Краткие теоретические сведения

Хроматография - это физико-химический метод разделения ве­ществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами - неподвижной и_подвижной. Неподвижной (стационарной) фазой обычно служит твёрдое вещество (его часто называют сорбентом) или плёнка жидкости, нанесённая на твёрдое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу.

По механизму взаимодействия сорбента и сорбата можно выделить распределительную хроматографию, которая основана на различии в растворимости веществ в подвижной и неподвижной жидких фазах.

По технике выполнения выделяют колоночную хроматографию, когда разделение проводится в специальных колонках, и, плоскостную хроматографию, когда разделение проводится на специальной бумаге (бумажная хроматография) или в тонком слое сорбента (тонкослойная хромотография).

Хроматография на бумаге. По механизму разделения хроматографии на бумаге является рас­пределительной. Метод основан на различии в коэффициентах распре­деления между двумя несмешивающимися фазами. Неподвижная фаза в этом случае удерживается в порах специальной хроматографической бумаги, которая служит носителем. Подвижная фаза продвигается вдоль листа бумаги, главным образом благодаря капиллярным силам.

Для разделения веществ с помощью бумажной хроматографии на­резают полоски бумаги длиной 15 - 30 см и шириной несколько санти­метров. На расстоянии 2 - 3 см одного из концов полоски бумаги наносят каплю исследуемого раствора и место старта отмечают простым ка­рандашом. После испарения растворителя конец бумаги, на который на­несена проба, приводят в соприкосновение с растворителем (подвижная фаза). Затем бумагу и растворитель помещают в закрытый сосуд (обыч­но цилиндр или стеклянный колпак), чтобы предотвратить потери при испарении. После прохождения растворителя через полоски бумаги её вынимают, сушат и определяют положение различных компонентов. С этой целью опрыскивают бумагу соответствующими реагентами, кото­рые с компонентами разделенной смеси образуют окрашенные соединения. Для обнаружения аминов или аминокислот, например, действуют раствором нингидрина, который с этими веществами образует соедине­ние голубого или пурпурного цвета.

Качественный состав пробы в методе бумажной распределитель­ной хроматографии может быть установлен или по специфической окра­ске пятен на хроматограмме, или по числовому значению параметра R_f каждого компонента, равного отношению скорости движения зоны оп­ределённого компонента к скорости движения фронта подвижной фазы.

Количественные определения выполняются по хроматографическим характеристикам (площади пятна на хроматограмме и интенсивно­сти его окраски), или по методу вымывания вещества подходящим рас­творителем и далее анализируемым спектрофотометрическим или иным методом.

Одним из преимуществ бумажной хроматографии является её чувcтвительность; бумажную хроматографию широко применяют в качест­венном анализе различных объектов, а также для количественного опре­деления компонентов смеси после их разделения.

Хроматография в тонком слое. В методе тонкослойной хроматографии неподвижная твёрдая фаза (селикогель, оксид алюминия, порошок целлюлозы) тонким слоем наносится на стеклянную, металлическую или пластмассовую пластинку. В 2..3 см от края пластинки на стартовую линию вносят пробу анализируемой жидкости и край пластинки погружают в рас­творитель, который действует как подвижная фаза. Под действием ка­пиллярных сил растворитель движется вдоль слоя сорбента и с разной скоростью переносит компоненты смеси, что приводит к их пространст­венному разделению. Диффузия в тонком слое происходит в продоль­ном и поперечном направлениях.

Качественный и количественный анализ проводят аналогично хроматографии на бумаге.

Хроматография в тонком слое является непревзойдённым методом анализа сложных смесей. Он прост по методике выполнения и аппарату­ре, экспрессен, не требует для анализа больших количеств веществ.

Гель хроматография. Этот метод разделения и очистки веществ основан на различии в молекулярных массах компонентов смеси. Особенно эффективно разделение проходит при использовании гранулированных гелей. Гранулы геля помещают вместе с растворителем в колонку, и вещества с разной молекулярной массой разделяются в ней при промывании геля чистым растворителем. Разделение происходит за счет того, что гель не препятствует диффузии небольших молекул, и они равномерно распределяются по всему поперечному сечению колонки, в то время как более крупные молекулы, не проникающие внутрь гранул, остаются только в окружающем их слое растворителя (внешнем объеме). При промывании растворителем по колонке продвигаются в первую очередь вещества, находящиеся во внешнем объеме. Поэтому крупные молекулы перемещаются по колонке с большей скоростью, чем мелкие, движение которых постоянно тормозится диффузией в неподвижную фазу (гель). Компоненты смеси выходят из колонки в порядке уменьшения молекулярной массы и в соответствии со степенью торможения их неподвижной фазы геля, вызванного диффузией.

Газовая хроматография - метод разделения летучих соединений. Подвижной фазой служит инертный газ (газ - носитель), протекающий через неподвижную фазу, обладающую большой поверхностью. В качестве подвижной фазы используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ - носитель невоздействует с разделяемыми веществами и неподвижной фазой.

В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы различают два вида газовой хроматографии - газотвердофазную (неподвижная фаза -твердый носитель: силикагель, уголь, оксид алюминия) и газожидкостную (неподвижная фаза - жидкость, нанесенная на инертный носитель).

Процесс разделения основан на различии в летучести и растворимости (или адсорбируемости) разделяемых компонентов. Через хроматографическую колонку быстрее движется тот компонент, растворимость которого в неподвижной фазе меньше, а летучесть (упругость пара) при данной температуре больше.

Газохроматографическим методом могут быть проанализированы газообразные, жидкие и твердые вещества с молекулярной массой меньше 400, удовлетворяющие определенным требованиям, главные из которых -летучесть, термостабильность, инертность и легкость получения. Для быстрого и полного разделения достаточно, чтобы упругость пара была 1-4 мм при рабочей температуре колонки. Более летучим считается вещество, упругость паров которого выше. Количественный анализ можно провести только в том случае, если вещество термостойко, т.е. испаряется в дозаторе воспроизводимо и элюируется без разложения. При разложении вещества на хромотограмме появляются ложные пики, относящиеся к продуктам разложения. Вещество не должно образовывать устойчивых сольватов при растворении в неподвижной жидкой фазе и реагировать с материалами, из которых изготовлены детали хроматогрофа. Желательно работать с соединениями, которые легко получить с количественным выходом. Этим требованиям в большей мере удовлетворяют, как правило, органические вещества, поэтому ГХ широко используют как серийный метод анализа органических соединений. Однако этим методом можно также определить почти все элементы периодической системы в виде летучих комплексов.

Анализ методом газовой хроматографии выполняют на газовом хроматографе, принципиальная схема которого приведена на рис. 5.1.

Рисунок 5.1. Блок-схема газового хроматографа:

1 - баллон с газом-носителем; 2 - дозатор; 3 - колонка; 4 - детектор;

5 - регистратор; б - вычислительный интегратор; 7-9 – термостаты

Газ-носитель из баллона 1 с постоянной скоростью пропускают через хроматографическую систему. Пробу вводят в дозатор 2, который нагрет до температуры, необходимой для полного испарения хроматографируемых веществ. Пары анализируемой смеси захватываются потоком газа-носителя и поступают в хроматографическую колонку, температура которой поддерживается на требуемом для проведения анализа уровне. В колонке анализируемая смесь делится на компоненты, которые поочередно поступают в детектор. Сигнал де­тектора фиксируется регистратором и обрабатывается вычислительным интегратором.

Широкое применение и большое значение газовой хроматографии в практике вызвано тем, что с ее помощью можно идентифицировать от­дельные компоненты сложных газовых смесей и определять их количе­ственно, выполнение анализа не требует больших затрат времени, и ме­тод является достаточно универсальным.

Этот метод нашел применение при разделении веществ, относящихся к одному и тому же классу (углеводороды, спирты и др.); в нефтехимии; при определении пестицидов, удобрений, лекарственных препаратов, при определении металлов и переводов их в летучие соединения и т.д.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение хроматографии.

2. Назовите виды хроматографии по технике выполнения.

3. На чем основана распределительная хроматография?

4. Что служит подвижной и неподвижной фазами?

5. Охарактеризуйте хроматографию на бумаге.

6. Как проводят качественный и количественный анализ пробы?

7. Расскажите порядок проведения хроматографии в тонком слое.

8. На чем основана гель-хроматография?

9. Назовите достоинства распределительной хроматографии.

10. Охарактеризуйте газовую хроматографию.

11. Что используют в качестве подвижной фазы?

12. На чем основан процесс разделения?

13. Расскажите схему газового хроматографа.

14. Назовите область применения, достоинства и недостатки газовой хроматографии.

Лабораторная работа 6