Как выбирают условия работы хроматографической колонки

Однако вернемся немного назад. Мы ввели пробу в колонку. Что происходит с этой пробой? Она поступила на начальный участок колонки, где, как и в других частях колонки, есть зерна, пропи­танные нелетучей жидкостью, а между зернами находится газ. «Остановим мгновение» и посмотрим, как будет вести себя ана­лизируемое вещество. Часть его будет оставаться в газе между зернами, а другая часть растворится в жидкости. Другими слова­ми, произойдет распределение сорбата между газом и жид­костью. Но в какой пропорции? Какая часть останется в газе, а какая растворится? Эта пропорция есть коэффициент распреде­ления Г, который равен отношению концентрации анализируемо­го сорбата в жидкости с_ж (число молей сорбата в I см³ жидкости) к концентрации его в газе с_г, (число молей сорбата в 1 см³ газа). Таким образом, мы можем записать: Коэффициент Г-это постоянная величина для данного сор­бата и данной жидкости, она зависит только от температуры. Постоянство коэффициента Г означает, что в каждое мгнове­ние существует равновесие между газом и жидкостью. Но такое равновесие совсем не означает, что какая-то молекула пробы бу­дет все время находиться в жидкости, а другая — все время в газе между зернами. Нет, равновесие — это процесс динамический, каждая молекула какую-то часть времени проводит в жидкости и какую-то — в газе. А отношение этих очень малых промежут­ков времени также равно Г.

Выяснив, что произошло сразу после ввода пробы в колонку, рассмотрим нашу систему в движении. Газ движется между зер­нами. Поэтому после того как в первый момент в начале ко­лонки сорбат распределится между газовой и жидкой фазами, газ сразу же «унесет» свою часть дальше, в глубь колонки, а све­жая порция газа, занявшая это место, «потребует» у неподвижной жидкости своей доли с тем, чтобы распределение сорбата между фазами снова соответствовало коэффициенту Г. С другой сторо­ны, газ, который транспортирует сорбат, соприкоснется в глу­бине колонки со свежими порциями неподвижной жидкости и вынужден будет отдать ей львиную долю своей добычи, так как коэффициент Г гораздо больше единицы. Таким образом, молекуле сорбата не остается ничего иного, как «нырять» из од­ной фазы в другую, пока, наконец, газ не вынесет ее прочь из колонки.

Другими словами, хроматографический процесс есть цепь сорбционных и десорбционных актов, причем под сорбцией, как мы уже говорили, понимают либо растворение в неподвижной жидкости, либо адсорбцию на поверхности адсорбента, если он служит в колонке неподвижной фазой. Десорбция же — это об­ратный процесс перехода вещества в газовую фазу. Газ при своем движении очищает колонку от сорбата, вымывает, элюирует его или проявляет хроматограмму.

С какой же скоростью передвигаются молекулы сорбата вдоль колонки? Очевидно, что эта скорость зависит и от скорос­ти газа-носителя, и от коэффициента распределения Г. Дейст­вительно, чем быстрее движется газ, тем на большее расстояние он успевает перенести молекулу сорбата. С другой стороны, чем больше время пребывания молекулы сорбата в жидкости (т.е. чем больше Г), тем больше она «отстает» от движущегося газа. Кроме того, безусловно, что чем больше в колонке жидкости, тем больше время пребывания молекул сорбата в ней.

Обозначим линейную скорость газа-носителя через а (см/с), а скорость движения зоны сорбата через и (разумеется, здесь мы имеем в виду лишь скорость перемещения вдоль колонки, так как в действительности молекула сорбата «успевает» и пере­ходить из одной фазы в другую, и перемещаться в различных на­правлениях, как в газе, так и в жидкости). Тогда

где t_г—время пребывания молекул сорбата в газовой фазе, а t_ж — время пребывания ее в жидкости.

Если бы объем жидкой фазы в колонке был равен объему газовой, то было бы справедливо равенство

Но газовая фаза занимает в колонке больший объем (w_г) по срав­нению с объемом, занимаемым жидкой фазой (w_ж). Поэтому сле­дует записать: