایعاتی اطلاق می شود که با یکدیگر مخلوط نمی شوند مثل آب و روغن

سایر روش های جداسازی مواد شیمیایی:

1-جداسازی با حلال برای جداسازی مایعات امتزاج پذیری که دمای جوش نزدیکی دارند.

2-استفاده از نیروی گریز از مرکز  (سانتریفیوژ )

3-روش جذب برای جداسازی یک جزء خاص از جریان سیال