1 Жебентяев Александр Ильич
 Скачать 5.46 Mb.
|
|
метод микроперегонки. При нагревании исследуемого объекта в герметически закрытом сосуде образуется парогазовая фаза, которую отбирают шприцом и вводят в хроматографическую колонку газового хроматографа. 7.5. Схема исследования дистиллята химическим методом Первый дистиллят исследуют на наличие цианид-ионов. Наиболее доказательной является реакция образования берлинской 234 Глава 7. Летучие токсиканты лазури. Это высокочувствительная и избирательная реакция, другие реакции имеют вспомогательное значение. Со вторым дистиллятом проводят исследование на: 1) формальдегид: реакция с фуксинсернистой или хромотроповой кислотами, при положительном результате реакции – реакция с реактивом Фелинга и реакция восстановления ионов серебра; 2) метанол: при отсутствии формальдегида метанол окисляют до формальдегида (раствор дихромата калия в кислой среде), а затем проводят перечисленные реакции на формальдегид. При обнаружении формальдегида на метанол проводят только реакцию образования метилсалицилата или определяют метанол методом ГЖХ; 3) иодоформная проба (ацетон, этанол); 4) алкилгалогениды: выполняется реакция отщепления органически связанного хлора (проводится после гидролиза этанольным раствором NaOH). При положительной реакции на хлорид- ионы проводят внутригрупповую идентификацию алкилгалогенидов: а - реакция образования изонитрила; б - реакция с резорцином; в - реакция с реактивом Фелинга. При положительной реакции отщепления органически связанного хлора и отрицательных реакциях (а, б, в) проводят специальное исследование на дихлорэтан: реакция переведения ДХЭ в этиленгликоль с последующим окислением его до формальдегида, на который проводят реакции с фуксинсернистой или хромотроповой кислотами; вторая характерная реакция на ДХЭ – образование ацетиленида меди, имеющего красную окраску. Остаток второго дистиллята смешивают с третьим и проводят реакции на алкилгалогениды, т.е. при положительных предварительных реакциях проводится внутригрупповая идентификация алкилгалогенидов. При анализе дистиллята на фенолы и изоамиловый спирт дистиллят подщелачивают раствором гидрокарбоната натрия и извлекают эфиром. Эфирные экстракты соединяют, фильтруют, удаляют эфир и проводят исследование на фенолы и изоамиловый спирт. На фенолы проводят предварительную реакцию образования трибромфенола. Эта реакция более чувствительна, чем реакция с хлоридом железа (III), и имеет отрицательное судебно-химическое значение. Если эта реакция положительна, то на фенолы проводят дополнительные реакции (с хлоридом железа, образование индофенола). 235 Глава 7. Летучие токсиканты 7.6 . Газохроматографический анализ летучих токсикантов 7.6.1 . Хроматографические параметры Основными хроматографическими характеристиками являются время удерживания и удерживаемый объём. Время удерживания t R состоит из времени пребывания вещества в подвижной фазе (t m ) и времени пребывания вещества в неподвижной фазе (t S ): t R = t m + t S (7.4) Значение t R зависит от природы вещества, сорбента и других факторов. Поэтому введено понятие «исправленное» время удерживания. Внешняя хроматограмма – функция концентрации определяемых веществ в подвижной фазе после хроматографического разделения от времени или объема элюата (рис. 7.3). Рис. 7.3. Внешняя хроматограмма. Из рис. 7.3 видно, что после ввода пробы (А′), появлению несорбируемого компонента соответствует точка А. Кривую ВСD называют хроматографическим пиком. Основными характеристиками хроматографического пика являются высота (h или h′), ширина (расстояние между точками контура на половине высоты (w 0,5 ) или на какой-либо другой отметке по высоте). Хроматографические пики также называют хроматографическими полосами или зонами. 236 Глава 7. Летучие токсиканты Отрезок А′Е (рис. 7.3) соответствует общему времени удерживания (t R ), отрезок АЕ – исправленному (приведенному) времени удерживания (t′ R ). Приведенное время удерживания t' R = t R – t о (7.5) где t о – время удерживания несорбируемого компонента или мертвое время. На практике подобрать полностью несорбируемый компонент не всегда удается, поэтому используют время удерживания наименее сорбируемого компонента. Для характеристики удерживания используется также удерживаемый объем (V R ) – это объем подвижной фазы, необходимый для элюирования определяемого вещества. Удерживаемый объем (V R ) пропорционален времени удерживания t R : V R = t R υ (7.6) где υ – объёмная скорость газа-носителя. Удерживаемый объем несорбируемого компонента характеризует величина V о (объем подвижной фазы для элюирования несорбируемого компонента или мертвый объем колонки). Приведенный удерживаемый объем рассчитывается как: V ′ R = V R - V 0 (7.7) Истинный (эффективный) удерживаемый объем (V N ) равен произведению приведенного удерживаемого объёма на коэффициент сжимаемости (коэффициент Мартина): V N = V ′ R · j (7.8) Коэффициент сжимаемости рассчитывается по формуле: j = (3/2)·[(p 1 /p 0 ) 2 – 1] / [(p 1 /p 0 ) 3 – 1] (7.9) где р 1 и р 0 давление на входе и выходе из колонки. Если значение эффективного объема отнести к единице массы сорбента и привести его к нормальной температуре, то получим абсолютный удельный удерживаемый объем (V g ) при нормальной температуре: V g = (V N ·273,16) / (m·T к ) (7.10) 237 Глава 7. Летучие токсиканты где m – масса сорбента; Т к – температура колонки. Величина V g , отнесенная к единице массы сорбента и приведенная к нормальной температуре, является характеристикой свойств системы сорбат − сорбент и может быть использована для расчета некоторых физико-химических свойств, а также для качественной характеристики вещества. На практике обычно для идентификации разделённых веществ используют относительный удерживаемый объём: V отн. = V' R / V' R (СТ) (7.11) где V' R и V' R (СТ) - приведенные удерживаемые объемы определяемого и стандартного вещества. Для объективной оценки хроматографического процесса используют фактор (степень, коэффициент) разделения (α) и критерий разделения (R S ). Степень (фактор или коэффициент) разделения характеризует селективность разделения: α = V R2 /V R1 = t R2 /t R1 = D 2 /D 1 = k′ 2 /k′ 1 (7.12) где V, t, D и k'– объем, время удерживания, коэффициенты распределения и емкости соответственно. Коэффициент емкости является мерой относительной подвижности определяемых веществ. Селективность – способность хроматографической системы (сорбента и подвижной фазы) разделять определяемые компоненты. Разделение возможно при α > 1. Эффективность колонки определяется (разрешением) критерием разделения (R S ): R S = 2(t R2 – t R1 ) / (w 1 + w 2 ) (7.13) где t R и w - время удерживания и ширина хроматографических пиков у основания. Если w 1 = w 2 , тогда R S = Δt R /w (7.14) При взаимном перекрывании хроматографических пиков определение ширины пиков невозможно. В таких случаях разделительную способность (степень разделения) хроматографической системы определяют по формуле: 238 Глава 7. Летучие токсиканты Ψ =(h 2 – h 1 )/h 2 (7.15) где h 1 – высота минимума между пиками, h 2 – высота меньшего пика (рис. 7.4) Рис. 7.4. Определение степени разделения При Ψ = 0 хроматографические зоны веществ перекрываются полностью, при Ψ = 1 хроматографические зоны веществ полностью разделяются. Коэффициент асимметрии А s соответствует отношению двух отрезков, образуемых на горизонтальной линии, проведенной на высоте 10% от основания пика, при её пересечении с вертикалью, опущенной из вершины пика. Обычно значения А s лежат в интервале 0,7– 1,5, для лучших колонок – в пределах 0,9–1,2. Значительное отклонение А s от 1 связано с неравномерным распределением пробы по сечению колонки, наличием мертвых объемов, плохим качеством обработки стенки колонки и др. При достижении равновесия в хроматографической системе распределение вещества между подвижной и неподвижной фазами характеризуют коэффициентом распределения (D): D = C S / C m (7.16) где С S и С m – концентрации вещества в неподвижной (стационарной) и подвижной (мобильной) фазах. 239 Глава 7. Летучие токсиканты На величину коэффициента распределения влияют различные факторы: природа и концентрация хроматографируемого вещества, природа подвижной и неподвижной фаз, температура, давление. От величины D зависит скорость прохождения вещества по сорбенту. С наибольшей скоростью продвигаются вещества с малыми значениями коэффициента распределения. Коэффициент распределения связан с приведенным объемом удерживания вещества V′ R и объемом неподвижной фазы соотношением: V' R = D·V S (7.17) Важной характеристикой межфазного распределения в хроматографической колонке является коэффициент или фактор емкости (удерживания) колонки (k′). Коэффициент емкости – отношение количества вещества в неподвижной фазе к количеству вещества в подвижной фазе: k ′ = g S /g m = (V R – V 0 )/V 0 =(t R – t 0 )/t 0 = V ′ R /V 0 = t ′ R /t 0 = (1 – R f )/R f = D(V S /V m ) (7.18) где g S и g m – масса вещества в неподвижной и подвижной фазах; V s – объем неподвижной фазы, V m – объем подвижной фазы. Отношение объемов фаз V m /V s называется фазовым отношением (β). С учетом этого в соответствии с формулой (7.18) можно записать: k' = D/ β (7.19) или D = k ' · β (7.20) Зависимость между временем удерживания, коэффициентом емкости, длиной колонки (L) и линейной скоростью подвижной фазы (U ) выражается формулой: ) k' 1 ( U L t R + = (7.21) Величина k' показывает, во сколько раз больше вещество находится в неподвижной фазе, чем в подвижной. При малом значении k ′ вещество плохо удерживается в неподвижной фазе и продвигается по колонке с такой же скоростью, что и подвижная фаза. Высокие 240 Глава 7. Летучие токсиканты значения k′ свидетельствуют о сильном взаимодействии веществ с неподвижной фазой и соответственно большой продолжительности анализа. Оптимальные значения k′ находятся в области 1,5–4. Процесс сорбции хроматографируемых веществ описывается изотермой сорбции (рис. 7.5). Линейная зависимость сорбции вещества от его концентрации в подвижной фазе (закон Генри) наблюдается при малых концентрациях сорбируемого вещества: С S = D ∙С m (7.22) При высокой концентрации сорбируемого вещества происходит сорбционное насыщение и наблюдается выпуклая изотерма сорбции (изотерма Ленгмюра). Такая зависимость сорбции от концентрации хроматографируемого вещества в подвижной фазе описывается уравнением Ленгмюра: С S = (C S ) ∞ ·[(b C m ) / (1 + bC m )] (7.23) где (C S ) ∞ - максимальная концентрация вещества в неподвижной фазе; b – константа равновесия сорбционного процесса. 1 2 3 Cs Cm Рис. 7.5. Изотермы сорбции: 1 – выпуклая (изотерма Ленгмюра); 2 – линейная (изотерма Генри); 3 – вогнутая изотерма. Появление вогнутых изотерм можно объяснить наличием более сильных взаимодействий молекул сорбат − сорбат или сорбат − подвижная фаза по сравнению с взаимодействием молекул сорбат – сорбент. В этом случае не достигается сорбционное насыщение. При линейной изотерме сорбции получаются симметричные хроматограммы (пики) − рис. 7.6. 241 Глава 7. Летучие токсиканты V V V Cm Cm Cm a в с Рис. 7.6. Формы хроматограмм в зависимости от вида изотерм сорбции: а – линейная; в – выпуклая; с – вогнутая изотерма. При работе с малыми концентрациями веществ, т.е. в линейной части изотермы сорбции, величины V R , D, R f постоянны и не зависят от концентрации вещества. Из рассмотренных закономерностей сорбционного равновесия вытекает основной принцип проведения хроматографического разделения: полное разделение веществ возможно в случае, когда вещества имеют различные значения коэффициента распределения и соответственно перемещаются с различными скоростями. 7.6.2. Теории хроматографического разделения Основными теориями хроматографии являются классическая теория (концепция) теоретических тарелок и кинетическая теория (теория скоростей). Теория теоретических тарелок. Согласно теории теоретических тарелок, разработанной А. Мартином и Р. Синджем, хроматографическая колонка мысленно делится на участки – «тарелки», на которых быстро устанавливается равновесие между сорбентом и подвижной фазой. Новая порция подвижной фазы смещает это равновесие и переносит вещество на следующую тарелку и таким образом вещество распределяется на нескольких тарелках. Концентрация вещества на средних тарелках достигает максимального значения по сравнению с соседними тарелками. Мерой эффективности колонки является число теоретических тарелок, характеризующее степень размывания вещества по слою сорбента. Между числом теоретических тарелок и высотой, эквивалентной теоретической тарелке, имеется зависимость: H L N = (7.24) 242 Глава 7. Летучие токсиканты где N – число теоретических тарелок; L − длина слоя сорбента, на которой размещено N теоретических тарелок; Н – высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ). Связь между Н, N и другими хроматографическими характеристиками выражается формулами: H = w 2 L / 16t 2 R (7.25) N = 16(t R /w) 2 (7.26) где w − ширина пика у основания (отрезок B′D′, см. рис. 7.3). Более правильные результаты получаются по модифицированному уравнению с использованием ширины пика на половине высоты: N = 5,54 (t R /w 0,5 ) 2 (7.27) Зависимость R S от числа теоретических тарелок, коэффициентов селективности (α) и емкости (k') выражается формулой: R S = ( N /4) [( α – 1)/α)][k/(1 + k′)] (7.28) Зная R S , α и k′, можно рассчитать N: N = 16·R 2 s ·[ α/(α – 1)] 2 ·[(1 + k ′)/k′)] 2 (7.29) Изменяя величины α, k' и N (или Н), можно оптимизировать разделение: в газовой хроматографии коэффициент емкости зависит от температуры, в жидкостной хроматографии – от состава подвижной фазы; число теоретических тарелок зависит от длины колонки; коэффициент селективности можно изменить сменой неподвижной фазы. При увеличении длины колонки значения R S повышаются пропорционально квадратному корню из L, т.е. удлинение колонки в 4 раза увеличивает разрешение в 2 раза. Между R и H зависимость обратно пропорциональная: при уменьшении Н в 4 раза происходит увеличение R S только в 2 раза. В наибольшей степени R S зависит от коэффициента селективности колонки: при изменении α от 1,02 до 1,04 происходит увеличение R S в 2 раза. ВЭТТ соответствует длине слоя сорбента, на котором устанавливается равновесное распределение вещества между подвижной и неподвижной фазами. С увеличением эффективности колонки уменьшается ВЭТТ; т.е. чем меньше меньше Н, тем больше устанавливается равновесий. 243 Глава 7. Летучие токсиканты Теория теоретических тарелок позволяет сравнить эффективность различных колонок, оценить качество сорбента и качество заполнения колонки. Однако реальный хроматографический процесс протекает непрерывно и эта теория является формальной, так как основана на допущении, что хроматографический процесс является дискретным, величины N и Н являются характеристиками размытости зон, что позволяет определить эффективность хроматографической колонки. Теория теоретических тарелок не дает возможности определить зависимость числа теоретических тарелок и ВЭТТ от скорости подвижной фазы, природы сорбента и не дает рекомендаций по устранению размытости хроматографических пиков. Кинетическая теория. В отличие от теории теоретических тарелок кинетическая теория, предложенная Дж. Ван-Деемтером и А. Клинкенбергом в 1956 году, учитывает кинетику хроматографического процесса, процессы диффузии, медленное установление равновесия и др. Размывание хроматографической зоны обусловлено тремя основными процессами: вихревая диффузия, молекулярная (продольная) диффузия и сопротивление массопереносу (массопередача). Множество траекторий молекулы при прохождении её через слой сорбента увеличивают время пребывания молекул одного и того же вещества в колонке и, соответственно, наблюдается размывание полосы элюирования. Вихревая диффузия не зависит от скорости потока, но зависит от однородности наполнителя и размера частиц. При тщательном заполнении колонки влияние вихревой диффузии минимальное. Миграция молекул из центральной части полосы с большей концентрацией вещества в сторону с меньшей концентрацией этого вещества является причиной продольной диффузии. Особенно значимо влияние продольной диффузии в газовой хроматографии, т.к. скорость диффузии в газах значительно выше, чем в жидкостях. Снижение скорости потока повышает степень размывания зоны. Размывание пика происходит также за счет сопротивления массопереносу при непрерывном переходе вещества из подвижной фазы в неподвижную и обратно. С увеличением толщины пленки размывание пика усиливается за счет замедления массопереноса в неподвижной фазе. Предложено несколько уравнений, связывающих эффективность колонки с такими параметрами, как скорость потока, размер частиц, характеристика наполнителя. |