КАК ВЫБИРАЮТ УСЛОВИЯ РАБОТЫ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ КОЛОНКИ

Однако вернемся немного назад. Мы ввели пробу в колонку. Что происходит с этой пробой? Она поступила на начальный участок колонки, где, как и в других частях колонки, есть зерна, пропи­танные нелетучей жидкостью, а между зернами находится газ. «Остановим мгновение» и посмотрим, как будет вести себя ана­лизируемое вещество. Часть его будет оставаться в газе между зернами, а другая часть растворится в жидкости. Другими слова­ми, произойдет распределение сорбата между газом и жид­костью. Но в какой пропорции? Какая часть останется в газе, а какая растворится? Эта пропорция есть коэффициент распреде­ления Г, который равен отношению концентрации анализируемо­го сорбата в жидкости с_ж (число молей сорбата в I см³ жидкости) к концентрации его в газе с_г, (число молей сорбата в 1 см³ газа). Таким образом, мы можем записать: Коэффициент Г-это постоянная величина для данного сор­бата и данной жидкости, она зависит только от температуры. Постоянство коэффициента Г означает, что в каждое мгнове­ние существует равновесие между газом и жидкостью. Но такое равновесие совсем не означает, что какая-то молекула пробы бу­дет все время находиться в жидкости, а другая — все время в газе между зернами. Нет, равновесие — это процесс динамический, каждая молекула какую-то часть времени проводит в жидкости и какую-то — в газе. А отношение этих очень малых промежут­ков времени также равно Г.

Выяснив, что произошло сразу после ввода пробы в колонку, рассмотрим нашу систему в движении. Газ движется между зер­нами. Поэтому после того как в первый момент в начале ко­лонки сорбатраспределится между газовой и жидкой фазами, газ сразу же «унесет» свою часть дальше, в глубь колонки, а све­жая порция газа, занявшая это место, «потребует» у неподвижной жидкости своей доли с тем, чтобы распределение сорбата междуфазами снова соответствовало коэффициенту Г. С другой сторо­ны, газ, который транспортирует сорбат, соприкоснется в глу­бине колонки со свежими порциями неподвижной жидкости и вынужден будет отдать ей львиную долю своей добычи, так как коэффициент Г гораздо больше единицы. Таким образом, молекуле сорбата не остается ничего иного, как «нырять» из од­ной фазы в другую, пока, наконец, газ не вынесет ее прочь из колонки.

Другими словами, хроматографический процесс есть цепь сорбционных и десорбционных актов, причем под сорбцией, как мы уже говорили, понимают либо растворение в неподвижной жидкости, либо адсорбцию на поверхности адсорбента, если он служит в колонке неподвижной фазой. Десорбция же — это об­ратный процесс перехода вещества в газовую фазу. Газ при своем движении очищает колонку от сорбата, вымывает, элюирует его или проявляет хроматограмму.

С какой же скоростью передвигаются молекулы сорбата вдоль колонки? Очевидно, что эта скорость зависит и от скорос­ти газа-носителя, и от коэффициента распределения Г. Дейст­вительно, чем быстрее движется газ, тем на большее расстояние он успевает перенести молекулу сорбата. С другой стороны, чем больше время пребывания молекулы сорбата в жидкости (т.е. чем больше Г), тем больше она «отстает» от движущегося газа. Кроме того, безусловно, что чем больше в колонке жидкости, тем больше время пребывания молекул сорбата в ней.

Обозначим линейную скорость газа-носителя через а (см/с), а скорость движения зоны сорбата через и (разумеется, здесь мы имеем в виду лишь скорость перемещения вдоль колонки, так как в действительности молекула сорбата «успевает» и пере­ходить из одной фазы в другую, и перемещаться в различных на­правлениях, как в газе, так и в жидкости). Тогда

где t_г— время пребывания молекул сорбата в газовой фазе, а t_ж — время пребывания ее в жидкости.

Если бы объем жидкой фазы в колонке был равен объему газовой, то было бы справедливо равенство

Но газовая фаза занимает в колонке больший объем (w_г) по срав­нению с объемом, занимаемым жидкой фазой (w_ж). Поэтому сле­дует записать:

и тогда

Из последнего соотношения можно сделать очень важный вывод о том, что скорость, с которой сорбат движется вдоль колонки это специфическая характеристика

. Если проба содержит не один, а два сорбата, у которых различны значения Г, то они будут передвигаться по колонке с разными скоростями. Таким образом, вещества с разными Г будут разделяться в хроматографической колонке.

 

 

Задача исследователя, который желает разделить смесь на со­ставляющие, как раз и должна заключаться в том, чтобы подоб­рать такую неподвижную жидкость, которая по-разному раство­ряла бы составляющие смеси. Конечно, задача эта тем сложнее, чем больше компонентов входит в состав смеси.

Рассматривая законы движения веществ по колонке, нужно учесть одно важное обстоятельство. Мы говорили о том, что коэффициент распределения данного вещества между газом и жидкостью (Г) — величина постоянная. Это значит, что какова бы ни была проба, большая или малая, какова бы ни была кон­центрация вещества в газе (с_г) все равно распределение между фазами произойдет в одной и той же пропорции. На графике с_ж—с, изотерма сорбции при постоянном Г будет иметь вид прямой линии. В этом случае вся зона анализируемого сорбата, все части этой зоны будут передвигаться с практически одина­ковой скоростью и перо самописца запишет узкий симмет­ричный пик (подобный нарисованному на графике около прямой б). Но такой случай идеальный. На практике, особенно при использовании в колонке адсорбента, коэффициент Г зависит от концентрации вещества (сорбата); и изотермы сорбции при­нимают вид выпуклой (а) или вогнутой (в) кривой. Это говорит о том что разные участки зоны сорбата будут передвигаться с разными скоростями: в одних случаях какая-то зона отстает, образуется «хвост»— мы говорим «происходит размытие тыла» (кривая а), в других быстрее выходит начальная зона, как бы за­бегая вперед, и мы говорим «размытие фронта» (кривая в). При этом происходит наложение «хвоста» одного компонента смеси на «голову» другого, ухудшается разделение смеси. Хроматографические пики получаются несимметричными: в первом слу­чае более полога конечная ветвь, во втором — начальная. Но если такое неприятное явление устранить, то каждое веще­ство будет передвигаться по слою сорбента со своей постоянной скоростью и выходить из колонки в строго определенное вре­мя t_R. Эту величину называют в хроматографии временем удерживания; она зависит от длины колонки L и силы сорб­ции:

А нельзя ли по времени удерживания «узнавать» вещество? Оказывается, вполне можно, и именно на этом принципе основан качественный хроматографический анализ, идентификация («уз­навание») компонентов анализируемых смесей. Однако для полу­чения сравнимых данных исследователи должны были прово­дить эксперименты в строго одинаковых условиях —на колонках одной длины, при одной и той же скорости газа и при одинако­вом количестве неподвижной жидкости. Но это практически осу­ществить невозможно. Поэтому лучше использовать так назы­ваемое относительное удерживание г, то есть разделить время удерживания анализируемого вещества на время удерживания какого-нибудь другого вещества, которое мы будем использовать в качестве стандарт ого. Чтобы относительное удержива­ние зависело только от неподвижной фазы, нужно ввести поправку на газовое пространство в колонке. Введя все эти поправки, получают следующую формулу для расчета:

Таким образом, чтобы рассчитать г, нужно знать время удержи­вания анализируемого вещества t_Rстандарта t_Rcт и какого-ни­будь газа, который не сорбируется в колонке, t₀(гелия, иногда воздуха).

В литературе по газовой хроматографии приводят таблицы, которые содержат большое число данных по относительному удерживанию самых разнообразных веществ на колонках с раз­ными сорбентами.

Однако при проведении хроматографического процесса нуж­но учитывать и еще одно обстоятельство. Разделить вещества было бы не так уж сложно, если бы каждое из них выходило из колонки (элюировалось) компактно. Но хроматограмме ему со­ответствовал бы узкий пик, высота которого говорила о количе­стве выделенного вещества. Но на практике это не так, даже если коэффициент распределения Г постоянен и асимметричного раз­мытия зон нет. Во-первых, молекуле сорбата требуется опреде­ленное время, чтобы, будучи в газовой фазе, пройти расстояние до поверхности неподвижной жидкости, раствориться в ней, пройти определенный путь внутри жидкости (продиффундиро-вать) и освободиться. Естественно, что за это время те молекулы, сорбата, которые находились в движущейся газовой среде, успе­ли пройти определенный путь вдоль колонки (и чем больше ско­рость газа-носителя, тем этот путь больше). Таким образом, про­исходит расширение (размытие) хроматографической зоны. Эти причины размытия зон называют кинетическими факторами.

Во-вторых, нужно учитывать хаотическое движение молекул в жидкой и особенно в газовой фазах. Этот процесс сопрово­ждался продольным «расплыванием» хроматографической зоны. Попробуем чисто умозрительно представить себе, как это проис­ходит. Пусть вначале на прямой линии в точке 0 находилось 64 частицы. Вследствие хаотического движения частицы с равной вероятностью смещаются вправо и влево, причем через промежуток времени, необходимый для первого шага, очевидно, спра­ва (точка +1) и слева (точка -1) будут находиться по 32 час­тицы. Следующим шагом будет смещение частиц, которые оказались в каждой из образовавшихся групп, вправо и влево и т д. Нижняя шестая строка показывает распределение частиц после шестого шага. Если это распределение изобразить графи­чески, то получится симметричная кривая. При достаточно боль­шом числе шагов смещения, что имеет место в действительности, кривая, характеризующая форму хроматографической зоны, принимает вид известной в физике и математической статистике колоколообразной кривой распределения ошибок гауссовой кривой).

Разумеется,, чем больше скорость газа-носителя, тем меньше время пребывания зоны сорбата и, следовательно, тем меньше размытие, вызванное продольной диффузией. Но, к сожалению, очень высокой скорость делать нельзя, так как зона будет расши­ряться из-за влияния кинетических факторов. Есть и другие при­чины размытия зон при высоких скоростях: это, например, из­вестный в гидравлике «стеночный эффект». В газовой хромато­графии оптимальной считают линейную скорость газа-носителя 5—10 см/с, именно при этих условиях удается получать наиболее узкие зоны сорбатов.

Теперь мы можем сказать, что разделение веществ в хромато­графической колонке определяется двумя основными фактора­ми: во-первых, селективностью неподвижной фазы, т.е. ее свой­ством по-разному сорбировать компоненты смеси, и, во-вторых, эффективностью колонки, т. е. способностью давать узкие хроматографические пики. Если подобрана селективная неподвижная фаза, но эффективность колонки была низкой, то в результате хроматографического разделения произойдет перекрывание зон (А). Если эффективность колонки достаточно высока, то непо­движная жидкая фаза практически одинаково растворяет компо­ненты смеси (коэффициенты Г для обоих веществ равны), хроматографический пик будет узким, но смесь разделить также не удастся. Оба вещества

вый­дут из колонки вместе (Б). Только если подобрать селек­тивную жидкую фазу и ко­лонку высокой эффективнос­ти, разделение зон будет хо­рошим (В).

Как подобрать селектив­ную жидкую фазу, можно себе представить, если вспом­нить, что это значит. Просто такая жидкость должна по-разному растворять компо­ненты смеси, т. е. коэффи­циенты Г компонентов смеси для данного растворителя должны быть разными, и чем больше они будут разли­чаться, тем лучше.

А как оценить эффектив­ность хроматографической колонки? По аналогии с рек­тификационной колонкой эффективность хроматогра­фической колонки стали оце­нивать числом теоретических тарелок. В хроматографии эта величина определяется отношением времени удержи­вания вещества к ширине пика, т. е. скоростью размы­тия зоны. Чем меньше ско­рость размытия, тем эффективнее колонка. Причем эта зависимость не простая. Так, если ширину пика, измеренную на половине его высоты, обозна­чить через х., то число теоретических тарелок п будет

 

 

 

Сравнивая хроматографические колонки с ректификационны­ми, мы видим, что последние по своей эффективности остаются далеко позади. Самая обычная метровая колонка в хроматогра­фии имеет эффективность в сотни теоретических тарелок, в то время как эффективность ректификационной колонки такой же длины на целый порядок меньше. Это и позволяет хроматографически разделять вещества, у которых значения Г различаются очень не намного, например близкокипящие изомеры или моле­кулы, содержащие изотопы, и т.д.

Степень разделения К равна разности времен удерживания, деленной на сумму ширин соседних пиков:

К =

и, как видно из приведенной формулы, зависит от числа теорети­ческих тарелок. Чем длиннее колонка, тем выше ее эффектив­ность. Зная значения входящих в формулу величин, можно опре­делить, колонка какой длины нужна для разделения той или иной пары веществ. При этом следует помнить, что оптимальными являются условия, когда К близка к единице.

Ну, а если, несмотря ни на что, вещества не разделяются? Зна­чит, величины коэффициентов распределения у них одинаковы и, сколько ни удлиняй колонку, эффекта не будет. Тогда нужно взять другую неподвижную фазу, т.е. изменить селективность колонки, В этом случае дробь в правой части уравнения, которая содержит времена удерживания сорбатов (коэффициент селек­тивности) изменится. Кстати, в ректификации этого сделать нельзя, так как степень разделения там определяется только темпе­ратурами кипения разделяемых веществ.

В газовой хроматографии в качестве неподвижной фазы ис­пользуют сотни разных жидкостей: это и неполярные парафины, и полярные соединения типа гликолей и их эфиров, и вещества, содержащие цианэтильные группы, и т, д. Широко применяют эфиры фталевой кислоты *, которые известны в промышленно­сти как пластификаторы при производстве пластмасс. Казалось бы, всегда можно найти то, что годится для разделения анализи­руемой смеси. Но бывают и довольно курьезные случаи. Так, оказалась очень трудной задача разделения смеси этилбензола и трех изомерных ксилолов. На колонке с обычными непо­движными фазами удается получить три пика: этилбензол и ор- то-ксилол выходят отдельно, а мета-ксилол и «ара-ксилол вме­сте. Но вот нашли, что органическое производное» глины — бентон хорошо разделяет мета- и «ара-изомеры. Казалось бы, задача решена. Однако полностью разделить смесь всех четырех веществ снова не удалось: бентон оказался настолько «хорош», что «ара-ксилол, обгоняя.мета-ксилол, догонял этилбензол, а.ме­та-ксилол отставал и выходил из колонки вместе с орто-ксило-лом. Глядя на такие хроматограммы, можно решить только одно: надо «испортить» бентон, сделать его менее селективным при разделении мета- и пара-изомеров, и тогда все четыре ком­понента будут выходить через почти равные промежутки време­ни. Для этого попытались смешать бентон с какой-нибудь «пло­хой» фазой, например с обычным вазелиновым маслом, т.е. использовать смешанную неподвижную фазу. В этом случае на хроматограмме получились четыре пика, т.е. смесь удалось разделить.

Для оценки оптимальности подобранных условий разделения смеси в хроматографии ввели особую величину — коэффициент равномерности. Если сравнивать его значения для самых разных

* Эти соединения многим известны, особенно туристам, потому что ими пользуются для отпугивания насекомых
вариантов анализа одной и той же смеси, можно опреде­лить, при каких условиях раз­деление будет наиболее рав­номерным, а в каком между пиками, например, окажутся «пустые места», что свиде­тельствует о излишней трате времени на анализ.

Скорость анализа с уче­том степени разделения ком­понентов оценивают с по­мощью коэффициента быст­родействия, который соответствует числу хорошо(сК — не менее единицы) разделен­ных компонентов, выходя­щих из колонки за одну ми­нуту:

Здесь n_к— число пиков на хро­матограмме, t — время ана­лиза, а степень разделения К относится к наихудшим образом разделяемой паре компонентов (пиков на хро­матограмме).

.

 

 

Быстрота разделения — это одно из важных преимуществ га­зовой хроматографии перед другими методами. Обычные лабо­раторные анализы проводят за 20— 30 минут, а разделение сме­сей, включающих десятки компонентов — за час или даже несколько часов. На промышленных же предприятиях, где самое небольшое промедление может сильно повредить качеству про­дукта, результаты анализа должны выдаваться за считанные ми­нуты.

Вот здесь-то особенно важно использовать хроматографические методы. Есть такие из них, которые позволяют разделять смесь 5—10 компонентов за несколько секунд!