Теорія хроматографії хроматографічний аналіз види хроматографії

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Теорія хроматографії, хроматографічний аналіз, види хроматографії

Для пояснення явищ, що відбуваються при хроматографії, для розрахунку довжини колонок, положення і форми піків, для вибору оптимальних умов процесів існує два підходи - теорія теоретичних тарілок (ТТТ) і кінетична теорія. Згідно ТТТ, хроматографічну колонку можна представити у вигляді ряду вузьких дотичних шарів, званих теоретичними тарілками. Вважається, що в кожній такій тарілці встановлюється рівновага між ПФ і НФ. Чим більше таких рівноваг, тим ефективніше розділення. Зазвичай для оцінки ефективності колонки використовують Ветт Н і число теоретичних тарілок N: чим більше N, або чим менше н, тим ефективніше колонка.
Незважаючи на те, що ТТТ містить ряд розрахункових рівнянь, вона не може пояснити, як швидкість потоку і характеристики наповнювача впливають на ширину зони і, отже, на H і N. Це призвело до появи кінетичної теорії.
Кінетична теорія полягає в швидкості міграції речовини в колонці, яка визначається співвідношенням часу, проведеного молекулою у ПФ і НФ. ефективність колонки в кінетичної теорії пов'язують з кінетичним параметром - часом утримування tr. Зі співвідношення випливає, що чим більше tr, тим ефективніше колонка.
З позицій кінетичної теорії стає зрозумілою факт збігу форми хроматографічного максимуму з гауссовой кривої. У статистиці симетричної колоколообразной гауссовой кривої описують частоту (ймовірність) появи відхилень випадкового характеру вимірюваної величини від її середнього значення при великому числі повторних вимірювань. Але і величина швидкості молекул, що рухаються по хроматографічної колонці, теж носить статистичний характер. Внаслідок хаотичного руху молекул вони на своєму шляху зазнають безліч випадкових зіткнень. Тому одні молекули можуть просуватися швидше, ніж інші. Межі хроматографічної зони при цьому розширюються. Позитивні і негативні відхилення випадкового характеру від середнього значення швидкості руху молекул призводять до розподілу молекул в хроматографічної зоні, описуваному гауссовой кривої.
На просування часток впливає низка чинників, що спотворюють форму піка (що роблять їх несиметричними) і знижують ефективність колонки, а саме: 1) структура НФ (розміри гранул, їх однорідність, щільність і рівномірність заповнення колонки), 2) швидкість встановлення рівноваги сорбція-десорбція ( массообмен), 3) дифузія молекул із зони з більшою концентрацією в зону з меншою концентрацією.
Вплив цих факторів на ефективність колонки враховується рівнянням Ван-Деемтера:
,
де - Швидкість потоку, A і В - константи, пов'язані зі швидкістю потоку і коефіцієнтом дифузії в ПФ; C - константа, пов'язана з масообмінний.
З графічного подання цього рівняння (ріс.2.7.1) можна зробити висновок, що існує оптимальна швидкість потоку, при якій Н мінімальна. Щоб знайти цю точку, продиференціюємо дане рівняння і прирівняємо похідну до нуля: , Звідки = 2 , А підставивши у вихідне рівняння, отримаємо +2 . Таким чином, кінетична теорія дає основу для оптимізації хроматографічного процесу.

Види хроматографії

Розглянемо особливості найбільш широко застосовуваних видів хроматографії.
Газова хроматографія - це метод, ПФ у якої є інертний газ (азот, гелій, водень). Анализируемую пробу у вигляді суміші газів або рідкої суміші в паровий стан вводять в потік ПФ. Нерухомою фазою служить або тверда речовина (газотвердофазная або газоадсорбціонная хроматографія - Гах), або рідина, нанесена на твердий інертний носій або на внутрішню поверхню капіляра (газорідинна - ГЖХ або газорозподільна хроматографія). В аналітичній хімії частіше використовують газорозподільну хроматографію.
Твердий інертний носій повинен володіти високорозвиненою капілярною структурою, цьому відповідає, наприклад, кизельгур (діатоміт) - різновид гідратованого силікагелю (твердої кремнієвої кислоти). Часто її обробляють реагентами, які переводять групи Si - OH в групи Si - O - Si (СН3) 3, що підвищує інертність носія по відношенню до поділюваних речовин (спосіб сіланізаціі). Такими є, наприклад, носії "хромосорб W" і "газохром Q".
На кизельгур наносять рідку нерухому фазу. Можна виділити три типи нерухомих фаз: неполярні (наприклад, сквалан), помірно полярні (наприклад, дінонілфталан), полярні (наприклад, диметилформамід). Полярність нерухомої фази повинна бути близька до полярності аналізованої проби, наприклад неполярні пентан, бутан і пропан добре розділяються на сквалане. Іноді як рухомої фази використовують органічні сполуки, ковалентно пов'язані з носієм (хімічно пов'язані фази). Такі фази менш чутливі до підвищення температури. Носієм з нерухомою фазою рівномірно заповнюють трубку (матеріал: скло, нержавіюча сталь, полімер), отримують хроматографічеcкую насадок колонку. Розміри колонок, що використовуються для аналітичних цілей, складають: внутрішній діаметр 2-6 мм і довжина до 20м (тому згинають в спіраль). Для препаративних завдань можуть використовуватися насадочні колони великих розмірів.
Капілярні колонки частіше виготовляють з кварцового скла, мають внутрішній діаметр 0,2 - 0,5 мм і довжину 10 - 100 м. Внутрішня поверхня капіляра змочується тими ж рідкими фазами, що і в попередньому варіанті. Капілярні колонки по розділовій здатності більш ефективні, ніж насадочні колонки, тому такий варіант часто називають високоефективної газової хроматографією.
У колонку, що продувається газоподібної рухомою фазою, вводять аналізовану пробу: газоподібну суміш зручніше за допомогою крана-дозатора, рідка - за допомогою хроматографічного шприца (обсяг проби малий: 0,1-50 мкл). Рідкі і тверді проби перед введенням в колонку повинні бути переведені в пароподібний стан. Вихідні з колонки компоненти можна детектувати різними способами і отримувати хроматограми у вигляді піків.
Для одержання вихідної хроматографічної кривої використовують детектор і реєстратор.
Детектор (визначник, аналізатор) реагує на будь-яку властивість газу-носія і аналізованих речовин. Найбільш поширеними є детектор по теплопровідності (ДТП або катарометра) і полум'яно-іонізаційний детектор (ПІД).
Катарометра перетворює залежність теплопровідності середовища від концентрації речовини в хроматографічної суміші в електричний аналітичний сигнал. Електрична схема катарометра являє собою електричний місток, в одне плече якого вставлена ​​металева зволікання, що знаходиться в струмі газу-носія, а в друге плече вставлена ​​точно така ж зволікання, омивана газом-носієм з обумовленими речовинами хроматографічної суміші. До хроматографування обидва плеча катарометра омиваються інертним газом і обидві зволікання мають однакове електричний опір, сталість якого випіс-ється реєстратором (самопишущим потенціометром) у вигляді нульової лінії хроматограми. При вступі до катарометра зони речовини змінюється теплопровідність середовища у плечі катарометра, відповідно змінюється теплопровідність середовища і електричний опір зволікання. Причому опір змінюється точно так само, як розподілено речовина в хроматографічної зоні, тобто за законом Гауса, графічним зображенням якого є симетрична колоколообразная крива (пік). Залежність
R = f (c) перетворюється електричною схемою катарометра в електричний аналітичний сигнал, який виводиться на реєстратор, який виписує залежність у вигляді піку хроматограми.
В якості реєстратора використовують самописний потенціометр або більше сучасний пристрій зберігання та математичної обробки інформації - персональний комп'ютер.
ПІД складається з водневої пальники, розташованої між двома електродами. При згорянні компонентів у полум'ї пальника відбувається їх іонізація, а в електричній схемі ПІД виникає струм іонізації, пропорційний концентрації компонентів у суміші. Залежність струму іонізації від концентрації виводиться на реєстратор. У сучасних хроматографах аналоговий сигнал з детектора надходить на аналогово-цифровий перетворювач, інформація з якого обробляється персональним комп'ютером. За допомогою ПК вдається автоматизувати весь хроматографічний аналіз.
Для проведення газової хроматографії використовують газові хроматографи різних моделей.
Рідинна хроматографія може проводитися в стовпчик і площинному варіантах. По механізму поділу рідко-тверду хроматографію називають також рідинної адсорбційної, а рідина-рідинну - просто розподільної.
У колоночной рідинної адсорбційної хроматографії в якості НФ застосовують поверхнево-пористі адсорбенти (ППОС). ППОС - це тверді сферичні зерна (наприклад, скляні кульки), на поверхню яких наносять силікагель, оксид алюмінію або деякі полімери, що забезпечують шар з високою пористістю товщиною близько 1 мкм. ПФ - це розчинник, який повинен добре розчиняти всі компоненти аналізованої суміші, бути хімічно інертним по відношенню до них, адсорбенти і кисню повітря, бути маловязким. Як і в газовій хроматографії, аналіз проводять за часом утримування і площі піку. При цьому детектуватиметься може різницю показників заломлення між чистим розчинником і розчином після проходження через колонку (рефрактометрическим детектор) або різницю в светопоглощение у видимій (фотометричний детектор), УФ - або ІК - променях.
У стовпчик варіанті розподільної хроматографії ПФ служить органічний розчинник, не змішується з НФ. НФ зазвичай служить вода, адсорбована на твердому носії. В якості носіїв частіше використовують силікагель (тверда кремнієва кислота), целюлозу, крохмаль та інші речовини, добре утримують молекули води на своїй поверхні.
Ефективність колонки пов'язана із в'язкістю, коефіцієнтом дифузії та іншими фізичними властивостями рідин. Хроматографування на колонці особливо в'язких рідин - тривалий процес, оскільки їх просування через пористий носій під дією сили тяжіння дуже мало. Для прискорення процесу хроматографування проводять під тиском, создаваемsv насосом високого тиску. Застосування тиску зробило метод більш динамічним і ефективним, що і відбилося в його назві - високоефективна рідинна хроматографія (ВЕРХ).
Площинним варіантом рідинної адсорбційної хроматографії є ​​тонкошарова хроматографія (ТШХ), а рідина-рідинної - паперова (БХ). ТШХ і БХ дуже близькі по техніці виконання. НФ (силікагель, крохмаль, целюлоза, Al2O3 та ін) в ТШХ наноситься тонким шаром на скляну, металеву (алюмінієву фольгу) або пластинку, а в БХ в якості НФ зазвичай служить вода, адсорбована на твердому носії - спеціальної хроматографічної папері.
Для проведення аналізу краплю аналізованої суміші наносять на стартову лінію в 2 ... 3 см від краю пластинки або смужки паперу і висушують. Потім край носія занурюють в розчинник (вода, органічний розчинник), який діє як ПФ. При цьому розчинник не повинен стосуватися нанесеного плями. Носій можна підвісити так, щоб потік розчинника рухався зверху вниз (низхідна хроматограмма) і навпаки (висхідна) або від центру до країв (радіальна).

Рис. 1. Спосіб обробки паперової хроматографії.
Під дією капілярних сил розчинник рухається вздовж шару сорбенту і з різною швидкістю переносить компоненти суміші, що призводить до їх просторового розділення. Коли фронт розчинника досягне необхідного рівня, хроматограму виймають з розчинника, дають йому випаруватися, потім проводять прояв плям розподілившись речовин шляхом обприскування хроматограми реагентом за допомогою пульверизатора і подальшого опромінення УФ-лампою. У хімічних методах прояви в реагент додають реактиви, що дають з аналізованими речовинами забарвлені сполуки. У фізичних методах використовують, наприклад, здатність деяких речовин флуоресцировать під дією УФ - променів, для чого в проявник додають флуоресціюючий індикатор. На продемонстрованою хроматограмі зазвичай вимірюють відстані, пройдені розчинником L і компонентом l за певний час і знаходять величину R = l / L (рис. 1). При якісному аналізі застосовують метод "свідків", для чого на лінію старту поруч з аналізованої сумішшю наносять індивідуальні речовини. Порівнюючи значення R індивідуальних речовин і компонентів суміші, проводять їх ототожнення.
Для кількісного аналізу вимірюють зазвичай площі зон компонентів на хроматограмі (наприклад, за допомогою міліметрової кальки або ін) і за наперед отриманих градуювальним графіком залежності S = f (n) знаходять кількість речовин. Але застосовують і інші варіанти, наприклад, випарюють або видаляють речовини з носія і потім визначають їх кількості в обсязі отриманого розчину.
В основі іонообмінної хроматографії лежить оборотний стехиометричний обмін іонів аналізованого розчину на рухливі іони сорбентів, званих іонітами або іоннообменнікамі. Причиною поділу є різна здатність іонів аналізованого розчину до обміну.
Як іонітів використовують природні або синтетичні, тверді, нерозчинні у воді неорганічні і органічні високомолекулярні кислоти, підстави та їх солі, що містять у своєму складі активні (іоногені) групи. Іоніти діляться на катіоніти і аніоніти.
Катіоніти - сорбенти, здатні до обміну катіонами. катіоніти містять у своєму складі іоногені групи різного ступеня кислотності, наприклад сульфогрупп - SO3H, карбоксильну групу - COOH, іон водню яких здатний до катіонного обміну.
Хімічну формулу катіонітів схематично зображують RSO3-H +, RSO3-Na + або просто [R] H, [R] Na, де R - складний органічний радикал. Найбільш часто застосовуються сильнокислотного катіоніти марок КУ-1, КУ-2, СДВ-2 та інших
Схема катіонного обміну:
[R] H + Ме +  [R] Ме + H +
Аніоніти - сорбенти, здатні до обміну аніонами.
Аніоніти містять у своєму складі основні іоногені групи, наприклад, аміногрупи різного ступеня заміщення: - NH2, = NH,  N, = NH2OH,  NH OH, здатні до обміну гідроксид-іонів на різні аніони. Формули аніонітів схематично зображують: RNH3 + OH -, RNH3 + Cl - або просто [R] OH, [R] Cl. Cхема аніонного обміну:
[R] OH + A -  [R] A + OH -
Застосовують аніоніти марок АВ-17, АН-1, ЕДЕ-10 і ін
Існують також амфотерні іоніти - сорбенти, здатні як до катіонного, так і до аніонного обміну.
Поглинання іонів залежить від природи і структури іоніту, природи аналізованих речовин, умов проведення експерименту (температури, pH та ін.) Кожен іоніти здатний поглинати певну кількість іонів, тобто володіє певною ємністю. Розрізняють статичну обмінну ємність (ШОЕ) - кількість ммоль еквівалентів іона, поглиненого за певний час 1 г сухого іоніту, і динамічну обмінну ємність (ДОЕ) - кількість еквівалентів іонів, поглинених шаром іоніту висотою 20 см і поперечним перетином 1 см2 при швидкості пропускання 0, 5 дм 3 / ч.
Ефект поглинання даного іона характеризується коефіцієнтом розподілу
Красп = ,
де Сіоні Ср-р - рівноважні концентрації іонів у відповідних фазах; m - маса іоніту; г; V - обсяг водної фази, см3.
Іонний обмін є фізико-хімічним процесом, тому на коефіцієнт поділу впливають як хімічні, так і чисто фізичні фактори.
До хімічних відносяться наступні фактори: рН розчину, природа поділюваних іонів, їх концентрація в розчині, схильність до гідратації, хімічний склад іоніту і т.д. Наприклад, зі збільшенням рН катионит збільшує обмінну ємність, а аніоніт - зменшує.
До фізичних факторів належать: швидкість протікання розчину через колонку, розмір зерен іоніту, висота колонки, температура розчину і т.д.
Для досягнення оптимального поділу істотно підібрати необхідну кількість іоніту. Якщо відома константа розподілу Красп і ємність даного іоніту Q, то величина відношення маси іоніти (m, г) до обсягу аналізованого розчину (V, см3), яка забезпечить зменшення концентрації іона Меn + у розчині від початкової величини Сн до необхідного значення Ск,
.
Перед аналізом іонообмінну колонку регенерують, тобто переводять заповнює її іоніти в певну іонообмінну форму. Зарядка катіоніту Н + іонами, а аніоніта ВІН  іонами проводиться шляхом пропускання через колонку певної кількості кислоти або основи. Потім іоніти відмивають водою від надлишку кислоти або основи і пропускають через нього з певною швидкістю аналізований розчин. Колонку промивають водою або іншим елюентом, збираючи елюат цілком або по фракціях. Іони, поглинені іонітом, можуть бути елюіровани відповідним розчинником. Катіони, як правило, елюіруют кислотою:
[R] Me + H +  [R] H + Me +;
а аніони - лугом:
[R] A + OH   [R] OH + A .
Іонообмінну хроматографію застосовують у наступних випадках:
1) для розділення компонентів аналізованої суміші, відділення катіонів та аніонів, поділу катіонів, поділу аніонів і т.д. Наприклад, при додаванні до суміші іонів Cu2 +, Zn2 +, Cd2 +, Pb2 +, Bi3 + соляної кислоти утворюються хлоридні комплекси [CuCl4] 2 -, [ZnCl4] 2 -, [CdCl4] 2 -, [PbCl3] -, [BiCl4] -, стійкість яких зростає від Cu до Bi. При пропущенні через аніонітную колонку комплекси поглинаються. Далі послідовно вимивають метали розведеною HCl, H2O і HNO3: 2-молярним розчином HCl вимивають Cu, 0.6 М HCl - Zn, 0.3М HCl - Cd, H2O - Pb, HNO3 - Bi;
2) для отримання аналітичних концентратів. при пропущенні великих обсягів розбавлених розчинів через шар іоніту і наступному добуванні поглиненої речовини малим об'ємом розчинника можливе підвищення концентрації речовини в 200-500 разів;
3) для виявлення іонів. Розроблено методи виділення та виявлення всіх найбільш важливих іонів.
Гельхроматографія - це цілком своєрідний вид хроматографії, заснований на використанні відмінності в розмірах молекул поділюваних речовин. Метод називають також гельфільтраціонним або ситовим. НФ є розчинник, що знаходиться в порах гелю. Гелем називають студнеобразной колоїдні розчини, в яких набряклі частинки твердої фази рівномірно розподілені в рідкій фазі.
Гель готують на основі природних (крохмаль, агар-агар) або синтетичних (декстран, поліакриламід та ін) з'єднань.
У процесі гельхроматографірованія можуть бути відокремлені дрібні частинки, здатні проникати в пори гелю, від великих. Змінюючи склад розчинника, можна змінювати ступінь набухання твердої фази і, отже, розміри пор гелю, що дозволяє проводити тонкі розділення сумішей.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Реферат
37.7кб. | скачати


Схожі роботи:
Розвиток хроматографії
Розрахунки в хроматографії
Використання афінної хроматографії
Можливості іонообмінної хроматографії
Розрахунки у фронтальній хроматографії
Спеціальні варіанти високоефективної рідинної хроматографії
Рухома фаза для рідинної хроматографії
Полімерні сорбенти для розподільної хроматографії
Основи хроматографії Пристрій газового хроматографа
© Усі права захищені
написати до нас