
Химия2013 / Раздача ИЗз-09Коллоидная / CollCh / Lec / Lecture2
.pdf
188
ства (они дольше находятся на поверхности адсорбента) «отстают» от слабосорбирующихся веществ. Очевидно, что чем толще слой адсорбента, тем лучше разделение. Таким образом,
хроматография — это метод разделения компонентов подвижной фазы (смеси газов, раствора) при движении ее относительно другой неподвижной фазы (слоя сорбента).
Основным достоинством хроматографии является уни-
версальность 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, ионов. Это значит, что степень разделения можно регулировать. Метод при-
годен для работы с макроколичествами и с микроколичества-
ми веществ. Хроматографический метод разделения веществ легко поддается автоматизации. Эти достоинства обеспечили широкое применение хроматографии в производстве и научных исследованиях. В промышленности хроматографию применяют для получения высокочистых веществ (редкоземельных элементов, актиноидов и др.). Хроматография широко используется как метод фи- зико-химического исследования. С ее помощью можно изучать термодинамику сорбции, определять молекулярные массы веществ, коэффициенты диффузии, давление паров веществ, удельные поверхности адсорбентов и катализаторов и т. д. Широкое применение хроматография получила в аналитическом контроле различных смесей веществ. Важным преимуществом хроматографии является быстрота и надежность проведения анализа.
В зависимости от агрегатного состояния подвижной фа-
зы различают газовую и жидкостную хроматографию. В газо-
вой хроматографии подвижной фазой является газ. Газовая хроматография служит для разделения летучих веществ, к которым обычно относятся вещества с молекулярной массой приблизительно до 300, и термически стойких соединений. В жидкостной хро-

189
матографии подвижной фазой является жидкость. Она применяется для разделения нелетучих веществ с молекулярной массой от 300 до 1000—2000, неорганических ионов и термически нестойких соединений. Таким образом, газовая и жидкостная хроматография дополняют друг друга.
Неподвижная фаза при хроматографии может быть твердой
ижидкой.
Всоответствии с этим газовую хроматографию делят на
•газо-адсорбционную (неподвижная фаза — твердый адсорбент)
•газо-жидкостную (распределительную) хромато-
графию, когда поры твердого инертного носителя
заполняют жидкостью (в процессе хроматографии происходит абсорбция газа жидкостью).
Жидкостную хроматографию делят на
•жидкостно-адсорбцинную (неподвижная фаза —
твердый адсорбент)
•жидкостно-жидкостную, (обе фазы — жидкие).
Взависимости от механизма процесса сорбции жидко-
стную хроматографию классифицируют на
•молекулярно-адсорбционную (физическая адсорбция),
•ионообменную (ионообменная адсорбция),
•распределительную (различная растворимость компонентов в жидкостях подвижной и неподвижной фазы),
•осадочную (осадитель в неподвижной фазе с разделенными компонентами образует соединения с различной растворимостью в подвижной фазе),
•гель-хроматографию (различная проницаемость молекул разделяемых веществ в неподвижную фазу геля
обусловлена размерами молекул).
По способам оформления метода хроматографию делят на колоночную и плоскостную.

190
Плоскостная в свою очередь включает бумажную и тонкослойную хроматографию.
Вбумажной хроматографии в качестве адсорбента используется специальная однородная бумага, на которую наносят раствор разделяемых компонентов. Под действием капиллярных сил и диффузии отдельные компоненты движутся по поверхности бумаги с различной скоростью. В тонкослойной хроматографии применяют тонкие слои адсорбента, нанесенные на пластинку из инертного материала.
Наиболее широко используется колоночная хроматография,
впроцессе которой разделение веществ происходит в узкой и длинной хроматографической колонке, заполненной адсорбентом.
Взависимости от способа передвижения компонентов смеси вдоль неподвижной фазы различают три метода:
•проявительный (элюционный),
•вытеснительный,
•фронтальный.
Проявительный (элюционный) метод заключается в том, что смесь веществ сорбируют в самом начале неподвижной фазы, а затем через нее пропускают элюент — нейтральный разбавитель или вещество, сорбирующееся хуже разделяемых компонентов. В ходе элюирования компоненты выделяются отдельными зонами, которые изолированы друг от друга чистым элюентом.
Вытеснительный метод отличается от проявительного тем, что в качестве элюента применяют вытеснитель — вещество, сорбирующееся лучше разделяемых компонентов. При вытеснении разделяемые компоненты смеси выделяются примыкающими друг к другу зонами, выходящими из колонки в порядке увеличения сорбируемости компонентов.
При фронтальном методе смесь веществ непрерывно пропускают через неподвижную фазу. Очевидно, что этот метод непригоден для разделения близких по свойствам компонентов и ис-

191
пользуется обычно для извлечения из смесей сильно сорбирующихсявеществвеществ. .
Получение хроматограммы. Основное уравнение равновесной хроматографии
Результаты хроматографического разделения смеси веществ регистрируются в виде хроматограммы, которая показывает последовательное расположение и количества компонентов вдоль неподвижной фазы и на выходе из нее.
Концентрацию выходящих из колонки компонентов в потоке газа-носителя ( в случае газовой хроматографии) фиксирует детектор.
Детектирование может быть интегральным и дифференциальнымю
При интегральном детектировании фиксируется общее количество компонентов (например, их общий объем). Вследствие малой чувствительности и инерционности интегральные детекторы применяют крайне редко.
Дифференциальное детектирование (более чувствительное) обеспечивает фиксацию концентрации компонентов.
Наиболее распространенными детекторами являются:
•катарометры (регистрируют изменение теплопроводности газов по изменению электрического сопротивления проводника),
•ионизационные детекторы (по току ионизации моле-
кул газа под воздействием пламени или радиоактивного излучения),
•детекторы плотности или плотномеры (по плотно-
сти газа),
•пламенные детекторы (по температуре пламени, в котором сгорает элюат) и др.
Самописец хроматографа записывает хроматограмму в виде отдельных хроматографических зон, отвечающих соот-

192
ветствующим компонентам которые движутся с разной скоростью по хроматографической колонке и поочередно выходят из нее.
Описание движения компонентов разделяемой смеси вдоль неподвижной фазы является основной задачей теории хроматографии.
Это движение происходит с определенной скоростью и по-
этому равновесие между фазами не достигается. Однако при соответствующих условиях хроматографические процессы могут
приближаться к равновесным. Рассмотрение равновесного процесса позволяет легко связать скорость перемещения компонента вдоль неподвижной фазы со скоростью потока элюента и изменением величины сорбции.
Представим себе хроматографическую колонку с сечением равным единице площади, в которой осуществляется равновесие между подвижной и неподвижной фазами (рис. 36).
Рис. 36. К выводу основного уравнения равновесной хроматтографии
Составим уравнение материального баланса по веществу, распределяющемуся между фазами (продольную диффузию в неподвижной фазе не будем принимать во внимание).
Обозначим объемную скорость потока подвижной фазы че-
рез ω , а время прохождения участка ∆x через ∆τ . За это время
пройдет объем подвижной фазы ω∆τ .
При адсорбции концентрация компонента в подвижной фа-
зе уменьшается на ∆c, а общее количество вещества, ушедшего из
подвижной фазы, равно ω∆c∆τ .

193
Если q — количество сорбента, приходящееся на единицу длины колонки, то на участке ∆x его количество равноq∆x .
После адсорбции концентрация вещества в сорбенте воз-
растает на ∆A, а общее его количество, перешедшее в сорбент на
участке Ах, станет равным q∆x∆A.
Запишем уравнение материального баланса:
ω∆τ∆c = q∆x∆A |
(2.140) |
Переходя к бесконечно малым величинам и записывая соотношение (2.140) относительно линейной скорости перемещения вещества и вдоль колонки, получим:
u = |
dx |
= |
ω |
(2.141) |
|
dτ |
qdA/ dc |
||||
|
|
|
Уравнение (2.141) является основным уравнением идеальной равновесной хроматографии.
Из уравнения (2.141) следует, что линейная скорость пере-
движения вещества в общем случае зависит от вида изотермы адсорбции, т. е. от производной dA/dc.
Принципиально различают три вида изотерм сорбции
(рис. 37 a).
Рис. 37. Виды изотерм сорбции (а) и соответствующие им формы хроматографических зон (б):
1-4 – см. текст. Стрелкой показано направление движения подвижной фазы
С

194
Если адсорбция следует закону Генри, то производная
равна константе Генри [изотермы 1 и 2 (рис. 37 a)] и уравнение (2.141) принимает следующий вид:
u = ω / (qKГ ) |
(2.142) |
Таким образом, скорость движения вещества не зависит от его концентрации. Форма хроматографической зоны на хрома-
тограмме также не меняется в ходе перемещения вещества, так как элементы объема с любой его концентрацией передвигаются с одинаковой скоростью.
Если бы отсутствовала продольная диффузия, концентрация вещества вдоль потока не менялась бы и форма хроматографиче-
ской зоны напоминала бы вид, показанный на рис. 37 б (кривая 1). Однако в реальных условиях имеет место продольная диффузия, и благодаря ей концентрация вещества вдоль потока размы-
вается, соответственно размывается и хроматографическая зо-
на. Ее форма напоминает кривую распределения Гаусса (кривая 2
на рис. 37 б). При соблюдении закона Генри форма хромато-
графической зоны не искажается по мере ее перемещения: все точки зоны движутся с одинаковой скоростью.
С увеличением концентрации перестает соблюдаться закон Генри.
Если изотерма выпуклая (кривая 3 на рис. 37 а), то производная dA/ dc уменьшается с увеличением концентрации, а скорость движения вещества увеличивается. В результате наблюдается преимущественное размывание (кривая 3 на рис.
37 б) задней части зоны (тыла зоны), которая движется мед-
леннее, так как концентрация в ней меньше (вследствие диффузии).
При вогнутой изотерме сорбции (кривая 4 на рис. 37 а) производная dA/dc увеличивается с ростом концентрации и соответственно скорость движения вещества уменьшается. Это приводит к преимущественному размыванию передней части

195
зоны (ее фронта), чему способствует возрастание скорости движения вещества при уменьшении концентрации (кривая 4
на рис. 37 б).
Так как при нелинейных изотермах сорбции размывание хроматографических зон увеличивается, что ухудшает качество разделения, то, очевидно, для лучшего разделения необходимо стремиться проводить исследования в области концентраций, при которых соблюдается закон Генри.
Основные элюционные характеристики
Хроматограмма, записанная самописцем хроматографа, представляет зависимость сигнала детектора от времени пропускания элюента или от его объема. На рис. 38 показаны зависимости сигналов дифференциального и интегрального детекторов, т. е, дифференциальная и интегральная хроматограммы.
Рис. 38. Дифференциальная (а) и интегральная (б) хроматограммы
Линия 1 хроматограммы отвечает выходу из колонки чистого газа-носителя (в газовой хроматографии). Пик 2 указывает на присутствие в пробе несорбирующегося компонента. Пики 3 и 4 соответствуют компонентам анализируемой смеси. Пик ограничен фронтом и тылом. По линии фронта наблюдается возрастание концентрации вещества со временем до максимального значения, а по линии тыла она со временем уменьшается. Основными параметрами пика являются его высота и ширина. За высоту пика h прини-
196
мают расстояние от нулевой линии до максимума пика (или до точки пересечения касательных к линиям тыла и фронта пика h′) . Ширина пика определяется как расстояние между тылом и фронтом на половине его высоты (иногда указывают ширину пика на высоте, например 0,75 h, 0,9 h). Отношение ширины к высоте пика характеризует его размывание. По ширине и высоте пика рассчитывают количе-
ство вещества, прошедшее через хроматографическую колонку. Основными характеристиками, с помощью которых можно сделать заключение о качестве разделения компонентов смеси, является время удерживания τуд и объем Vуд удерживания. Время удержи-
вания — время от момента ввода пробы до момента регистрации максимума пика на хроматограмме. Объем удерживания — объем элюента (газа-носителя), прошедший через хроматографическую колонку за время удерживания. В соответствии с определениями
Vуд = ωτуд |
(2.143) |
Этим величинам соответствует расстояние удерживания l (см. рис.38). Время удерживания можно выразить как отношение длины колонки L к линейной скорости движения вещества:
τуд = L / u |
(2.144) |
Для двух разделяемых компонентов 1 и 2 разделение можно характеризовать или отношением времен удерживания:
τуд1 /τуд2 = u2 / u1 и τуд1 /τуд2 =Vуд1 /Vуд2 |
(2.145) |
или их разностью
∆τуд = ∆Vуд /ω |
(2.146) |
При условии линейности изотермы время удерживания пропорционально константе Генри. Учитывая уравнение (2.142), получим:
τ |
|
/τ |
|
= K |
|
/ K |
|
и ∆τ |
|
= |
Lq |
∆K |
|
(2.147) |
|
уд1 |
уд2 |
Г1 |
Г2 |
уд |
ω |
Г |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
197
Из уравнений (2.147) следует, что отношение времен удерживания определяет константу разделения, а разность времен удерживания характеризует степень разделения с учетом многократных актов сорбции-десорбции вдоль неподвижной фазы. Чем больше длина колонки L, тем дальше друг от друга находятся компоненты, т. е. тем лучше их разделение. Однако эффективность разделения зависит не только от природы разделяемых компонентов и сорбента, но и от конструктивных особенностей колонки, размеров частиц сорбента и качества их упаковки. Последние факторы в значительной мере определяют число актов сорбциидесорбции, приходящееся на единицу длины колонки (число теоретических тарелок) и степень размывания пиков. Эффективность разделения определяется отношением расстояния между максимумами хроматографических пиков к сумме ширин пиков (см.
рис. 38):
β = |
|
∆l |
|
|
(2.148) |
µ |
+ |
µ |
2 |
||
|
1 |
|
|
Рассмотренные элементы теории хроматографии являются общими для всех видов хроматографии, перечисленных выше.
На эффективность разделения компонентов в хроматографическом процессе влияет очень много факторов. Сорбент (твердый или жидкий) должен обладать определенной селективностью. Элюент должен быть инертным по отношению к компонентам и сорбенту, обладать малой вязкостью, обеспечивать высокую чувствительность детектора. При хроматографировании растворов часто применяют комплексообразующие вещества, которые способствуют разделению компонентов (разное вымывание компонентов с сорбента — изменяются константы Генри). Уменьшение скорости элюирования приближает процесс к равновесному и улучшает разделение компонентов. Если с увеличением длины колонки растет степень разделения, то увеличение ее диаметра при-