http://chromatography.by.ru/lecture/diagram_gc.html (лекции по хроматографии)

Лекция 11

Х Р О М А Т О Г Р А Ф И Я

Хроматографический метод анализа впервые был разработан русским ботаником

М.С.Цветом в 1903 г. Хромато (цвето) графия (описание) с греческого. М.С. Цвет впервые установил, что при разделении экстракта зеленых листьев считавшийся однородным зеленый пигмент хлорофилл на самом деле состоит из нескольких веществ. В настоящее время хроматография используется и для разделения бесцветных веществ. Заметное развитие началось в 30-е годы XX века, когда возникла потребность в новом методе разделения смесей и очистке веществ, разлагающихся при нагревании. Хроматография продолжает бурно развиваться и в настоящее время является одним из перспективных методов анализа. За работы, выполненные с применением хроматографических методов было присуждено 14 Нобелевских премий. Хроматографию можно определить как процесс, основанный на многократном повторении актов сорбции и десорбции вещества при перемещении его в потоке подвижной фазы вдоль неподвижного сорбента.

Сорбцией (лат.-sorbeo-поглощаю) называют процесс поглощения твердым телом или жидкостью (сорбентом) газообразного, парообразного или растворенного вещества (сорбата). Обратный процесс называют десорбцией. Сорбцию подразделяют на адсорбцию, абсорбцию и хемосорбцию.

Адсорбция – поглощение (концентрирование) вещества (адсорбата) поверхностью твердого или жидкого адсорбента, вызванное физико-химическим взаимодействием адсорбата и поверхности.

Абсорбция – избирательное поглощение вещества (абсорбата) из раствора или газовой смеси жидкостью или твердым телом поверхностью абсорбента в объеме.

Хемосорбция – поглощение вещества сорбентом с образованием химических соединений.

Существует множество вариантов хроматографии. Различные методы хроматографии классифицируют по разным признакам.

По агрегатному состоянию фаз:

Неподвижная фаза	Подвижная фаза	Название (краткое) хроматографии
Твердая Твердая Жидкая Жидкая	Газ Жидкая Газ Жидкая	Газовая адсорбционная (ГАХ) Жидкостная адсорбционная (ЖАХ) Газо- жидкостная (ГЖХ) Распределительная жидкостная (ЖЖХ)

Если неподвижная фаза твердая, а подвижная жидкость или газ – адсорбционная (газовая ГАХ или жидкостная ЖАХ) хроматография. В качестве адсорбентов чаще всего используют природные или полученные в заводских условиях твердые тела с большой внутренней или наружной поверхностью.

В основе методов ГАХ и ЖАХ лежит неодинаковая адсорбционная способность, зависящая от структуры разделяемых компонентов, а главным образом от их полярности.

В основе распределительной хроматографии ГЖХ и ЖЖХ лежит неодинаковая растворимость компонентов разделяемой смеси в подвижной и неподвижной фазах (компоненты имеют разные коэффициенты распределения между подвижной и неподвижной фазами).

II. По форме проведения процесса разделения:

а) Колоночная

б) Капиллярная

в) Тонкослойная

а) Колоночная хроматография. Колонка (стеклянная, кварцевая, из нержавеющей стали) заполняется адсорбентом, вверху (в начало) вводят разделяемую смесь. Неподвижная фаза – адсорбент, подвижная фаза – газ, органический растворитель, (реже - водяной пар). Этот метод преимущественно используется в исследовательской практике, его преимущества:

– разделение идет в мягких условиях, это сохраняет нативность входящих в смесь веществ,

– результаты хорошо воспроизводимы.

– препаративное получение отдельных хроматографических фракций.

Эффективность хроматографического разделения зависит от следующих факторов:

А) природы адсорбента, б) природы элюента, в) соотношения размеров колонки d:h=>1:10, г) загрузки колонки – соотношение массы смеси к массе адсорбента >=1:20-30. Чем сложнее разделяемая смесь, тем меньше должна быть загрузка вещества.

Для ГЖХ диаметр набивных колонок 3-8 мм, длина 1-3 м.

б) Капиллярная хроматография. Колонка внутри полая, жидкую неподвижную фазу наносят на внутренние стенки. Для ГЖХ диаметр капиллярных колонок 0,2-1 мм, длина 1-100 м.

В) Тонкослойная хроматография. Если сорбент помещен не в колонке, а в виде тонкого слоя на пластинке, то мы получаем один из вариантов хроматографии – тонкослойную хроматографию (ТСХ). В качестве основы может быть использовано стекло, металл (алюминиевая фольга), пластмасса (для водных растворов). В качестве сорбентов обычно применяют оксид кремния (силикагель), оксид алюминия. В настоящее время выпускают готовые пластинки с нанесенным сорбентом с флуоресцирующими добавками.

В качестве растворителей используют те же элюотропные ряды, что и в колоночной хроматографии.

Схема разделения смеси веществ на пластинке с тонким слоем сорбента:

а) линия старта, б) линия фронта (финиша)

Количественной мерой скорости переноса вещества при использованиии определенного адсорбента и растворителя в тонкослойной хроматографии является величина R_f (retention factor =коэффициент задержки):

Sn

R_f = --------

S₀

где: Sn - расстояние от старта до пятна (мм, см)

S₀ - расстояние от старта до фронта растворителя (мм, см)

Для проявления разделенных соединений используют:

- спектрофотометрическое облучение (УФ - область), для веществ, содержащих хромофоры (ароматические УВ)

- химическое проявление обработкой пластин реагентом, взаимодействующим с одним из разделяемых соединений.

С целью детального исследования разделяемых соединений можно снимать отдельные зоны с пластинок. Надежным методом идентификации является также метод свидетелей, когда вместе с пробой на старт вносят индивидуальные модельные вещества.

Возможности ТСХ как аналитического, так и исследовательского метода, существенно расширяются благодаря сочетанию с такими физико-химическими методами, как спектрофотометрия, газо-жидкостная хроматография, хромато-масс-спектрометрия, а также с колоночной хроматографией.

Наиболее часто ЖАХ реализуют а) колоночной, б) тонкослойной хроматографией

III. По природе сил, действующих в хроматографии:

1.Молекулярные (слабые межмолекулярные взаимодействия, в основе которых лежат дисперсионные, индукционные силы) – ЖАХ, ГАХ, ГЖХ, ЖЖХ.

2. Хемосорбционные – сильные взаимодействия, в основе которых лежат химические реакции (ионообменные, комплексообразование и т.п.)

IY. По целям хроматографии:

1. Аналитическая – качественный и количественный анализ

2. Неаналитическая – слежение за ходом реакции

3. Препаративная : ЖАХ – выделение чистого вещества из смеси и его исследование.

Y. По методике проведения хроматографии. Иначе – по способу относительного перемещения фаз:

1. Фронтальный способ. Наиболее простейший вариант. Через колонку с адсорбентом непрерывно пропускают анализируемую смесь компонентов A и B в растворителе С (при этом компонент А имеет более слабое сродство к выбранному сорбенту, чем B). Фронт движущейся смеси состоит из менее сорбирующегося компонента А, затем движется исходная смесь. В растворе, вытекающем из колонки, определяют концентрацию каждого компонента и строят график в координатах: [С] - концентрация вещества, V (мл) – объем раствора, прошедшего через колонку, который называют хроматограммой (рис.)

[C] Кривая фронтального анализа [C] Кривая проявительного анализа

V, мл V, мл

2. Элюентный (проявительный). В колонку вводят анализируемую смесь компонентов A и B в виде порции раствора или газа, колонку непрерывно промывают подвижной фазой газом-носителем или растворителем С). При этом анализируемая смесь компонентов A и B разделяется на зоны: хорошо сорбирующееся вещество B занимает верхнюю часть колонки, а менее сорбирующийся компонент A будет занимать нижнюю часть. (рис. вверху)

3. Вытеснительный. Анализируемую смесь компонентов A и B в растворителе С вводят в колонку и промывают раствором вещества D (вытеснитель), который сорбируется лучше, чем любой из компонентов A и B. Концентрация раствора не уменьшается в отличие от проявительного метода. Недостатком является частое наложение зоны одного вещества на зону другого, поскольку зоны компонентов в этом методе не разделены зоной растворителя.

Вещество подвижной фазы непрерывно вступает в контакт с новыми участками сорбента и частично сорбируется, а сорбированное вещество контактирует со свежими порциями подвижной фазы и частично десорбируется.

        Рис. Основные варианты проведения хроматографического процесса: а – фронтальный; б – проявительный; в – вытеснительный; 1, 2, 3, 4 – разделяемые вещества; C – несорбирующаяся подвижная фаза; D – вытеснитель.

При постоянной Т⁰С адсорбция увеличивается с ростом концентрации раствора или давлении газа. Математически процесс адсорбции выражается уравнением:

a = a_∞ * bc/1+bc

где: a – количество адсорбированного вещества при равновесии

a_∞ – максимальное количество вещества, которое может быть адсорбировано на данном адсорбенте, (_∞ – знак бесконечности)

b – постоянная, коэффициент

c – концентрация вещества

Зависимость количества поглощенного вещества а от концентрации раствора или давлении газа C при постоянной Т⁰С называют изотермой адсорбции (рис.).

a

a_∞ - - - - - - - - - - - - -

[C]

Рис. Изотерма адсорбции

Таким образом, на поверхности твердого тела имеется некоторое число мест с минимальной энергией, расположенных через определенные интервалы по всей поверхности. На этих местах могут адсорбироваться молекулы из раствора или газа. В области небольших концентраций изотерма линейна: при bc<<1 знаменатель становится равным 1, уравнение (линейной адсорбции) переходит в вид (соответствует уравнению Генри, Г – коэффициент Генри):

a = a_∞ * bc = Г *c

a

[C]

При высокой концентрации bc >>1, a = a_∞, что соответствует так называемому насыщению: изотерма адсорбции выходит практически на прямую, параллельную оси абсцисс.

Лекция 12

НЕПОДВИЖНЫЕ ФАЗЫ (АДСОРБЕНТЫ) В ЖАХ

Количество адсорбированного вещества будет определяться не только его концентрацией, но и сродством к адсорбенту. При адсорбции нескольких веществ проявление сродства особенно заметно, так как возможно вытеснение одних сорбированных веществ другими, обладающими большим сродством, хотя имеющими, может быть, и меньшую концентрацию.

Все адсорбенты делятся на:

- полярные (SiO₂, Al₂O_3, цеолиты) - у них очень развитая внутренняя поверхность, очень много пор

- модифицированные адсорбенты (обработка кислотами, щелочами, солями металлов)

- неполярные (активированные угли, графитированная сажа) – у них очень развитая внешняя поверхность,

Требования к адсорбентам:

1. высокая удельная поверхность (м²/г), косвенно отражает способность удерживания веществ

2. высокая химическая инертность

3. высокая селективность

4. достаточная механическая прочность

5. относительная низкая стоимость, доступность