КонюховХроматография

показаниям. В противном случае объемную скорость газа* носителя измеряют с помощью пенного расходомера. По* этому при вычислении удерживаемых объемов следует ис* пользовать значение объемной скорости, учитывающей температуру колонки и давление водяного пара при тем* пературе измерения:

где изм — измеренная объемная скорость, см3/мин; Тк — температура колонки, К; Тср — температура окружающей среды, К; РН2O — давление насыщенного пара воды при температуре измерения, Па; РВ — атмосферное (баромет* рическое) давление, Па.

Исправленный объем удерживания4 (VR) рассчитыва* ют по уравнению:

Приведенный объем удерживания5 (V 1 ) — объем удер*

R

живания, пересчитанный на температуру 273,15 К:

Приведенный объем удерживания, исправленный с учетом перепада давления вдоль слоя неподвижной фазы, называют эффективным (чистым) объемом удерживания

где j — коэффициент сжимаемости, вычисляемый по урав*

4 Иногда исправленным объемом удерживания называют произве* дение VR j.

5 В литературе можно встретить, что приведенный объем удержива* ния — это (V – V0), т. е. исправленный объем удерживания VR.

где РВ — давление на входе в колонку; Р0 — давление на выходе из колонки.

Таким образом, эффективный объем удерживания не зависит от «мертвого» объема, приведен к среднему дав* лению в колонке и температуре 273,15 К, но он зависит от количества неподвижной фазы в колонке. Эту зависи* мость исключают введением удельного объема удержива/ ния (Vg)6. Он равен чистому объему удерживания, отне* сенному к массе неподвижной жидкой фазы или к массе сорбента в колонке g:

Иногда удельным объемом удерживания называют ве*

личину:

Vg 1 VgR j.

Объем Vg является такой же характерной константой исследуемого вещества, как его температура плавления (кипения), показатель преломления, плотность и т. п. В справочной литературе приводятся данные по удельным удерживаемым объемам различных веществ на различных фазах. Используя эти данные, можно проводить качест* венный анализ смесей веществ.

Однако в повседневной практике получили большее распространение относительные параметры удерживания.

Относительное время удерживания (tотн ) — отноше* ние исправленного времени удерживания (tRi ) данного i/го вещества к соответствующему времени удерживания со* единения, выбранного в качестве стандарта (tRст ):

t

tотнi 1 t Ri . (2.18)

Rст

Относительный объем удерживания (VRотн ): или от/ носительное удерживание ( ) — отношение исправленно* го, чистого или удельного объема удерживания данного

6 В литературе можно встретить и термин абсолютный удельный удерживаемый объем.

i/го соединения к соответствующему объему удерживания вещества, выбранного в качестве стандарта (ст):

V

Vотнi 1 VRi , (2.19)

Rст

где (VRi ) — исправленный объем удерживания исследуе* мого i*го вещества; VRст — исправленный объем удержи* вания вещества, принятого за стандарт.

Стандартом может быть любое вещество, однако, в большинстве случаев используются нормальные парафи* ны, бензол или вещество, принадлежащее к тому же клас* су, что и определяемое.

Относительные величины удерживания не зависят от количества сорбента в колонке, от объема колонки, за* нятого газовой фазой, от перепада давления в колонке, от скорости газа*носителя. Они используются для иден* тификации анализируемых веществ, их публикуют в виде таблиц, как в оригинальной литературе, так и в спра* вочниках.

Как уже неоднократно отмечалось, удерживание ве* щества в колонке зависит от интенсивности его межмо* лекулярного взаимодействия с неподвижной фазой. Чем интенсивнее указанные взаимодействия, тем медленнее движется вещество вдоль колонки, тем больше его удер* живание. В случае газо*жидкостной хроматографии ме* рой такого межмолекулярного взаимодействия может слу* жить коэффициент распределения вещества между под* вижной и неподвижной фазами — коэффициент Генри. Он равен отношению количества анализируемого вещест* ва, содержащегося в единице объема неподвижной фазы Снф, к количеству этого вещества, содержащегося в еди* нице объема газовой фазы С:

Константа распределения связана с коэффициентом емкости колонки (2.10) соотношением:

где Vнф и V — объемы неподвижной и газовой фазы в ко* лонке; — величина, равная отношению этих объемов, называемая фазовым отношением. Отсюда следует выра* жение для константы распределения:

Г= k .

Вхроматографии также вводится понятие общего ко/ эффициента Генри Г0, равного отношению количества анализируемого вещества, содержащегося в единице объ*

ема колонки Скол, к количеству этого вещества, содержа* щегося в единице объема газовой фазы С:

Величины Г и Г0 тем выше, чем больше доля вещества, удерживаемая неподвижной фазой. Так как по колонке движется только та часть вещества, которая в данный мо* мент времени находится в газовой фазе, то VR (tR) пропор* ционален Г. Окончательно для относительного объема удерживания i*го вещества имеем выражение:

В случае газо*адсорбционной хроматографии мерой указанных межмолекулярных взаимодействий исследуе* мого вещества и адсорбента в колонке может служить ад/ сорбционный коэффициент b (константа адсорбционного равновесия). Тогда, относительный объем удерживания i*го вещества выражается уравнением:

2.2.3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОЛОНКИ

Время удерживания и все производные от него величи* ны являются по существу термодинамическими характери* стиками процесса. Однако, как и в любом другом химиче* ском процессе, в хроматографии результат определяется со* вместным влиянием термодинамических и кинетических факторов. Если в хроматографической системе данного со* става при данной температуре у двух веществ значения tR близки, то никакие изменения геометрии колонки, расхода

Рис. 32

Иллюстрация понятия «эффективность колонки» (Н)

элюента и других параметров не приведут к успешному раз* делению этой пары. Но, с другой стороны, различие значе* ний tR вовсе не означает, что разделение, а тем более хоро* шее, будет достигнуто. Для этого используемая колонка должна обладать достаточно высокими кинетическими ха* рактеристиками. Акты сорбции*десорбции должны совер* шаться с большой скоростью, чтобы реализовалась потенци* альная возможность разделения, заложенная в различии tR.

Основная кинетическая характеристика любого про* цесса разделения — высота Н, эквивалентная теоретиче* ской тарелке (ВЭТТ). Эта величина соответствует слою сор* бента (неподвижной фазы), в пределах которого устанав* ливается равновесие между подвижной и неподвижной фазами. Она отражает по существу качество использован* ного сорбента, качество заполнения колонки и правиль* ность выбора режима хроматографирования.

Чаще применяют обратную величину — число теоре/ тических тарелок N:

N = L/H,

где L — длина колонки.

Число теоретических тарелок служит мерой эффек/ тивности колонки. Его рассчитывают как функцию вре* мени удерживания и ширины пика (рис. 32) по уравне* нию:

где lS — ширина пика у основания; l0,5 — ширина пика на уровне 0,5 высоты; l2 — ширина пика на уровне 0,607 вы* соты.

В литературе для определения числа теоретических та* релок иногда вместо уравнения (2.24) используют выра* жение, учитывающее коэффициент емкости k (2.10):

Чем сильнее размыт пик, тем меньше N и больше Н. Это видно на рис. 33, на котором изображены пики веще* ства, полученные на одной НЖФ, но при различной эф* фективности колонки7.

Рис. 33

Вид пика при различном значении числа теоретических тарелок N:

1 — 250; 2 — 50; 3 — 10.

7 Величину N иногда называют числом эффективных теоретических тарелок в противовес числу теоретических тарелок, вычисляемых че* рез время удерживания t.

2.2.4.СЕЛЕКТИВНОСТЬ ФАЗЫ (КОЛОНКИ)

Основная задача хроматографического исследования — разделение веществ анализируемой смеси. Разделение зон веществ, прошедших через хроматографическую колон* ку, приводит к появлению разделенных пиков на хрома* тограмме.

Разделение или наложение пиков друг на друга связа* но с понятием селективности фазы (колонки) — способ* ности фазы (колонки) разделять анализируемые вещества. Чем дальше на хроматограмме отстоят друг от друга пики анализируемых веществ, тем селективнее фаза (колонка). Применение селективной фазы позволяет разделять веще* ства с одинаковым давлением насыщенного пара (одинако* вой температурой кипения). В этом заключается основное преимущество хроматографии перед ректификацией.

Критерии селективности (разделения).

1. Степень разделения. Распределение концентрации вещества в зоне на выходе из хроматографической колонки близко к распределению Гаусса: максимальная концен* трация сосредоточена в центре зоны и снижается к ее кра* ям. Вид кривой Гаусса должен иметь и хроматографиче* ский пик. На практике пик можно считать треугольником (рис. 34), тогда предельный случай разделения пиков наблю* дается, когда треугольники касаются друг друга основания*

ми. При дальнейшем сближе* нии пиков произойдет их нало* жение друг на друга, и фазу уже нельзя считать селективной по отношению к разделяемым ве* ществам. Из геометрических соображений вытекает, что при касании треугольников осно* ваниями расстояние между их вершинами l равно сумме их полуширин 0,5:

Тогда критерием качества разделения смеси двух ве* ществ может служить отношение расстояния между мак* симумами хроматографических пиков к сумме их полу* ширин. Эту величину R называют степенью разделения

или просто разделением:

Если l0,51 1 l0,52 , то R = l/2l0,5. Вместо l0,5 в знаменатель уравнения (2.25) могут быть подставлены и другие вели*

чины, характеризующие ширину пиков, например ll. Если R > 1, пики на хроматограмме разделены и фазу

в колонке можно считать селективной, если же R < 1, раз* деления нет и фаза неселективная.

Поскольку расстояние между пиками l пропорцио* нально разности удерживаемых объемов компонентов VR, из теории тарелок можно получить следующее уравнение для степени разделения:

где Г0 — разность общих коэффициентов Генри разделяе*

мых компонентов (2.21); Г0 — среднее арифметическое общих коэффициентов Генри компонентов; N — число тео* ретических тарелок.

Из соотношения (2.26) следует, что высокое число тео* ретических тарелок, характеризующее эффективность ко* лонки, еще не гарантирует качества разделения. Дейст* вительно, для получения величины R > 1, помимо высо* ких значений N, нужна еще большая разность Г0. Для иллюстрации этого положения на рис. 35 приведены хро* матограммы, полученные на колонках с одинаковой эф* фективностью N = 1 200, но с НЖФ различной природы (селективности).

Если на хроматограмме (б) наблюдается достаточно хорошее разделение веществ 1 и 2 (они обладают сильно различающимися Г0 и R 1), то на хроматограмме (а) пики этих веществ сливаются в один ( Г0 веществ недостаточна для их разделения: R < 1).

Рис. 35

Иллюстрация применения понятий «селективность»

и«эффективность» фазы

2.Коэффициент селективности колонки Kc:

3. Коэффициент селективности фазы kc. В выраже* ния для (2.26) и (2.27) входят общие коэффициенты Ген* ри, следовательно, величины R и Kc определяются не только природой сорбента, но и объемами, занимаемы* ми подвижной и неподвижной фазами в колонке, т. е. они зависят от способа набивки колонки. Для характе* ристики селективности самой фазы (способности ее к раз* делению веществ) ввели понятие коэффициента селек/

Здесь Г1 и Г2 — истинные коэффициенты Генри ве* ществ 1 и 2, зависящие лишь от природы вещества и при* роды неподвижной фазы (2.20).

Чем больше , тем дальше отстоят друг от друга пики разделяемых веществ на хроматограмме, тем больше се* лективность фазы колонки.

Учитывая выражение (2.22) для относительного объе* ма удерживания, имеем

В случае газо*адсорбционной хроматографии:

Величины b и Г зависят от температуры: они умень* шаются с повышением Т. Это означает, что с ростом тем* пературы возрастает доля веществ, пребывающих в газо* вой фазе, а время их нахождения в неподвижной фазе tR уменьшается. Снижается участие жидкой фазы, опреде* ляющее процесс разделения (в газовой фазе никакого разделения веществ не происходит), в результате с повы/ шением Т разделение веществ ухудшается. Следователь* но, для достижения лучшего разделения (селективности) необходимо применять как можно более низкие темпе* ратуры.

Считается, что молекулы анализируемого вещества должны проводить как минимум половину времени в не* подвижной фазе, тогда tR будет по крайней мере вдвое пре* вышать время удерживания несорбирующегося газа t0.