ХНС

Детектори в рідинних хроматографах

1. Рефрактометричний (універсальний).

Він визначає загальний показник заломлення системи «пробаелюент», тобто сигнал дають всі компоненти, показник заломлення яких відрізняється від показника заломлення елюенту. Його чутливість 10–6 г. Діапазон лінійності – 4 порядки.

2. УФ – детектор.

Працює при одній і тій же довжині хвилі, відповідній найбільш інтенсивній лінії ртутної лампи низького тиску λ=253,7 нм. УФ – детектор найбільш чутливий, якщо молярні коефіцієнти світлопоглинання ε компонентів високі, а елюент не поглинає в УФ області спектра. Об'єм проточної кювети цього детектора менше 10 мкл. При такій λ можна визначати будь-які ароматичні сполуки, більшість кетонів і альдегідів. Цей детектор селективний, дозволяє визначати 10-9 г.

3. Фотометри і спектрофотометри.

Вони дозволяють працювати при будь-якій довжині хвилі (190 – 650 нм). Можна реєструвати зміну поглинання в часі при певній довжині хвилі або в зупиненому потоці елюенту знімати спектр.

4. Кондуктометричний детектор.

Застосовується в іонній хроматографії для вимірювання провідності розчинів, яка пропорційна числу іонів в розчині, їх рухливості. Межа виявлення n·10-3 мкг/мл.

4.3. Газова хроматографія

Методом газової хроматографії відбувається розділення летких сполук, звідси необхідність термостатування колонки. Рухома фаза – газносій (H2, He, N2, Ar, CO2), він протікає через нерухому фазу, яка має велику поверхню. Газ-носій не взаємодіє з речовинами, що розділяються, і нерухомою фазою. Процес розділення ґрунтується на відмінності в леткості і розчинності компонентів, які розділяються. Через хроматографічну колонку швидше рухається той компонент, розчинність якого в нерухомій фазі менша, а леткість при даній температурі більша.

Кількісний аналіз можна провести тільки в тому випадку, якщо речовина термостійка, тобто випаровується в дозаторі відтворювано, і її елюювання відбувається без розкладання. При розкладанні речовини на хроматограмі з'являються помилкові піки, що відносяться до продуктів розкладання.

Газова хроматографія – серійний метод аналізу органічних сполук. Газову хроматографію ділять на газоадсорбційну і газорідинну.

61

4.3.1.Газоадсорбційна хроматографія

Угазоадсорбційній хроматографії нерухома фаза – адсорбенти з високою питомою поверхнею. Адсорбція молекул з газової фази відбувається за рахунок міжмолекулярних взаємодій (дисперсійних, орієнтаційних, індукційних), що мають електростатичну природу.

Температура колонки може бути постійною, а може градієнтно зростати. Низькокиплячі речовини елюються швидко, а висококиплячі мають більший час утримування, їх піки на хроматограмі будуть нижчі і ширші.

Адсорбентами в газовій хроматографії зазвичай є активоване вугілля, силікагелі, пористе скло. Останнім часом використовують адсорбенти з однорідною поверхнею – пористі полімери, макропористі силікагелі (силіхром, порасил, сферосил).

Найширше метод газоадсорбційної хроматографії застосовують для

аналізу сумішей газів (О2, N2, CO, CH4, CO2) і низькокиплячих вуглеводнів, які не містять активних функціональних груп.

4.3.2.Газорідинна хроматографія

В аналітичній практиці газорідинну хроматографію використовують частіше, ніж газоадсорбційну. Це пов'язано з надзвичайною різноманітністю рідких нерухомих фаз, що полегшує вибір селективної для даного аналізу фази.

Нерухома рідка фаза повинна добре розчиняти компоненти суміші, бути нелеткою, хімічно інертною, повинна мати невелику в'язкість і на носієві утворювати рівномірну, міцно зв'язану плівку. Приклади нерухомих фаз в газорідинній хроматографії представлені нижче:

Назва Будова

Сквалан

62

Рідку фазу наносять на носії. Для її рівномірного нанесення на твердий носій рідку фазу змішують з легколетким розчинником, наприклад, ефіром. До цього розчину додають твердий носій. Суміш нагрівають, розчинник випаровується, рідка фаза залишається на носієві. Сухим носієм з нанесеною таким чином нерухомою фазою заповнюють колонку. Для рівномірної упаковки через колонку пропускають струмінь газу.

Носії нерухомої рідкої фази:

-силанізований хромосорб;

-скляні гранули;

-флуоропак (фторвуглецевий полімер);

-SiO2 (діатоміт).

Аналізовану пробу вводять шприцом крізь мембрану з силіконової гуми, що самоущільнюється (рис. 4.5). Проба повинна випаровуватися практично миттєво, інакше піки на хроматограмі розширюються і точність аналізу знижується. Тому дозуючий пристрій хроматографа забезпечений нагрівачем і його температура приблизно на 50ºС вище, ніж температура колонки.

Температура колонки визначається леткістю проби і може змінюватися в межах від –196 (температура кипіння рідкого азоту) до 350°С. Температура колонки контролюється з точністю до декількох десятих градуса і підтримується постійною за допомогою термостата. Температуру можна підвищувати з постійною швидкістю (лінійне програмування температури).

Області застосування газової хроматографії (об'єкти аналізу):

-нафтохімія ( аналіз бензину, гасу);

-пестициди, добрива;

-лікарські препарати;

-наркотики;

-вихлопні гази автомобілів;

-метали, їх переводять в леткі хелати. Особливо придатні для хроматографії β-дикетонатиметалів.

За допомогою газового хроматографа, встановленого на космічній станції «Венера-12», був визначений склад атмосфери Венери. Газові хроматографи встановлюють в житлових відсіках космічних кораблів. При підвищенні допустимих норм шкідливих речовин автоматична система хроматографа дає команду приладу, який очищує повітря.

Детектори в газових хроматографах

1. Детектор по теплопровідності (катарометр)

Схема катарометра показана на рис. 4.8.

63

1 – введення газу; 2 – джерело випромінювання; 3 – виведення в атмосферу; 4 – електроди

Концентрацію електронів, що утворюються, вимірюють за допомогою системи електродів, подібної до тієї, що використовується в полум'яно-іонізаційному детекторі. Підтримується постійна концентрація електронів. При попаданні в камеру молекул речовин, що розділяються, вони захоплюють вільні електрони з утворенням стабільних аніонів:

AB + e = AB– ± енергія AB + e = A + B– ± енергія

Струм між електродами зменшується пропорційно концентрації цієї речовини. Цей детектор дає відгук на сполуки, що містять галогени, фосфор, сірку, нітрати, свинець, кисень, металоорганічні сполуки. На більшість вуглеводнів він не реагує.

3. Полуменево-іонізаційний детектор (ПІД)

5

4

3

1

2

Рис. 4.10. Схема полуменево-іонізаційного детектора:

1 –введення газу з колонки; 2 – введення повітря; 3 – катод; 4 – електрод, що збирає; 5 –виведення у атмосферу

Газ, що виходить з колонки, змішується з H2 і поступає у форсунку пальника детектора (рис. 4.10). Іонізовані частинки, що утворюються в полум’ї, заповнюють міжелектродний простір, внаслідок чого опір знижується, струм різко посилюється. Тобто концентрацію іонів визначають, вимірюючи провідність полум'я. ПІД реагує практично на всі сполуки, окрім H2, інертних газів, О2, N2, оксидів азоту, S, C, а також H2О. Цей детектор чутливий тільки до сполук, що іонізуються в полум'ї, тобто до сполук з C-C та C-H зв'язками.

4.4. Площинна хроматографія

До площинної хроматографії відносяться паперова і тонкошарова хроматографія. Паперова хроматографія: як носій нерухомої фази,

65

наприклад води, використовують целюлозне волокно паперу. Тонкошарова хроматографія: нерухома фаза – це різні сорбенти (оксид алюмінію, силікагель, целюлоза), нанесені на пластинку тонким шаром. Обидва методи основані на використанні хроматографічних систем рідина

– твердий сорбент, рідина – рідина – твердий сорбент. Рухома фаза – різні розчинники і їх суміші, органічні і неорганічні кислоти.

На відстані 2 - 3 см від краю пластинки на стартову лінію наносять мікропіпеткою пробу аналізованої рідини і край пластинки занурюють в камері для хроматографування в розчинник, який діє як рухома фаза рідинної адсорбційної хроматографії. Під дією капілярних сил розчинник рухається уподовж шару сорбенту і з різною швидкістю переносить компоненти суміші, що приводить до їх просторового розділення. Компоненти, що розділяються, на пластинці або на смужці паперу утворюють окремі зони (плями), як це показано на рис. 4.11:

Рис. 4.11. Схема площинної хроматографії:

а) на лінію старту нанесені розчини індивідуальних речовин, відповідних передбачуваним компонентам суміші («свідки»), а також розчин аналізованої суміші; b) після отримання хроматограми

1 – рухома фаза; 2 – проведена олівцем лінія старту; 3 – аналізований розчин і розчини «свідків», які наносять на лінію старту; 4 – фронт розчинника

Положення зон (плям) на пластинці або смужці паперу характеризує індекс Rf – відносна швидкість переміщення (коефіцієнт рухомості):

R f = Ll ,

де l –відстань, що пройшла зона речовини; L – відстань, яку пройшла рухома фаза (розчинник) за певний час.

Величина Rf залежить від природи носія (папір, активність і природа сорбенту), якості і природи розчинника, способу нанесення проби, детектування. Чим більше відмінність у величинах Rf речовин, що розділяються, тим краще їх розділення. Величина Rf змінюється від нуля до одиниці. Повне розділення двох речовин методом площинної

66

хроматографії відбувається, якщо R f1 − R f2 = ∆R f ≥ 0,05 для паперової і ∆R f ≥ 0,1 для тонкошарової хроматографії.

Буває висхідна і низхідна хроматограми. Хроматограми незабарвлених речовин проявляють відповідними реагентами, як правило, груповими. По характерному забарвленню кольорових зон, що утворюються, роблять висновок про склад аналізованої проби.

Приклади проявників:

Для ідентифікації використовується величина Rf за умови хроматографування в однакових умовах. При проведенні кількісного аналізу зону (пляму) вирізують, аналізовану речовину вимивають з шару сорбенту і отриманий розчин аналізують яким-небудь методом. Іноді кількісне визначення проводять, порівнюючи інтенсивність забарвлення компонентів суміші та стандартної шкали, отриманої на тій самій хроматограмі.

4.5. Ситова (гель-проникаюча, молекулярно-ситова, ексклюзійна) хроматографія

Цей вид хроматографії є різновидом рідинної хроматографії, в якій розділення компонентів суміші ґрунтується на розподілі молекул відповідно їх розмірам. Як нерухому фазу застосовують пористі матеріали (зазвичай гідрофільні гелі). При цьому пори мають певні розміри, відповідні розмірам молекул однієї з речовин, що розділяються. Розділення молекул відбувається внаслідок розподілу за розмірами між розчинником, який знаходиться в порах сорбенту, і тим самим розчинником, який тече між його гранулами.

Гель-хроматографію використовують при знесолюванні білків і інших природних високомолекулярних сполук, при очищенні гемоглобіну від солі, для розділення близьких за розмірами органічних сполук, комплексних сполук металів з органічними лігандами різної молекулярної маси.

67

4.6.Надкритична флюїдна хроматографія

Вметоді надкритичної флюїдної хроматографії рухомою фазою є так звана флюїдна фаза. Цей метод поєднує у собі переваги як рідинної, так і газової хроматографії, і часто є незамінним для вирішування задач, які не можуть бути вирішені ані газовою, ані рідинною хроматографіями (наприклад, аналіз нелетких сполук). Як відомо, для любої сполуки існує деяка критична температури, вище якої вона ні при якому тиску не може перебувати у рідкому стані. Тиск, який відповідає критичній температурі, називають критичним тиском. Сукупність критичних значень температури та тиску зветься критичною точкою. Поблизу критичної точки сполука знаходиться у так званому надкритичному (флюїдному) стані і має

властивості, проміжні між властивостями газів і рідин. Наслідком достатньо високої густини флюїдів (0,2 – 0,5 г/см3) є висока розчинність у них нелетких речовин з великою молекулярною масою. Наприклад, у СО2

внадкритичному стані (критична температура – 31,3°С; критичний тиск – 7,4 МПа) добре розчиняються нормальні алкани з числом атомів вуглецю від 5 до 40, поліциклічні ароматичні вуглеводні. До флюїдів відносяться

також N2O, NH3, метанол, н-бутан, дихлордифторметан та ін. Критичні величини температури та тиску для речовин, що використовують як рухомі фази у надкритичній флюїдній хроматографії, не досить великі і не виходять за межі звичних для газової і ВЕРХ рідинної хроматографії робочих діапазонів. Тобто апаратура для цього методу мало відрізняється від газових і рідинних хроматографів і являє собою їх гібрид.

Особливості властивостей надкритичних флюїдів можуть бути використані і для надкритичної флюїдної екстракції в процесах пробопідготовки. У промисловості надкритична флюїдна екстракція широко використовується для вилучення кофеїну з кофе та нікотину з тютюну.

1.Пилипенко А.Т., Пятницкий И.В. Аналитическая химия. В 2-х книгах. – М.:

Химия, 1990. – Кн. 2. – С. 580-631.

2.. Пономарев В.Д. Аналитическая химия. В

2-х частях. – М.: Высшая школа, 1982. – Ч. 1. –

С. 145-149,298-299. – Ч. 2. – С. 261-277.

3.Харитонов Ю.Я. Аналитическая химия. Аналитика. В 2-х книгах. – М.:

Высшая школа, 2001. – Кн. 1. – С. 264-286. – Кн. 2. – С. 402-435.

4.Основы аналитической химии. В 2-х книгах / Под ред. Ю.А.Золотова.

М.: Высш.шк., 2004. – Кн. 1. – С. 260-348.

68

5.Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2-х книгах. – М.: Дрофа, 2002. –

Кн. 2. – С. 292-342.

6.Лисенко О.М., Набиванець Б.Й. Вступ до хроматографічного аналізу. – Київ: Корвін Прогрес, 2005. – 187 с.

ПИТАННЯ ДЛЯ КОНТРОЛЮ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

1.На чому ґрунтується метод розділення речовин хроматографічними методами?

2.Чим відрізняється хроматографія від інших методів розділення?

3.Класифікація хроматографічних методів.

4.Графічне зображення процесу хроматографування. Параметри хроматограми.

5.Теоретичні основи хроматографічного розділення речовин.

6.Ідентифікація речовин та способи кількісного хроматографічного

аналізу.

7.Загальна характеристика рідинної хроматографії.

8.Адсорбційна рідинна хроматографія. Особливості рухомої і нерухомої фаз. Механізм утримання речовин.

9.Рідинна хроматографія. Природа рухомої і нерухомої фаз. Основний процес розділення речовин. Високоефективна рідинна хроматографія.

10.Охарактеризуйте процес, який лежить в основі іонообмінної, іонної та іон-парної хроматографії. Запишіть схеми процесів, що лежать в основі цих видів хроматографії.

11.Іонообмінники. Їх властивості і кількісні характеристики.

12.Іонна хроматографія, її особливості. та основні напрямки застосування.

13.Високоефективна рідинна хроматографія.

14.Рідинні хроматографи. Детектори в рідинній хроматографії.

15.Газова хроматографія. Природа рухомої і нерухомої фаз. Види газової хроматографії.

16.Схема газового хроматографа. Детектори в газових хроматографах.

17.Використання газової хроматографії.

18.Назвіть різновиди хроматографії, які входять до площинної хроматографії.

19.Техніка площинної хроматографії, її особливості. Види площинної хроматографії за технікою виконання.

69

20.Який показник характеризує положення плям на папері або пластинці? Які його значення і при яких значеннях цього показника відбувається повне розділення двох речовин?

21.Як відбувається ідентифікація та кількісне визначення речовин цим методом?

22.На чому ґрунтується розподіл речовин в гель-хроматографії? Напрямки її використання.

Розділ 5 АНАЛІТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕАКЦІЇ В ГОМОГЕННИХ ВОДНИХ РОЗЧИНАХ

5.1. Ідеальні і реальні системи. Використання констант рівноваги для прогнозування протікання аналітичних

реакцій

Система, в якій параметри стану (температура, тиск, об'єм, ентальпія, ентропія) не змінюються в часі, є стаціонарною, термодинамічно рівноважною.

Процес, при якому в кожен момент часу всі параметри зберігають своє значення (тобто система проходить через ряд рівноважних станів), є

рівноважним.

Рівноважні процеси оборотні. Систему можна повернути в початковий стан через ті ж рівноважні стани без втрат енергії. Очевидно, що такий процес повинен протікати нескінченно поволі і на практиці це не здійснимо. У реальних умовах всі процеси необоротні. Проте у багатьох випадках при розгляді нерівноважних і необоротних процесів можна в першому наближенні вважати їх оборотними (вірніше, квазіоборотними). Коли говорять про необоротність реакції, мають на увазі, що змінити її напрям важко.

Запишемо рівноважний процес:

А + В Ù С + Д Константа рівноваги згідно закону діяння мас:

Для зручності константам різних типів рівноваг дають свої назви і символи:

–для реакцій комплексоутворення – константа стійкості β;

–для рівноваги «твердий електроліт – його насичений розчин» –

добуток розчинності ДР;

70