Газовая хроматография

Лекция 4

План лекции. Газовая хроматография (ГХ).Принципиальная схема газового хроматографа. Разделительные насадочные и капиллярные колонки.

Газовая хроматография

Газовая хроматография – это метод разделения летучих и термостабильных соединений. Этим требованиям отвечает около 5% известных органических соединений, но именно эти соединения оставляют 70-80 % соединений, которые использует человек в сфере производства и быта. Кроме этого, этим методом можно также определить почти все элементы периодической системы в виде летучих комплексов. В ГХ подвижной фазой служит инертный газ, называемый газом-носителем. В качестве подвижной фазы можно использовать водород, гелий, азот, аргон и углекислый газ. Наиболее часто используют азот, как более доступный и дешевый. Газ-носитель должен не взаимодействовать ни с разделяемыми веществами, ни с неподвижной фазой.

Достоинствами газовой хроматографии являются:

1. весьма широкие границы применимости (можно определять соединения, для которых достигается давление насыщенного пара 10^-3 - 1 мм рт.ст.);

2. возможность определения с высокой точностью малых количеств газов органических соединений;

3. простое аппаратурное оформление и экспрессность эксперимента;

4. широкий выбор сорбентов и неподвижных фаз;

5. повышение информативности при сочетании с современными инструментальными методами детектирования (масс-спектрометрией и ИК спектроскопией).

Классификация ГХ дается по нескольким признакам. Во-первых, в зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы различают два вида газовой хроматографии — газотвердофазную (газоабсорбционную, ГАХ) и газожидкостную (ГЖХ).

В ГТХ неподвижной фазой служит твердый носитель: силикагель, уголь, оксид алюминия). В этом случае процесс основан на различии в коэффициентах распределения между адсорбентом и газом-носителем.

В случае ГЖХ неподвижная фаза — жидкость, нанесенная в виде тонкой пленки на инертный носитель. Следовательно, вещества разделяются вследствие различия коэффициентов распределения между пленкой жидкости и газом-носителем.

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.

Остановимся более подробно на ГТХ.

Разделение в этом случае происходит за счет многократно повторяющихся процессов адсорбции-десорбции.

Особенность метода газотвердофазной (газоадсорбционной) хроматографии (TAX) в том, что в качестве неподвижной фазы применяют адсорбенты с высокой удельной поверхностью (10—1000 м²г^-1). Адсорбция молекул из газовой фазы, т. е. концентрирование их на поверхности раздела твердой и газообразной фаз, происходит за счет межмолекулярных взаимодействий, имеющих электростатическую природу. Среди них различают: дисперсионные, ориентационные, индукционные силы. Кроме вышеуказанных взаимодействий, возможно образование водородной связи.

Для аналитической практики важно, чтобы при постоянной температуре количество адсорбированного вещества на поверхности c_s было пропорционально концентрации этого вещества в газовой фазе с_т:

где c_s – количество адсорбируемого вещества на поверхности;

c_m- концентрация вещества в газовой фазе;

k — константа Генри.

Т. е. чтобы распределение происходило в соответствии с линейной изотермой адсорбции. (Потому что, для каждого вещества t_R должно быть постоянно вне зависимости от концентрации).

В этом случае каждый компонент перемещается вдоль колонки с постоянной скоростью, не зависящей от его концентрации. Величина k определяется в большей степени свойствами неподвижной фазы. Поэтому в ГАХ чрезвычайно важен выбор адсорбента, от которого зависит селективность разделения при заданной температуре.

В качестве адсорбентов в основном используют активные угли, силикагели, пористое стекло, оксид алюминия. Поверхность таких сорбентов чаще всего неоднородна (т.е. разная по размерам частиц).

В последние годы выпускают адсорбенты, характеризующиеся геомеотрической и химической однородностью поверхности. К их числу относятся пористые полимеры, макропористые силикагели (силохром, порасил, сферосил), пористые стекла, цеолиты.

Наиболее широко применяют метод газоадсорбционной хроматографии для анализа смесей газов (водорода, азота, кислорода, метана, оксида и диоксида углерода, инертных газов) и углеводородов, не содержащих активных функциональных групп. Изотермы адсорбции таких молекул близки к линейным.

Необходимо сказать о преимуществах газоадсорбционной хроматографии перед газожидкостной:

• более широкий рабочий интервал температур;

• большая скорость установления равновесия и, как следствие этого, меньшее время анализа;

• низкий уровень флуктуаций шумов, что увеличивает точность анализа.

К недостаткам метода можно отнести:

• несимметричная форма пиков вследствие ограниченности линейного участка изотермы адсорбции, последнее происходит за счет

• неоднородности поверхности адсорбента, наличие каталитически активных центров (линейность нарушается за счет других взаимодействий);

• ограниченный выбор и трудность стандартизации неподвижных фаз.