Хроматографический анализ

Хроматографический анализ

В широком смысле слова хроматография - это разделение двух- и многокомпонентных смесей газов, паров жидкостей или растворенных веществ сорбционными методами в  динамических условиях: Обычно разделение происходит при прохождении потока смеси через колонку, содержащую слой зерненого сорбента. При этом даже близкие по составу или строению вещества различно поглощаются сорбентами, происходит избирательная адсорбция, сильно сорбирующиеся вещества поглощаются  в верхней части колонки, а  слабее сорбирующиеся продвигаются дальше. Достигается разделение смеси  на отдельные компоненты по длине  колонки при повторяющихся процессах  сорбции и десорбции в элементарных слоях. Хроматографические разделения используются для качественного  и количественного анализа.

Хроматография -- современный  и высокоэффективный метод, позволяет  достаточно быстро и надежно определять содержание отдельных компонентов  в смесях, концентрировать и идентифицировать эти компоненты. Она эффективна не только в химическом анализе, но и  в химической технологии.

В биологии и агропромышленной сфере хроматографическое разделение и концентрирование используют перед  количественным определением микроэлементов, а также для обнаружения пестицидных  соединений в окружающей среде. При  технологическом контроле пищевых  производств хроматография служит для очистки веществ, анализа  смесей органических кислот, аминокислот  и других продуктов.

3. Классификация методов хроматографии

Хроматографические  методы классифицируют по агрегатному  состоянию среды, в которой осуществляется разделение смеси на компоненты; механизму (или химизму) процесса разделения; форме (аппаратуре или технике) проведения хроматографического процесса.

По агрегатному  состоянию среды для разделения смеси различают газовую, жидкостную и газожидкостную хроматографию.

По механизму  разделения смесей выделяют адсорбционную, ионообменную распределительную, осадочную, лигандообменную хроматографию. Иногда выделяют окислительно-восстановительную, адсорбционно-комплексообразовательную хроматографию и др.

Различают колоночную, капиллярную и плоскостную хроматографии, т. е. хроматографию на бумаге (бумажную) и хроматографию в тонком слое (тонкослойную).

Особо стоят ионная и высокоэффективная жидкостная хроматография. В некоторых вариантах  разделение смесей веществ происходит в результате наложения нескольких механизмов, действующих одновременно. При этом образуются хроматограммы  смешанного типа, но один из механизме  всегда остается преобладающим.

По способу получения  хроматограмм в хроматографическом методе различают фронтальный, вытеснительный и элюентный анализы. При фронтальном  анализе исследуемую смесь непрерывно подают в верхнюю часть колонки  сорбента. Если раствор двухкомпонентный, т.е.

содержит вещества А и В, то первым из колонки вытекает чистый растворитель, а после насыщения  сорбента менее сорбирующимся веществом  В, вытекает раствор, содержащий только компонент В. Но когда сорбент  насытится веществом А, в приемник начинают поступать и компонент  А и компонент В, т.е. оба компонента исходного раствора. Таким образом, при фронтальном анализе удается  получить в чистом виде только одно, наименее сорбирующееся вещество двухкомпонентной (или многокомпонентной) смеси, полного  разделения смеси на отдельные компоненты не происходит.

При вытеснительном анализе в колонку вводят порцию раствора, содержащего вещества А  и В, которые поглощаются сорбентом. Затем эти компоненты вытесняются  более сорбирующимся веществом  О, т. е, компоненты вытесняются в  соответствии с их избирательной  сорбируемостью. Вследствие этого, компоненты А и В перемещаются вдоль слоя сорбента со скоростью, равной скорости движения вытесняющего вещества В. Сначала  из колонки вытекает фракция, содержащая менее сорбируемый компонент  В, а затем -- компонент А, следовательно, при вытеснительном анализе получают в чистом виде веществ* двухкомпонентной (или многокомпонентной) смеси.

При элюентном анализе  в колонку вводят порцию исследуемого раствора содержащего несколько  компонентов (А, В, С) и непрерывный  поток растворителя. В полученной хроматограмме положение компоненте соответствует их сорбируемости, например А> В > С, т.е. нижняя зон; хроматограммы  содержит чистое вещество С. Затем колонну  промывают чистым растворителем  и компоненты смеси перемещаются вдоль нее вытесняя друг друга. Франции  фильтрата содержат сначала компонент  С затем В и, наконец, компонент  А.

Массу каждого компонента, выделенного из смеси тем или  иным хроматографическим методом, определяют обычными химическими, физико-химическими  или физическими методами.

4. Краткие сведения о хроматографических  методах анализа

В аналитической  практике широко применяют хроматографические методы анализа.

Впервые хроматографический метод анализа был предложен 1903г. русским ученым М. С. Цветом.

Сущность хроматографического  метода анализа заключается в  следующем. Раствор смеси веществ, подлежащих разделению, пропускают через  стеклянную трубку, наполненную твердым  адсорбентом. Адсорбентами называют твердые  тела, на поверхности которых происходит поглощение (адсорбция) отдельных компонентов  анализируемой смеси. Стеклянную трубку, заполненную адсорбентом, называют адсорбционной колонкой.

Вследствие различной  адсорбируемости и скорости передвижения отдельных веществ, находящихся  в анализируемом растворе, компоненты смеси удерживаются на различной  высоте столба адсорбента в виде отдельных  зон (слоев). Вещества, обладающие большей  способностью адсорбироваться, поглощаются  в верхней части адсорбционной  колонии, хуже адсорбируемые - располагаются  ниже. Вещества, не способные адсорбироваться  данным адсорбентом, проходят через  колонну, не задерживаясь, и собираются в фильтрате.

5. Виды хроматографического метода  анализ.

По механизму  разделения различают следующие, виды хроматографического метода анализа: адсорбционную, распределительную, ионообменную, осадочную, окислительно-восстановительную  и адсорбционно-комплексообразовательную хроматографию.

Адсорбционная хроматография  основана на избирательной адсорбции (поглощении) отдельных компонентов  анализируемой смеси соответствующими адсорбентами. При работе этим методом  анализируемый раствор пропускают через колонку, заполненную мелкими  зернами адсорбента.

На характере  получаемых хроматограмм сильно сказываются  природа и структура адсорбента, свойства растворителя, состав и строение анализируемого вещества, скорость движения раствора, температура и т. п. Применяют  адсорбционную хроматографию преимущественно  для разделения неэлектролитов, паров  и газов.

Распределительная хроматография основана на использовании  различия коэффициентов распределения, отдельных компонентов анализируемой  смеси между двумя несмешивающимися жидкостями. Одна из жидкостей (неподвижная) распределена на пористом веществе (носитель), а вторая (подвижная) представляет собой  растворитель, не смешивающийся с  первым. Этот растворитель пропускают через колонку с небольшой  скоростью.

Различные значения коэффициентов распределения обеспечивают неодинаковую скорость движения, и  разделения компонентов смеси.

Коэффициентом распределения  вещества между двумя несмешивающимися растворителями называют отношение  концентрации вещества в одном (в  нашем случае подвижном) растворителе к концентрации того же вещества в  другом (неподвижном) растворителе.

В распределительной  хроматографии одним из растворителей  обычно служит вода. Она является неподвижным  растворителем и находится в  порах носителя, например крахмала или силикагеля. Разделение при помощи распределительной хроматографии  выполняют следующим путем. Анализируемую  смесь веществ, растворенную в воде, вводят в колонку и, после того как раствор впитается верхней  частью носителя, промывают колонку  подвижным растворителем (например, бутиловым спиртом или смесью растворителей). В процессе промывания происходит непрерывное перераспределение  веществ смеси между двумя  несмешивающимися жидкостями (вода - растворитель). Поскольку разные компоненты смеси  имеют различные коэффициенты распределения, то и скорость передвижения отдельных  компонентов тоже различна. Наибольшей скоростью движения обладает то вещество, которое имеет наибольший коэффициент  распределения. При промывании колонки  образуются отдельные зоны чистых веществ.

В последнее время  в качестве носителя для неподвижного растворителя вместо колонии используют полоски или листы фильтровальной бумаги, не содержащей минеральных  примесей. В этом случае каплю водного  испытуемого раствора, например смесь  растворов солей железа (III) и кобальта; наносят на край полоски бумаги. Бумагу подвешивают в закрытой камере, опустив ее край с нанесенной на него каплей испытуемого раствора в  сосуд с растворителем, например с н-бутиловым спиртом. Растворитель, перемещаясь по бумаге, смачивает  ее. При этом каждое содержащееся в  анализируемой смеси вещество с  присущей ему скоростью перемещается в том же направлении, что и  растворитель. По окончании разделения ионов бумагу высушивают и за тем  опрыскивают реактивом. Образующиеся при этом зоны в виде окрашенных пятен позволяют установить состав смеси. Такой вид распределенной хроматографии называют бумажной хроматографией.

Бумажная хроматография  в сочетании с применением  органических реактивов дает возможность  провести качественный анализ сложных  смесей катионов и анионов. На одной  хроматограмме при помощи одного реактива можно обнаружить ряд веществ, так как для каждого вещества характерно не только соответствующее  окрашивание, но и определенное место  локализации на хромато грамме.

Хроматография на бумаге с успехом применима для  разделения очень близких по химическим свойствам компонентов, определение  которых обычными химическими методами затруднительно.

Одним из видов  распределительной хроматографии  также является тонкослойная хроматография, или хроматография в тонких слоях, Разделение проводят на пластинках, покрытых тонким слоем носителя (оксид алюминия, кизельгур, силикагель и др.), удерживающего  неподвижный растворитель.

Особым видом  распределительной хроматографии  является газо-жидкостная хроматография, широко применяемая в различных  областях науки и промышленности для анализа газов и паров  легкокипящих жидкостей. В качестве неподвижной фазы используют различные  малолетучие растворители, а в  качестве подвижной фазы -- газообразные азот, водород, гелий. Для проведения газо-жидкостной хроматографии применяют  приборы, называемые хроматографами.

Ионообменная хроматография  основана на способности компонентов  анализируемой смеси вступать в  обменные реакции с подвижными нонами адсорбента. В этом случае анализируемый  раствор пропускают через хроматографическую колонку, заполненную мелкими зернами  ионообменного вещества (ионитом) - катионитом или анионитом. Иониты представляют собой нерастворимые неорганические и органические высокомолекулярные соединения, содержащие активные группы. Подвижные ноны этих групп способны при контакте с растворами электролитов обмениваться на катионы или анионы растворенного вещества. В качестве ионитов применяют оксид алюминия (для хроматографии), сульфоуголь  и разнообразные синтетические  органические, ионообменные смолы.

Иониты делят  на катиониты, способные к катионному обмену; аниониты способные к анионному  обмену, и ионообменные вещества, обладающие амфотерными свойствами, т. е. способные  и к анионному, и к катионному обмену.

Ионообменную хроматографию  применяют в аналитической химии  для разделения ионов, отделения  катионов от анионов и для концентрирования ионов.

Осадочная хроматография  основана на различной растворимости  осадков, образуемых компонентами анализируемой  смеси со специальными реактивами, нанесенными па высокодисперсное вещество. Анализируемые растворы пропускают через колонку, заполненную пористым веществом (носителем). Носитель пропитан реактивом - осадителем, который образует с ионами раствора осадки, имеющие  различную растворимость. Приготовление  осадителя на носителе осуществляется либо путем пропитывания носителя раствором  осадителя, либо путем рас тирания  носителя с осадителем.

Образовавшиеся  осадки в зависимости от растворимости  располагаются в определенной последовательности по высоте колонки.

Осадки закрепляются на колонке в результате задержания их в порах носителя, поверхностного взаимодействия кристаллов осадка с  зернами носителя и сорбции на носителе вступившего в реакцию  осадителя.

Окислительно-восстановительная  хроматография. В окислительно-восстановительной  хроматографии разделение веществ  обусловливается неодинаковыми  скоростями реакций окисления -- восстановления, протекающих между окислителем  и восстановителем, которые содержатся в колонках, и нонами хроматографируемого  раствора.

Адсорбционно-комплексообрааовательная хроматография. В адсорбционно-комплексообразовательной хроматографии разделение веществ  обусловливается различием в  константах устойчивости их комплексных  соединений. В качестве носителей  используют сорбенты, способные удерживать комплексообразующий реагент и  продукты его реакции с катионами  металлов.

Таким образом, хроматография  это метод разделения, обнаружения  и определения веществ, основанный на различии их поведения в системе  из двух несмешивающихся фаз - подвижной  и неподвижной. Это наиболее распространенный, надежный и универсальный прием  разделения самых разнообразных  смесей. Хроматография не только метод  разделения. Поскольку хроматографические процессы зависят от природы и 11

концентрации веществ, хроматография является важным методом  идентификации и определения  веществ.

Список использованных источников

1. Аналитической  химии. Физико-химические методы  анализа. Под ред. Е. Н. Дорохова, Г. В. Прохорова, - М.: Высш. шк.., 1991. - 256с.