Методы химического анализа

Для 0,02 мл исследуемого раствора получили пик h = 57 мм.

Определить %-ное содержание спирта, если с = 0,91 г/мл

3). Методы идентификации в газовой хроматографии.

В газовой хроматографии параметры удерживания какого-либо соединения в смеси при определённых условиях характеризуют природу этого соединения, поэтому они (параметры удерживания) могут быть использованы для целей идентификации.

В качестве параметров для идентификации чаще всего используют время удерживания tR, удерживаемый объём VR, логарифмический индекс удерживания J.

В практике качественного газохроматографического анализа используют следующие способы идентификации компонентов:

1. Сравнение параметров удерживания неизвестного вещества и эталонного соединения при идентичных условиях хроматографирования.

2. Применение графических или аналитических зависимостей между характеристиками удерживания и физико-химическими свойствами веществ (молекулярной массой, tкип., числом углеродных атомов или функциональных групп и т.д.).

3. Сочетание газовой хроматографии с другими инструментальными методами (ИК-спектроскопией и др.).

4. Применение селективных детекторов.

4). Практическое применение.

Большое значение газовой хроматографии в практике вызвано тем, что с её помощью можно идентифицировать отдельные компоненты сложных газовых смесей и определить их количество. Метод является универсальным и не требует больших затрат времени.

Этим методом анализируют нефтяные и рудничные газы, воздух, продукцию основной химии и промышленности органического синтеза, нефть и продукты её переработки, производят разделение изотопов некоторых изотопов. Хроматография широко используется в биологии и медицине, в технологии переработки древесины, в лесохимии, пищевой промышленности и многих других.

Методы газовой хроматографии в физико-химических исследованиях, для анализа сложных многокомпонентных систем, определение микропримесей, а также для определения защитных свойств противогазных коробок и фильтр-поглощающих элементов.

5.1.3 Газовая хроматография (ГХ). Её виды

Подвижная фаза -- газ или пар (газ-носитель).

В зависимости от состояния неподвижной фазы различают газо-адсорбционную (ГХ) и газо-жидкостную (ГЖХ) хроматографию.

В ГХ -- неподвижной фазой является твёрдый адсорбент.

В ГЖХ -- неподвижной фазой является жидкость, плёнка жидкости на поверхности частиц твёрдого сорбента.

Газовая хроматография основана на различной сорбируемости компонентов смеси, применима для анализа смеси газов, легколетучих жидкостей и некоторых твёрдых веществ, способных переходить в паро- или газообразное состояние.

В качестве газа-носителя используют инертные газы -- Не, Ne, Ar, а также N2, H2, CO2 и др. Скорость газа-носителя поддерживают постоянной.

Требования к газу-носителю:

Должен быть инертен по отношению к определяемым компонентам.

Должен быть химически чистым.

Быть дешёвым и легкодоступным.

Подходить к детектору.

В ГХ колонки заполняются твёрдым сорбентом. В качестве сорбентов может применяться активированный уголь, графит, силикагель, оксид алюминия, цеолиты и т.д.

Активированные угли неполярны, обладают высокой удельной поверхностью 1000-1700 м2/г, что обуславливает большую силу взаимодействия с анализируемым веществом.

Силикагель и оксид алюминия -- полярные адсорбенты, на их поверхности имеются заряды.

Применяемые в качестве сорбента цеолиты, являются алюмосиликатами щелочных металлов. Их можно рассматривать как молекулярные сита, т.к. их поры имеют размеры, близкие к размерам молекул и адсорбция на них является своеобразным “просеиванием”, сорбируются, в основном, вещества, молекулы которых могут проникать внутрь кристаллической решётки.

Сравнительно недавно начали использовать полимерные сорбенты на основе сополимеров стирола, этилстирола, дивинилбензола и др.

Требования к сорбенту:

Должен быть однородным.

Должен иметь большую поверхность.

Не должен взаимодействовать ни с компонентами смеси, ни с газом-носителем.

Обладать активностью.

Не иметь каталитических свойств.

При проведении работ по методу газовой хроматографии в колонке происходит процесс адсорбции газа на твёрдом адсорбенте, при использовании газожидкостной хроматографии вместо процесса адсорбции -- стал происходить процесс растворения газа в тонкой плёнке, находящейся на твёрдом носителе и эффективность разделения стала определяться не процессами адсорбции -- десорбции газа, как это происходит в адсорбционной газовой хроматографии, а процессами растворения газа в жидкой плёнке и его выделения.

Дозаторы -- устройства, предназначенные для ввода пробы. Проба может быть введена непосредственно в поток газа-носителя или в специальный дозирующий объём.

Небольшие количества вводят с помощью специальных микрошприцев (или медицинских). Большие по объёму пробы вводят с помощью газовых пипеток, твёрдые пробы растворяют и вводят в виде раствора с помощью микрошприца.

Принципиальная схема газового хроматографа

4

5

2 3 10

1

6

1. Баллон с газом-носителем Р = 100 атм.

2. Редуктор

3. Ротаметр, для измерения объёма газа (расход)

4. Осушительная колонка

5. Испаритель - дозирующее устройство 8 7

6. Хроматографическая колонка

7. Детектор

8. Регистратор - самописец

9. Конденсационные ловушки 9

10. Термостат

Подвижная фаза в виде газа-носителя непрерывно подаётся из баллона, анализируемая проба с помощью микрошприца вводится в испаритель в поток газа-носителя и попадает в хроматографическую колонку - 6. Объём вводимой пробы от 0,0001 - 0,1 мл.

Колонка может быть прямая, V или W-образная, в форме спирали; может быть стеклянная, металлическая, пластмассовая.

Длина колонки 1-100 м ш 3-50 мм.

Для аналитических целей ? = 1,5-2,0 м ш 0,25-50 мм.

Чем меньше диаметр колонки, тем выше эффективность.

Металлические колонки прочнее, но плохо видно как идёт заполнение адсорбента, стеклянные -- видно адсорбент, но хрупкие.

В колонке идёт основной процесс -- процесс адсорбции газа на твёрдом адсорбенте, в газожидкостной хроматографии -- процесс растворения газа в тонкой плёнке.

Детекторы -- преобразуют информацию о составе газа выходящего из колонки в электрический или пневматический импульс. Существуют интегральные и дифференциальные детекторы.

Дифференциальные -- отражают мгновенное изменение измеряемой величины, а интегральные -- суммируют это значение за определённый промежуток времени.

Чаще применяют дифференциальные детекторы, основанные на применении теплопроводности газа (ДТП) или пламенно-ионизационные (ДИП).

Принцип ДТП -- катарометра основан на изменении электрического сопротивления проводника в зависимости от теплопроводности. Измерительная схема моста по принципу моста сопротивления, плечи этого моста - металлические нити, сопротивление которых зависит от температуры, одна нить -- в рабочей ячейке А, а вторая -- в ячейке сравнения В и нагреваются постоянным током. Если через обе ячейки идёт одинаковый по составу газ, то теплоотдача одинаковая, одинаковая температура, одинаково сопротивление и сигнал равен 0, уравновешен. При изменении состава одного из потоков - характер теплоотдачи меняется, меняется температура, сопротивление и сигнал отличен от 0.

Работа ДИП основана на измерении электропроводности водородного пламени, в котором сжигают анализируемую газовую смесь. Когда горит чистый водород -- ионов не образуется и электропроводность ничтожна. При сжигании пробы образуются ионы и электропроводность увеличивается.

5.1.4 Жидкостная хроматография

Среди хроматографических методов анализа наиболее разработанным является газовая хроматография, однако при некоторых анализах этот метод малоэффективен (малолетучих, химически и термически нестойких, высокореакционноспособных и др. веществ), поэтому целесообразнее применять жидкостную хроматографию.

Жидкостная хроматография основана на взаимодействии, возникающем при движении жидкой фазы сквозь неподвижный слой сорбента, обладающего большой суммарной поверхностью.

Особенностью хроматографического метода является распределение компонентов разделяемой смеси между фазами, одна из которых неподвижная большая поверхность, а другая -- поток, фильтрующийся через неподвижный слой, в жидкостной хроматографии этот поток -- жидкость (подвижная фаза).

Во всех случаях, когда подвижная фаза является жидкостью, мы имеем дело с жидкостной хроматографией, независимо от того, в каком состоянии находится неподвижная фаза.

Жидкостная хроматография получает всё большее развитие и применение с внедрением новых селективных адсорбентов на основе полимеров и становится высокочувствительным методом анализа многокомпонентных смесей в растворах.

В качестве хроматографической колонки в аналитической практике используют бюретки, делительные воронки.

Через колонку, заполненную адсорбентом, пропускают анализируемую смесь, состоящую из компонентов пробы и растворителя.

Эти компоненты будут распределяться на адсорбенте в зависимости от адсорбционной способности. В первую очередь (вверху колонки) будет адсорбироваться компонент с наибольшей адсорбционной способностью. Далее вниз по колонке растворяются компоненты по мере уменьшения адсорбционности. Например, имеются компоненты А и В в растворителе (Г-адсорбционная способность)

(Г) - ГА больше ГВ

Для более чёткого разделения зон через колонку пропускают дополнительные порции растворителя, промывают растворителем.

 А + В (растворитель)

ГА > ГВ

А А А

А

В В В В

При этом зона А смещается несколько вниз, компонент В полностью вымывается из зоны А и также смещается вниз по колонке, между зонами А и В появляется промежуток. Если промывать колонку растворителем, то можно добиться вымывания компонентов из колонки в таком порядке:

1. В 2 Растворитель 2А

Жидкость, вытекающая из колонки -- элюент.

Процесс хроматографического анализа складывается из 2-х стадий:

Подготовка колонки

Получение хроматограммы

Сущность жидкостной хроматографии состоит в том, что разделяемые вещества перемещаются через слой сорбента (НФ) вместе с подвижной фазой с разной скоростью вследствие различной сорбируемости.

В классическом варианте жидкостной хроматографии через хроматографическую колонку, заполненную сорбентом (НФ) пропускают элюент (ПФ).

Элюент -- жидкость движется под воздействием силы тяжести, скорость движения элюента можно регулировать.

Пробу анализируемой смеси помещают в верхнюю часть колонки, по мере продвижения пробы по колонке происходит разделение компонентов и через определённые промежутки времени отбирают фракции элюента, которые подвергают анализу с целью определения концентраций анализируемых компонентов.

Аппаратура, применяемая в классической жидкостной колоночной хроматографии постоянно модернизируется, совершенствуется.

С начала 70-х годов получила развитие современная высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) -- скоростная, хроматография высокого давления.

Появление этого метода было обусловлено необходимостью проведения анализа высококипящих (> 400 єС) или неустойчивых соединений, которые не разделяются методами газовой хроматографии, а также с целью увеличения скорости и эффективности разделения.

Для осуществления этого применяют колонки с малым внутренним диаметром (2-6 мм), уменьшили диаметр частиц сорбента (5-50 мкм), что привело к необходимости увеличить давление на входе колонки до 0,5-40 Мпа. Выпускаемые промышленностью жидкостные хроматографы снабжены высокочувствительными детекторами, позволяющими определить до 10-9 - 10-10 г вещества.

Достаточно высокая скорость анализа, низкий предел обнаружения, высокая эффективность колонки, возможность определить любые вещества (кроме газов) привели к быстрому развитию высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

В высокоэффективной жидкостной хроматографии реализуют все механизмы разделения -- адсорбция, распределение, ионный обмен и др., но независимо от механизма разделения подвижной фазой (ПФ) является жидкость.

В жидкостной хроматографии применяются хроматографические параметры -- tR, VR (время удерживания и удерживаемый объём).

Принципиальная схема жидкостного хроматографа.

Основные узлы

Элюент в колонку подаётся по определённой программе, состав и скорость подачи элюетна может изменяться в зависимости от условий анализа. Для обеспечения высокой скорости анализа установка жидкостной хроматографии снабжена двумя насосами (3, 4), которые управляются микропроцессором (5) и могут создавать давление до 40 МПа. Проба вводится в поток элюента через специальное устройство дозатор (инжектор) - (7). После прохождения через хроматографическую колонку (8) вещества детектируются высокочувствительным детектором (9), сигнал которого регистрируется и обрабатывается микро-ЭВМ (11). Можно зарегистрировать параметры tR и VR на ленте самописца или автоматически отобрать фракции в момент выхода пиков, чтоб провести анализ этих фракций, используя любые методы анализа.

Колонка ЖХ

Колонка в жидкостной хроматографии представляет собой трубку из нержавеющей стали с внутренним диаметром 2-6 мм и длиной 10-25 см, отполированную внутри. Колонка заполняется частицами сорбента размером 3,5-10 мкм, обычно сферической формы. Обычно используют суспензию в специально подобранном растворителе под давлением 50-80 МПа, такие колонки обладают высокой разделяющей способностью.

Детекторы

В качестве детекторов в жидкостной хроматографии обычно используют высокочувствительные спектрофотометры, которые позволяют обнаружить определяемые компоненты в количествах до 10-10 М, поглощающие свет в УФ или видимой части спектра (в пределах 190-800 нм).

В современных системах применяют высокочувствительные спектрофотометры, которые способны регистрировать спектр в течение 0,01-0,05 с, что очень важно при качественной идентификации соединений.

При анализе соединений, способных окисляться или восстанавливаться применяют электрохимический детектор, иногда применяют флуоресцентные детекторы и детекторы по электропроводности, которые чаще всего применяют в ионообменной хроматографии.

Неподвижные фазы (НФ)

Неподвижные фазы (НФ), применяемые в жидкостной хроматографии не должны смешиваться с подвижной фазой, должны быть механически и химически устойчивы в условиях анализа, обеспечивать требуемую селективность и эффективность.

В качестве таковых применяют силикагель, оксид алюминия и др.

Силикагель -- (гель кремниевой кислоты SiO2 · xH2O) -- одна из широко используемых НФ, специфический сорбент.

Адсорбция на силикагеле происходит вследствие образования водородных связей адсорбируемого вещества с поверхностными силанольными группами ? Si -- OH. Силикагель более прочно удерживает вещества с большим количеством водородных связей.

Для хроматографических целей используют силикагели с площадью поверхности 100-700 м2/г.

Поверхность силикагеля имеет слабо-кислый характер (рН = 3-5), поэтому соединения основного характера сорбируются на нём лучше, чем на сорбентах поверхность которых имеет основной характер (рН > 7). Силикагели применяют для разделения углеводородов, спиртов, фенолов, аминов, органических кислот, стероидов, липидов, комплексных соединений и др.

Оксид алюминия (Al2O3) -- поверхность этого сорбента, образованная ионами Al3+ и О2- - способна создавать сильное электростатическое поле, обладающее поляризующим свойством, поэтому на оксиде алюминия в большей степени сорбируются легко поляризуемые соединения, имеющие систему легко смещаемых электронов, легко адсорбируется на поверхности оксида алюминия вода, которая удаляется при нагревании до 300-400єС.

Различают три вида адсорбционных центров на оксиде алюминия:

кислотные, взаимодействующие с веществами, имеющие области с высокой электронной плотностью;

основные -- адсорбирующие кислоты;

электронно-акцепторные, взаимодействующие с легко поляризуемыми ароматическими молекулами.

Количество воды на поверхности сорбента -- и силикагеля и оксида алюминия влияют на процесс хроматографирования, поэтому для получения достоверных результатов хроматографирования необходимо поддерживать постоянное количество воды как на поверхности сорбента, так и в элюенте.

Кроме силикагеля и оксида алюминия в высокоэффективной жидкостной хроматографии применяют модифицированные сорбенты:

¦

а) ? Si -- O -- Si -- (CH2)7 -- CH3 неполярный октильный силикагель

¦

¦

б) ? Si -- O -- Si -- (CH2)17 -- CH3 неполярный октадецильный силикагель

¦

¦

в) ? Si -- O -- Si -- (CH2)3 -- NH2 полярный аминопропильный силикагель

¦

¦

г) ? Si -- O -- Si -- (CH2)3 -- CN полярный цианпропильный силикагель

¦

¦

д) ? Si -- O -- Si -- (CH2) -- неполярный фенил метиленовый силикагель

¦

Модифицированные сорбенты можно получить за счёт химической модификации силикагеля, силановые группы на поверхности силикагеля заменяют на различные органические соединения, что приводит к изменению селективности НФ.

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

Si -- O -- Si -- O -- Si --

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

Si -- O -- Si -- O -- Si --

¦ ¦ ¦

O O O

¦ ¦ ¦

(силикагель)

В качестве полярных модифицированных сорбентов используют силикагели с привитыми цианопропильными, аминопропильными, оксипропильными группами и др. (в, г).

На модифицированных полярных сорбентах значительно быстрее устанавливается равновесие при переходе от элюента, меньше погрешности анализа.

В качестве неполярных модифицированных сорбентов используют силикагели с привитыми этильными (С2), октильными (С8), октадецильными (С18) и фенильными радикалами. Эти сорбенты имеют большое сродство к гидрофобным молекулам (а, б, д).

5.1.4 Распределительная хроматография

Распределительная хроматография является разновидностью жидкостной и основана на распределении вещества между двумя несмешивающимися фазами.

В качестве основного показателя в этом методе является коэффициент равновесного распределения, вернее различие в величинах коэффициентов распределения отдельных компонентов раствора между двумя ненасыщенными растворителями.

При распределительной хроматографии носитель пропитывается одним из растворителей -- “неподвижный” растворитель (например, водой пропитывают бумагу или силикагель). Другой растворитель (например, хлороформ) является “подвижным” растворителем и его пропускают через колонку носителя.

В качестве неподвижного растворителя чаще всего используют полярные жидкости -- воду, H2SO4, CH3OH и др., в качестве подвижного растворителя применяют менее полярные жидкости, органические растворители.

Анализ может проводиться как в колонке, так и на бумаге и на пластинке -- в тонком слое.

При обработке носителя неподвижным растворителем -- на поверхности носителя образуется тонкая жидкая плёнка, колонка считается подготовленной к работе. После этого через колонку начинают пропускать исследуемую смесь в подвижном растворителе.

Подвижный и неподвижный растворители подбирают в зависимости от природы носителя.

Если носитель гидрофильный, то неподвижным растворителем должна быть вода, а подвижным растворителем -- органический малоподвижный растворитель.

Если носитель гидрофобный, то неподвижным растворителем должно быть органическое вещество, а подвижным растворителем -- вода. (Полярный растворитель всегда вытесняет менее полярный из полярных сорбентов).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13