КонюховХроматография

2.Разница в индексах удерживания одного и того же вещества на полярной и неполярной жидких фазах харак* теризует его химическую природу и является дополни* тельной качественной характеристикой.

3.Индексы удерживания меньше зависят от темпера* туры колонки, чем объемы удерживания. Это расширяет область температур колонки, позволяющую проводить идентификацию.

4.При наличии литературных данных по индексам удерживания можно проводить качественный анализ без применения индивидуальных веществ.

Определяя индексы удерживания вещества, следует исключать адсорбционное влияние твердого носителя. Это влияние особенно велико при хроматографировании поляр* ных веществ на неполярных жидких фазах (образование хвостов, изменение порядка выхода компонентов, измене* ние времени удерживания). Поэтому необходимо приме* нять наиболее инертные носители, например, широкопо* ристое стекло, широкопористые силикагели, хромосорб

Ри др. Результаты идентификации компонентов, полу*

Рис. 47

Графическое определение индексов удерживания Ковача

ченные методом Ковача, должны быть проверены други* ми независимыми методами.

Смысл индекса I и уравнения (2.45), по которому этот индекс рассчитывают, можно наглядно представить из графика зависимости логарифма объема удерживания от числа углеродных атомов ряда предельных углеводородов (рис. 47). Для анализируемого вещества, удерживаемый объем которого имеет промежуточное значение между VR(n) и VR(n+1), индекс удерживания заключен между n 100 и (n + 1) 100. Пусть для данного вещества lgVr = 3,60 (на графике он равен отрезку DF). Тогда

I = 600 + AE = 650.

Если обратиться к (2.45), то получится тот же резуль* тат. Первый дробный член правой части этого уравнения, численно равен отрезку АЕ, так как

Второй член правой части (2.45), согласно неравенст* ву (2.46) и графику на рис. 47, должен быть равен:

100 n = 100 6 = 600.

Индексы удерживания аддитивны. Согласно правилу аддитивности индекс удерживания соединения представля* ет собой сумму индексов, соответствующих отдельным свя* зям или структурным элементам молекулы. Иными слова* ми, индекс удерживания соединения есть сумма индексов функциональных групп, образующих данное соединение:

I 1 ICH 2 3nk Ik,

где ICH — индекс удерживания углеводорода, например бензола; пk — число функциональных групп; Ik — индекс структурной группы молекулы.

Если определить индексы удерживания вещества на полярной и неполярной жидких фазах, то разность ин* дексов I на фазах может служить мерой полярности жид* кой фазы и вещества. Она позволяет сделать заключение о структуре исследуемого вещества.

Существуют и нехроматографические методы иденти* фикации — инфракрасная спектроскопия (ИК*спектро* скопия), масс*спектрометрия, ядерно*магнитный резо* нанс (ЯМР) и т. д. Из всех спектроскопических методов, используемых для идентификации в газовой хроматогра* фии, метод ЯМР имеет наименьшую чувствительность, но он дает специфическую информацию для определения структуры анализируемых соединений.

2.4.2. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ

Количество вещества в хроматографической зоне про* порционально площади (П) хроматографического пика на хроматограмме. Существует несколько методов определе* ния площади пиков, основанных на предположении, что форма пика отвечает кривой Гаусса. Чаще всего П опреде* ляют как произведение высоты пика h на его ширину на половине высоты l0,5 (рис. 48):

П = h l0,5.

Точность измерения площади пика этим методом оп* ределяется точностью измерения h и l0,5 на хроматограм* ме. Поскольку высота пика обычно много больше его ши* рины, то точность измерения в первую очередь определя* ется точностью измерения l0,5. Поэтому при измерении

Рис. 48

Определение площади пиков

Рис. 49

Асимметричные пики на хроматограммах

ширины узких пиков (меньше 10 мм) желательно пользо* ваться измерительной лупой и учитывать при этом тол* щину линии на хроматограмме.

Точность измерения ширины пиков можно повысить, записывая хроматограммы при больших скоростях дви* жения диаграммной ленты самописца.

В современных хроматографах, управляемых с помо* щью компьютера, хроматограмма выписывается на экра* не монитора. Время удерживания и площадь пиков изме* ряются автоматически и выводятся на экран.

Как уже отмечалось, при перегрузке колонки анали* зируемым веществом, при наличии остаточной адсорбци* онной активности твердого носителя получаются асиммет* ричные пики (рис. 49).

Перегрузка колонки приводит к образованию размы* того фронта, остаточная адсорбционная активность при* водит к образованию хвоста. Для устранения асимметрич* ности первого типа уменьшают количество подаваемой в колонку пробы. Асимметричность «хвоста» устраняется соответствующей обработкой носителя и фазы.

Для численного выражения асимметричности предло* жено использовать коэффициент асимметричности:

KАС = SA/SB,

где SA и SB — площади между осевой линией пика и зад* ним или передним его фронтом соответственно (рис. 50).

Рис. 50

Учет асимметричности пиков

Для симметричного пика KAS = 1. В случае остаточной адсорбции KAS > 1, при «перегрузочных» пиках KAS < 1. Обработка хроматограмм с асимметрическими пиками, как правило, проводится с меньшей точностью. Считается до* пустимым работать на колонке, имеющей KAS для всех ком* понентов анализируемой смеси в пределах 0,7–1,5.

Образование хвостов («хвостование») зависит и от при* роды анализируемых соединений. Обычно менее всего ис* кажаются пики насыщенных углеводородов практически на всех неподвижных фазах, наиболее сильно — пики вы* сокополярных соединений (вода, органические и мине* ральные кислоты и т. п.). С этой позиции аналитическая колонка может оказаться пригодной для анализа соеди* нений одного класса и совершенно непригодной для ана* лиза соединений другого класса. Следует провести иссле* дования с целью подбора фазы, не дающей хвосты на хро* матограмме. Например, для анализа органических кислот предложена сложная НЖФ, содержащая полиэтиленги* ликольадипат (15%), апиезон L (5%) и ортофосфорную кислоту (3% от массы носителя).

Существуют методики, позволяющие рассчитать пло* щади лишь частично разделенных пиков. На рис. 51 при* ведена такая методика для обработки двух гауссовых пи* ков, когда огибающая имеет минимум (метод корректи* ровки высоты Бартлета и Смита). При наложении двух пиков происходит искажение измеряемых параметров пика (высоты и ширины). При этом степень искажения параметров зависит от полноты разделения и соотноше* ния высот соседних пиков.

Рис. 51

Определение площадей частично разделенных пиков

Площадь пика на хроматограмме зависит не только от количества вещества в хроматографической зоне, но оп* ределяется характеристиками детектора и условиями про* ведения анализа. Так, для различных веществ при рав* ной их концентрации в анализируемой смеси на хромато* грамме получаются пики неодинаковой площади.

Поэтому для проведения количественного анализа не* достаточно определить площади хроматографических пи* ков, а необходимо еще установить для каждого вещества пробы коэффициент пропорциональности между площа* дью пика и его концентрацией в анализируемой смеси, другими словами следует провести калибровку детекто/ ра в выбранных условиях анализа. Обычно применяют сле* дующие методы калибровки.

1. Метод абсолютной калибровки. В этом методе экс* периментально определяют для каждого компонента

анализируемой смеси зависимость площади хроматогра* фического пика от абсолютного его количества в пробе. Эту зависимость обычно представляют в виде графика или эмпирического уравнения. Необходимо отметить, что аб* солютная калибровка должна периодически проверяться

икорректироваться. При повторных калибровках можно ограничиться проверкой нескольких точек на градуиро* вочной кривой.

2.Метод внутреннего стандарта. В этом методе в анализируемую смесь вводят вещество (внутренний стан*

дарт) с известной концентрацией Сст. Это вещество выби* рается так, чтобы оно выходило в том же временном диа* пазоне, что и определяемые вещества смеси, но его пик не должен перекрываться с другими хроматографически* ми пиками. Предварительно для каждого вещества сме* си получают калибровочный график (или уравнение),

связывающий Пi/Пcт с Сi/Сст, где Пi и Пcт — площади пи* ков анализируемого i*го вещества и внутреннего стандар*

та, Сi — концентрация анализируемого вещества в калиб* ровочной смеси. При проведении анализа на хроматограм* ме определяют площади пиков анализируемых веществ

ивнутреннего стандарта, вычисляют их отношение и по

калибровочному графику находят Сi/Сст. Далее, по из* вестной Сст рассчитывают неизвестные концентрации веществ Сi.

Использование метода внутреннего стандарта позво* ляет существенно увеличить точность измерений и делает ненужным периодическую коррекцию калибровочного графика. Действительно, изменение условий хроматогра* фирования в одинаковой степени сказывается на измене* нии параметров пиков стандартного вещества и компонен* тов пробы, а их отношение остается прежним.

Другое преимущество метода заключается в том, что он позволяет анализировать смеси, не все компоненты ко* торых разделяются и фиксируются детектором.

Для повышения точности анализа желательно, чтобы вещество, используемое в качестве стандарта, было близ* ко к определяемым компонентам по величине удержива* ния и содержанию в анализируемой смеси.

3. Метод простой нормировки. Метод основан на пред* положении, что вещества независимо от их строения, взя* тые в одинаковом количестве, дают одну и ту же площадь пика на хроматограмме, т. е. чувствительность детектора по отношению ко всем веществам одинакова. Это выпол* няется, если вещества химически сходны, а в качестве газа*носителя выступает газ, теплопроводность которого значительно больше, чем теплопроводность анализируе* мых веществ (водород или гелий).

Для количественного анализа суммируют площади всех пиков и делят площадь каждого отдельного компо* нента на сумму площадей. После умножения на 100 полу* чают содержание веществ в процентах. Площадь опреде* ляют как произведение высоты пика на его ширину, из* меренную на полувысоте:

4. Метод нормировки с калибровочными коэффициен/ тами. Метод учитывает различную чувствительность де* тектора по отношению к компонентам смеси. Вычисления ведут по уравнению:

где Ki — калибровочный коэффициент i*го вещества. Обыч* но в литературе приводятся так называемые поправочные коэффициенты, т. е. калибровочные коэффициенты Ki ве* ществ, отнесенные к калибровочному коэффициенту Kст вещества, выбранного за стандарт:

Ki1 2 Ki .

Kст

Тогда концентрации анализируемых веществ рассчи* тывают по уравнению:

n

2.5.ПРИМЕНЕНИЕ ХРОМАТОГРАФИИ В ФИЗИКО#ХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Коэффициент распределения Г (Генри) и кон* станта адсорбционного равновесия b являются термоди* намическими величинами, поэтому их значения и их температурная зависимость позволяют определить тер* модинамические характеристики G, H, S процессов распределения, ответственных за движение зон в хрома* тографических системах.

Другим важным преимуществом хроматографическо* го метода исследования является возможность работать в области практически бесконечного разбавления. Это особенно важно при исследовании межмолекулярных взаимодействий, при которых необходимо получать дан* ные по взаимодействию молекул вещества только с по* верхностью неподвижной фазы в условиях, когда взаи* модействия между молекулами самого вещества отсут* ствуют.

Несомненными достоинствами хроматографических методов являются также возможность работать с очень ма* лыми количествами веществ, что особенно важно в случае исследования дорогостоящих или токсичных веществ; возможность проводить исследования в широком интер* вале температур и давлений, используя стандартное хро* матографическое оборудование; экспрессность исследо* ваний.

Основные области использования хроматографии в фи* зико*химических исследованиях:

исследование химии и структуры поверхности твер* дых тел;

исследование полимерных материалов;

исследование межмолекулярных взаимодействий;

хроматоскопия;

исследование процессов диффузии и массообмена;

исследование процессов модифицирования твердых тел;

исследование адсорбционных равновесий;

исследование фазовых равновесий.

Часто для физико*химических исследований исполь*

зуют обращенную газовую хроматографию. В ней объек*

том исследования являются не жидкая или газовая про* бы, подаваемые в хроматограф, а сама неподвижная фаза, помещенная в колонку. Для этого исследуемое вещество измельчают или наносят в виде пленки на инертный носи* тель. Полученную фазу набивают в хроматографическую колонку и далее в токе газа*носителя подают тестирующие вещества обычно различной полярности. Измеряют вре* мена их удерживания tR при различной температуре. Рас* смотрим несколько примеров такого применения хрома* тографии.

2.5.1.ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОТЕРМ АДСОРБЦИИ

Теория хроматографического разделения позволяет, используя хроматограмму вещества, построить изотерму его сорбции на исследуемой неподвижной фазе. Форма пика (симметричный или несимметричный) определяет* ся видом изотермы сорбции компонента. Если изотерма линейная (подчиняется закону Генри), то пик имеет сим* метричный вид (рис. 52, 1). Если изотерма адсорбции вы* пуклая (первого типа или второго типа), то у хромато* графического пика размыта задняя граница — «хвост»

Рис. 52

Изотермы сорбции и соответствующие им хроматографические пики