Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
7
ЛЕКЦИИ 2–4. ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Вопросы:
1. Хроматография – это способ разделения веществ, основанный на перемещении дискретной зоны вещества в потоке подвижной фазы вдоль слоя неподвижного сорбента и связанный с многократным повторением сорбционных и десорбционных процессов.
В простейшем виде хроматографическое разделение смеси осуществляется при прохождении потока жидкости или газа (подвижной фазы), содержащего анализируемые вещества, через колонку, заполненную сорбентом (неподвижной фазой). Если молекулы разных компонентов разделяемой смеси обладают различной адсорбируемостью или растворимостью, то время их пребывания в неподвижной 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. Причем слабо сорбируемые вещества выходят из колонки в первую очередь. Наиболее сильно сорбируемый компонент выходит из колонки последним.
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 на-глядно 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.
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 1949 г.
В 1952 году Джеймс и Мартин применили газо-жидкостную 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.
В настоящее время существует большое разнообразие вариантов хроматографического метода разделения веществ.
Простота, эффективность и универсальность методов хроматографии дали возможность широко использовать ее в различных областях науки, промышленности и техники.
2. Классификация хроматографии
К основным признакам классификации хроматографии относятся:
Классификация по агрегатному состоянию фаз получила наибольшее распространение (1956 году).
Неподвижная фаза может быть твердым телом, обладающим адсорбционными свойствами, или жидкостью, нанесенной на инертный твердый материал - носитель.
Подвижная фаза может быть жидкостью, газом или паром.
Соответственно, можно выделить четыре основных вида хроматографии:
Классификация по признаку природы явлений, лежащих в основе разделения, подразделяет хроматографию на три основных вида:
1) адсорбционную,
2) распределительную,
3) осадочную.
В основе адсорбционной хроматографии лежит различная адсорбционная способность компонентов разделяемой смеси на поверхности выбранного адсорбента. Адсорбенты представляют собой пористые твердые вещества с сильно развитой поверхностью. Адсорбент должен быть химически инертным к компонентам разделяемой смеси, избирательным, механически прочным и термически устойчивым.
Наиболее широко применяемыми адсорбентами являются карбонат кальнция, оксиды магния, кальция, алюминия, cиликагель, активированный уголь и цеолиты (алюмосиликаты).
Одной из наиболее распространенных теорий адсорбции является теория Лэнгмюра.
Согласно этой теории на поверхности твердого тела (адсорбента) имеются активные центры, на которых и происходит адсорбция молекул из раствора или газа. Адсорбция обуславливается или физическими ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного взаимодействия (молекулярная хроматография), или силами химического сродства, действующими, например, в процессе реакции при обмене ионов разделяемых компонентов на подвижные ионы применяемого ионообменного адсорбента (ионообменная хроматография). Адсорбция зависит от температуры, концентрации раствора, давления газа, от природы вещества и от природы и структуры адсорбента.
В распределительной хроматографии разделение веществ осуществляется вследствие различной сорбции компонентов двумя несмешивающимися жидкими фазами – подвижным и неподвижным растворителями. Распределение веществ между двумя фазами принято определять отношением количества вещества в неподвижном растворителе к количеству вещества в подвижном растворителе. Подобное отношение называется коэффициентом распределения данного вещества:
К = Сн.ф. / Сп.ф.
где К - коэффициент распределения,
Сн.ф. - концентрация вещества в неподвижной фазе,
Сп.ф. - концентрация вещества в подвижной фазе.
Коэффициент распределения зависит от природы вещества, природы растворителя, температуры и способа проведения анализа.
Осадочная хроматография основана на химических реакциях взаимодействия хроматографируемых веществ с осадителем, которым пропитывается твердый носитель. Различие в растворимости образующихся малорастворимых осадков обусловливает разделение компонентов смеси. Чем сильнее различаются осадки по своей растворимости, тем лучше происходит разделение.
Классификация по способам проведения анализа подразделяет хроматографию на три вида:
1) фронтальный,
2) проявительный,
3) вытеснительный .
Фронтальный метод наиболее прост по выполнению. Через хроматографическую колонку с сорбентом непрерывным потоком пропускают раствор исследуемой смеси веществ или газовую смесь. В результате сорбент насыщается компонентами смеси. Если компоненты различаются по сорбируемости, то соответственно этому они располагаются в колонке. Однако они разделяются не полностью. В чистом виде может быть выделен лишь первый, наиболее слабо сорбирующийся компонент, который движется вдоль слоя сорбента впереди остальных. За зоной первого компонента следует в непосредственном контакте зона, содержащая первый и второй компоненты. Третья зона содержит смесь первого, второго и третьего компонентов и т.д. В некоторый момент времени сорбент насыщается, и наступает «проскок», т.е. из колонки начинает выходить первый, наиболее слабо сорбирующийся компонент. Если пропускать жидкость или газ, выходящие из колонки, через детектор концентраций и наносить показания его в течение всего опыта на график, то полученная выходная кривая будет иметь форму ступенчатой кривой (рис. 1.).
Рис.1. Выходная кривая фронтального анализа; А, В, С – разделяемые вещества.
Несмотря на простоту проведения хроматографирования, фронтальный метод не нашел широкого применения в анализе, т.к. не дает полного разделения компонентов анализируемой смеси. Однако этот метод весьма эффективен для препаративного выделения чистого вещества из технического образца при условии, что это вещество удерживается в колонке слабее всех других компонентов объекта анализа.
Типичные примеры применения фронтального анализа: очистка и умягчение воды ионообменными материалами; очистка воздуха активированными углями от отравляющих веществ в противогазах и вентиляционных фильтрах химических предприятий; концентрирование ценных веществ из сточных промышленных вод металлургических предприятий; очистка лекарственных препаратов и пищевых продуктов с помощью ионообменников и т.д.
Проявительный (элюентный) метод выгодно отличается от фронтального тем, что он позволяет полностью разделить много-компонентную смесь. В отличие от фронтального, в проявительном методе исследуемую смесь вводят в колонку в виде порции раствора или газа, а не непрерывно. После введения такой порции колонку промывают растворителем или газом-носителем (проявителем или элюентом). На выходе из колонки детектор фиксирует непрерывно концентрацию компонентов, а связанный с ним регистрирующий прибор записывает выходную кривую в виде ряда пиков, число которых соответствует числу разделенных компонентов (рис. 2.).
Рис.2. Выходная кривая проявительного анализа; А, В, С – разделяемые вещества, Е – растворитель (элюент или проявитель)
Проявительный метод анализа получил широкое применение как в жидкостной, так и в газовой хроматографии. Это объясняется тем, что при правильном выборе условий разделения компоненты смеси выходят из колонки в чистом виде, и их можно выделить для исследования другими методами анализа. Кроме того, качественный и количественный состав анализируемой смеси можно определить простым измерением объемов удерживания и площадей пиков соответствующих компонентов на полученной хроматограмме.
Вытеснительный метод отличается от фронтального и проявительного тем, что после введения пробы исследуемой смеси колонку промывают растворителем или газом-носителем, к которым добавляют растворимое вещество (в жидкостной хроматографии) или вещество в газообразном состоянии (в газовой хроматографии). Это вещество должно адсорбироваться сильнее любого из компонентов разделяемой смеси. Оно называется вытеснителем, так как обладая наибольшей сорбируемостью, вытесняет более слабо сорбирующиеся компоненты разделяемой смеси. Благодаря эффекту адсорбционного вытеснения, открытому М.С. Цветом, происходит вытеснение компонентов из адсорбента в последовательности, соответствующей их адсорбируемости, и компоненты разделяются. При этом зоны компонентов движутся по слою адсорбента с одинаковой скоростью, соприкасаясь между собой, по направлению к выходу из колонки.
К моменту полного насыщения адсорбента вытеснителем детектор запишет ступенчатую выходную кривую, отличающуюся от кривой фронтального анализа тем, что каждая ступень соответствует чистому компоненту.
Трудности выбора концентрации вытеснителя, взаимная диффузия на границе зон, препятствующая получению на выходе из колонки достаточно чистых компонентов разделяемой смеси, а также длительность процесса разделения затрудняют использование этого метода в аналитических целях. Однако для препаративных целей метод не потерял значения, так как возможность применения таких высокоактивных и доступных адсорбентов, как активированные угли, позволяет достигнуть высокой производительности. Достоинством метода является также то, что зоны не размываются в отличие от проявительного анализа.
В зависимости от аппаратурного оформления процесса хроматографирования различают колоночную и плоскостную хроматографии.
Колоночная хроматография отличается тем, что процесс проводят в насадочной или капиллярной хроматографической колонке. В последнем случае метод называется капиллярной хроматографией. Насадочную колонку заполняют сорбентом (насадкой), а внутреннюю стенку капиллярной колонки покрывают слоем жидкости или пылью адсорбента.
Плоскостная хроматография включает в себя два вида: бумажную и тонкослойную. В бумажной хроматографии твердым носителем является специальная хроматографическая бумага, а методика, основанная на ее применении, является распределительной или осадочной хроматографией. Бумажную хроматографию применяют в основном для разделения очень малых количеств веществ. Для идентификации и количественного определения веществ бумагу после окончания разделения обрабатывают подходящим реагентом, образующим с разделяемыми компонентами окрашенные соединения. Компоненты проявляются в виде пятен.
3. C помощью хроматографии возможно:
- разделение сложных смесей органических и неорганических веществ на отдельные компоненты;
- разделение и выделение растительных и животных пигментов, изотопов, редкоземельных элементов и других веществ;
- очистка веществ от примесей;
- концентрирование веществ из сильно разбавленных растворов;
- определение молекулярной структуры некоторых соединений путем установления связи между сорбируемостью и строением данного вещества ;
- качественный и количественный анализ исследуемых веществ.
Следует подчеркнуть следующие достоинcтва
хроматографических методов:
1. Разделение носит динамический характер, причем акты сорбции-
десорбции разделяемых компонентов повторяются многократно. Этим
обусловлена значительно большая эффективность хроматографического
разделения по сравнению со статическими методами сорбции и
экстракции.
2. При разделении используют различные типы взаимодействия
сорбатов и неподвижной фазы: от чисто физических до хемосорбционных.
Это обуславливает возможность селективного разделения широкого круга
веществ.
3. На разделяемые вещества можно накладывать различные
дополнительные поля (гравитационное, электрическое, магнитное и др.),
которые, изменяя условия разделения, расширяют возможности
хроматографии.
4. Хроматография – гибридный метод, сочетающий одновременное
разделение и определения нескольких компонентов.
5. Хроматография позволяет решать как аналитические задачи
(разделение, идентификация, определение), так и препаративные (очистка,
выделение, концентрирование). Решение этих задач можно сочетать,
выполняя их в режиме “on line”.
Для решения аналитический задач используется элюентный метод,
он имеет следующие достоинства:
– дает наиболее полное разделение, поскольку зоны сорбатов
разделены зонами элюента;
– сорбент непрерывно регенерируется;
– параметры удерживания хорошо воспроизводимы.
Элюентная хроматограмма, являющаяся зависимостью сигнала
прибора (ось ординат) от времени или объема подвижной фазы (ось
абсцисс), представляет собой совокупность пиков разделяемых
компонентов. Обычно отдельный пик представляет собой гауссову кривую.
Типичная хроматограмма приведена на рис. 1.
4.