Аналитические методы разделения

Сочетание ТСХ с электрофорезом расширяет возможности разделения, в частности, неорганических ионов  и значительно ускоряет процесс  разделения. ТСХ комбинируется также  с экстракцией и другими методами анализа.

2.4.3. Количественный  анализ

Количественные определения  в ТСХ могут быть сделаны или  непосредственно на пластинке, или  после удаления вещества с пластинки. При непосредственном определении  на пластинке измеряют тем или иным методом площадь пятна (например, с помощью миллиметровой кальки) и по заранее построенному градуировочному графику находят количество вещества.

Применяют также прямое спектрофотометрирование  пластинки с помощью спектроденситометров. Для количественных расчетов также предварительно строят градировочный график, используя оптическую плотность в центре пятна.

Наиболее точным считается  метод, в котором вещество после  разделения удаляется с пластинки  и анализируется спектрофото-метрическим  или иным методом. Удаление вещества с пластинки обычно производят механическим путем, хотя иногда применяют вымывание подходящим растворителем.

В настоящее время ТСХ  является одним из важных методов  аналитической химии. Это непревзойденный  метод анализа сложных смесей. Он прост по методике выполнения и аппаратуре, экс-прессен, не требует для анализа больших количеств веществ.

 

 

 

 

2.5 Газовая хроматография

Газовая хроматография —  метод разделения летучих соединений. Подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу, обладающую большой поверхностью. В качестве подвижной фазы используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ-носитель не взаимодействует с разделяемыми веществами и неподвижной фазой.

В зависимости от агрегатного  состояния неподвижной фазы различают два вида газовой хроматографии — газотвердофазную (неподвижная фаза — твердый носитель: силикагель, уголь, оксид алюминия) и газожидкостную (неподвижная фаза — жидкость, нанесенная на инертный носитель).

Процесс разделения основан  на различии в летучести  и растворимости (или адсорбируемости) разделяемых  компонентов. Через хроматографическую колонку быстрее движется тот  компонент, растворимость которого в неподвижной фазе меньше, а летучесть (упругость пара) при данной температуре больше.

Газохроматографическим  методом могут быть проанализированы газообразные, жидкие и твердые вещества с молекулярной массой меньше 400, удовлетворяющие определенным требованиям, главные из которых — летучесть, термостабильность, инертность и легкость получения. Для быстрого и полного разделения достаточно, чтобы упругость пара была 1—4 мм при рабочей температуре колонки. Более летучим считается вещество, упругость паров которого выше. Количественный анализ можно провести только в том случае, если вещество термостойко, т. е. испаряется в дозаторе воспроизводимо и элюируется без разложения. При разложении вещества на хроматограмме появляются ложные пики, относящиеся к продуктам разложения. Вещество не должно образовывать устойчивых сольватов при растворении в неподвижной жидкой фазе и реагировать с материалами, из которых изготовлены детали хроматографа. Желательно работать с соединениями, которые легко получить с количественным выходом. Этим требованиям в большей мере удовлетворяют, как правило, органические вещества, поэтому ГХ широко используется как серийный метод анализа органических соединений. Однако этим методом можно также определить почти все элементы периодической системы  в идее летучих комплексов.

 

2.6.1. Газотвердофазная хроматография

Особенность метода газотвердофазной (газоадсорбционной) хроматографии (ГАХ) в том, что в качестве неподвижной фазы применяют адсорбенты с высокой удельной поверхностью (10—1000 м²т^-1), и распределение веществ между неподвижной и подвижной фазами определяется процессом адсорбции. Адсорбция молекул из газовой фазы, т. е. концентрирование их на поверхности раздела твердой и газообразной фаз, происходит за счет межмолекулярных взаимодействий (дисперсионных, ориентационных, индукционных), имеющих электростатическую природу. Возможно образование водородной связи, причем вклад этого вида взаимодействия в удерживаемые объемы значительно уменьшается с ростом температуры. Комплексообразование для селективного разделения веществ в ГАХ используют редко.

Для аналитической  практики важно, чтобы при постоянной температуре количество адсорбированного вещества на поверхности c_s было пропорционально концентрации этого вещества в газовой фазе с_т:

c_s = k с_т

т. е. чтобы распределение  происходило в соответствии с линейной изотермой адсорбции (к — константа). В этом случае каждый компонент перемещается вдоль колонки с постоянной скоростью, не зависящей от его концентрации. Разделение веществ обусловлено различной скоростью их перемещения. Поэтому в ГАХ чрезвычайно важен выбор адсорбента, площадь и природа поверхности которого обусловливают селективность (разделение) при заданной температуре.

С повышением температуры  уменьшаются теплота адсорбции ▲H/T, от которой зависит удерживание, и соответственно t_R. Это используют в практике анализа. Если разделяют соединения, сильно различающиеся по летучести при постоянной температуре, то низкокипящие вещества элюируются быстро, высококипящие имеют большее время удерживания, их пики на хроматограмме будут ниже и шире, анализ занимает много времени. Если же в процессе хроматографирования повышать температуру колонки с постоянной скоростью (программирование температуры), то близкие по ширине пики на хроматограмме будут располагаться равномерно.

 

В качестве адсорбентов  для ГАХ в основном используют активные угли, сили-кагели, пористое стекло, оксид алюминия. Неоднородностью поверхности активных адсорбентов обусловлены основные недостатки метода ГАХ и невозможность определения сильно адсорбирующихся полярных молекул. Однако на геометрически и химически однородных макропористых адсорбентах можно проводить анализ смесей сильнополярных веществ. В последние годы выпускают адсорбенты с более или менее однородной поверхностью, такие, как пористые полимеры, макропористые силикагели (силохром, порасил, сферосил), пористые стекла, цеолиты.

Наиболее широко метод газоадсорбционной хроматографии  применяют для анализа смесей газов и низкокипящих углеводородов, не содержащих активных функциональных групп . Изотермы адсорбции таких молекул близки к линейным. Например, для разделения 0₂, N₂, СО, СН₄, С0₂ с успехом применяют глинистые материалы. Температура колонки программируется для сокращения времени анализа за счет уменьшения t_R высококипящих газов. На молекулярных ситах — высокопористых природных или синтетических кристаллических материалах, все поры которых имеют примерно одинаковые размеры (0,4—1,5 нм), — можно разделить изотопы водорода. Сорбенты, называемые порапаками, используют для разделения гидридов металлов (Ge, As, Sn, Sb). Метод ГАХ на колонках с пористыми полимерными сорбентами или углеродными молекулярными ситами самый быстрый и удобный способ определения воды в неорганических и органических материалах, например в растворителях.

2.6.2. Газожидкостная хроматография

В аналитической  практике чаще используют метод газожидкостной хроматографии (ГЖХ). Это связано  с чрезвычайным разнообразием жидких неподвижных фаз, что облегчает выбор селективной для данного анализа фазы, с линейностью изотермы распределения в более широкой области концентраций, что позволяет работать с большими пробами, и с легкостью получения воспроизводимых по эффективности колонок.

Механизм распределения  компонентов между носителем  и неподвижной жидкой фазой основан на растворении их в жидкой фазе. Селективность зависит от двух факторов: упругости пара определяемого вещества и его коэффициента активности в жидкой фазе. По закону Рауля, при растворении упругость пара вещества над раствором p_t прямо пропорциональна его коэффициенту активности у, молярной доле N_f в растворе и давлению паров чистого вещества Р_i ⁰ при данной температуре:

 

p_i = y_iN_i Р_i⁰

Поскольку концентрация i-го компонента в равновесной паровой фазе определяется его парциальным давлением, можно принять, что р_{ ~ с_т, а

N_t ~ c_s. Тогда

 

а коэффициент  селективности 

α = D₂/D₁

Таким образом, чем  ниже температура кипения вещества (чем больше if), тем слабее удерживается оно в хроматографическо колонке Если же температуры кипения веществ одинаковы, то для их разделения используют различия во взаимодействии с неподвижной жидкой фазой: чем сильнее взаимодействие, тем меньше коэффициент активности и больше удерживание.

Неподвижные жидкие фазы. Дня обеспечения селективности колонки важно правильно выбрать неподвижную жидкую фазу. Эта фаза должна быть хорошим растворителем для компонентов смеси (если растворимость мала, компоненты выходят из колонки очень быстро), нелетучей (чтобы не испарялась при рабочей температуре колонки), химически инертной, должна обладать небольшой вязкостью (иначе замедляется процесс диффузии) и при нанесении на носитель образовывать равномерную пленку, прочно с ним связанную. Разделительная способность неподвижной фазы для компонентов данной пробы должна быть максимальной.

Различают жидкие фазы трех типов: неполярные (насыщенные углеводороды и др.), умеренно полярные (сложные эфиры, нитрилы и др.) и полярные (полигликоли, гидроксиламины и др.).

Зная свойства неподвижной жидкой фазы и природу  разделяемых веществ, например класс, строение, можно достаточно быстро подобрать подходящую для разделения данной смеси селективную жидкую фазу. При этом следует учитывать, что время удерживания компонентов будет приемлемым для анализа, если полярности стационарной фазы и веществ анализируемой пробы близки. Для растворенных веществ с близкой полярностью порядок элюирования обычно коррелирует с температурами кипения, и если разница температур достаточно велика, возможно полное разделение. Для разделения близкокипящих веществ разной полярности используют стационарную фазу, селективно удерживающую один или несколько компонентов вследствие диполь-диполыюго взаимодействия. С увеличением полярности жидкой фазы время удерживания полярных соединений возрастает. В табл. 8.1 приведены жидкие фазы и максимальные температуры, при которых их можно использовать.

Для равномерного нанесения жидкой фазы на твердый  носитель ее смешивают с легколетучим растворителем, например эфиром. К этому раствору добавляют твердый носитель. Смесь нагревают, растворитель испаряется, жидкая фаза остается на носителе. Сухим носителем с нанесенной таким образом неподвижной жидкой фазой заполняют колонку, стараясь избежать образования пустот. Для равномерной упаковки через колонку пропускают струю газа и одновременно постукивают по колонке для уплотнения набивки. Затем до присоединения к детектору колонку нагревают до температуры на 50 °С выше гой, при которой ее предполагается использовать. При этом могут быть потери жидкой фазы, но колонка входит в стабильный рабочий режим.

 

2.6.3 Практическое применение

Широкое применение и большое  значение газовой хроматографии в практике вызвано тем, что с ее помощью можно идентифицировать отдельные компоненты сложных газовых смесей и определять их количественно, выполнение анализа не требует больших затрат времени, и метод является достаточно универсальным. Эффективно используется газовая хроматография в препаративных целях, в физико-химических исследованиях и других областях.

Методом газовой хроматографии  анализируют нефтяные и рудные газы, воздух, продукцию основной химии  и промышленности органического синтеза, нефть и продукты ее переработки, многочисленные металлоорганические соединения и т. д. Методы газовой хроматографии пригодны для разделения изотопов некоторых элементов, например водорода. Хроматография газов используется в биологии и медицине, в технологии переработки древесины, в лесохимии и пищевой промышленности, в технологии некоторых высокотемпературных процессов и многих других. Газовая хроматография может быть применена для анализа жидкостей после перевода их в пар в условиях работы хроматографической колонки.

Необходимо отметить применение газовой хроматографии для автоматизации  производственных процессов. Датчик промышленного хроматографа используется не только как регистрирующий прибор, но и как регулирующее устройство, подающее сигналы непосредственно исполнительным механизмам. Таким образом, промышленный хроматограф может контролировать и регулировать важнейшие параметры технологического процесса: температуру, давление, расход сырья и т. д.

Газовая хроматография широко используется также в физико-химических исследованиях. Хроматографическая методика позволяет сравнительно легко определить константу сорбционного равновесия при нескольких температурах и по этим данным рассчитать термодинамические характеристики сорбции: изменение энтальпии и энтропии в этом процессе. Хроматографическим методом определяют также коэффициенты активности, диффузии и другие характеристики вещества, изучают кинетику реакций и т. д.

Аналитическая реакционная  газовая хроматография применяется для анализа сложных многокомпонентных смесей, определения микропримесей, анализа нелетучих соединений (например, различных полимеров), для элементного анализа и т. д.

 

2.7 Анализ загрязнений  воздуха методом тонкослойной  хроматографии

2.7.1 Особенности  анализа загрязнений воздуха  методом ТСХ

Анализ загрязнений воздуха  методом тонкослойной хроматографии  включает отбор проб из воздуха и  последующий анализ на тонком слое адсорбента.  Отбор проб осуществляется в жидкие поглотительные среды, на твердые  сорбенты и различные фильтрующие  материалы. Специфика анализа примесей методом ТСХ позволяет непосредственно  анализировать лишь малолетучие  соединения. Для определения в  воздухе легколетучих веществ необходимо предварительно переводить в нелетучие  производные, которые можно разделять  на пластинке с помощью обычной  ТСХ-техники.

Для определения токсичных  примесей малолетучих соединений (например, сложных эфиров фталевых кислот, высокомолекулярных спиртов и других) анализируемый  воздух можно пропускать над частью пластинки, покрытой слоем активного  адсорбента. Сконцентрированные таким  способом примеси далее разделяют  детектируют на этой же пластинке  на слое силикагеля – гипс, который  был изолирован от потока воздуха  в момент отбора пробы. Это позволяет  избежать потерь исследуемых примесей, связанных с десорбцией их из концентратора.

Уникальной особенностью анализа методом ТСХ является возможность использования многократного  проявления, что позволяет концентрировать  исследуемые пробы при низких значениях R_f.