Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АрхитектураБиологияГеографияДругоеИностранные языки
ИнформатикаИсторияКультураЛитератураМатематика
МедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогика
ПолитикаПравоПрограммированиеПсихологияРелигия
СоциологияСпортСтроительствоФизикаФилософия
ФинансыХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника

Как выбирают условия работы хроматографической колонки

И ИЗМЕНЕНИЕ ЕЕ СОСТАВА | ХРОМАТОГРАФИЯ В БИОЛОГИИ | МИХАИЛ СЕМЕНОВИЧ ЦВЕТ | ОПЫТЫ, СТАВШИЕ КЛАССИЧЕСКИМИ | Первая хроматограмма, полученная М. С. Цветом. | ВОЗРОЖДЕНИЕ МЕТОДА | ПРИМЕНЯЛИ ЛИ ХРОМАТОГРАФИЮ ДО ЦВЕТА | ХРОМАТОГРАФИЯ ГАЗОВ | ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ? | НАЧАЛО БУРНОГО РАЗВИТИЯ МЕТОДА |


Читайте также:
  1. I. ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРНОЙ РАБОТЫ
  2. I. Итоговая государственная аттестация включает защиту бакалаврской выпускной квалификационной работы
  3. I. При каких условиях эта психологическая информация может стать психодиагностической?
  4. I. Творческий потенциал личности и условия его развития
  5. I. Условия, способствующие развитию туризма
  6. I. Цель работы
  7. I. Цель работы

Однако вернемся немного назад. Мы ввели пробу в колонку. Что происходит с этой пробой? Она поступила на начальный участок колонки, где, как и в других частях колонки, есть зерна, пропи­танные нелетучей жидкостью, а между зернами находится газ. «Остановим мгновение» и посмотрим, как будет вести себя ана­лизируемое вещество. Часть его будет оставаться в газе между зернами, а другая часть растворится в жидкости. Другими слова­ми, произойдет распределение сорбата между газом и жид­костью. Но в какой пропорции? Какая часть останется в газе, а какая растворится? Эта пропорция есть коэффициент распреде­ления Г, который равен отношению концентрации анализируемо­го сорбата в жидкости сж (число молей сорбата в I см3 жидкости) к концентрации его в газе сг, (число молей сорбата в 1 см3 газа). Таким образом, мы можем записать: Коэффициент Г-это постоянная величина для данного сор­бата и данной жидкости, она зависит только от температуры. Постоянство коэффициента Г означает, что в каждое мгнове­ние существует равновесие между газом и жидкостью. Но такое равновесие совсем не означает, что какая-то молекула пробы бу­дет все время находиться в жидкости, а другая — все время в газе между зернами. Нет, равновесие — это процесс динамический, каждая молекула какую-то часть времени проводит в жидкости и какую-то — в газе. А отношение этих очень малых промежут­ков времени также равно Г.

Выяснив, что произошло сразу после ввода пробы в колонку, рассмотрим нашу систему в движении. Газ движется между зер­нами. Поэтому после того как в первый момент в начале ко­лонки сорбатраспределится между газовой и жидкой фазами, газ сразу же «унесет» свою часть дальше, в глубь колонки, а све­жая порция газа, занявшая это место, «потребует» у неподвижной жидкости своей доли с тем, чтобы распределение сорбата междуфазами снова соответствовало коэффициенту Г. С другой сторо­ны, газ, который транспортирует сорбат, соприкоснется в глу­бине колонки со свежими порциями неподвижной жидкости и вынужден будет отдать ей львиную долю своей добычи, так как коэффициент Г гораздо больше единицы. Таким образом, молекуле сорбата не остается ничего иного, как «нырять» из од­ной фазы в другую, пока, наконец, газ не вынесет ее прочь из колонки.

Другими словами, хроматографический процесс есть цепь сорбционных и десорбционных актов, причем под сорбцией, как мы уже говорили, понимают либо растворение в неподвижной жидкости, либо адсорбцию на поверхности адсорбента, если он служит в колонке неподвижной фазой. Десорбция же — это об­ратный процесс перехода вещества в газовую фазу. Газ при своем движении очищает колонку от сорбата, вымывает, элюирует его или проявляет хроматограмму.

С какой же скоростью передвигаются молекулы сорбата вдоль колонки? Очевидно, что эта скорость зависит и от скорос­ти газа-носителя, и от коэффициента распределения Г. Дейст­вительно, чем быстрее движется газ, тем на большее расстояние он успевает перенести молекулу сорбата. С другой стороны, чем больше время пребывания молекулы сорбата в жидкости (т.е. чем больше Г), тем больше она «отстает» от движущегося газа. Кроме того, безусловно, что чем больше в колонке жидкости, тем больше время пребывания молекул сорбата в ней.

Обозначим линейную скорость газа-носителя через а (см/с), а скорость движения зоны сорбата через и (разумеется, здесь мы имеем в виду лишь скорость перемещения вдоль колонки, так как в действительности молекула сорбата «успевает» и пере­ходить из одной фазы в другую, и перемещаться в различных на­правлениях, как в газе, так и в жидкости). Тогда

где tгвремя пребывания молекул сорбата в газовой фазе, а tж время пребывания ее в жидкости.

Если бы объем жидкой фазы в колонке был равен объему газовой, то было бы справедливо равенство

Но газовая фаза занимает в колонке больший объем (wг) по срав­нению с объемом, занимаемым жидкой фазой (wж). Поэтому сле­дует записать:

и тогда

Из последнего соотношения можно сделать очень важный вывод о том, что скорость, с которой сорбат движется вдоль колонки это специфическая характеристика

. Если проба содержит не один, а два сорбата, у которых различны значения Г, то они будут передвигаться по колонке с разными скоростями. Таким образом, вещества с разными Г будут разделяться в хроматографической колонке.

 

 

Задача исследователя, который желает разделить смесь на со­ставляющие, как раз и должна заключаться в том, чтобы подоб­рать такую неподвижную жидкость, которая по-разному раство­ряла бы составляющие смеси. Конечно, задача эта тем сложнее, чем больше компонентов входит в состав смеси.

Рассматривая законы движения веществ по колонке, нужно учесть одно важное обстоятельство. Мы говорили о том, что коэффициент распределения данного вещества между газом и жидкостью (Г) — величина постоянная. Это значит, что какова бы ни была проба, большая или малая, какова бы ни была кон­центрация вещества в газе (сг) все равно распределение между фазами произойдет в одной и той же пропорции. На графике сж—с, изотерма сорбции при постоянном Г будет иметь вид прямой линии. В этом случае вся зона анализируемого сорбата, все части этой зоны будут передвигаться с практически одина­ковой скоростью и перо самописца запишет узкий симмет­ричный пик (подобный нарисованному на графике около прямой б). Но такой случай идеальный. На практике, особенно при использовании в колонке адсорбента, коэффициент Г зависит от концентрации вещества (сорбата); и изотермы сорбции при­нимают вид выпуклой (а) или вогнутой (в) кривой. Это говорит о том что разные участки зоны сорбата будут передвигаться с разными скоростями: в одних случаях какая-то зона отстает, образуется «хвост»— мы говорим «происходит размытие тыла» (кривая а), в других быстрее выходит начальная зона, как бы за­бегая вперед, и мы говорим «размытие фронта» (кривая в). При этом происходит наложение «хвоста» одного компонента смеси на «голову» другого, ухудшается разделение смеси. Хроматографические пики получаются несимметричными: в первом слу­чае более полога конечная ветвь, во втором — начальная. Но если такое неприятное явление устранить, то каждое веще­ство будет передвигаться по слою сорбента со своей постоянной скоростью и выходить из колонки в строго определенное вре­мя tR. Эту величину называют в хроматографии временем удерживания; она зависит от длины колонки L и силы сорб­ции:

А нельзя ли по времени удерживания «узнавать» вещество? Оказывается, вполне можно, и именно на этом принципе основан качественный хроматографический анализ, идентификация («уз­навание») компонентов анализируемых смесей. Однако для полу­чения сравнимых данных исследователи должны были прово­дить эксперименты в строго одинаковых условиях —на колонках одной длины, при одной и той же скорости газа и при одинако­вом количестве неподвижной жидкости. Но это практически осу­ществить невозможно. Поэтому лучше использовать так назы­ваемое относительное удерживание г, то есть разделить время удерживания анализируемого вещества на время удерживания какого-нибудь другого вещества, которое мы будем использовать в качестве стандарт ого. Чтобы относительное удержива­ние зависело только от неподвижной фазы, нужно ввести поправку на газовое пространство в колонке. Введя все эти поправки, получают следующую формулу для расчета:

Таким образом, чтобы рассчитать г, нужно знать время удержи­вания анализируемого вещества tRстандарта tRcт и какого-ни­будь газа, который не сорбируется в колонке, t0(гелия, иногда воздуха).

В литературе по газовой хроматографии приводят таблицы, которые содержат большое число данных по относительному удерживанию самых разнообразных веществ на колонках с раз­ными сорбентами.

Однако при проведении хроматографического процесса нуж­но учитывать и еще одно обстоятельство. Разделить вещества было бы не так уж сложно, если бы каждое из них выходило из колонки (элюировалось) компактно. Но хроматограмме ему со­ответствовал бы узкий пик, высота которого говорила о количе­стве выделенного вещества. Но на практике это не так, даже если коэффициент распределения Г постоянен и асимметричного раз­мытия зон нет. Во-первых, молекуле сорбата требуется опреде­ленное время, чтобы, будучи в газовой фазе, пройти расстояние до поверхности неподвижной жидкости, раствориться в ней, пройти определенный путь внутри жидкости (продиффундиро-вать) и освободиться. Естественно, что за это время те молекулы, сорбата, которые находились в движущейся газовой среде, успе­ли пройти определенный путь вдоль колонки (и чем больше ско­рость газа-носителя, тем этот путь больше). Таким образом, про­исходит расширение (размытие) хроматографической зоны. Эти причины размытия зон называют кинетическими факторами.

Во-вторых, нужно учитывать хаотическое движение молекул в жидкой и особенно в газовой фазах. Этот процесс сопрово­ждался продольным «расплыванием» хроматографической зоны. Попробуем чисто умозрительно представить себе, как это проис­ходит. Пусть вначале на прямой линии в точке 0 находилось 64 частицы. Вследствие хаотического движения частицы с равной вероятностью смещаются вправо и влево, причем через промежуток времени, необходимый для первого шага, очевидно, спра­ва (точка +1) и слева (точка -1) будут находиться по 32 час­тицы. Следующим шагом будет смещение частиц, которые оказались в каждой из образовавшихся групп, вправо и влево и т д. Нижняя шестая строка показывает распределение частиц после шестого шага. Если это распределение изобразить графи­чески, то получится симметричная кривая. При достаточно боль­шом числе шагов смещения, что имеет место в действительности, кривая, характеризующая форму хроматографической зоны, принимает вид известной в физике и математической статистике колоколообразной кривой распределения ошибок гауссовой кривой).

Разумеется,, чем больше скорость газа-носителя, тем меньше время пребывания зоны сорбата и, следовательно, тем меньше размытие, вызванное продольной диффузией. Но, к сожалению, очень высокой скорость делать нельзя, так как зона будет расши­ряться из-за влияния кинетических факторов. Есть и другие при­чины размытия зон при высоких скоростях: это, например, из­вестный в гидравлике «стеночный эффект». В газовой хромато­графии оптимальной считают линейную скорость газа-носителя 5—10 см/с, именно при этих условиях удается получать наиболее узкие зоны сорбатов.

Теперь мы можем сказать, что разделение веществ в хромато­графической колонке определяется двумя основными фактора­ми: во-первых, селективностью неподвижной фазы, т.е. ее свой­ством по-разному сорбировать компоненты смеси, и, во-вторых, эффективностью колонки, т. е. способностью давать узкие хроматографические пики. Если подобрана селективная неподвижная фаза, но эффективность колонки была низкой, то в результате хроматографического разделения произойдет перекрывание зон (А). Если эффективность колонки достаточно высока, то непо­движная жидкая фаза практически одинаково растворяет компо­ненты смеси (коэффициенты Г для обоих веществ равны), хроматографический пик будет узким, но смесь разделить также не удастся. Оба вещества

вый­дут из колонки вместе (Б). Только если подобрать селек­тивную жидкую фазу и ко­лонку высокой эффективнос­ти, разделение зон будет хо­рошим (В).

Как подобрать селектив­ную жидкую фазу, можно себе представить, если вспом­нить, что это значит. Просто такая жидкость должна по-разному растворять компо­ненты смеси, т. е. коэффи­циенты Г компонентов смеси для данного растворителя должны быть разными, и чем больше они будут разли­чаться, тем лучше.

А как оценить эффектив­ность хроматографической колонки? По аналогии с рек­тификационной колонкой эффективность хроматогра­фической колонки стали оце­нивать числом теоретических тарелок. В хроматографии эта величина определяется отношением времени удержи­вания вещества к ширине пика, т. е. скоростью размы­тия зоны. Чем меньше ско­рость размытия, тем эффективнее колонка. Причем эта зависимость не простая. Так, если ширину пика, измеренную на половине его высоты, обозна­чить через х., то число теоретических тарелок п будет

 

 

 

Сравнивая хроматографические колонки с ректификационны­ми, мы видим, что последние по своей эффективности остаются далеко позади. Самая обычная метровая колонка в хроматогра­фии имеет эффективность в сотни теоретических тарелок, в то время как эффективность ректификационной колонки такой же длины на целый порядок меньше. Это и позволяет хроматографически разделять вещества, у которых значения Г различаются очень не намного, например близкокипящие изомеры или моле­кулы, содержащие изотопы, и т.д.

Степень разделения К равна разности времен удерживания, деленной на сумму ширин соседних пиков:

К =

и, как видно из приведенной формулы, зависит от числа теорети­ческих тарелок. Чем длиннее колонка, тем выше ее эффектив­ность. Зная значения входящих в формулу величин, можно опре­делить, колонка какой длины нужна для разделения той или иной пары веществ. При этом следует помнить, что оптимальными являются условия, когда К близка к единице.

Ну, а если, несмотря ни на что, вещества не разделяются? Зна­чит, величины коэффициентов распределения у них одинаковы и, сколько ни удлиняй колонку, эффекта не будет. Тогда нужно взять другую неподвижную фазу, т.е. изменить селективность колонки, В этом случае дробь в правой части уравнения, которая содержит времена удерживания сорбатов (коэффициент селек­тивности) изменится. Кстати, в ректификации этого сделать нельзя, так как степень разделения там определяется только темпе­ратурами кипения разделяемых веществ.

В газовой хроматографии в качестве неподвижной фазы ис­пользуют сотни разных жидкостей: это и неполярные парафины, и полярные соединения типа гликолей и их эфиров, и вещества, содержащие цианэтильные группы, и т, д. Широко применяют эфиры фталевой кислоты *, которые известны в промышленно­сти как пластификаторы при производстве пластмасс. Казалось бы, всегда можно найти то, что годится для разделения анализи­руемой смеси. Но бывают и довольно курьезные случаи. Так, оказалась очень трудной задача разделения смеси этилбензола и трех изомерных ксилолов. На колонке с обычными непо­движными фазами удается получить три пика: этилбензол и ор- то-ксилол выходят отдельно, а мета-ксилол и «ара-ксилол вме­сте. Но вот нашли, что органическое производное» глины — бентон хорошо разделяет мета- и «ара-изомеры. Казалось бы, задача решена. Однако полностью разделить смесь всех четырех веществ снова не удалось: бентон оказался настолько «хорош», что «ара-ксилол, обгоняя.мета-ксилол, догонял этилбензол, а.ме­та-ксилол отставал и выходил из колонки вместе с орто-ксило-лом. Глядя на такие хроматограммы, можно решить только одно: надо «испортить» бентон, сделать его менее селективным при разделении мета- и пара-изомеров, и тогда все четыре ком­понента будут выходить через почти равные промежутки време­ни. Для этого попытались смешать бентон с какой-нибудь «пло­хой» фазой, например с обычным вазелиновым маслом, т.е. использовать смешанную неподвижную фазу. В этом случае на хроматограмме получились четыре пика, т.е. смесь удалось разделить.

Для оценки оптимальности подобранных условий разделения смеси в хроматографии ввели особую величинукоэффициент равномерности. Если сравнивать его значения для самых разных

* Эти соединения многим известны, особенно туристам, потому что ими пользуются для отпугивания насекомых
вариантов анализа одной и той же смеси, можно опреде­лить, при каких условиях раз­деление будет наиболее рав­номерным, а в каком между пиками, например, окажутся «пустые места», что свиде­тельствует о излишней трате времени на анализ.

Скорость анализа с уче­том степени разделения ком­понентов оценивают с по­мощью коэффициента быст­родействия, который соответствует числу хорошо(сК — не менее единицы) разделен­ных компонентов, выходя­щих из колонки за одну ми­нуту:

Здесь nк— число пиков на хро­матограмме, t время ана­лиза, а степень разделения К относится к наихудшим образом разделяемой паре компонентов (пиков на хро­матограмме).

.

 

 

Быстрота разделения — это одно из важных преимуществ га­зовой хроматографии перед другими методами. Обычные лабо­раторные анализы проводят за 20— 30 минут, а разделение сме­сей, включающих десятки компонентов — за час или даже несколько часов. На промышленных же предприятиях, где самое небольшое промедление может сильно повредить качеству про­дукта, результаты анализа должны выдаваться за считанные ми­нуты.

Вот здесь-то особенно важно использовать хроматографические методы. Есть такие из них, которые позволяют разделять смесь 5—10 компонентов за несколько секунд!


Дата добавления: 2015-07-21; просмотров: 129 | Нарушение авторских прав


<== предыдущая страница | следующая страница ==>
ХРОМАТОГРАФ И ДЕТЕКТОРЫ| ПРЕПАРАТИВНАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.012 сек.)