Характеристики удерживания

 

1. Расстояние удерживания , мм – расстояние от момента ввода пробы на хроматограмме до максимума соответствующего пика. – расстояние удерживания несорбирующегося компонента, мм, определяется от момента ввода пробы до максимума пика несорбирующегося компонента;

2. Исправленное (приведенное) расстояние удерживания, – расстояние от вершины пика несорбирующегося компонента до максимума соответствующего пика, мм;

(2.1)

3. Время удерживания ,мин – время, прошедшее от момента ввода пробы в колонку до момента записи максимума соответствующего пика.

Время удерживания можно рассчитать, зная линейную скорость движения диаграммной ленты в потенциометре U_л, мм/мин:

(2.2)

(часто время удерживания измеряется непосредственно с помощью секундомера).

 

Рис. 2.1. Хроматограмма, иллюстрирующая расстояние удерживания

 

4. Исправленное время удерживания , мин – время, прошедшее с момента появления максимума пика несорбирующегося компонента до появления максимума пика соответствующего соединения,

(2.3),

где – время удерживания несорбирующегося компонента.

Время удерживания есть функция длины колонки, скорости потока газа-носителя, сорбируемости, температуры. Величиной, не зависящей от скорости потока газа-носителя, является объем удерживания.

5. Объем удерживания (удерживаемый объем), , мл – объем газа- носителя при температуре колонки, прошедшего через колонку за время от момента ввода пробы до момента регистрации максимума соответствующего пика хроматограммы.

(2.4),

где –исправленная объемная скорость газа носителя, мл/мин.

Объемная скорость газа-носителя измеряется на выходе из колонки жидкостным расходомером. Для расчета истинного (исправленного)значения, , следует учитывать давление насыщенного пара рабочей жидкости расходомера (обычно воды), , при температуре расходомера , тогда,

(2.5)

где - измеренная объемная скорость расхода газа-носителя на выходе из колонки, мл/мин.; - давление газа на выходе из колонки, обычно 1 атм; – температура колонки, К.

6. Приведенный (исправленный) объем удерживания , мл – объем удерживания с поправкой на объем удерживания несорбирующегося компонента (). Рассчитывается по формуле:

(2.6)

7. Эффективный (истинный) объем удерживания ,мл – приведенный объем удерживания, исправленный с учетом перепада давления в колонке:

(2.7),

где j – поправочный коэффициент, учитывающий сжимаемость газа носителя в колонке:

(2.8)

где – давление газа-носителя на входе в колонку, атм; – давление газа-носителя на выходе из колонки, равное 1 атм.

Таким образом, истинный удерживаемый объем равен:

(2.9)

6. Удельный объем удерживания при температуре колонки, – истинный объем удерживания, отнесенный к единице массы неподвижной жидкой фазыв колонке. Рассчитывается по формуле:

 

(2.10),

 

где q – масса неподвижной жидкой фазы в колонке, г.

9. Удельный объем удерживания – удельный объем удерживания при температуре колонки, приведенный к 273 К, рассчитывается по формуле:

(2.11)

В газожидкостной хроматографии удельный удерживаемый объем представляет собой физико-химическую константу. Значение ее зависит только от природы жидкой фазы и не зависит от условий хроматографического разделения. Величина может быть использована для идентификации компонентов в качественном анализе и для физико- химических исследований.

Выполнение работы. На газовом хроматографе снимают хроматограммы полученной контрольной смеси. Условия хроматографирования определяются природой анализируемой смеси. На полученных хроматограммах измеряют расстояния удерживания пиков отдельных компонентов смеси и индивидуальных веществ. Рассчитывают их объемы удерживания. Сравнивая компонентов смеси с индивидуальных веществ, идентифицируют пики контрольной смеси.

Для идентифицированных компонентов смеси рассчитывают удельные удерживаемые объемы. Результаты расчета сводят в таблицу.

Таблица 2.1

Расчет характеристик удерживания

№	Компонент	,мм	,мин.	,мл
1.
2.

Работа 2. Определение количественного состава

многокомпонентной смеси

Цель работы: Определить содержание отдельных компонентов контрольной смеси методом внутренней нормализации без учета калибровочных коэффициентов (методом простой нормировки).

Сущность работы: Для определения количественного состава анализируемой смеси используют зависимость между содержанием данного компонента в смеси и размерами соответствующего ему пика на хроматограмме. Чаще всего количественную оценку хроматограмм производят по площади пиков S. Упрощенный метод измерения площади пика состоит в умножении высоты пика на его ширину, измеренную на расстоянии, равном половине высоты.

Метод простой нормировки основан на предположении, что вещества, независимо от их строения, взятые в одинаковом количестве, дают одну и ту же площадь пика. Это приближено выполняется, если вещества химически сходны, а в качестве газа – носителя применяется газ, теплопроводность которого приблизительно на порядок отличается от теплопроводности анализируемых веществ (детектор – катарометр). Такими обычно являются водород и гелий.

Площадь каждого пика рассчитывают путем умножения высоты пика на его ширину, измеренную на полувысоте пика:

2.12)

Расчет содержания данного компонента в анализируемой смеси проводят по формуле:

(2.13),

где ω_i – массовая доля -го компонента, %; – площадь пика -го компонента, мм²; – сумма площадей пиков всех компонентов, мм².

Метод простой нормировки не дает точных результатов в случае различной чувствительности детектора по отношению к разделяемым компонентам смеси.

Выполнение работы: На газовом хроматографе снимают 2–3 воспроизводимых хроматограммы контрольной смеси. Рассчитывают площади пиков отдельных компонентов и определяют содержание компонентов в смеси. Результаты оформляют в виде таблицы.

 

Таблица 2.2

Расчет состава смеси

№	Компонент	Высота пика, мм	Ширина полупика, мм	Площадь пика, мм2	Содержание компонента, ω;, %

Работа 3. Определение критериев разделения

Цель работы:

1. Определить степень разделения 2-х компонентов и селективность жидкой фазы на 2-х колонках.

2. Определить эффективность хроматографических колонок (число теоретических тарелок и ВЭТТ) с различными жидкими фазами.

3. Определить критерии разделения и сравнить две хроматографические колонки по эффективности и селективности.

Сущность работы. Для оценки хроматографического разделения компонентов пользуются тремя группами критериев.

1. Первая группа критериев зависит от природы сорбента и сорбата (разделяемых компонентов), от температуры и характеризует качество разделения в зависимости от различия абсорбируемости или растворимости разделяемых веществ. К критериям этой группы относятся степень разделения и критерий селективности жидкой фазы К_С, которые определяется соотношениями:

2.14),

 

(2.15),

 

где , _, –объем, время, расстояние удерживания разделяемых компонентов смеси, соответственно; , _, – объем, время, расстояние удерживания несорбирующегося компонента смеси.

Если = 1, то вещества не разделяются.

Для неразделяемых веществ К_С = 0, при полном разделении значение К_С → 1. Селективность жидкой фазы не зависит от размеров колонки, природы газа-носителя, от количества введенной в колонку пробы.

2. Вторая группа критериев обусловлена кинетическими и диффузионными факторами, которые вызывают размывание хроматографических полос. К этим факторам относятся: размеры колонки, природа газа-носителя, скорость потока, температура колонки, количество вводимой в колонку пробы и др. Совокупность параметров хроматографического опыта, входящих во вторую группу, от которых так же, как от селективности, зависит качество разделения, можно назвать общим термином – эффективность.

Эффективность хроматографической колонки выражается числом теоретических тарелок N или высотой, эквивалентной теоретической тарелке, (ВЭТТ), H.

Процесс разделения смеси веществ в хроматографической колонке подобен разделению на тарельчатых ректификационных колонках. По аналогии с теорией дистилляционных колонн хроматографическая колонка мысленно разбивается на ряд последовательных теоретических ступеней – тарелок, через которые периодически проходят порции газа. Предполагается, что за время нахождения порции газа на тарелке успевает установиться равновесие между подвижной и неподвижной фазами для всех компонентов. Таким образом, хроматографический процесс многоступенчатый и состоит из большого числа актов сорбции и десорбции или растворения и испарения, а сама колонка рассматривается как система, состоящая из совокупности многих ступеней – тарелок.

Длина элементарного участка колонки, на котором достигается состояние равновесия между концентрацией вещества в подвижной и неподвижной фазах, называется условно высотой, эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ).

Существует простая зависимость:

(2.16),

где L –длина хроматографической колонки, см;

N –число теоретических тарелок

Число теоретических тарелок связано с параметрами хроматографического пика соотношениями:

(2.17),

 

где , , – приведенные (исправленнные) расстояние, мм, время, мин, объем удерживания, мл, соответственно; – ширина хроматографического полупика (ширина пика, измеренная на ½ его высоты), мм.

Число теоретических тарелок зависит от длины колонки и свойств сорбента. ВЭТТ зависит только от типа сорбента и характера его упаковки в колонке. Чем больше N и меньше ВЭТТ для колонки, тем эффективнее происходит разделение на колонке.

Выполнение работы: На газовом хроматографе в идентичных условиях, но с разными хроматографическими колонками поочередно снимают хроматограммы полученной контрольной смеси. Условия хроматографирования определяются природой анализируемой смеси. На полученных хроматограммах измеряют расстояния удерживания пиков отдельных компонентов смеси и индивидуальных веществ. Рассчитывают их объемы удерживания (времена удерживания). Затем рассчитывают число теоретических тарелок N, высоту, эквивалентную теоретической тарелке Н, критерии разделения и К_С и оценивают эффективность колонок. Результаты оформляют в виде таблицы.

ИОНООБМЕННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ

Работа 1. Определение содержания в растворе нейтральных солей

Цель работы: определить содержание в растворе нейтральных солей с применением катионита.

Сущность работы. Определение основано на том, что при пропускании раствора нейтральной соли (например, KCl, NaNO₃, K₂SO₄ и др.) через колонку с сильнокислотным катионитом в H ⁺- форме катионы соли обмениваются на ионы водорода, при этом выделяется сильная кислота в количестве, эквивалентном содержанию соли в растворе:

Количество выделившейся кислоты в элюате (элюат – раствор, вытекающий из колонки) определяют титрованием щелочью:

В качестве сильнокислотного катионита можно использовать в этом случае катионит марки КУ-2 в H⁺-форме.