Хроматографический анализ: Практикум

Министерство образования Российской Федерации УДК 543 544.25 (075.8) Омский государственный университет Рекомендован к изданию советом химического факультета ОмГУ

И.И. Медведовская, М.А. Воронцова

Медведовская И.И., Воронцова М.А. Хроматографический анализ: Практикум / Под ред. В.И. Вершинина. – Омск: Омск. госуниверситет, 2002. – 78 с.

ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРАКТИКУМ

Издание ОмГУ

Омск 2002

Практикум включает описание лабораторных работ по спецкурсу «Хроматографический анализ» (раздел «Газовая хроматография») и методические рекомендации по их выполнению. Излагаются теоретические основы соответствующих методик, особое внимание уделяется технике выполнения лабораторных работ и форме представления их результатов. Пособие соответствует государственному стандарту специальности 011000 – Химия. Для студентов старших курсов, специализирующихся в области аналитической химии, органической химии и химической технологии. Может быть полезна для студентов других специальностей, аспирантов и специалистов, использующих методы газовой хроматографии. УДК 543 544.25 (075.8)

© Омский госуниверситет, 2002

ВВЕДЕНИЕ В соответствии с программой спецкурса “Хроматографический анализ” каждый студент должен выполнить цикл взаимосвязанных лабораторных работ по газовой хроматографии, что позволит будущему специалисту самостоятельно выполнять анализы, проводить качественную и количественную интерпретацию хроматограмм, использовать газовую хроматографию как метод исследования. Выполнение лабораторных работ предполагает предварительное усвоение теоретического материала в объеме курса лекций по газовой хроматографии. Последовательность выполнения работ определяется преподавателем и может отличаться от нумерации, указанной в данном пособии. В практикуме могут быть использованы любые газовые хроматографы. Каждый студент проходит собеседование с преподавателем для получения допуска к выполнению лабораторной работы, приступив к которой он должен тщательно соблюдать правила техники безопасности. Отчет по лабораторной работе должен быть составлен в рабочей тетради по плану: 1. Название работы и дата выполнения. 2. Цель работы с указанием полученного задания. 3. Краткое описание основных этапов эксперимента. 4. Результаты измерений и расчеты. 5. Выводы. В отчет следует включить хроматограммы, таблицы, графики и др. На хроматограмме должны быть представлены все измеряемые параметры: высота h, ширина μ или полуширина μ0,5 хроматографических пиков. Указываются значения показателя чувствительности при регистрации отдельных пиков (значения Ki по шкале чувствительности). Должны быть приведены условия анализа – давление газаносителя на входе, температура испарителя, колонки, детектора и т.п., 3

а также состав пробы и введенный в хроматограф объем пробы. Образец оформления хроматограммы приведен на рис. 1. После выполнения лабораторной работы студент сдает письменный отчет, устно комментирует его и отвечает на вопросы преподавателя, в том числе теоретические. Тематика таких вопросов приводится в настоящем пособии в конце описания каждой лабораторной работы.

Рис. 1. Образец рабочей хроматограммы

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 Подготовка сорбента и заполнение насадочных колонок Цель и содержание работы. Познакомиться с одним из наиболее надежных способов нанесения неподвижной жидкой фазы на твердый носитель (испарение растворителя), а также техникой заполнения насадочных колонок. В ходе данной работы необходимо приготовить колонку, которая будет использоваться для выполнения следующих лабораторных работ. Краткое теоретическое введение. В газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ) часто используют насадочные колонки, в которых компоненты исследуемой (анализируемой) смеси разделяются на заполняющей колонку насадке (сорбенте), состоящей из твердого пористого материала-носителя, пропитанного неподвижной жидкой фазой (НЖФ). Чтобы разделение проходило в оптимальных условиях, НЖФ и носитель должны обладать рядом свойств. Носитель должен обладать следующими свойствами: 1) удельная поверхность порядка 0,5–4,0 м2/г, что позволяет нанести НЖФ в виде тонкой пленки и не допустить ее последующего перемещения под действием силы тяжести или по другим причинам; 2) значительный и по возможности одинаковый диаметр пор; 3) химическая и адсорбционная инертность; 4) одинаковость частиц по форме и по размерам (монодисперсность); 5) способность смачиваться НЖФ; 6) механическая прочность; 7) стабильность при высоких температурах. Используют твердые носители двух типов: минеральные и полимерные. Большинство минеральных носителей представляют собой переработанные диатомиты (ископаемые продукты минерализации древних одноклеточных организмов). Их примерный состав (% мас.): SiO2 – 90-92; Al2O3 – 4-5; Fe2O3 – 0,1-0,2; CaO – 1-1,5; MgO – 0,4. 5

Для получения носителя диатомитовую массу прокаливают при 900– 1200°С, дробят и рассеивают на фракции. Для снижения активности носитель обрабатывают кислотой (для удаления металлов) и алкилхлорсиланами. В зависимости от способа обработки выделяют градации носителей: N – необработанный (исходный); AW – промытый кислотой; AW-DMDS (AW-HMDS) – промытый кислотой и обработанный силанами. Наибольшее распространение в нашей стране получили диатомитовые носители: сферохром-1,2 (производство России), хроматон, инертон, целит-545, хромосорбы (производство Чехии) и др. В ряде случаев используют стеклянные шарики, графитированную сажу и силикагели. Более инертны полимерные носители на основе тетрафторполимеров и сополимеров стирола и дивинилбензола: полихром-1, хромосорб Т, тефлон-6, полисорбы-1,10 и др. При использовании таких носителей, как полисорбы 1 и 10, полихромы 1и 2, хромосорбы 101-180, – сильнополярные вещества выходят из колонки в виде симметричных пиков, поэтому эти носители широко применяют в анализе водных растворов. Перечисленные носители сильно электризуются, их следует засыпать в колонку либо после предварительного охлаждения, либо не полностью удалив растворитель. В предварительной осушке они не нуждаются. НЖФ – это абсорбент, нанесенный на твердый носитель. В качестве НЖФ используют высококипящие вещества, относящиеся практически ко всем классам органических соединений. Неподвижная жидкая фаза должна отвечать следующим требованиям: 1) селективность; 2) оптимальная сорбционная емкость; 3) отсутствие химического взаимодействия с разделяемыми веществами, твердым носителем, материалом самой колонки и газомносителем; 4) химическая стабильность в ходе анализа (в т.ч. при нагревании); 6

5) низкое давление пара при высоких температурах (нелетучесть); 6) малая вязкость, отсутствие примесей, доступность. Кроме природы НЖФ и твердого носителя, на качество хроматографического разделения влияет способ нанесения НЖФ на носитель (пропитка), форма и материал колонки, а также методика заполнения колонки. В методе ГЖХ разделение веществ (компонентов исследуемых смесей) обусловлено селективным взаимодействием между веществом и НЖФ. Среди протекающих межмолекулярных взаимодействий различают дисперсионные, индукционные, ориентационные и специфические. К последним относят образование донорно-акцепторных и водородных связей. Селективность НЖФ оценивается уравнением Херрингтона и Ридела: lg

tR1 t R2

= lg

P1 γ + lg 1 , P2 γ2

(1.1)

где tR1 и tR2 – времена удерживания двух компонентов, P1 и P2 – значения давления их насыщенных паров, γ1 и γ2 – коэффициенты активности. Материалы, посуда и оборудование. В данной работе используются: • твердые носители: сферохром-1, хроматон, динохром, целит545, полисорб-1, полисорб-12 и др., с зернением 0,16–0,20, 0,20–0,25 или 0,25–0,315 мм (по указанию преподавателя); • НЖФ: сквалан, полиэтиленгликоль 1000 или 1500 (ПЭГ-1000, ПЭГ-1500), полиэтиленгликольадипинат (ПЭГА), полиорганосилоксаны (SE-30, SE-301, OV-1, OV-17, OV-25) и др.; • колонки металлические (2м × 3мм) с воронкой для засыпки сорбента; • растворители: ацетон, хлороформ, четыреххлористый углерод, н-гексан;

7

• весы технические 1-го класса, электроплитка с закрытой спиралью, сушильный шкаф, баллон со сжатым инертным газом (азотом, аргоном, гелием), снабженный редуктором; водоструйный насос; • асбестовая сетка; цилиндры мерные на 50–100 мл, воронка стеклянная, палочка стеклянная, колба коническая на 100–250 мл с пробкой, чашка фарфоровая, бюкс на 50–100 мл; набор стандартных сит. Порядок выполнения работы 1. Предварительная подготовка носителя. Диатомитовый носитель отмучивают от пыли и самых мелких частиц дистиллированной водой и просушивают: вначале на электроплитке закрытого типа при постоянном перемешивании до сыпучего состояния, затем последовательно не менее двух часов при 120 °С и двух часов при 200 °С. После этого сорбент осторожно отделяют от пыли и комков с помощью соответствующих сит. Как правило, в условиях студенческого практикума всю эту подготовительную работу проделывает заранее лаборант. 2. Нанесение НЖФ на твердый носитель. По формуле V = πr2L определяют объем хроматографической колонки заданных размеров. В предварительно взвешенный мерный цилиндр порциями по 5–7 мл засыпают твердый носитель, при этом по цилиндру следует время от времени постукивать деревянной палочкой или линейкой, чтобы утрамбовать носитель. Добавление носителя продолжают до достижения постоянного заданного объема, который должен на 25–30% превышать ранее рассчитанный объем колонки. Цилиндр с отмеренным количеством твердого носителя взвешивают, по массе носителя определяют насыпную плотность (г/см3). В отдельном стаканчике берут навеску НЖФ (по указанию преподавателя) с точностью до 10–2 г (технические весы). Растворяют навеску НЖФ в соответствующем растворителе. Объем раствора НЖФ должен несколько превышать объем твердого носителя. При необхо8

димости смесь подогревают на электроплитке закрытого типа (соблюдать технику безопасности). В коническую или круглодонную колбу помещают твердый носитель, заливают раствором НЖФ так, чтобы над поверхностью носителя образовался слой жидкости высотой 5–7 мм, закрывают пришлифованной или резиновой (изолированной пленкой) пробкой и энергично перемешивают содержимое колбы в течение 30 минут, вручную или на встряхивателе. Затем содержимое колбы с помощью шпателя или стеклянной палочки количественно переносят в фарфоровую чашку, помещают ее на электроплитку с асбестовой сеткой (под тягой!). Осторожно, при слабом нагревании и постоянном перемешивании, испаряют растворитель до полного исчезновения запаха. После испарения растворителя, когда приготовленная насадка станет легко сыпучей и по внешнему виду не будет отличаться от исходного носителя, ее необходимо поместить на досушивание в термостат, нагретый до 80-100°С, затем охладить и осторожно отсеять на ситах от пыли и от комков. Диаметр отверстий сит определяется зернением исходного носителя. Подготовленным таким образом сорбентом (насадкой) можно заполнять хроматографическую колонку. Содержание НЖФ в сорбенте (в %) рассчитывают по формуле: C% =

m5 − m4 m ⋅ 100% = 6 ⋅ 100% , m 2 − m1 m3

(1.2)

Расшифровка обозначений дана в таблице. Перед заполнением колонки следует убедиться, что объем полученной насадки достаточен для заполнения колонки в соответствии с выполненными ранее расчетами. Для этого высыпают приготовленную насадку в мерный цилиндр, определяют ее объем. Цилиндр (или бюкс) с приготовленной насадкой взвешивают. 3. Заполнение колонки. Спиральную колонку готовят к заполнению следующим образом. Вначале пустую колонку последовательно промывают органическими растворителями – ацетоном, бензолом и 9

петролейным эфиром, просушивают в термостате при 150-200°С. Колонку при этом желательно подсоединить к водоструйному или вакуумному насосу для прокачки через нее сухого воздуха. Затем колонку охлаждают. Один из концов подготовленной колонки закрывают тампоном из шнурового асбеста, стекловолокна или тонкой металлической сетки и подключают к водоструйному насосу. Колонку закрепляют в штативе, а к ее открытому концу прикрепляют воронку для засыпания сорбента. Создав разрежение водоструйным насосом, приготовленный сорбент небольшими порциями через воронку осторожно засыпают в колонку, одновременно постукивая деревянной палочкой или линейкой для равномерного уплотнения насадки. О заполненности колонки судят по прекращению убыли насадки в воронке. После окончания заполнения колонку отсоединяют от насоса, осторожно снимают воронку и закрывают колонку тампоном. Массу сорбента в колонке определяют по разности масс приготовленного сорбента и оставшегося после заполнения колонки, то есть по убыли массы цилиндра с сорбентом. Заполненная колонка нуждается в тренировке. 4. Тренировка (кондиционирование) колонки. Для того чтобы избежать дрейфа нулевой линии в ходе анализа, а также появления ложных пиков, связанных с десорбцией растворителя и других летучих компонентов НЖФ, свеженаполненные колонки тренируют. Для этого их устанавливают в термостат хроматографа, причем один конец соединяют с испарителем, а другой оставляют свободным (т.е. не соединяют с детектором). Продувают колонку не менее четырех часов газом-носителем со скоростью 2–3 л/мин при температуре на 20–30° выше предполагаемой рабочей температуры, но не выше максимально допустимой для данной НЖФ. Затем охлаждают колонку до комнатной температуры и соединяют ее открытый конец с детектором (не забудьте поставить прокладки!). Проверяют герметичность газовых линий прибора, выводят хроматограф на рабочий режим и прове10

ряют стабильность нулевой линии на хроматограмме. Шумы и дрейф сигнала свидетельствуют о необходимости продолжить кондиционирование, стабильная нулевая линия – о возможности начала работы. Полученные данные и результаты расчетов записывают в таблицу. Массу НЖФ в колонке рассчитывают с учетом предварительно найденного содержания НЖФ в сорбенте. Таблица 1.1 Обозначения

Показатели

m1

Масса пустого цилиндра

m2

Масса цилиндра с сорбентом

m3 m4

Масса сорбента Масса пустого бюкса

m5 m6

Масса бюкса с НЖФ

m7

Масса цилиндра с насадкой

m8

Масса цилиндра после засыпки колонки

m9 m10

Масса насадки в колонке

С,%

Масса НЖФ

Числовые значения

Контрольные вопросы 1. Твердый носитель. Требования, предъявляемые к носителю. 2. Основные типы твердых носителей для ГЖХ, способы модификации твердых носителей. 3. Выбор неподвижной жидкой фазы в ГЖХ. 4. Основные способы нанесения НЖФ на твердый носитель. Литература 1. Сакодынский К.И., Бражников В.И. и др. Аналитическая хроматография. – М.: Химия, 1993. – С. 98–112. 2. Айвазов Б.В. Практическое руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 59–75. 3. Столяров В.В., Савинов И.М., Витенберг А.Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии. – Л.: Химия, 1988. – С. 254–264. 4. Вяхирев Д.В., Шушунова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 187–200.

Масса НЖФ в колонке Содержание НЖФ на сорбенте, % масс

11

12

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 Подготовка хроматографа к работе и получение пробных хроматограмм Цель и содержание работы. Студенту необходимо научиться самостоятельно работать на газовом хроматографе. Для достижения данной цели следует: изучить инструкцию к хроматографу, установить заранее приготовленные колонки, заменить прокладки и проверить их на герметичность, включить прибор в работу на режим, предложенный преподавателем, проверить уровень шумов на базовой линии при переключении шкал самописца и получить пробные хроматограммы в изотермическом режиме. В лабораторной работе обычно используется хроматограф ЛХМ-8МД с насадочными колонками (2м × 3мм). Пробы объемом 1–5 мкл дозируют и вводят в хроматограф с помощью микрошприцов МШ-10. Газ-носитель – гелий или азот. Краткое теоретическое введение. Лабораторные хроматографы предназначены для анализа газовых и жидких многокомпонентных смесей органического и неорганического происхождения с температурой кипения до 350°С. В методах газо-адсорбционной и газожидкостной хроматографии хроматографы работают в изотермическом или программированном режимах нагрева колонок. В качестве детекторов используют катарометры, пламенно-ионизационные детекторы или детекторы других типов. Сигнал детектора регистрируется на ленте самопишущего потенциометра или с помощью соответствующего интерфейса преобразуется в цифровую форму для последующей компьютерной обработки. Принципиальная газовая схема хроматографа представлена на рис. 2.

13

Рис. 2. Газовая схема хроматографа ЛХМ-8МД: 1 – баллон с газом-носителем; 2 – редуктор; 3 – фильтр механических частиц; 4 – редуктор давления; 5 – дроссель точной регулировки; 6 – регулятор расхода; 7 – газовый дозатор; 8 – испаритель; 9 – колонка; 10 – детектор Газ из баллона 1 через стандартный баллонный редуктор 2 под давлением от 1,5 до 4 кгс/см2 подается на вход блока подготовки газов. Здесь он разделяется на два потока, каждый из которых проходит через устройства регулировки и стабилизации давления и расходов. Оба газовых потока поступают в узлы ввода пробы – испарители 8. Из испарителей газ-носитель поступает в колонки 1 и 2, а с выхода колонок – в детектор по теплопроводности 10. Та колонка, в которой происходит разделение введенной пробы, называется рабочей, а колонка, через которую проходит чистый газ-носитель – сравнительной. Наличие в приборе двух колонок позволяет осуществлять ввод жидких проб в любую из них через соответствующий испаритель. Сигнал детектора определяется разностью состава газов, проходящих через два его измерительных канала (газ из колонки 1 и газ из колонки 2). 14

Порядок выполнения работы 1. На концы заполненных сорбентом насадочных колонок наденьте накидные гайки и конусные медные муфты, затем вставьте колонку одним концом на выход из испарителя, другим – на вход к детектору, причем концы насадочных колонок, ведущие к испарителю, введите до упора, т.е. на 10–12 см. После этого затяните накидные гайки. 2. Редуктором высокого давления на баллоне с газом установите давление на выходе из баллона – 3–5 кгс/см2. Проверьте целостность прокладок испарителя. 3. Проверьте газовую схему прибора на герметичность. Для этого установите расходы газа-носителя (от 3 до 5 л/ч) по ротаметру с помощью дросселей плавной регулировки расходов в газовом блоке. Эти ручки выведены на переднюю панель и обозначены: “Колонка I и II”. Затем перекройте выход из колонок вакуумным шлангом соответствующего диаметра и проверьте герметичность мест соединений мыльной пеной. Если пузыри не образуются в течение 10–15 мин, система герметична; если пузыри образуются, то в данном месте система негерметична, следует подтянуть гайки. 4. После проверки герметичности газовых линий установите необходимые расходы газа-носителя с помощью ротаметра или реометра, подключенных поочередно к обоим выходным оливкам на детекторной крышке блока анализатора. Следует помнить, что газноситель необходимо обязательно подать на обе колонки. Из-за медленной реакции регуляторов расходов газа-носителя процесс настройки довольно длительный. 5. Включите блок анализатора в сеть тумблером на крышке блока анализатора. Включите тумблер “Сеть” на блоке анализатора. В верхней части передней панели этого блока должна загореться сигнальная лампочка и включиться вентилятор циркуляции воздуха, что определяется по характерному шуму. Если крыльчатка вентилятора не вращается, немедленно выключите тумблер “Сеть” во избежание пе-

регревания спирали нагревателя и сообщите лаборанту. Работа хроматографа с неработающим вентилятором недопустима! 6. Установите выбранные значения температуры термостата и испарителя (на крышке блока анализатора). 7. Включите тумблер “Ток детектора” на блоке управления. Включать тумблер “Ток детектора” без подачи газа-носителя в детектор нельзя во избежание выхода детектора из строя! 8. Установите ток моста в зависимости от температуры детектора и вида газа-носителя. Контроль тока детектора осуществляется с помощью миллиамперметра, расположенного на передней панели блока управления. Оптимальное значение тока моста рассчитывают по данным табл. 2.1. Следует помнить, что чувствительность детектора повышается при увеличении тока моста, поэтому при определении малых концентраций ток моста можно увеличить. Двукратное увеличение тока детектора приводит к увеличению чувствительности в 5–8 раз. Но ток моста не должен превышать 150–160 µА. При повышении температуры в термостате колонок ток должен быть снижен, в противном случае существенно возрастут шумы нулевой линии. Ток моста может быть снижен также при определении высоких концентраций.

15

16

Таблица 2.1 Температура термостата детектора (°С) 20 100 200 300

Ток детектора (µА) для разных газовносителей Гелий Азот Аргон 150–160 100–110 70–80 120–130 85–95 60–65 110–115 70–80 50–55 90–70 45–50 35–45

9. Ручку переключателя “Множитель” установите в положение “100”. Следует помнить, что переключатель «Множитель» задает коэффициент ослабления сигнала детектора; чем больше величина, указываемая переключателем, тем меньше чувствительность регистрации сигнала. Ручками “Установка нуля” – “Плавно” и “Грубо” выведите перо регистратора на середину шкалы. 10. При разогреве катарометра до тех пор, пока его температура не стабилизируется, возможен большой дрейф нулевой линии. В этот период (~ 1 час) масштаб регистрации сигнала следует оставить на максимальном значении, равном 100, то есть на минимальной чувствительности. По мере стабилизации прибора переключатель “Множитель” постепенно переводится к меньшим значениям, а ручками “Установка нуля” перо самописца (регистратора) выводится на нулевую отметку. 11. На самописце-регистраторе КСП-4 установите определенную скорость движения диаграммной ленты. Включите тумблер “Сеть” на регистраторе, а также тумблер “Диаграмма” регистратора. 12. Прибор можно считать вышедшим на режим, если в положении “10” масштаба на “Множителе” дрейф и флуктуации нулевой линии не будет превышать 1% шкалы регистратора. После выхода прибора на режим можно приступать к выполнению анализа. В хроматограф можно вводить газообразные и жидкие пробы с помощью соответствующего шприца через испаритель, газообразные пробы вводятся также с помощью крана-дозатора. 13. Для анализа жидкой пробы промывают несколько раз микрошприц анализируемой смесью, отбирают необходимый объем смеси, а затем вводят иглу шприца через резиновую прокладку в испаритель на максимально возможную глубину. Проба быстро выдавливается поршнем. При дозировании надо придерживать иглу пальцами, а усилие направлять строго по оси микрошприца. Несоблюдение этих условий ведет к деформации и поломке поршня. Микрошприц нельзя

применять для дозирования жидкостей, содержащих механические примеси, и жидкостей, вязкость которых превышает 20 сантипуаз. 14. Не забывайте промывать микрошприцы подходящими растворителями и просушивать в вакууме водоструйного насоса или в термостате с последующим охлаждением перед каждым очередным впуском анализируемого образца. Из-за плохой смачиваемости стеклянного капилляра углеводородами необходимо 3–5 раз заполнить и освободить микрошприц от анализируемой пробы до ввода ее в испаритель. Пренебрежение этими процедурами может привести к значительному искажению результатов анализа. 15. Получите пробные хроматограммы индивидуальных углеводородов или их смесей, убедитесь в воспроизводимости хроматограмм и возможности разделения компонентов смеси. Удовлетворительное качество хроматограмм доказывает, что на данном хроматографе можно выполнять работы данного практикума. 16. Порядок выключения прибора: отключить ток моста детектора, переключатели температур испарителя и колонки, тумблеры “Cеть” на функциональных блоках и только после охлаждения прибора выключить поток газа-носителя.

17

18

Контрольные вопросы 1. Принципиальная схема, основные системы и узлы газового хроматографа. 2. Система подготовки газов. 3. Дозирующие устройства. 4. Система термостатирования. 5. Детекторы. Принцип действия и возможности детектора по теплопроводности. 6. Выбор тока моста катарометра. 7. Регистрация сигналов детекторов. 8. Порядок включения и выключения хроматографа.

9. Проверка хроматографа на герметичность и устранение негерметичности газовой схемы. 10. Устройство микрошприцов МШ-1 и МШ-10, правила работы с ними. Литература 1. Столяров В.В., Савинов И.М., Витенберг А.Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии. – Л.: Химия, 1988. – С. 10–142. 2. Вяхирев Д.В., Шушунова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 24–66. 3. Инструкция к хроматографу ЛХМ-8МД.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 Определение основных хроматографических характеристик разделяемых компонентов Цель и содержание работы. Познакомиться с основными параметрами процесса хроматографического разделения. Получить хроматограммы смесей и определить по ним абсолютные и относительные характеристики удерживания, критерий разделения, критерий селективности, относительную и абсолютную скорости перемещения зоны компонентов на данной колонке. Краткое теоретическое введение. Для определения параметров хроматографического разделения используют пики на хроматограмме (рис. 3). Если компонент не сорбируется, то в хроматографической колонке он удерживаться не будет и выйдет из нее со скоростью, равной скорости газа-носителя. Способность колонки к сорбции оценивается с помощью абсолютных и относительных характеристик удерживания, которые вычисляются из значений непосредственно измеряемых времен удерживания. Время от момента ввода пробы до появления максимума пика на хроматограмме называют временем удерживания и обозначают tR. Оно складывается из двух составляющих – времени пребывания веществ в подвижной фазе (tR0) и времени пребывания в неподвижной фазе (tR'): t R = t R0 + t R '

(3.1)

Значение tR0 фактически равно времени прохождения через хроматограф несорбируемого компонента. Значение tR зависит от природы вещества и сорбента, а также от плотности набивки колонки, поэтому даже на аналогичных колонках оно различается. Для характеристики истинной удерживающей способности колонки вводят исправленное время удерживания – tR': t R ' = t R − t R0 (3.2) 19

20

Исправленный удерживаемый объем VR ' равен: VR ' = VR − VR 0 = F ⋅ ( t R − t R 0 ) ,

(3.6)

В обычных хроматографических колонках сопротивление потоку значительное, и скорость газа-носителя вследствие его сжимаемости изменяется по длине колонки. Поэтому при точных измерениях (для идентификации и определения физико-химических констант) надо ввести поправку на сжимаемость газа-носителя. Ее определяют по формуле Джеймса и Мартина: fi =

3 ( P / P0 ) 2 − 1 , ⋅ 2 ( P / P0 ) 3 − 1

(3.7)

где P – давление газа на входе в колонку; P0 – давление на выходе из Рис. 3. Параметры хроматографического пика Если оборудование не позволяет измерить время удерживания непосредственно, на хроматограмме определяют расстояние удерживания lR – расстояние от момента ввода пробы до появления максимума соответствующего пика. Исправленное расстояние удерживания lR′ – расстояние от максимума пика несорбирующегося газа до максимума соответствующего пика – рассчитывают по формуле: lR′ = lR – lR0 (3.3) В случае измерения расстояний время удерживания определяют по формуле: l tR = R , (3.4) q где q – скорость движения диаграммной ленты в самописце. Удерживаемый объем VR – объем подвижной фазы (см3), прошедшей через колонку от момента ввода пробы до появления максимума пика: VR = t R ⋅ F , (3.5) где F – объемная скорость потока (см3/с или мл/мин). 21

колонки. Значение поправки можно не рассчитывать, а найти по таблицам. При точных измерениях необходимо привести объем пропущенного газа-носителя, измеренный при температуре на выходе из колонки (после ротаметра) TP , к температуре хроматографической колонки TK путем введения поправки: T f2 = K . (3.8) TP Истинный удерживаемый объем равен: VR N ' = ( t R − t R 0 ) ⋅ F ⋅ f1 ⋅ f 2 .

(3.9)

Удельный удерживаемый объем при температуре колонки получают делением истинного удерживаемого объема на массу адсорбента или НЖФ (неподвижной жидкой фазы) в колонке, г: (t R − t R 0 ) ⋅ F ⋅ f1 ⋅ f 2 Vg = . (3.10) g Удельный удерживаемый объем для последующего расчета коэффициента распределения приводят к 273°К по формуле: ( t R − t R 0 ) ⋅ F ⋅ f1 ⋅ f 2 273 VR ' 273 Vg0 = ⋅ = ⋅ , (3.11) g TK g TK 22

Физико-химической константой в газо-адсорбционной хроматографии является отношение удельного удерживаемого объема к удельной поверхности адсорбента: VS =

Vg0 S уд

,

(3.12)

Удельный удерживаемый объем связан с коэффициентом распределения: K Vg0 = , (3.13) с Коэффициент распределения рассчитывают по формуле: K=

Vg0

,

с

(3.14)

где ρ – плотность НЖФ. Для идентификации компонентов исследуемых смесей в хроматографии целесообразно использовать относительное время удерживания или относительный удерживаемый объем VR отн ' , определяемые по формулам: t R отн ' =

VR отн ' =

t Ri − t R0

=

t R ст − t R 0

VR i − VR 0 VR ст − VR 0

tR ' , t R ст '

=

VR i ' , VR ст '

(3.15) (3.16)

где tRi и tRст – измеренные времена удерживания i-го компонента и компонента, принятого за стандарт. Относительные параметры удерживания нашли широкое распространение в повседневной практике качественного анализа. Кроме того, их можно использовать для оценки селективности колонки. Для этого рассчитывают характеристики разделения. 23

Степень разделения (коэффициент разделения) двух соседних пиков на хроматограмме рассчитывают по формуле: t R ' VR ' α 2,1 = 2 = 2 , (3.17) t R1 ' VR1 ' где t R 2 ' и VR 2 ' – исправленные характеристики удерживания соединения 2 (сильнее удерживаемого в колонке), а t R 1 ' и VR 1 ' – исправленные характеристики удерживания соединения 1 (слабее удерживаемого в колонке). Поскольку в числитель ставят характеристику соединения, которое удерживается сильнее, степень разделения больше или равна 1. Чем больше отличие от 1, тем лучше разделяются вещества, если степень разделения равна или меньше 1, то вещества не разделяются. Критерий селективности (коэффициент селективности колонки) Кс рассчитывают по формуле: VR − VR 1 Г − Г1 Kc = 2 ≈2 2 (3.18) , Г 2 + Г1 VR 2 + VR 1 где Г2 и Г1 – общие коэффициенты Генри двух разделяемых соединений; VR2 и VR1 – удерживаемые объемы (неисправленные!) этих соединений. Одной из информативных характеристик разделения двух соседних пиков является величина разрешения RS , иногда ее называют обобщенным критерием разделения. Разделение считается полным, если RS > 1,5 . t R − t R1 l −l R S1 = 2 2 1 = 2 2 , (3.19) м1 + м2 м1 + м2 RS2 =

t R 2 − t R1 l2 − l1 = , µ 0,5 (1) + µ 0, 5( 2 ) µ 0 ,5(1) + µ 0,5 ( 2) R S2 = 0,848R S1 ,

(3.20) (3.21)

где μ1, μ2 – ширина пиков у основания, а μ0,5(1), μ0,5(2) – на середине высоты. 24

Коэффициенты распределения (в том числе коэффициенты Генри) используют в расчете скоростей движения компонентов через колонку. Зависимость скорости перемещения зоны компонента от параметров колонки в газо-жидкостной хроматографии определяется по уравнению: U=

US , VC + K ⋅ Vl

(3.22)

где U – средняя скорость перемещения зоны компонента; U S – средняя линейная скорость газа-носителя; VC – объем газовой фазы в колонке; Vl – объем НЖФ в колонке при данной температуре; K – коэффициент распределения. Объем НЖФ в колонке рассчитывают по формуле: g⋅C Vl = , (3.23) с ⋅100 где g – масса сорбента (носителя вместе с НЖФ); C – содержание НЖФ на носителе, % масс; ρ – плотность НЖФ. В газо-адсорбционной хроматографии зависимость скорости перемещения зоны определяется по уравнению: U=

US , VC + Г ⋅ Va

(3.24)

Важную роль в хроматографическом процессе играет еще один параметр колонки – коэффициент емкости (коэффициент извлечения) ki. Коэффициент емкости характеризует емкость удерживания колонки и показывает, во сколько раз вещество дольше находится в неподвижной фазе, чем в подвижной. Для вещества i коэффициент емкости определяют как отношение количеств этого вещества в неподвижной и подвижной фазах. Количество вещества в одной из фаз можно определить как произведение средней концентрации вещества в этой фазе ( c ) на ее объем. Отношение количеств вещества в неподвижной и подвижной фазах равно также отношению времени пребывания в неподвижной и подвижной фазах. Коэффициент емкости рассчитывают по формуле: ki =

ci , l ⋅ Vl ci ,C ⋅ VC

= Ki

Vl t ' = R , VC t R 0

(3.26)

где сi,l – концентрация компонента в НЖФ; ci,C – концентрация компонента в газе-носителе. Оптимальные значения ki лежат в пределах 1,5–4,0. Если ki мало, значит вещество плохо удерживается в колонке и продвигается по ней почти с той же скоростью, что и газ-носитель. Если же ki велико, то время пребывания вещества будет большим, и анализ потребует больше времени.

где Г – истинный коэффициент Генри; Va – объем адсорбента в ко-

Аппаратура и объекты хроматографирования

лонке. Остальные обозначения те же, что и в формуле (3.22.) Фактор запаздывания Rf – относительная скорость перемещения хроматографической зоны. Величина Rf всегда меньше 1. Она показывает, насколько медленнее движется через колонку данное соединение по сравнению с несорбируемым газом. Рассчитывается по формуле: tR VR 0 Rf = 0 = . (3.25) tR VR

• Газовый хроматограф серии ЛХМ-8МД с катарометром и ротаметром, возможно применение хроматографов других моделей. • Колонки из нержавеющей стали 2м × 3мм, заполненные сорбентом с НЖФ. • Микрошприцы МШ-1 и МШ-10, пипетки мерные емкостью 1, 5 и 10 мл, бюксы стеклянные с притертыми пробками – 2 штуки. • Объекты хроматографирования – искусственные смеси, составленные по выбору преподавателя из следующих компонентов:

25

26

Порядок выполнения работы 1. Работа выполняется на хроматографе ЛХМ-8МД. Используется приготовленная в ходе работы № 1 стальная насадочная колонка (2м × 3 мм), заполненная диатомитовым или полимерным носителем с нанесенной НЖФ (как правило, сквалан С30Н62, или ПЭГА – полиэтиленгликольадипинат [-CH2CH2-OCO-(CH2)4-COO-]n). Температуры колонки и испарителя рассчитывают в зависимости от состава смеси, при этом Тисп устанавливают на 50°С выше Ткип самого высококипящего компонента смеси, а Ткол приблизительно соответствует средней температуре кипения смеси. Ток детектора устанавливают в соответствии с инструкцией к прибору. Расход газа-носителя (гелий) – 2 л/час. До начала работы все рассчитанные студентом значения температур и тока моста обсуждаются с преподавателем. 2. Включают хроматограф в соответствии с инструкцией (работа № 2) и устанавливают заданный режим его работы. До выхода прибора на режим готовят в бюксе заданную преподавателем смесь компонентов. Через 30-40 мин после вывода хроматографа на режим включают самописец. После установления на диаграммной ленте стабильной нулевой линии при положении ручки переключения чувствительности в положениях 10 или 3 приступают к хроматографированию смеси. 3. Дозирование пробы осуществляется микрошприцем МШ-10, объем дозы ~2–3 мкл. Если во время прокалывания иглой микрошприца мембраны испарителя перо самописца автоматически не прописы27

вает начало анализа, немедленно после дозирования либо на несколько секунд перекройте пальцем выход газа-носителя из хроматографической колонки либо мягко толкните перо самописца рукой – проставьте стартовую отметку. Запишите на хроматограмме перед стартовой отметкой состав пробы, объем дозы и основные параметры анализа. Высота пиков должна достигать 70–85% ширины диаграммной ленты. Если регистрируются значительно меньшие или, наоборот, “зашкаленные” пики, измените соответствующим образом дозу или чувствительность регистрации. У каждого студента по итогам работы должно быть не менее трех воспроизводимых хроматограмм. 4. После получения комплекта хроматограмм выключают прибор, срезают диаграммную ленту и обрабатывают результаты по формулам, указанным выше. При этом на хроматограмме должны быть проставлены в соответствующих местах все измеряемые параметры: высота пика h, ширина пика у основания μ или ширина на половине высоты μ0,5, показатель шкалы регистрации (“Множитель”) при регистрации данного пика. Полученные данные представляют в виде таблицы. К отчету прилагают хроматограммы. Таблица 3.1 Основные хроматографические характеристики Компонент

смесь 1 – гексан, гептан, октан; смесь 2 – гептан, октан, нонан; смесь 3 – бензол, толуол, любой из алкилбензолов С8; смесь 4 – этанол, пропанол, бутанол. Искусственные смеси готовят в бюксе, дозируя компоненты с помощью мерной пипетки. Объемное соотношение компонентов приблизительно 1 : 1,5 : 2,0 (содержание возрастает по мере повышения температуры кипения компонента).

tR 0

tR

t R1 '

VR

VR '

VRN'

Vg

1

28

Vg0

VRотн'

K

KC

R S1

RS

2

α1,2 k

Контрольные вопросы 1. Параметры удерживания – первичные, исправленные и приведенные, абсолютные и относительные. 2. Критерии разделения и их связь с эффективностью и селективностью. 3. Коэффициент распределения, его определение методом ГЖХ. 4. Хроматограмма как источник сведений о качественном и количественном составе пробы. Основные обозначения на хроматограмме. 5. Теория равновесной хроматографии. Влияние различных факторов на хроматографическое разделение веществ. Литература 1. Руководство по газовой хроматографии / Под ред. Э. Лейбница, Х.Г. Штруппе. – М.: Мир, 1987. – Ч. 1. – С. 46–97. 2. Айвазов Б.В. Практическое руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 37–83. 3. Сакодынский К.И., Бражников В.И. и др. Аналитическая хроматография. – М.: Химия, 1993. – С. 46–59, 85–89. 4. Вяхирев Д.В., Шушунова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 79–89, 328–331.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 Влияние скорости газа-носителя на эффективность колонки. Выбор оптимальной скорости газа-носителя Цель и содержание работы. Ознакомиться с применением теории тарелок и диффузионно-кинетической теории для оптимизации условий хроматографического разделения. Определить эффективность насадочной колонки при разных скоростях газа-носителя. Рассчитать число теоретических тарелок. Выбрать оптимальную скорость газаносителя. Краткое теоретическое введение. Эффективность колонки характеризуется числом теоретических тарелок и высотой, эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ). Число теоретических тарелок, обозначаемое как n, является основной характеристикой. В некоторых случаях применяют дополнительные характеристики: число эффективных теоретических тарелок N и реальное число теоретических тарелок N реал для каждого компонента. 2

2

2

 l   t  V  n = 5,545 ⋅  R  = 5,545 ⋅  R  = 5,545 ⋅  R  ,  м0.5   ф0.5   щ0.5  l n = 16 ⋅  R м При этом

2

2

(4.1)

2

 V  t   = 16 ⋅  R  = 16 ⋅  R  .  ф  щ 

(4.2)

ф=

м , q

(4.3)

ω=

ф⋅ F м ⋅ F = , 60 60 ⋅ q

(4.4)

где μ и μ0,5 соответственно ширина пика у основания и на середине высоты; τ и ω – эти же значения, измеренные в единицах времени (с) или объема газа (см3) соответственно; q – скорость движения диаграммной ленты (см/с); F – расход газа-носителя на выходе из колонки (измеренный при рабочей температуре колонки, см3/с). Для учета 29

30

влияния сорбционной емкости колонки рассчитывают число эффективных теоретических тарелок N: 2

 l '  t ' N = 5,545 ⋅  R  = 5,545 ⋅  R  м  ф   0 ,5   0 ,5  2

2

(4.5)

2

 l '  t ' N = 16 ⋅  R  = 16 ⋅  R  .  ф  м

(4.6)

Число эффективных теоретических тарелок связано с числом теоретических тарелок соотношением: 2

 k  N = n ⋅ (4.7)  ,  k +1 где k – коэффициент емкости. Если k >> 1, n ≈ N . Это условие обычно выполняется для насадочных колонок, благодаря чему их эффективность можно оценивать числом теоретических тарелок. Эффективность капиллярных колонок оценивается числом эффективных теоретических тарелок. Реальное число теоретических тарелок рассчитывают по формуле: 2

N реал

 t R '  = 5,545 ⋅  ,  ф − ф0   0 ,5 0 ,5 

(4.8)

где τ00 ,5 – ширина пика несорбирущегося компонента. Помните, что параметры в числителе и знаменателе должны иметь одинаковую размерность, а воздух вводят вместе с пробой. В противном случае Nреал рассчитать нельзя. Для характеристики разделительной способности хроматографической колонки используют также число разделений SN: t −t SN = R ( z +1) R (z ) − 1 . (4.9) м0,5(z +1) + м0 ,5(z )

31

Поскольку это число намного больше 1, его обычно записывают проще: t R ( z +1) − t R (z) , (4.10) SN = м0,5(z +1) + м0,5(z) где tR(z+1) и tR(z) – время удерживания двух соседних членов данного гомологического ряда. Число разделений показывает, сколько разделенных хроматографических пиков можно получить между хроматографическими пиками двух соседних членов гомологического ряда. Высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ), рассчитывается по формуле: L (4.11) H= , n где L – длина колонки. Используется также высота, эквивалентная эффективной теоретической тарелке: L H эфф = . (4.12) N Величины N и Hэфф обычно применяют в капиллярной хроматографии, а для насадочных колонок определяют n и H. Высота теоретической тарелки зависит от многих параметров опыта, но особенно от скорости газа-носителя. Зависимость эффективности колонки от линейной скорости газа-носителя u описывается уравнением Ван-Деемтера (4.13.). График этой зависимости представляет собой гиперболу (рис. 4): H=A+

B + Cu . u

32

(4.13)

Порядок выполнения работы

Рис. 4. Кривая Ван-Деемтера В этом уравнении коэффициент A отражает вклад вихревой диффузии и определяется из соотношения: А = 2λdз , (4.14) где dз – диаметр зерна сорбента; λ – коэффициент неоднородности насадки (зависит от равномерности заполнения колонки). Коэффициент B учитывает вклад продольной молекулярной диффузии: B = 2γDмол , (4.15) где γ – коэффициент извилистости (лабиринтовый коэффициент), учитывающий различие между реальной средней длиной пробега молекул в заполненной и пустой колонке; Dмол – коэффициент молекулярной диффузии сорбата в газовой фазе. Коэффициент C учитывает вклад внутридиффузионной массопередачи (учитывает сопротивление массообмену в жидкой фазе): C=

8 k у2 ⋅ ⋅ , р 2 (1 + k ) 2 D ж

1. Работа выполняется на хроматографе ЛХМ-8МД с детектором по теплопроводности. Используется та же колонка и то же оборудование, что и в лабораторной работе № 3. 2. Включают хроматограф в соответствии с инструкцией, проверяют схему на герметичность и устанавливают заданный преподавателем режим работы. До выхода прибора на режим готовят в бюксе указанную преподавателем смесь компонентов. Через 30–40 мин после выхода на режим включают самописец. После установления стабильной нулевой линии при положении тумблера переключателя чувствительности 3 или 10 приступают к хроматографированию смеси. 3. Хроматограммы снимают при различных скоростях газаносителя, начиная с наибольшей – 3 л/ч. Постепеннно уменьшают скорость (2,5; 2,0; 1,5 и 1 л/ч). При каждом значении скорости необходимо получить 3 хроматограммы с воспроизводимыми характеристиками, например, высотой пиков. При этом для определения времени удерживания несорбирующегося газа необходимо при каждом значении расхода газа-носителя либо иметь на хроматограмме пик воздуха, либо завести его специально. Не забывайте в каждом случае проставлять стартовую отметку, т. е. момент ввода пробы. 4. На хроматограммах измеряют расстояния удерживания (lR, lR0), времена удерживания (tR, tR0, tR′), ширину (μ) и полуширину (μ0,5) пиков. Если ширина пика менее 10 мм, ее следует определять с помощью измерителя, имеющего точность до 0,1 мм (измерительная лупа). Необходимо также учитывать толщину одной из линий контура пика (фронта или тыла) (рис. 5).

(4.16)

где k – коэффициент емкости; σ – толщина пленки НЖФ на твердом носителе; Dж – коэффициент диффузии в НЖФ. 33

34

где S – площадь поперечного сечения колонки (см2). Константы A, B и C из уравнения Ван-Деемтера рассчитывают методом наименьших квадратов на основе рассчитанных H и u, решая систему уравнений с тремя неизвестными. Константы приближенно могут быть определены на графике при измерении соответствующих отрезков (см. рис. 4, рис. 6). Отрезок, отсекаемый прямой H = A + Cu, дает значение независимой от скорости константы A. A ≈ [cd] (рис. 6). Член уравнения B/u определяется длиной отрезка, заключенного между всей кривой H = f(u) и прямой H = A + Cu. Этот член возрастает с уменьшением скорости. B/u = [a1b1], отсюда B = [a1b1] · u. Член уравнения Cu определяется длиной отрезка, заключенного между прямой, описываемой уравнением H = A + Cu, и прямой H = A, параллельной оси абсцисс. Cu = [c3b3], следовательно, C = [c3b3]/u. Рис. 5. Измерение высоты и полуширины хроматографического пика 5. По полученным данным рассчитывают число теоретических тарелок n, число эффективных теоретических тарелок N и реальное число теоретических тарелок Nреал для каждого компонента, а также число разделений SN (см. уравнения 4.1 – 4.10). 6. По результатам определения n рассчитывают H (ВЭТТ) для каждого компонента пробы (см. уравнение 4.11). 7. Выбор оптимальной скорости газа-носителя проводят следующим образом. Для каждого анализируемого компонента строят график зависимости H (u ) (кривая Ван-Деемтера – зависимость ВЭТТ от линейной скорости газа-носителя). Минимум величины H на графиках соответствует оптимальной скорости газа-носителя (см. рис. 4). Для построения кривых необходимо измеренную ротаметром объемную скорость газа-носителя F (см3/с) перевести в линейную скорость u (см/с) по формуле: F u= , (4.17) 60 S

8. Зная константы уравнения Ван-Деемтера, можно рассчитать оптимальную скорость газа-носителя, т.к. графическое определение не всегда получается достаточно точным. Оптимальная линейная скорость газа-носителя определяется по уравнению:

35

36

Рис. 6. Графическое определение констант уравнения Ван-Деемтера

u opt = B / C .

(4.18)

9. Минимальная высота, эквивалентная теоретической тарелке, т.е. наивысшая эффективность колонки: H min = A + 2 BC .

(4.19)

10. Полученные результаты следует занести в табл. 4.1. и 4.2., сравнить между собой и объяснить их различие для разных компонентов пробы. Таблица 4.1 Результаты измерений и расчетов № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Показатели Объемная скорость газа-носителя Линейная скорость газа-носителя Расстояние удерживания воздуха Расстояние удерживания Исправленное расстояние удерживания Время удерживания воздуха Время удерживания (измеренное) Исправленное время удерживания Ширина пика на середине высоты Ширина пика на середине высоты Число теоретических тарелок Число эффективных т.т. Реальное число т.т. Число разделения ВЭТТ Коэффициенты уравнения ВанДеемтера

Оптимальная скорость газаносителя 18 Минимальная ВЭТТ 17

37

Ед. изм. л/ч см/с cм cм

Обозначение F U lR0 lR

cм

lR′

c c c cм c — — — — cм — — —

tR0 tR tR′ μ0,5 τ0,5 n N N реал SN H A B C

cм/с

uopt

см

Hmin

Компоненты 1 2 3

Таблица 4.2 Зависимость числа теоретических тарелок и ВЭТТ от скорости газа-носителя Компонент

u, см/с

lR, см

μ0,5, см

n

H, см

Контрольные вопросы 1. Теория теоретических тарелок. 2. Диффузионно-массообменная теория. 3. Основные параметры, характеризующие эффективность колонки: число теоретических тарелок, число эффективных тарелок, реальное число теоретических тарелок, высота, эквивалентная теоретической тарелке, число разделений. 4. Выбор оптимальной скорости газа-носителя на основе уравнения Ван-Деемтера. Литература 1. Сакодынский К.И., Бражников В.И. и др. Аналитическая хроматография. – М.: Химия, 1993. – С. 59–73. 2. Руководство по газовой хроматографии / Под ред. Э. Лейбница, Х.Г Штруппе. – М.: Мир, 1987. – Ч. 1. – С. 46–64, 93–96. 3. Вяхирев Д.В., Шушунова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 110–116.

38

Цель и содержание работы. Научиться определять индексы Ковача и применять их в качественном хроматографическом анализе сложных смесей. В ходе работы надо получить в изотермическом режиме хроматограмму реальной многокомпонентной смеси – прямогонной бензиновой фракции с пределами выкипания 60–170°С или бензина каталитического риформинга. Рассчитать для каждого компонента индексы Ковача на основании значений времен удерживания. Провести индивидуальную идентификацию компонентов бензина по табличным значениям индексов Ковача. Краткое теоретическое введение. В современной газовой хроматографии существует несколько способов индивидуальной идентификации компонентов сложных смесей. Основным способом является использование характеристик удерживания. На практике относительные характеристики предпочтительнее абсолютных, т.к. они не зависят от количества НЖФ в колонке и мало зависят от температуры. В качестве первичных и непосредственно измеряемых параметров обычно используют времена удерживания, по которым затем рассчитывают исправленный удерживаемый объем, относительное время удерживания, индексы удерживания или другие качественные характеристики компонентов хроматографируемой пробы в данных условиях разделения. Качественный анализ основан на сопоставлении этих величин с их эталонными значениями, найденными в тех же условиях при вводе в хроматограф индивидуальных веществ (предполагаемых компонентов пробы), или с известными для индивидуальных веществ табличными значениями тех же характеристик. При этом возможны различные приемы: идентификация по относительному удерживаемому объему (VRотн′); по индексам удерживания; по зависимости логарифма

удерживаемого объема от температуры кипения и др. Для получения достоверных результатов качественного анализа недостаточно применить единственный прием; желательно сочетание различных приемов, связанных с оценкой характеристик удерживания (в том числе повторение анализа на разных колонках или при разных температурах), и, кроме того, применение других способов, не связанных с удерживанием компонентов. В частности, для повышения надежности идентификации можно регистрировать спектры компонентов пробы в момент их выхода из колонки, а затем сопоставлять их с эталонными спектрами чистых веществ. Однако аппаратурное оформление соответствующих гибридных методов достаточно сложно, приборы (например хроматомасс-спектрометры) имеют слишком высокую стоимость. Эксплуатируются они в крупных аналитических центрах либо при решении неординарных задач. Используют также специфическое детектирование отдельных соединений, сопоставляют хроматограммы до обработки пробы какими-либо реагентами и после нее и т.п. Рассматриваемый в настоящей работе метод идентификации по логарифмическим индексам удерживания (индексам Ковача) широко применяется в аналитической практике. Надежность метода может быть значительно повышена благодаря получению и исследованию «хроматографического спектра», то есть серии хроматограмм одной пробы на неподвижных жидких фазах различной полярности. По полученным хроматограммам находят индексы Ковача, рассчитывают гомоморфный фактор, проверяют корреляцию индексов удерживания со строением молекул (числом углеродных атомов в молекулах гомологов) или физико-химическими свойствами соответствующих соединений (температурами кипения, молекулярными массами и т. д.). Введенный Ковачем индекс удерживания I характеризует удерживание вещества x в колонке определенной НЖФ при температуре t°C относительно двух н-алканов с числом углеродных атомов n и n+1. Рассчитывается путем линейной интерполяции логарифмов ис-

39

40

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 Определение качественного состава бензина по индексам Ковача

правленных параметров удерживания ( t R1 ' , VR1 ' ). Индексы можно определять графически или по формуле:  lg (t R(x) − t R 0 ) − lg (t R(n) − t R 0 )   lg t' R(x) − lg t'R(n)  I x = 100 ⋅  + n  = 100 ⋅  + n lg t' − lg t' lg (t − t ) − lg (t − t ) R(n +1) R(n)  R(n +1) R0 R(n) R0   

(5.1)

где tR(n) и tR(n+1) – времена удерживания н-алканов с числом углеродных атомов n и n+1; t′R(n) и t′R(n+1) – исправленные времена удерживания этих же алканов; tR0 – время удерживания несорбирующегося компонента; tR(x) и t′R(x) соответственно измеренное и исправленное время удерживания компонента Х. При этом должно соблюдаться условие: (5.2) t ' R ( n ) ≤ t ' R ( x ) ≤ t ' R ( n +1) . Индексы удерживания н-алканов равны числу углеродных атомов, умноженному на 100. Нулевое значение индекса приписывается водороду – гипотетическому углеводороду с нулевым числом атомов углерода. Таким образом, для метана логарифмический индекс удерживания равен 100, для этана – 200, для пропана – 300, для н-бутана – 400 и т.д. Если время удерживания анализируемого вещества будет зафиксировано между временем удерживания, например н-бутана и н-пентана, то логарифмический индекс удерживания будет иметь промежуточное значение между 400 и 500. Величину tR0 – время удерживания несорбирующегося компонента – при работе с катарометром замеряют по пику воздуха, при работе с ДИПом – либо по метану, либо рассчитывают по формуле: t R0 =

t R (1) ⋅ t R (3) − t 2R ( 2 ) t R (1) + t R (3) − 2 t R ( 2 )

(5.4)

где tR(1), tR(2) и tR(3) – времена удерживания трех последовательных гомологов н-алканов. По более простым формулам рассчитывают линейные индексы удерживания, введенные в хроматографический анализ М.С. Вигдергаузом: 41

Jx =

t R (x ) − t R (n) t R ( n +1) − t R ( n )

+n.

(5.3)

В этом случае индекс удерживания метана равен 1, этана – 2, пропана – 3 и т.д. При расчете линейных индексов удерживания, как и при расчете логарифмических, н-алканы всегда подбирают так, чтобы пик проверяемого компонента на хроматограмме находился между пиками соседних алканов. Величина индекса удерживания данного вещества на определенной НЖФ при определенной температуре колонки практически не зависит от концентрации и хорошо воспроизводима. Табличные значения индексов для многих органических веществ на различных НЖФ опубликованы в научно-технической литературе, включены в справочники и базы данных. В частности, можно использовать работу [2]. Порядок выполнения работы 1. В работе используется та же аппаратура и оборудование, что и в работах № 3-4. Включают хроматограф в соответствии с инструкцией, проверяют на герметичность и устанавливают заданный режим работы: температуру термостата устанавливают 90°С, испарителя на 50°С выше температуры кипения анализируемой смеси (175–200 °С), расход газа-носителя – по оптимальному значению, установленному в лабораторной работе № 4, ток моста – в соответствии с инструкцией к хроматографу. 2. Через 30–40 мин после выхода прибора на режим включают самописец и тумблер “Диаграммная лента”. После установления стабильной нулевой линии приступают к хроматографическому анализу бензина. Объем пробы ~ 3 мкл. Не забывайте при каждом вводе пробы проставлять стартовую отметку мгновенным прерыванием потока газа-носителя на выходе из колонки, или пером самописца, или ручкой. 3. Снимают две хроматограммы бензина. Поскольку содержания компонентов в бензине варьируют в широком диапазоне концен42

траций, для получения качественной хроматограммы следует в ходе ее записи пользоваться ручкой “Множитель” (переключатель чувствительности), выставляя масштаб в положениях от 100 до 1. Обязательно следует завести воздух и отметить tR0. Примерная (образцовая) хроматограмма бензина приведена на рис. 7. 4. На той же колонке, при тех же условиях и в тот же день снимают хроматограмму смеси н-алканов С5-С10 (с воздухом). 5. Сопоставлением хроматограмм бензина и искусственной смеси опознают в бензине пики н-алканов С5-С10 и приписывают им индексы удерживания, равные числу атомов углерода, умноженному на 100. 6. По хроматограммам бензина рассчитывают значения tR и tR' для других пиков (кроме н-алканов) и вычисляют для этих пиков значения логарифмических индексов Ковача по формуле (5.1).

Таблица 5.1 Результаты анализа и расчетов № пиков

tR

t R′

Индексы Ковача Расчетные, Ip Табличные, IТ

Предполагаемые компоненты

ΔI = IP – IT

1

Контрольные вопросы 1. Идентификация органических соединений хроматографическими методами. 2. Индексы удерживания, их виды и значение в хроматографическом анализе. 3. Зависимость индексов удерживания от различных факторов (в т.ч. от температуры). 4. Гомоморфный фактор и его значение при идентификации по индексам Ковача. 5. Надежность идентификации по индексам Ковача и способы ее повышения.

7. Результаты расчетов сравнивают с табличными данными. По измеренным значениям индексов Ковача производят идентификацию компонентов в предлагаемой смеси. Результаты заносят в табл. 5.1.

Литература 1. Руководство по газовой хроматографии / Под ред. Э. Лейбница, Х.Г. Штруппе. – М.: Мир, 1987. – Ч. 2. – С. 228–245. 2. Король А.Н. Неподвижная фаза в газо-жидкостной хроматографии. Киев: Наукова думка, 1985. 3. Вигдергауз М.С. Расчеты в газовой хроматографии. – М.: Химия, 1978. – С. 13–19. 4. Айвазов Б.В. Практическое руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 161–189. 5. Столяров В.В., Савинов И.М. Витенберг А.Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии. – Л.: Химия, 1988. – С. 10-142. 6. Вяхирев Д.В., Шушунова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 214-224.

43

44

Рис. 7. Хроматограмма бензина: 1–3 – метилпентан; 2 – бензол; 3 – изооктан; 4 – толуол; 5 – этилбензол; 6 – м- и п-ксилолы; 7 – о-ксилол; 8 – 1,2,4 – триметилбензол;9 – нафталин

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 Определение количественного состава смеси методом внутренней нормализации Цель и содержание работы. Научиться проводить количественный анализ многокомпонентных смесей методом внутренней нормализации. В ходе работы необходимо: получить хроматограммы модельных смесей известного состава, определить по ним поправочные коэффициенты индивидуальных соединений (учет чувствительности детектора), определить состав пробы с применением различных хроматографических параметров, сопоставить точность разных вариантов расчета. В работе используется то же оборудование, что и в работе № 5. Объекты хроматографирования – искусственные смеси, содержащие бензол, толуол, этилбензол, о-, м- и п-ксилолы, н-гексан, н-гептан, ноктан, н-нонан, н-декан, этанол, пропанол, бутанол и др, а также проба известного качественного, но неизвестного количественного состава. Краткое теоретическое введение. Предполагается, что содержание компонента в смеси при прочих равных условиях равно отношению сигнала этого компонента к сумме сигналов всех компонентов. Объем пробы, вводимой в хроматограф, в этом случае не имеет значения, т.е. точная дозировка пробы в данном методе не требуется. Метод внутренней нормализации широко применяется в хроматографическом анализе многокомпонентных смесей; обычно им пользуются, если требуется узнать полный состав смеси. При определении единичных компонентов пробы лучше использовать другие методы количественного анализа (внутреннего стандарта, абсолютной калибровки, добавок и т.п.). Метод внутренней нормализации дает правильные результаты только при выполнении определенных условий: • проба полностью испаряется в дозирующем устройстве; • все компоненты пробы полностью элюируются из разделительной колонки; 45

• все компоненты регистрируются детектором; • пики на хроматограмме хорошо разрешены; • все компоненты пробы заранее идентифицированы, то есть известно, какому соединению соответствует каждый пик на хроматограмме; • для всех компонентов известны специфические поправочные коэффициенты, учитывающие различную чувствительность детектора к разным веществам, • сигнал детектора линеен во всем диапазоне концентраций компонентов. Основным параметром хроматографического пика, функционально связанным с массой определяемого компонента, является площадь пика S. Поскольку точные определения площадей пиков не всегда возможны, вместо площадей можно использовать другие величины, пропорциональные массе компонента, но легче измеряемые. Например, если пики на хроматограмме имеют одинаковую ширину, вместо площадей в количественном анализе можно применять высоты пиков h. Анализируя смеси однотипных соединений, для которых эффективность колонки одинакова, можно применять в качестве сигнала произведения высот на время удерживания соответствующего компонента, т.е. пользоваться параметром h · tR. Использование названных параметров при количественных расчетах основывается на имеющих место (при условии линейной работы детектора) градуировочных зависимостях. Для каждого пика: (6.1) S = K ⋅q , h = K '⋅C max ,

(6.2)

N ⋅q . (6.3) 2р Здесь K , K ' и K" – коэффициенты, учитывающие относительную чувствительность детектора к i-ому определяемому веществу, h ⋅ t R = K"⋅

46

степень ослабления или усиления сигнала детектора в ходе регистрации i-ого пика, а также условия анализа и объем пробы, введенной в хроматограф. Теоретически эти коэффициенты не должны зависеть от содержания компонента в пробе и наличия других компонентов. Другие обозначения: q – масса определяемого вещества; N – число теоретических тарелок, определяемое по i-ому пику; Cmax – максимальная концентрация вещества в хроматографической зоне на выходе из колонки. На практике выбор одного из перечисленных параметров определяется наличием специальных интеграторов или компьютерных программ для обработки хроматограмм; качественным составом пробы; требованиями к точности и быстроте получения результатов анализа; свойствами детектора; формой (широкий, узкий) и степенью асимметрии пиков на хроматограмме; эффективностью используемой колонки, стабильностью условий разделения (температура колонки и скорость газа-носителя) и др. Традиционный вариант метода предусматривает следующие операции: выбор параметра (S, h, или h · tR), измерение выбранного параметра для всех зарегистрированных пиков, приведение полученных данных к единому масштабу регистрации и единой чувствительности детектора (при этом может потребоваться определение коэффициентов чувствительности), суммирование «исправленных» параметров, расчет содержания компонентов. Содержание i-ого компонента в анализируемой пробе (% масс.) находят по формуле: f ⋅P ⋅K (6.4) Ci = n i i i ⋅ 100 ∑ f i ⋅ Pi ⋅ K i

детектора к разным компонентам пробы. Если во время записи хроматограммы масштаб регистрации не менялся, а числитель и знаменатель дроби в формуле (6.4) можно сократить на величину fi , тогда расчет упрощается. В расчетах можно использовать табличные значения Ki , однако это следует делать с осторожностью. Поправочные коэффициенты могут сильно зависеть от конструктивных особенностей и режима эксплуатации детектора и хроматографа в целом, от состава градуировочных смесей, степени разделения компонентов и выбранного для проведения расчетов параметра хроматографического пика. Более точные результаты анализа можно получить, если определить значения Ki экспериментально, на данном приборе и в данных условиях разделения. Для этого готовят модельные смеси с известным содержанием всех компонентов, хроматографируют их и измеряют параметры соответствующих пиков (при одинаковом масштабе регистрации). Для одного из компонентов пробы (стандартного соединения) принимают поправочный коэффициент равным единице (Kст = 1,0). Коэффициенты других веществ рассчитывают по формуле: cP K i = i ст , (6.5) c ст Pi где ci и cст – концентрации компонентов в модельной смеси. Они могут быть выражены не только в процентах по массе, но и в процентах по объему или в моль/литр, важно, чтобы в числителе и знаменателе была одинаковая размерность. Порядок выполнения работы

где Pi – параметр хроматографического пика (площадь, высота или произведение высоты пика на его время удерживания); fi – коэффициент для приведения к единому масштабу регистрации; Ki – поправочные коэффициенты, зависящие от относительной чувствительности

1. Включают хроматограф в соответствии с инструкцией, проверяют на герметичность и устанавливают заданный режим работы: расход газа-носителя 1,5–2 л/ч (по оптимальному значению, определенному в лабораторной работе № 4), ток моста катарометра ~ 120 µА, множитель шкалы регистрации в зависимости от состава смеси и величины пробы берут в пределах от 1 до 100. Температура термостата коло-

47

48

i =1

нок, детектора и испарителя устанавливается в зависимости от состава смеси. 2. До выхода прибора на режим готовят в бюксе модельную смесь углеводородов или спиртов. Качественный состав смеси указывается преподавателем. Навески индивидуальных соединений берут на аналитических весах с точностью до ±0,0002 г и смешивают в бюксах с плотно притертой крышкой, чтобы предотвратить потери от испарения. Рассчитывают процентный состав смеси. 3. После выхода прибора на режим включают самописец. Убедившись в устойчивости нулевой линии, приступают к записи хроматограмм приготовленной модельной смеси. 4. Одну и ту же смесь хроматографируют не менее трех раз. Если потребуется, изменяйте с помощью переключателя «Множитель» масштаб регистрации сигнала детектора таким образом, чтобы записывались пики с высотой 50–70% шкалы самописца. Можно менять и объем пробы, вводимой в хроматограф. На хроматограммах не должно быть зашкаленных и не полностью разделенных пиков, необходимо отмечать момент ввода пробы. 5. Срезают диаграммную ленту с записанными хроматограммами модельных смесей, на хроматограммах 1,2 и 3 измеряют параметры хроматографических пиков А, В, С …, приводят их к единому масштабу регистрации и записывают данные в табл. 6.1. 6. Поправочные коэффициенты Ki рассчитывают по формуле (6.5). При выполнении данной лабораторной работы для унификации расчетов в качестве стандартного соединения выбирают компонент смеси, элюируемый из колонки первым. Найденные значения Ki заносят в табл. 6.1. 7. Проводят статистическую обработку полученных результатов с использованием компьютерных программ “Static”, усредняя данные для каждого пика по разным хроматограммам и находя соответствую-

щие доверительные интервалы. Результаты обработки также заносят в табл. 6.1. 8. Хроматографируют по той же методике контрольную смесь с неизвестным количественным составом. Она имеет тот же качественный состав, что и смеси, использованные для определения поправочных коэффициентов. Получают не менее трех воспроизводимых хроматограмм контрольной смеси. 9. Измеряют количественные параметры пиков на хроматограммах контрольной смеси, приводят их к единому масштабу регистрации и представляют в табличной форме (табл. 6.2). 10. Рассчитывают количественный состав контрольной смеси по формуле (6.4) с учетом и без учета поправочных коэффициентов. Результаты анализа заносят в таблицы и статистически обрабатывают их. 11. Правильность результатов анализа характеризуют абсолютной и относительной погрешностями. Результаты заносят в табл. 6.3.

49

50

Таблица 6.1 Расчет поправочных коэффициентов №

Параметры пика

1 2 3 4 5

Высота пика, h, см Полуширина пика, μ0,5, см Время удерживания, tR Площадь пика, S Параметр (h · tR) Коэффициент приведения к единому масштабу регистрации, f i Исправленное значение S или h · tR Содержание, % по массе Средние значения Ki

6 7 8 9

1

А 2

3

1

B 2

3

Таблица 6.2 Характеристики пиков на хроматограммах пробы. Результаты анализа № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Результаты измерений и расчетов

1

А 2

3

B 2

1

3

Высота пика, h, см Полуширина пика, μ0,5, см Площадь пика, S, см2 Коэффициент приведения к единому масштабу регистрации, f i Найдено ci, % без учета Ki Найдено ci, % с учетом Ki Время удерживания, tR Параметр h · tR Найдено ci, % – без учета Ki Найдено ci, % – с учетом Ki

Контрольные вопросы 1. Метод внутренней нормализации, его достоинства и недостатки. 2. Ограничения в использовании метода. 3. Параметры хроматографического пика, связанные с массой определяемого компонента. 4. Учет чувствительности детектора при расчете результатов анализа. Факторы, влияющие на чувствительность концентрационного и потокового детекторов. 5. Точность результатов анализа и их метрологическая оценка.

В строках 5,6 записываются результаты, полученные с использованием параметра S, в строках 9,10 – с использованием параметра h · tR.

12. Если поправочные коэффициенты и результаты анализа получены двумя способами: по параметру S и по параметру h · tR, то необходимо сопоставить полученные данные и сделать вывод, какой параметр в данном случае позволяет получить лучшие статистические характеристики воспроизводимости и правильности результатов анализа. Таблица 6.3 Статистическая обработка результатов анализа Компоненты

Найдено Интервал Ссредн , % (n = 3, P = 0,95)

Коэффициент вариации, %

Расчет по параметру S A B Расчет по параметру h · tR A B

51

Заполняя табл. 6.3, абсолютную погрешность по каждому из компонентов пробы рассчитывают как разность между найденным (средним) содержанием компонента и истинным его содержанием, т.е. ∆ = С – µ. Относительную погрешность определяют как (∆/µ) 100%. В обоих случаях указывается знак погрешности.

Содержание µ, %

Погрешности абс.

отн.

Литература 1. Сакодынский К.И., Бражников В.И. и др. Аналитическая хроматография. – М.: Химия, 1993. – С. 374–442. 2. Руководство по газовой хроматографии / Под ред. Э. Лейбница, Х.Г. Штруппе. – М.: Мир, 1987. – Ч. 1. – С. 32–63. 3. Айвазов Б.В. Практическое руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 129–137. 4. Вяхирев Д.В., Шушунова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 228–239. 5. Столяров В.В., Савинов И.М. Витенберг А.Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии. – Л.: Химия, 1988. – С. 211–248. 6. Вершинин В.И. Лекции по планированию и математической обработке результатов химического эксперимента. – Омск: ОмГУ, 1999. – С. 43–47, 63–71, 130–137. 52

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 Определение содержания компонента методом абсолютной калибровки Цель и содержание работы. Научиться проводить количественный анализ многокомпонентных смесей методом абсолютной калибровки с применением калибровочных коэффициентов. В ходе работы необходимо: получить хроматограммы модельных смесей известного состава, определить по ним калибровочные коэффициенты 1–2 индивидуальных соединений (по указанию преподавателя), рассчитать содержание этих соединений в контрольной пробе, сопоставить точность разных вариантов расчета (с применением различных параметров пиков). Объекты хроматографирования и оборудование – те же, что и в лабораторной работе № 6. Краткое теоретическое введение. Метод абсолютной калибровки заключается в использовании зависимости одного из параметров хроматографического пика (высоты, площади или произведения высоты на время удерживания) от массы соответствующего вещества в пробе, введенной в хроматограф. В рамках метода абсолютной калибровки возможны разные варианты расчета: а) с помощью пропорций (сравнение с одним эталоном); б) по градуировочному графику; в) по уравнению градуировочного графика, рассчитанного методом наименьших квадратов; г) с применением калибровочных коэффициентов. Хроматографисты обычно используют последний вариант. Он включает следующие операции: а) приготовление модельных смесей с известным содержанием определяемого компонента (можно обойтись одной смесью); б) получение серии хроматограмм модельных смесей и измерение параметра пика определяемого компонента; в) расчет усредненных коэффициентов по формуле: q Ki = i , (7.1) Ri где Ki – калибровочный коэффициент; qi – масса i-го компонента; 53

R – параметр пика (площадь, высота или произведение высоты на время удерживания). На последней стадии (г) рассчитывают содержание компонентов в пробах неизвестного состава. Содержание i-го компонента находят по формуле: q κ ⋅R Ci = i ⋅ 100% = i i ⋅ 100% , (7.2) Q Q где Q – масса пробы, введенная в колонку; κi – усредненное значение соответствующего коэффициента. Подразумевается, что масштаб регистрации сигнала детектора такой же, как и при нахождении коэффициентов. Условия хроматографирования при калибровке прибора и при определении содержания интересующего вещества должны быть идентичными. Особенно жестко это условие должно выдерживаться при калибровке по высотам пиков. Расчет с помощью коэффициентов можно применять лишь в тех случаях, когда детектор работает в линейном диапазоне. Если зависимость параметра R от массы компонента нелинейна, следует строить градуировочный график. При линейном отклике детектора рассчитывать концентрации по градуировочному графику не рекомендуется, такой вариант на практике дает несколько худшую точность анализа, чем расчет с применением калибровочных коэффициентов. Метод абсолютной калибровки требует точного дозирования пробы в испаритель хроматографа. Воспроизводимость и правильность результатов анализа зависят от тщательности приготовления эталонных смесей и от постоянства режима работы хроматографической аппаратуры. Поскольку чувствительность детектора к различным веществам неодинакова, для точных количественных определений необходимо нахождение калибровочных коэффициентов для каждого индивидуального вещества. При переходе к другим условиям детектирования или даже к другим условиям разделения смеси коэффициенты придется определять заново. Таким образом, недостатком метода абсолютной 54

калибровки является длительность предварительной подготовки к выполнению анализов. Поэтому метод используется в основном в тех случаях, когда проводятся серийные анализы однотипных проб по неизменной методике, причем надо определять не все, а лишь некоторые компоненты пробы. Примеры: хроматографическое определение нормируемых микропримесей (токсиканты) в рутинном анализе объектов окружающей среды, или хроматографический контроль технологических процессов, когда постоянно требуется определять содержание немногих веществ (целевого продукта и других реагентов).

1. Включают хроматограф в соответствии с инструкцией, как описано в п. 1–3 предыдущей лабораторной работы. Получают у преподавателя условия задачи. Далее в качестве примера будет описана методика определения бензола и толуола в смеси ароматических углеводородов (бензол, толуол, этилбензол, о-, м- и п-ксилолы). 2. Определение калибровочных коэффициентов. Если необходимо определить два компонента – бензол и толуол, то для них и нужно рассчитывать калибровочные коэффициенты, именно эти соединения и должны быть введены в модельную смесь. Пока устанавливается заданный режим работы хроматографа, готовят модельные смеси с известным содержанием бензола и толуола, например 10 и 15% по массе (остальное – растворитель). Все смеси готовят в бюксах с плотно притертой крышкой, чтобы предотвратить потери за счет испарения. Навески индивидуальных веществ берут на аналитических весах с точностью до ±0,0002 г. Затем рассчитывают точное содержание компонентов (в процентах по массе) и плотность смеси (в мг/мкл). Плотности различных углеводородов, необходимые для такого расчета, находят в справочной литературе. 3. Убедившись в устойчивой нулевой линии, получают пробные хроматограммы модельной смеси и контрольной пробы (“задачи”),

выявляют пики бензола и толуола. Необходимо убедиться, что пики определяемых компонентов не совпадают и не налагаются на пики других компонентов пробы. 4. Если приготовлена одна модельная смесь, ее хроматографируют 3–5 раз, изменяя при этом объем пробы, например, вводят 1, 2, 3, 4, 5 мкл. Масштаб регистрации сигнала детектора в необходимых случаях меняют так, чтобы высоты пиков интересующих компонентов достигали 50–70% шкалы самописца. Поскольку параметры пиков остальных компонентов, входящих в состав растворителя, при расчетах не учитываются, эти пики могут быть зашкаленными, в данном методе это не имеет значения. 5. Срезают диаграммную ленту с записанными хроматограммами и приступают к обработке результатов. Параметры пиков при расчетах приводятся к единой шкале чувствительности регистрации сигнала детектора. Калибровочные коэффициенты рассчитывают по формуле (7.1). Результаты представляют в табличной форме и статистически обрабатывают (табл. 7.1 и 7.2). 6. Анализ контрольной пробы. Снимите не менее трех хроматограмм контрольной пробы. Не забудьте отметить объем и массу пробы, введенной в испаритель хроматографа. Рассчитайте параметры пиков определяемых компонентов. Содержание компонентов в контрольной задаче находят по формуле (7.2). Экспериментальные данные представляют в виде таблицы (табл. 7.3), выполняют статистическую обработку и сопоставляют результаты, полученные с применением различных параметров. Расчет погрешностей ведут с учетом известного содержания компонентов в контрольной пробе, как описано в работе № 6: абсолютную погрешность ∆ по каждому из компонентов рассчитывают как разность между найденным (средним) содержанием компонента и истинным его содержанием, т.е. ∆ = С − µ. Относительную погрешность определяют как (∆ / µ) 100%. В обоих случаях указывается знак погрешности.

55

56

Порядок выполнения работы

Таблица 7.1 Результаты измерений и расчетов при определении коэффициентов Параметры

1

Бензол 2 3

i

1

Толуол 2 3

i

Содержание компонента в модельной смеси, % масс. Объем пробы, мкл Масса пробы, мкг Масса компонента, мкг h, см μ0,5, см S, см2 h · tR Значения Ki

Таблица 7.2 Статистическая обработка результатов Компонент Бензол

Толуол

Параметр

Ki

Интервал K i ± ∆K

Коэфф. вариации

S h h · tR S h h · tR

Параметр

Бензол

S h h · tR

1. Принцип метода абсолютной калибровки, его достоинства и недостатки. 2. Специфика ввода пробы в хроматограф при работе по методу абсолютной калибровки. 3. Основные варианты метода абсолютной калибровки. Преимущества варианта, основанного на применении калибровочных коэффициентов. 4. Основные требования к эксперименту при выполнении анализа методом абсолютной калибровки. 5. Области применения метода абсолютной калибровки. 6. Точность результатов анализа, получаемых при различных методах измерения количественных параметров хроматографического пика. 7. Метрологическая оценка результатов хроматографического анализа по методу абсолютной калибровки. Литература

Таблица 7.3 Результаты анализа контрольной пробы, полученные с применением разных параметров пиков Проба, Компомкг нент, Х

Контрольные вопросы

СодерКоэфф. жание Х, вариации ИнтерµХ % 1 2 3 вал Найдено C, %

57

Погрешности абс. отн.

1. Вяхирев Д.В., Шушунова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 224–226, 235–249. 2. Столяров В.В., Савинов И.М. Витенберг А.Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии. – Л.: Химия, 1988. – С. 223–225. 3. Вигдергауз М.С. Расчеты в газовой хроматографии. – М.: Химия, 1978. – С. 147–154. 4. Айвазов Б.В. Практическое руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 129–137.

58

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8 Количественный хроматографический анализ с применением метода внутреннего стандарта Цель и содержание работы. Освоить на практике важнейший метод хроматографического анализа – метод внутреннего стандарта (метки). С этой целью необходимо: самостоятельно приготовить модельные смеси, получить их хроматограммы и рассчитать калибровочные коэффициенты для одного или двух (по указанию преподавателя) веществ. Использовать эти коэффициенты для расчета содержания тех же соединений в контрольной пробе – многокомпонентной смеси неизвестного состава. В работе применяется то же оборудование, что и в предыдущих лабораторных работах. Объекты хроматографирования – искусственные смеси, приготовленные из следующих веществ: 1) н-алканы С6-С9; 2) бензол, толуол, этилбензол, о-, м- и п-ксилолы; 3) этанол, н-пропанол, н-бутанол и др.; 4) контрольная смесь известного качественного состава. Краткое теоретическое введение. Метод внутреннего стандарта применяют в тех случаях, когда нужно определить лишь некоторые компоненты многокомпонентной смеси. Метод дает правильные результаты даже при анализе проб, которые испаряются лишь частично, а также при использовании селективных детекторов, когда некоторые компоненты пробы не регистрируются детектором. Принцип метода заключается в сопоставлении Pi – некоторого параметра пика определяемого компонента (площадь, высота или произведение высоты на время удерживания) с аналогичным параметром P ст другого соединения, заранее добавляемого в известном количестве к пробе. Такое соединение называют внутренним стандартом или меткой. Основной вариант метода предусматривает прибавление к навеске пробы известного количества не содержащегося в ней соединения. Стандартное вещество должно соответствовать следующим требованиям. 59

1. Должно хорошо смешиваться с пробой. 2. Должно быть абсолютно инертным, т.е. в ходе анализа стандартное вещество не должно вступать в химическое взаимодействие с компонентами пробы, с используемой НЖФ и с твердым носителем; 3. Должно быть индивидуальным соединением. Обычно его выбирают из числа соединений, близких к определяемым веществам по структуре и летучести. Это исключает неодинаковое влияние условий опыта на параметры пиков стандарта и определяемых веществ. 4. В принятых условиях анализа пик стандартного вещества должен располагаться на хроматограмме в непосредственной близости от пиков определяемых соединений, но не накладываться ни на них, ни на пики других компонентов пробы. 5. Стандарт не должен содержать примеси. Разумеется, абсолютная чистота стандартного вещества недостижима, но суммарное содержание примесей не должно превышать 1–2 %. Особенно опасны те примеси, пики которых накладываются на пики определяемых соединений. Поэтому до начала анализа хроматографируют стандартное вещество в тех же условиях, что и исследуемую пробу, а затем сопоставляют полученные хроматограммы. В ходе анализа к пробе добавляют такое количество стандартного вещества, чтобы отношение площадей (или других параметров) пиков стандарта и определяемых компонентов при одинаковом масштабе регистрации сигнала было близко к единице. При линейном отклике детектора выполняются соотношения: q i = k i ⋅ Pi ,

(8.1)

q ст = k ст ⋅ Pст ,

(8.2)

где Pi и Pст – параметры хроматографических пиков определяемого компонента и стандартного вещества на хроматограмме модельной смеси; qi и qст – соответственно массы компонента и стандарта в модельной смеси; ki и kст – величины, обратные коэффициентам чувстви60

тельности. Из уравнений (8.1) и (8.2) рассчитывают калибровочный коэффициент: qi P = K⋅ i , (8.3) q ст Pст

K

i

=

q i ⋅ P ст . q ст ⋅ P i

(8.4)

Калибровочный коэффициент численно равен отношению коэффициентов чувствительности метки и определяемого вещества. Величина Ki практически не зависит от объема пробы и концентрации компонентов, она не меняется и при небольших изменениях условий хроматографического разделения – температуры колонки, скорости газаносителя, режима работы детектора, поскольку отклонения от заданных условий одинаково влияют на поведение как стандартного, так и определяемых соединений (коэффициенты kст и ki меняются одинаково, а их отношение остается постоянным). Содержание компонентов в анализируемой пробе (% масс) равно: K ⋅q ⋅P (8.5) C i = i ст i ⋅ 100 . Pст ⋅ Q пр Здесь Pi и Pст – параметры хроматографических пиков определяемого и стандартного вещества (площади, высоты или произведения высот на время удерживания) на хроматограмме пробы; qст – масса метки в пробе; Qпр – масса пробы без метки; Ki – калибровочный коэффициент. Если подбор вещества-стандарта с учетом перечисленных выше требований затруднен, можно в качестве стандарта использовать соединения, уже присутствующие в анализируемой смеси. Такой вариант метода внутреннего стандарта называют методом стандартной добавки1. 1

Не следует путать этот вариант метода внутреннего стандарта с обычным методом добавок, в котором к пробе добавляют известное количество определяемого соединения и по степени увеличения соответствующего пика рассчитывают содержание этого соединения в пробе без добавки.

61

В этом варианте в одинаковых условиях получают две хроматограммы: а) анализируемой смеси; б) той же смеси с добавленным к ней известным количеством компонента, играющего роль стандартного соединения. Содержание в исходной смеси интересующих компонентов и вещества-стандарта (в % по массе) рассчитывают по следующим формулам: ci =

c ст =

q ст q см ⋅ 100 , Pст 2 Pст1 − K i Pi 2 K i Pi1 q ст q см ⋅100 , Pi1 Pст 2 ⋅ −1 Pст1 Pi 2

(8.6)

(8.7)

где qсм – масса отобранной для анализа порции смеси, qст – масса введенной в нее добавки стандарта; Pi1, Pст1, Pi2, Pст2 – однотипные параметры пиков определяемого компонента и вещества-стандарта на первой и второй хроматограммах; Ki – калибровочный коэффициент для определяемого компонента относительно вещества-стандарта. Для большей точности надо получить серию хроматограмм пробы без добавки и серию хроматограмм пробы с разными добавками веществастандарта. Результаты анализа усредняют. Достоинства метода внутреннего стандарта несомненны: • получаемые результаты имеют высокую точность; • не требуется точная дозировка пробы при ее вводе в хроматограф; • не требуется соблюдение постоянства условий хроматографирования; • не нужна предварительная идентификация всех компонентов пробы.

62

Однако использование метода внутреннего стандарта в некоторых случаях затруднено или невозможно. Другие методы количественного хроматографического анализа используют, если: ♦ детектор дает нелинейный отклик; ♦ надо определять все компоненты сложной пробы; ♦ не удается выбрать подходящий внутренний стандарт; ♦ нежелательны затраты времени на подготовку пробы и предварительный расчет калибровочных коэффициентов. Порядок выполнения работы 1. Включают хроматограф в соответствии с инструкцией, проверяют прибор на герметичность, устанавливают заданный режим работы: расход газа-носителя 1,5–2,5 л/ч (по оптимальному значению, определенному в лабораторной работе № 4), ток моста катарометра 100–120 µА. Величину тока выбирают самостоятельно в зависимости от состава пробы и температурного режима. Масштаб регистрации (“Множитель”) в зависимости от состава смеси и величины пробы устанавливают в пределах от 1 до 100. Температуры термостата колонок, детектора и испарителя устанавливают в зависимости от состава смеси и согласуют с преподавателем. 2. После выхода прибора на выбранный режим желательно получить хроматограммы пробы и вещества, которое предполагают использовать в качестве внутреннего стандарта (по отдельности). Полученные хроматограммы сопоставляют для проверки пригодности стандарта. 3. Готовят модельные смеси, необходимые для определения калибровочных коэффициентов. Составляют не менее трех смесей, состоящих из определяемого компонента и вещества-метки в соотношении, близком к 1:1, а также растворителя. Для этого в бюксы с хорошо притертой пробкой на аналитических весах берут навески вышеука63

занных веществ с точностью до 0,0002 г так, чтобы суммарная навеска составляла около 5 г. 4. Каждую калибровочную смесь хроматографируют 3–5 раз, изменяя величину дозы и масштаб регистрации сигнала детектора таким образом, чтобы высота пиков определяемого компонента и метки составляла не менее 50% шкалы самописца. Поскольку параметры остальных пиков в расчетах не учитываются, они могут быть зашкаленными. 5. Срезают диаграммную ленту с записанными хроматограммами и обрабатывают результаты. Параметры пиков приводят к единому масштабу регистрации, расчет калибровочного коэффициента ведут по формуле (8.4). 6. Результаты представляют в виде таблицы (табл. 8.1) и проводят статистическую обработку. Если какое-либо из найденных значений Ki сильно отличается от других, полученных при одном и том же методе измерения, следует сделать проверку по Q-тесту. 7. Получают у лаборанта или самостоятельно готовят контрольную пробу, содержащую искомый компонент и растворитель. Все взвешивания проводят на аналитических весах с точностью до 0,0002 г. По указанию преподавателя берут навеску контрольной пробы (Q граммов), добавляют к ней навеску внутреннего стандарта (qст граммов), перемешивают. 8. Хроматографируют приготовленную композицию не менее трех раз, добиваясь получения хорошо воспроизводимых данных. Срезают диаграммную ленту с записанными хроматограммами, рассчитывают параметры пиков определяемого компонента и внутреннего стандарта и по формуле (8.5) определяют содержание компонента в % по массе. Экспериментальные данные заносят в табл. 8.2, выполняют статистическую обработку и записывают конечный результат.

64

Таблица 8.1 Определение калибровочного коэффициента для вещества Х Смесь 1 2

Компонент

Масса, мг

Параметр (S или h)

Ki

K i Интервал K i ± ∆K

Коэффициент вариации, %

Х Метка Х Метка

Таблица 8.2 Результаты анализа контрольной пробы Масса, г

Параметры пиков

Найдено Х, %

Проба Метка Х Метка 1 2 3

Содер- Коэфф. Погрешжание Х, вариации, ности % µХ %

Интервал

Литература 1. Вяхирев Д.В., Шушунова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 224–226, 235–249. 2. Столяров В.В., Савинов И.М., Витенберг А.Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии. – Л.: Химия, 1988. – С. 228–231. 3. Сакодынский К.И., Бражников В.И. и др. Аналитическая хроматография. – М.: Химия, 1993. – С. 374–442. 4. Руководство по газовой хроматографии / Под ред. Э. Лейбница, Х. Г. Штруппе. – М.: Мир, 1987. – Ч. 1. – С. 48-63. 5. Вершинин В. И. Лекции по планированию и математической обработке результатов химического эксперимента. – Омск: ОмГУ, 1999. – С. 43–47, 63–71, 130–137.

абс. отн.

Контрольные вопросы 1. Область применения метода внутреннего стандарта. 2. Необходимые условия для применения метода внутреннего стандарта. 3. Основные требования к внутреннему стандарту. 4. Точность получаемых результатов анализа и их метрологическая оценка. 5. Преимущества и недостатки метода внутреннего стандарта в сравнении с методами абсолютной калибровки и внутренней нормализации. 6. Метод стандартной добавки – частный случай метода внутреннего стандарта.

65

66

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9 Определение содержания воды в органических растворителях Цель и содержание работы. Цель выполнения работы – знакомство с методом газо-адсорбционной хроматографии (ГАХ). В ходе работы надо определить содержание воды в ацетоне (или этаноле). Определение воды в органических растворителях является важной и трудной аналитической задачей. Ее обычно не удается решить методами газо-жидкостной хроматографии. Лучшим вариантом является разделение пробы на колонках с пористыми полимерными сорбентами (один из вариантов ГАХ), в этом случае вода регистрируется на хроматограмме в виде симметричного узкого пика. В ходе работы необходимо приготовить модельные смеси, содержащие воду; определить для воды поправочный коэффициент и затем выполнить количественный анализ пробы методами внутренней нормализации и абсолютной калибровки. Теоретические сведения о методе ГАХ даны в учебной литературе. Аппаратура и объекты хроматографирования • Газовый хроматограф с катарометром. • Колонка насадочная 2м × 3мм, заполненная полисорбом-1 зернением 0,10–0,25 мм. • Микрошприцы МШ-10. • Объекты хроматографирования – абсолютный ацетон (или этанол), водно-ацетоновые (или водно-этанольные) модельные смеси, содержащие 0,5–6% воды, контрольная проба технического ацетона (или этанола). Порядок выполнения работы 1. Включают хроматограф в соответствии с инструкцией, проверяют на герметичность и устанавливают следующий режим: расход 67

газа-носителя (гелий) 40 мл/мин, температура термостата 130°С, температура термостата детектора и испарителя 160°С, ток моста катарометра 120 µА. 2. В течение 30–40 мин до выхода прибора на режим готовят модельные смеси, необходимые для выполнения работы. Для этого готовят смеси, содержащие 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0 % воды в абсолютном этаноле (или ацетоне). Навески берут на аналитических весах с точностью до ±0,0002 г. Все смеси готовят в бюксах с плотно притертой крышкой, чтобы предотвратить потери за счет испарения. После выхода прибора на режим включают самописец. Убедившись в регистрации на диаграммной ленте самописца устойчивой нулевой линии, приступают к анализу. 3. В испаритель хроматографа микрошприцем вводят по 1 мкл смесей, содержащих 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0 % воды в ацетоне (или этаноле). Получают хроматограммы, на которых записано 2 пика – воды и ацетона (или этанола), причем пик воды регистрируется первым. Каждую смесь хроматографируют трижды. Рассчитывают площади пиков для воды и строят по ним градуировочный график для определения воды (см. работу № 7). По результатам анализа смеси, содержащей 0,5% воды, рассчитывают поправочный коэффициент KH2 O по формуле (10.1): K H 2O =

S ац ⋅ C H 2 O ⋅ f ац S H 2O ⋅ C ац ⋅ f H 2 O

,

(10.1)

где S – площади пиков на хроматограмме, C – массовые доли веществ в %, f – коэффициенты приведения к единому масштабу регистрации сигнала детектора. Аналогичным образом можно рассчитать поправочный коэффициент в случае анализа водно-этанольных смесей. Эти коэффициенты потребуются для проведения анализа по методу внутренней нормализации. Поправочный коэффициент для органического вещества в обоих случаях принимается равным единице. 68

4. Трижды хроматографируют 1 мкл контрольной пробы. По полученным хроматограммам находят содержание воды двумя методами: методом абсолютной калибровки (по градуировочному графику) и методом внутренней нормализации. 5. Проводят статистическую обработку и сравнивают результаты, полученные двумя методами. Контрольные вопросы

1. Область применения ГАХ, преимущества и недостатки метода.

2. Пористые полимерные сорбенты. Литература 1. Сакодынский К.И., Бражников В.И. и др. Аналитическая хроматография. – М.: Химия, 1993. 2. Руководство по газовой хроматографии / Под ред. Э. Лейбница, Х.Г. Штруппе. – М.: Мир, 1987. – Ч. 1. 3. Большова Т.А., Брыкина Г.Д., Шаповалова Е.Н., Шпигун О.А. Практическое руководство по хроматографическим методам анализа. – М.: Изд-во МГУ, 1993. – С. 43.

69

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10 Определение состава сухого газа Цель и содержание работы. Цель заключительной работы практикума – проверить усвоение материала по хроматографическому анализу в ходе самостоятельного исследования состава сложного реального объекта. Типичным для нефтехимической промышленности объектом анализа является сухой газ. Необходимо разделить пробу двумя разными методами (газо-жидкостная и газо-адсорбционная хроматография), подобрав оптимальные условия разделения. Затем проводится идентификация углеводородных и неуглеводородных компонентов пробы по относительным временам удерживания. На последнем этапе работы необходимо провести количественный анализ сухого газа. В работе используется следующее оборудование: • газовый хроматограф с катарометром; • колонка из нержавеющей стали 6м × 3мм, заполненная диатомитовым носителем (сферохром-1, хроматон N-AW и др.). НЖФ – н-гексадекан, 25% от массы твердого носителя; • колонка из нержавеющей стали, 1м × 3мм, заполненная синтетическими цеолитами типа NaX или CaA, фракция 0,25–0,5 мм; • шприцы медицинские вместимостью 1, 2, 5, 10 мкл. Краткое теоретическое введение. При переработке нефти образуется значительное количество газообразных веществ. Легкие газовые смеси, содержащие углеводороды С1 – С4, а также неуглеводородные компоненты – H2, СО, CO2, H2S – называют сухим газом. Сухой газ используют как топливо в технологических печах нефтеперерабатывающих предприятий. Сжиженный сухой газ применяют в быту (в баллонах). В составе сухого газа содержится не более 5% (по массе) углеводородов типа С5 и более тяжелых. Неуглеводородные компоненты могут быть представлены в любых соотношениях. При отборе пробы 70

сухого газа с помощью резиновой камеры или специального пробоотборника не исключено попадание в пробу воздуха. Соответственно на хроматограмме сухого газа появляются пики азота и кислорода. Анализ сухого газа ведут методами газо-жидкостной и газоадсорбционной хроматографии. На сегодня неизвестны колонки, в которых можно было бы сразу отделить легкие неуглеводородные компоненты от углеводородов С1 – С4, а затем разделить ту и другую части газа до индивидуальных соединений. Поэтому разделение неуглеводородных компонентов ведут методом газоадсорбционной хроматографии на колонке с сорбентом – молекулярными ситами марок NaA, NaX, CaA или CaX. Углеводородную часть сухого газа анализируют методом ГЖХ на колонках, содержащих неподвижную жидкую фазу, например гексадекан.

Таблица 10.1 Табличные данные по относительному удерживанию веществ, входящих в состав сухого газа №

Вещество

tRотн′

№

Вещество

tRотн′

1

Метан

0,01-0,02

11

транс-Бутен-2

1,09-1,10

2

СО2

0,03-0,04

12

цис-Бутен-2

1,19-1,20

3

Этен

0,05-0,07

13

3-Метилбутен-1

1,79-1,82

4

Этан

0,08-0,09

14

Изопентан

2,30-2,40

5

Сероводород

0,12-0,14

15

Пентен-1

2,54-2,63

6

Пропен

0,25-0,27

16

2-Метилбутен-1

2,70-2,80

Порядок выполнения работы

7

Пропан

0,28-0,31

17

н-Пентан

3,10-3,20

1. Включают хроматограф в соответствии с инструкцией, проверяют на герметичность и устанавливают заданный режим работы: расход газа-носителя (гелия) 2,0 л/ч; температура термостата 35°С; температура испарителя 100°С; ток детектора 140 µА. В хроматограф заранее устанавливают колонки с цеолитом и с гексадеканом. 2. Убедившись в стабильности нулевой линии, вводят первую пробу газа в колонку с цеолитом. Вторую пробу газа вводят в колонку с гексадеканом. Объем проб и масштаб регистрации подберите самостоятельно. 3. Идентификацию компонентов газа на колонке с гексадеканом проводят по относительным объемам (или) временам удерживания. Относительные объемы удерживания, определяющие порядок выхода компонентов газа в условиях анализа, приведены в табл. 10.1. В табл. 10.2. следует внести экспериментальные данные и результаты анализа.

8

Изобутан

0,65-0,67

18

транс-Пентен-2

3,60-3,70

9 Бутен-1 + изобутен 0,83-0,84

19

цис-Пентен-2

3,79-3,87

10

20

2-Метилбутен-2

4,09-4,20

71

н-Бутан

1,00

Таблица 10.2

Удерживание

tR0

tR изм.

1

72

tR′

tRотн′

Содержание, % масс

1

Предполагаемый компонент

№ пика

1

Площадь пика

№ хроматограммы

Результаты анализа сухого газа

Таблица 10.3 Весовые коэффициенты чувствительности K компонентов сухого газа (газ-носитель гелий) № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Компонент

К

Воздух Метан СО2 Этен Этан Сероводород Пропен Пропан Изобутан Бутен-1 + изобутен н-Бутан Бутен-2 (транс) Бутен-2 (цис)

1,02 0,64 1,34 0,85 0,86 1,37 0,99 0,99 1,03 1,01 1,00 0,97 0,97

№ п/п 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Компонент

К

3-Метилбутен-1 Изопентан Пентен-1 2-Метилбутен-1 н-Пентан Пентен-2 (транс) Пентен-2 (цис) Водород Кислород Азот СО 2-метилбутен-2

1,13 1,12 1,13 1,13 0,99 1,13 1,13 2,02 1,17 0,98 0,98 1,13

4. После установления качественного состава пробы проводят количественный анализ по методу внутренней нормализации. Определяют приведенные площади пиков соответствующих компонентов на обеих хроматограммах, полученных на разных колонках по формуле (10.1): S = h ⋅ µ 0, 5 ⋅ k ⋅ n , (10.1) где h – высота пика в мм; μ0,5 – ширина пика на середине высоты; K – коэффициент чувствительности (табл. 10.3); n – масштаб записи хроматограммы. При расчете основной является хроматограмма, полученная на колонке с н-гексадеканом. 73

На хроматограмме, полученной на колонке с цеолитом, определяют площади пиков H2, O2, N2 и CO с учетом масштаба записи хроматограммы и умножают их на коэффициент А. Этот коэффициент учитывает различие в количестве введенных проб и скоростей газаносителя при работе на параллельных колонках. Его определяют по формуле (10.2) по соотношению площадей пиков метана, так как метан регистрируется на обеих хроматограммах: A = S'CH 4 S"CH 4 ,

(10.2)

где S'CH 4 – площадь пика метана на хроматограмме, полученной на колонке с н-гесадеканом, мм2; S"CH 4 – площадь пика метана на хроматограмме, полученной на колонке с цеолитом, мм2. Для определения содержания всех компонентов методом внутренней нормализации за 100% принимают сумму площадей пиков всех компонентов на хроматограмме, полученной на колонке с гексадеканом, и площадей пиков H2, O2, N2 и CO на хроматограмме, полученной на колонке с цеолитом. Содержание каждого компонента рассчитывают по формуле: S ⋅100 X= i , (10.3) ∑ Si где Si – приведенная площадь пика определяемого компонента, в мм2;

∑ Si – сумма площадей пиков всех компонентов в анализируемом газе, мм2. При ручной обработке хроматограмм (в отсутствие интегратора или соответствующей программы) все результаты расчетов следует представить в виде таблицы. 5. Допускаемые расхождения для параллельных определений не должны превышать ±10% от среднего арифметического сравниваемых результатов при содержании компонентов в пробе до 10% и ±5% при содержании компонента выше 10%. 74

Контрольные вопросы 1. Основные методы количественного анализа. 2. Выбор и измерение основных количественных параметров хроматографических пиков. 3. Возможные погрешности при ручном измерении параметров хроматографических пиков. 4. Обзор возможных источников погрешностей, не связанных с расшифровкой хроматограмм. Литература 1. Столяров Б. В., Савинов И. М., Витенберг А. Г. Руководство к практическим работам по газовой хроматографии. – Л.: Химия, 1978. – С. 181–224. 2. ГОСТ 14920-69. Газ сухой. Метод определения количественного состава. 3. Вяхирев Д.А., Шушунова А.Ф. Руководство по газовой хроматографии. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 224–239.

Содержание ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... 3 Лабораторная работа № 1. Подготовка сорбента и заполнение насадочных колонок.......................................................................................... 5 Лабораторная работа № 2. Подготовка хроматографа к работе и получение пробных хроматограмм.............................................................. 13 Лабораторная работа № 3. Определение основных хроматографических характеристик разделяемых компонентов ............................................... 20 Лабораторная работа № 4. Влияние скорости газа-носителя на эффективность колонки. Выбор оптимальной скорости газа-носителя. .................. 30 Лабораторная работа № 5. Определение качественного состава бензина по индексам Ковача........................................................................... 39 Лабораторная работа № 6. Определение количественного состава смеси методом внутренней нормализации ..................................................... 45 Лабораторная работа № 7. Определение содержания компонента методом абсолютной калибровки ................................................................... 53 Лабораторная работа № 8. Количественный хроматографический анализ с применением метода внутреннего стандарта ................................... 59 Лабораторная работа № 9. Определение содержания воды в органических растворителях ...................................................................................... 67 Лабораторная работа № 10. Определение состава сухого газа .............. 70

_____________________________________________________________ Технический редактор С.А. Шатрова Редактор Л.Ф. Платоненко ___________________________________________________________________________________

Подписано к печати 15.09.02. Формат бумаги 60х84 1/16. Печ. л. 4,75. Уч.-изд. л. 3,8. Тираж 140 экз. Заказ . ____________________________________________ Издательско-полиграфический отдел ОмГУ 644077, г.Омск-77, пр. Мира, 55а, госуниверситет

75