Газова хроматографія 2014

Газова хроматографія: Методичні вказівки до лабораторних робіт з курсу “Аналітична хімія” (інструментальні методи аналізу) для студентів хімічних спеціальностей / Укл.: Й.Й. Ятчишин, Ф.І. Цюпко, І.П. Полюжин, М.М. Ларук, П.Й. Шаповал, Р.Р. Гумінілович - Львів: Видавництво Національного університету "Львівська політехніка", 2014. - 16 с.

Відповідальний за випуск: Семенишин Д.І., д.х.н., професор

Рецензенти: Старчевський В.Л., д.т.н., професор Левицький В.Є., д.т.н., професор

2

4.1.Лабораторна робота № 1. Якісний аналіз за індексами 10 утримування Ковача для ідентифікації хроматографічного піка

3

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ХРОМАТОГРАФІЧНИХ МЕТОДІВ АНАЛІЗУ

Хроматографічні методи аналізу ґрунтуються на різниці сорбційних чи міграційних властивостей компонентів суміші в динамічних умовах і є процесами фізико-хімічного розділення під час їх руху в потоці рухомої фази вздовж нерухомої фази. Розділення відбувається за рахунок різної швидкості переміщення (міграції) компонентів внаслідок багаторазового повторення процесів сорбції речовин нерухомою фазою та їх десорбції в рухому фазу.

За агрегатним станом рухомої фази хроматографічні методи аналізу поділяються на газову (як газ-носій використовують H2, He, N2, Ar) або рідинну хроматографію. Нерухомою фазою є твердий адсорбент або рідина, нанесена у вигляді тонкої плівки на поверхню твердого носія. Газова хроматографія з використанням процесу адсорбції на твердих пористих сорбентах (силікагелях, цеолітах, активованому вугіллі, полімерах) називається газо-адсорбційною, а з використанням абсорбції тонким шаром рідини – газо-рідинною.

За апаратурним оформленням газова хроматографія є колонковою: насадковою або капілярною. Насадкова колонка – це трубка з внутрішнім діаметром 3-4 мм та довжиною 1-5 м, яка заповнена зернами пористого адсорбенту діаметром 0,1-0,5 мм або твердим носієм, на поверхню якого нанесений шар рідкого абсорбенту. Капілярна колонка – це трубка з малим внутрішнім діаметром 0,2-0,5 мм та довжиною 20-100 м, на стінки якої нанесена плівка рідини або твердий сорбент товщиною кілька мікрометрів. Капілярна хроматографія має більшу ефективність розділення ніж насадкова, однак є значно дорожчою.

Аналітичним сигналом хроматографії є хроматограма, для отримання якої використовується пристрій, що називається хроматографом. На рис. 1 зображено принципову схему газового хроматографа.

6

5

Введення

проби

Рис. 1. Принципова схема газового хроматографа.

4

В потік газу-носія, що пройшов стабілізацію і сушку в блоці підготовки (1), через пристрій для введення проби (2) подається газоподібна чи попередньо випарувана аналізована суміш. Газоподібна проба подається через кран-дозатор за допомогою дозуючої петлі (0,25-5 мл), а рідка вводиться у випарник мікрошприцом (0,1 – 10 мкл). Потік газу-носія переносить досліджувану пробу в хроматографічну колонку (3), де відбувається розділення суміші на окремі компоненти за рахунок багаторазового повторювання процесів сорбції компонентів суміші з потоку сорбентом і десорбції їх в потік газу-носія. Внаслідок цього з хроматографічної колонки послідовно виходять бінарні суміші газу-носія та окремих компонентів проби, що розділені проміжками практично чистого газу-носія, які далі потрапляють в детектор (4). Детектор виявляє речовини в потоці газу-носія, шляхом перетворення в електричний сигнал певних фізико-хімічних властивостей суміші газу-носія з розділеними речовинами (теплопровідність, електропровідність, поглинання світла і т.п.), які залежать від концентрації компонентів. Електричний сигнал детектора записується за допомогою реєстратора (5) (самописець з паперовою стрічкою або комп’ютер з аналогово-цифровим перетворювачем та відповідним програмним забезпеченням) у вигляді хроматограми (рис. 2).

Пристрій для введення проби (2), хроматографічна колонка (3) та детектор

(4) розміщуються в окремих термостатах (6), які забезпечують відповідні постійні температури цих частин хроматографа. Хроматографічна колонка (3) може працювати при постійній температурі – в ізотермічному режимі або за умов, коли температура в термостаті колонки збільшується за певною програмою в часі

– режим з програмуванням температури колонки.

Рис. 2. Хроматограма суміші трьох компонентів:

1 – пік інертного газу; 2 – пік менш сорбційно-здатного компоненту;

5

3 – пік більш сорбційно-здатного компоненту.

За відсутності аналізованого компоненту в потоці газу-носія реєстратором фіксується базова лінія. При проходженні через детектор суміші газу-носія з певним компонентом відбувається відхилення від базової лінії, яке є пропорційним концентрації цього компонента в потоці газу-носія, тобто реєструється хроматографічний пік. Теоретично кожен хроматографічний пік мав би відповідати одному компоненту суміші. Однак, якщо певні компоненти рухаються в процесі хроматографування з однаковою швидкістю (мають однакові сорбційні властивості), то вони не розділяються і реєструються у вигляді одного піка. Таким чином, реєстратором (5) фіксується ряд піків, число яких переважно дорівнює кількості компонентів суміші.

2. ЯКІСНИЙ ХРОМАТОГРАФІЧНИЙ АНАЛІЗ

Параметрами хроматограми, які використовуються для якісного аналізу є: час, відстань або об’єм утримування.

Час утримування (τr) - це час від моменту введення проби в хроматограф до появи на хроматограмі максимуму її піка. Він може бути точно виміряний за допомогою секундоміра.

Час утримування залежить від сорбційних властивостей речовини, які зумовлені її природою, тому цей параметр використовується в якісному аналізі для ідентифікації хроматографічного піка, тобто віднесення його до певної речовини, яка присутня в аналізованій суміші.

Використовуючи хроматограму, яка зареєстрована на паперовій стрічці самописця, можна виміряти також такі параметри утримування як відстань утримування (lr, мм) речовини та інертного газу (l0, мм). Якщо відома швидкість руху діаграмної стрічки (b, мм/с) та витрата газу-носія (F, мл/с), то можна розрахувати час (τr, c) (1) і об’єм (Vr, мл) утримування (2):

Об’єм утримування – це об’єм газу-носія, який проходить через хроматографічну колонку від моменту введення проби до появи максимуму піка.

Параметри утримування залежать не тільки від характеристики колонки та умов хроматографування, але і від конструкції хроматографа, а саме величин так званих мертвих об’ємів – з’єднуючих ліній між дозатором і колонками та між колонками і детектором. Ці мертві об’єми характеризують параметри утримування інертного газу (V0, τ0, l0). Тому за формулами (3) обчислюють

6

виправлені параметри утримування (Vr´, τr´, lr´), які не залежать від конструкції хроматографа.

де τ'r – виправлений час утримування невідомого компонента, пік якого знаходиться між піками н-алканів з кількістю атомів вуглецю (z) та (z+1);

τ'z, τ'z+1 – виправлені часи утримування н-алканів з кількістю атомів вуглецю (z) та

(z+1);

z - число атомів вуглецю н-алкану.

Найпростішим методом якісного хроматографічного аналізу є порівняння параметрів утримування. Наприклад, якщо час утримування відомої індивідуальної речовини збігається (в межах 1-5 секунд) з часом утримування якогось піка в досліджуваному зразку за однакових умов хроматографування, то можна сподіватися, що ця речовина присутня в пробі. Негативний результат є однозначним, тоді як позитивний результат не дозволяє зробити впевненого висновку про присутність конкретної речовини в аналізованій суміші, оскільки різні речовини можуть мати однакові сорбційні властивості на даному сорбенті.

Для надійнішої ідентифікації застосовують хроматографування досліджуваної проби і відомої речовини на колонках, заповнених нерухомими фазами з неоднаковими властивостями (наприклад, з різними полярностями). Однозначні висновки про присутність тієї чи іншої речовини в пробі можна зробити, визначаючи хімічні або фізичні властивості хроматографічно виділених речовин за допомогою інших методів визначення – мас-спектрометрії, ІЧ спектроскопії, хімічного аналізу і т.п.

3. КІЛЬКІСНИЙ ХРОМАТОГРАФІЧНИЙ АНАЛІЗ

Кількісний хроматографічний аналіз базується на залежності між кількісними параметрами хроматографічних піків та концентрацією або кількістю речовини, яка введена в хроматограф.

Такими параметрами в хроматографії є:

S – площа піка - площа фігури, яка обмежена контуром піка і продовженням базової лінії під цим контуром;

h – висота піка, яка дорівнює відстані від вершини піку до перетину перпендикуляру з базовою лінією.

7

Переважно форма хроматографічного піка є близькою до рівнобедреного трикутника, тому його площу можна приблизно обчислити як добуток висоти (h) на ширину піка, виміряну на половині його висоти (ω0,5):

За певних умов роботи детектора спостерігається лінійна залежність між кількісними параметрами хроматографічного піка та кількістю речовини в пробі, як, наприклад, між масою речовини в пробі та висотою піка згідно рівняння:

де ki – коефіцієнт пропорційності для і-того компоненту; mi – кількість і-того компоненту, введеного в хроматограф.

Лінійна залежність частіше спостерігається при використанні, як кількісної характеристики, площі піка. Якщо хроматограма записана на паперовій стрічці самописця, то зручніше як кількісну характеристику використовувати висоту піка. У всіх наступних формулах як кількісний параметр використовується висота піка.

При введенні в хроматограф кожен раз однакової кількості проби масою mсум кількість кожного компонента буде пропорційною концентрації (Сі) цього компонента в суміші. Тоді отримаємо коефіцієнт пропорційності kі, який називається калібрувальним коефіцієнтом:

Метод кількісного аналізу, який використовує цю залежність називається методом абсолютного калібрування і застосовується для аналізу сумішей газоподібних речовин, тому що хроматографи обладнані дозаторами, які дозволяють вводити однакові об’єми газової проби.

Оскільки рідини складно точно дозувати, то для їх аналізу користуються непрямими методами калібрування: методом внутрішньої нормалізації і методом внутрішнього стандарту.

3.1. Метод абсолютного калібрування

Метод абсолютного калібрування полягає в приготуванні штучних газових сумішей з відомою концентрацією визначуваного компонента і побудові графічної залежності (калібрувального графіка) кількісного параметру хроматографічного піка (h) від концентрації (С) за постійної величини проби. З цієї залежності можна розрахувати калібрувальний коефіцієнт (kі) для визначуваного і-того компоненту за хроматограмою суміші відомого складу за формулою:

8

де hі – висота піка при хроматографуванні калібрувальної суміші з концентрацією визначуваного і-того компоненту Сі.

Невідому концентрацію можна визначити за формулою:

3.2. Метод внутрішньої нормалізації

Цей метод використовується за умови, що всі компоненти аналізованої проби розділяються та потрапляють в детектор, де дають відповідний електричний сигнал. У цьому випадку сума концентрацій всіх компонентів проби становить 100 % і для n-компонентної суміші можна записати вираз:

однієї з речовин, яку приймаємо як стандарт, одержимо рівняння:

нормувальними. Вони відображають різну чутливість детектора до цих речовин відносно речовини стандарту. Їх знаходять експериментально, хроматографуючи калібрувальні суміші, тобто штучні суміші з відомими концентраціями компонентів, за формулою:

9

використовується при необхідності визначення концентрацій всіх компонентів суміші.

3.3. Метод внутрішнього стандарту

Метод передбачає додавання до певної кількості аналізованої суміші (mсум) відомої кількості внутрішнього стандарту (mст) – речовини, яка не міститься в досліджуваному зразку. Концентрацію і-того компоненту розраховують за формулою:

внутрішнього стандарту; mстX , mсумX – маси речовини внутрішнього стандарту та

аналізованої проби, зважені і змішані перед виконанням аналізу. fi – нормувальний множник для визначуваної сполуки відносно стандартної речовини, знайдений експериментально на основі хроматограм калібрувальних сумішей за формулою (14).

При використанні методу внутрішнього стандарту немає необхідності у визначенні повного складу суміші і результати аналізу не залежать від величини проби, але він потребує виконання допоміжних операцій з підбору і додавання стандартної речовини.

10