Хроматография

Изотерма адсорбции. В раствор с примесью вещества Х (или в газовую смесь с примесью Х) поместили зерна адсорбента. Начинается адсорбция вещества Х на поверхности зерен. Адсорбция продолжается до наступления равновесия между оставшимся веществом Х в растворе и веществом Х на поверхности адсорбента. Изотерма адсорбции показывает связь между равновесными концентрациями вещества Х в растворе (газе) и в адсорбенте при данной температуре. Неполярные вещества адсорбируются преимущественно на неполярных адсорбентах. Например, слабополярный хлороформ адсорбируется на неполярном угле. И наоборот. Пары полярного вещества воды адсорбируются на полярных адсорбентах силикагеле, порошке оксида алюминия и др.

Изотерма абсорбции. Показывает связь между равновесными концентрациями вещества Х в газовой фазе и в растворе, граничащем с газом (при данной температуре).

Хроматография. Классификация методов хроматографии по признакам: агрегатное состояние подвижной и неподвижной фаз, природа элементарного акта (адсорбция, абсорбция, экстракция, ионный обмен), аппаратурное оформление процесса (колоночная, капиллярная, плоскослойная). [1], c.64.

Рис. Блок-схема типичного газового хроматографа. Подвижной фазой в нем является газ носитель (элюэнт) с примесью пробы. Стационарная фаза - порошок твердого вещества – адсорбента. [Юинг], с.397. Далее слева – направо: 1- баллон с газом (элюэнтом, например, Не) под высоким давлением (50 - 100 атм.); 2 – расходомер элюэнта, 3 - устройство для ввода пробы; 4 - хроматографическая колонка; 5 - термостат; 6 - детектор и регистратор хроматограммы.

Рис. Схема действия газожидкостного хроматографа. Подвижная фаза – газ элюэнт (обычно азот, водород, гелий) с примесью пробы. Стационарная фаза - жидкость с высокой температурой кипения. Эта фаза поддерживается твердым носителем – каким - либо пористым инертным веществом, как, например, древесный уголь, глинозем или оксид кремния, которым набивают узкую спиралеобразную колонку. [Фримантл.], т.1, с.329.

Хроматография. Блок-схема типичного жидкостного хроматографа содержит: 1- резервуар для жидкости (элюэнта). 2 - насос высокого давления для подачи жидкости (50-100 атм); 3 - устройство для ввода пробы; 4 - хроматографическая колонка; 5 - термостат; 6 - детектор и регистратор хроматограммы. [7.], с. 433.

Хроматографическая колонка. Это основной конструктивный элемент хроматографа – трубка, заполненная неподвижной фазой (адсорбентом или абсорбентом), вдоль которой во время выполнения анализа движется подвижная фаза с исследуемой пробой. В колонке происходит разделение компонентов исследуемой смеси. Что означает «разделение компонентов смеси в колонке хроматографа»?

Хроматографическая колонка характеризуется эффективностью, селективностью, емкостью.

Эффективность хроматографической колонки является мерой расширения пика компонента пробы при его движении вдоль колонки (чем меньше расширение, тем больше эффективность) и тесно связана с числом эффективных теоретических тарелок -воображаемых участков по длине колонки, на каждом из которых как бы достигается равновесное распределение конкретного компонента пробы между подвижной и неподвижной фазами (длина участка равна расстоянию, на которое продвигается смесь за это самое время достижения равновесия. Время, в свою очередь, можно определить в опыте, когда интересующий нас газ смешивается с адсорбентом и выжидается время достижения равновесия). Кроме того, на эффективность влияют такие факторы, как продольная конвективная диффузия, продольная молекулярная диффузия. Как правило, число теоретических тарелок в современных капиллярных колонках очень велико - достигает нескольких тысяч. Это позволяет разделять все компоненты любой, даже самой сложной смеси. Еще раз: эффективность данной хроматографической колонки для конкретного компонента смеси определяется числом теоретических тарелок n и высотой Н теоретической тарелки [1], с.57.

Селективность хроматографической колонки. Обычно ее выражают отношением приведенных времен удерживания пары критически важных компонентов пробы. Если это отношение не равно 1, то пики могут быть разделены. Селективность колонки зависит от характера взаимодействия между определяемым веществом и неподвижной фазой. Эти взаимодействия могут быть как неполярными дисперсионными (силы Ван-дер-Ваальса), так и полярными специфическими (обычно диполи и водородные связи).

Емкость колонки связана с ее размерами и определяет максимальный объем пробы, который можно ввести в колонку без ее «перегрузки», т.е. без отклонения пиков от гауссовской формы. Емкость набивных колонок значительно больше, чем капиллярных.

Набивными колонками в газовой хроматографии называют колонки большого диаметра (до 2 мм), которые можно изготовить самостоятельно, заполняя их заранее приготовленным адсорбентом (силикагелем, трепелом, толченым кирпичом и т.п.).

Капиллярные колонки изготавливают из капилляров с диаметром до 0.1 мм. Чем меньше диаметр колонки, тем меньше размытие пиков на хроматограмме в результате диффузии и, соответственно, тем выше их эффективность. Это позволяет уменьшить время анализа и улучшить разделение компонентов. Кривая Ван-Деемтера для колонок малого диаметра тоже более благоприятна и позволяет варьировать скорость газа-носителя в более широких пределах без катастрофической потери эффективности.

Детектор хроматографа – устройство, способное реагировать на изменение концентрации определяемого вещества в элюэнте. В газовой хроматографии наиболее часто используется детектор по теплопроводности. Принцип его действия заключается в изменении температуры нагретой нити при обдувании ее газом (элюэнтом с компонентом смеси) с разной теплопроводностью. Электронозахватный детектор. Если в газе, проходящем мимо радиоактивного источника, оказываются молекулы, склонные к ионизации, то в электронозахватном детекторе возникает пропорциональный их концентрации ток, который можно измерить.

Хроматография. Внешний вид хроматограммы. Выделяемые параметры хроматограммы (время удерживания, высота и ширина пиков). Структура времени удерживания: t_R = t_m + t_s. Анализ хроматограммы.

Хроматография. Степень разделения компонентов анализируемой смеси (пиков) по хроматограмме.

Хроматография. Мертвое время t_m и свободный (мертвый)объем t_m∙ u хроматографической колонки (где u – объемная скорость элюэнта).

Хроматография. Время удерживания t_R и приведенное время удерживания t_R^*= t_R - t_m. Для чего используются эти величины?

Хроматография. Принципы качественного и количественного определения компонентов смеси по хроматограмме. [1], с.65.

Хроматография. Для описания процессов, протекающих в хроматографической колонке, используют два подхода: 1) теорию теоретических тарелок ([1], с.57) и 2) теорию удерживания (хроматографической подвижности). ([1], с.59).

Хроматография. Теория теоретических тарелок для компонента смеси. [1], с.57.

Хроматография. Расчет высоты Н эквивалентной теоретической тарелки (ВЭТТ) и числа n теоретических тарелок по хроматограмме. [1], с. 64.

где t_R – время удерживания компонента; W_h – ширина пика на половине его высоты, L – длина колонки.

Хроматографи Хроматография. Уравнение Джеймса и Мартина для определения n по хроматограмме ([1], с.57):

где l_r – расстояние на хроматограмме от точки ввода пробы до максимума пика (см), s – площадь пика (см²), h – высота пика (см).

Хроматография. Теория удерживания (хроматографическая подвижность) . [1], с.59.

Хроматография. Функция Ван-Деемтера и ее график в координатах Н и u. Анализ этой функции. Ее использование для нахождения оптимальной скорости u течения элюэнта через колонку, при которой высота эквивалентной теоретической тарелки для данного компонента анализируемой смеси становится минимальной. [1], с.58, 59. ВЭТТ можно выразить соотношением, известным под названием уравнения Ван-Деемтера

Н = А + В/u + С∙ u

где А, В и С для данной системы постоянны, а u – линейная скорость потока газа-или жидкости носителя. Например, член А отражает тот факт, что не все молекулы растворенного вещества в подвижной фазе при движении по колонке перемещаются на строго одинаковое расстояние.

Рис. Графическое изображение уравнения Ван-Деемтера для газовой хроматографии. На аналогичном графике для жидкостной хроматографии минимум u_опт был бы настолько левее, что его было бы почти невозможно отличить от вертикальной оси.

Существует оптимальная линейная скорость u_опт , при которой Н минимальна. Оптимальная скорость не может быть одинаковой для разных компонентов смеси, и ее следует выбирать для таких компонентов, которые труднее всего поддаются разделению.