Разделение смесей методами хроматографии

ХАНТЫ-МАНСИЙСКИЙ АВТОНОМНЫЙ ОКРУГ – ЮГРА

СУРГУТСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

Кафедра ХИМИИ 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по  ФИЗ. ХИМИИ 

Тема  «Разделение  смесей методами хроматографии». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнила: студентка 2 курса 555 группы

Литвиченко  В.С.

Проверил: старший преподаватель 

Цейтлин В.А 
 
 
 
 

Сургут  – 2007 
 

       ВВЕДЕНИЕ 

       С   необходимостью   разделения   смеси   веществ    на составляющие ее компоненты  приходится  сталкиваться  как химику-синтетику,  химику-аналитику,  так  и   технологу, геологу, физику, биологу и  многим  другим  специалистам. Особое значение  разделение  смеси  веществ,  приобрело в последние  десятилетия  в  связи  с  проблемой  получения сверхчистых веществ.

       Разделение  смеси не вызывает особых трудностей, если ее компоненты находятся в различных фазах.  Оно  существенно осложняется, если компоненты смеси образуют одну фазу.  В этом  случае  приходится  изменять  агрегатное  состояние отдельных компонентов (например, добиться их выпадения  в осадок), либо применять химические или физические  методы разделения. В основе последних лежат кинетические явления или фазовые равновесия. Такие   широко   известные   методы   разделения,   как дистилляция,  кристаллизация,  экстракция   и   адсорбция основаны  на  изменении  фазовых   равновесии.   В   этих процессах молекулы веществ, образующих  смесь,  переходят через границу раздела, стремясь  к  такому  распределению между фазами, при котором в каждой из них устанавливается постоянная равновесная концентрация.

       Если  свойства компонентов исследуемой смеси близки,  то достаточная   степень   разделения    достигается    лишь многократным повторением элементарного  акта  разделения. Такой процесс, например, осуществляется в насадочных  или тарельчатых ректификационных колоннах. Следует  отметить, что в таких случаях полное разделение возможно только для простых (не более чем трехкомпонентных) систем.

       Более полного разделения можно достичь, если на эффект, вызываемый многократным установлением фазовых равновесий, наложить действие кинетического фактора. В  тех  случаях, когда используются кинетические явления  (например,  при молекулярной дистилляции), через поверхность раздела  фаз и лишь в одном направлении  переносятся  молекулы  только одного вещества.  Если  разделение  смеси  производить  в таких  системах,  в  которых  одна  из  фаз   (подвижная) перемещается  относительно   другой   (неподвижной),   то улавливание и удаление  молекул,  покидающих  поверхность раздела   фаз,   осуществляется   благодаря   постоянному перемещению подвижной фазы. Как и при фазовом равновесии, молекулы, выходящие из  подвижной  фазы,  возвращаются  в нее, попадая, однако, не в прежний элемент ее объема, а в новый. Если в процессе разделения фазовые переходы  повторять многократно,  то  можно  получить  высокую  эффективность разделения.  Так   как   фазовые   переходы   связаны   с поверхностью раздела, подвижная и неподвижная фазы должны обладать  большой  поверхностью  соприкосновения.   Кроме того,   вследствие   наличия   диффузионных    процессов, снижающих эффективность разделения, обе фазы должны иметь относительно небольшую толщину взаимодействующего слоя. В какой-то степени эти требования выполняются в методе разделения    смеси    веществ,    получившем    название хроматографического.      Впервые      хроматографическое разделение сложной смеси (хлорофилла)  было  осуществлено М. С. Цветом в 1903 г. Если    в    качестве    неподвижной    фазы     взять мелкоизмельченный   сорбент   и   наполнить   им   трубку (стеклянную или металлическую), а движение подвижной фазы (жидкости  или газа)  осуществлять  за   счет   перепада давления  на  концах  этой  трубки,  то  последняя  будет представлять собой хроматографическую колонку, называемую так  по  аналогии   с   ректификационной   колонкой   для дистилляционного разделения.  Разделяемая  смесь  веществ вместе   с   потоком   подвижной   фазы    поступает    в хроматографическую колонку. При контакте  с  поверхностью неподвижной фазы каждый из компонентов разделяемой  смеси распределяется между подвижной  и  неподвижной  фазами  в соответствии с его свойствами, например  адсорбируемостью или  растворимостью.  Вследствие  непрерывного   движения подвижной фазы лишь  часть  распределяющегося  компонента успевает вступить во взаимодействие с неподвижной фазой. Другая же его часть  продвигается  дальше  в  направлении потока и вступает во  взаимодействие  с  другим  участком поверхности  неподвижной  фазы.   Поэтому   распределение вещества между подвижной и неподвижной фазами  происходит на небольшом слое неподвижной фазы только при  достаточно медленном   движении    подвижной    фазы.    Поглощенные неподвижной  фазой  компоненты  смеси  не   участвуют   в перемещении подвижной  фазы  до  тех  пор,  пока  они  не десорбируются и не будут  снова  перенесены  в  подвижную фазу. Поэтому каждому из них для прохождения  всего  слоя неподвижной фазы в колонке потребуется большее время, чем для  молекул  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 различны.  При достаточной длине колонки это различие может привести к полному  разделению  смеси  на составляющие ее компоненты.

       Применение     хроматографического      метода      не ограничивается лишь разделением и анализом смеси  веществ. В последнее время хроматография широко используется и как метод, научного исследования, например, для исследования свойств сложных систем, в частности растворов.

       Итак,   хроматографией   следует   называть   процесс, основанный на перемещении дискретной зоны вещества  вдоль слоя сорбента в  потоке  подвижной  фазы  и  связанный  с многократным  повторением  сорбционных  и   десорбционных актов.  Хроматографический  процесс  осуществляется   при сорбционном распределении вещества  между  двумя  фазами, одна из которых перемещается относительно другой.

       Состав  смеси, покидающей  хроматографическую  колонку, непрерывно изменяется. В то время как в таких  процессах, как экстракция или ректификация, можно отбирать в течение всего процесса непрерывно одну и ту же фракцию, или  одно и то  же  вещество,  в  хроматографическом  процессе,  за исключением  специальных  случаев,  когда   имеет   место движение слоя сорбента, этого делать нельзя. Термин  «хроматография»   относится   как   к   самому процессу, так и  к  научной  дисциплине,  его  изучающей, использующей и разрабатывающей аппаратурное оформление

       ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХРОМАТОГРАФИИ

       Хроматография изучает термодинамику состояния  двухфазных систем газ-жидкость, жидкость-жидкость, жидкость-твердое тело, сверхкритическое и жидкокристаллическое состояние  веществ, исследует природу межмолекулярных  взаимодействий, кинетику процессов внутреннего и межфазного массообмена, процессы комплексообразования, ассоциации и образования соединений включения, стереохимию органических соединений и многое другое.

     В связи с исключительной многогранностью  понятия "хроматография" оно не может быть охвачено одним единственным определением. В категориях "явление, процесс, метод, наука" хроматографию предложено определять как явление образования, движения и изменения концентрационных зон веществ (частиц) в условиях массообмена между несмешивающимися и движущимися относительно друг друга фазами или на границе раздела этих фаз; процесс дифференцированного многократного перераспределения веществ или частиц между несмешивающимися и движущимися относительно друг друга фазами, приводящий к обособлении) концентрационных зон индивидуальных компонентов исходных смесей этих веществ или частиц; метод разделения смесей веществ или частиц, основанный на различии в скоростях их перемещения в системе несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз; наука о межмолекулярных взаимодействиях и переносе молекул или частиц в системе несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз.

     В научной литературе встречаются  и другие определения хроматографии, однако любое из них должно обязательно  содержать среди отличительных видовых признаков упоминание о переносе веществ (частиц) в системе несмешивающихся и движущихся друг относительно друга фаз. Наличие как минимум двух фаз и их относительное движение, то есть динамика процесса, -неотъемлемые признаки хроматографии.

    Поскольку хроматографическое разделение происходит в процессе постоянного перераспределения  компонентов между неподвижной  и перемещающейся фазами, взаимодействие веществ с сорбентом должно быть обратимым, то есть обеспечиваться слабыми (в условиях опыта) межмолекулярными взаимодействиями. К таким взаимодействиям прежде всего относятся дисперсионные, дипольные, ионные. Напротив, необратимая сорбция компонентов (хемосорбция) для хроматографического разделения принципиально непригодна. При наличии двух одновременных процессов - взаимного перемещения фаз и перераспределения компонентов между фазами - принципиально важным становится соотношение их скоростей. Если второй процесс осуществляется много быстрее первого, межфазное распределение компонентов успевает достичь равновесного. В этом случае имеют дело с равновесной хроматографией, где конечный эффект разделения компонентов определяется термодинамикой системы, то есть коэффициентами межфазного распределения соединений. Если межфазное распределение компонентов за время их переноса подвижной фазой вдоль неподвижной фазы установиться не успевает, имеют дело с неравновесной хроматографией. Конечный эффект разделения здесь определяется кинетикой диффузионных процессов.Неравновесная хроматография начала развиваться сравнительно недавно, но уже продемонстрировала свою полезность при решении некоторых специфических задач разделения ограниченного числа компонентов. Понятно, что в подавляющем числе хроматографических процессов приходится учитывать как термодинамику системы, так и кинетику переноса ее компонентов в пространстве. Будучи не только первооткрывателем целой серии неизвестных ранее растительных пигментов, но прежде всего создателем хроматографического метода, М.С. Цвет детально разработал и теоретические, и методические основы метода. Он был превосходным и настойчивым экспериментатором. Достаточно сказать, что Михаил Семенович исследовал более ста различных по своей природе адсорбентов - как минеральных, так и органических. Хроматографические колонки Цвета, даже с точки зрения современной высокоэффективной жидкостной хроматографии, имели поразительно высокое число теоретических тарелок.

     Первая  мировая война затормозила и  во многих направлениях прервала научные  исследования Цвета. Неоднократные  вынужденные переезды Варшава-Нижний Новгород-Юрьев (Тарту)-Воронеж сопровождались утратой архивов, оборудования и коллекций материалов. Нужда и физические перегрузки подорвали здоровье. Михаил Семенович Цвет скончался в 1919 г. в возрасте 47 лет. Точное место его захоронения в Воронеже неизвестно *.

     Хотя  ученый и был удостоен академической  премии за работу по хромофиллам в  растительном и животном мире, а  также награжден орденами св. Станислава III и II степени (1907, 1915), орденом св. Анны III степени (1912) и юбилейной медалью в честь 300-летия дома Романовых, настоящего признания современников он все же не получил. В 1918 г. кандидатура М.С. Цвета рассматривалась в списке девяти ученых, представленных на Нобелевскую премию, но oнa была присуждена немецкому химику Ф. Хаберу.

     По  многим субъективным и объективным  причинам хроматография мало использовалась почти три десятилетия. Можно  выделить только единичные исследования, в частности Л. Пальмера в США, Ч. Дьере в Швейцарии. Т. Липпмаа  в Эстонии в Тартуском университете, в котором Цвет некоторое время работал. В 1931 г. P. Кун, А. Винтерштейн и Е. Ледерер практически повторили эксперименты Цвета и убедились в огромных возможностях хроматографии. Эти ученые имели в своем распоряжении немецкий перевод книги Цвета. С середины 30-х годов началось быстрое распространение хроматографического метода в европейских странах, чему способствовали первые опубликованные на немецком языке книги по хроматографии Л. Цехмейстера и Л. Чолноки, а также Г. Хессе. Последнему автору принадлежат и первые работы по газовой адсорбционной хроматографии, увидевшие свет в 1941 г. Перевод книги Л. Цехмейстера и Л. Чолноки на английский язык способствовал развитию хроматографии в США и Англии. Следует отметить работы английских исследователей, особенно А. Мартина и его сотрудников.

       Сразу после войны к 40-летнему юбилею хроматографии в нашей стране вышел сборник избранных трудов Цвета в серии "Классики науки" под редакцией А.А. Рихтера и  Т.А. Красносельской. В 1972 г. в связи  со 100-летием со дня рождения Цвета было проведено несколько международных симпозиумов, в том числе в Ленинграде; Американское химическое общество учредило Международную медаль им. М.С. Цвета "За выдающиеся открытия в области хроматографии". Этой медали удостоились трое наших соотечественников: А.В. Киселев, А.А. Жуховицкий и К.И. Сакодынский. К 75-летию открытия хроматографии и юбилейному международному симпозиуму в Таллине в 1978 г. была учреждена отечественная медаль им. М.С. Цвета, которой награждена большая группа советских и зарубежных специалистов.