Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление подготовки 18.04.01 «Химическая технология»

Образовательная программа «Химическая инженерия»

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 4

Название работы

Разделение нефтяных фракций методом тонкослойной хроматографии

По дисциплине

Физико-химические методы анализа

Студент

Группа	ФИО	Подпись	Дата
ХИМ54	Чижова Анастасия Васильевна

Руководитель

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата
Доцент	Назарова Г. Ю.	к.т.н.

Томск – 2025 г.

Цель работы: изучить влияние способа проведения и состава подвижной фазы на результаты хроматографирования в тонком слое сорбента различных нефтяных фракций.

Объекты исследования: вакуумный газойль и смесь остатков масляного производства.

Задачи:

1. Подготовить пластины для ТСХ.

2. Изучить влияние состава подвижной фазы на результаты хроматографирования смеси стандартных веществ и вакуумного газойля. Выбрать подвижные фазы для: 1) разделения ароматических углеводородов по цикличности; 2) четкого разделения ароматических углеводородов и смол (без наложения зон) с использованием стандартных веществ.

3. Рассчитать подвижность компонентов и оценить качественный состав по смеси стандартных веществ.

4. Сделать вывод о влиянии состава подвижной фазы на результаты хроматографирования смеси стандартных веществ и используемых нефтяных фракций. Обосновать выбор состава подвижной фазы, обеспечивающей разделение образцов на моно-, ди-, три- и тетраароматических углеводородов, без наложения зон и четкое обессмоливание фракций.

5. Выполнить ступенчатое элюирование компонентов указанных потоков и оценить качественный и количественный состав.

6. Сделать выводы о качественном и количественном составе нефтяных фракций способом ступенчатого элюирования.

1. Теоретическая часть

   1. Общие сведения

ТСХ является простым в исполнении и быстрым методом разделения и идентификации очень малых количеств соединений, что обеспечивает высокую производительность метода по числу одновременно анализируемых проб с возможностью визуализации хроматографических зон (полос или пятен) бесцветных разделенных веществ путем обработки бумажного листа или тонкослойной пластинки разнообразными жидкими или газообразными реагентами (серная кислота, азотная кислота, растворы хлоридов сурьмы, пары брома и иода, аммиак, хлор и др,).

Применение тонкослойной хроматографии:

1. Доказательство присутствия ожидаемого вещества или его примеси, оценка хроматографической однородности в сопоставлении с известным веществом сравнения.

2. Идентификация вещества, подтверждение идентичности испытуемого вещества с известным веществом. При данных условиях для каждого соединения характерно определенное местонахождение на хроматограмме и определенное поведение при проявлении (окраска, флуоресценция). Идентификацию проводят непосредственным сравнением пятен известного и испытуемого вещества на одной хроматограмме или элюированием вещества из хроматограммы и последующей идентификацией, например измерением соответствующего спектра.

3. Определение одного или более веществ в смеси, проводимое одним из следующих методов:

а) субъективной оценкой хроматограммы (например, с помощью калибровочной хроматограммы);

б) объективной оценкой хроматограммы;

в) последующим определением некоторых компонентов физико-химическим методом (например, по элюировании вещества с хроматограммы его определяют спектрофотометрически).

4. Установление структуры органических соединений. Сочетанием реакций разложения с хроматографической идентификацией продуктов этих реакций можно установить структуру молекулы.

2. Основы хроматографического процесса в тонком слое сорбента

Хроматографический процесс в тонком слое сорбента обеспечивается передвижением подвижной фазы (элюента) посредством капиллярных сил, которые преобладают над гравитационными силами. Благодаря этим силам обеспечивается продвижение разделяемых компонентов смеси. Помимо этого, в ТСХ действуют и силы диффузии, влияющие на перемещение хроматографируемого вещества, как в продольном, так и в поперечном направлениях.

В результате передвижения элюента и смеси исследуемых веществ происходит разделение анализируемой смеси на компоненты, основанное на различной скорости их перемещения в слое сорбента. Как было отмечено, в планарной хроматографии движение элюента в пористом слое сорбента, находящегося на поверхности пластинки, вызвано действием капиллярных сил. Так, проникая в капиллярные полости слоя, элюент стремится уменьшить площадь своей поверхности, что сопровождается снижением его свободной энергии поверхности (Еm). Изменение энергии (∆Em) прямо пропорционально поверхностному натяжению, а также молярному объему элюента и обратно пропорционально радиусу капилляра r. При этом поступающий элюент сначала заполняет более узкие поры, а более крупные поры, находящиеся на пути его движения, остаются на какое-то время пустыми, однако и они также заполняются элюентом, выходящим (вытекающим) из более мелких пор.

При исследовании нефтяных фракций в качестве подвижной фазы применяют легко летучие органические растворители и процесс хроматографирования проводят в закрытом сосуде, называемом хроматографической камерой или даже закрытых пробирках. Камеры для хроматографирования представляют собой стеклянные емкости различного размера цилиндрической или прямоугольной формы с плоским дном и притертыми пришлифованными крышками или стеклом. Камеру предварительно насыщают парами подвижной фазы. Насыщение атмосферы камеры парами растворителя сильно влияет на результат разделения. Если атмосфера камеры не насыщена, то растворитель во время хроматографии испаряется из тонкого слоя сорбента, так что для того, чтобы он поднялся на определенное расстояние, нужно большее количество растворителя и время (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Влияние атмосферы в камере на ТСХ

Если в камеру помещают фильтровальную бумагу, пропитанную элюентом, то пары растворителя вскоре распределяются равномерно в паровой фазе и камера будет насыщена. Скорость движения компонентов разделяемой смеси определяется соотношением времен движения (в токе элюента) и удерживания поверхностью за счет сорбции. При этом молекулы каждого из компонентов участвуют в многочисленных актах сорбции и десорбции. В конце процесса элюирования каждый из разделяемых компонентов смеси проходит соответствующее расстояние, хроматографической зоны.

Варианты элюирования:

• восходящий, определяемое положением центра;

• нисходящий (более быстрый, вниз под действием силы тяжести жидкости просачиваются значительно быстрее, чем поднимаются вверх под действием только капиллярных сил);

• горизонтальный;

• круговой;

• двумерный с поворотом пластинок на 90 и 180 градусов.

Важным преимуществом является возможность легкого осуществления двумерного процесса. В этом случае пятно исходной смеси наносят вблизи одного из углов квадратного листа пластины, и получают первичную хроматограмму. Затем поворачивают лист на 90 и проводят хроматографический процесс в перпендикулярном направлении (часто с другим составом подвижной фазы). При этом каждое пятно первичной хроматограммы разделяется на несколько пятен составляющих его компонентов. Это позволяет детально исследовать состав весьма сложных по составу смесей. Если исходная проба содержит несколько соединений, то после элюирования во втором направлении они должны располагаться по диагонали хроматограммы.

На качество разделения в планарной хроматографии влияют факторы, которые можно расположить в ряд по степени их значимости:

• сорбент;

• элюент;

• тип и предварительное насыщение камеры и слоя;

• средний диаметр частиц сорбента и их форма;

• стартовый размер (диаметр) пятна;

• расстояние от старта до нижнего края пластинки;

• относительная влажность воздуха лабораторного помещения;

• равномерность нанесения слоя;

• скорость элюирования;

• интервал величин Rf;

• температура в камере;

• объем растворителя в камере;

• толщина слоя и тип вещества, связывающего сорбент;

• микроповреждения слоя;

• направление элюирования;

• длина пути разделения;

• наличие примесей в элюенте.