Методы разделения и концентрирования Хроматография 1 Михаил

Методы разделения и концентрирования Хроматография 1

Михаил Семенович Цвет 1903 г 2

Все варианты хроматографии имеют два общих признака: n Хроматографическое разделение происходит при перемещении смеси (например, анализируемой пробы) сквозь слой неподвижного сорбента. n Компоненты пробы обратимо распределяются между ПФ и НФ, причем по мере движения ПФ через НФ процесс распределения многократно повторяется. Компоненты, имеющие разные коэффициенты распределения, двигаются с разной скоростью и постепенно полностью разделяются. ХРОМАТОГРАФИЯ n (от греч. chroma, родительный падеж chromatos - цвет, краска), физико-химический метод разделения и анализа смесей, основанный на распределении их компонентов между двумя фазами - неподвижной и подвижной (элюент), протекающей через неподвижную. 3

Классификации хроматографических методов: n По цели хроматографирования; n По агрегатному состоянию подвижной и неподвижной фаз; n По характеру взаимодействия определяемого компонента и ТФ; n По спосоюу проведения хроматографического процесса; n По способу относительного перемещения фаз 4

I. ПО ЦЕЛИ ХРОМАТОГРАФИРОВАНИЯ: n для качественного и количественного анализа смесей; n для получения веществ в чистом виде, для концентрирования и выделения микро примесей; n для автоматического управления процессом производства (при этом целевой продукт из колонки поступает в датчик). n как метод научного исследования свойств систем, например растворов, кинетики химических процессов, свойств адсорбентов и катализаторов. 5

II. ПО АГРЕГАТНОМУ СОСТОЯНИЮ ПОДВИЖНОЙ И НЕПОДВИЖНОЙ ФАЗ Подвижная фаза Общее Неподвиж- Частное название ная фаза варианта хроматографии Хроматографии Газовая Газоадсорбционная Жидкость Твердое в-во Газожидкостная Жидкостная Твердое в-во Жидкостноадсорбционная Жидкость Газ или пар в Флюидная сверхкритическо м состоянии Жидкостно-жидкостная Твердое в-во Флюидно-адсорбционная 6

III. ПО ХАРАКТЕРУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Механизм процесса разделения Название варианта хроматографии Физическая адсорбция Адсорбционная Растворение в НЖФ Распределительная ионный обмен Ионообменная образование химических связей Хемосорбционная (водородных, донорноакцепторных и т. д. ) Осаждение и растворение осадка Осадочная Распределение по размеру молекул Молекулярно-ситовая (эксклюзивная) 7

IV. ПО СПОСОБУ ПРОВЕДЕНИЯ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Характер процесса схема Название варианта В цилиндрическом слое сорбента Колоночная хроматография В пленке жидкости или сорбента, размещенном на внутренней стенке капиляра Капиллярная хроматография В слое сорбента на плоской поверхности Плоскостная (бумажная и тонкослойная) хроматография В полях электрических, магнитных, центробежных и других сил 8

V. ПО СПОСОБУ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ФАЗ При проявительном (элюентном) 9

При вытеснительном 10

При фронтальном варианте 11

Плоскостная хроматография Схема разделения методом бумажной хроматографии: А, Б и В – положения компонентов смеси по окончании хроматографического разделения. Подвижная фаза впитывается в бумагу (неподвижная фаза) под действием капиллярных сил и переносит индивидуальные компоненты смеси с различными скоростями, зависящими от отношений растворимости этих компонентов в обеих фазах. Отношение а/б = Rf (фактор запаздывания) характеризует данное разделяемое вещество 12

Камера для тонкослойной хроматографии: а – общий вид; б – схематический разрез; 1 – подложка со слоем сорбента; 2 – край камеры; 3 – емкость для растворителя 13

14

Для идентификации компонентов в методе ТСХ пользуются следующими приемами n Сравнение со свидетелями. n Сравнение с табличными подвижностями. n Обработка селективными реагентами. n Спектрофотометрическая идентификация. 15

Метод бумажной хроматографии n сочетание хроматографии с электрофорезом. n круговая хроматография с испарением растворителя. 16

Колоночная хроматография Хроматографическое разделение пигментов хлорофилла М. C. Цветом: а – адсорбент; б – колонка; в – приемник; г – делительная воронка; д – вата. Смесь веществ А, Б и В, сначала находящихся в зоне е, разделяется при элюировании растворителем Д (элюент) на отдельные зоны, движущиеся с разными скоростями к выходу из колонки 17

Газовая хроматография 18

Этапы открытий в газовой хроматографии 1945 - изобретение газоадсорбционной хроматографии (F. Prior, E. Cremer), 1952 - изобретение газожидкостной хроматографии (А. Martin, R. Synge, A. James) 1956 - изобретение капиллярной газовой хроматографии (M. Golay. L. Ettre), 1960 - первые работы по хромато-масс-спектрометрии (ГХ-МС) В настоящее время газовые хроматографы - наиболее распространенные аналитические приборы Число продаж Объем мирового рынка ≈ 30 000 приборов / год > $ 1 000 000 / год 19

Схема работы газового хроматографа 1 – баллон высокого давления с газомносителем; 2 – стабилизатор потока; 3 и 3 ' – манометры; 4 – хроматографическая колонка; 5 – устройство для ввода пробы; 6 – термостат; 7 – детектор; 8 – самописец; 9 – расходомер 20

Хроматографическая колонка n Насадочные колонки диаметром 2 -6 мм и длинной 0, 5 -20 м. в колонки помещают стационарную фазу (адсорбент или носитель с тонким слоем НЖФ). n Капиллярные колонки разделяют по способу фиксации НФ на два типа: колонки с тонкой пленкой НФ (жидкой) (0, 01 -1 мкм) и тонкослойные колонки, на внутреннюю поверхность которых нанесен пористый слой (5 -10 мкм) твердого вещества. 21

катарометр 1 – ввод газа из хроматографической колонки; 2 – вывод продуктов в атмосферу; 3 – нить сопротивления; 4 – изолятор; 5 – металлический блок катарометра 22

пламенно-ионизационный детектор 1 – ввод водорода; 2 – ввод газа из хроматографической колонки; 3 – ввод воздуха; 4 – катод; 5 – горелка; 6 – собирающий электрод; 7 – вывод продуктов горения в атмосферу 23

Газ – носитель в газовой хроматографии и требования к нему n Газ – носитель должен быть инертен по отношению к разделяемым веществам и сорбенту. n Вязкость газа-носителя должна быть как можно меньше, чтобы поддерживался небольшой перепад давлений в колонке. n Коэффициент диффузии компонента в газе-носителе должен иметь оптимальное значение, определяемое механизмом размывания полосы. Следует иметь в виду, что в ряде случаев последние два условия противоречат другу, и выбор элюента определяется конкретной задачей анализа. n он был вполне доступен. n Газ-носитель должен быть взрывобезопасен; n Газ носитель должен быть достаточно чистым. 24

АЗОТ n ВОЗДУХ n ВОДОРОД n ГЕЛИЙ n АРГОН n УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ n 25

СОРБЕНТЫ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ Адсорбент должен обладать следующими свойствами: 1. химической инертностью по отношению к компонентам разделяемой смеси; 2. отсутствием каталитической активности по отношению к компонентам разделяемой смеси; 3. избирательностью, то есть возможно большее различие в адсорбируемости веществ разделяемой смеси; 4. достаточной механической прочностью; 5. доступностью. 26

Адсорбенты делятся на три типа: n неспецифические; n имеющие на поверхности положительные заряды; n имеющие на поверхности связи или группы атомов с сосредоточенной электронной плотностью). По геометрической структуре адсорбенты делятся на 4 типа : n непористые адсорбенты. n Однородно-макропористые адсорбенты. n однородно-тонкопористые адсорбенты. n неоднородно-пористые адсорбенты. 27

Активные угли n Углеродные молекулярные сита n Термическая сажа n Силикагель n n Активный оксид алюминия 28

Неподвижная жидкая фаза НЖФ должна отвечать следующим требованиям: n Селективность; n Оптимальная сорбционная емкость; n Отсутствие химического взаимодействия с разделяемыми веществами, твердым носителем, стенками хроматографической колонки и газом-носителем; n Низкое давление пара при рабочих температурах; n Химическая стабильность в условиях применения; n Малая вязкость; n Отсутствие примесей; n Доступность. 29

Классификации НЖФ 1. 2. 1. 2. 3. По классу УВ По полярности Рекомендации по выбору НЖФ для разделения смеси в пределах одного гомологического ряда обычно применяют НЖФ аналогичную разделяемым соединения, кипящие при одинаковой температуре (или близкой), то есть относящиеся к разным гомологическим рядам, исследуют на двух разных колонках: сначала на неполярной НЖФ, а затем на полярной НЖФ и результаты сопоставляют. для смеси углеводородов разных классов проводят анализ по п. 2, но число ступеней растет по увеличению полярности НЖФ. 30

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Твердые носители для ГЖХ обладать достаточной удельной поверхностью (не более 2 м 2/г); поры широких размеров (0, 5. 10 -3 -1, 5. 10 -3 мм); термостойкостью; отсутствием каталитической активности; механической прочностью; достаточной сыпучестью (но не электризоваться); хорошо смачиваться НЖФ; обладать воспроизводимыми хроматографическими свойствами. Границы твердого носителя должны иметь сферическую или близкую к сферической форму, что позволяет равномерно заполнить колонку; иметь однородную структуру. 31

АДСОРБЦИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ разделение смеси основано на различной сорбируемости компонентов n на поверхности твердого тела адсорбента находятся активные участки. n Каждый элементарный участок поверхности адсорбента способен фиксировать только одну молекулу. n Одновременно с адсорбцией происходит и десорбция n 32

n k 1 – постоянная; C – концентрация; n - доля занятых мест на адсорбенте. n В состоянии равновесия vадс=vдес , принимая k 1/k 2=b n 33

n Максимальное число мест на адсорбенте равно а , а количество адсорбированного вещества при данной С равно а, то уравнение изотермы адсорбции Лэнгмюра Изотермы адсорбции 34

Параметры удерживания в газовой хроматографии 35

n t. R – время удерживания (элюирования) n t. R=tm+ts VR=t. RF, n Vm=tm. F n VR=Vm+DVs, n V R=VR-Vm, n V R=DVs n 36

Теории хроматографической подвижности n Теоретическая тарелка — это чисто абстрактное понятие, не соответствующее ничему реально существующему в колонке. n ВЭТТ - высота, эквивалентная теоретической тарелки Н n Н = 2/L n n Величины t. R и W определяют по хроматограмме Н = L/N =L/(W/t. R)2 и Нэфф = L/Nэфф =L/(W/t. R)2 37

уравнение Ван-Деемтера n Н = А + В/и + Си n n где А, В и С для данной системы приблизительно постоянны, а и — линейная скорость движения потока газа-носителя (ГХ) или элюентаносителя (ЖХ), см/с. 38

n Критерии разделения Селективность - расстояние между максимумами пиков. n Эффективность – конфигурация или форма пиков. 1 2 а- высокая эффективность и достаточная селективность; 1 2 hmin 1 2 б- высокая эффективность, плохая селективность; 1 2 h 2 в- полхая эффективность, но высокая селективность; г- плохая эффективность и селективность. 39

n Коэффициент селективности - n разрешение RS 40

Качественный газо-хроматграфический анализ Задачи: 1. 2. 3. индивидуальная идентификация, то есть полное определение состава; групповая, то есть определение компонентов, относящихся к определенному классу; определение 1 -2 -х компонентов в группе. 41

n n прямой метод; Метод тестеров; Сравнение характеристик удерживания компонентов смеси с характеристиками удерживания эталона, эталоном смесей или табличными данными; Применение аналитических и графических зависимостей между характеристиками удерживания веществ и их Mr, Tкип и строения. 42

Логарифмический индекс удерживания (индекс Ковача) где t`R ( n) и t`R (n+1)— исправленные времена удерживания н-алканов с n и n+1 атомами углерода, выходящих из колонки до и после Х, t`R (x). - исправленное время удерживания Х. Индекс Ковача определяется природой Х и НЖФ, слабо зависит от температуры и практически не зависит от скорости газа-носителя, концентрации Х и состава пробы. Пример. На хроматограмме бензина исправленное время удерживания (t`R ) некоторого пика равно 189 с. Пик лежит между пиками н-гептана и н-октана, для которых значения t`R равны 172 и 218 с. Предполагается, что опознаваемый пик принадлежит 2, 2, 4 -триметилпентану, у которого t`R = 739, 0, для той же НЖФ и той же температуры. Верно ли это предположение? Решение. Подстановка в формулу данных из условия дает: Ix = 100 ( = 739, 2 Полученное значение Ix почти не отличается от табличного (погрешность измерения индексов обычно не превышает 0, 5 единицы). Следовательно, данный пик может принадлежать 2, 2, 4 -триметилпентану. 43

Количественный анализ в газожидкостной хроматографии n n Наиболее распространенные методы количественного хроматографического анализа предполагают выполнение следующих условий: при вводе в хроматограф всех анализируемых проб (а также эталонов известного состава) режим работы хроматографа строго постоянен. при вводе и испарении пробы, а также при ее разделении в колонке вещество Х не вступает в какие-либо химические реакции и полностью доходит до детектора; хроматограмма записывается с помощью дифференциального детектора, отклик которого прямо пропорционален концентрации Х (обычно это бывает при достаточно малом содержании Х); пик Х не накладывается на пики других компонентов. 44

Метод нормировки Sx В общем случае: Sy Sz При работе с ДИПом: Этот быстрый и простой метод нельзя применять, если: • • • проба не полностью испаряется; в испарителе или в колонке идут какие-либо химические реакции; некоторые компоненты остаются в колонке или их пики не регистрируются; нет полного разделения пиков на хроматограмме; детектор дает нелинейный отклик. неизвестны значения ki (при использовании селективных детекторов требуется предварительное отнесение всех пиков на хроматограмме и градуировка детектора по 45 эталону).

n метод абсолютной калибровки. n метод внутреннего стандарта 46

Принципиальная схема хроматографа для ВЭЖХ 1 А элюент Насос 2 1 Б 3 проба 4 1 а и 1 б - резервуары для растворителей, 2 -смеситель для градиентного элюирования, 3 - кран-дозатор, 4 – термостат с колонкой, 5 –устройство для сбора фракций. Детектор 5 47