Метод дифференциальной фотометрии
МИНИСТЕРСТВОВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИКАЗАХСТАН
ИННОВАЦИОННЫЙЕВРАЗИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ХИМИИ
КОНТРОЛЬНАЯРАБОТА
Дисциплина«Физико-химические методы анализа»
г.Павлодар, 2007г.
План
1. Тонкослойнаяхроматография
а)виды качественного анализа
2. Метод дифференциальнойфотометрии. Характеристика и область применения.
3. Классификацияэлектрохимических методов анализа.
4. Решение типовых задач.
Тонкослойнаяхроматография (ТСХ, TLC) — один из наиболее используемых методовхроматографического анализа, но наименее популяризируемый.
Несмотря насуществовавшие до недавнего времени существенные недостатки, она широкоиспользуется для качественного анализа смесей, в основном, за счет дешевизны искорости получения результатов.
Физико-химические основытонкослойной хроматографии.
Основой тонкослойнойхроматографии является адсорбционный метод, хотя также встречается методраспределительной хроматографии.
Адсорбционный методоснован на различии степени сорбции-десорбции разделяемых компонентов нанеподвижной фазе. Адсорбция осуществляется за счет ван-дер-вальсовских сил,являющейся основой физической адсорбции, полимолекулярной (образованиенескольких слоев адсорбата на поверхности адсорбента) и хемосорбцией(химического взаимодействия адсорбента и адсорбата).
Для эффективных процессовсорбции-десорбции необходима большая площадь, что предъявляет определенныетребования к адсорбенту. При большой поверхности разделения фаз происходитбыстрое установление равновесия между фазами компонентов смеси и эффективноеразделение.
Еще одним видомиспользуемом в методе тонкослойной хроматографии является распределительнаяжидкостная хроматография.
В распределительнойхроматографии обе фазы — подвижная и неподвижная — жидкости, не смешивающиесядруг с другом. Разделение веществ основано на различии в их коэффициентахраспределения между этими фазами.
Впервые методтонкослойной хроматографии заявил о себе как «Бумажная тонкослойнаяхроматография», которая основывалась на распределительном методеразделения компонентов.
Распределительнаяхроматография на бумаге.
В связи с тем, чтоиспользуемая в этом методе хроматографическая бумага (специальные сортафильтровальной бумаги) содержат в порах воду (20-22%), в качестве другой фазыиспользуются органические растворители.
Использованиехроматографии на бумаге имеет ряд существенных недостатков: зависимостьпроцесса разделения от состава и свойств бумаги, изменение содержания воды впорах бумаги при изменении условий хранения, очень низкая скоростьхроматографирования (до нескольких суток), низкая воспроизводимостьрезультатов. Эти недостатки серьезно влияют на распространение хроматографии набумаге как хроматографического метода.
Поэтому можно считатьзакономерным появление хроматографии в тонком слое сорбента — тонкослойнойхроматографии.
Тонкослойнаяхроматография.
В этом методехроматографирование веществ происходит в тонком слое сорбента, нанесенного натвердую плоскую подложку. Разделение в этом методе в основном происходит наоснове сорбции-десорбции.
Использование различныхсорбентов, позволило значительно расширить и улучшить этот метод.
В начале появления методапластины приходилось изготавливать самостоятельно. Но на сегодняшний день восновном используются пластины заводского изготовления, имеющие достаточноширокий ассортимент как по размерам и носителям, так и по подложкам.
Современнаяхроматографическая пластинка представляет собой основу из стекла, алюминия илиполимера (например политерефталат). В связи с тем, что стеклянная основастановится менее популярной (часто бьется, нельзя разделить пластинку нанесколько частей не повредив слой сорбента, тяжелая по весу), наибольшеераспространение получили пластины, в качестве основ которых используюталюминиевую фольгу или полимеры.
Для закрепления сорбентаприменяют гипс, крахмал, силиказоль и др., которые удерживают зерна сорбента наподложке. Толщина слоя может быть различна (100 и более мкм), но самый важныйкритерий — слой должен быть равномерный по толщине в любом местехроматографической пластинки.
В тонкослойнойхроматографии, в качестве подвижной фазы используют либо чистые вещества(этилацетат, бензол и т.п.), либо смеси веществ (системы) в определенномсоотношении.
Подбор подвижной фазы(системы) проводится по следующим правилам:
Выбирают такую систему, вкоторой разделяемые компоненты имеют небольшую растворимость (еслирастворимость вещества высокая, то вещества будут перемещаться с фронтом, принизкой растворимости — оставаться на старте). При распределительнойхроматографии или при использовании обращенных фаз, растворимость веществдолжна быть выше в подвижной фазе, чем в неподвижной фазе.
Состав системы долженбыть постоянным и легко воспроизводимым.
Растворитель иликомпоненты системы не должны быть ядовитыми или дефицитными.
Система должна полностьюразделять вещества близкого строения, причем различия в Rf должно быть не менее0,05.
Система не должнавызывать химические изменения разделяемых компонентов.
В выбранной системеанализируемые вещества должны иметь различные значения Rf и распределяться повсей длине хроматограммы. Желательно, чтобы значения Rf лежало в пределах0,05-0,85.
При выборе системы такженеобходимо учитывать природу разделяемых веществ. Так, при хроматографированиивеществ, имеющих основные свойства система не должна обладать кислотнымисвойствами и наоборот.
Тонкослойнаяхроматография имеет несколько способов, связанных, в основном, с видом движениярастворителей.
Восходящая тонкослойнаяхроматография
Нисходящая тонкослойнаяхроматография
Горизонтальнаятонкослойная хроматография
Радиальная тонкослойнаяхроматография.
Восходящая тонкослойнаяхроматография
Этот вид хроматографиинаиболее распространен и основан на том, что фронт хроматографической системыподнимается по пластинке под действием капиллярных сил, т.е. фронтхроматографической системы движется снизу-вверх. Для этого метода используетсянаиболее простое оборудование, так как в качестве хроматографической камерыможно использовать любую емкость с плоским дном и плотно закрывающейся крышкой,в которую свободно помещается хроматографическая пластинка.
Метод восходящейтонкослойной хроматографии имеет ряд своих недостатков. Например, скоростьподнятия фронта по пластинке происходит неравномерно, т.е. в нижней части онасамая высокая, а по мере поднятия фронта уменьшается. Это связано с тем, что вверхней части камеры насыщенность парами растворителя меньше, поэтомурастворитель с хроматографической пластинки испаряется интенсивнее,следовательно уменьшается его концентрация и скорость движения замедляется. Дляустранения этого недостатка по стенкам хроматографической камеры прикрепляютполоски фильтровальной бумаги, по которым поднимающаяся хроматографическаясистема насыщает парами камеру по всему объему.
Некоторые хроматографическиекамеры имеют на дне разделение на две ванночки. Это усовершенствованиепозволяет не только уменьшить расход хроматографической системы (для получениянеобходимой высоты хроматогратографической системы требуется меньший объем) нои использовать дополнительную кювету для растворителя, увеличивающего давлениянасыщенных паров в камере.
Недостатком также можносчитать необходимость следить за фронтом растворителя, так как возможно«убегание» лини фронта растворителя до верхнего края. В таком случаеопределить действительное значение Rf уже не представляется возможным.
Нисходящая тонкослойнаяхроматография
Этот метод хроматографииоснован на том, что фронт хроматографической системы опускается по пластинке восновном под действием сил тяжести, т.е. фронт подвижной фазы движется сверхувниз.
Для этого метода вверхней части хроматографической камеры крепится кювета с хроматографическойсистемой из которой с помощью фитиля на хроматографическую пластинку поступаетрастворитель, который стекает и происходит хроматографирование исследуемогообразца.
К недостаткам этогометода можно отнести усложнение оборудования. Этот метод используется восновном в бумажной хроматографии.
Горизонтальнаятонкослойная хроматография
Этот метод наиболеесложен в аппаратурном оформлении но наиболее удобен. Так, в хроматографическойкамере пластинка размещается горизонтально и подача системы происходит на одинкрай пластинки с помощью фитиля. Фронт растворителя движется в противоположнуюсторону.
Есть еще один прием,позволяющий предельно упростить камеру. Для этого хроматографическую пластинкуна алюминиевой основе слегка изгибают и помещают в камеру. В данном случаесистема будет поступать с двух сторон одновременно. Для этой цели подходяттолько пластины с алюминиевой подложкой, так как пластиковая и стекляннаяоснова «несгибаема», т.е. не сохраняет форму.
К достоинствам этогометода можно отнести то, что в горизонтальной кювете насыщение парами системыпроисходит гораздо быстрее, скорость движения фронта постоянная. А при хроматографированиис двух сторон, фронт не «убегает»
Радиальная тонкослойнаяхроматография.
Радиальная тонкослойнаяхроматография заключается в том, что в центр пластинки наносится исследуемоевещество и туда же подается система, которая движется от центра к краюпластинки.
Для тонкослойнойхроматографии существует несколько видов качественного анализа (идентификации)разделенных веществ:
Визуальные методы иопределение Rf разделенных веществ.
Цветные реакции.
Сравнение со свидетелями.
Физико-химические методыидентификации.
Рассмотрим подробнеекаждый вид качественного анализа в тонкослойной хроматографии.
Физические методы
Визуальные методыиспользуются в основном, для определения местоположения пятен разделенныхвеществ на хроматографической пластинке. Для этого пластинку рассматривают какв видимом свете, так и используя ультрафиолетовый свет (в основном свет сдлиной волны 366 и 254 нм)
Это первый этапидентификации, на котором определяется качество подобранных условий иполученных результатов хроматографирования.
Так, определив качествохроматографирования (отсутствие «хвостов» разделяемых веществ илиперекрытие их пятен, правильную форму и размеры, отсутствие слиянияхроматографических дорожек и т.д.) и признании пригодным проведенногоразделения для дальнейшего исследования, определяют Rf выявленных пятен.
Значение Rf.
Одним из основныхпоказателей в ТСХ является показатель Rf. Этот параметр является аналогиейвремени удерживания и зависит как от свойств разделяемых веществ, составаподвижной фазы и сорбента, так и от физических параметров.
Определение значения Rfпроводят как отношение расстояния прошедшего веществом к расстоянию, прошедшегофронтом растворителя
Rf = L/L0
Значение Rf — величинабезразмерная и имеет значение от 0 до 1. Однако в литературе нередковстречается такие показатели как hRf, Rf×100, которые являются тем же Rf,но умноженными на 100, для того, чтобы не оперировать десятичными значениями.
На значение Rf не влияетрасстояние пройденное фронтом растворителя, однако во многих методикахописывается прохождение фронта на расстояние 10 см. Это используетсятолько для облечения расчетов Rf.
На практике, в началеопределяют расстояние прошедшее фронтом растворителя: от линии старта (а не открая пластинки) до места, где находился фронт в момент окончанияхроматографирования. Затем определяют расстояние от линии старта до пятнаразделенного вещества. Во тут и оказывает влияние размер пятна! Ведь если пятноимеет круглую форму и небольшой размер, то полученное Rf имеет четкое значение.А если полученное пятно имеет большой размер или неправильную форму, то приопределении Rf такого пятна, ошибка может достигнуть 0,1!
В случаераспределительной хроматографии коэффициент распределения вещества и его Rfсвязано соотношением:
где Sп и Sн -площадипоперечных сечений подвижной и неподвижной фазы.
Как мы видим, Коэффициентраспределения, при постоянном отношении Sп/Sн есть величина пропорциональнозависящая от Rf, и может быть определена через него.
Цветные реакции.
Цветные реакции втонкослойной хроматографии используются чрезвычайно широко. Они служат нетолько для определения местоположения разделенных компонентов (обработка сернойкислотой, парами йода), но и определения как класса веществ, так иидентификации (при наличии индивидуальных реакций).
Мы не будем здесьрассматривать это огромное разнообразие цветных качественных реакций (подробнеездесь), скажем лишь, что при совпадении всех качественных реакций и совпаденииполученных значений Rf вещества в трех различных системах с литературнымиданными, вещество идентифицировано.
Сравнение со свидетелем.
При проведенииисследований веществ с предполагаемым составом, применяют методхроматографирования со свидетелем — известным веществом. Этот методиспользуется кода трудно выдержать условия хроматографирования, нетлитературных данных Rf для данной системы или адсорбента, использованиеградиентного метода и т.д. Да и при проведении цветных реакций можно сравнитьне только цвета, но и оттенки исследуемых веществ и свидетелей, что такженемаловажно.
С другой стороны этотметод требует дополнительных расходов на свидетели.
Физико-химические методыидентификации.
Прелесть тонкослойнойхроматографии состоит в том, что после хроматографирования каждое разделенноевещество можно в дальнейшем исследовать другими методами гораздо проще. И делотут не в том, что другие методы хроматографирования не могут этого. Дело тут всложности выделения и материальных затратах на специальные приспособления, укоторых только одна задача — выделить вещество.
В тонкослойнойхроматографии есть только одна трудность — снять слой сорбента и вымыть из неговещество. В дальнейшем можно его исследовать с использованием ИК иУФ-спектрометрии, рентгено-структурными методами, ЯМР и т.д.
Поэтому, используятонкослойную хроматографию для разделения смесей, можно не только исследоватькаждый компонент различными методами, но и наработать небольшое количество, втом числе и для свидетелей.
Метод дифференциальнойфотометрии.
Фотометрированиеинтенсивно окрашенных растворов успешно осуществляется дифференциальнойфотометрии. Если в обычной фотометрии сравнивается интенсивность света Ix,прошедшего через анализируемый раствор неизвестной концентрации, синтенсивностью света I0, прошедшего через растворитель, то в дифференциальнойфотометрии луч света проходит не через растворитель, а через окрашенный растворизвестной концентрации – так называемый раствор сравнения сср. Егоинтенсивность обозначим как Iср. Отношение интенсивностей Ix/Iср называетсяусловныым коэффициентом пропускания T`x. И переходя от коэффициентов коптическим плотностям, получим:
A`x = Ax – Aср
А`х = e lcx — Аср
где А`x – относительнаяоптическая плотность.
Таким образом,дифференциальная фотометрия существенно расширяет концентраций, доступную дляточных фотометрических измерений. Кроме того, точность некоторых методик диференциальнойфотометрии превышает точность методик обычной фотометрии. Кстати, обычнуюфотометрию при Тср = 1 мы можем рассматривать, как частный случайдифференциальной.
Метод количественногоанализа по ИК-спектрам.
Анализ по ИК-спектрамтакже основан на применении закона Бугера-Ламберта-Бера… Чаще всего здесьиспользуется метод градууировочного графика, т.к. метод молярного коэффициентаздесь слабо применим из-за рассеяния, сплошного поглощения и других эффектовИК-излучения. Многие сложности ИК-спектрометрии успешно преодолеваются спомошью метода базовой линии, к оторый получил достаточно большо распостранениев практике.
Практическое применение
Фотометрические испектрометрические методы анализа применяются для определения многих (более 50)элементов периодической системы, главным образом металлов, анализируются руды,минералы, объекты окружающей среды, продукты переработки обогатительных игидрометаллургических предприятий. Эффективно эти методы используется вметаллургической, электронной областях промышленности, в медицине, биологии,криминалистике и т.д. Большое значение они имеют в аналитиченском контролеокружающей среды и решении экологических проблем. Значительно расширилисьобласти практического применения методов абсорбционной спектроскопии благодаряболее широкому использованию инфракрасной области спектра и приборов на базеЭВМ. Это позволило разработать методы анализа сложных многокомпонентных систембез их химического разделения. Простые, быстрые и точные методы анализа имеютогромное значение для исследования различных реакций, установления состава иисследования различных химических соединений. Успехи химии координационныхсоединений, достижения микроэлектроники, приборостроения дают все основанияожидать дальнейшего повышения точности и чувствительности этих методов.
Электрохимические методыанализа
Электрохимические методыанализа — это совокупность методов качественного и количественного анализа,основанных на электрохимических явлениях, происходящих в исследуемой среде илина границе раздела фаз и связанных с изменением структуры, химического составаили концентрации анализируемого вещества. Электрохимические методы анализаделятся на пять основных групп: потенциометрию, вольтамперометрию,кулонометрию, кондуктометрию и диэлектрометрию.
1. Потенциометрияобъединяет методы, основанные на измерении эдс обратимых электрохимическихцепей, когда потенциал рабочего электрода близок к равновесному значению.Потенциометрия включает редоксметрию, ионометрию и потенциометрическое титрование.
2. Вольтамперометрияоснована на исследовании зависимости тока поляризации от напряжения,прикладываемого к электрохимической ячейке, когда потенциал рабочего электродазначительно отличается от равновесного значения (см. Поляризацияэлектрохимическая). По разнообразию методов вольтамперометрия — самаямногочисленная группа из всех электрохимических методов анализа, широкоиспользуемая для определения веществ в растворах и расплавах (например,полярография, амперометрия).
3. Кулонометрияобъединяет методы анализа, основанные на измерении количества вещества,выделяющегося на электроде в процессе электрохимической реакции в соответствиис Фарадея законами. При кулонометрии потенциал рабочего электрода отличается отравновесного значения. Различают потенциостатическую и гальваностатическуюкулонометрию, причём последняя включает прямой и инверсионный методы,электроанализ и кулонометрическое титрование.
4. К кондуктометрииотносятся методы, в которых измеряют электропроводность электролитов (водных иневодных растворов, коллоидных систем, расплавов, твёрдых веществ).Кондуктометрический анализ основан на изменении концентрации вещества илихимического состава среды в межэлектродном пространстве; он не связан спотенциалом электрода, который обычно близок к равновесному значению.Кондуктометрия включает прямые методы анализа (используемые, например, всолемерах) и косвенные (например, в газовом анализе) с применением постоянногоили переменного тока (низкой и высокой частоты), а также хронокондуктометрию,низкочастотное и высокочастотное титрование.
5. Диэлектрометрияобъединяет методы анализа, основанные на измерении диэлектрическойпроницаемости вещества, обусловленной ориентацией в электрическом поле частиц(молекул, ионов), обладающих дипольным моментом. Методы диэлектрометрииприменяют для контроля чистоты диэлектриков, например для определения малыхколичеств влаги. Диэлектрометрическое титрование используют для анализарастворов.
Все электрохимическиеметоды основаны на выборе и применении системы электродов, которые определяютселективность, воспроизводимость, точность анализа. Система электродов состоитиз одного комбинированного, двух или трех электродов. Обязательным являетсяналичие двух электродов – индикаторного (измерительного) и стандартного (электродсравнения). Индикаторный электрод должен быстро и обратимо реагировать наизменение концентрации определяемого иона. Стандартный электрод имеетпостоянный, не изменяющийся в ходе определения, потенциал. В зависимости отрешаемой задачи индикаторный и стандартный электроды могут быть различными.
Для точных измеренийприменяют третий – термочувствительный электрод. Электроды нового поколениясодержат внутри одного корпуса сразу два электрода, что значительно увеличиваеткомпактность и упрощает аппаратуру методов.
Для осуществления той илииной аналитической задачи электрохимическими методами наиболее важной являетсястадия выбора системы индикаторного и стандартного электродов.
Список использованнойлитературы
1. Кнорре Д.Г., КрыловаЛ.Ф., Музыкантов В.С. Физическая химия. — М.: Высш. шк., 1990. — 416с.
2. Алесковский В.Б.,Бардин В.В., Булатов М.И. Физико-химические методы анализа. Практическоеруководство.- Л.: Химия, 1988. — 376с.
3. Ольшанова К.М.Практикум по хроматографическому анализу. М., Высш. школа, 1970. -312с.