Основы хроматографических методов анализа

Содержание

1. Основы хроматографических методов анализа……………………………………………стр.3-6
2. Классификация хроматографических методов……………………………………………стр.6-7
3. Качественный и количественный анализ…………………………………………………стр.7-10
4. Коэффициент разделения компонентов и методы его определения в тонкослойной хроматографии ……………………………………………………………………………стр.10-13
5. Особенности анализа загрязнений воздуха методом тонкослойной хроматографии..стр.13-17
6. Задача………………………………………………………………………………………стр.17-18
7. Библиографический список………………………………………………………………стр.19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основы хроматографических методов анализа

Хроматографический  метод анализа разработан русским  ботаником М. С. Цветом в 1903 г. В первых же работах с помощью этого метода М. С. Цвет установил, что считавшийся однородным зеленый пигмент растений — хлорофилл — на самом деле состоит из нескольких веществ. При пропускании экстракта зеленого листа через колонку, заполненную порошком мела, и промывании петролейным эфиром, он получил несколько окрашенных зон, что с несомненностью говорило о наличии в экстракте нескольких веществ. Впоследствии это было подтверждено другими исследователями. Этот метод он назвал хроматографией (от греч. хроматос — цвет), хотя сам же указал на возможность разделения и бесцветных веществ. Работы М. С. Цвета довольно долгое время оставались забытыми и не привлекали внимания, что в известной степени было связано с отрицательной оценкой этих работ, которую дали некоторые авторитеты того времени. Заметное развитие хроматографических методов началось в 30-е годы XX в., когда возникла острая потребность в новом методе разделения смесей и очистке веществ, разлагающихся при нагревании. Хроматография продолжает бурно развиваться и в настоящее время является одним из перспективных методов анализа. О значимости хроматографии говорит тот факт, что за работы, выполненные с применением хроматографических методов, было присуждено 14 Нобелевских премий.

Хроматографию можно определить как процесс, основанный на многократном повторении актов сорбции и десорбции вещества при перемещении его в потоке подвижной фазы вдоль неподвижного сорбента.

Сорбцией (от лат. — sorbeo — поглощаю) называют процесс поглощения твердым телом или жидкостью (сорбентом) газообразного или растворенного вещества (сорбата), обратный процесс называют десорбцией. Сорбцию подразделяют на адсорбцию поглощение вещества (адсорбата) поверхностью твердого или жидкого адсорбента и абсорбцию — поглощение вещества (абсорбата) поверхностью абсорбента.

Поглощение  вещества сорбентом с образованием химических соединений называют хемосорбцией (химической сорбцией).

Вещество  подвижной фазы непрерывно вступает в контакт с новыми участками сорбента и частично сорбируется, а сорбированное вещество контактирует со свежими порциями подвижной фазы и частично десорбируется.

 

 

 

 

 

Рис. 1 .Изотерма адсорбции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При постоянной температуре  адсорбция увеличивается с ростом концентрации раствора или давления газа. Зависимость количества поглощенного вещества от концентрации раствора или давления газа при постоянной температуре называют изотермой адсорбции. Типичная изотерма адсорбции приведена на рис.1. Математически эта зависимость может быть выражена уравнением Лэнгмюра

       (1.1)

где п — количество адсорбированного вещества при равновесии; — максимальное количество вещества, которое может быть адсорбировано на данном адсорбенте; b — постоянная, с — концентрация.

По Лэнгмюру на поверхности твердого тела имеется  некоторое число мест с минимальной энергией, расположенных через определенные интервалы по всей поверхности. Их число равно . На этих местах могут адсорбироваться молекулы из раствора или газа. В области небольших концентраций изотерма линейна. Действительно, при знаменатель (1.1) становится равным единице, и уравнение (1.1) переходит в:

п = * bc = Гс. (1.2)

Это уравнение линейной адсорбции. Оно соответствует уравнению Генри (Г — коэффициент Генри). Область линейной адсорбции иногда называют также областью Генри. При высокой концентрации bc >> 1 и уравнение (1.2) принимает вид п = , что соответствует так называемому насыщению: изотерма адсорбции выходит практически на прямую, параллельную оси абсцисс.

Однако известны случаи, когда зависимость количества адсорбированного вещества от концентрации раствора или давления газа существенно отличается от изображенной на     рис. 1.

Изотерма  адсорбции может быть, например, вогнутой или S-образной. Это может быть вызвано образованием на поверхности адсорбента не моно-, а полимолекулярного слоя, что не предусматривается теорией Лэнгмюра, а также тем, что поверхность реальных твердых тел неоднородна, и другими причинами. Не смотря на некоторые существенные ограничения, применимость уравнений (1.1) и (1.2) в теории хроматографических процессов остается довольно широкой.

При адсорбции  двух или нескольких  веществ  уравнение (1.1) для i-гo компонента принимает вид:

                  (1.3)

Следует отметить также, что количество адсорбированного вещества будет определяться не только его концентрацией, но и сродством к адсорбенту. При адсорбции нескольких веществ проявление сродства особенно заметно, так как возможно вытеснение одних сорбированных веществ другими, обладающими большим сродством, хотя имеющими, может быть, и меньшую концентрацию.

Известно несколько теорий хроматографического  процесса. Существенное значение имеют  метод теоретических тарелок  и кинетическая теория.

В методе теоретических тарелок Мартина и  Синджа хроматографическая колонка мысленно делится на ряд элементарных участков – «тарелок» и предполагается, что на каждой тарелке очень быстро устанавливается равновесие между сорбентом и подвижной фазой. Каждая новая порция газа-носителя вызывает смещение этого равновесия, вследствии чего часть вещества переносится на следующую тарелку, на которой, в свою очередь, устанавливается новое равновесное распределение и происходит перенос вещества на последующую тарелку. В результате этих процессов хроматографируемое вещество распределяется на нескольких тарелках, причем на средних тарелках его концентрация оказывается максимальной по сравнению с соседними тарелками. Распределение вещества вдоль слоя сорбента подчиняется уравнению:

,         (1.4)

где x – расстояние от начала колонки до точки, в которой концентрация равна c;

      - координата центра полосы;

       Н  - высота, эквивалентная теоретической  тарелке (ВЭТТ);

       l – длина слоя сорбента, на которой произведено поглощение и размещено n теоретических тарелок, при этом:

n=l/H                       (1.5)

Таким образом, теория тарелок  позволяет рассчитать важные количественные характеристики хроматографического  процесса. Однако теория тарелок, основанная на допущении ступенчатого характера хроматографического процесса, по существу формальна, так как реальный процесс протекает непрерывно. Значение высоты, эквивалентной теоретической тарелке, и число тарелок являются характеристиками размытости зон. Эти величины сохраняют свое значение и в кинетической теории хроматографии, учитывающей скорость миграции вещества, диффузию и другие факторы.

Кинетическая теория хроматографии основное внимание уделяет  кинетике процесса, связывая высоту, эквивалентную теоретической тарелке, с процессами диффузии, медленным установлением равновесия и неравномерностью процесса. Высота, эквивалентная теоретической тарелке, связана со скорость потока уравнением Ван – Деемтера:

H= A + B/U +CU,                     (1.6)

где А, В, С – константы; U – скорость подвижной фазы.

Константа А связана с действием  вихревой диффузии, которая зависит  от размера частиц и плотности  заполнения колонки, величина В связана  с коэффициентом диффузии молекул  в подвижной фазе, это слагаемое  учитывает действие продольной диффузии, а С характеризует кинетику процесса сорбция – десорбция, массопередачу и другие эффекты. Первое слагаемое дает постоянный вклад в Н.  Вклад второго слагаемого существенен при небольшой скорости потока. С увеличением скорости подвижной фазы влияние третьего слагаемого возрастает, а доля второго уменьшается. Суммарная кривая, характеризующая зависимость Н от скорости потока, представляет собой гиперболу. При небольшой скорости потока высота, эквивалентная теоретической тарелке, оптимальная скорость подвижной фазы будет равна скорости, соответствующей точке минимума этой кривой. Чтобы найти эту точку, продифференцируем уравнение (1.6) и производную приравняем к нулю:

Подставляя эту величину в уравнение (1.6), находим оптимальную высоту, эквивалентную теоретической тарелке:

                      (1.7)

Таким образом, динамическая теория дает основу для оптимизации  хроматографического процесса.  

  В хроматографии чаще всего используется методика проявительного (элюэнтного) анализа, при которой газ или раствор, выходящий из колонки, анализируется непрерывно.

Отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают  большое число хроматографов  различных типов. Однако сложные  хроматографические установки требуются не всегда. Для проведения хроматографического разделения методом бумажной, тонкослойной и некоторыми другим видами хроматографии используются простые установки, которые могут быть собраны в любой химической лаборатории. Независимо от сложности устройства основными узлами хроматографической установки являются дозатор (система ввода пробы), хроматографическая колонка и детектор. Кроме того. В установке имеются устройства для подачи газа-носителя или растворителя, для преобразования импульса детектора в сответствующий сигнал и некоторые другие. Дозатор предназначен для точного количественного отбора пробы и введения ее в хроматографическую колонку. Одним из основных требований к дозатору является воспроизводимость размера пробы и постоянство условий ее введения в колонку.  Кроме того, введение пробы не должно вызывать резкого изменения условий работы колонки и других узлов хроматографической установки, а внутренняя поверхность дозатора не должна обладать каталитической или адсорбционной активностью по отношению к пробе. Газообразные и жидкие пробы вводят с помощью специальных шприцев, прокалывая в месте ввода пробы каучуковую мембрану. Применяются газовые шприцы для газообразных проб и микрошприцы для жидких. Микрошприцы позволяют вводить в хроматограф пробы от долей десятков микролитров. Нередко в лабораторной практике в качестве дозатора применяется медицинский шприц. Твердые пробы вводятся в хроматограф или после перевода их в раствор, или непосредственным испарением пробы в нагретом дозаторе, куда она вводится с помощью игольного ушка. В хроматографической колонке происходит разделение компонентов. Колонки весьма различны по форме, размерам и конструкционным материалам. Применяются прямые, спиральные и другие колонки длиной от 1-2м и менее до нескольких десятков метров. Внутренний диаметр колонок составляет обычно несколько миллиметров. В зависимости от свойств анализируемой системы в качестве конструкционных материалов для колонок используют сталь, латунь, медь, стекло и др. Материал колонки должен обладать определенной химической инертностью по отношению к компонентам пробы, например медные колонки, будут непригодны при разделении ацетиленсодержащих смесей.

Адсорбент, наполняющий  колонку, должен обладать рядом  свойств: необходимой селективностью, достаточной механической прочностью, химической инертностью по отношению к компонентам смеси и быть доступным. Практически в качестве адсорбентов используются оксид алюминия, силикагели, активированные угли, пористые полимеры на основе стирола, дивинилбензола и др. и синтетические цеолиты. Широко используют модифицированные адсорбенты, которые получают обработкой исходных адсорбентов растворами кислот, щелочей, неорганических солей и т.д. Выбор адсорбента зависит от агрегатного состояния фаз, методики хроматографирования и других факторов. Большое влияние на сорбируемость вещества оказывает температура, поэтому хроматографические колонки, как правило, термостатируются, используя обогрев жидкостью или парами кипящей жидкости, воздушное термостатирование или какой-нибудь другой прием. В бумажной, тонкослойной и некоторых других видах хроматографии функцию колонки  выполняет хроматографическая бумага, тонкий слой сорбента на подложке и т.д.

Детектор предназначен для обнаружения  изменений в составе газа или  раствора, прошедшего через колонку. Показания детектора обычно преобразуются в электрический сигнал и передаются фиксирующему или записывающему прибору. Основными характеристиками детектора являются чувствительность, пределы детектирования, инерционность и диапазон линейной зависимости между концентрацией и величиной сигнала. Детекторы подразделяются на дифференциальные, которые отражают мгновенное изменение концентрации, и интегральные, суммирующие изменения концентрации за некоторый промежуток времени.  

2. Классификация хроматографических методов

Различные методы хроматографии можно  классифицировать по агрегатному состоянию  фаз, способу их относительного перемещения, аппаратурному оформлению процесса и т. д. По агрегатному состоянию фаз хроматографические методы обычно классифицируют следующим образом (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Классификация  хроматографических методов по агрегатному  состоянию фаз

 

Неподвижная фаза	Подвижная фаза
	газообразная	жидкая
Твердая	Газовая адсорбционная  хроматография	Жидкостная адсорбционная, ионообменная, ионная, тонкослойная, осадочная хроматография
Жидкая	Газожидкостная распредели- тельная хроматография, капиллярная	Жидкостная распределительная, высокоэф- фективная жидкостная, гельхроматография