КонюховХроматография

ществ от температуры. С повышением Т удерживание обо* их веществ снижается, но в разной степени. При низких температурах (до точки Ти) первым из колонки будет элюи* роваться вещество 2, а при высоких — вещество 1.

Кроме интенсивности межмолекулярного взаимодей* ствия с неподвижной фазой на величину удерживания ве* щества влияет и давление его насыщенного пара Р0. Дей* ствительно, чем выше Р0, тем большая часть вещества при прочих равных условиях находится в движущемся газе, и тем меньше его удерживание в колонке. Учитывая это об* стоятельство, Е. Херингтон для случая газо*жидкостной хроматографии предложил следующее уравнение (урав* нение Херингтона):

Здесь P10 и P20 — давление насыщенного пара чистых веществ 1 и 2, 1 и 2 — коэффициенты активности этих веществ в НЖФ. Мерой интенсивности межмолекулярного взаимодействия с неподвижной фазой в этом случае высту* пают коэффициенты активности. Действительно, чем силь* нееразличаютсявзаимодействиявеществраствора,темсиль* нее отличается от 1.

Давление пара чистых веществ определяется их при* родой и зависит только от температуры. Поэтому при раз*

делении веществ, принадлежащих к одному гомологиче* скому ряду, выбор неподвижной фазы не имеет столь ре* шающего значения: разделение осуществляется из*за раз* личия их Р0. В случае же хроматографирования веществ, относящихся к различным гомологическим рядам, на пер* вый план выходит различие их . Особенно это играет роль, когда анализируемые смеси состоят из веществ, имеющих близкие температуры кипения и, следовательно, практи*

только от соотношения интенсивностей взаимодействия молекул анализируемых веществ и неподвижной фазы (величин Г или ).

Исходя из этих соображений, Э. Байер предложил оценивать селективность НЖФ при анализе смеси ве* ществ, принадлежащих к двум различным гомологиче* ским рядам с помощью так называемого коэффициента селективности (по Байеру). Этот коэффициент представ* ляет собой отношение удельных удерживаемых объемов реальных и гипотетических веществ, принадлежащих к разделяемым классам и имеющих одинаковое давление насыщенного пара или температуру кипения. Согласно уравнению (2.32), в этом случае коэффициент селектив*

Если по оси абсцисс (рис. 38) отложить температуры кипения компонентов указанных гомологических рядов, а по оси ординат — lnVR, то разность ординат при выбран* ной температуре колонки дает lnkc.

Рис. 38

Иллюстрация графического определения коэффициента селективности по Байеру

Рис. 39

Иллюстрация понятий «селективность» и «эффективность» неподвижной фазы (колонки)

Таким образом, критерии R, kc и характеризуют сте* пень разделения пиков, величины H и N — эффективность колонки, определяющую размытие пиков (зон в колонке).

Рис. 39 иллюстрирует понятия селективности и эффек* тивности фазы (колонки). На нем приведена хроматограм* ма, соответствующая случаю, когда фаза в колонке и се* лективная, и эффективная (а), хроматограмма (б) отвечает фазе селективной, но не эффективной. Рис. 39в иллюст* рирует работу эффективной, но не селективной фазы, и, наконец, случай неэффективной и неселективной фазы изображен на рис. 39г.

На селективность и эффективность колонки оказыва* ют влияние и другие параметры, помимо рассмотренных.

5. Длина колонки. Из уравнения (2.26) следует, что сте* пень разделения пропорциональна квадратному корню из длины колонки (при увеличении длины колонки в 4 раза степень разделения увеличивается только в 2 раза). Прак* тически степень разделения для набивных колонок уве* личивается еще в меньшей степени. Дело в том, что при

использовании колонок большой длины перепад давления

вколонке возрастает и соответственно сильно меняется скорость потока по длине колонки. В связи с этим некото* рые участки колонки будут работать не в оптимальном ре* жиме, и в целом эффективность колонок будет меньше, чем это следует из теоретического соотношения. Кроме того, работа на колонке большой длины всегда связана с неудобствами (в частности, обеспечение герметичности, потеря пробы при дозировании в испаритель, находящий* ся под высоким давлением). Поэтому в аналитической практике чаще всего используют колонки длиной 1–3 м.

6.Сечение колонки. Разделительная способность колон* ки обратно пропорциональна сечению колонки. Ширина пика прямо пропорциональна сечению колонки. С умень* шением сечения колонки (уменьшением внутреннего диа* метра колонки) возрастает эффективность и разделитель* ная способность колонки, но до определенного предела, т. е. до того момента, пока не наступает падение доли сорбента

вединице объема колонки (до момента сильного уменьше* ния селективности колонки) и перегрузки колонки.

При использовании малых проб (т. е. при использова* нии высокочувствительных детекторов) наиболее опти* мальными колонками для аналитических целей являют* ся колонки с внутренним диаметром 2–3 мм.

7.Форма колонки. С целью более компактного разме* щения в термостате хроматографические колонки изго* тавливают в виде U*образных и спиралеобразных трубок. Наибольшая эффективность достигается на U*образных колонках: на спиралеобразных колонках (при большом радиусе кривизны) появляется дополнительное размыва* ние пиков, связанное с неодинаковой скоростью газа по сечению колонки.

Достижение заданной степени разделения — основная задача, определяющая выбор условий хроматографическо* го процесса. Однако следует учитывать и дополнительные требования, которые часто приобретают первостепенное зна* чение. Так, например, для лабораторного анализа продол* жительность разделения не имеет большого значения, а для производства фактор времени может стать определяющим.

2.3.ТЕОРИИ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

В задачу теории хроматографии входит установ* ление законов движения и размытия хроматографических зон анализируемых веществ. Основными факторами, по* ложенными в основу классификации теории хроматогра* фии, являются характер изотермы сорбции и скорость установления равновесия.

Взависимости от характера изотермы сорбции разли* чают теории линейной и нелинейной хроматографии.

Теория линейной хроматографии рассматривает про* цессы, которые описываются линейной изотермой сорб* ции. Практическое осуществление такого процесса позво* ляет получать симметричные (относительно точки с мак* симальной концентрацией) пики компонентов.

Теория нелинейной хроматографии описывает процес* сы, которые характеризуются выпуклой или вогнутой изо* термой сорбции и приводят к образованию асимметрич* ных пиков (зон).

Взависимости от того, учитывается скорость установ* ления равновесия или нет, различают теории идеальной и неидеальной хроматографии.

Рис. 40

Изотермы сорбции и соответствующие им хроматограммы:

а — линейная идеальная хроматография; б — линейная неидеальная хромато* графия; в — нелинейная идеальная хроматография; г — нелинейная неидеаль* ная хроматография.

Теория идеальной (равновесной) хроматографии осно* вана на допущении мгновенного установления равновесия между фазами, т. е. на предположении, что скорости внеш* ней и внутренней диффузии очень велики. Ценность та* кого допущения в том, что становится возможным вывес* ти уравнение движения хроматографической зоны.

Теория неидеальной хроматографии рассматривает ре* альный процесс и учитывает скорость установления рав* новесия. На рис. 40 изображены изотермы сорбции и пики анализируемых веществ (зоны), получающиеся на хрома* тограммах в предположении той или иной теории.

2.3.1.СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ ЗОНЫ

Рассмотрение материального баланса, устанавливаю* щего связь количества вещества, прошедшего через сече* ние колонки, с изменением концентрации в нем, позволя* ет вывести уравнение зависимости линейной скорости газа носителя u и скорости движения зоны компонента uз:

dC

где а0 — общее количество анализируемого вещества в еди* нице объема колонки. В случае линейной изотермы сорб*

ции производная в знаменателе (2.34): dadC0 1 Г0 равна об*

щему коэффициенту Генри (2.21). Тогда для колонки еди* ничного сечения получаем

uз 1 u

Г0

Здесь — объемная скорость газа*носителя (см3/с); S — сечение колонки (см2). Таким образом, при линейной изотерме сорбции (рис. 40а) скорость движения зоны ве* щества в колонке не зависит от концентрации: при дви* жении вдоль колонки зона не размывается и пики имеют

вид прямоугольников. При нелинейной изотерме сорбции

(см. рис. 40в, г) dadC0 1 const и скорость движения зоны ве* щества зависит от его концентрации. В случае выпуклой

к оси ординат изотермы величины dadC0 снижаются с рос*

том С и, согласно с (2.34), uз при этом возрастает. Это оз* начает, что части зоны с низкой концентрацией компо* ненты перемещаются медленнее самой зоны (областей с более высокой концентрацией).

При вводе вещества в колонку возникает небольшое размытие его зоны, и во фронтальной и тыльной ее частях образуются области пониженной С, которые перемещают* ся медленнее, чем средняя часть зоны с более высокой кон* центрацией. Отстающая в движении фронтальная часть пониженной концентрации постоянно поглощается самой зоной, а тыльная часть продолжает отставать, захваты* вая все большую часть зоны. В результате происходит ее размытие с образованием «хвоста» пика.

При выпуклой к оси абсцисс (рис. 40в, г) изотерме сорб* ции величина dadC0 возрастает с ростом С. Это означает,

что области зоны с низкой концентрацией компонента пе* ремещаются быстрее областей с более высокой концентра* цией. Аналогичные выше приведенным рассуждения при* водят к заключению, что в этом случае происходит раз* мытие фронта пика.

Совершенно очевидно, что в условиях, вызывающих асимметрию полос, качество разделения зон (пиков) хуже, поэтому объяснимо стремление исследователей работать в условиях, отвечающих линейной области изо*

где а — количество вещества в единице объема неподвиж* ной фазы; С — количество вещества в единице объема под* вижной фазы (концентрация вещества в газе*носителе); и1 — доля подвижной и неподвижной фазы в объеме ко* лонки, соответственно. Из уравнения (2.36) следует, что:

Г0 = Г 1 + ,

где Г — истинный коэффициент Генри (коэффициент рас* пределения).

Истинная линейная скорость движения газа*носите* ля (с учетом того, что часть сечения колонки закрыта для прохода газа):

2.3.2.РАЗМЫВАНИЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ ЗОН

Рассмотрим факторы, определяющие форму хромато* графических пиков (зон) в газовой хроматографии. Раз* деляемая смесь вводится в колонку в виде компактного по объему импульса — зоны. Ее объемом по сравнению с объемом колонки можно пренебречь. По мере перемеще* ния молекул веществ с потоком подвижной фазы зона не* прерывно расширяется, при этом концентрация молекул в ней уменьшается. Главная причина данного процесса в том, что скорость перемещения по колонке отдельных молекул отличается от средней скорости движения всей зоны вещества. Действительно, «быстрые» (по сравнению со средней скоростью) молекулы «убегают» вперед, а «мед* ленные» отстают.

С точки зрения конечного результата хроматографи* ческого процесса — достижения разделения анализируе* мых веществ — размывание зон крайне нежелательно, по крайней мере, по двум причинам. Во*первых, размывание зон различных веществ может привести к их перекрыва* нию, и потому приходится предъявлять более жесткие тре* бования к селективности системы. Во*вторых, размывание приводит к уменьшению концентрации анализируемого ве* щества в центре зоны и как следствие — к снижению чув* ствительности при анализе и дополнительным трудностям при препаративном выделении чистых веществ.

размытие зоны

природу некоторых (основ* ных) процессов, приводящих к увеличению Н.

Вихревая диффузия (неоднородность потока подвиж* ной фазы). Насадочные колонки представляют собой труб* ки, заполненные сорбентом, частицы которого образуют стационарный зернистый слой. Газ фильтруется через этот слой, двигаясь по зазорам между частицами. За счет раз* личных по длине путей перемещения молекул разделяе* мых соединений возникает специфический размывающий фактор — вихревая диффузия (рис. 41).

Вклад вихревой диффузии в процесс размывания зоны

где dp — размер частиц сорбента; — коэффициент вих* ревой диффузии — мера неоднородности потока подвиж* ной фазы.

В капиллярных колонках газ двигается по каналу вдоль оси колонки. По этой причине в капиллярных ко* лонках вихревая диффузия практически отсутствует. Од* нако возникает другой размывающий фактор, вызывае* мый так называемой «тейлоровской» диффузией, связан* ной с параболическим распределением скорости газа по сечению канала.

Продольная молекулярная диффузия в подвижной фазе. Молекулы анализируемых веществ при хроматографиро* вании распределяются между подвижной и неподвижной фазами вследствие процессов молекулярной диффузии. Среднее время пребывания молекул разделяемых веществ в подвижной фазе равно:

t0 1 Lu ,

где L — длина колонки; и — линейная скорость подвиж* ной фазы. В течение этого периода молекулы веществ за счет диффузии смещаются относительно центра зоны, что приводит к ее размыванию. Вклад такой продольной диф* фузии в снижение эффективности колонки (в увеличе* ние Н) может быть описан формулой, полученной на осно* вании уравнения диффузии Эйнштейна:

где DММ — коэффициент молекулярной диффузии; — ко*

эффициент, учитывающий затрудненность диффузии в подвижной фазе, расположенной между зернами сорбен* та. Значение близко к 0,6 для обычных насадочных ко* лонок (для идеального капилляра = 1,00).

Продольная диффузия в неподвижной фазе. В непо* движной фазе молекулы разделяемых соединений прово*

дят время, равное:

3 L 2k1 tR u ,

где k — коэффициент емкости. Величина tR, в отличие от t0, для разных веществ различна. Для неподвижной фазы, как и для подвижной, может быть получено уравнение:

где DMS — коэффициент диффузии в неподвижной фазе.

Кинетика массопередачи в неподвижной фазе. Вклад размывания зоны в увеличение Н колонки, связанный с конечной (не мгновенной) скоростью процессов сорбции — десорбции, несколько различается для адсорбционной и распределительной хроматографии.

Рассмотрим процесс адсорбции из центра зоны. Счи* тая его протекающим согласно с кинетикой первого по* рядка, можно определить среднее время акта сорбции:

ta 1 1 , ka

где ka — константа скорости адсорбции. За это время центр зоны переместится на расстояние (t0/tR)u ta, в то время

Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)