Хроматографический метод анализа

Министерство  образования и науки Республики Казахстан

 

Карагандинский  государственный университет

им. академика  Е.А.Букетова

 

Химический  факультет

Кафедра физической и аналитической химии

 

 

 

 

Допущена к защите

«_____» декабря 2011г.

Научный руководитель

____________к.х.н.,

доцент Пустолайкина И.А.

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Аналитическая химия»

на тему: «Хроматографический метод анализа»

 

 

 

 

Выполнила: студентка

группы ХТНВ-22

Айдаркожина А.С.

 

 

Проверила: к.х.н., доцент

Пустолайкина И.А.

 

 

 

 

 

 

 

Караганда, 2011г.

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………… …3

1 ТЕОРЕТИЧСЕКИЕ ОСНОВЫ ХРОМАТОГРАФИИ …………… ...4

1.1 Сущность хроматографического метода…………………………… …5

1.2 Основные характеристики хроматографического процесса……… ….7

1.3 Классификация хроматографических методов…………………… …..7

2 МЕТОДЫ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА…………   …11

2.1 Газовая хроматография…………………………………………………14

2.2 Жидкостная хроматография……………………………………………14

2.3 Адсорбционная хроматография………………………………………..18

2.4 Ионообменная хроматография…………………………………………21

2. 5 Тонкослойная и бумажная хроматография…………………………...26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….31

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………..32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Хроматографические методы анализа это одно из самых лучших средств контроля загрязнения окружающей среды. Он позволяет анализировать сложные смеси веществ.

Главные достоинства: точность, экспрессность, наибольшая чувствительность способность определять малое количество вещества.  Как аналитический метод, произвел революцию химического анализа за последние 60 лет, и особенно важен для смесей трудно разделимых и трудно анализируемых.

Из всех хроматографических методов наиболее значимое место  занимает тонкослойная, жидкостная и  ионная хроматография.

Тонкослойная хроматография чаще всего используется при определении пестицидов и органических загрязнителей. Преимущество данного метода высокая скорость анализа, высокое качество разделения, так же возможность выбора одной из статичных фаз, обладающих наиболее подходящими свойствами.

Высокоэффективная жидкостная хроматография метод, который отделяет  смесь соединений и используется в биохимии и аналитической химии  для идентификации, количественного  определения и очищение отдельных  компонентов смеси.

Жидкостную хроматографию используют при анализе смесей нелетучих загрязняющих веществ. Ионная хроматография представляет собой процесс, который позволяет разделение ионов и полярных молекул в зависимости от их заряда. Его можно использовать практически для любого вида заряженных молекул белков в том числе крупных, малых нуклеотидов и аминокислот. Часто используется в очистки белков, в анализе воды, и в контроле качества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ТЕОРЕТИЧСЕКИЕ ОСНОВЫ ХРОМАТОГРАФИИ

 

Хроматография – важнейший аналитический метод. Хроматографическими методами можно определять газообразные, жидкие, и твердые вещества с молекулярной массой от единиц до 106. Это могут быть неорганические вещества, например, ионы металлов, изотопы водорода, и органические – белки, синтетические полимеры и т.д. С помощью хроматографии получена обширная информация о строении и свойствах органических соединений многих классов.

Хроматографию с успехом применяют в исследовательских и клинических целях в различных областях биохимии и медицины, в фармацевтике, криминалистике, пищевой промышленности, для мониторинга окружающей среды. Универсальность, экспрессность, чувствительность метода обуславливают частое использование хроматографии в аналитических целях.

Возникновение хроматографии  как научного метода связано с именем русского ученого-ботаника М.С.Цвета, который впервые применил явление адсорбции для анализа зеленой части хлорофилловых пигментов листьев. В 1903 г. М.С.Цвет опубликовал статью, в которой сформулировал принцип нового метода и наглядно показал возможность отделения зеленой части хлорофилловых пигментов от желтой и оранжевой с помощью углекислого кальция (адсорбента). Однако метод хроматографии не использовался вплоть до 1930 года, когда немецкие биохимики Кун, Ледерер, Винтерштейн повторили опыты Цвета и успешно разделили каротин на отдельные изомеры, предсказанные Цветом. С этого времени хроматография стала развиваться в самых разнообразных направлениях.

Первые публикации, посвященные  применению метода Цвета в неорганическом анализе, относятся к 1937 году и принадлежат Швабу и его сотрудникам. В этих работах приведена методика качественного анализа смесей некоторых катионов и анионов на стеклянной колонке с оксидом алюминия. С 1938 г. широкое распространение получил метод тонкослойной хроматографии, разработанный Н.А.Измайловым и М.C.Шрайбер.

Значительные успехи в разделении и анализе неорганических веществ были достигнуты в 50-х годах, когда в практику хроматографии были введены в качестве адсорбентов ионообменные смолы, что способствовало развитию ионообменной хроматографии. В 1941 году английские ученые Мартин и Синдж предложили метод распределительной хроматографии в жидкостно-жидкостном варианте. В 1948 г. русские ученые Е.H. Гапон и Т.Б. Гапон предложили осадочную хроматографию, основанную на различной растворимости осадков в подвижной фазе. Первая работа по газовой хроматографии в России была выполнена Н.М. Туркельтаубом в 1949г. В 1952 году Джеймс и Мартин применили газожидкостную хроматографию к анализу жирных кислот. Дальнейшему развитию газовой хроматографии способствовали работы русских ученых А.A. Жуховицкого, М.C. Вигдергауза, A.B. Киселева, Д.A. Вяхирева, А.В. Березкина и других. Более 10 работ (1957–1980), выполненных с применением хроматографических методов, были удостоены Нобелевских премий

 

1.1 Сущность хроматографического метода

 

Метод хроматографии используются экспертами различных сфер биологии, физики, геологии и конечно химии. Преимущество хроматографического метода заключается в том, что часто возникает необходимость разделять смеси веществ на их составляющие по причине необходимости получения сверхчистых веществ.  
Хроматографический метод основывается на распределении компонентов смесей между двумя фазами – неподвижной (статичной) и подвижной (элюент), идущей через неподвижную. Следовательно, компоненты находящиеся в разных фазах не представляют труда при разделении.

Когда же компоненты смеси однофазные, разделение происходит труднее.

В этом случае метод хроматографии  осуществляет изменение агрегатного  состояния некоторых компонентов (например, выпадение осадка).  Также может применить физические или химические методы разделения.

Дистилляция, кристаллизация, экстракция и адсорбция – в  основе всех этих методов разделения, используемых в хроматографах, лежит  изменение фазовых равновесий. Во время применения данных методов в хроматографах молекулы веществ, которые образуют смесь, переходят через границу раздела фаз, стремясь к такому распределению, при котором в каждой фаз устанавливается постоянная равновесная концентрация. 
При близости свойств компонентов исследуемой смеси достаточной степени разделения в хроматографе можно достигнуть только многократным повторением элементарного акта разделения. В таких случаях полное разделение в хроматографах достигается только для простых систем, которые содержат не более трех компонентов. Примером является использование многократного разделения в насадочных или тарельчатых ректификационных колоннах (хроматографа).

Для получения более  полного разделения, метод хроматографии  использует наложение действия кинетического фактора на эффект, вызываемый многократным установлением фазовых равновесий. При использовании кинетических явлений (в хроматографии при молекулярной дистилляции), через границу раздела фаз только в одном направлении переносятся молекулы лишь одного вещества. Если хроматографом производится разделение смеси в таких системах, в которых подвижная фаза перемещается относительно неподвижной, то улавливание и удаление молекул, покидающих границу раздела фаз, происходит благодаря постоянному перемещению подвижной фазы. При этом молекулы, выходя из подвижной фазы, возвращаясь в нее, попадают в новый элемент объема.  
Хроматография получает высокую эффективность разделения, если фазовые переходы повторяются многократно в процессе разделения. Так как в хроматографии фазовые переходы связаны с поверхностью раздела, то подвижная и неподвижная фазы должны обладать большой поверхностью соприкосновения, а из-за наличия диффузионных процессов, снижающих эффективность разделения, фазы должны иметь относительно небольшую толщину взаимодействующего слоя.

В определенной степени  эти требования выполняются в  методе разделения смеси веществ, получившем название собственно хроматографического.

В данном случае в качестве неподвижной фазы берется мелкоизмельченный  сорбент, им наполняется стеклянная или металлическая трубка, и движение подвижной фазы (жидкости или газа) осуществляется за счет перепада давления на концах этой трубки. Подобное устройство представляет собой хроматографическую колонку (колонку хроматографа). Смесь веществ, которую нужно разделить, вместе с потоком подвижной фазы поступает в колонку хроматографа. При контакте с поверхностью неподвижной фазы каждый из компонентов разделяемой смеси в соответствии с его свойствами (например, адсорбируемостью или растворимостью) распределяется между подвижной и неподвижной фазами. Из-за непрерывного движения подвижной фазы во взаимодействие с неподвижной фазой вступает только часть распределяющегося компонента. При этом другая его часть продвигается дальше в направлении потока и вступает во взаимодействие с другим участком поверхности неподвижной фазы. Поэтому только при достаточно медленном движении подвижной фазы, на небольшом слое неподвижной фазы происходит распределение вещества между подвижной и неподвижной фазами.

При хроматографии компоненты смеси, которые были поглощены неподвижной  фазой, не участвуют в перемещении  подвижной фазы до тех пор, пока они  не десорбируются и не будут снова  перенесены в подвижную фазу. Поэтому  для прохождения всего слоя неподвижной фазы в колонке хроматографа каждому из них потребуется большее время, чем молекулам подвижной фазы. Если молекулы разных компонентов разделяемой смеси обладают различной степенью сродства к неподвижной фазе (различной адсорбируемостью или растворимостью), то время пребывания их в этой фазе, а, следовательно, и средняя скорость передвижения по колонке хроматографа различны. Если колонка хроматографа имеет достаточную длину, то это различие может привести к полному разделению смеси на составляющие ее компоненты.

Хроматографический метод  применяется не только для разделения и анализа смеси веществ. На данном этапе хроматография широко используется и как метод научного исследования, например, для исследования свойств  сложных систем, в частности растворов. 
Итак, хроматография – это процесс, основанный на перемещении дискретной зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы и связанный с многократным повторением сорбционных и десорбционных актов. Хроматография осуществляется при сорбционном распределении вещества между двумя фазами, одна из которых перемещается относительно другой. 
Состав смеси, которая покидает колонку хроматографа, постоянно меняется. Здесь, в отличии от экстракции или ректификации, нельзя отбирать в течение всего процесса непрерывно одну и ту же фракцию, или одно и то же вещество (за исключением специальных случаев, когда имеет место движение слоя сорбента).

 

1.2 Основные  характеристики хроматографического  процесса

 

Основные характеристики хроматографического процесса. Коэффициент  распределения. Удерживаемый объем и время удерживания. Коэффициент емкости. Коэффициент удерживания, его физический смысл. Селективность и эффективность хроматографического разделения. Коэффициент разделения. Разрешение.

 Теория равновесной  хроматографии. Связь скорости перемещения вещества вдоль слоя неподвижной фазы с коэффициентом распределения и изотермой сорбции. Зависимость формы хроматографического пика от вида изотермы сорбции.

 Размывание хроматографической  зоны и его физические причины.  Неравновесная хроматография. Основы концепции теоретических тарелок. Связь с противоточным распределением. Число теоретических тарелок и эффективность колонки. Понятие о ВЭТТ. Недостатки концепции теоретических тарелок.

 Кинетические теории  хроматографии. Факторы, влияющие на размывание зон (вихревая диффузия, молекулярная диффузия, сопротивление массопередачи в подвижной и неподвижной фазах). Зависимость ВЭТТ от скорости потока. Уравнение Ван-Деемтера. Принципиальная схема хроматографа. Выбор параметров хроматографического определения. Идентификация веществ. Количественный анализ. Измерение площадей и высот пиков. Методы внутреннего и внешнего стандартов. Источники ошибок, воспроизводимость измерений.

 

1.3 Классификация  хроматографических методов

 

В основу классификации многочисленных хроматографических методов положены следующие признаки:

1) агрегатное состояние  фаз;

2) механизм взаимодействия  сорбент – сорбат;