Загальна характеристика та класифікація хроматографічних методів аналізу

 

Більшість методів аналізу є методами визначення, які основані на проведенні специфічних або селективних хімічних реакцій або на визначенні специфічних властивостей речовин. Ці методи не завжди дають можливість провести якісний та кількісний аналіз складних сумішей. Наприклад, бензинові фракції, які википають в межах 10 ^оС складаються з десятків вуглеводнів різних класів та їх ізомерів і мало відрізняються за хімічними властивостями. Тому в аналізі складних сумішей виключне значення мають методи розділення або виділення окремих компонентів.

Розділення багатокомпонентних сумішей можна здійснювати різними процесами хімічної технології: ректифікацією, екстракцією, дробною кристалізацією і іншими. Однак, ці методи не зручні для використання в умовах аналітичних лабораторій. Широке застосування в аналітичній практиці одержали хроматографічні методи аналізу, які грунтуються на хроматографічних методах розділення.

Хроматографічний метод був відкритий російським вченим М.С. Цвєтом. У 1903 році М.С. Цвєт опублікував в працях Варшавського товариства природодослідників статтю, в якій показав можливість розділення пігментів зелених листків за допомогою адсорбентів. Він пропускав через скляну колонку, заповнену дрібно розмеленим карбонатом кальцію, розчин хлорофілу і виявив, що в міру просування розчину по довжині колонки, шар розчину розділяється на декілька шарів з різним забарвленням (жовтим, зеленим, червоним,...). Цей метод Цвєт назвав хроматографією (від грецького слова хромос - колір), хоч причиною розділення була різна сорбційна здатність окремих пігментів відносно карбонату кальцію. Таким шляхом можна проводити розділення і безбарвих сполук.

У подальшому для розділення сумішей стали використовувати також відмінності в іонно­бмінних властивостях, в розчинності осадів, різницю в міграційних властивостях компонентів.

Отже, суть хроматографічного методу можна сформулювати так: хроматографічні методи аналізу грунтуються на відмінності у сорбційних чи міграційних властивостях компонентів суміші в динамічних умовах і є процесами фізико-хімічного розділення компонентів рухомої фази при її русі вздовж нерухомої.

Необхідними умовами розділення є відмінність сорбційних або міграційних властивостей визначуваних компонентів і рух однієї фази вздовж іншої.

Хроматографічні методи аналізу знайшли дуже широке застосування за останні 50 років. За розробку теорії і практики хроматографії англійським хімікам Мартіну і Сінджу в 1952 році [PS4] була присвоєна Нобелівська премія в галузі хімії.

Існує багато варіантів здійснення хроматографічного аналізу, які класифікуються за наступними чотирма ознаками:

І. За агрегатним станом рухомої та нерухомої фаз.

рухома фаза	нерухома фаза	назва методу
газ газ	тверда рідка	газоадсорбційна газова, газоабсорбційна
рідина рідина	тверда рідка	рідинна, рідинна адсорбційна рідинна, рідинна розподільча

ІІ. За природою елементарного акту, відповідального за процес розділення.

1) Сорбція - поділяється на два види: адсорбція і абсорбція.

а) Адсорбція - концентрування компонентів на поверхні розділу між газовою або рідкою фазою і твердою фазою (тверда фаза називається адсорбентом). Наслідком цього є поглинання адсорбентом частини розчиненої речовини або газу з об'єму розчину або газової суміші.

Залежність кількості поглинутої речовини від парціального тиску газу в суміші подається ізотермою адсорбції. Математично ця залежність описується рівнянням Ленгмюра (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Ізотерма адсорбції Ленгмюра.

 

На прямолінійній ділянці кривої 1:

g = kmP, (3.1)[PS5]

де g - маса поглинутої речовини, г;

k - константа Генрі, Па^-1;

m - маса адсорбента, г;

P - парціальний тиск газу, який поглинається, Па.

Константа Генрі залежить від властивостей речовини і адсорбента, питомої поверхні адсорбента і температури. При збільшенні спорідненості матеріалу сорбента і речовини k зростає, а при збільшенні температури - зменшується. На початковій ділянці k не залежить від парціального тиску. В деяких випадках, особливо при високому тиску, k може залежати від тиску. Спостерігається відхилення від закону Генрі як позитивне (k зростає зі збільшенням P, крива 2), так і негативне (k зменшується зі зростанням P, крива 3).

На явищі адсорбції грунтується промисловий процес адсорбційного розділення речовин.

б) Абсорбція - розподіл речовини між газовою і рідкою фазами. При досягненні рівноваги концентрація речовини в розчині (C_р) залежить від концентрації (C_г) або парціального тиску (P_г) компонента в газі. Дослідження цього процесу показало, що ця функціональна залежність є прямолінійною C_р = kP_г, де k - коефіцієнт пропорційності, який називається константою Рауля і залежить від характеристик рідкої і газової фаз та температури.

На цьому явищі грунтуються промислові процеси виділення і розділення - абсорбція і ректифікація.

2) Розподіл розчиненої речовини між двома рідкими фазами, які не змішуються (рис.3.2).

 

Рис. 3.2. Розподіл розчиненої речовини між двома рідинами, які не змішуються.

 

Відношення рівноважних концентрацій речовини в кожній з цих фаз є постійною величиною: С_р1/С_р2 = k, де k - коефіцієнт розподілу. Величина k залежить від властивостей обох рідких фаз, спорідненості речовини до молекул цих фаз і температури. На принципі розподілу грунтується промисловий процес виділення і розділення компонентів - екстракція.

3) Йонний обмін - грунтується на протіканні реакції обміну йонів між рухомою і нерухо­мою фазами. Звичайно нерухома фаза – це тверда малорозчинна сполука, здатна обмінювати свої йони на йони рідкої рухомої фази. У більшості випадків це органічні полімери, які містять функціональні групи кислотного або лужного характеру (-COOH, -SO₃H, -NH₂,...).

4) Утворення малорозчинних сполук компонентів рухомої фази з речовинами, які входять до складу нерухомої фази. Рівноважна концентрація речовини в рухомій фазі залежить від добутку розчинності утвореної малорозчинної сполуки.

5) Міграція - грунтується на різній затримці речовин рухомої фази в порах нерухомої фази, куди вони потрапляють за рахунок броунівського руху (міграції). Ступінь затримки залежить від розмірів молекул рухомої фази і розміру пор нерухомої.

У всіх цих випадках, незалежно від механізму елементарного акту, речовина розподіляється між двома фазами. Якщо різні речовини мають різні властивості (різне k), вони по-різному розподіляються між рухомою і нерухомою фазами.

ІІI. За способом переміщення рухомої фази вздовж нерухомої.

1. Фронтальний - об'єкт аналізу подається безперервно через шар нерухомої фази і сам є рухомою фазою.

2. Витіснювальний - в нерухому фазу вноситься порція об'єкту аналізу. Ця порція витискається через шар нерухомої фази речовиною, яка сорбується сильніше, ніж компоненти об'єкту аналізу.

3. Проявний (елюентний) - в безперервний потік рухомої фази, яка практично не сорбується (елюента), вноситься порція об'єкту аналізу. Елюент захоплює частину компонентів об'єкту аналізу, яка знаходиться в рівновазі між ним і нерухомою фазою, і просуває їх вздовж нерухомої фази. Це приводить до розділення суміші на окремі компоненти.

IV. За апаратурним оформленням або за способом розміщення нерухомої фази:

1. Колоночна - нерухомою фазою у вигляді гранул діаметром 0,1-0,5 мм заповнюють трубку діаметром 2-6 мм і довжиною декілька метрів. Якщо нерухома фаза – рідина, вона наноситься на поверхню і в пори гранул інертного носія. Варіантом колоночної хроматографії є капілярна, коли рідка фаза наноситься на внутрішню стінку капіляра діаметром 0,1-0,5 мм і довжиною до 100 і більше метрів.

2. Площинна - використовується при рідкій нерухомій фазі:

а) тонкошарова - нерухома фаза наноситься тонким шаром на скляну або алюмінієву пластину (сілуфоль, алуфоль).

б) паперова - нерухома фаза – спеціальний хроматографічний папір (типу фільтрувального), просочений відповідними реактивами.

У площинній хроматографії рух рухомої рідкої фази здійснюється завдяки капілярним силам.

Кожен хроматографічний метод аналізу характеризується за цими чотирма ознаками.

Прилади, за допомогою яких виконується колоночне хроматографічне розділення сумішей і їх аналіз, називаються хроматографами. В залежності від агрегатного стану рухомої фази вони поділяються на газові та рідинні.

Найширше застосування для аналізу органічних речовин дістала газова хроматографія (газоадсорбційна і газорідинна, колоночна, проявного типу). Поняття газової хроматографії об'єднує всі варіанти, в яких рухомою фазою є гази або речовини в паровому стані. Біля 50 % всіх хроматографічних аналізів виконується з використанням газової хроматографії.