§8. Хроматография. Основы метода

Одним из интереснейших физико-химических методов исследования, основанном на явлении адсорбции, является хроматография.

Открытие хроматографии как метода разделения и анализа веществ принадлежит русскому ботанику М. С. Цвету, который в 1903 г. опубликовал работу, посвященную хроматографическому анализу.

Принцип хроматографического метода разделения основан на различии в адсорбционной способности веществ, которая зависит как от природы адсорбата, так и от природы адсорбента. Различные вещества на одном и том же адсорбенте адсорбируются в разной степени. Это можно представить таким образом, что при адсорбционном равновесии они неодинаковое время находятся на поверхности адсорбента. Вещество, которое адсорбируется сильнее, дольше удерживается на поверхности адсорбента. Если смесь газов или жидкий раствор пропускать через слой адсорбента – так называемую хроматографическую колонку, то из неё раньше будут выходить компоненты, которые адсорбируются слабее. В процессе прохождения через слой адсорбента смеси веществ непрерывно совершаются акты адсорбции – десорбции, в результате которых сильносорбирующиеся вещества (они дольше находятся на поверхности адсорбента) «отстают» от слабосорбирующихся веществ. Очевидно, что чем толще слой адсорбента, тем эффективнее разделение. Таким образом, хроматография – это метод разделения компонентов подвижной фазы (смеси газов, раствора) при её движении относительно другой неподвижной фазы (слоя сорбента).

Основным достоинством хроматографии является универсальность метода, он пригоден для разделения практически любых веществ. Увеличение толщины слоя адсорбента (высоты хроматографической колонки) позволяет обеспечить высокую степень разделения даже близких по свойствам веществ. Это значит, что степень разделения можно регулировать. Метод пригоден для работы с макроколичествами и микроколичествами веществ. Хроматографический метод разделения веществ легко поддается автоматизации. Эти достоинства обеспечили широкое применение хроматографии в производстве и научных исследованиях.

В промышленности хроматографию широко применяют для аналитического контроля различных смесей веществ. Важными преимуществами хроматографии являются быстрота и надёжность проведения анализа.

В зависимости от агрегатного состояния подвижной фазы различают газовую и жидкостную хроматографию. В газовой хроматографии подвижной фазой является газ. Этот метод хроматографии служит для разделения веществ с молекулярной массой приблизительно до 300 и термически устойчивых соединений. В жидкостной хромато­графии подвижной фазой служит жидкость. Она применяется для разделения нелетучих веществ с молекулярной массой от ~300 до 1000-2000 и термически неустойчивых соединений. Таким образом, газовая и жидкостная хроматография дополняют друг друга.

Результаты хроматографического разделения смеси веществ регистрируются в виде хроматограммы, которая показывает последовательное расположение компонентов вдоль неподвижной фазы и на выходе из нее, а также их количества. Получение хроматограммы целесообразно рассмотреть на примере газовой хроматографии. Газовые хроматографы выпускаются промышленностью серийно для газохроматографического контроля. Принципиальная схема такого прибора показана на рис.23. Проба анализиру­емого вещества подается в хроматографическую колонку 2 с помощью дозатора 1, через который пропускают газ-носитель (элюент); обычно пробу вводят в поток газа-носителя шприцем. В колонке 2 компоненты пробы распределяются вдоль слоя сорбента, детектор 3 фиксирует концентрации выходящих из колонки компонентов в потоке газа-носителя. Сигнал детектора регистрируется на мониторе 4.

В качестве детекторов наиболее часто используются катарометры (регистрируют изменение теплопроводности газов по изменению электрического сопротивления проводника), ионизационные детекторы (регистрация по току ионизации молекул газа под воздействием пламени или радиоактивного излучения), детекторы плотности, или плотномеры (по плотности газа), пламенные детекторы (по температуре пламени, в котором сгорает элюент) и другие.

Рис.23. Принципиальная схема газового хроматографа:

1 – дозатор; 2 – хроматографическая колонка: 3 – детектор; 4 – регистрирующее устройство

Хроматограмма записывается в виде отдельных хроматографических зон, отвечающих соответствующим компонентам, которые движутся с разной скоростью по хроматографической колонке и поочередно выходят из неё. Скорость движения вещества не зависит от его концентрации.

Основными параметрами хроматографического пика являются его высота и ширина. По ширине и высоте пика рассчитывают количество вещества, прошедшее через хроматографическую колонку.

Хроматографическими характеристиками, с помощью которых можно сделать заключение о качестве разделения компонентов смеси, являются время удерживания _уд. и объём удерживания V_уд. Время удерживания – время от момента ввода пробы до момента регистрации максимума пика на хроматограмме. Объём удерживания – объём элюента (газа-носителя), прошедший через хроматографическую колонку за время удерживания.