газовая хроматография. реферат суббота (осн). Газожидкостную хроматографию (неподвижная фаза жидкость, нанесенная на твердый носитель)
 Скачать 454.34 Kb.
|
|
ПРИНЦИП Газовая хроматография (ГХ) — процесс разделения компонентов смеси, основанный на различии в равновесном распределении компонентов между двумя фазами — подвижной и неподвижной. Неподвижной фазой обычно служит твердое вещество (его часто называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Неподвижную фазу обычно помещают в стеклянную (или металлическую) трубку, называемую колонкой. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу. Подвижной фазой могут быть водород, гелий, аргон, азот – эти газы-носители не взаимодействуют с разделяемыми веществами и неподвижной фазой. В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы различают: газотвердофазную (газоадсорбционную) хроматографию (неподвижная фаза – силикагель, алюминия оксид, уголь, пористое стекло и др.); газожидкостную хроматографию (неподвижная фаза – жидкость, нанесенная на твердый носитель). По механизму взаимодействия сорбента и сорбата выделяют следующие типы хроматографии: распределительная хроматография (основана на различии в растворимости разделяемых веществ в неподвижной фазе (газожидкостная хроматография) или на различии в растворимости веществ в подвижной и неподвижной жидких фазах); ионообменная хроматография (основана на разной способности веществ к ионному обмену); адсорбционная хроматография (основана на различии в адсорбируемости веществ твердым сорбентом); эксклюзионная хроматография (основана на различии в размерах и формах молекул разделяемых веществ); аффинная хроматография — на специфических взаимодействиях, характерных для некоторых биологических и биохимических процессов. Этим видами не исчерпываются все механизмы разделения. Например, существует осадочная хроматография, основанная на образовании отличающихся по растворимости осадков разделяемых веществ с сорбентом; адсорбционно-комплексообразовательная, основанная на образовании координационных соединений разной устойчивости в фазе или на поверхности сорбента, и др. Следует помнить, что классификация по механизму весьма условна: ее используют в том случае, если известен доминирующий механизм; часто процесс разделения протекает сразу по нескольким механизмам. По способу получения хроматоргамм различают фронтальный, элюентный и вытеснительный способы (рис. 1) Сущность метода ГХ состоит в следующем. Анализируемая смесь (обычно — раствор) летучих компонентов переводится в парообразное состояние и смешивается с потоком инертного газа-носителя, образуя с ним подвижную фазу — ПФ. Эта смесь проталкивается далее новой порцией непрерывно подаваемого газа-носителя и попадает в хроматографическую колонку, заполненную неподвижной (стационарной) твердой или жидкой фазой — НФ. Разделяемые компоненты распределяются между подвижной и неподвижной фазами в соответствии с их коэффициентами распределения К, определяемыми формулой:  где с(НФ) и с(ПФ) - содержание данного компонента в неподвижной и подвижной фазах в г/мл соответственно, находящихся в динамическом равновесии. Равновесный обмен хроматографируемого вещества между НФ и р  ис. 1. Внутренние и внешние хроматограммы, полученные методом элюентной (а), вытеснительной (б) и фронтальной (в) хроматографии (сорбируемость веществ увеличивается в ряду А <В< С) ПФ осуществляется в результате многократного повторения актов сорбции-десорбции по мере движения ПФ вдоль НФ внутри хроматографической колонки. Поток газа-носителя увлекает с собой разделяемую парообразную смесь вдоль хроматографической колонки, так что процессы сорбции-десорбции разделяемых компонентов повторяется многократно, причем каждый раз в системе устанавливается динамическое равновесие разделяемых веществ между ПФ и НФ. Эти многократные переходы разделяемых веществ из ПФ в НФ и обратно совершаются по всей длине хроматографической колонки до тех пор, пока пары разделяемых веществ не покинут колонку вместе с газом-носителем. Поскольку сродство различных разделяемых веществ к НФ различно, то в процессе сорбционных—десорбционных переходов компоненты перемещаются вдоль колонки с разной скоростью Чем больше коэффициент распределения вещества, тем дольше оно находится в НФ и позже покидает хроматографическую колонку. В конце концов из хроматографической колонки вместе с газом-носителем выходят зоны парообразных хроматографируемых веществ, разделенных полностью или частично. Если для двух компонентов смеси коэффициенты распределения одинаковы, то они не разделяются. Если же их коэффициенты распределения различны, то разделение происходит, причем первым покидает колонку тот компонент, у которого коэффициент распределения наименьший. Пары разделенных компонентов вместе с газом-носителем поступают в детектор хроматографа, генерирующий электрический сигнал — тем больший, чем выше концентрация компонента в парогазовой смеси. Электрический сигнал усиливается и фиксируется регистратором хроматографа в виде хроматограммы, записываемой на диаграммной ленте или мониторе компьютера (если таковым снабжен хроматограф). Эти хроматограммы и используются для качественной и количественной обработки результатов анализа разделяемой смеси компонентов. Хроматография — гибридный аналитический метод, сочетающий разделение и определение. Метод позволяет разделять многокомпонентную смесь, идентифицировать компоненты и определять ее количественный состав. Поэтому детектирование сигнала (а также запись и обработка его) занимает важное место. В отличие от ряда других методов, основанных на распределении компонентов между фазами, хроматография — это динамический метод, обеспечивающий многократность актов сорбции—десорбции разделяемых компонентов, так как разделение происходит в потоке подвижной фазы. Этим обусловлена большая эффективность хроматографического метода по сравнению с методами сорбции и экстракции в статических условиях, поэтому хроматографическими методами возможно быстрое разделение сложных смесей, например аминокислот или редкоземельных элементов. ТЕОРИЯ Результатом хроматографического анализа является хроматограмма - графическое или иное представление сигнала детектора, концентрации веществ в элюате или другой количественной величины, используемой для дальнейших измерений. По оси абсцисс откладывается время (или расстояние), по оси ординат — величина аналитического сигнала. Общий вид хроматограммы в случае разделения трехкомпонентной смеси представлен на рис. 2. Данная смесь состоит из сорбируемых в колонке компонентов 1 и 2 и не сорбируемого компонента. Каждому из трех компонентов на хроматограмме отвечает свой пик. Вертикальной стрелкой отмечен момент ввода пробы, от которого отсчитывается время . Время удерживания — качественная характеристика каждого компонента; измеряется от момента ввода пробы до момента выхода максимума (вершины) пика. Оно зависит от природы хроматографируемого вещества и газа-носителя, скорости прохождения ПФ через хроматографическую колонку, от природы и массы НФ, температуры, длины колонки. Чем выше коэффициент распределения хроматографируемого вещества, тем больше и его время удерживания. о несорбируемого компонента (например, растворителя) Время выхода 0 определяется соотношением  где L — длина хроматографической колонки, v — линейная скорость движения потока газа-носителя. р  ис. 2. Схематическое изображение хроматограммы в случае разделения трёхкомпонентной смеси: 0 – время выхода несорбируемого компонента; 1 и 2 - время удерживания компонента 1 и 2 соответственно. Исправленное время удерживания, равное разнице времени удержания компонента и времени выхода - это время, в течение которого данный компонент находится в НФ. Исправленное время удерживания пропорционально коэффициенту распределения данного компонента разделяемой смеси. На практике часто измеряют не время удерживания, а расстояние удерживания l, пропорциональное времени удерживания, т.е. расстояние на хроматограмме от точки, соответствующей моменту ввода пробы, до абсциссы, отвечающей положению максимума пика. Кроме времени удерживания иногда используют такой параметр, как объем удерживания (или удерживаемый объем), равный объему ПФ, который выносит из колонки все данное вещество. Объем удерживания V зависит от скорости движения ПФ и равен произведению времени удерживания на эту скорость:  При постоянных условиях хроматографирования (скорость потока, идавление, температура, состав фаз) значения времени удерживания удерживаемого объема V строго воспроизводимы и могут быть использованы для идентификации веществ. К числу регулируемых факторов можно отнести: Увеличение диаметра зерен приводит к увеличению размывания пика. Поэтому следует работать с сорбентом, имеющим минимальную крупность и максимальную однородность по крупности. Чаще всего используют фракции носителя с диаметром зерен 0,15-0,20 и 0,20-0,30 мм. С увеличением длины колонок улучшается разделение. Так, увеличивая длину колонки с 1 м до 4м. можно увеличить критерий разделения в два раза, увеличение же длины от 3 до 4м дает весьма малый выигрыш в разделении. Предел удлинения колонки достигается очень быстро. При использовании носителя с зернением 0,15-0,20 мм колонки длиной выше 5 м при оптимальной скорости газа - носителя имеют на выходе давление 2,5-3,5×105 Па, что препятствует вводу пробы шприцем. Значительное уменьшение скорости газа-носителя может привести к снижению критерия разделения, а увеличение скорости лишь немного уменьшает его значение. Температуру анализа следует подбирать экспериментально; увеличение ее приводит к уменьшению допустимого объема пробы и, соответственно, ширины пика на хроматограмме. Размер введенной пробы должен отвечать двум требованиям, противоречащим друг другу: проба должна быть настолько малой, чтобы не ухудшалось разделение компонентов, но при этом также должна быть настолько большой, чтобы при заданных условиях хроматографирования и детектирования количество определяемого вещества можно было измерить. ПРИМЕНЕНИЕ Метод ГХ — один из самых современных методов многокомпонентного анализа, его отличительные черты — экспрессность, высокая точность, чувствительность, автоматизация. Метод позволяет решить многие аналитические проблемы. Количественный ГХ анализ можно рассматривать как самостоятельный аналитический метод, более эффективный при разделении веществ, относящихся к одному и тому же классу (углеводороды, органические кислоты, спирты и т.д.). Этот метод незаменим в нефтехимии (бензины содержат сотни соединений, а керосины и масла — тысячи), его используют при определении пестицидов, удобрений, лекарственных препаратов, витаминов, наркотиков и др. При анализе сложных многокомпонентных смесей успешно применяют метод капиллярной хроматографии, поскольку число теоретических тарелок для 100 м колонки достигает (2—3)∙105. Возможности метода ГХ существенно расширяются при использовании реакционной газовой хроматографии (РГХ), вследствие того что многие нелетучие, термонеустойчивые или агрессивные вещества непосредственно перед введением в хроматографическую колонку могут быть переведены с помощью химических реакций в другие — более летучие и устойчивые. Химические превращения осуществляют чаще на входе в хроматографическую колонку, иногда в самой колонке или на выходе из нее перед детектором. Значительно удобнее проводить превращения вне хроматографа. Недостатки метода РГХ связаны с появлением новых источников ошибок и возрастанием времени анализа. Реакционную хроматографию часто используют при определении содержания микроколичеств воды. Вода реагирует с гидридами металлов, с карбидом кальция или металлическим натрием и др., продукты реакции (водород, ацетилен) детектируются с высокой чувствительностью пламенно-ионизационным детектором. К парам воды этот детектор малочувствителен. Широко применяют химические превращения в анализе термически неустойчивых биологических смесей. Обычно анализируют производные аминокислот, жирных кислот С10—C20, сахаров, стероидов. Для изучения высокомолекулярных соединений (олигомеры, полимеры, каучуки. смолы и т.д.) по продуктам их разложения используют пиролизную хроматографию. В этом методе испарение пробы заменяют пиролизом. Карбонаты металлов можно проанализировать по выделяющемуся диоксиду углерода при обработкеих кислотами. Методом газовой хроматографии можно определять металлы, переводяих в летучие хелаты. Особенно пригодны для хроматографирования хелаты 2-, 3- и 4-валентных металлов с -дикетонами. Лучшие хроматографические свойства проявляют -дикетонаты Be(II), Al(III), Sc(III), V(III), Cr(III). Газовая хроматография хелатов может конкурировать с другими инструментальными методами анализа. ГХ используют также в препаративных целях для очистки химических препаратов, выделения индивидуальных веществ из смесей. Метод широко применяют в физико-химических исследованиях: для определения свойств адсорбентов, термодинамических характеристик адсорбции и теплот адсорбции, величин поверхности твердых тел, а также констант равновесия, коэффициентов активности и др. При помощи газового хроматографа, установленного на космической станции "Венера-12", был определен состав атмосферы Венеры. Газовые хроматографы устанавливают в жилых отсеках космических кораблей: организм человека выделяет много вредных веществ, и их накопление может привести к большим неприятностям. При превышении допустимых норм вредных веществ автоматическая система хроматографа дает команду прибору, который очищает воздух. Термически лабильные вещества с низкой летучестью можно анализировать методом сверхкритической флюидной хроматографии (разновидность ГХ). В этом методе в качестве подвижной фазы используют вещества в сверхкритическом состоянии при высоких давлении и температуре. Это могут быть диоксид углерода, н-пентан, изо-пропанол, диэтиловый эфир и др. Чаще применяют диоксид углерода, который легче перевести в сверхкритическое состояние, он нетоксичен, не воспламеняется, является дешевым продуктом. ПЛЮСЫ И МИНУСЫ Преимуществами газовой хроматографии как метода анализа являются универсальность; определение состава сложных смесей, в том числе с количеством компонентов более 100; быстрота; высокая чувствительность и способность преобразования хроматографических данных в электрические или пневматические сигналы, необходимые для систем автоматического контроля и регулирования технологических процессов. Кроме того, благодаря возможности изменения большого числа параметров ( длины колонны, носителя, неподвижной фазы, скорости газа-носителя, температуры и др.) газохромато графический метод отличается большой гибкостью, позволяющей использовать его для решения самых разнообразных задач анализа. К недостаткам метода можно отнести: несимметричная форма пиков вследствие ограниченности линейного участка изотермы адсорбции, последнее происходит за счет; неоднородности поверхности адсорбента, наличие каталитически активных центров (линейность нарушается за счет других взаимодействий); ограниченный выбор и трудность стандартизации неподвижных фаз. Расчет содержания определяемого вещества Метод абсолютной градуировки........................................................... 26 Метод внутренней нормализации........................................ 27 Метод внутреннего стандарта............................................................. 29 |