ХНС

Розподіл речовини А між двома фазами характеризується константою рівноваги:

де k´— коефіцієнт ємності; Vрф і Vнф – об'єм рухомої і нерухомої фаз; mпф і mнф – кількість речовини в рухомій і нерухомій фазах.

Час виходу (утримування) відповідної зони з колонки tR пов'язаний з коефіцієнтом ємності:

де tR – час утримування компонента А; t0 – час виходу речовини, що не взаємодіє з нерухомою фазою (мертвий час або час проходження через колонку компонента, що не сорбується).

Відмінність в часі утримування компонентів характеризує селективність системи, що виражається величиною α:

де D – коефіцієнт розподілу.

Таким чином, α дорівнює відношенню коефіцієнтів рівноважного розподілу D або коефіцієнтів ємності 2-х компонентів і є мірою

термодинамічної відмінності в їх розподілі:

∆G0 = – RT·ln α,

де ∆G0 – відмінність у вільній енергії сорбції 2-х компонентів.

B процесі руху по колонці зона речовини внаслідок дифузії розмивається, що позначається на ширині піків. Ширина піків визначається ефективністю хроматографічної системи: на представленій нижче хроматограмі в першому випадку розділення двох речовин доволі селективне, але неефективне; у другому випадку – висока ефективність і висока селективність розділення.

51

Як міру розмивання хроматографічної смуги використовують параметр H, що має розмірність довжини і званий “висота, еквівалентна теоретичній тарілці” (ВЕТТ):

H = L / 16·(W/tR)2,

де W – ширина піка; L – довжина колонки

Чим менше H, тим вужчий пік, тим ефективнішеWсистема і більшу кількість компонентів можна розділити на колонці.

Теорія теоретичних тарілок

Хроматографічну колонку можна представити як ряд дискретних, вузьких шарів, що не стикаються, або зон – “тарілок”. На кожній тарілці встановлюється рівноважний розподіл речовини. Рух рухомої фази приводить до перенесення частини речовини з однієї тарілки на іншу і далі.

Час утримування tR пропорційний числу теоретичних тарілок:

tR = b·N,

де b – коефіцієнт пропорційності; N – число теоретичних тарілок. Для розрахунку N можна використовувати параметр tR:

N=16 tR 2

W

Знаючи число теоретичних тарілок і довжину колонки, можна розрахувати H:

Н = NL

Дифузійна (кінетична) теорія хроматографії

За цією теорією приймається до уваги, що в динамічних умовах на розмивання хроматографічної зони впливає дифузія молекул сорбату в рухомій фазі, в порах сорбенту і інші складні процеси масообміну. Зв'язок ВЕТТ (H) з лінійною швидкістю (U) потоку рухомої фази описується рівнянням:

Н= A + UB +C U

Уцьому рівнянні коефіцієнтом А виражають вихрову дифузію; В –

коефіцієнт дифузії, пов'язаний з рухом рухомої фази уздовж колонки; коефіцієнт С виражає опір масопередачі в двох фазах, U – швидкість потоку рухомої фази.

52

За великих швидкостей потоку рухомої фази в рідинній адсорбційній хроматографії (“високошвидкісна хроматографія”) величина Н залежить в основному від доданків А і С U в представленому вище рівнянні, тому збільшення швидкості U приводить до безперервного збільшення Н, тобто до зменшення ефективності роботи хроматографічної колонки.

Для проведення хроматографічних вимірювань використовують хроматограф. Основними вузлами хроматографа є дозатор (система введення проби), хроматографічна колонка і детектор. Крім того, в хроматографі є пристрої для подачі газу-носія або розчинника, для перетворення імпульсу детектора у відповідний сигнал і деякі інші.

Схема газового хроматографа представлена на рис. 4.5:

Рис. 4.5. Блок-схема газового хроматографа:

1 – газовий шприц для введення зразка; 2 – мембрана; 3 – обхідний клапан; 4 – балон з газом-носієм; 5 – колонка; 6 – детектор

Газоподібні і рідкі проби зазвичай вводять за допомогою спеціальних шприців, проколюючи в місці введення проби каучукову мембрану. У хроматографічній колонці відбувається розділення компонентів. Застосовують прямі, спіральні і інші колонки завдовжки від 1-2 м і менш до декількох десятків метрів. Колонки бувають металеві, скляні, пластикові. Колонок і детекторів може бути декілька. У газовій хроматографії як адсорбенти використовують оксид алюмінію, силікагелі, активоване вугілля, пористі полімери на основі стиролу, дивінілбензолу і т.д. та синтетичні цеоліти. В газовому хроматографі обов'язково є комп'ютер і банк хроматографічних даних. Зараз використовують капілярні колонки з плавленого кварцу. Великий вплив на здатність до сорбції речовини має температура, тому хроматографічні колонки, як правило, термостатують.

Прилади для рідинної хроматографії мають ті ж принципові вузли. На рис. 4.6 представлена схема хроматографа для високоефективної

рідинної хроматографії (ВЕРХ).

53

Коефіцієнт fx знаходять при аналізі стандартних речовин. Для цього готують суміш точно визначених кількостей (по масі і об'єму) досліджуваних компонентів. Модельну суміш хроматографують, знаходять

площі піків і розраховують поправочні коефіцієнти fi = mi .

Si

2. Метод зовнішнього стандарту.

Метод використовують при визначенні окремих речовин або аналізі простих сумішей, а також мікродомішок. Готують два стандартні розчини визначуваних компонентів, однакові їх кількості вводять в хроматограф і визначають площі піків (або висоту) кожного компонента S1, Sx і S2. Далі по двох обмежуючих точках або по більшому числу точок будують залежності площі піку від вмісту визначуваного компонента в стандартних розчинах (градуювальний графік).

3. Метод внутрішнього стандарту.

Його застосовують за відсутності на хроматограмі піків деяких компонентів аналізованої суміші. B аналізовану суміш вводять деяку кількість стандартної речовини. Ця речовина повинна бути хімічно інертною, бути відсутньою в аналізованій пробі і повністю відділятися від інших компонентів суміші. Час її утримування повинен бути близьким до tR визначуваних компонентів, а концентрація повинна бути близька до концентрацій визначуваних компонентів.

Визначають площі піків і для кожного компонента розраховують поправковий коефіцієнт за формулою:

k = Sвн.ст. Сх

Sx Cвн.ст.

Знаючи поправкові коефіцієнти, вміст компонента розраховують за формулою:

де mвн.ст. и mпроби – маса відповідно внутрішнього стандарту і проби.

55

4.2. Рідинна хроматографія

Рухома фаза – рідина. B методі рідинної хроматографії розділення найчастіше відбувається при кімнатній температурі. На відмінність від газу, який виконує тільки транспортну функцію і не сорбується рухомою фазою, рідка рухома фаза – активний елюент, молекули якого можуть сорбуватися на поверхні. При проходженні крізь колонку молекули визначуваного компонента, що знаходяться в елюенті, повинні витіснити молекули елюенту з поверхневого шару сорбенту.

Селективність в рідинній хроматографії, на відмінність від газової, визначається не одним, а двома чинниками – природою рухомої (елюент) і нерухомої фаз.

B скляну колонку завдовжки 1-2 м, заповнену сорбентом, вводять аналізовану пробу і пропускають елюент. Розмір зерен сорбенту 5-30 мкм. Для таких сорбентів необхідне примусове нагнітання елюенту через колонку. Цей метод називається високоефективна рідинна хроматографія (ВЕРХ). Метод може використовуватися для розділення молекул (твердорідинна і рідинно-рідинна хроматографія), для розділення і визначення іонів (іонообмінна, іонна, іон-парна), для розділення макромолекул (ексклюзійна).

4.2.1. Адсорбційна хроматографія

Нерухома фаза повинна утримувати речовини, що розділяються. Рухома фаза, тобто розчинник, повинна забезпечувати різну місткість колонки і ефективне розділення за прийнятний час.

Нерухомі фази – це адсорбенти різних типів (полярні, неполярні, пористі носії). Це тонкодисперсні пористі матеріали.

Полярні адсорбенти (SiO2, A12O3, оксиди металів, флоросил). Всі ці адсорбенти мають на поверхні слабкокислотні OH-групи, здатні утримувати речовини з основними властивостями. Ці адсорбенти застосовують для розділення неполярних сполук і сполук з середньою полярністю. Недолік полярних адсорбентів – висока чутливість до вмісту H2О у розчинах, наприклад, силоксанові групи −Si – O – Si – на поверхні SiO2 в присутності води переходять в силанольні ≡ Si – OH.

Неполярні адсорбенти – графітова сажа, кізельгур, діатоміт. Кізельгур – це викопний мінерал, який на 90% складається з аморфного кремнезему. Він представляє собою скам’янілі останки стародавніх водоростей. Оболонки їх клітин мали розвинену систему пор, через яку водорості отримували харчувальні речовини шляхом молекулярної дифузії. Кізельгур, який зберіг цю порувату структуру, є справді ідеальним хроматографічним матеріалом. Використовують також сорбенти з

56

прищепленими неполярними фазами, наприклад, силікагель з алкілсилільними групами від С2 до С22.

Крім того, використовують поверхнево-пористі носії – скляні кульки, покриті тонким пористим шаром активного полярного або неполярного сорбенту.

Рухомі фази:

Рухома фаза повинна розчиняти аналізовану пробу, мати малу в'язкість, бути інертною по відношенню до матеріалів всіх частин хроматографа.

Для нерухомої фази SiO2 використовують розчинники – CC14, С6Н6, CHC13, діоксан, ацетонітрил. Застосовують пропанол, ізопропанол, етанол. Часто використовують не індивідуальні розчинники, а їх суміш. Іноді застосовують метод ступінчастого або градієнтного елюювання, оскільки одна рухома фаза як елюент може не розділити всі компоненти проби за прийнятний час.

Механізм утримування найчастіше змішаний, тобто утримування відбувається по адсорбційному, розподільному, ексклюзійному механізмам.

4.2.2. Розподільна хроматографія

Метод розподільної або рідинно-рідинної хроматографії ґрунтується на розподілі речовини між двома рідинами, що не змішуються. Рідка нерухома фаза наноситься на пористий інертний сорбент, як в газорідинній хроматографії, і ним заповнюють розподільну колонку. При пропусканні рідкої рухомої фази через колонку суміш розділяється на компоненти за рахунок їх різної розчинності в рідкій нерухомій фазі і в основному за тими ж механізмами, що і в газорідинній хроматографії.

Зазвичай нерухомою фазою є полярний розчинник (H2О, спирт), фіксований на твердому носієві – силікагелі SiO2, целюлозі, діатоміті, оксиді алюмінію A12O3. Рухомою фазою в цьому випадку служать неполярні розчинники – ізооктан, С6Н6.

Якщо на носієві зафіксований неполярний розчинник, то як рухому фазу використовують полярні розчинники (воду, спирт, буферні розчини, сильні кислоти). Haнeceні рідкі фази мають великий недолік. Вони швидко змиваються рухомою рідкою фазою, особливо у методі ВЕРХ, тобто при підвищеному тиску в колонці. Тому рідкі фази щеплять до носія. Наприклад, використовують силікагель з прищепленими нітрильними, амінними та іншими групами або силікагель з прищепленими алкілсилільними групами від С2 до С22.

57

4.2.3. Іонообмінна, іонна хроматографія

B основі іонообмінної, іонної і іон-парної хроматографії лежить динамічний процес заміщення іонів, пов'язаних з нерухомою фазою, іонами із рухомої фази, що поступають в колонку разом з елюентом.

Нерухома фаза – іонообмінники – поглинають з розчину електроліту катіони або аніони, виділяючи в розчин еквівалентне число інших іонів із зарядом того ж знаку. Між катіонообмінником і розчином відбувається обмін катіонів, між аніонообмінником і розчином – обмін аніонів.

Катіонообмінники (катіоніти) – спеціально синтезовані полімерні нерозчинні у воді речовини, що містять в своїй структурі іоногенні групи: –SO3H , –COOH, –OH, –PO3H2, –AsO3H2.

Хімічні формули катіонітів схематично можуть бути записані як R– SO3H або R–SO3Na, де R – макромолекула. Можна записати ці формули ще простіше: R–Н – катіоніт у Н-формі і R–Na – катіоніт у Na-формі.

Реакції іонного обміну – звичайні хімічні гетерогенні реакції:

R–Н + Na+ Ù R–Na + H+

Аніонообмінники (аніоніти) містять в своїй структурі іоногенні групи основного характеру:

–N(CH3)3+, =NH2+, ≡NH+

Їх хімічні формули можуть бути зображені як RNH3OH і RNH3C1 (або R–OH, R–Cl).

Аніонообмінну реакцію можна записати таким чином:

R–OH + Cl– Ù R–Cl + OH–

Іонообмінники отримують за реакціями поліконденсації або полімеризації. Як зшиваючий реагент для створення міжланцюгових (поперечних) зв'язків застосовують дивінілбензол.

Максимальна кількість іонів, які може зв'язати іонообмінник, визначає його ємність, яка співпадає з вмістом в іонообміннику іоногенних груп. Ємність відносять до одиниці маси або об'єму і зазвичай виражають в ммоль/1 г сухого або набряклого іонообмінника в H- або Clформі.

Набухання пояснюється наявністю в структурі іонообмінників гідрофільних іоногенних груп. Чим більша щільність матриці, тим менше набухання іонообмінника.

Селективність іонного обміну. Експериментально встановлено ряди спорідненості іонів по відношенню до іонообмінників. Так, при низьких концентраціях розчинів на сильнокислотних катіонітах ряди здатності до сорбції одно- і двохзарядних катіонів виглядають так:

Cs+>Rb+>K+>Na+>Li+

Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+

58

Для іонів з різними зарядами здатність до сорбції збільшується із збільшенням заряду:

Th4+ > Аl3+ > Ca2+ > Na+

Ряди спорідненості встановлено і для аніонообмінників. Наприклад, для сильноосновного аніонообмінника здатність аніонів до сорбції

збільшується в ряду:

ClO4– > SCN– > I– > NO3– >Br– > Cl– > OH– > F–.

В якості рухомої фази найчастіше використовують водні розчини, оскільки вода володіє прекрасними розчинювальними і іонізуючими властивостями. Ha силу рухомої фази, як елюенту, основний вплив надають рН, іонна сила, природа буферного розчину, вміст органічного розчинника або поверхнево-активної речовини (іон-парна хроматографія).

Для селективного елюювання поглинених іонів можна використовувати воду, буферні розчини, розчини мінеральних і органічних (фенол, лимонна, молочна, винна, щавлева, ЕДТА) кислот.

Іонна хроматографія

Це експресний метод визначення органічних і неорганічних іоногенних сполук, що поєднує іонообмінне розділення з високочутливим кондуктометричним детектуванням. Таке детектування можливе тільки при низькій фоновій електропровідності.

В основі методу лежить елюентне іонообмінне розділення катіонів або аніонів на розділяючій колонці, заповненій іонообмінником з низькою ємністю; придушення фонового сигналу елюенту в пригнічуючій (компенсаційній) колонці, заповненій іонообмінником з високою ємністю; кондуктометричне детектування іонів після розділення.

Розділяюча колонка:

з використанням, як елюенту, 0,001 М HCl і катіонообмінника R-H відбувається розділення катіонів R-H + MCl Ù R-M + HCl

сильний електроліт

B результаті елюент перетвориться у воду (слабкий електроліт), а іони М+, що розділяються, детектуються кондуктометричним методом у вигляді гідроксидів (сильні електроліти).

На рис. 4.7 представлена хроматограма розділення мікрокількостей однозарядних катіонів методом іонної хроматографії.

59