Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Хроматографические методы анализа: Учебно-методическое пособие

Голосов: 1

В пособии изложены краткие сведения о теоретических представлениях в методе хроматографии, дана характеристика различных вариантов хроматографии, описаны аналитические возможности и области применения хроматографии, приведены вопросы для самоконтроля. Приведены методические указания к выполнению лабораторных работ по газожидкостной, тонкослойной, бумажной, ионообменной хроматографии. В приложении даны примеры решения типовых задач по хроматографии. Учебно-методическое пособие соответствует рабочей программе дисциплины "Аналитическая химия и ФХМА", предназначено для студентов направления 240100 - "Химическая технология и биотехнология". Пособие подготовлено на кафедре физической и аналитической химии Томского политехнического университета.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
             МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
      «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
    ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»




               Т.М.Гиндуллина, Н.М.Дубова


ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНА-
            ЛИЗА
                         Учебно-методическое пособие


       Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом
                    Томского политехнического университета




                           Издательство
              Томского политехнического университета

                                      2010


         УДК 543.544(076.8)
         ББК 24.4я73
         Г 34
       Гиндуллина Т.М.
Г 34   Хроматографические методы анализа: учебно-методическое
       пособие /Т.М. Гиндуллина, Н.М. Дубова – Томск: Изд-во
       Томского политехнического университета, 2010. – 80 с.

       В пособии изложены краткие сведения о теоретических представлениях в мето-
       де хроматографии, дана характеристика различных вариантов хроматографии,
       описаны аналитические возможности и области применения хроматографии,
       приведены вопросы для самоконтроля. Приведены методические указания к вы-
       полнению лабораторных работ по газожидкостной, тонкослойной, бумажной,
       ионообменной хроматографии. В приложении даны примеры решения типовых
       задач по хроматографии.
            Учебно-методическое пособие соответствует рабочей программе дисци-
       плины «Аналитическая химия и ФХМА», предназначено для студентов направ-
       ления 240100– «Химическая технология и биотехнология».

                                                   УДК 543.544(076.8)
                                                   ББК 24.4я73



                                    Рецензенты

                    Кандидат химических наук, доцент ТГУ
                               В.Н. Баталова

                 Кандидат химических наук, доцент СибГМУ
                             А.А. Блинникова


                        © Гиндуллина Т.М., Дубова Н.М., составление, 2010
                        © Составление. Томский политехнический
                        университет, 2010
                        © Оформление. Издательство Томского
                        политехнического университета, 2010




                                      2


                   ГЛАВА 1. ХРОМАТОГРАФИЯ

                              Введение
     Хроматография – важнейший аналитический метод. Хроматогра-
фическими методами можно определять газообразные, жидкие, и
твердые вещества с молекулярной массой от единиц до 106. Это могут
быть неорганические вещества, например, ионы металлов, изотопы во-
дорода, и органические – белки, синтетические полимеры и т.д. С помо-
щью хроматографии получена обширная информация о строении и
свойствах органических соединений многих классов. Хроматографию с
успехом применяют в исследовательских и клинических целях в различ-
ных областях биохимии и медицины, в фармацевтике, криминалистике,
пищевой промышленности, для мониторинга окружающей среды. Уни-
версальность, экспрессность, чувствительность метода обуславливают
частое использование хроматографии в аналитических целях.
     Возникновение хроматографии как научного метода связано с
именем русского ученого-ботаника М.С.Цвета, который впервые приме-
нил явление адсорбции для анализа зеленой части хлорофилловых пиг-
ментов листьев. В 1903 г. М.С.Цвет опубликовал статью, в которой
сформулировал принцип нового метода и наглядно показал возмож-
ность отделения зеленой части хлорофилловых пигментов от желтой и
оранжевой с помощью углекислого кальция (адсорбента). Однако метод
хроматографии не использовался вплоть до 1930 года, когда немецкие
биохимики Кун, Ледерер, Винтерштейн повторили опыты Цвета и
успешно разделили каротин на отдельные изомеры, предсказанные Цве-
том. С этого времени хроматография стала развиваться в самых разно-
образных направлениях.
     Первые публикации, посвященные применению метода Цвета в
неорганическом анализе, относятся к 1937 году и принадлежат Швабу и
его сотрудникам. В этих работах приведена методика качественного
анализа смесей некоторых катионов и анионов на стеклянной колонке с
оксидом алюминия. С 1938 г. широкое распространение получил метод
тонкослойной хроматографии, разработанный Н.А.Измайловым и
М.C.Шрайбер.
     Значительные успехи в разделении и анализе неорганических ве-
ществ были достигнуты в 50-х годах, когда в практику хроматографии
были введены в качестве адсорбентов ионообменные смолы, что
способствовало развитию ионообменной хроматографии. В 1941 году
английские ученые Мартин и Синдж предложили метод распредели-
тельной хроматографии в жидкостно-жидкостном варианте.
                                 3


     В 1948 г. русские ученые Е.H. Гапон и Т.Б. Гапон предложили оса-
дочную хроматографию, основанную на различной растворимости осад-
ков в подвижной фазе. Первая работа по газовой хроматографии в Рос-
сии была выполнена Н.М. Туркельтаубом в 1949г. В 1952 году Джеймс
и Мартин применили газожидкостную хроматографию к анализу жир-
ных кислот. Дальнейшему развитию газовой хроматографии способ-
ствовали работы русских ученых А.A. Жуховицкого, М.C. Вигдергауза,
A.B. Киселева, Д.A. Вяхирева, А.В. Березкина и других. Более 10 работ
(1957–1980), выполненных с применением хроматографических мето-
дов, были удостоены Нобелевских премий.

                     1. Сущность хроматографии
      Хроматография – это физико-химический метод разделения ве-
ществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами
– подвижной и неподвижной. Неподвижной фазой обычно служит
твердое вещество (сорбент) или пленка жидкости, нанесенная на
твердое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или
газ, протекающий через неподвижную фазу.
      Компоненты анализируемой смеси вместе с подвижной фазой пере-
мещаются вдоль стационарной фазы, которую обычно помещают в ко-
лонку (стеклянную или металлическую трубку). Если молекулы разных
компонентов разделяемой смеси обладают различной адсорбируемо-
стью или растворимостью, то время их пребывания в неподвижной
фазе, а следовательно, и средняя скорость передвижения по колонке
различны. Одни компоненты остаются в верхнем слое сорбента, другие,
с меньшей адсорбируемостью, оказываются в нижней части колонки,
некоторые покидают колонку вместе с подвижной фазой. Так достигает-
ся разделение компонентов. Хроматография – динамический метод, свя-
занный с многократным повторением сорбционных и десорбционных
процессов, так как разделение происходит в потоке подвижной фазы.
Это обеспечивает эффективность хроматографического метода по срав-
нению с методами сорбции в статических условиях.
       С помощью хроматографии возможны: разделение сложных сме-
сей органических и неорганических веществ на отдельные компоненты,
очистка веществ от примесей, концентрирование веществ из сильно раз-
бавленных растворов, качественный и количественный анализ исследуе-
мых веществ.




                                 4


            2. Классификация хроматографических методов
     В основу классификации многочисленных хроматографических ме-
тодов положены следующие признаки:
     1)     агрегатное состояние фаз;
     2)     механизм взаимодействия сорбент – сорбат;
     3)     способы проведения хроматографического анализа;
     4)     аппаратурное оформление (техника выполнения) процесса
хроматографирования;
     5)     цель хроматографирования.
     По агрегатному состоянию фаз хроматографию разделяют на га-
зовую и жидкостную. Газовая хроматография включает газожидкост-
ную и газотвердофазную, жидкостная – жидкостно-жидкостную и жид-
костно-твердофазную. Первое слово в названии метода характеризует
агрегатное состояние подвижной фазы, второе – неподвижной.
     По механизму взаимодействия сорбента и сорбата можно выде-
лить несколько видов хроматографии: адсорбционная основана на раз-
личии в адсорбируемости веществ твердым сорбентом; распредели-
тельная основана на различной растворимости разделяемых веществ в
неподвижной фазе (газожидкостная хроматография) или на различной
растворимости веществ в подвижной и неподвижной фазах (жидкостная
хроматография); ионообменная хроматография – на разной способно-
сти веществ к ионному обмену; эксклюзионная хроматография – на раз-
личии в размерах и формах молекул разделяемых веществ; аффинная
хроматография – на специфических взаимодействиях, характерных для
некоторых биологических и биохимических процессов (например, анти-
тело и антиген, гормон и рецептор и др.). Существует осадочная хрома-
тография, основанная на образовании отличающихся по растворимости
осадков разделяемых веществ с сорбентом, адсорбционно-комплексооб-
разовательная, основанная на образовании координационных соедине-
ний разной устойчивости в фазе или на поверхности сорбента, и др.
Следует помнить, что классификация по механизму взаимодействия
весьма условна: ее используют в том случае, если известен доминирую-
щий механизм; часто процесс разделения протекает сразу по несколь-
ким механизмам.
     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
хроматография). В колоночной хроматографии используют насадочные
или капиллярные колонки. Насадочную колонку заполняют сорбентом

                                 5


(насадкой), а внутреннюю стенку капиллярной колонки покрывают
пленкой жидкости или пылью адсорбента.
     В зависимости от цели проведения хроматографического процесса
различают аналитическую хроматографию (качественный и количе-
ственный анализ); препаративную хроматографию (для получения ве-
ществ в чистом виде, для концентрирования и выделения микроприме-
сей); промышленную (производственную) хроматографию для автомати-
ческого управления процессом (при этом целевой продукт из колонки
поступает в датчик). Хроматографию часто используют для исследова-
тельских целей при изучении растворов, каталитических процессов, ки-
нетики химических процессов и т.п.
     Классификация по способам проведения анализа подразделяет
хроматографию на три вида: 1) фронтальный, 2) проявительный, 3) вы-
теснительный .
     Фронтальный метод наиболее прост по выполнению. Через хро-
матографическую колонку с сорбентом непрерывным потоком пропус-
кают раствор или газовую смесь исследуемых веществ, сорбируемость
которых увеличивается в ряду А < В < С. Соответственно этому компо-
ненты располагаются в колонке. Однако они разделяются не полностью.
В чистом виде может быть выделен лишь первый, наиболее слабо
сорбирующийся компонент, который движется вдоль слоя сорбента
впереди остальных. За зоной первого компонента следует в непосред-
ственном контакте зона, содержащая первый и второй компоненты. Тре-
тья зона содержит смесь первого, второго и третьего компонентов. В не-
который момент времени сорбент насыщается, и наступает «проскок»,
т.е. из колонки начинают выходить компоненты в соответствии с их
сорбируемостью. Если пропускать жидкость или газ, выходящие из ко-
лонки, через детектор концентраций и наносить показания его в течение
всего опыта на график, то полученная выходная кривая будет иметь
форму ступенчатой кривой (рис.1.1).
     Фронтальный метод не нашел широкого применения в анализе, т.к.
не дает полного разделения компонентов анализируемой смеси. Однако
этот метод весьма эффективен для препаративного выделения чистого
вещества из технического образца при условии, что это вещество удер-
живается в колонке слабее всех других компонентов объекта анализа.
     Типичные примеры применения фронтального анализа: очистка и
умягчение воды ионообменными материалами; очистка воздуха активи-
рованными углями от отравляющих веществ в противогазах и вентиля-
ционных фильтрах химических предприятий; концентрирование ценных
веществ из сточных промышленных вод металлургических предприя-

                                  6


тий; очистка лекарственных препаратов и пищевых продуктов с помо-
щью ионообменников и т.д.




              Рис.1.1. Выходная кривая фронтального анализа

                     А, В, С – разделяемые вещества

     Проявительный (элюентный) метод выгодно отличается от
фронтального тем, что он позволяет полностью разделить много-компо-
нентную смесь. Хроматографическую колонку промывают раствори-
телем или газом-носителем (элюентом), обладающим меньшей сорбиру-
емостью, чем любое из разделяемых веществ. Затем в колонку вводят
исследуемую смесь в виде порции раствора или газа, а не непрерывно, и
продолжают пропускать элюент. При этом разделяемые вещества пере-
мещаются вдоль колонки с разными скоростями в соответствии с их
сорбируемостью. На выходе из колонки детектор фиксирует непрерыв-
но концентрацию компонентов, а связанный с ним регистрирующий
прибор записывает выходную кривую в виде ряда пиков, число которых
соответствует числу разделенных компонентов (рис.1.2).
     Проявительный метод анализа получил широкое применение как в
жидкостной, так и в газовой хроматографии. Это объясняется тем, что
при правильном выборе условий разделения компоненты смеси выходят
из колонки в чистом виде, и их можно выделить для исследования дру-
гими методами анализа. Кроме того, качественный и количественный
состав анализируемой смеси можно определить простым измерением
объемов удерживания и площадей пиков соответствующих компонен-
тов на полученной хроматограмме.
     Вытеснительный метод отличается от фронтального и прояви-
тельного тем, что после введения пробы исследуемой смеси колонку


                                   7


             Рис. 1.2. Выходная кривая проявительного анализа

         А, В, С – разделяемые вещества, Е – растворитель (элюент)

промывают растворителем или газом-носителем, к которым добавляют
раствор вещества (вытеснитель), обладающего большей сорбируемо-
стью, чем любое из разделяемых веществ. По мере продвижения по ко-
лонке элюент вытесняет вещество С, которое в свою очередь вытесняет
вещество В и т.д. В результате вытесняемая смесь перемещается впере-
ди фронта вытеснителя и скорость движения вещества равна скорости
движения вытеснителя. Разделяемые вещества и на колонке, и в элюате
располагаются последовательно друг за другом. Каждый из компонен-
тов выделяется в чистом виде, но не количественно, так как зоны
компонентов не разделены промежутками чистого сорбента.
     Невозможность получения на выходе из колонки достаточно чи-
стых компонентов разделяемой смеси, а также длительность процесса
разделения затрудняют использование этого метода в аналитических це-
лях. Однако для препаративных целей метод не потерял значения, так
как возможность применения таких высокоактивных и доступных ад-
сорбентов, как активированные угли, позволяет достигнуть высокой
производительности. Достоинством метода является также то, что зоны
не размываются в отличие от проявительного анализа.
                      Вопросы для самоконтроля
  1. В чем сущность хроматографического процесса?
  2. Каково назначение подвижной и неподвижной фаз?
  3. Какие процессы происходят в колонке?
  4. Как классифицируют методы хроматографии по агрегатному со-
     стоянию фаз и по способу хроматографирования??
  5. В чем состоит проявительный (элюентный ) анализ?



                                    8


  6.   В чем преимущество элюентной хроматографии перед фронталь-
       ной и вытеснительной?
  7.   Как классифицируют методы хроматографии по технике проведе-
       ния эксперимента и цели ?
  8.   В чем сущность хроматографического разделения по методу: а)
       газожидкостной хроматографии; б) распределительной жидкост-
       ной хроматографии; в) осадочной хроматографии; г) тонкослой-
       ной хроматографии; д) ионообменной хроматографии; е) эксклю-
       зионной хроматографии?
  9.    Как влияет температура на хроматографический процесс?

                    3. Ионообменная хроматография
     В основе ионообменной хроматографии лежит обратимый стехио-
метрический обмен ионов, содержащихся в хроматографируемом
растворе, на ионы веществ, называемых ионитами или ионобменника-
ми. Иониты могут быть органические и неорганические, природные и
синтетические. По знаку обменивающихся ионов различают катиониты
(для обмена катионов) и аниониты (для обмена анионов).
     К природным ионитам относятся алюмосиликаты, некоторые сорта
каменных углей, мягкие и твердые угли даже без предварительной обра-
ботки.
     В аналитической практике широко используют синтетические
иониты. Ионообменники получают реакциями поликонденсации либо
полимеризации, линейные цепи полимеров разветвлены и связаны друг
с другом «мостиками», например, молекулами дивинилбензола; в состав
ионитов входят различные функциональные (ионогенные) группы, кото-
рые и определяют наиболее характерные свойства ионитов. Иониты не-
растворимы в воде, кислотах, щелочах и во многих органических
растворителях, но способны набухать в воде за счет гидрофильных
ионогенных групп.
     Органические катиониты содержат кислотные функциональные
группы: – SO3–, – PO3–, – COO–, – OH –. Органические аниониты содер-
жат группы основного характера: – NH2+, = NH+, ≡ N+, – N(CH3)3+. Ка-
тиониты представляют собой полиэлектролиты, диссоциирующие с об-
разованием высокомолекулярного аниона (например, RSO3–) и подвиж-
ного катиона (например, Н+- иона),легко обменивающегося на другие
катионы. Аниониты диссоциируют на высокомолекулярный катион
(например, RNH+) и подвижный анион (например, ОН –), способный об-
мениваться на другие анионы (R – высокомолекулярный углеводород-
ный радикал ионообменной смолы).

                                  9


   Реакции ионного обмена можно представить схематично сле-дую-
щим образом:

                 RSO3 H + CaCl2 Ђ ( RSO3 ) 2 Ca + 2 HCl
                             (катионный обмен)
            RN (CH 3 )3 OH + NaCl Ђ RN (CH 3 )3 Cl + NaOH
                              (анионный обмен)
    Реакции ионного обмена обратимы и в первом приближении под-
чиняются закону действующих масс.
    Важной характеристикой ионита является его обменная емкость.

                   3.1. Обменная емкость ионитов
     Обменная емкость (ОЕ) – количественная мера способности ионита
поглощать противоионы. Численно обменную емкость выражают коли-
чеством поглощенных миллимоль эквивалентов ионов на 1г сухой смо-
лы в Н+-форме для катионита и Сl −-форме для анионита.
     Определение емкости можно отнести и к единице объема набухше-
го слоя ионита. Обменная емкость, полученная в статических условиях,
когда навеску ионита помещают в раствор насыщающего иона опреде-
ленной концентрации и выдерживают при встряхивании до полного на-
сыщения ионита, называется статической (СОЕ). Величина ее отличает-
ся от величины обменной емкости, полученной в динамических услови-
ях при пропускании насыщающего раствора через колонку с ионитом.




              Рис.1.3. Выходная хроматографическая кривая

    Динамическая обменная емкость характеризуется двумя показате-
лями: динамической обменной емкостью до проскока (ДОЕ) и полной
динамической емкостью (ПДОЕ). ДОЕ представляет собой емкость

                                  10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика