Теории хроматографического разделения

При хроматографировании происходят два процесса: разделение веществ и размывание хроматографических зон разделяемых веществ. Хроматографический процесс заключается в многократном повторении актов сорбции и десорбции. Поскольку скорость сорбции и десорбции для молекул различных веществ различна, то после повторения большого числа элементарных актов хроматографического разделения при прохождении смеси веществ через слой сорбента происходит разделение её на отдельные компоненты. Положение и вид хроматографических зон разделяемых веществ зависят от формы изотермы сорбции, скорости установления равновесия, степени диффузии вещества в подвижной фазе.

Изотермой сорбции называется зависимость концентрации вещества, сорбированного неподвижной фазой, от его концентрации в подвижной фазе при постоянной температуре. Если изотерма сорбции линейна, установление равновесия происходит мгновенно и степень диффузии вещества в подвижной фазе пренебрежимо мала, идеальный хроматографический пик описывается кривой нормального распределения.

Для объяснения причин размывания хроматографических зон используются две теории: теоретических тарелок и кинетическая теория.

Теория теоретических тарелок предполагает, что:

· каждая хроматографическая колонка состоит из некоторого количества одинаковых по величине абстрактных узких слоёв, называемых теоретическими тарелками, на каждой тарелке происходит один элементарный акт сорбции-десорбции;

· на каждой тарелке происходит мгновенное установление равновесия между веществом, находящимся в подвижной и неподвижной фазе;

· переход вещества с одной тарелки на другую происходит дискретно - при попадании на тарелку новой порции элюента равновесие нарушается, и часть вещества мгновенно переносится на следующую тарелку, где вновь мгновенно наступает равновесие и т.д.;

· на любой тарелке в любой момент времени число сорбируемых частиц вещества значительно больше числа сорбируемых частиц растворителя, изотерма сорбции является линейной.

Количественной характеристикой хроматографической колонки являются: высота эквивалентная теоретической тарелке (H) и число теоретических тарелок (N).

Высота эквивалентная теоретической тарелке представляет собой дисперсию, приходящуюся на единицу длины колонки. Чем меньше H и больше N, тем в меньшей степени происходит размывание пика и тем эффективнее хроматографическое разделение (рис. 22.4).

Рис. 22.4. Хроматограммы вещества X, полученные на колонках с различной эффективностью ( размерность оси абсцисс одинакова)

Число теоретических тарелок можно рассчитать:

где t_R - время удерживания, k_x - коэффициент, величина которого зависит того, на каком уровне измеряется ширина пика w_x.

Если пик представляет собой кривую нормального распределения, то ширина пика у основания равна 4s, на половине высоты - 2,35s, на 60,7% высоты (между точками перегиба) - 2s (рис. 22.5) и т.д. При измерении ширины пика у основания коэффициент k_x будет равен 16 (4²), на половине высоты - 5,54 (2,35²) и т.д.

Рис. 22.5. Свойства идеального хроматографического пика

Число теоретических тарелок является мерой эффективности колонки и обычно постоянно для всех пиков на хроматограмме. Так как N является постоянной величиной, то при увеличении времени удерживания ширина пика увеличивается.

Согласно кинетической теории хроматографии размывание хроматографических пиков обусловлено одновременным действием трёх независимых друг от друга процессов:

Суммарное влияние вихревой диффузии, продольной диффузии и сопротивления массопереносу на величину высоты эквивалентной теоретической тарелке описывается уравнением Ван-Деемтера.

где U - линейная скорость подвижной фазы

Рис. 22.6. Зависимость H от линейной скорости газа-носителя

Зависимость H от U для газовой хроматографии (насадочная колонка) показана на рис. 22.6. Оптимальную скорость газа-носителя, при которой величина Н минимальна, можно рассчитать по формуле:

В жидкостной хроматографии величина B практически не вносит вклад в размывание хроматографического пика (вязкость жидкости значительно больше вязкости газа), поэтому зависимость Н от U выглядит по-другому (как?).

Для характеристики эффективности разделения компонентов смеси, используют коэффициент разделения (a) и разрешение (R_S).

Коэффициент разделения равен отношению исправленных времён удерживания (а также , , D) веществ:

Если a = 1, то разделение невозможно.

Разрешение рассчитывается по следующей формуле:

Разделение двух пиков считается полным, если R_S ³ 1,5 (при R_S = 1,5 расстояние между максимумами пиков составляет 6s, степень перекрывания пиков 0,13%) - рис. 22.6.

Рис. 22.6. Перекрывание пиков при различной величине R_S

Число теоретических тарелок, необходимое для разделения с заданным разрешением, равно:

ГЛАВА 23

 

 

Общая характеристика

Газовая хроматография - группа хроматографических методов, в которых подвижная фаза газообразна (находится в состоянии газа или пара).

В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы: