Хроматографические методы анализа: Практическое руководство

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т

ХРО М А Т О ГРА Ф И ЧЕ СК И Е М Е Т О Д Ы А Н А ЛИ ЗА прак тическ оерук оводствопоспециальности 010400 – Ф из ик а (Д С.05)

В О РО Н Е Ж 2003

2

У тверж дено научно-м етодическ им советом ф из ическ ого ф ак ультета 26 ноября 2002 года, проток ол № 9.

Составители: К ук уевВ .И ., К лю чник оваО .В ., П етьк о А .Ю .

П рак тическ ое рук оводство подготовлено на к аф едре ф из ик и твердого тела ф из ическ ого ф ак ультета В оронеж ск ого государственного университета. Рек ом ендуется для студентов V к урса дневного отделения специализ ации 010434 – Ф из ическ ие и ф из ик о-хим ическ ие м етоды к рим иналистическ ой э к спертиз ы .

3

С оде р ж ан и е В ведение… … … … … … … … … … … … … .… .… … … … … … … … … 4 1. В оз ник новениеи раз витиехром атограф ии… .… … … … … … ..… ..5 2. К лассиф ик ация м етодовхром атограф ии… … … … … … … … … … .7 3. Т еоретическ иеосновы хром атограф ии… … … .… … … … … … … ..12 4. П лоск остная хром атограф ия… … … … … … … … … … … … … … … 17 Рек ом ендуем ы елабораторны еработы … … … … … … … .… .… … ..20 К онтрольны евопросы … … … … … … … … .… … … … … … .… … … .23 У чебная и м етодическ ая литература… … … … .… … … … … … … ..24

4

В ве де н ие С необходим остью раз деления и анализ а см еси вещ еств приходится сталк иваться м ногим специалистам . О собое з начение м етоды раз деления см еси вещ еств на индивидуальны е к ом поненты получили в последние десятилетия в связ и с проблем ой получения м атериалов сверхвы сок ой степени чистоты , атак ж епри установлении строения близ к их по свойствам и струк туресоединений. Т рудности при раз делении см еси вещ еств воз ник аю т, если все к ом поненты ееобраз ую т одну ф аз у. Д ля реш ения так ой з адачи приходится либо из м енять агрегатное состояние части к ом понентов см еси, либо добиваться из м енения ф аз ового равновесия или к инетик и процесса. Э ти условия виз вестной м еревы полняю тся вм етодераз деления см еси вещ еств, получивш его наз ваниехром атограф ическ ого. Хром атограф ическ ий процесс осущ ествляется вследствие сорбционного распределения вещ ества м еж ду двум я ф аз ам и, одна из к оторы х перем ещ ается относительно другой. П одлеж ащ ая раз делению см есь поступает в слой неподвиж ной ф аз ы – сорбента и вм естес поток ом подвиж ной ф аз ы движ ется вдоль э того слоя. П ри к онтак те вещ еств с поверхностью неподвиж ной ф аз ы к аж ды й из к ом понентов см еси вз аим одействует с ней и распределяется м еж ду подвиж ной и неподвиж ной ф аз ам и в соответствии к ак со своим и свойствам и, так и со свойствам и обеих ф аз . В связ и с тем , что подвиж ная ф аз а непреры вно движ ется, лиш ь часть к аж дого из к ом понентов раз деляем ой см еси успевает вз аим одействоватьсповерхностью неподвиж ной ф аз ы . О стальноеуносится поток ом подвиж ной ф аз ы и вз аим одействует уж е с новы м участк ом сорбента. Задерж анны е неподвиж ной ф аз ой к ом поненты не участвую т в движ ении поток аподвиж ной ф аз ы до тех пор, пок аони недесорбирую тся и не будут перенесены в поток подвиж ной ф аз ы . П оэ том у перенос к ом понентов см еси вдоль слоя сорбента осущ ествляется со ск оростью , м еньш ей, чем ск орость поток а подвиж ной ф аз ы . Т ак к ак м олек улы раз ны х к ом понентов см еси обладаю т раз личной степенью сродствак неподвиж ной ф аз е, к ом поненты передвигаю тся сраз ной ск оростью , что при достаточной длине слоя сорбента приводит к полном у раз делению см еси на составляю щ иееек ом поненты . К аж ды й из них з аним ает нек оторы й слой неподвиж ной ф аз ы (з ону), объ ем к оторого з ависит от раз ны х причин. Э то свойство, присущ ее хром атограф ическ ом у м етоду, и поз волило хром атограф ии з анять одно из ведущ их м ест среди хим ическ их, ф из ик охим ическ их и ф из ическ их м етодовраз деления и анализ асм еси вещ еств. Х рома т огра ф и е й н а зы ва ют п ро ц есс, о сн о ва н н ы й н а п ерем ещ ен ии диск рет н о й зо н ы вещ ест ва вп о т о к е п о движ н о й фа зы вдо ль сло я со рбен т а (н еп о движ н о й фа зы ) и связа н н ы й с м н о го к ра т н ы м п о вт о рен ием со рбц ио н н ы х и десо рбц ио н н ы х а к т о в. П риведенноеопределениехром атограф ии поз воляет объ единить все м ногообраз иесущ ествую щ их еевидоиз м енений и м одиф ик аций.

5

1. В озн и кн ове н и еи р азви ти ехр ом атогр аф и и Н ачало хром атограф ии полож или работы русск ого ботаник а М .С.Ц вета, опублик овавш его в 1903 г. исследование« О новой к атегории адсорбционны х явлений и о прим енении их к биохим ическ ом у анализ у». М етод не бы л принят соврем енник ам и и долгое врем я не находил прим енения, однак о проводивш иеся в э ти годы исследования в области адсорбции, в частности, работы Н .Д .Зелинск ого, Н .А .Ш илова, М .М .Д убинина и других, в з начительной степени подготовили почву для раз вития хром атограф ии. В 1931 г. Р.К ун, А .В интерш тейн и Е .Ледерер м етодом Ц вета вы делили из сы рого к аротина α- и β-к аротин, тем сам ы м продем онстрировавценностьхром атограф ическ ого м етода. М .С.Ц вет пропуск ал раствор анализ ируем ы х вещ еств и подвиж ной ф аз ы через столб адсорбента, находящ егося в стеклянной трубк е, в связ и с чем его м етод получил наз вание к о ло н о чн о й хро м а т о гра фии. В 1938 г. Н .А .И з м айлов и М .С.Ш райбер предлож или видоиз м енить м етод Ц вета и проводитьраз делениесм еси вещ ествнапластинк е, пок ры той тонк им слоем адсорбента. Т ак воз ник ла т о н к о сло йн а я хро м а т о гра фия, поз воляю щ ая проводитьанализ м ик рок оличестввещ ества. Значительное раз витие хром атограф ия получила после того, к ак в 1941 г. М артином и Синдж ем бы л предлож ен новы й вариант хром атограф ическ ого м етода – ра сп ределит ельн а я хро м а т о гра фия, в основу к оторой бы ло полож ено раз личиев к оэ ф ф ициентах распределения анализ ируем ы х вещ еств м еж ду несм еш иваю щ им ися ж идк остям и. П осле того, к ак в к ачественосителя неподвиж ной ф аз ы стали прим енять бум агу, распределительная хром атограф ия получила весьм а ш ирок ое распространениеи сы гралаваж ную рольвиз учении строения белк ов. В 1947 г. Т .Б.Гапон, Е .Н .Гапон и Ф .М .Ш ем як ин впервы е осущ ествили хром атограф ическ ое раз деление см еси ионов в растворе, объ яснив его наличием обм енной реак ции м еж ду ионам и сорбента и раствора. Т ак бы ла отк ры та ио н о о бм ен н а я хро м а т о гра фия, к оторая в настоящ ее врем я является одним из важ нейш их направлений хром атограф ическ ого м етода. Е .Н . и Т .Б.Гапон в 1948 г. осущ ествили идею , вы ск аз анную ещ е М .С.Ц ветом , раз деления см еси вещ еств на основе раз личия в растворим ости труднорастворим ы х осадк ов. П оявилась о са до чн а я хро м а т о гра фия. В 1951 г. А .А .Ж уховицк ий с сотрудник ам и для улучш ения раз деления см еси газ овпредлож или одноврем енно сдвиж ением подвиж ной ф аз ы – газ а, воз действовать на сорбент и раз деляем ую см есь движ ущ им ся тем пературны м полем , им ею щ им определенны й градиент по длине. П редлож енны й м етод получил наз ваниехро м а т ерм о гра фии. Своего расцвета хром атограф ия достигла после раз работк и А .М артином и А .Д ж ейм сом га зо -ж идк о ст н о й ра сп ределит ельн о й хро м а т о гра фии, в основе к оторой леж ит раз личие в к оэ ф ф ициентах

6

распределения к ом понентов анализ ируем ой см еси м еж ду ж идк ой неподвиж ной ф аз ой и подвиж ной газ ообраз ной. Э тот вариант ок аз ался наиболееуниверсальны м , чувствительны м и селек тивны м м етодом анализ а. В 1957 г. М .Голей предлож ил к а п иллярн ую хро м а т о гра фию, в к оторой сорбент наносится навнутренниестенк и к апиллярной трубк и. Э тот вариант поз воляет анализ ировать м ик рок оличества м ногок ом понентны х см есей. В 60-х годах появились ионогенны еи незаряж енны егели со строго определенны м и раз м ерам и пор. Э то поз волило раз работать вариант гельхро м а т о гра фии, основанны й на раз личной способности раз деляем ы х вещ еств, обладаю щ их раз личной м олекулярной м ассой, проник атьвгель. Следует з ам етить, что лю бы еварианты , к ак бы они ни бы ли далеки друг от друга по внеш ним приз нак ам , основы ваю тся на одном общ ем принципе, сф орм улированном М .С.Ц ветом . Э то принцип распределения к ом понентов раз деляем ой см еси м еж ду двум я ф аз ам и, одна из к оторы х неподвиж на и им еет раз витую поверхность, а другая представляет собой поток , ф ильтрую щ ийся через неподвиж ны й слой.

7

2. К л ас с и ф и каци я м е тодов хр ом атогр аф и и В основу к лассиф ик ации видоиз м енений и вариантов хром атограф ическ ого м етодам ож но полож итьраз личны еприз нак и: • агрегатноесостояниеф аз ; • природу э лем ентарногоак та; • способ относительногоперем ещ ения ф аз ; • аппаратурноеоф орм лениепроцесса; • цельпроцесса.

К л ас с и ф и каци я по агр е гатн ом ус ос тоян и ю ф аз Агр е гатн оес ос тоян и еф аз неподвиж ной подвиж ной твердоевещ ество ж идк ость -« газ ж идк ость ж идк ость

-« -

газ

В ид хр ом атогр аф и и Ж идк остно-твердая Газ о-твердая Ж идк остнож идк остная. А нализ ирую тся тверды е и ж идк ие вещ ества, растворяю щ иеся в подвиж ной ф аз е. Газ о-ж идк остная. А нализ ируем ы е вещ ества долж ны находиться в газ оили парообраз ном состоянии.

Пр и м е чан и я Д анны й вид им еет раз личны еварианты К э том у виду относят все видоиз м енения, раз деление см еси вещ еств, в к оторы х основы вается на раз личии в к оэ ф ф ициентах распределения к ом понентов м еж ду двум я ф аз ам и

К л ас с и ф и каци я н а ос н овепр и р оды эл е ме н тар н ого акта Не подви ж н ая ф аза Т вердоевещ ество

Эл е ме н тар н ый акт А к т адсорбции

В ид хр ом атогр аф и и А дсорбционная м олек улярная хром атограф ия

Пр и м е чан и я Раз деление ж идк их и газ ообраз ны х вещ еств; основы вается на раз личии адсорбционного сродства м еж ду к ом понентам и раз деляем ой см еси и вещ еством твердой ф аз ы (адсорбента)

8 О бм ен ионов, И онообм енная содерж ащ ихся в хром атограф ия твердой ф аз е, на ионы из раствора

О садочная Хим ическ ое вз аим одействие с хром атограф ия образ ованием труднорастворим ог о осадк а

Ж идк ость(гель)

Растворение (адсорбция) анализ ируем ого вещ ества и распределение его м еж ду подвиж ной и неподвиж ной ф аз ам и

Распределительная хром атограф ия (ж идк остнож идк остная, газ ож идк остная, гельхром атограф ия)

А нализ ируем ая см есь долж на бы ть тольк о в растворе. Т вердая ф аз а – вещ ество, способное обм ениваться своим и ионам и (ио н о о бм ен н ик или ио н ит ). Раз деление см еси ионов в растворе основы вается на степени ионного сродства э тих ионов к твердой ф аз е. А нализ ируем ая см есь долж на бы ть тольк о в растворе. Раз деление к ом понентов основы вается на раз личии в произ ведениях ак тивностей осадк ов, образ ую щ ихся при вз аим одействии с осадителям и, содерж ащ им ися в твердой ф аз е. В основе леж ит раз личие в к оэ ф ф ициентах распределения анализ ируем ы х к ом понентов м еж ду подвиж ной и неподвиж ной ф аз ам и, или на раз личии в степени проник новении к ом понентов в поры геля.

9

К л ас с и ф и каци я по с пос обуотн ос и те л ьн ого пе ре ме ще н и я ф аз* В ар и ан ты П роявительная (э лю э нтная) хром атограф ия

Ф ронтальная хром атограф ия

В ы теснительная хром атограф ия

Хар акте р и с ти ка А нализ ируем ая см есь вм есте с чистой подвиж ной ф аз ой вводится в к олонк у, вещ ества сорбирую тся, перем ещ аю тся вдоль слоя сорбента с раз личной ск оростью (в соответствии с раз личны м сродством к вы бранном у сорбенту) и вы м ы ваю тся из к олонк и. И з м енения к онцентрации вы м ы ваем ы х вещ еств ф ик сируется на к ривой, наз ы ваем ой хро м а т о гра м м о й. Часть к ривой, относящ ую ся к из м енению к онцентрации данного вещ ества, наз ы ваю т хро м а т о ра фическ им п ик о м . Раз деление см еси достигнуто, если число пик ов на хром атограм м е соответствует числу к ом понентованализ ируем ой см еси А нализ ируем ая см есь, в к оторой одно из вещ еств им еет более слабое сродство к вы бранном у сорбенту, вм есте с чистой подвиж ной ф аз ой непреры вно пропуск аю т через к олонк у. В ещ ества перем ещ аю тся вдоль слоя сорбента, причем ф ронт движ ущ ейся см еси состоит из м енее сорбирую щ егося вещ ества, з а к оторы м движ ется исходная см есь. М ак сим альная к онцентрация м енее сорбирую щ егося вещ ества ф ик сируется на хром атограм м е, к оторая в э том случаеим еет ступенчаты й харак тер (число ступеней соответствует числу к ом понентованализ ируем ой см еси) Д есорбция к ом понентов см еси осущ ествляется поток ом раствора, содерж ащ его сильно сорбирую щ ееся вещ ество – вы теснитель. К ом поненты анализ ируем ой см еси перем ещ аю тся вдоль слоя сорбента впереди ф ронта з оны вы теснителя, причем порядок з он к ом понентов определяется их сорбционны м и свойствам и. Хром атограм м а представляет ступенчатую к ривую , гдек аж дая ступень соответствует одном у к ом поненту анализ ируем ой см еси

О бл ас ть пр и м е не н ия Н аиболее распространенны й м етод раз деления см еси на к ом поненты . Н едостатк ом м етода является з начительное раз бавление, что сниж ает к онцентрацию вещ еств на вы ходе из к олонк и

М етод поз воляет вы делить из см еси лиш ь одно наиболее слабо сорбирую щ ееся вещ ество, к онцентрировать прим еси, а так ж е определять нек оторы е ф из ик охим ическ ие харак теристик и одного к ом понента (наприм ер, из отерм ы адсорбции) М етод поз воляет вы делить все к ом поненты см еси, к оторы е не раз бавляю тся пром ы ваю щ им растворителем .

10 К ом бинированны й м етод

В начале проводится проявительны й П рим еняется для анализ , в ходе к оторого вы м ы ваю тся хром атограф ическ ог относительно слабо сорбирую щ иеся о анализ а см еси, вещ ества. Затем в растворитель добавляю т содерж ащ ей сильно вещ ество, сорбирую щ ееся сильнее всех сорбирую щ иеся к ом понентов см еси, или з ам еняю т вещ ества. растворитель на сильно сорбирую щ ееся вещ ество, к отороевы тесняет оставш иеся в слоесорбентак ом поненты см еси * Ва риа н т ы ра ссм о т рен ы п рим ен ит ельн о к к о ло н о чн о й хро м а т о гра фии

К л ас с и ф и каци я по с пос обуаппар атур н ого оф ор м л е н ия Н азван и ем е тода К олоночная хром атограф ия

К апиллярная хром атограф ия Т онк ослойная хром атограф ия

С пос об р азм е ще н ия не подви ж н ой ф азы Сорбент раз м ещ ен в трубк е к олонк е

Хар акте р и с ти ка ме тода

Д виж ение подвиж ной ф аз ы происходит вследствие перепада давления на входе и вы ходе из к олонк и. К онтак т анализ ируем ы х вещ еств осущ ествляется при ом ы вании раствором з ерен сорбента и диф ф уз ии растворенны х вещ еств к их поверхности. В ариант к олоночной Н еподвиж ная ф аз а нанесена хром атограф ии на стенк и к апилляра П орош к ообраз н Д виж ение в ый тверды й растворенны х сорбент тонк им подвиж ной ф аз е слоем нанесен к ом понентов см еси происходит в напластинк у. двухм ерном пространстве. Бы строта анализ а, больш ая э ф ф ек тивность раз деления, простота. Н е требует удаления анализ ируем ы х к ом понентов со слоя сорбента.

О бл ас ть пр и м е не н ия А нализ м ногок ом понентн ы х см есей

А нализ м ик рок оличеств м ногок ом понентн ы х см есей А нализ м ик рок оличеств м ногок ом понентн ых см есей. Н еприм еним для случаев, к огда подвиж ной ф аз ой служ ит газ .

11 Бум аж ная хром атограф ия

Н еподвиж ная ж идк ая ф аза пок ры вает тонк им слоем волок набум аги.

Д виж ение ж идк ой подвиж ной ф аз ы осущ ествляется вдоль слоя бум аги под действием к апиллярны х сил. Т .к . к оэ ф ф ициенты распределения к ом понентов см еси м еж ду несм еш иваю щ им ися ж идк остям и раз личны , движ ение з он к ом понентов происходит с раз личны м и ск оростям и, т.е. происходит раз деление. Н е требует удаления анализ ируем ы х к ом понентовсбум аги.

А нализ неорганическ их и органическ их вещ еств, биохим ическ ого анализ , в т.ч. белк ов. В оз м ож но прим енение в осадочной хром атограф ии.

К л ас с и ф и каци я по це л и пр ове де н и я хр ом атогр аф и че с кого пр оце сса Ме тод П репаративная хром атограф ия

А налитическ ая реак ционная хром атограф ия

Н еаналитическ ая хром атограф ия

Хар акте р и с ти ка В оз м ож ность вы полнения непреры вного раз деления см еси и отбора целевого продук та. Т ребование произ водительность установк и и чистоты вы деляем ого продук та Сочетание хим ическ их реак ций превращ ения анализ ируем ы х вещ еств с целью упрощ ения состава в одной систем е с хром атограф ическ им процессом И спольз ование связ и м еж ду парам етрам и хром атограф ическ ого процесса и свойствам и из учаем ы х вещ естви систем

Це ль П олучение з начительны х к оличеств вещ еств; очистк а от прим есей. К онцентрирование и вы деление из см еси м ик роприм есей. К ачественны й и к оличественны й анализ см есей вещ еств

Д ля исследования свойств систем (растворов и др.), к инетик и хим ическ их процессов, свойств к атализ аторов, адсорбентов

12

3. Те ор е ти че с ки еос н овы хр ом атогр аф и и П оведение вещ ества в к олонк е харак териз ую т основны м и хром атограф ическ им и парам етрам и. В рем я от м ом ента ввода анализ ируем ой пробы до регистрации м ак сим ум а пик а наз ы ваю т врем ен ем удерж ива н ия (э люиро ва н ия) tR. О но ск лады вается из двух составляю щ их – врем ени пребы вания вещ ествавподвиж ной tm и неподвиж ной ts ф аз ах: tR = t m + t s , Значение tm равно врем ени прохож дения через к олонк у несорбируем ого к ом понента. П оэ том у для харак теристик и истинной удерж иваю щ ей способности вводят исп ра влен н о е врем я удерж ива н ия t′R : t′R = tR - tm . Д ля харак теристик и удерж ивания использ ую т так ж е понятие удерж ива ем о го о бъем а VR – объ ем подвиж ной ф аз ы , к оторы й следует пропустить через к олонк у с определенной ск оростью , чтобы э лю ировать вещ ество: VR = tRF , гдеF – объ ем ная ск оростьпоток а, см 3·с-1 . Исп ра влен н ы й удерж ива ем ы й о бъем соответственно равен V′R = VR – Vm , гдеVm = tmF – объ ем для вы м ы вания несорбируем огок ом понента. Значения tR и VR строго воспроиз водим ы при постоянны х условиях хром атограф ирования (ск оростьпоток а, давление, тем пература, состав ф аз ) и использ ую тся для идентиф ик ации вещ еств. П роцесс распределения вещ ества м еж ду ф аз ам и харак териз ую т к о э ффиц иен т о м ра сп ределен ия D, равны м отнош ению к онцентрации вещ ествав неподвиж ной и подвиж ной ф аз ах соответственно. К оэ ф ф ициент распределения связ ан схром атограф ическ им и парам етрам и: VR = Vm + DVs . В еличина Vs – объ ем неподвиж ной ф аз ы к олонк и, з ависящ ий от к оличества неподвиж ной ф аз ы , нанесенной на единицу объ ем а или м ассы сорбента, геом етрическ их парам етров к олонк и. И справленны й удерж иваем ы й объ ем связ ан сD просты м соотнош ением : V′R = VR – Vm = DVs . П оследние два вы раж ения – основны е уравнения хром атограф ии. Больш иераз личия вз начениях V′R и VR для двух вещ ествсвидетельствую т о полном их раз делении. П ри хром атограф ировании одноврем енно происходит раз деление вещ еств и раз м ы вание хром атограф ическ их пик ов раз деляем ы х вещ еств, приводящ еек ухудш ению раз деления. Д ля объ яснения специф ическ ого для

13

хром атограф ии процесса раз м ы вания обы чно использ ую т теорию теоретическ их тарелок и к инетическ ую теорию . Тео рия т ео рет ическ их т а рело к , впервы епредлож енная для описания процесса дистилляции, бы ла распространена М артином и Синдж ем на хром атограф ическ иесистем ы . Т еория основананаследую щ их допущ ениях: - к олонк асостоит из определенного числатеоретическ их тарелок ; - равновесие м еж ду ф аз ам и на к аж дой тарелк е устанавливается м гновенно; - вводим ая пробаявляется м алой; - все протекаю щ ие в к олонк е процессы рассм атриваю тся к ак вз аим но независим ы е. Т еоретическ ая тарелк а – э то гипотетическ ая з она, раз м ер к оторой соответствует достиж ению равновесия м еж ду двум я ф аз ам и. Хром атограф ируем ое вещ ество проходит слой сорбента порциям и, распределяясь м еж ду подвиж ной и неподвиж ной ф аз ам и на отдельны х э лем ентарны х участк ах слоя – тарелк ах. П ри э том на к аж дой тарелк е устанавливается равновесное распределение вещ ества. Н овая порция э лю ента, подаваем ая напервую тарелк у, приводит к новом у распределению вещ ествам еж ду подвиж ной и неподвиж ной ф аз ам и, причем частьвещ ества с данной тарелк и переносится на следую щ ую . Н а э той тарелк е так ж е устанавливается равновесие, ачастьвещ ествапереносится напоследую щ ие тарелк и. В следствиеэ того с к аж дой новой порцией э лю ента к онцентрация вещ ества на первой тарелк е падает, а на последую щ их воз растает. В результатетак ого перем ещ ения и перераспределения хром атограф ируем ое вещ ество ок аз ы вается на неск ольк их тарелк ах, причем на средних его к онцентрация достигает м ак сим ального з начения по сравнению с соседним и. Т ак им образ ом , вещ ество раз м ы вается по неск ольк им тарелк ам , причем чем сильнее раз м ы вание, тем больш ее число тарелок з айм ет вещ ество. Следовательно, число тарелок , з аним аем ы х данны м к ом понентом раз деляем ой см еси, является м ерой э ф ф ек тивности к олонк и, степени раз м ы вания вещ ествапослою адсорбента. К оличественной м ерой э ф ф ек тивности хром атограф ическ ой к олонк и служ ат вы со т а H, э к вива лен т н а я т ео рет ическ о й т а релк е (В Э Т Т ), и число теоретическ их тарелок N. Число т ео рет ическ их т а рело к м ож но рассчитатьнепосредственно из хром атограм м ы , сравнивая ш ирину пик а w и врем я пребы вания tR к ом понентавк олонк е: 2

t  t  N = 16  R  =  R  w σ

2

или  t N = 5,55  R  w 1/2

2

  , 

14

гдеσ и w1/2 – стандартноеотк лонениеи ш ирина хром атограф ическ ого пик а наполовиневы соты соответственно. О пределивN и з ная длину к олонк и L, легк о вы числитьH: H=

L . N

Т еория теоретическ их тарелок дает воз м ож ность сравнить э ф ф ективность раз личны х к олонок , оценить к ачество сорбента и з аполнения к олонк и, но не поз воляет вы явить з ависим ость N и H от ск орости подвиж ной ф аз ы , природы и з ернения сорбента, не дает прак тическ их реком ендаций, поз воляю щ их из беж ать раз м ы вания хром атограф ическ их пик ов. Согласно к ин ет ическ о й т ео рии хром атограф ии раз м ы вание хром атограф ическ их пик ов обусловлено трем я независим ы м и процессам и, вк лад к аж дого из к оторы х м ож ет бы ть оценен с пом ощ ью уравнения В анД еем тера: H = A+

B + Cv , v

гдеA, B/v, Cv – члены , учиты ваю щ иенеравном ерность движ ения поток а подвиж ной ф аз ы (вихревая диф ф уз ия), м олек улярную диф ф уз ию и отк лонение от сорбционного равновесия (сопротивление м ассопереносу) соответственно; v – линейная ск оростьпоток а. Вихрева я диффузия A з ависит от струк туры сорбентаи из м еняется по длине к олонк и. В ихревая диф ф уз ия – следствие из м енения линейной ск орости поток а подвиж ной ф аз ы по сравнению с еесредним з начением . Раз м ы вание з оны з а счет неравном ерного поток а подвиж ной ф аз ы описы ваю т уравнением A = 2λdp, гдеλ – к оэ ф ф ициент гом огенности упак овк и к олонк и (λ = 0,1÷ 0,8); dp – диам етр частицсорбента. В к лад вихревой диф ф уз ии вH нез ависит от ск орости поток аv. Раз м ы ваниеполосы з а счет м о лек улярн о й (п ро до льн о й) диффузии B/v обусловлено м играцией м олек ул главны м образ ом в подвиж ной ф аз е из участк ов полосы с больш ей к онцентрацией в направлении, где к онцентрация м еньш е, и описы вается уравнением B/v = 2γDm/v , гдеγ – к оэ ф ф ициент, учиты ваю щ ий ограничениедиф ф уз ии наполнителем к олонк и (γ < 1); Dm – к оэ ф ф ициент диф ф уз ии хром атограф ируем ого вещ ествавподвиж ной ф аз е. Э ф ф ек тивность к олонк и воз растает (H ум еньш ается) при использ овании подвиж ны х ф аз , в к оторы х к оэ ф ф ициенты диф ф уз ии низ к и,

15

при вы сок ой линейной ск орости поток а, при з аполнении к олонк и м елк им и и близ к им и по раз м ерам частицам и. Со п ро т ивлен ие м а ссо п ерен о су Cv учиты вает раз м ы ваниепик аз асчет сопротивления при непреры вном переходевещ ества из подвиж ной ф аз ы в неподвиж ную и обратно. В еличина Cv харак териз ует ск орость распределения вещ ествам еж ду двум я ф аз ам и, что описы вается уравнением 8 k ′ d s2 Cv = 2 v. 2 π (1 + k ′) Ds За счет з ам едления м ассопереноса в неподвиж ной ф аз е хром атограф ическ ий пик раз м ы вается тем сильнее, чем толщ е пленк а неподвиж ной ф аз ы ds и м еньш е к оэ ф ф ициент диф ф уз ии вещ ества в неподвиж ной ф аз е Ds. С увеличением объ ем а неподвиж ной ф аз ы Vs раз м ы вание долж но ум еньш аться, так к ак ф ак тор ем к ости к олонк и k′ пропорционален объ ем у неподвиж ной ф аз ы . О днак о, если при э том увеличивается толщ инаслоя неподвиж ной ф аз ы , авлияниеd s2 преобладает, то раз м ы ваниеувеличивается. И з уравнения В ан-Д еем тера 2 γDm 8 k′ d s2 H = 2λd p + + 2 v 2 v π (1 + k ′ ) D s

следует, что э ф ф ек тивность хром атограф ическ ой к олонк и им еет слож ную з ависим остьот ск орости поток аподвиж ной ф аз ы и вы раж ается гиперболой, м иним ум к оторой соответствует оптим альном у з начению v, к огда к олонк а работает наиболее э ф ф ективно (рис.1). О бласть под гиперболой м ож но поделить на три части, соответствую щ ие трем членам уравнения В анД еем тера. а б

Рис.1 Зависим остьВ Э Т Т от линейной ск орости поток а: а– газ овая хром атограф ия; б – ж идк остная.

16

Задача э к сперим ентатора – найти оптим альную линейную ск орость поток аvо п т , при к оторой H м иним альна. К оэ ф ф ициент диф ф уз ии вж идк ости Dж з начительно (на3÷4 порядк а) ниж е, чем в газ е, поск ольк у подвиж ная ж идк ая ф аз а обладает больш ей плотностью и вяз к остью , чем газ ообраз ная. Э то приводит к з ам едлению м ассообм ена в ж идк остной хром атограф ии, и член B в уравнении В анД еем тера, учиты ваю щ ий продольную диф ф уз ию , з десь роли не играет. Граф ическ ая з ависим ость э ф ф ективности H от линейной ск орости поток а неск ольк о видоиз м еняется и становится так ой, к ак пок аз ано на рис.1б, где м иним ум анак ривой H=f(v) нет.

17

4. П л ос кос тн ая хр ом атогр аф и я К плоск остны м видам хром атограф ии относят бум аж ную (БХ) и тонк ослойную (Т СХ). Э ти два вида ж идк остной хром атограф ии просты по техник е вы полнения, э к спрессны , не требую т дорогостоящ его оборудования. В бум а ж н о й хро м а т о гра фии вк ачественосителя неподвиж ной ф аз ы , наприм ер воды , использ ую т целлю лоз ное волок но бум аги, в м етоде т о н к о сло йн о й хро м а т о гра фии – раз личны е сорбенты (ок сид алю м иния, силик агель, целлю лоз у и др.), нанесенны ена пластинк у тонк им слоем . В обоих м етодах использ ую т хром атограф ическ ие систем ы ж идк ость – тверды й сорбент и ж идк ость – ж идк ость – тверды й сорбент, причем в к ачестве подвиж ной ф аз ы использ ую т раз личны е растворители или их см еси, органическ ие и неорганическ ие к ислоты . Хром атограф ическ ое раз деление в плоск остны х видах хром атограф ии, к ак и в к олонк е, обусловлено переносом к ом понентов подвиж ной ф аз ы вдоль слоя неподвиж ной ф аз ы с раз личны м и ск оростям и в соответствии с к оэ ф ф ициентам и распределения раз деляем ы х к ом понентов. Н аполоск ехром атограф ическ ой бум аги или натонк ом слоесорбента проводят остры м к арандаш ом стартовую линию на расстоянии ~1 см от ниж него к рая бум аги (пластинк и). П робу наносят м ик ропипетк ой налинию старта, причем диам етр пятна не долж ен превы ш ать 2÷ 3 м м (рис.2). Сущ ествую т раз личны еспособы получения во схо дящ их, н исхо дящ их или к руго вы х хром атограм м набум аге. Н аиболееэ ф ф ективны й способ получения четк их хром атограм м на бум аге– э то получениедвухм ерн ы х хром атограм м . П ринцип двухм ерной хром атограм м ы аналогичен повторном у раз делению . Э тот м етод особенно э ф ф ективен, к огда см есь вещ еств не удается раз делить в одном растворителе. П оэ том у проводят повторное раз деление в направлении, перпендик улярном первоначальном у, с использ ованием другого растворителя, для к оторого исследуем ы е вещ ества им ею т раз личны е к оэ ф ф ициенты распределения. В Т СХ чащ е использ ую т восходящ ий способ получения хром атограм м . Д ля э того прим еняю т стеклянны е, м еталлическ ие или пластм ассовы епластинк и, пок ры ты етонк им слоем сорбента (неподвиж ная ф аз а) обы чно толщ иной 100÷ 300 м к м . П осленанесения м ик ропипетк ой

18

Рис.2 Схем а тонк ослойной хром атограф ии.

(бум аж ной)

исследуем ого вещ ества на стартовую линию пластинк у, к ак и в случаеБХ, пом ещ аю т в к ам еру, содерж ащ ую растворители (подвиж ная ф аз а) для раз деления к ом понентов. Хром атограф ирование в БХ и Т СХ продолж аю т до тех пор, пок а растворитель не пройдет до линии старта ~10 см . П осле э того хром атограм м у вы ним аю т из к ам еры и подсуш иваю т на воз духе. Е сли образ ую тся невидим ы ез оны , хром атограм м у проявляю т. Раз деляем ы е к ом поненты на пластинк е или на полоск е бум аги образ ую т отдельны ез оны (пятна), полож ениек оторы х на хром атограм м е харак териз уется величинам и Rf – относительной ск оростью перем ещ ения к ом понентов в тонк ом слое или по бум аж ной полоск е. В еличину Rf определяю т к ак отнош ение расстояния x, пройденного вещ еством , к расстоянию L, пройденном у растворителем от старта до линии ф ронта x (рис.2): R f = 1 . В соответствии с определением Rf всегда ≤1,00. В еличина L Rf з ависит от природы носителя (бум ага, ак тивность и природа сорбента, толщ ина слоя сорбента), к ачества и природы растворителя, способа нанесения пробы , тем пературы , техник и проведения э к сперим ента и ряда других ф ак торов. В еличину Rf ф орм ально отож дествляю т с VR или tR , харак териз ую щ им и ск орость движ ения вещ ества вдоль к олонк и, а длину з оны (пятна) – с ш ириной хром атограф ическ ой полосы у основания w. В случаеТ СХ прим еним оосновноеуравнениек олоночной хром атограф ии. В еличина Rf , харак териз ую щ ая полож ение з оны вещ ества на хром атограм м е, связ ана с к оэ ф ф ициентом распределения в данной систем е следую щ им уравнением : D=

 Vm  1 . − 1  Vs  R f 

19

Число теоретическ их тарелок рассчиты ваю т поф орм уле 2

 x N = 16   ,  y вэ том случаеx = tR , y = w (см . рис.2). М ерой э ф ф ективности раз деления набум агеили в тонк ом слое, к ак и вк олоночной хром атограф ии, является величинаH: 2

L L  y H= =   . N 16  x  Раз делениедвух вещ еств с Rf1 и Rf2 прак тическ и воз м ож но, если Rf1 ≠ Rf2 и Δ Rf ≥ 0,1.

20

Ре ком е н дуе м ыел абор атор н ыер аботы Р абота 1 К АЧ ЕС ТВ ЕН Н Ы Й АН АЛ И З С М ЕС И К АТИ О Н О В М ЕТО Д О М ХР О М АТО Г Р АФ И И Н А Б У М АГ Е П рибо ры и реа к т ивы 1. П робирк адля хром атограф ирования спробк ой. 2. Хром атограф ическ ая бум ага № 3 или 4. П олоск а ш ириной 1,5 см , длиной 15 см . 3. Ш тативдля пробирок . 4. К апиллярная пипетк а. 5. П инцет. 6. П ульвериз атор. 7. Раствор, содерж ащ ий ионы ж елеза и к обальта, по 2 м г/м л к аж догоиона. 8. Растворитель: см есь н-бутилового спирта (80 об. %) и к онцентрированной соляной к ислоты (20 %). 9. П роявитель: спиртовой раствор роданидаам м ония (1 %-ны й). Це л ь р аботы. К ачественноеопределениесм еси к атионов. В ыпол н е н и е р аботы. К аплю исследуем ого раствора наносят пипетк ой на полоск у бум аги на расстояние6 м м от к рая и вы суш иваю т. В пробирк у для хром атограф ирования вливаю т 0,5 м л растворителя, вводят в нее полоск у бум аги, к оторую ук репляю т так , чтобы ниж ний ее к онец к асался к рая растворителя, а к рая полоск и нек асались стенок пробирк и. В ерхний к онец полоск и з ак репляю т на пробк е, к оторой з ак ры ваю т пробирк у. А нализ продолж ается 2 – 3 ч. К огда ф ронт растворителя достигнет верхнего к рая полоск и бум аги (недойдет на 5 м м до верхнего к рая), опы т прек ращ аю т, полоск у бум аги вы ним аю т и вы суш иваю т в суш ильном ш к аф у при 110ºС. В ы суш енную бум агу опры ск иваю т из пульвериз аторараствором роданида ам ония и сновавы суш иваю т. В случае присутствия ионов Fe3+ и Co2+ после опры ск ивания появляю тся ок раш енны е пятна: к расное соответствует иону ж елеза, голубое – иону к обальта. Р абота 2 К О Л И Ч ЕС ТВ ЕН Н О Е О П Р ЕД ЕЛ ЕН И Е Г Л Ю К О ЗЫ В Р АС ТВ О Р Е М ЕТО Д О М И ЗМ ЕР ЕН И Я П Л О Щ АД И П Я ТН А Н А Б У М АГ Е П рибо ры и реа к т ивы 1. У становк адля хром атограф ирования нисходящ им способом . 2. Хром атограф ическ ая бум ага № 4, длина полосы 25 см , ш ирина 10– 12 см . 3. Суш ильны й ш к аф . 4. П ульвериз атор.

21

5. П инцет. 6. Растворитель: см есь н-бутилового спирта, ук сусной к ислоты и воды всоотнош ении 4 : 1 : 5 по объ ем у. 7. П роявитель: спиртовой 1 %-ны й раствор резорцина и водны й 0,2 н. раствор соляной к ислоты . П еред употреблением оба раствора см еш иваю т вотнош ении 1 : 1 пообъ ем у. 8. Растворы глю к оз ы : 20; 15; 10 и 5 % (пом ассе). Це л ь р аботы. П олучить к алибровочны й граф ик з ависим ости площ ади пятна на хром атограм м еот к онцентрации глю к оз ы в раствореи определитьеесодерж аниевисследуем ом растворе. В ыпол н е н и е р аботы. Н а хром атограф ическ ую бум агу по одной линии наносят к апли растворов глю к оз ы из вестны х к онцентраций на расстоянии от к рая и друг от другапо 2 см . О бъ ем к апли долж ен составлять приблиз ительно 5 м к л, причем объ ем ы всех к апель долж ны бы ть строго одинак овы м и. П осле подсуш ивания бум аги ее пом ещ аю т в установк у для хром атограф ирования м етодом нисходящ ей хром атограф ии. В связ и с тем , что сахара им ею т небольш ую ск орость передвиж ения, растворитель пропуск аю т через бум агу в течение 24 ч. Затем бум агу вы ним аю т из к ам еры , вы суш иваю т и проявляю т. П ослепроявления проводят повторное вы суш ивание в суш ильном ш к аф у при 80 – 90ºС. П ри э том на бледнороз овом ф оне появляю тся цветны е пятна, вы з ванны е присутствием глю к оз ы . П лощ адь к аж дого пятна тщ ательно из м еряю т. И з м ерение площ ади м ож но произ водить либо планим етром , либо м етодом вз веш ивания. П олученны е данны е наносят на граф ик в к оординатах: площ адь пятна – логариф м к онцентрации растворов. Через нанесенны е точк и проводят прям ую линию . О пы т повторяю т сполученны м от преподавателя раствором глю к оз ы неиз вестной к онцентрации. П ослеиз м ерения площ ади полученного пятна, польз уясь к алибровочны м граф ик ом , определяю т к онцентрацию из учаем ого раствора. Р абота 3 О П Р ЕД ЕЛ ЕН И Е С О С ТАВ А К Р АС И ТЕЛ Я П АС Т Ш АР И К О В Ы Х Р У Ч ЕК И ЕГ О О Д Н О Р О Д Н О С ТИ М ЕТО Д О М ТО Н К О С Л О Й Н О Й ХР О М АТО Г Р АФ И И 1. 2. 3. 4. 5.

П рибо ры и реа к т ивы Хром атограф ическ ая пластина. Ш прицили к апилляр. Суш ильны й ш к аф . Растворитель: см есь э тилацетата, из опропанола, воды и ледяной ук сусной к ислоты всоотнош ении 30 : 15 : 10 : 1 пообъ ем у. П роявитель: э тилацетат, э танол и дим етилф орм ам ид в соотнош ении 1 : 4 : 2 по объ ем у.

22

6. О браз цы сош трихам и паст ш арик овы х ручек . Це л ь р аботы. И дентиф ик ация составак расителя пасты . В ыпол н е н и ер аботы. Готовят э к страк ты ш трихов паст ш арик овы х ручек , з аливая исследуем ы е образ цы дим етилф орм ам идом . Н а хром атограф ическ ой пластинепроводят стартовую линию в 10 м м от ее к рая, ш прицем или к апилляром (точк а = 1,5 – 2 м м ) наносят на нее э к страк ты . П ластину пом ещ аю т в систем у растворителей, следя з а линией ф ронта растворителей до 100 м м , после чего вы суш иваю т в суш ильном ш к аф у. Затем пластину обрабаты ваю т проявителем , следя з алинией ф ронта до 20 м м , и снова вы суш иваю т. Харак тер полученной хром атограф ическ ой к артины анализ ирую т по к оличеству и цвету з он, величине Rf. По з начениям Rf идентиф ицирую т составк расителя.

23

К он тр ол ьн ыевопр ос ы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.

В чем сущ ность хром атограф ическ ого м етода раз деления см еси вещ еств? К ак ие учены е внесли з начительны й вк лад в раз витие хром атограф ии? Что так оенеподвиж ная ф аз аи к ак оваеерольвхром атограф ическ ом процессе? К ак овы ф унк ции подвиж ной ф аз ы ? П о к ак им приз нак ам к лассиф ицирую т хром атограф ическ ием етоды ? К ак ие видоиз м енения и варианты хром атограф ическ ого м етода получили наиболееш ирок оераспространение? Что так ое хром атограм м а? К ак ие основны е способы получения хром атограм м вы м ож етеназ вать? К ак ием етоды хром атограф ии м огут прим еняться для раз деления и анализ ам ногок ом понентны х см есей? В чем отличиек олоночной и тонк ослойной хром атограф ии? У к аж ите воз м ож ности и ограничения раз ны х к оличественны х м етодовхром атограф ическ огоанализ а. Н аз овите основны е хром атограф ическ ие парам етры , харак териз ую щ иеповедениевещ ествавк олонк е. К ак ие хром атограф ическ ие парам етры м ож но использ овать для идентиф ик ации к ом понентовсм еси? О харак териз уйтесущ ностьтеории теоретическ их тарелок . К ак иевеличины харак териз ую т э ф ф ек тивностьхром атограф ическ ой к олонк и, к ак м ож но ееповы сить? К ак оцениваю т э ф ф ек тивностьраз деления вхром атограф ии? В чем преим ущ естваплоск остной хром атограф ии? К ак вы полняю т анализ вм етодеТ ХС? Н аз овитеперспек тивны ехром атограф ическ ием етоды . К ак овы пути их раз вития?

24

1.

2.

3.

4. 5.

6.

7.

1. 2.

3.

4.

5.

У че бн ая и м е тоди че с кая л и те р атур а О с н овн ая л и те р атур а А налитическ ая хим ия: Ф из .и ф из .хим . м етоды анализ а: У чебник для вуз ов /А .Ф .Ж ук ов, И .Ф .К олосова, В .В .К уз нецов и др.; П од ред. О .М .П етрухина. – М .: Хим ия, 2001. – 495 с. В ведение в м ик ром асш табную вы сок оэ ф ф ективную ж идк остную хром атограф ию / М .Гото, К .Д ж инно, Д .И сии и др. – М .: М ир,1991. – 239 с. В олы нец М .П . К оличественная тонк ослойная хром атограф ия в неорганическ ом анализ е / О тв.ред. Б.Ф .М ясоедов; РА Н . И н-т геохим ии и аналит. хим ии им .В .И .В ернадск ого. – М .: Н аук а, 1993. – 224 с. В ы сок оэ ф ф ек тивная газ овая хром атограф ия / Хайвер К ., Н ью тон Б., СандраП . и др. – М .: М ир, 1993. – 288 с. Гиош он Ж . К оличественная газ овая хром атограф ия для лабораторны х анализ ов и пром ы ш ленного к онтроля: В 2-х частях / Ж .Гиош он, К .Гийем ен. – М .: М ир. – 1991. – Ч.1. – 580 с. Гиош он Ж . К оличественная газ овая хром атограф ия для лабораторны х анализ ов и пром ы ш ленного к онтроля: В 2-х частях / Ж .Гиош он, К .Гийем ен. – М .: М ир. – 1991. – Ч.2. – 375 с. Д олгоносов А .М . И онны й обм ен и ионная хром атограф ия / А .М .Д олгоносов, М .М .Сенявин, И .Н .В олощ ук . – М .: Н аук а, 1993. – 221 с. Д опол н и те л ьн ая л и те р атур а К арасек Ф . В ведениев хром ато- м асс- спек тром етрию / Ф .К арасек, Р.К лем ент. – М .: М ир, 1993. – 236 c. П рак тическ ая газ овая и ж идк остная хром атограф ия: У чеб. пособие для студ. хим ., биол., э к ол. и м ед. специальностей вуз ов / Б.В .Столяров, И .М .Савинов, А .Г.В итенберг и др. – СП б.: И з д-во СП б. ун-та, 2002. – 610 с. Харитонов Ю .Я . А налитическ ая хим ия: А налитик а: У чебник для студ. вуз ов, обуч. по ф арм ацевт. и нехим . специальностям / Ю .Я .Харитонов. – М .: В ы сш . ш к ., 2001. – К н. 1: О бщ ие теоретическ ие основы . К ачественны й анализ . – 614 с. Харитонов Ю .Я . А налитическ ая хим ия: А налитик а: У чебник для студ. вуз ов, обуч. по ф арм ацевт. и нехим . специальностям / Ю .Я .Харитонов. – М .: В ы сш . ш к ., 2001. – К н. 2: К оличественны й анализ . Ф из ик о-хим ическ ие (инструм ентальны е) м етоды анализ а. – 558 с. Т еория и прак тик а сорбционны х процессов: М еж вуз .сб.науч.трудов / В оронеж . гос. ун-т. – В оронеж , 1999. – В ы п.24.– 134 с.

25

Составители: К ук уев В ячеслав И ванович, К лю чник ова О льга В ик торовна, П етьк о А лек сей Ю рьевич Редак тор Т ихом ироваО .А .