Transcript Посмотреть/Открыть

Хроматография как метод разделения, идентификации и определения
В основе хроматографии лежит процесс распределения разделяемых
компонентов между двумя несмешивающимися фазами. Пробу вводят
в подвижную фазу. Подвижная фаза движется относительно неподвижной
фазы, находящейся в колонке или на плоскости. Различия в силе
взаимодействия компонентов пробы с неподвижной фазой приводят к тому,
что при достаточно большом времени движения компоненты разделяются
Результатом хроматографирования чаще всего является не распределение
компонентов в хроматографической системе (первичная хроматограмма),
а зависимость концентраций компонентов на выходе из хроматографической
колонки (выходная кривая или вторичная хроматограмма). Термин
«хроматография» утвердился как название всех методов, в основе которых
лежит одно общее явление – динамическая сорбция.
1
Под сорбцией понимают самопроизвольное концентрирование компонента
в данную фазу. В хроматографических методах реализуются те же фазовые
равновесия, что и в классических методах разделения, но одна фаза – сорбент
(твердое вещество или жидкость) – неподвижна, а вторая (газ или жидкость),
содержащая разделяемые компоненты, перемещается вдоль нее.
Иными словами, распределение компонентов между фазами происходит
в динамических условиях. Процесс сорбции обратим, и в каждой точке
поверхности раздела фаз происходит многократное повторение равновесных
(в идеальном случае) актов сорбции-десорбции. Вследствие этого даже малое
различие в физических, физико-химических или химических свойствах
разделяемых компонентов дает возможность их разделения.
В обычных методах высокая степень разделения за один раз достижима лишь
при достаточно большом различии констант (коэффициентов) распределения.
Иначе приходится прибегать к многократному повторению стадий разделения.
Хроматография фактически и реализует этот многократный процесс, и поэтому
эффективна даже при небольших различиях этих констант.
2
Суть любого хроматографического процесса сводится к тому, что за счет
различия в сродстве к сорбенту компоненты по-разному сорбируются
(удерживаются) им и поэтому двигаются в системе с разной средней скоростью.
Эту взаимосвязь в идеальном случае отражает основное уравнение
равновесной хроматографии:
vu
1
1 K 
Здесь  - средняя скорость движения разделяемого компонента,
u – скорость движения молекул подвижной фазы,
β =Vs/Vm - отношение объемов неподвижной и подвижной фазы (фазовое
отношение)
K = Cs / Cm – коэффициент распределения, равный отношению концентрации
разделяемого компонента в неподвижной (Cs) и подвижной (Cm) фазах.
3
Сродство компонента к неподвижной фазе характеризуется коэффициентом
распределения, равным отношению аналитических концентраций компонента
в неподвижной (?) и подвижной фазе:
K = Сн.ф. / Cп.ф. (Т = const)
Примеры методов хроматографии
1) ионный обмен
2) ГЖХ
3) ВЭЖХ
4) капиллярный электрофорез
Движение компонента в хроматографической системе происходит только, когда
он находится в подвижной фазе. Чем больше сродство компонента к
неподвижной фазе (больше значение K), тем меньше времени он находится
в состоянии движения.
4
Компонент с большим сродством к сорбенту движется с меньшей скоростью
и наоборот. В результате разной скорости движения за одно и то же время
компоненты проходят различные расстояния и занимают различные положения
(зоны) в хроматографической системе или появляются на выходе из нее
в разное время. Далее задача сводится к обработке полученной
хроматограммы - зависимости аналитического сигнала от времени или
объема подвижной фазы для определения качественного и количественного
состава пробы.
Хроматография является чрезвычайно эффективным методом разделения.
Компоненты смеси переносятся потоком подвижной фазы и в то же время
разделяются.
В качестве подвижной фазы может служить газ или жидкость, в качестве
неподвижной — твердое вещество (сорбент) или жидкость, закрепленная
на твердом носителе.
5
Результатом хроматографического разделения является хроматограмма —
зависимость аналитического сигнала от времени или объема элюента. Если
условия выбраны правильно, то каждому из компонентов смеси соответствует
отдельная хроматографическая зона на первичной хроматограмме
(т. е. непосредственно в хроматографической колонке, на бумаге, в тонком слое)
или отдельный хроматографический пик на вторичной хроматограмме
(выходной кривой). Положение хроматографического пика зависит от
коэффициента распределения K и является качественной характеристикой
компонента, а интенсивность пика — его количественной характеристикой.
Если регистрация аналитического сигнала проводится в хроматографе
с помощью детектора (устройство, измеряющее какое-либо свойство,
зависящее от состава), то качественный и количественный состав анализируемой
смеси можно определить сразу из хроматограммы. В других случаях после
хроматографического разделения для идентификации и количественного
определения отдельных компонентов используются химические,
физико-химические или физические методы анализа.
6
Общим для всех методов хроматографии является процесс динамической
сорбции, а известные в настоящее время многочисленные хроматографические
методы классифицируются по другим характеристикам в соответствии
с решением ИЮПАК.
По агрегатному состоянию подвижной фазы
хроматографические методы подразделяют на газовую хроматографию — ГХ
(газотвердофазную и газожидкостную), а также на жидкостную
хроматографию (ЖХ).
По механизму разделения (природе элементарного акта),
т. е. по характеру взаимодействия компонентов смеси с неподвижной фазой,
различают методы молекулярной и хемосорбционной хроматографии.
7
Часто в хроматографии удерживание компонентов происходит без образования
химических соединений, а за счет более слабых взаимодействий (дисперсионные,
Ван-дер-Ваальсовы и пр.). Компоненты не претерпевают химических изменений
при хроматографировании. Это молекулярная хроматография, к которой
относятся методы газовой хроматографии: газо-твердофазной (ГТХ) и
газо-жидкостной (ГЖХ), и также ряд методов жидкостной хроматографии:
1) адсорбционная хроматография — разделение основано на различии
в адсорбируемости газообразных (ГТХ) или жидких (ЖАХ) компонентов твердым
адсорбентом;
2) распределительная хроматография — разделение основано на
различии в растворимости газообразных (ГЖХ) или жидких (ЖЖХ)
компонентов в неподвижной и подвижной фазах;
3) эксклюзионная (ситовая) хроматография — разделение основано на
различии в размерах или форме молекул компонентов жидкой смеси.
8
Методы хемосорбционной хроматографии в основе имеют различие
химических свойств разделяемых компонентов. Процесс протекает с
образованием химических связей между компонентами смеси и сорбентом:
1) ионообменная хроматография — разделение основано
на различии в способности компонентов смеси к ионному обмену
(как в экстракции)
2) осадочная хроматография — разделение основано на образовании
различных по растворимости осадков между компонентами смеси и сорбентом
3) адсорбционно-комплексообразовательная хроматография — разделение
основано на образовании координационных соединений различной устойчивости
в фазе или на поверхности адсорбента,
4) окислительно-восстановительная хроматография — разделение основано
на различной способности компонентов смеси к окислительно-восстановительным
реакциям.
9
По способу выполнения среди хроматографических методов различают:
1) колоночную хроматографию — разделение веществ проводится в колонке
(насадочной или капиллярной), заполненной сорбентом;
2) бумажную хроматографию (БХ) — разделение веществ проводится
на специальной бумаге;
3) тонкослойную хроматографию (ТСХ) — разделение веществ проводится
в тонком слое сорбента.
Существует также много специальных хроматографических методик и приемов,
а также гибридных или комбинированных методов, которые сочетают
хроматографию и другие методы анализа.
Газовая хроматография как аналитический метод широко используется
для анализа различных газооборазных и жидких смесей.
Необходимым условием газохроматографического анализа являются
достаточная летучесть компонентов и селективность выбранного сорбента
(различие коэффициентов распределения компонентов).
10
В методе ГТХ сорбентом являются твердые вещества (чаще всего оксид
алюминия или силикагель), частицы которых имеют определенные размеры,
структуру, пористость и достаточную химическую и механическую устойчивость.
Для метода ГЖХ сорбенты готовятся закреплением
разными способами специальных неподвижных фаз на твердом носителе.
Это жидкости малолетучие, с большой вязкостью, химически и термически
устойчивые, чаще всего полимеры.
Данный метод по сравнению с ГТХ обладает большими возможностями
для разделения, так как различие коэффициентов распределения для
равновесия "газ—жидкость" как правило больше, чем для адсорбции газов
на твердом адсорбенте. Поэтому используемый набор неподвижных жидких фаз
с разной полярностью и различными типами взаимодействий с компонентами
позволяет разделять самые сложные смеси.
Газовая хроматография осуществляется только в колоночном варианте.
Используются как набивные(насадочные) колонки, так и капиллярные или
поликапиллярные. Важнейшими условиями хроматографирования являются
оптимальные значения температуры колонки и скорости потока газа.
11
В идеальном случае каждому компоненту на хроматограмме соответствует
отдельный пик, форма которого близка к кривой Гаусса.
При правильно выбранных условиях разделения на вторичной хроматограмме
получается набор пиков, положение которых характеризуется временами
удерживания (по максимуму пика), по которому идентифицируют компонент.
Для этого используют метод "свидетелей", метод добавок, различные
эмпирические зависимости времен удерживания от свойств разделяемых
компонентов,
12
Экспериментальные данные, получаемые непосредственно из хроматограммы:
Время удерживания (tR). Это время между вводом пробы и появлением
на выходе из колонки максимальной концентрации зоны соответствующего
вещества.
Мертвое время (tm). Время удерживания инертного вещества,
не сорбирующегося на НФ. Представляет собой фактически время,
затрачиваемое молекулой газа–носителя на прохождение всего пути вдоль
колонки.
Ширина пика (W). Определяется как длина сегмента нулевой линии,
измеряемая между точками пересечения с нулевой линией двух касательных
в точках перегиба пика.
Высота пика (h). Расстояние между нулевой линией и максимумом пика.
Площадь пика (S). Площадь под кривой записи сигнала. Измеряется
интегрированием сигнала.
13
Жидкостная адсорбционная хроматография в классическом варианте
в настоящее время редко используется для анализа, чаще для препаративных
целей. Из методов жидкостной хроматографии сегодня наибольшее значение
приобрел метод высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).
Использование высококачественных сорбентов с размером частиц 5—20 мкм,
растворителей особого качества, специальных насосов с генерацией давлений
до 15 МПа, а также высокочувствительных детекторов (чаще с УФ-поглощением)
позволяет проводить анализ микроколичеств сложнейших смесей. Наибольшие
возможности для качественного разделения дает обращеннофазовый вариант
этого метода, где неподвижная фаза неполярна, а используется полярный
элюент. Колоссальные перспективы метода ВЭЖХ в науке, а также
интереснейшие его применения для решения задач медицины, экологии,
криминалистики заслуживают серьезного изучения по соответствующим
руководствам.
14
Хемосорбционная хроматография.
В методах осадочной, окислительно-восстановительной и адсорбционнокомплексообразовательной хроматографии неподвижной фазой являются
модифицированные сорбенты — носители с закрепленным на них реагентом.
Носителем может быть какой-либо твердый сорбент (оксид алюминия,
силикагель и пр.) или бумага. Реагент в определенной концентрации
(для обеспечения полноты протекания реакции, но взятый в некотором
недостатке, чтобы обеспечить конкуренцию разделяемых ионов) наносится
на носитель путем пропитки (импрегнирования) или закрепляется с помощью
химической реакции.
Разделение этими методами проводится в колонках,
в тонком слое сорбента и на бумаге.
15
Методы бумажной и тонкослойной хроматографии
являются наиболее простыми, быстрыми, наглядными и требуют малого
количества образца для анализа. Здесь неподвижной фазой являются волокна
целлюлозы и зерна сорбента или закрепленный на них слой растворителя или
реагента. Перемещение растворителя, являющегося подвижной фазой, между
волокнами бумаги и зернами сорбента происходит за счет капиллярных или
диффузионных
сил.
Для характеристики положения хроматографической зоны в ТСХ и БХ обычно
используется величина Rf — относительная скорость движения, которая
непосредственно зависит от коэффициента распределения компонента.
Значение Rf легко рассчитывается как отношение пути, пройденного центром
зоны (lx) к пути , который за это же время хроматографирования прошел
растворитель от линии старта до линии финиша (l0):
Rf = U / U0 = lx / l0.
Идентификация компонентов проводится по сравнению экспериментальных
значений Rf с Rf “свидетелей”, а также по цвету и форме хроматографических
зон.
16
Ионообменная хроматография
В основе лежит гетерогенная реакция обратимого стехиометрического обмена
ионов, содержащихся в хроматографируемом растворе, на ионы веществ,
называемых ионообменниками или ионитами, которые служат неподвижной
фазой. Чаще всего иониты представляют собой синтетические смолы,
способные набухать при поглощении воды или органических растворителей.
Тип ионита определяется наличием ионогенных групп, содержащих подвижные
ионы. По знаку заряда обменивающихся ионов иониты подразделяются
на катиониты и аниониты, существуют также амфотерные иониты – амфолиты.
Ионообменный процесс можно представить следующими реакциями:
катионный обмен
анионный обмен
RHs + M+aq = RMs + H+aq
ROHs + A-aq = RAs + OH-aq,
где R – полимерный анион или катион, образующий каркас ионита.
17
Обратимость и эквивалентность реакций ионного обмена являются важными
особенностями этого процесса. Возможность разделения смеси ионов
на ионите определяется его селективностью по отношению к разделяемым
компонентам, которая характеризуется константой соответствующего
ионообменного равновесия.
Обменная емкость – мг экв /г – количество эквивалентов, сорбируемых 1 г сухой
смолы.
Перед началом смолу переводят в нужную форму, например, катиониты чаще
всего в Н-форму, аниониты – в ОН- или Cl- форму.
Очень широко используют не только в АХ, но и промышленности, например, для
очистки воды, извлечения редких металлов и др.
Регенерация смолы – десорбция. Чаще всего кислотами (обратный обмен на H+)
или реже – комплексообразователями.
Чаще всего ионообменная хроматография проводится в колоночном варианте.
Раствор, поступающий в колонку, называется элюентом, вытекающий из
колонки – элюатом.
18