Аналитические методы разделения

 

2.2.1.1 Свойства подвижной и неподвижной фаз

При подборе подвижной  и неподвижной фаз, а также  носителя необходимо учитывать их свойства. Если носителем является гидрофильное вещество, то в качестве неподвижного растворителя применяют воду, а в  качестве подвижного – органический растворитель. Например. Для разделения смесей полярных веществ (аминокислот, производных пиридина и других) применяют  полярный неподвижный растворитель – воду, который хорошо удерживается на таких гидрофильных носителях, как  силикагель, порошок целлюлозы и  других. Подвижной фазой в этом случае может служить насыщенный водный раствор фенола, н-бутанола и других. Если же носитель – гидрофобное вещество , то неподвижным растворителем должно быть неполярное вещество (масло, керосин, бензол, парафин), а подвижным – полярные органические вещесвта и вода. Разделение происходит вследствие различной растворимости компонентов в неподвижной фазе.

Распределительная хроматография, выполняемая в колонках, по характеру  происходящих процессов аналогична адсорбционной, с той разницей, что  в данном случае сорбентом является неподвижный растворитель.

Изотерма распределения  веществ между двумя несмешивающимися жидкими фазами, как правило, линейна. Однако в ряде случаях в распределительной хроматографии наблюдается искривление линейной изотермы распределения, что связано с процессами диссоциации и ассоциации хроматографирумых веществ в растворителях. Например, электролиты могут в той или иной мере диссоциировать в неподвижно, более полярном растворителе, а если хроматографируемое вещество способно к ассоциации, то оно может ассоциировать в подвижном растворителе. В обоих случаях наблюдается искривление изотермы распределения и разделение веществ оказывается  неполным.

2.2.1.2 Коэффициент  распределения

Распределение веществ между  двумя фазами принято определять отношением количества вещества в неподвижном  растворителе к количеству вещества в подвижном растворителе. Подобное отношение концентраций называется коэффициентом распределения  данного вещества, характерным для рассматриваемой системы, т.е.

K=C_неподв/ C_подв,

где   K – коэффициент распределения; C_неподв- концентрация определяемого компонента в неподвижной фазе, моль/л; C_подв- концентрация того же вещества в подвижной фазе, моль/л.

Коэффициент распределения  зависит от различных факторов: природы  вещества, природы растворителя температуры  и способа проведения эксперимента.

Наибольшая скорость движения наблюдается у того компонента, который  имеет наименьший коэффициент распределения  между растворителями . Скорость движения фронта зоны можно определить по уравнению:

 

= _,

 

где l- высота зоны, содержащей определяемый компонент, мм; V – объем хроматографируемого раствора, мм;  V_подв- объем подвижного растворителя, приходящийся на 1 мл колонки; V_неподв- объем неподвижного растворителя, приходящийся на 1 мл колонки ; - поперечное сечение колонки, мм²; K – коэффициент распределения.

Помимо скорости движения зоны приходится учитывать скорость смещения, т.е. величину смещения зоны (R) на единицу растворителя:

 

R =

 

При постоянных параметрах колонки скорость смещения вещества является функцией коэффициента распределения  R =f(K), в соответствии  с чем в колонке каждая зона движется со своей скоростью, что и является условием разделения компонентов смеси.

 

2.2.2 Распределительная  газо-жидкостная хроматография (ГЖХ)

Газо–жидкостная хроматография  является одним из важнейших хроматографических методов анализа.

К газо-жидкостной хроматографии  относятся все методы газовой  хроматографии, в которых подвижной  фазой служит инертный газ-носитель, а неподвижной – жидкость, нанесенная в виде тонкой пленки на поверхность  зерен инертного твердого носителя или на стенки колонки.

Разделение смеси веществ  на отдельные компоненты происходит в результате селективного распределения  их между двумя несмешивающимися фазами: жидкой неподвижной фазой  и газовой – подвижной.

В зависимости от способа  оформления процесса различают колоночную хроматографию на насадочных или  микронасадочных и капиллярных  колонках. Насадочные колонки заполняются сорбентом, покрытым тонкой пленкой неподвижной фазы.

В капиллярной хроматографии  неподвижную жидкую фазу наносят  непосредственно на стенки узкого капилляра  диаметром до 0,3 мм и длиной в несколько  десятков метров.

Основные достоинства  капиллярной хроматографии в  том, что хроматографические полосы практически не размываются, поэтому  оказывается возможным исследование малых доз анализируемого вещества и, кроме того, продолжительность  анализа невелика.

2.2.2.1 Оценка хроматографических  колонок

Практическая ценность хроматографической колонки определяется принципиальной возможностью решения задачи разделения и временем, необходимым для этого  разделения.

Хроматографическое разделение обусловливается двумя факторами: эффективностью колонки и селективностью неподвижной фазы.

Эффективность колонки оценивается  высотой, эквивалентной высоте теоретической  тарелке (ВЭТТ), или числом теоретических  тарелок  N:

 

N = 16(t_R^’ /µ)²

 

ВЭТТ = L/N ,

 

где t_R^’ - приведенное время удерживания компонента, мин; µ - ширина пика у основания, мм; L – длина колонки, мм.

 Поскольку газо-жидкостная хроматография является процессом разделения, основанным на различии в скоростях перехода отдельных компонентов через границу раздела подвижной и неподвижной фаз, разделяющая способность колонки тем выше, чем больше таких элементарных актов перехода совершит каждая молекула разделяемых веществ за время своего пребывания в колонке, т.е. чем больше число теоретических тарелок.

Селективность неподвижной  фазы оценивается коэффициентом  распределения K:

K= V_R1^’/ V_R2^’,

где V_R1^’ и V_R2^’ – исправленные объемы удерживания паров компонентов 1 и 2 мл.

Разделение бинарной смеси  на применяемой неподвижной фазе возможно лишь в том случае, если отношение приведенных объемов  удерживания компонентов не равно  единице, т.е.

V_R1^’/ V_R2^’≠ 1

Неподвижную фазу характеризует  и так называемый критерий селективности  K_с :

K_с = ( K -1)/(K+1)

Критерием разделения K₁ может служить отношение расстояния между двумя максимума хроматографичсеких пиков к сумме полуширин пиков:

 

K₁= b/( µ_{1 0.5}+ µ_{2 0.5})

где b – расстояние междк  осевыми линиями соседних пиков, мм; µ _0.5- ширина пиков на середине высоты, мм.

Критерий разделения K₁ с критерием селективности неподвижной фазы K_с и числом теоретических тарелок N связан соотношением:

 

K₁= K_с N

и отражает эффективность  хроматографического  разделения.

 

2.2.2.2 Неподвижная  фаза

Неподвижная фаза должна обладать определенными свойствами, способствующими  быстрому разделению компонентов и  отвечать ряду условий возможности  практического применения. Неподвижная  фаза не должна вступать в необратимые реакции с газо-носителем и анализируемыми веществами, должна равномерно покрывать поверхность твердого носителя,  быть химически аналогичной определяемому веществу. Неподвижную фазу выбирают для каждого конкретного случая хроматографического анализа. Рассчитанное количество неподвижной фазы (5-30% от массы твердого носителя) растворяют в подходящем легколетучем растворителе и смешивают с твердым носителем. Растворитель удаляют равномерными нагреванием и перемешиванием, при этом неподвижная фаза покрывает тонким слоем поверхность твердого носителя.

 

2.2.2.3 Твердые носители

Назначение твердого носителя – прочно удерживать неподвижную  фазу и создавать большую поверхность  между подвижной и неподвижными фазами, не вступая во взаимодействие с анализируемыми веществами. Эффективность  разделения зависти от геометрической структуры и однородности материала. Для газо-жидкостной хроматографии  применяют носители с диаметром  пор 0,5*10^-3-1,5*10^-3 см. Наименьшее время удержания получают при отношении диаметра колонки к диаметру частиц, равном 25,

На эффективность разделения неблагоприятно влияет активность носителя, так как анализируемые вещества не только растворяются в пленке неподвижной  фазы, но и адсорбируются на поверхности  твердого носителя.

В практике газо-жидкостной хроматографии применяют твердые  носители: кизельгур, целит, хромосорб, стеклянные шарики и т.д.

 

 

 

2.3 Бумажная хроматография

Кроме обычных носителей, используемых для заполнения колонок, в распределительной хроматографии  применяют специфический носитель, позволяющий обходиться вообще без колонки. Таким носителем является специальная хроматографическая бумага, а методика, основанная на ее применении, получила название распределительной хроматографии на бумаге или распределительной бумажной хроматографии. Во многом она сходна с хроматографией в тонком слое (ТСХ).

Важной характеристикой  в бумажной распределительной хроматографии, так же как и в ТСХ, является R_f = x/x_f, где х — смещение зоны компонента; x_f — смещение фронта растворителя. Методика определения R_f в бумажной хроматографии не отличается от соответствующей методики в ТСХ, основанной на измерениях в соответствии с рис. 17.8. В начальный момент времени хроматографируемая проба наносится на начальную (стартовую) линию бумажной полоски и подвергается действию подвижной фазы (растворителя). Если компоненты окрашены, через некоторое время на хроматограмме можно будет видеть отдельные цветные пятна. Первый компонент будет иметь R_f = x_x/x_f,

второй — Rf = x₂/*f и т. д.

При идеальных условиях коэффициент R_f определяется только природой вещества, параметрами бумаги и свойствами растворителей, но не зависит от концентрации вещества и присутствия других компонентов. В действительности коэффициент R_f в некоторой степени оказался зависящим от этих факторов и техники эксперимента. Тем не менее при достаточном постоянстве условий опыта и не слишком больших колебаниях в составе смеси эти коэффициенты остаются вполне постоянными и могут быть использованы для идентификации компонентов смеси.

Используются несколько  сортов хроматографической бумаги - №1, 2, 3, 4. С увеличением номера плотность бумаги возрастает. От плотности бумаги завсит скорость движения растворителя в не, поэтому бумагу для хроматографирования №1 и №2 называют «быстрой», а №3 и №4 – «медленной».

Хроматографическая бумага должна быть химически чистой, нейтральной, инертной по отношению к компонентам раствора и подвижному растворителю и быть однородной по плотности. Имеют значение также такие свойства, как структура молекул целлюлозы в бумаге, набухаемость, ориентация волокна и другие, влияющие на скорость движения растворителя и на иные характеристики процесса.

В атмосфере водяных паров  бумага поглощает значительное количество влаги (до 20—25% своей массы), поэтому  когда неподвижной жидкой фазой является вода, никакого дополнительного увлажнения бумаги не делают. При выборе в качестве неподвижной фазы некоторых органических веществ, гидрофильную бумагу превращают в гидрофобную, пропитывая ее растворами различных гидрофобных веществ (парафина, растительного масла и др.).

В выбранных растворителях  компоненты пробы должны иметь разную растворимость, иначе разделения вообще не произойдет. В растворителе, являющемся подвижной фазой, растворимость каждого компонента должна быть меньшей, чем в растворителе неподвижной фазы, но все же составлять вполне заметное значение. Это ограничение связано с тем, что если растворимость вещества будет очень велика, вещество будет двигаться вместе с фронтом растворителя, а если растворимость будет очень мала, вещество останется на начальной линии.

Для разделения водорастворимых  веществ в качестве подвижной фазы обычно берут органический растворитель, а в качестве неподвижной — воду. Если вещество растворимо в органических растворителях, вода используется уже в качестве подвижной фазы, а органический растворитель является неподвижной фазой. Это так называемый метод обращенных фаз.

К растворителям обычно предъявляются  следующие требования: растворители подвижной и неподвижной фаз не должны смешиваться, состав растворителя в процессе хроматографирования не должен изменяться, растворители должны легко удаляться с бумаги, быть недефицитными и безвредными для человека.

Индивидуальные растворители в распределительной хроматографии используются относительно редко. Чаще для этой цели употребляют смеси веществ, например бутилового или амилового спирта с метиловым или этиловым, насыщенные водные растворы фенола, крезола и др., смеси бутилового спирта с уксусной кислотой, аммиаком и т. д. Применение различных смесей растворителей позволяет плавно изменять R_f и тем самым создавать наиболее благоприятные условия разделения.