ФХМА (sol2019) / Учебная литература / Методички / Туркельтауб - Часть 1, Теория хроматографии, Газовая хроматография

76

Издание учебное

Туркельтауб Георгий Николаевич, Ищенко Анатолий Александрович

ХРОМАТОГРАФИЯ

Учебное пособие

Подписано в печать……………..Формат 60х84х16

Бумага писчая. Гарнитура Arial.

Отпечатано на ризографе. Уч. Изд. Листов….

Тираж 100 экз. Заказ № ….

Московский государственный университет тонких

химических технологий имени М.В. Ломоносова

Издательско-полиграфический центр 119571 Москва, пр. Вернадского, 86.

Министерство образования и науки Российской

Федерации

Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова

Кафедра аналитической химии

Туркельтауб Г.Н., Ищенко А.А.

ХРОМАТОГРАФИЯ

Учебное пособие

Москва

МИТХТ им. М.В.Ломоносова

2011

2

ББК24.74.я7

УДК 543.544

Рецензент: д.х.н., проф. Ларионов О. Г. (ИФХЭ РАН

им. А.Н.Фрумкина).

Рекомендовано к изданию кафедрой аналитической химии МИТХТ (протокол № 3 от 09.11.11)

Туркельтауб Г.Н., Ищенко А.А.

ХРОМАТОГРАФИЯ

Часть1.Теория хроматографии. Газовая

хроматография.

Учебное пособие в двух частях.

М: МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2011 – 76 с.:ил.

Утверждено Библиотечно-издательской комиссией

МИТХТ им. М.В.Ломоносова в качестве учебного пособия. Поз.

Учебное пособие знакомит с основными методами хроматографического анализа. Эти методы широко используются для качественного и количественного анализа различных органических и неорганических

веществ. Хроматографические методы применяются при анализе пищевых продуктов, окружающей среды, лекарственных препаратов. Особое значение эти

методы приобрели для контроля производственных процессов. Достоинством этих методов является

высокая чувствительность и точность анализа.

Это учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов по курсу физико-

химических методов анализа и выполнению

практических лабораторных работ.

Пособие подготовлено на кафедре аналитической химии МИТХТ им. М.В.Ломоносова.

___________________________________________

© МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2011

75

Содержание

1.Основные понятия………………....................... 3

2.Классификация методов в хроматографии… ..8

3.Теоретические основы хроматографии ……. 12

4.Общая схема хроматографического анализа..21

5.Газовая хроматография……………………...... 27

5.1.Газожидкостная хроматография…………... 27

5.1.1.Капиллярная колонка……………………….. 37

5.1.2.Ввод пробы в капиллярную колонку ……. 46

5.1.3.Полярность жидких фаз по Роршнайдеру..65

Приложение I …….……………………………… 67 Приложение II …………………………………… 69 Приложение III …………………………………... 71

74

т. е. рассматривать условия на выходе колонки, то в

первом случае при малых Н будем иметь узкие пики,

а во втором случае при больших Н — широкие.

Считая, что в насадочной колонне основными

размывающими факторами являются молекулярная,

вихревая диффузия (в классической форме) и кинетический фактор (внутренняя диффузия), сложив уравнения (12 - 15), и используя затем уравнение (III.2), получим уравнение, называемое уравнением Ван-Деемтера:

Н = 2 dр+ (2D /u) + [k'/(1+ k')2](udf/DL). (III.4)

Это уравнение связывает ВЭТТ с условиями разделения. В частности, зависимость Н от скорости

потока подвижной фазы.

3

Введение

Хроматография была открыта русским ученым М.С. Цветом 1901-1906 годах при исследовании пигментов зеленого листа. При этом он получил ряд окрашенных зон. Он дал название

этому методу хроматография (от греческого

слова chroma (chromatos) цвет + grapho - пишу).

Это открытие признано настолько важным, что

по оценке ЮНЕСКО достойно включения в десятку величайших открытий ХХ века.

Хроматография – метод анализа веществ,

основанный на распределении разделяемых компонентов между двумя фазами: одна фаза неподвижная, другая — подвижная, непрерывно протекающая через неподвижную фазу.

Можно дать и другое определение.

Хроматография - метод разделения смесей веществ

или частиц, основанный на различии скоростей их перемещения по колонке в системе несмешивающихся и движущихся относительно друг друга фаз.

Схема работы хроматографической колонки

Схема процесса разделения двух веществ в

хроматографической колонке показана на рис.1. В хроматографическую колонку вводят очень

небольшую пробу анализируемой смеси. Вещество распределяется между

двумя несмешивающимися фазами.

4

Рисунок 1. Схема разделения компонентов I и II в

73

коэффициент Dэф. В частности, форма

хроматографической полосы описывается уравнением

(II.3) (3.1), а ее дисперсия

2 = 2Dэфt. (III.1)

Последнее выражение означает, что квадрат ширины хроматографического пика пропорционален времени,

причем чем больше Dэф, тем быстрее происходит

увеличение ширины полосы.

Однако использование времени не всегда удобно.

Время перемещения полосы в свою очередь зависит

от многих факторов, таких как скорость подвижной фазы, температура и др. Поэтому для характеристики интенсивности размывания в хроматографии обычно используют другую величину — высоту, эквивалентную теоретической тарелке (ВЭТТ),

пройденному полосой расстоянию. Записанное

выражение отражает основной закон размывания полосы. По мере движения по колонке полоса всегда

размывается, причем дисперсия пропорциональна

пройденному полосой расстоянию. Однако тангенс угла наклона прямой, т. е. интенсивность

размывания, может быть различной. Если колонка

приготовлена хорошо и условия разделения подобраны правильно, то значение Н мало и считается, что эффективность разделения высокая. В

противном случае прямая поднимается круто, значение Н велико и эффективность разделения низкая.

Если задаться определенным значением х = 1,

72

величина С при х = 0, как и указывалось выше,

достигает максимального значения С = Смакс =

Записанное выражение характеризует распределение концентрации в пространстве (в фиксированный момент времени) и имеет параметр , называемый средним квадратичным отклонением, величину 2 называют дисперсией.

Из сравнения уравнений (II.4) и (II.3)следует, что

2 = 2Dt. (II.5)

Из последнего соотношения, называемого уравнением Эйнштейна, видно, что дисперсия кривой распределения пропорциональна времени, т. е. это распределение постепенно размывается в пространстве.

Приложение III. Уравнение Ван-Деемтера Рассмотренные факторы размывания (вихревая

диффузия, молекулярная диффузия, сопротивление массопередаче в неподвижной фазе) действуют

независимо друг от друга и поэтому для получения суммарного эффекта их можно складывать. Полученную в результате такого сложения величину называют эффективным коэффициентом диффузии

Dэф. Прилагательное «эффективный» подчеркивает при этом, что размывающие факторы, действующие в

хроматографии, по своей физической природе

отличны от обычной молекулярной диффузии, однако их действие может быть описано в рамках диффузионных законов, если в последних вместо коэффициента D использовать более значительный

5

хроматографической колонке. Доля сечения колонки, занятая неподвижной фазой обозначена штриховкой. Долю сечения колонки, свободную для непрерывного прохождения газа-носителя - без штриховки.

где Сs и CM – концентрации вещества в неподвижной и подвижной фазах.

Новые порции подвижной фазы, непрерывно поступающей в колонку, вызовут перераспределение этих соединений между подвижной и неподвижной

фазами.

Вместе с потоком подвижной фазы вещества

анализируемой пробы будут двигаться по колонке. Хроматография обеспечивает многократность актов

перераспределения. Это позволяет выявить даже

малейшие различия в коэффициентах распределения разделяемых веществ. При этом вещества анализируемой пробы перемещаются по колонке с различной скоростью в соответствии с их

коэффициентом распределения (Ki).

Будем условно считать, что колонка имеет 4

теоретические тарелки, то есть высота (длина)

каждой секции равна высоте теоретической тарелки.

Теоретическая тарелка это гипотетическая зона,

высота которой соответствует достижению равновесия между двумя фазами. Чем больше

теоретических тарелок, тем эффективнее колонка. Теория теоретических тарелок была предложена для

6

теоретических тарелок; равновесная концентрация

компонента в подвижной и неподвижной фазах на

каждой тарелке устанавливается мгновенно.

Примем, что коэффициент распределения KI вещества I равен ½. То есть концентрации вещества I в неподвижной фазе CS относится к концентрации вещества I в подвижной фазе СM как 1/2, а для вещества II концентрации этого вещества в жидкой фазе относится к его концентрации в газовой фазе как 2/1.

Впозиции 2 показано, что произошло распределение этих веществ между подвижной

(газовой) и неподвижной (жидкой) фазами.

Впозиции 3 представлено, что потоком газа-

носителя вещества, которые остались в газовой фазе,

передвинуты во вторую теоретическую тарелку.

Из позиции 4 видно, что произошло распределение

этих веществ между подвижной (газовой) и неподвижной (жидкой) фазами. При этом в первой тарелке вещества из неподвижной фазы переходят

согласно коэффициенту распределения в подвижную.

Во второй тарелке вещества наоборот сорбируются (растворяются), переходя из подвижной в

неподвижную фазу.

Впозиции 5 показано, что потоком газа-носителя

вещества, которые остались в газовой фазе,

передвинуты из первой теоретической тарелки во вторую, а из второй на третью теоретическую

тарелку.

Впозиции 6 мы видим, что произошло

распределение этих веществ между подвижной и

неподвижной фазами. При этом в первой и второй тарелках вещества из неподвижной фазы переходят согласно коэффициенту распределения в подвижную.

71

интенсивность диффузии; dC/dx — градиент

концентрации.

Знак «минус» указывает на несовпадение знаков

градиента и потока: поток будет течь слева направо, т. е. в положительном направлении оси х, в том случае, если концентрация будет уменьшаться в этом направлении и величина dC/dx будет отрицательной. По мере протекания диффузионного процесса концентрация в каждой точке будет меняться, т. е.

она является функцией двух переменных:

координаты х и времени t. Зависимость C = f(x,t) в дифференциальной форме описывается вторым за-

коном Фика, согласно которому скорость изменения

концентрации

в данной точке пространства х пропорциональна

второй производной концентрации по координате х.

Интегрирование уравнения (II.2) при условии, что первоначально молекулы были сосредоточены в точке х — 0, позволяет получить явную зависимость C = f(x, t),

Это уравнение совпадает в целом с уравнением, описывающем закон нормального распределения или закон Гаусса:

При х = 0 показатель экспоненты также равен 0 и все выражение e x2 2 2

имеет максимальное значение, равное 1. Поскольку коэффициент перед экспоненциальным членом является постоянной величиной, не зависящей от х,

70

_ _

u t (где u — объемная скорость потока, численно равная линейной скорости а, так как S = 1).

Количество прошедшего через сечение

_

растворенного вещества равно u t c' (где с' — концентрация вещества в подвижной фазе). За этот

же промежуток времени через сечение, отстоящее от

первого на расстояние x, пройдет количество

_

вещества, равное u tc" (где с" — концентрация в подвижной фазе).

Составляя уравнение материального баланса,

получим:

Если промежуток времени t достаточно мал, то

уравнение (1,33) можно записать в виде:

dc

движения полосы компонента. Приложение II.

В результате хаотического движения молекул они непрерывно перетекают из области, где их

концентрация выше, в область, где она ниже, в

результате чего происходит постепенное вырав-

нивание концентраций. Количественно величина диффузионного потока G описывается первым законом Фика,

G= -D(dC/dx), (II.1)

где D — коэффициент диффузии, характеризующий

7

В третьей тарелке вещества из подвижной

переходят в неподвижную фазу.

В позиции 7 показано, что потоком газа-носителя вещества, которые остались в подвижной фазе, передвинуты из первой теоретической тарелки

во вторую, из второй в третью теоретическую

тарелку, а из третьей в четвертую теоретическую тарелку.

В позиции 8 представлено, что вновь произошло распределение этих веществ между подвижной и неподвижной фазами. При этом в первой, второй и третьей тарелках вещества из неподвижной фазы переходят согласно коэффициентам распределения в подвижную. В четвертой тарелке вещества,

наоборот, из подвижной переходят в неподвижную

фазу. Соединения, которые остались в газовой фазе в четвертой тарелке, покидают колонку и их концентрация фиксируется детектором.

С помощью детектора (прибора записывающего изменение концентрации в подвижной фазе), мы

увидим картину разделения двух пиков, которая

получила название хроматограммы. Хроматограмма представляет зависимость сигнала

детектора от объема пропущенного элюента (времени анализа). Профиль гауссовской кривой на

хроматограмме получили название

хроматографического пика.

Таким образом, на выходе из колонки мы получим

хроматограмму, состоящую из двух пиков (рис.2). Если в шприце оказался пузырек воздуха, то мы увидим три пика.

Время выхода (элюирования) вещества из колонки

называют временем удерживания tR.

Время удерживания воздуха tm, (или другого

8

вещества, которое вообще не удерживается неподвижной фазой) называют мертвым временем. Оно представляет собой время нахождения его в

подвижной фазе. Фактически это время, которое затрачивает молекула подвижной фазы на прохождение всего пути вдоль колонки.

Если из времени удерживания tR вычесть tm, то мы получим приведенное время удерживания t’R.

t'R = tR – tm (2)

На выходе из колонки сначала появится компонент, коэффициент распределения которого равен 0, а последним выйдет соединение с

наибольшим коэффициентом распределения.

Рисунок 2. Аналитическая хроматограмма. Пик на хроматограмме с временем удерживания tm соответствует соединению, которое не сорбируется неподвижной фазой и имеет коэффициент распределения K = 0. Второй пик с временем удерживания tR1 соответствует соединению с K

=0,5.Третий пик с tR2 соответствует соединению с K = 2,0.

2.Классификация методов хроматографии Любая хроматографическая система включает

(хроматографической зоны).

Для вывода соотношения между скоростью полосы и значением сорбции рассмотрим рис.25.

2 — в момент времени t + t.

Пусть в колонке единичного сечения в любой момент

времени существует равновесие между концентрацией данного вещества в подвижной и неподвижной фазах и пусть отсутствует эффект увеличения ширины пика вследствие продольной

диффузии. В момент t распределение концентраций вдоль трубки описывается кривой 1 (рис. 25). За время t полоса передвинется так, что точка с концентрацией а' займет положение а’' на кривой 2 (а - количество рассматриваемого вещества в единице объема колонки).

Объем подвижной фазы, прошедшей за время t через сечение, перпендикулярное оси колонки, равен

68

ряда в результате образования нестойких

комплексов. Для разделения орто-, мета- и пара-

изомеров применяются смеси обычной неподвижной

фазы и модифицированной монтмориллонитовой глины бентон 34. Соли органических кислот такие, как стеарат цинка селективно удерживают амины, аминокислоты и спирты. Жидкие кристаллы, нематическая фаза которых сильнее удерживают, например, паразамещенные бензолы по сравнению с

метаизомерами. Разделения оптических изомеров

связано с использованием в качестве неподвижной фазы оптически активных эфиров аминокислот.

(Более подробно это представлено в разделе

лигандообменная хроматография.)

Большой объем данных по константам МакРейнольдса и Роршнейдера позволяет заменить старые неподвижной фазы, приведенные в литературе, более новыми, с более высоким верхним температурным пределом.

Верхний температурный предел неподвижной фазы определяется ее природой, а также требованиями проведения хроматографического

разделения. Что касается первого, то сегодня наиболее термостойкими являются силиконы. Они

представляют собой силоксановые жидкости или

каучуки с различными органическими радикалами. Принято считать, что стационарная фаза может

работать при указанной температуре, если при

«рабочей» скорости газа-носителя она за 500 часов (3 месяца) непрерывной работы потеряет не более 50% первоначального количества. К сожалению, даже

для карборансилоксановой фазы верхний температурный предел при этих условиях составляет 370ºС. Однако это не мешает при анализе нефтей

9

подвижную и неподвижную фазы,

хроматографическую колонку (пластинку в планарной хроматографии), в которой происходит

процесс разделения веществ.

Классификация методов хроматографии очень многообразна и может быть проведена на основании:

агрегатного состояния подвижной фазы хроматографической системы: газовая, жидкостная, сверхкритическая флюидная;

используемой неподвижной фазы: газо-

твердофазовая, газо-жидкостная, жидкостно-твердофазовая, жидкостножидкостная, флюидно-твердофазовая;

способа перемещения сорбата:

фронтальная, когда разделяемая смесь

подается в колонку непрерывно; элюентная

(элютивная, проявительная), когда разделяемая смесь подается в колонку периодически, а элюент - непрерывно,

причем элюент удерживается в колонке

слабее наименее удерживаемого компонента. Сегодня более 99% всех

анализов проводится элюентной хроматографией.

механизма разделения веществ:

адсорбционная, распределительная, ситовая (эксклюзионная), ионообменная,

лигандообменная, аффинная (биоселективная);

цели разделения: аналитическая,

препаративная, промышленная хроматография;

конфигурации разделяющей системы

10

различают: колоночную, планарную (тонкослойную и

бумажную) хроматографию.

В таблице 1 приведена классификация хроматографии по агрегатному состоянию фаз.

Таблица 1. Варианты хроматографии

Объектами хроматографического разделения являются различные смеси соединений, которые

могут включать инертные газы и высокомолекулярные полимеры. Вещества с молекулярной массой до 500-

1000 обычно разделяют методом газовой

хроматографии. Флюидная хроматография

позволяет разделять вещества с молекулярной

Ранее были вычислены индексы удерживания для

бензола на колонке с динонилфталатом 733, а на

колонке со скваланом 649. При этом ΔI=a∙x представляет собой меру полярности колонок с динонилфталатом для углеводородов ароматического ряда.

Точно также определяются значения ΔI=b∙y для бутанола 1, ΔI=c∙z для пентанона-2, ΔI=d∙u для

нитропропана и ΔI=e∙s для пиридина.

Полярность любой другой фазы определяется подобным образом. Вычисляются индексы

удерживания для бензола и для других четырех

соединений. Из них вычитаются индексы удерживания, полученные на колонке со скваланом. Полученные значения складываются.

В таблицах монографий и проспектов, посвященных выбору селективных жидких фаз, приведены значения разности индексов удерживания,

которые и характеризуют полярность колонки. Сравнивая значения, приведенные в таблице 8 со

значениями констант для , ’-оксидипропионитрила

(647, 857, 752, 1028, 915) можно сделать вывод, что

полибисцианопропилсилоксан OV-275 не сильно уступает последнему по полярности. Точно также можно оценить полярность и других неподвижных фаз, приведенных в таблице.

При разделении смеси очень близких по структуре веществ, например, пространственных изомеров, принимают во внимание способность жидкой

фазы к специфическим взаимодействиям.

К особо селективным жидким фазам следует

отнести соли серебра. Нитрат и перхлорат серебра селективно удерживают соединения олефинового