Газовая хроматография. 3

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Химический факультет

Кафедра аналитической химии

Газовая хроматография

Курсовая работа студентки 2 курса

Кожемякиной Анны Николаевны

Руководитель,

??? Егоров В.В.

Исполнитель, студ.7-й гр. Кожемякина А.Н.

Минск - 2010 

Оглавление

1. Введение 3

1.1.История хроматографии как метода разделения 3

1.2.Терминология 3

2. Газовая хроматография 4

2.1. Теория 4

2.2. Хроматограмма 6

2.3. Элюционные характеристики 7

2.4. Газы, применяемые в хроматографии 9

2.5. Неподвижные жидкие фазы 10

2.5.1. Классификация неподвижных жидких фаз 11

2.6. Твердый носитель 12

2.6.1. Природа твердого носителя 12

2.6.2. Модифицирование твердых носителей 13

2.6.3. Плотность набивки колонки 14

2.7. Аппаратура 14

2.7.1. Система подготовки газов 14

2.7.2. Дозирующие устройства 15

2.7.3. Детекторы 15

2.7.4. Система обработки сигналов детектора 18

3. Применение в аналитической химии 19

3.1. Качественный анализ 19

3.2. Сочетание газовой хроматографии с другими методами исследования 20

3.3. Хроматографический анализ соединений различных классов 21

3.3.1. Легкие газы 22

3.3.2. Углеводороды 22

3.3.3. Кислородсодержащие соединения 23

3.3.4. Определение примесей 23

3.4. Препаративная газовая хроматография 24

Список литературы 26

1. Введение

Хроматография как эффективный  метод анализа и исследования веществ и их смесей родилась в  начале XX века и к настоящему времени  сформировалась в самостоятельную  научную дисциплину, изучающую распределение  химических веществ в системе  двух контактирующих несмешивающихся  фаз, из которых, как правило, одна подвижна и перемещается относительно другой, неподвижной.

Целью данной работы является рассмотрение вопроса газовой хроматографии, ее применение в аналитической химии.

1.1.История хроматографии как метода разделения

В 1902-1903 гг. русский ученый M. С. Цвет после серии предварительных экспериментов достиг разделения сложной смеси растительных пигментов при пропускании петролейно-эфирной вытяжки из листьев растений через стеклянную колонку, заполненную порошкообразным карбонатом кальция. При этом возникал ряд окрашенных зон, по числу которых можно было судить о сложности состава анализируемой смеси. Пропуская через колонку растворители различной природы, оказалось возможным регулировать степень распределения зон по слою адсорбента: сдвигать или раздвигать их, способствуя большей селективности их разделения и повышению точности последующего качественного и количественного анализа.

Значительной вехой в  развитии хроматографических методов  явилось создание в 1938 г. варианта тонкослойной хроматографии, а в 1941 г. А. Дж. П. Мартином и P. Л. M. Сингом сообщается о создании распределительной (жидкостно-жидкостной) хроматографии. Чуть позже в статьях  Мартина и Синга сообщалось, что  в качестве подвижной фазы можно  использовать не только жидкость, но также  пар или газ. Выполненная Джеймсом и Мартином 11 лет спустя обстоятельная  экспериментальная проверка этой идеи дала блестящие результаты. Среди других видов хроматографии можно также отметить флюидную, капиллярную, эксклюзионную, аффинную и многие другие.[1]

1.2.Терминология

В дальнейшей работе будут  пользоваться следующими терминами:

Подвижная фаза — поток жидкости, флюида или газа, перемещающий компоненты разделяемой смеси вдоль неподвижной фазы.

Неподвижная фаза — твердый сорбент или несмешивающаяся с подвижной фазой жидкость, на которых осуществляется дифференциальное удерживание и разделение компонентов смеси.

Сорбент — твердое вещество, жидкость или их смеси, способные поглощать или удерживать газы, пары или растворенные вещества и используемые в хроматографии в качестве неподвижной фазы.

Адсорбент — твердый сорбент, концентрирующий на своей поверхности газы, пары или растворенные вещества.

Абсорбент — твердый или жидкий сорбент, растворяющий в своем объеме газы, пары или компоненты жидких смесей.

Сорбат — вещество, удерживаемое сорбентом (в хроматографии — компонент разделяемой смеси).

Элюент — жидкость, флюид или газ, используемые в качестве подвижной фазы.

Элюат — выходящий из колонки поток подвижной фазы с компонентами разделяемой смеси.

2. Газовая хроматография

2.1. Теория

Газовая хроматография - универсальный метод разделения смесей разнообразных веществ, испаряющихся без разложения. При этом компоненты разделяемой смеси перемещаются по хроматографической колонке с потоком газа-носителя. По мере движения разделяемая смесь многократно распределяется между газом-носителем (подвижной фазой) и нелетучей неподвижной жидкой фазой, нанесенной на инертный материал (твердый носитель), которым заполнена колонка. Принцип разделения - неодинаковое сродство веществ к летучей подвижной фазе и стационарной фазе в колонке. Компоненты смеси селективно задерживаются последней, поскольку растворимость их в этой фазе различна, и таким образом разделяются (компонентам с большей растворимостью требуется большее время для выхода из жидкой фазы, чем компонентам с меньшей растворимостью). Затем вещества выходят из колонки и регистрируются детектором. Сигнал детектора записывается в виде хроматограммы автоматическим потенциометром (самописцем) или же регистрируется компьютером.

В основу той или иной классификации  хроматографических методов могут  быть положены различные характерные  признаки процесса. При этом следует учитывать, что существуют промежуточные варианты, не укладывающиеся в рамки строгой классификации. Более того, именно такие промежуточные варианты часто оказываются весьма перспективными и даже единственно возможными для решения сложных задач анализа. Разнообразные варианты хроматографии укладываются в относительно простую схему классификации в зависимости от используемой подвижной фазы и характера межмолекулярных взаимодействий. (табл.1)

Таблица 1 Классификация вариантов хроматографии по фазовым состояниям

В зависимости от способа  перемещения сорбатов вдоль слоя сорбента различают: проявительный (элюационный), фронтальный и вытеснительный методы.

Проявительный (элюационный) метод заключается в том, что сорбаты переносятся через сорбционный слой потоком вещества (элюента), сорбирующегося хуже любого из сорбатов. В ходе проявительного анализа разделенные компоненты анализируемой смеси выходят из хроматографической колонки в потоке элюента отдельными зонами, между которыми (при достаточно четком разделении) из колонки выходит чистый элюент.

Фронтальный метод заключается в непрерывном пропускании исследуемой смеси через слой сорбента. При этом на сорбенте образуются зоны, содержащие последовательно увеличивающееся число компонентов, а из колонки вначале выходит порция наименее сорбирующегося вещества. Фронтальный анализ применялся на ранних стадиях развития хроматографии, когда еще не были достаточно разработаны методы детектирования. В настоящее время он используется редко и практически совсем не применяется для целей количественного анализа. Это объясняется тем, что при фронтальном анализе ни один из компонентов смеси не отделяется полностью от остальных. Если после полного проявления концентрационного профиля при фронтальном анализе прекратить подачу пробы и начать промывку колонки чистой подвижной фазой, то фронтальный анализ превратится в вариант проявительной хроматографии с очень большой пробой. Кривая элюирования будет повторять в обратном порядке кривую фронтального анализа; последняя ступень будет соответствовать относительно чистому последнему (наиболее сильно удерживаемому) компоненту.

Вытеснительный метод  заключается в переносе разделяемой смеси потоком вещества (вытеснителя), сорбирующегося сильнее любого из компонентов смеси. В ходе вытеснительного анализа образуются отдельные примыкающие друг к другу зоны компонентов, которые располагаются в порядке увеличения их сорбируемости. Порядок элюирования компонентов характеризует их физико-химические свойства, а ширина полосы пропорциональна концентрации данного компонента. Вытеснительный анализ как метод разделения имеет весьма ограниченное применение и крайне редко используется в количественном анализе. Это объясняется тем, что в результате описанного процесса не получается дискретных локальных полос индивидуальных соединений.

2.2. Хроматограмма

Каждому компоненту смеси на хроматограмме  соответствует отдельный пик максимум регистрируемого сигнала детектора или концентрации компонента хроматографируемой смеси в элюенте. Кривую зависимости сигнала детектора от объема газа-носителя или от времени называют хроматограммой (элюционной кривой).[2] В зависимости от типа используемого детектора получают дифференциальные (рис. 1, а) и интегральные хроматограммы (рис. 1, б).

На дифференциальной хроматограмме  различают следующие составные  части: нулевую линию 1 – участок  хроматограммы, полученной при регистрации сигнала дифференциального детектора во время выхода из колонки чистого газа-носителя; пик 2 – несорбирующегося компонента; пик 3 – участок хроматограммы, полученной при регистрации сигнала детектора во время выхода из колонки одного из определяемых компонентов (или смеси нескольких неразделенных компонентов). Пик ограничивается фронтом, соответствующим возрастанию концентрации компонента до максимальной, и тылом, отвечающим убыванию концентрации компонента в газе-носителе. Расширение полосы компонента по мере прохождения ее через колонку, ведущее к получению широкого хроматографического пика, называют размытием пика. Размытие может быть симметричным и асимметричным. В последнем случае образуется пик либо с размытым фронтом, либо с размытым тылом. Исходными экспериментальными данными, с помощью которых выполняется качественный газохроматографический анализ, являются элюционные характеристики.

2.3. Элюционные характеристики

Первичные параметры удерживания

К числу первичных параметров удерживания относятся: время удерживания, объем удерживания и соответствующий им отрезок на хроматограмме - расстояние удерживания. [2]

Время удерживания (t_R) - это время, прошедшее от момента ввода пробы до выхода максимума концентрации определяемого компонента. Время удерживания экспериментально определяется по секундомеру либо с помощью интегратора или системы автоматизации анализа (САА) и измеряется в минутах и секундах (n’n”).

Расстояние удерживания (l_R) — это расстояние на хроматограмме от момента ввода пробы до выхода пика определяемого компонента. Измеряется на хроматограмме с помощью линейки от линии старта до вершины пика (в мм). Расстояние удерживания – непредставительная величина, так как она зависит от скорости перемещения диаграммной ленты и от других факторов.

Удерживаемый объем (V_R) — это объем газа-носителя (в см³), прошедший через хроматографическую колонку от момента ввода пробы до момента выхода максимальной концентрации определяемого вещества, измеренный при давлении и температуре на выходе из колонки. Объем удерживания находят по уравнению:

V_R = t_R . F_об,

где F_об – объемная скорость газа-носителя, см³/мин - объем газа-носителя, протекающего за единицу времени через пенный расходомер, т.е. на выходе из колонки и при температуре колонки.

Перечисленные параметры, при  условии использования одной  и той же температуры опыта и скорости газа-носителя, являются качественной характеристикой анализируемых веществ в данных условиях на одном и том же приборе. Поэтому ими можно пользоваться для выполнения качественного анализа, только используя один и тот же прибор, строго соблюдая неизменность режима его работы.

Для сопоставления получаемых значений первичных параметров удерживания с литературными данными или полученными на другом приборе или в иных условиях (для той же неподвижной фазы и температуры колонки) необходимо помнить, что на них влияют следующие факторы:

а) свойства и количества HЖФ (адсорбента в газоадсорбционной хроматографии и сорбента в ГЖХ), причем в газожидкостной хроматографии влияет отдельно и HЖФ, и твердый носитель;

б) температура колонки  и скорость газа-носителя;

в) конструктивные особенности  применяемой аппаратуры;

г) перепад давления газа-носителя на входе и выходе колонки.

Чтобы исключить влияние  некоторых факторов на первичные  параметры удерживания, используют исправленные и приведенные параметры, абсолютные и относительные параметры удерживания. Воспроизводимость и правильность измерений всех перечисленных параметров зависят от класса применяемой аппаратуры, опыта оператора и его квалификации. Основные ошибки, вызывающие погрешности измерений, возникают по следующим причинам:

а) нестабильность температурного режима колонок, испарителя и скорости газа-носителя;

б) перегрузка колонки за счет большой дозы, немгновенность дозирования;

в) несинхронность операции дозирования и включения средств  измерения времени удерживания  или отметки начала ввода пробы.

После рассмотрения теории можно  приступить к практике. Для начала необходимо выяснить, какие же вещества можно применять в ГХ.

2.4. Газы, применяемые в хроматографии

Газ-носитель должен быть инертен по отношению к разделяемым веществам и сорбенту. В связи с этим не рекомендуется, например, использовать водород для элюирования ненасыщенных соединений в условиях, допускающих возможность гидрирования. Вязкость газа-носителя должна быть как можно меньше, чтобы поддерживался небольшой перепад давлений в колонке. Коэффициент диффузии компонента в газе-носителе должен иметь оптимальное значение, определяемое механизмом размытия полосы. Следует иметь в виду, что в ряде случаев последние два условия противоречат друг другу, и выбор элюента определяется конкретной задачей анализа. Газ-носитель должен обеспечивать высокую чувствительность детектора. Поскольку в ходе хроматографического процесса расходуется значительное количество газа-носителя, необходимо, чтобы он был вполне доступен. Газ-носитель должен быть взрывобезопасен; выполнение этого требования особенно важно при использовании хроматографа непосредственно на технологической установке. [3]

Газ-носитель должен быть достаточно чистым (это условие особенно важно при анализе примесей). В подавляющем большинстве случаев применяются газы, сжатые до давления 15 МПа и содержащиеся в баллонах емкостью 40 л. В случаях, когда невозможно или трудно транспортировать стальные баллоны с газами, применяются электролитические или химические генераторы водорода, кислорода, углекислого газа и др. Если в качестве газа-носителя необходимо использовать водяной пар, то его следует получать кипячением дистиллированной воды при заданной температуре непосредственно в приборе.

Аргон обычно поставляют достаточно чистым, и поэтому он не нуждается в дополнительной очистке. Применять аргон в качестве газа-носителя выгодно, поскольку он не взрывоопасен и сравнительно дешев. Ламповый азот, применяемый в хроматографии, имеет степень чистоты, равную 99,99% поэтому он также не нуждается в дополнительной очистке. То же относится и к гелию: в случае использования детектора по теплопроводности или пламенно-ионизационного детектора этот газ не нужно дополнительно очищать. Однако в случае применения гелиевого ионизационного детектора газ не должен содержать даже следов примесей.

Электролитический водород удобен для хроматографии и также поставляется в баллонах или генерируется непосредственно в лабораторном электролизере. Степень его чистоты обычно равна 99.8%, что вполне достаточно для рутинной работы. При более высоких требованиях, предъявляемых к чистоте, водород необходимо освобождать от остатков кислорода и от влаги. Из-за очень низкой вязкости водорода перед началом работы необходимо проверить все соединения и полностью устранить все неплотности. В качестве газа-носителя водород рекомендуется применять до температуры 250°С, а в случае работы при более высоких температурах этот газ лучше заменить гелием.

Что касается вспомогательных  газов, то кислород и воздух обычно подвергают дополнительной сушке; если воздух отбирается из компрессора, то на его пути устанавливают еще и фильтр для улавливания компрессорного масла. Технический углекислый газ также содержит большое количество масла, а иногда и следы метана.

2.5. Неподвижные жидкие фазы

Неподвижная жидкая фаза - это фаза, определяющая селективные взаимодействия между компонентами пробы и твердым носителем, т.е. определяет последовательность выхода из колонки и отношение времен удерживания максимумов их зон, а также характер размывания хроматографических зон.[2] Выбор неподвижной жидкой фазы может оказаться наиболее важным шагом для получения требуемых хроматографических данных.

При выборе НЖФ принимаются  во внимание следующие свойства:

− химическая стойкость и инертность;

− низкое давление пара при температуре колонки;

− достаточные коэффициенты разделения;

− достаточная селективность по отношению к компонентам пробы, которые должны быть разделены;

− низкая вязкость;

− хорошая растворимость в каком-либо летучем растворителе;

− доступность.

2.5.1. Классификация неподвижных жидких фаз

Поскольку нет единого  параметра, с помощью которого можно было бы описать характеристики удерживания жидкой фазы, для классификации различных неподвижных жидких фаз используют понятие полярности. На практике полярные и неполярные фазы, а также фазы промежуточной полярности различаются без придания точного значения этим выражениям. Вообще говоря, чем больше полярность жидкой фазы, тем больше удерживание полярного растворенного вещества по сравнению с неполярным, имеющим одну и ту же температуру кипения. Полярность неподвижной жидкой фазы связана со степенью полярности полярных или поляризуемых функциональных групп и отношением таких групп к молекуле растворенного вещества. Неподвижные фазы классифицируют по характеру межмолекулярного взаимодействия фаза−вещество (табл. 2).

Не меньшее значение оказывает  количество неподвижной фазы и метод  ее нанесения. Как правило, количество НЖФ составляет 5−40 г на 100 г твердого носителя. При этом необходимо учитывать температуру кипения анализируемых веществ. Для легкокипящих веществ содержание НЖФ составляет 15−25%, для тяжелых сорбатов - 2−5%.[2]

Среди методов нанесения  можно отметить метод испарения, когда НЖФ растворяют в летучем растворителе (ацетоне, метаноле, петролейном эфире), засыпают в раствор носитель и, осторожно нагревая, испаряют растворитель. Метод фильтрации применяют в тех случаях, когда раствор неподвижной фазы в выбранном растворителе имеет невысокую вязкость. Этот раствор определенной концентрации смешивается с твердым носителем и избыток раствора отфильтровывается, а обработанный носитель высушивают на воздухе, при использовании фильтрационного метода обеспечивается равномерное нанесение жидкости на носитель[3]. Так же используется фронтальный метод [4] и противоточный метод [5].

2.6. Твердый носитель

Основное назначение твердого носителя в хроматографической колонке — обеспечить наиболее эффективное использование неподвижной жидкости. В связи с этим носитель должен обладать следующими свойствами: 1) значительной удельной поверхностью, позволяющей нанести жидкость в виде тонкой пленки и не допускающей ее перемещения под действием силы тяжести или по другим причинам; 2) малой адсорбционной способностью по отношению к разделяемым веществам; 3) отсутствием каталитической активности, химической инертностью; 4) достаточной механической прочностью, так как в процессе подготовки сорбента и заполнения колонки частицы носителя истираются; 5) способностью к равномерному заполнению колонки; 6) стабильностью при повышенных температурах; 7) смачиваемостью поверхности нанесенной на нее неподвижной жидкостью[3].

2.6.1. Природа твердого носителя

Хотя ни один материал-носитель не удовлетворяет всем этим критериям, имеется большое число специально обработанных носителей, которые дают удовлетворительные результаты. Товарные типы носителей поставляются уже просеянными и обработанными, и размер их зерен чаще всего составляет около 0,1 мм. С химической точки зрения носители можно разделить на две группы.

а) Для силикатных носителей используют чистые диатомитовые земли (кизельгур) называемые еще цеолитом 545 - остатки одноклеточных организмов (диатомей), имеющие пористую структуру (удельной поверхностью S_уд=20 м²/г).

б) Носители из графитированной сажи находят применение при решении специальных аналитических задач (например, при разделении серосодержащих и кислых газов).

Кроме природных материалов в качестве твердых носителей  применяют полимерные материалы.[2] Существует два типа полимерных твердых носителей:

− полихром-1 или 2 (Россия), Тефлон-6 (США);

− полисорб-1 (Россия), Хромосорб-100−110 (США).

Оба эти сорбента обладают невысокой максимально допустимой рабочей температурой (220 и 170°С, соответственно), малой механической прочностью (особенно полихром-1, легкосминаемый) и высокой электризуемостью.

Недостатками полимерных твердых носителей являются:

- плохая смачиваемость;

- сильная электризуемость;

- невысокая прочность;

- низкая максимально допустимая  рабочая температура (обычно не  выше 165 − 200°С);

- небольшое количество  наносимой НЖФ (около 10%).

2.6.2. Модифицирование твердых носителей

Чтобы устранить или, по крайней мере, уменьшить присущую большинству твердых носителей нежелательную активность, применяют различные методы:

1. Химическое модифицирование твердых носителей:

а) промывка минеральными кислотами (кипячение с НCl или Н₃PO₄) используется для понижения каталитических свойств (маркировка: хроматон-N-AW); применяют при анализе кислот;

б) промывка щелочами позволяет нейтрализовать кислотные свойства поверхности (маркировка: хроматон-N-ABW); используют при анализе основных соединений.

в) обработка хлорсиланами или силазанами позволяет дезактивировать высокоактивные гидроксильные группы на поверхности твердого носителя (маркировка: хроматон-N-AW-ДМХС);

г) введение алкильных групп;

д) нанесение НЖФ с последующей ее полимеризацией непосредственно на твердом носителе.

2. Физическое модифицирование твердых носителей:

а) насыщение анализируемым веществом;

б) нанесение других сильнополярных веществ на поверхность;

в) нанесение слоя смолы;

г) покрытие благородным металлом.

Путем подбора размера  зерен сорбента можно в несколько  раз увеличить эффективность  колонки. Увеличение эффективности при уменьшении размера зерен объясняется уменьшением размеров пустых полостей. Вследствие этого увеличивается неравномерность потока газа-носителя по сечению и путь внешней диффузии. Но чрезмерно мелкий сорбент увеличивает гидравлическое сопротивление, комкование и слипание частиц.

Для сортировки носителя используют метод седиментации частиц или просеивание через сита. Для колонки диаметром 3−4 мм оптимальным считается размер частиц 0,1−0,2 мм (иногда мельче). Фракция должна быть более узкой, т.к. от этого зависит равномерность потока газа-носителя.

2.6.3. Плотность набивки колонки

На четкость хроматографического  разделения веществ влияет плотность набивки, от которой зависит гидравлическое сопротивление и доля свободного объема колонки. Универсальных рецептов нет. Плотность набивки должна быть такой, чтобы при оптимальной скорости потока газа-носителя давление на выходе было не слишком велико.[2]

2.7. Аппаратура

Успех применения газовой  хроматографии зависит не только от правильного выбора сорбента и условий работы, но не в меньшей степени и от конструктивных и метрологических особенностей аппаратуры.

Современный газовый хроматограф представляет собой комплекс узлов, каждый из которых выполняет определенную функцию в процессе исследования, начинающегося подготовкой и вводом пробы и заканчивающегося регистрацией определяемых компонентов, а во многих случаях — выдачей окончательных данных по качественному и количественному составу анализируемого продукта.[3]

2.7.1. Система подготовки газов

Система подготовки газов  предназначена для:

1) установки скорости газа-носителя и вспомогательных газов;

2) стабилизации скорости, давления и расхода газов;

3) очистки газов.

Основными элементами этой системы  являются дроссель, регулятор давления и регулятор расхода.[2]

2.7.2. Дозирующие устройства

Дозатор является составной частью хроматографа, которая позволяет вводить пробу в поток газа-носителя. Сначала отмеряют объем или массу пробы, а затем вводят ее в пространство, в котором поддерживается заданная температура и через которое проходит газ-носитель. Конструкция дозатора должна решаться с таким расчетом, чтобы:

1) вносимая проба занимала  минимальный объем колонки и  не вызывала перегрузки колонки,  и с учетом чувствительности  детектора;

2) проба быстро переходила  в газообразное состояние и  поступала в колонку, не изменяя своего состава;

3) данные по временам  удерживания воспроизводились с  точностью до десятой доли  процента, а площади пиков изменялись  с отклонением менее 1%;

4) разделяющая способность  колонки не ухудшалась;

5) введение пробы не  вызывало изменения установившегося  режима работы систем хроматографа (зашкаливание нулевой линии,  резкое изменение давления газа-носителя и температуры дозатора).

2.7.3. Детекторы

Детектор хроматографа представляет собой прибор, позволяющий фиксировать какое-либо физико-химическое свойство бинарной смеси, определяемое ее составом. Таким образом, хроматографическая колонка является подготовительным устройством, превращающим сложную анализируемую систему в последовательность бинарных смесей газа-носителя с одним из анализируемых компонентов (если не рассматривать случаев неполного разделения). Поскольку концентрация компонентов, особенно плохо сорбирующихся, в элюате изменяется очень быстро, детектор должен обладать малой инерционностью. В противном случае легколетучие вещества, даже разделенные на колонке, могут регистрироваться в виде одного пика (если расстояние между максимумами меньше величины, характеризующей инерционность детектора).[3]