Министерство образованияи науки УкраиныРеферат
по теме
Влияниеприроды газа-носителя и его параметров на качество разделения веществ в газовойхроматографии
Содержание
Введение
Основные требования к газу-носителю
Особенности основных газов-носителей
Газовая хроматография с применениемпаров
Неподвижная жидкость
Влияние неподвижной фазы
Природа неподвижной жидкости
Полярные и неполярные соединения
Образование водородной связи
Список используемой литературы
Введение
Рассмотримвлияние природы газа-носителя и его параметров на качество разделения веществ.Для этого, прежде всего, сформулируем требования, которые предъявляются кэлюенту в газовой хроматографии. В зависимости от конкретных условий проведенияпроцесса в качестве газа-носителя обычно используют азот, гелий, аргон, диоксидуглерода, воздух, водород. Все перечисленные газы практически инертны кразделяемым веществам и сорбентам (за редкими исключениями: гидрированиеолефинов при каталитическом действии стенок колонки или твердого носителя,восстановление нитрата серебра, раствор которого может использоваться вкачестве неподвижной жидкости). Растворимость в неподвижных фазах всехприменяемых газов ничтожна, и в этом смысле они практически равноценны.Различия начинают проявляться при повышенных давлениях, когда растворимостьэлюента возрастает.
Основныетребования к газу-носителю
· Газ-носительдолжен быть инертен по отношению к разделяемым веществам и сорбенту. В связи сэтим не рекомендуется, например, использовать водород для элюированияненасыщенных соединений в условиях, допускающих возможность гидрирования.
· Вязкость газа-носителядолжна быть как можно меньше, чтобы поддерживался небольшой перепад давлений вколонке.
· Коэффициентдиффузии компонента в газе-носителе должен иметь оптимальное значение,определяемое механизмом размытия полосы.
· Следует иметь ввиду, что в ряде случаев последние два условия противоречат друг другу, и выборэлюента определяется конкретной задачей анализа.
· Газ-носительдолжен обеспечивать высокую чувствительность детектора.
Посколькув ходе хроматографического процесса расходуется значительное количествогаза-носителя, необходимо, чтобы он был вполне доступен.
· Газ-носительдолжен быть взрывобезопасен; выполнение этого требования особенно важно прииспользовании хроматографа непосредственно на технологической установке.
· Газ-носительдолжен быть достаточно чистым (это условие особенно важно при анализепримесей).
Особенности основныхгазов-носителей
Рассмотримособенности каждого из газов-носителей.
Чистыйазот доступен, и его можно использовать в хроматографах с различнымидетекторами. Коэффициент диффузии веществ в нем приблизительно в четыре разаменьше, чем в водороде, что позволяет получать более узкие пики, еслилимитирующей стадией процесса является продольная диффузия. Азот вполнебезопасен в обращении. Однако он обладает недостатками, к которым относятсязначительная (по сравнению с водородом) вязкость и низкая теплопроводность, чтоне позволяет добиться высокой чувствительности катарометра.
Воздухособенно удобно применять непосредственно на технологических установках, гденет азотных линий. Кроме того, воздух необходим при работе на хроматографах стермохимическими и пламенными детекторами (при использованиипламенно-ионизационного детектора воздух не является газом-носителем инеобходим лишь для поддержания нормального горения). Недостатки воздуха какгаза-носителя аналогичны недостаткам азота. Кроме того, следует иметь в виду,что при соответствующих условиях кислород воздуха может окислять какнеподвижную фазу, так и компоненты анализируемой пробы. Если чувствительныеэлементы катарометра обладают каталитической активностью, то может происходитьсгорание элюируемых веществ, тогда детектор работает как термохимический.
Водородимеет малую вязкость, что позволяет использовать его при работе с длиннымиколонками (как насадочными, так и капиллярными), поскольку гидравлическоесопротивление здесь будет существенно ниже, чем при использовании других газов.Он предпочтителен в тех случаях, когда размытие полосы определяетсядинамической диффузией или внешнедиффузионной массопередачей. Чувствительностькатарометра существенно повышается при использовании водорода вследствиевысокой теплопроводности последнего. Однако взрывоопасность водородаограничивает его использование и создает дополнительные трудности приконструировании аппаратуры. Гелий вполне безопасен, и его теплопроводностьнемногим меньше теплопроводности водорода. Однако ввиду сравнительно высокойстоимости этого газа его применение ограничено. К чистоте гелия, применяемого вприборе с ионизационными (гелиевыми) детекторами, предъявляют особенно жесткиетребования. Аргон. Особенно вредны примеси органических веществ, кислорода,азота и воды, при содержании которых более 0,1% чувствительность ионизационногодетектора существенно понижается. Вязкость аргона несколько выше вязкости азотаи гелия, но, поскольку в приборах с ионизационными детекторами, как правило,установлены короткие насадочные колонки, этот недостаток практически несказывается на эффективности.
Диоксидуглерода широко использовали в те годы, когда детектором служили бюретки сощелочью. В настоящее время диоксид углерода применяют в специальных случаях, вчастности при работе под давлением (в том числе в сверхкритической области).Рекомендуется применять диоксид углерода, получаемый из баллона, заполненногосухим льдом.
Наряду сперечисленными газами в качестве элюентов используют фреоны в некоторые другиевещества в сверхкритических условиях, а также водяной пар. Применение водяного паравследствие его доступности целесообразно как в аналитической, так и впрепаративной и промышленной хроматографии. Адсорбция водяного пара твердыминосителями или адсорбентами, находящимися в колонке, вызывает ихмодифицирование (изменение сорбционной способности), что обеспечивает получениесимметричных пиков при анализе полярных веществ. Кроме того, растворимостьэлюента в неподвижной жидкости (или адсорбция его адсорбентом) позволяет,используя водяной пар, изменять сорбционную способность неподвижной фазы и темсамым изменять удерживание сорбатов (по сравнению с использованием обычныхэлюентов). Аналогично подвижная фаза приобретает «активные» функции (а нетолько функции транспортирующего агента) при использовании в качестве элюентовпаров легких углеводородов (до Сб), этанола и других летучих веществ, причем«активные» функции связаны не только с модифицирующим влиянием на неподвижнуюфазу, но и с неидеальностью, которая проявляется при повышении давления.Некоторое применение нашли смешанные элюенты. Исходя из данных из уравнения,график зависимости высоты, эквивалентной теоретической тарелке, от скоростигаза-носителя а представляет собой весьма сложную кривую, особенно тогда, когдаучитывается рассматриваемое ниже влияние сжимаемости газа, а также егонеидеальности при повышенных давлениях. Однако если в уравнении ограничитьсялишь тремя основными слагаемыми, как это сделано в классической работеВан-Димтера и др., то зависимость И от а будет описываться гиперболой.
Газоваяхроматография с применением паров
Газоваяхроматография с применением в качестве подвижных фаз паров органических инеорганических веществ (в частности, воды) при температурах ниже критических и небольшихдавлениях (до 1 МПа). Этот вариант может быть назван парофазной хроматографией,роль подвижной фазы сводится здесь в основном к модифицированию сорбента (блокированиюактивных центров адсорбента или носителя, растворению в неподвижной жидкости). Сверхкритическаяфлюидная (или просто флюидная) хроматография с применением в качестве подвижныхфаз раз личных растворителей при температурах и давлениях, несколько превышающихкритические (обычно 5—20 МПа). Элюент обладает высокой растворяющей способностью,что позволяет увеличить летучесть анализируемых веществ по сравнению с летучестьюпри обычных условиях на 3—4 порядка. Плотностная хроматография, где элюентамислужат газы при давлениях до 1—2 тыс. атм (100—200 МПа). Это позволяет вызватьдвижение по колонке веществ с молекулярной массой до 400 000 (повышениелетучести на 6 порядков).
Описанныеварианты предусматривают повышение плотности подвижной фазы от плотности газадо плотности жидкости и являются промежуточными между газовой и жидкостнойхроматографией. Это служит основой как для разработки теории процесса, так идля соответствующих аппаратурных решений. Впервые флюидная хроматографияприменена в работе Клеспера и др., которые, используя в качестве подвижной фазыфреоны, при 150—170 °С и 13,3 МПа (136 атм.) добились элюирования порфиринов,которые невозможно анализировать при более высоких температурах вследствиетермической нестабильности. Другие объекты, анализируемые с помощью флюиднойхроматографии: полициклические ароматические углеводороды до С3о (конденсированныеи полифенилы), различные олигомеры с молекулярной массой до 3386, металлоцены,эфиры фталевой кислоты до С6з и др. Элюирования смеси бензола, нафталина,фенантрена и пирена на колонке с оксидом алюминия при 213°С и 50 атм (5 МПа)(элюент — н-пентан) можно добиться за 1 мин. С применением в качестве элюентадиоксида углерода на стандартном жидкостном хроматографе (при небольшоймодификации) были разработаны методики определения олеиновых и. ароматическихуглеводородов в бензинах, диглицеридов растительных масел. Путем измененияплотности элюента регулированием температуры в пределах 32—70 °С или давленияот 11,8 до 27,5 МПа (от 120 до 280 атм.) удавалось изменять порядок элюированиясорбатов (олефинов) от характерного для газовой хроматографии до характерногодля жидкостной хроматографии.
Разработаныварианты капиллярной флюидной хроматографии, флюиднойхромато-масс-спектрометрии, флюидной хроматографии с программированием давленияи потока, а также препаративной флюидной хроматографии. Используютпламенно-ионизационный, термоионный, пламенно-фотометрический,рефрактометрический, инфракрасный и ультрафиолетовый детекторы. Объектамиисследования служили нефтяные остатки, олигомеры и полимеры, полиароматическиеуглеводороды и их нитропроизводные, полиглицериды, полисахариды, красители,оптические изомеры производных аминокислот, металлоорганические соединения и т.д.
Неподвижнаяжидкость
Природанеподвижной жидкости является тем основным фактором, который определяетпоследовательность выхода компонентов из колонки и отношение времен удерживаниямаксимумов их зон. Кроме того, влияние неподвижной жидкости распространяется ина характер размытия хроматографических зон. Возможность управленияселективностью колонки — одно из важнейших преимуществ хроматографии (и впервую очередь газожидкостной). Правильный выбор неподвижной фазы — основа дляразделения таких «трудных» пар, как ароматические мета-пара-изомеры,цис-грамс-изомеры непредельных углеводородов и их производных, наконец,диа-стереоизомеры и оптические изомеры.
Влияниенеподвижной фазы
Влияниеприроды неподвижной фазы на порядок элюирования компонентов иллюстрируютхроматограммы, приведенные на рис. 2.8. Так, смесь углеводородов С6 наколонке со скваланом элюируется в последовательности: гексен-1, н-гек-сан,бензол, циклогексан, а при использовании в качестве неподвижной жидкостиполиэтиленгликольадипината первым из колонки выходит н-гексан, за ним циклогексан,гексен-1, и, наконец, бензол.
Такимобразом, основным требованием, предъявляемым к неподвижной жидкости, являетсяселективность, которая определяет способность к смещению максимумов зониндивидуальных сорбатов друг относительно друга. Если при разделениидвухкомпонентной смеси задача подбора неподвижной фазы решается сравнительнопросто (не учитывая особых случаев), то для многокомпонентной смеси сорбент,обеспечивающий разделение наиболее «трудной» пары, может либо вызвать взаимноеналожение зон других компонентов, либо резко увеличить продолжительностьанализа. Поэтому выбор неподвижной фазы должен осуществляться с учетом ееселективности, сорбционной емкости по отношению к наиболее сильносорбирующемуся компоненту и диффузионных характеристик, определяемых вязкостью.С другой стороны, хотя в настоящее время в качестве неподвижных жидкостейиспользуют более тысячи различных веществ, часто, если задача не являетсяспецифической, одно вещество можно заменить другим (или смесью несколькихвеществ) с получением практически идентичных хроматограмм исследуемых смесей.Это позволяет исследователю решать значительное число задач с небольшим наборомколонок. Неподвижная жидкость должна отвечать следующим требованиям: 1)селективность; 2) оптимальная сорбционная емкость; 3) отсутствие химическоговзаимодействия с разделяемым веществом, твердым носителем, стенкой колонки игазом-носителем; 4) низкое давление пара при рабочих температурах; 5)химическая стабильность в условиях применения; 6) малая вязкость; 7) отсутствиепримесей; 8) доступность.
Примеромнежелательного взаимодействия пробы с неподвижной фазой может служить случайанализа аминов на колонке с полиэфиром. Не следует анализировать ацетилен и егопроизводные на колонках с растворами нитрата серебра. Может наблюдатьсяпереэтерификация при анализе спиртов на колонке с полиэфирами.
Природанеподвижной жидкости
Так какуже были рассмотрены основные силы взаимодействия между молекуламирастворителей и растворенных веществ, определяющие качество разделения вгазо-жидкостной хроматографии. Если растворитель и сорбат (или хотя бы один изних) неполярны, то решающую роль играют силы дисперсионного взаимодействия. Впределах групп сорбатов близкого строения эти силы, как правило, больше длявеществ с более высокой температурой кипения. При разделении как углеводородов,так и сорбатов, включающих гетероатомы на колонках с неполярными неподвижнымифазами ненасыщенные соединения элюируются раньше, чем насыщенные с таким жечислом углеродных атомов в молекулах, причем rpawc-изомеры, как правило, имеют величины удерживаниянесколько большие, чем цис-изомеры. Это же относится и к изомерам нафтеновойструктуры. Сорбаты с разветвленным углеродным скелетом элюируются раньшесоответствующих сорбатов нормального строения, причем увеличение степениразветвления влечет за собой уменьшение удерживания. Это справедливо, какправило, не только для случая неполярных неподвижных фаз. При выборенеподвижной фазы следует учитывать, что неполярные вещества обычно лучшеразделяются на колонках с неполярными неподвижными фазами (применено правило«подобное растворяет подобное»), обеспечивается необходимая сорбционнаяемкость, а также разность сорбционных емкостей для разделяемых веществ (ивозможность получения достаточно симметричных пиков). Такие неподвижные фазы,как нормальные парафины (в жидком состоянии), изомерный углеводород сквалан(2,6,10,15,19,23-гексаметилтетракозан), апиезоновые смазки, нефтяные масла,широко применяют при анализе нефтепродуктов и других углеводородных смесей,когда требуется элюировать компоненты в основном в порядке увеличениятемператур кипения. Практически аналогичные результаты получаются на колонкахсо слабополярными фазами, например различными силиконовыми маслами (суглеводородными заместителями), эфирами фталевой, себациновой и других кислот,полифениловыми эфирами.
Полярныеи неполярные соединения
Интересноотметить, что при разделении на неполярных неподвижных фазах полярныесоединения элюируются раньше парафинов с такими же температурами кипения. Наразличии «антиполярности» компонентов анализируемой смеси основано разделениеразличных типов кислородсодержащих соединений. Именно благодаря этому удаетсяразделить спирты и альдегиды и дополнить принцип «подобное растворяет подобное»словами: «а противоположное разделяет». Такой эффект связан со сравнительномалой сорбционной емкостью неполярных неподвижных фаз по отношению к полярнымсорбатам. Если в чистом состоянии сравнительно низкое давление пара полярныхсоединений обусловлено ассоциацией молекул в жидкости, то в разбавленномрастворе неполярной неподвижной фазы (когда взаимодействием между молекуламисорбата можно пренебречь), поскольку здесь действуют лишь дисперсионные силысорбат — растворитель, парциальное давление сорбата резко возрастает, что ведетк уменьшению времени удерживания. Так, на колонке с н-гептадеканом пикэтиленгликоля, имеющего температуру кипения 197,2 °С, регистрируется междупиками н-гексана и н-гептана, кипящих соответственно при 68,7 и 98,4 °С (такиеанализы следует проводить при очень малых пробах, поскольку имеется опасностьполучения асимметричных пиков).
Разумеется,для селективного отделения соединений с функциональными группами от неполярныхсоединений (например, насыщенных углеводородов) используют колонки с различнымиполярными неподвижными фазами, причем наибольшей селективностью обладаютцианэтилированные производные, вступающие с сорбатами в различные видымолекулярных взаимодействий, включая донорно-акцепторное, диполь-дипольное,водородную связь. Селективное удерживание ненасыщенных углеводородов и ихпроизводных (по сравнению с насыщенными) полярными неподвижными фазамиобусловлено действием индукционных сил (хотя имеется также и донорно-акцепторноевзаимодействие). Это же относится и к удерживанию ароматических углеводородов. Интереснымпримером влияния индукционных сил на разделение сорбатов являетсяхроматографический анализ смеси тнофена и диэтилсульфида на колонке стрикрезилфосфатом. Температура кипения и дипольный момент диэтилсульфидабольше, чем тиофена, однако вследствие сильной поляризации молекул тиофена,имеющих ароматический характер, он элюируется после диэтилсульфида.Естественно, что на колонке с неполярной неподвижной фазой наблюдается обратныйпорядок выхода компонентов.
Образованиеводородной связи
Особенносильное влияние на качество разделения сорбатов оказывает способность кобразованию водородной связи. Так, свойство глицерина образовывать сильнуюводородную связь с водой позволяет использовать его для разделения смесей,содержащих воду. Разделение первичных, вторичных и третичных аминов наполиэтиленоксиде объясняется различной способностью аминов образовыватьводородные связи с неподвижной фазой. Например, третичные амины совсем необразуют водородных связей с полиэтиленоксидом, поэтому удерживаемые объемытретичных аминов минимальны. Доля водородной связи в общей энергиивзаимодействия веществ уменьшается по мере роста их молекулярной массы.Поэтому, например, при разделении спиртов на колонках с диглицерином,полиэтиленгликолями, полиэфирной смолой этанол может элюироваться передметанолом (изомерные спирты С3 и даже С4 могут элюироватьсяеще раньше)*. Фторзамещенные силоксаны обеспечивают преимущественноеудерживание сорбатов с карбонильными группами (альдегидов и кетонов) по сравнениюс сорбатами, имеющими карбоксильные группы.
Прихроматографическом разделении смесей можно использовать также неподвижные фазы,образующие с разделяемыми компонентами комплексные соединения различнойстабильности. Так, при разделении непредельных углеводородов широко используютрастворы нитрата серебра, а для разделения аминов — соли жирных кислот. Дляселективного разделения ароматических изомеров распространение нашли вещества,находящиеся (в определенном интервале температур) в жидкокристаллическом состоянии.Так, л, п'-метоксиэтоксиазоксибензол обеспечивает отношение приведенных временудерживания пара- и лгега-ксилолов до 1,13.
Рассмотримосновные количественные закономерности селективного разделения веществ методомгазожидкостной хроматографии. В зависимости от объекта исследованияселективность можно рассматривать в трех аспектах: 1) селективность какспособность к разделению каких-либо двух компонентов, например близко-кипящихизомеров; 2) селективность как способность к разделению компонентов одногогомологического ряда; 3) селективность как способность к разделению компонентовдвух или нескольких гомологических рядов.
Списокиспользуемой литературы
1. «Введение в хроматографию» АйвазовБ.В., 2001г.
2. «Справочник по аналитическойхимии» Лурье Ю.Ю., 2002г.
3. «Высокоэффективныехроматографические процессы» Руденко Б.А. Руденко Г.И., 2003г.
4. «Хроматография» Винарский В.А.,2004г.