Основные положения хроматографии

АИНГ. Специальность 050721-«Химическая  технология органических веществ».  Группа ХТНГ-09р/о   

Ф.И.О. студента Абылкалыков  Абылай-хан Ерсаинович

 

Введение

 

Хроматография в настоящее  время является наиболее широко

используемым методом  исследования объектов окружающей среды.

Хроматографический метод  был предложен в 1903  году русским

ученым М.С.  Цветом.  Он писал: «При фильтрации смешанного раствора через столб адсорбента пигменты…  расслаиваются в виде отдельных, различно окрашенных зон. Подобно световым лучам в спектре, различные

компоненты сложного пигмента закономерно распределяются друг за

другом в столбе адсорбента и становятся доступными качественному

определению. Такой рассчвеченный  препарат я назвал хроматограммой, а

соответствующий метод  анализа хроматографическим методом».

Работы М.С.Цвета послужили фундаментом для развития остальных видов хроматографии для разделения как окрашенных,  так и неокрашенных

соединений, осуществляемых в любых средах.

Хроматография (от греч. chroma, chromatos - цвет, краска), физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами - неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную.

Хроматография – процесс, основанный на многократном повторении актов сорбции и десорбции  вещества при перемещении его  в потоке подвижной фазы вдоль  неподвижного сорбента.

Разделение сложных  смесей хроматографическим способом основано на различной сорбируемости компонентов смеси.

В процессе хроматографирования так называемая подвижная фаза (элюент), содержащая анализируемую пробу, перемещается через неподвижную фазу. Обычно неподвижная фаза представляет собой вещество с развитой поверхностью, а подвижная – поток газа или жидкости, фильтрующейся через слой сорбента. При этом происходит многократное повторение актов сорбции – десорбции, что является характерной особенностьюхроматографического процесса и обуславливает эффективность хроматографического разделения.

Качественный хроматографический анализ, т.е. индетификация вещества по его хроматограмме, может быть выполнен сравнением хроматограических характеристик, чаще всего удерживаемого объема (т.е. объема подвижной фазы, пропущенной через колонку от начала ввода смеси до появления данного компонента на выходе из колонки), найденных при определенных условиях для компонентов анализируемой смеси и для эталона.

Количественный хроматографический анализ проводят обычно на хроматографе. Метод основан на измерении различных параметров хроматографического пика, зависящих от концентрациихроматографируемых веществ – высоты, ширины, площади и удерживаемого объема или произведения удерживаемого объема на высоту пика.

В количественной газовой хроматографии применяют методы абсолютной градуировки и внутренней нормализации, или нормировки. Используется также метод внутреннего стандарта. При абсолютной градуировке экспериментально определяют зависимость высоты или площади пика от концентрации вещества и строят градуировочные графики или рассчитывают соответствующие коэффициенты. Далее определяют те же характеристики пиков в анализируемой смеси, и по градуировочному графику находят концентрацию анализируемого вещества. Этот простой и точный метод является основным при определении микропримесей.

При использовании метода внутренней нормализации принимают сумму каких-либо параметров пиков, например сумму высот всех пиков или сумму их площадей, за 100%. Тогда отношение высоты отдельного пика к сумме высот или отношение площади одного пика к сумме площадей при умножении на 100 будет характеризовать массовую долю (%) компонента в смеси. При таком подходе необходимо, чтобы зависимость величины измеряемого параметра от концентрации была одинаковой для всех компонентов смеси.

Хроматографический анализ является критерием однородности вещества: если каким-либо хроматографическим способом анализируемое вещество не разделилось, то его считают однородным (без  примесей).

Принципиальным отличием хроматографических методов от других физико-химических методов анализа является возможность разделения близких по свойствам веществ. После разделения компоненты анализируемой смеси можно идентифицировать (установить природу) и количественно определять (массу, концентрацию) любыми химическими, физическими и физико-химическими методами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основные  положения хроматографии

 

Хроматографией называется метод разделения и анализа смеси  веществ, основанный на различной сорбции  компонентов анализируемой смеси определенным сорбентом. Впервые хроматография была предложена в 1903 г. русским ученым М. С. Цветом. Хроматографический метод анализа был впервые применён русским учёным-ботаником Михаилом Семеновичем Цветом в 1900 году. Он использовал колонку, заполненную карбонатом кальция для разделения пигментов растительного происхождения. Первое сообщение о разработке метода хроматографии было сделано Цветом 30 декабря 1901 года на XI Съезде естествоиспытателей и врачей в С.-Петербурге. Первая печатная работа по хроматографии была опубликована в 1903 году, в журнале Труды Варшавского общества естествоиспытателей. Впервые термин хроматография появился в двух печатных работах Цвета в 1906 году, опубликованных в немецком журнале Berichte der Deutschen Botanischen Gesellschaft. В 1907 году Цвет демонстрирует Немецкому Ботаническому обществу образец хроматографа — прибора для осуществления процесса хроматографии. В 1910-1930 годы метод был незаслуженно забыт и практически не развивался. В 1952 году Дж. Мартину и Р. Синджу была присуждена Нобелевская премия по химии за создание метода распределительной хроматографии. С середины 20 века и до наших дней хроматография интенсивно развивалась и стала одним из наиболее широко применяемых методов анализа.

В настоящее время  этот метод разделения и анализа смесей веществ применяется практически во всех областях химической технологии. Различают следующие основные типы хроматографии: адсорбционную, распределительную, ионообменную, электронообменную, электрофорез и гель-хроматографию. Хроматография широко применяется в лабораториях и в промышленности для качественного и количественного анализа многокомпонентных систем, контроля производства, особенно в связи с автоматизацией многих процессов, а также для препаративного (в т. ч. промышленного) выделения индивидуальных веществ (например, благородных металлов), разделения редких и рассеянных элементов.

В адсорбционной хроматографии  адсорбирующей поверхностью является неподвижная твердая фаза, состоящая  из мелкоизмельченного пористого материала (сорбента) - силикагеля, окиси алюминия, активированного угля, магнезии и т. п. Подвижной фазой служит жидкость или газ. Разделение анализируемых веществ основано на их различной способности к миграции в пористой среде (неподвижной фазе) за счет перемещения подвижной фазы.

Для хроматографического  разделения небольшое количество анализируемого образца помещают в верхнюю часть  колонки, заполненной пористым сорбентом, и пропускают через колонку сверху вниз газ или жидкость. Подвижная  фаза проходит сначала через анализируемый образец, а затем движется через слой сорбента. При этом компоненты анализируемой смеси .многократно распределяются между неподвижной и подвижной фазами. Вследствие различной адсорбции их на неподвижной фазе они мигрируют вдоль колонки с различной скоростью, разделяются и выходят из колонки отдельно. При контроле состава выходящей из колонки подвижной фазы можно зафиксировать моменты появления индивидуальных компонентов и определить их количественно.

В распределительной  хроматографии распределение растворенного вещества происходит между двумя или более жидкими фазами или между неподвижной жидкой и газовой фазами. Неподвижная жидкая фаза может представлять собой пленку или слой либо быть диспергированной на объемном инертном твердом носителе.

В ионообменной хроматографии  нерастворимой неподвижной твердой  фазой является ионообменная смола, а подвижной фазой - раствор электролита.

В электронообменной  хроматографии в качестве неподвижной  фазы используют полимерные смолы, обладающие окислительно-восстановительными свойствами, способные избирательно окислять или восстанавливать компоненты подвижной фазы.

При электрофорезе компоненты смеси ионов на твердом носителе (например, фильтровальная бумага или  колонка с сорбентом, пропитанным  проводящим электрический ток буферным раствором) мигрируют с различными скоростями и разделяются на зоны под действием электрического поля. Этот метод часто используется для разделения белков (поле низкого напряжения), аминокислот и пептидов (поле высокого напряжения). В гель-хроматографии колонка заполняется адсорбентами, на поверхности которых имеются поры определенного размера (молекулярные сита). Мелкие молекулы могут проникать в поры, а крупные - нет. Поэтому мелкие молекулы более прочно удерживаются неподвижной фазой при проявлении растворителем, чем крупные, и соответственно выходят из колонки позже.

В зависимости от техники  проведения хроматографического разделения различают колоночную, бумажную, тонкослойную (ТСХ), газовую, газожидкостную хроматографию (ГЖХ) и др.

Хроматографию применяют для очистки, разделения и количественного анализа веществ. Достоинствами хроматографических методов анализа являются их высокая чувствительность и селективность. Для анализа требуется небольшое количество вещества. Хроматография позволяет разделять и анализировать смеси веществ, близких по своим свойствам.

Принципиальным отличием хроматографических методов от других физико-химических методов анализа  является возможность разделения близких  по свойствам веществ. После разделения компоненты анализируемой смеси можно идентифицировать (установить природу) и количественно определять (массу, концентрацию) любыми химическими, физическими и физико-химическими методами.

В некоторых случаях для идентификации веществ используется хроматография в сочетании с другими физико-химическими и физическими методами, например с масс-спектрометрией, ИК-, УФ-спектроскопией и др. Для расшифровки хроматограмм и выбора условий опыта применяют ЭВМ.

Основные достоинства  хроматографического анализа:

• Экспрессность, высокая эффективность; возможность автоматизации и получение объективной информации;
• сочетание с другими физико-химическими методами;
• широкий интервал концентраций соединений;
• возможность изучения физико-химических свойств соединений;
• осуществление проведения качественного и количественного анализа;
• применение для контроля и автоматического регулирования технологических процессов.

 

2. Виды  хроматографии

 

В зависимости от природы  взаимодействия, обусловливающего распределение  компонентов между элюентом и  неподвижной фазой, различают следующие основные виды хроматографии - адсорбционную, распределительную, жидкостную, сорбционную, ионообменную, молекулярно – ситовую и осадочную.

 

Методы хроматографии	Подвижная фаза	Неподвижная фаза	Детекторы
Газовая адсорбционная (ГАХ)	Газ (гелий, азот, водород, аргон, воздух)	Неспецифические сорбенты (угли). Полярные – SiO2.nН2О; Al2O3. Молекулярные сита или цеолиты – алюмосиликаты  щелочных металлов, сополимеры стирола  и дивинилбензола	Катарометр, пламенно-ионизационный (ПИД), по захвату е, термоионный, аргонный; масс-селективный (МСД), атомно-эмиссионный, инфракрасный, ИК-Фурье спектрометр
Газовая распределительная (ГЖХ)	Газ (гелий, азот, водород, аргон, воздух)	Пленки жидких сорбентов  различной полярности нанесены на твердый носитель или стенки колонки: полиэтиленгликоли, силиконовые масла
Жидкостная сорбционная (ЖЖХ, ВЭЖХ, ЖАХ)	Водно-органические буферные растворы – элюенты: ацетонитрил, этанол, вода, гексан, их смеси	Пленки жидких сорбентов  различной полярности нанесены на твердый носитель или стенки колонки: полиэтиленгликоли, силиконовые масла, эфиры гликолей. Полярные – SiO2.nН2О; Al2O3. Молекулярные сита или цеолиты – алюмосиликаты щелочных металлов, сополимеры стирола и дивинилбензола	Электрохимический, многоволновый оптический; по показателю преломления; флюоресцентный, УФ-, ИК-, видимый спектрофотометр; масс-спектрометр
Ионо-обменная	Водные растворы	Катиониты, аниониты, амфолиты	Титрометрия
Молекулярно-ситовая	Растворы мономеров, полимеров	Молекулярные сита органической и неорганической природы	Масс-спектрометр, вискозиметр
Плоскостная ЖЖХ, ЖАХ	Органические и неорганические растворители	SiO2.nН2О; Al2O3, гидрофильная  и гидрофобная бумага	Оптические, электрохимические

 

 

 

2.1. Газовая хроматография

 

Газовая хроматография – метод разделения летучих, термостабильных соединений.  Этим требованиям отвечает около 5% известных органических соединений, но именно эти соединения оставляют 70-80 % соединений, которые использует человек в сфере производства и быта. Подвижной фазой служит инертный газ  (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу, имеющую большую поверхность.

В качестве подвижной  фазы можно использовать водород,  гелий,  азот,

аргон и углекислый газ.  Наиболее часто используют азот,  как более

доступный и дешевый.  Газ-носитель обеспечивает перенос разделяемых

компонентов по хроматографической колонке и не взаимодействует  ни с

разделяемыми веществами, ни с неподвижной фазой.

Достоинствами газовой  хроматографии являются:

– сравнительная простота аппаратурного оформления;

–  весьма широкие  границы применимости  (можно  определять

соединения,  для которых  достигается давление насыщенного  пара

0,001-1 мм рт.ст.);

–  возможность определения  с высокой точностью малых  количеств

газов органических соединений с высокой точностью;

–  быстрота анализа;

–  широкий выбор  сорбентов и неподвижных фаз;

–  высокая гибкость изменения условий разделения;

–  возможность осуществления  химических реакций в

хроматографической колонке  или детекторе, что расширяет  круг анализируемых соединений (реакционная газовая хроматография);12

–  повышение информативности  при сочетании с различными

инструментальными методами (масс-спектрометрией и ИК (Фурье) спектрометрией).

В газовой хроматографии  используют широкий круг детекторов,

которые можно подразделить на интегральные и дифференциальные.

Интегральные –  регистрируют изменение во времени суммарного

количества всех компонентов, дифференциальные – измеряют мгновенную

концентрацию компонентов. В концентрационном детекторе сигнал определяется текущей

концентрацией в ячейке и многократно регистрируется,  зависит от

скорости потока.  Детектор такого типа –  катарометр.  Потоковый

детектор регистрирует сигнал однократно,  сигнал определяется

мгновенным значением  концентрации,  не зависит от скорости потока.