Рентгенодифракционные методы

В основе рентгенодифракционных методов лежит тот факт, что ди­фракционная картина, получаемая в результате рассеяния рентге­новского излучения, характеристична для определённого типа кри­сталлических структур или индивидуальных кристаллических ве­ществ.

Среди методов рентгеновской дифракции следует в первую оче­редь упомянуть метод рентгено-структурного анализа (РСА) моно­крис-таллов. Объектом исследования здесь является монокристалл, а результатом – картина пространственного расположения соста­вляющих его атомов. С его помощью можно исследовать структуру не только простых соединений, но и весьма сложных таких, как сте­роиды, витамины, антибиотики.

Методами рентгеновской дифракции можно изучать и порош­ко-образные твёрдые вещества. Порошковая рентгенография даёт информацию о природе отдельных кристаллических фаз, содержа­щихся в образце. В отличие от рассмотренных ранее методов, она позволяет определять не только элементный, но и вещественный со­став образца.

Картина рентгеновской дифракции каждого кристаллического вещества уникальна и представляет собой как бы «отпечатки паль­цев».

Образец перед анализом методом порошковой рентгенографии измельчают. Полученный порошок представляет собой множество мельчайших кристаллов, ориентированных во всех направлениях. При облучении порошка рентгеновскими лучами можно ожидать, что найдется достаточно частиц, для которых в соответствии с их ориентацией и, следовательно, величиной межплоскостного рассто­яния соблюдается условие дифракционного максимума (уравнение Брэгга).

Для идентификации веществ используют положения линий дифрак­ционных максимумов, (выраженные в виде значений углов дифрак­ции θ или 2 θ),а также относительные интенсивности линий. Значе­ние угла дифракции определяется тем или иным межплоскостным расстоянием кристалла d, которое может быть рассчитано из урав­нения Брэгга  по известной длине волны и величине θ. Полу­ченный набор значений d используют для идентификации кристал­лической фазы, сопоставляя его с имеющимися данными (например, базой данных ASTM).

Метод порошковой рентгенографии широко применяют для идентификации кристаллических фаз в минералогии, а также при исследовании твёрдофазных химических реакций.

   Контрольные вопросы и задания

1 Принцип метода рентгенофлуоресцентного анализа (РФА). Области применения.

2 Принципиальная схема приборов для рентгенофлуоресцентного анализа. Источники излучения, детекторы.

3 Особенности качественного и количественного анализа в методе рентгено-флуоресцентного анализа.

4 Какие образцы можно анализировать методом РФА?

5 Что лежит в основе рентгенодифракционных методов?

6 Расскажите о методе рентгено-структурного анализа (РСА) моно­кристаллов.

7 Какую информацию дает метод порошковой рентгенографии?

       

ГЛАВА 4 ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

    

Газовая хроматография

В 1903 г. М.С. Цвет впервые изложил принципы хроматографии и создал метод разделения пигментов зелёных растений. Важное преимущество хроматографии пе­ред другими методами анализа заключается в том, что для него нужно очень малое количество веществ – десятые доли миллиграмма или даже микрограммы и доли микрограмма. Ещё одно несомненное достоинство хроматографии связано с тем, что при его применении разделяемые вещества не подвергаются химическим изменениям.

Хроматографический метод позволяет разделять и анализиро­вать сложные смеси, очищать вещества от ненужных примесей, концентрировать и идентифицировать их.

Теоретические основы хроматографических методов анализа. Хроматографическое разделение веществ происходит под влиянием различной адсорбируемости компонентов смеси, раз­личного распределения компонентов смеси между двумя несмешивающимися жидкими фазами и различной растворимостью образующихся осадков.

Различают четыре вида хроматографии: адсорбционную, ионообменную, распределительную, осадочную. Пробу вводят в подвижную фазу, которой может быть газ или жидкость (в зависимости от этого различают газовую и жидкостную хроматографию). Подвижная фаза движется относительно неподвижной фазы, находящейся в колонке или в плоском тонком слое. Различия в силе взаимодействия компонентов пробы с неподвижной фазой приводят к тому, что при достаточно большом времени движения анализируемая смесь (проба) разделяется на отдельные компоненты.

Адсорбционная хроматография основана на различной способности компонентов к адсорбции (избирательная адсорбция) на том или ином сорбенте. Адсорбция и десорбция веществ в ко­лонке происходит под действием межмолекулярных сил.

Ионообменная хроматография основана на обменной адсорб­ции,           т.е. ионы, содержащиеся в хроматографируемом растворе, обмениваются на эквивалентное количество подвижных ионов, входящих в состав ионообменника. Хроматограммы при этом об­разуются в результате различной способности к обмену ионов хроматографируемого раствора. Реакция ионного обмена обра­тима.

Распределительная хроматография основана на распределе­нии растворённых веществ между двумя несмешивающимися растворителями. Следовательно, в распределительной хромато­графии используют различия в коэффициентах распределения хроматографируемых веществ между двумя несмешивающимися жидкостями – подвижным и неподвижным растворителями. Раз­личие коэффициентов распределения определяет неодинаковую скорость движения компонентов смеси, поэтому в конечном итоге образуется хроматограмма, состоящая из отдельных зон компо­нентов смеси.

Осадочная хроматография основана на принципе последова­тельного осаждения малорастворимых соединений. При пропу­скании анализируемого раствора через носитель, смешанный с соответствующим осадителем, образуется осадочная хромато­грамма, причём пространственное размещение образующихся осадков сверху вниз по колонке происходит в порядке увеличе­ния их растворимости.

Классификация хроматографических методов может осуществляться по механизму элементарного процесса, агрегатному состоянию систем, в кото­рых производится разделение, а также по характеру проведения процесса. Принято выделять два способа хроматографии: плоскостную (бумажная, тонкослойная хроматография) и колоночную хроматографию (газовая, жидкостная хроматография).

Газовая хроматография, в свою очередь, подразделяется на газо-адсорбционную и газо-жидкостную хроматографию.

Основными вариантами жидкостной хроматографии являются гель-проникающая хроматография и жидкостная адсорбционная хроматография, включая и её наиболее совершенный вариант – высокоэффективную жидкостную хроматографию (ВЭЖХ).

Характерная особенность всех видов хроматографии – много­крат-ность повторения элементарных процессов, например сорб­ции-десорб-ции, экстракции-реэкстракции и др. Это обусловлива­ет высокую эффективность хроматографических методов для раз­деления близких по химическим свойствам компонентов анализируемых смесей.

Качественный хроматографический анализ. Методы хроматографии можно использовать как для качественно­го, так и для количественного анализа, а также для препаративного разделения. Информацию о природе вещества несёт положение его зоны в случае внутреннего способа регистрации хроматограмм (в плоскостной хроматографии) и вре­мя удерживания в случае внешней регистрации хроматограмм.

Воспроизводимость всех хроматографических характеристик удерживания вещества обыч­но значительно ниже, чем, например, величин длин волн в спектро­скопических методах. Поэтому для надёжной идентификации сле­дует применять относительные характеристики удерживания, рас­считываемые с использованием внутреннего стандарта. Еще более достоверные результаты можно получить при сочетании хромато­графического разделения со спектроскопическим детектированием. Например, в газовой хроматографии широко используются масс-спектро-метрические, а в жидкостной – УФ-детекторы.

При выполнении качественного хроматографического анализа следует иметь в виду, что максимальное число хроматографических пиков, разрешённых до базовой линии, которые можно зарегистри­ровать при определённых условиях хроматографического процесса, ограничено. Если число компонен­тов, содержащихся в про­бе, превышает максималь­ное число разрешённых пиков, то наложение двух или более пиков неизбеж­но.

В таблице 4.1 приведе­ны типичные максималь­ные числа разрешённых пиков для методов газовой, жидкостной и гель-проникающей (фильтрационной) хроматографии.

 

Таблица 4.1 – Типичные значения максимального числа

разрешённых пи­ков для различных чисел теоретических

Число теоретических тарелок N	Максимальное число пиков п в методах хроматографии
	гель- хроматография	газовая хроматография	жидкостная хроматография
100	3	11	7
400	5	21	13
1000	7	33	20
2500	11	51	31
10000	21	101	61

Количественный хроматографический анализ. В колоночной хроматографии информацию о количестве вещества содержит высота или площадь пика. В плоскостной хроматографии (при внутреннем способе регистрации хроматограмм) для определения содержания вещества можно, например, измерить интенсивность окраски зоны (пятна) компонента.

Все хроматографические методы требуют гра­дуировки с использованием образцов сравнения (стандартов). При­меняют как внешние, так и внутренние стандарты. При использовании высотпиков следует убедиться, что фор­ма всех пиков определяемого компонента, как для анализируемой пробы, так и для образцов сравнения – одна и та же. В противном случае высота пика не будет прямо пропорциональна концентрации. Все условия эксперимента (температуру колонки, скорость подвиж­ной фазы, объём вводимой пробы и др.) следует строго контроли­ровать. Следует также избегать работы с большими количествами веществ (перегрузка колонки).

При использовании площадей пиков возможное изменение их фор­мы (вследствие размывания или других причин) играет меньшую роль, и результаты, как правило, получаются более точными. Сей­час для измерения площадей пиков широко используют компьютер­ные методы численного интегрирования. Площадь пика можно оце­нить и вручную как произведение его высоты h на ширину по­ловины его высоты b _1/2.

Газовая хроматография. В методе газовой хроматографии определяемые вещества (при необ­ходимости) испаряют и пропускают через колонку при помощи газа, являющегося подвижной фазой. Как правило, газ выступает только в роли переносчика веществ и никак с ними не взаимодействует. По­этому в методе газовой хроматографии подвижную фазу называют обычно газом-носителем. Неподвижной фазой может служить твёр­дое вещество, адсорбирующее разделяемые вещества. Этот вариант газовой хроматографии называется газо-твёрдофазной (газо-адсорбцион-ной – ГАХ). Наиболее распространённым вариан­том газовой хроматографии является газожидкостная (ГЖХ). Она широко используется для опре­деления органических веществ. Основным механизмом разделения в газо-жидкостной хроматографии является распределительный механизм.

Характеристики удерживания и коэффициенты распределения. В газовой хроматографии любые численные величины, характери­зующие удерживание веществ, существенно зависят от условий экс­перимента – в первую очередь температуры и давления. Обыч­но вместо времён удерживания используют удерживаемые объёмы. Удерживаемый объём равен произведению времени удерживания на объёмную (мл/мин) скорость потока газа-носителя F. Для удержи­ваемого объёма компонента смеси V_r   и мёртвого удерживаемого объёма V_m можно записать:

                                   V_R = F- t _R,                                              (4.1)

                                   V_M = F- t_M.                                              (4.2)

Экспериментально величину V_m можно определить по времени удерживания неудерживаемого газа – воздуха или метана. Основ­ной характеристикой удерживания вещества в газовой хроматогра­фии служит исправленный удерживаемый объём V_R:

                               V_i = V_R - V_{M .}                                       (4.3)

Среди всех характеристик удерживания вещества удельный удерживаемый объём в наименьшей степени зависит от эксперимен­тальных условий. Однако его определение достаточно трудоёмко. На практике в качестве характеристик удерживания обычно ис­пользуют исправленные удерживаемые объёмы – абсолютные или, что предпочтительнее, относительные, а также времена удерживания.

Процессы разделения в газовой фазе. Основные величины, характеризующие эффек­тивность разделения в колонках – число теоретических тарелок N и высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ) Н.

Под теоретической тарелкой понимается условный участок колонки, в пределах которого устанавливается равновесие частиц хроматографируемого вещества между подвижной и неподвижной фазами.

Движение вещества вдоль колонки можно представить себе как последовательный его перенос с одной теоретической колонки на другую. Число теоретических тарелок N определяется по формуле

                                                     N = L / H.                                             (4.4)

Высота, эквивалентная теоретической тарелке H, связана с дисперсией пика в колонке σ ², выраженной в единицах длины σ ² _L или времени σ ² _t:

                                       H = σ ² _L / L   или H = σ ² _t / t ² _R.                                    (4.5)

При обоих способах вычисления H имеет размерность длины. Чем меньше ВЭТТ, тем выше эффективность колонки, тем лучшее разрешение пиков может быть достигнуто.

Число теоретических тарелок можно легко рассчитать непосред­ственно из хроматограммы. Для этого сначала пик (имеющий обыч­но форму, близкую к гауссовой кривой) аппроксимируют треуголь­ником, продолжают его боковые стороны до пересечения с базовой линией и измеряют ширину пика у основания w (рисунок 4.1).

 

продолжительность, мин

Рисунок 4.1 – Оценка стандартного отклонения пика σ _t по его

ширине у основания w (w = 4 σ _t) или по ширине b _1/2 на половине

высоты h

Можно показать, что для пика гауссовой фор­мы справедливо прибли­жённое равенство w = 4 σ _t. Подставив его в выраже­ние (4.5), получим

                                                    H = w ² L /16 t ² _R.                                           (4.6)

Отсюда число теоретических тарелок N равно  

                                                 N = 16(t _R/ w)².                                           (4.7)

Таким образом, эту величину можно рассчитать непосредствен­но из хроматограммы, измерив время удерживания t _R и ширину пика у основания w. Более точные результаты часто даёт другой способ расчёта – с использованием ширины пика на половине его высоты b _1/2:

                                             N = 5,54(t _R/ b _1/2)².                               (4.8)

Высота, эквивалентная теоретической тарелке, и число теоре­тических тарелок – общепринятые характеристики эффективно­сти хроматографического разделения. В то же время понятно, что классическая теория тарелок есть лишь приближённая модель явле­ний, реально происходящих в колонке. На самом деле хроматографический процесс является не периодическим, а непрерывным; состояние равновесия между фазами, как правило, не достигается. Для сравнения эффективности различных колонок следует рассчи­тывать ВЭТТ в как можно более близких экспериментальных усло­виях – по крайней с использованием пиков одного и того же вещества.

Особенность газовой хроматографии состоит в том, что на значения N и H силь­но влияет продольная диффузия. Причиной тому являются высокие величины ко­эффициентов диффузии в газовой фазе – в 10⁴ раз большие, чем в жидкой. Зависимость Н от линейной скорости газа-носителя вы­ражена не очень резко, а минимальные значения Н находятся при довольно больших скоростях потока подвижной фазы.

Чтобы установить, пригодна ли данная колонка для решения данной практической задачи, недостаточно только зна­ния характеристик её эффективности. Необходима ещё информация о свойствах разделяемых веществ – в первую очередь об их летучести и сродстве к неподвижной фазе или адсорбенту.

Возможность разделения компонентов опреде­ляется, с одной стороны, их относительными летучестями (выра­женными в виде отношения давлений их насыщенных паров, зависящим от температуры), а с другой – их относительным сродством к неподвижной фазе (отношение коэффициентов активности). От­носительное сродство неподвижной фазы к различным компонен­там характеризует её селективность. В настоящее время существу­ет уже свыше 1000 различных неподвижных фаз для газовой хро­матографии.

На различиях в давлении насыщенных паров основано разделе­ние близких по химическим свойствам веществ, например, членов од­ного гомологического ряда. Если же температуры кипения веществ близки, то их разделение возможно только на основе различного сродства к ним неподвижной фазы. В этом случае, возможно разде­лить даже компоненты азеотропных смесей, не разделимые простой перегонкой.

измеритель скорости потока

система регистрации

блок ввода и испарения пробы

регулятор потока газа

прокладка

детектор

редукторы давления

шприц для ввода пробы

Устройство газового хроматографа. Основные узлы газового хроматографа схематически изображены на рисунке 4.2    

					термостат
			колонка
	газ-носитель

Рисунок 4.2 – Схема устройства газового хроматографа

Различные модели газовых хроматографов могут отли­чаться друг от друга с точки зрения природы используемого газа-носителя, особенностей системы ввода пробы, применяемых коло­нок и детекторов.

Газы-носители. В качестве газов-носителей применяют химически инертные газы – гелий, аргон, азот, диоксид углерода или водород. Выбор газа-носителя во многом зависит от способа детектирования. При выборе газа-носителя учитывают тип детектора. Если применяется катарометр (ДТП), то исполь­зуют газы с высокой теплопроводностью (гелий), обеспечи­вающие высокую чувствительность детектора.

Газ-носитель должен быть тщательно обезвожен, для чего его обычно предварительно пропускают через поглотительные сосуды. Для получения воспроизводимых результатов скорость потока газа-носителя должна быть постоянной.

При выполнении газовой хроматографии в нагретый до опре­делённой температуры поток газа-носителя вводят анализируе­мую пробу. Вещества пробы испаряются и вместе с потоком газа поступают в термостатированную колонку с неподвижной фазой (неподвижной жидкой фазой, нанесённой на частицы инертного носителя или адсорбентом). В колонке протекают многократные процессы ад­сорбции и десорбции на твёрдом носителе или растворения и вы­деления в жидкой плёнке смеси газообразных веществ. Разделение сложной смеси здесь зависит от коэффициентов адсорбции или распределения анализируемых веществ между фазами. На выходе из колонки смесь разделяется на индивидуальные веще­ства, поступающие с потоком газа на детектор.

Любой газовый хроматограф (см. рисунок 4.2) состоит из источни­ка постоянного потока газа-носителя, регуляторов давления и потока га­за, дозирующего устройства для количественного ввода анали­зируемой пробы,термостатированной хроматографической ко­лонки, детектора, самописца,блока нагрева колонки и необходимого в некоторых случаях устройства для улавливания компонентов смеси после их разделения.

Дозаторы. Дозируют и вводят пробу в хроматографы дозаторами. В лабо­раторной практике используют специальные микрошприцы объёмом 1-10 мкл. Для вве­дения проб газа большого объёма пользуются бюретками и отсе­кающими петлями. Хроматограф имеет приспособления, обеспе­чивающие смешение пробы с газом носителем или её испарение. Поток газа-носителя вместе с пробой поступает в колонку. В га­зовой хроматографии применяют набивные прямые, U-образные или спиральные колонки диаметром от 2 до 12-15 мм, длиной 2-20 м. Колонки изготавливают из стекла, меди, лату­ни, стали. Очень большое значение имеет полное и равномерное наполнение колонки сорбентом и постоянство температуры, ко­торое достигают термостатированием колонки. Используются также металлические или кварцевые капиллярные колонки длиной до 50 м и более.

Детекторы. Детектор – наиболее важный узел газового хроматографа. Он реагирует на изменение состава газа при выходе и передаёт эти данные регистрирующему прибору. Детекторы подразделяют на интегральные и дифференциальные. Сигнал интегрального де­тектора пропорционален общей массе вещества в потоке газа. При прохождении через детектор чистого газа-носителя на ленте записывается горизонтальная линия, если через детектор прохо­дит компонент смеси, перо самописца перемещается, вычерчивая ступень. Таким образом, хроматограмма, полученная с помощью интегрального детектора, состоит из ступеней, высота которых пропорциональна массе компонента, соответствующего данной ступени.

В хроматографах чаще используют дифференциальные детек­торы, регистрирующие разностный сигнал. Работа дифференци­альных детекторов основана: на различии в теплопроводности определяемых компонентов и под­вижной фазы (детекторы по теплопроводности – катарометры); на изменении электрической проводимости при ионизации ком­понентов анализируемой смеси (ионизационные детекторы); на разной плотности газа и пробы (денситометрические детекторы); на измерении поглощения в моно­хроматическом свете (спектрофотометрические детекторы).

Иног­да газовый хроматограф объеди­няют с масс-спектрометром, используя его в качестве детектора (хромато-масс-спектрометрия).

В катарометре измеряют электрическое сопротивление раска­лённой проволоки, помещённой в поток газа. Температура прово­локи и её сопротивление изменяются в зависимости от концент­рации и теплопроводности элюируемого вещества, находящегося в потоке газа. Катарометр универсален, но малочувствителен (10^-2-10^-3 %).

Пламенно-ионизационные детекторы (ПИД) значительно чувствительнее катарометров. Принцип их действия основан на измерении силы тока, возникающего между электродами, помещёнными в пламя, ионизирующее вещество. На электроды подают напряжение. При появлении в пламени ионов между электродами возникает ток ионизации. Высокой чувствитель­ностью обладает детектор электронного захвата (ДЭЗ).

Для измерения или записи импульсов, поступающих с детек­тора, применяют чувствительные показывающие или записываю­щие милливольтметры и потенциометры. Регистрируя сигнал, по­лучают график, связывающий сигнал детектора с объёмом газа-носителя V или временем его прохождения t через хроматографическую колонку. Этот график называют хроматограммой. На хроматограмме каждому компоненту анализируемой пробы отве­чает соответствующий пик.

Время от момента ввода пробы до записи вершины пика на­зывают временем удерживания данного вещества. Кроме того, используют удерживаемый объём – общий объём подвижной фазы, необходимый для удаления вещества из колонки. Время удерживания и удерживаемый объём - это качественные характеристики компонентов. Количественный анализ с помощью хроматограммы ведут по высоте или площади пика, которые пропор­циональны массе вещества.

В газо-жидкостной хроматографии неподвижная жидкая фаза находится на твёрдом носителе. Твёрдые носители имеют малую (микро) пористость (до 20 м²/г), которая мешает чёткому разде­лению (вхождение части жидкой фазы в микропоры). Наиболее удобны в качестве твёрдых носителей различные модифициро­ванные кремнезёмы. Например, хроматон получают методом кальцинирования кремнезёма, формуя затем из него шарики ди­аметром 0,1-0,2 мм, хезасорб готовят из кизельгура, сферохром – из силикатов. Иногда применяют носитель из обожжён­ной дроблёной глины (кирпич), промытой и обработанной соот­ветствующим способом.

В качестве неподвижной жидкой фазы применяют многие жидкости. Они должны быть инертными по отношению к компо­нентам смеси, носителю, термически стойкими, обладать малой вязкостью и незначительной летучестью, иметь достаточную рас­творяющую способность по отношению к компонентам опреде­ляемой газовой смеси. В качестве жидкой фазы часто использу­ют диглицерол для разделения спиртов, фенолов, ароматических анионов; апиезон (фракция нефти) – для раз­деления углеводородов; силиконовые полимеры (СКТВ, НСКТ и др.), обладающие высокой термической устойчивостью.

Температурный режим хроматографического процесса разли­чен. При низких температурах (до 200-250 °С) разделяют и определяют летучие вещества – углеводороды, спирты, эфирные масла, растворители. Многие органические соединения испаря­ются при температурах выше 250 °С (фенолы, высокомолекуляр­ные спирты, жирные кислоты). В таких случаях разделение ве­дут при температуре 250-400 °С или получают производные, об­ладающие пониженной температурой испарения. Чаще всего про­изводят этерификацию кислот, фенолов, спиртов, получая мети­ловые, этиловые или силиловые эфиры.

Повышенной разделительной способностью обладает газовая хроматография с программированием температуры. При таком способе хроматографирование ведут, постепенно повышая темпе­ратуру колонки. Сначала через колонку пропускают летучие, за­тем по мере повышения температуры – менее летучие соедине­ния, в результате наблюдается более полное и чёткое разделение веществ. Методы газовой хроматографии широко распростране­ны благодаря своей простоте, быстроте анализа (несколько ми­нут), чувствительности (до 10^{-10 г), избирательности, высокой степени автоматизации. Промышленность выпускает несколько десятков различных марок хроматографов.}

Капиллярные колонки. В качестве хроматографической колонки в последние годы все чаще используют капилляры диаметром 0,05-1 мм и длиной до 1000 м. Капилляры выполняют функцию твёрдого носителя, стенки их покрыты тонким слоем неподвижной жид­кой или твёрдой фазы. Большая длина и малый диаметр обеспе­чивают высокую эффективность разделения смесей веществ, высокую чувствительность газовой хроматографии. Увеличение длины ко­лонки приводит к возрастанию селективности хроматографических определений.

Для капиллярной хроматографии необходимы тонкие капил­ляры большой длины. Метод позволяет опреде­лять микроколичества компонентов проб. Капилляры делают из меди, алюминия, стекла, нержавеющей стали, пластмасс. Медные, алюминиевые и стальные капилляры получают из пред­варительно отожжённых трубок, протягивая их через серию от­верстий уменьшающегося диаметра специальных волочильных досок. Стеклянные капилляры вытягивают из размягчённых в кольцевой печи стеклянных трубок. Наибольшее практическое значение имеют стеклянные или кварцевые капиллярные колонки благодаря химической инертности.

На капиллярных колонках достигается разделение сложных смесей различных органических веществ, состоящих более чем из 500 компонентов. Высокоэффективные капиллярные хроматогра­фы (позволяют разделить смеси изомеров, различающихся по температуре кипения на 0,1 °С, смеси изотопов и изотопозаме­щённых соединений с разницей в молекулярных массах даже в единицу, а также смеси оптических изомеров.

Важное значение в капиллярной газовой хроматографии име­ет температура. Её роль, прежде всего, заключается в измене­нии сорбционного равновесия  в системе газ-твёрдое тело (или жидкость), а также в ускорении процессов массопередачи. От правильного подбора температуры колонки зависит и степень разделения компонентов смеси, и эффективность колонки, и об­щая скорость анализа. Существует некоторый температурный интервал колонки, в котором хроматографический анализ опти­мален.

Обычно этот температурный интервал находится в об­ласти, близкой к температуре кипения определяемого химиче­ского соединения. Именно поэтому достаточно широкое рас­пространение получила хроматография с программированием температуры колонки во времени, предусматривающая при ана­лизе сложных смесей повышение температуры колонки в опреде­лённом режиме. Как правило, программирование температуры колонки применяют при разделении сложных смесей, когда тем­пературы кипения компонентов сильно различаются между собой.

В современных газовых хроматографах много различных электронных блоков и тонких механических регуляторов и ис­полнительных механизмов. Использование компьютеров со специальными программами для регистрации и обработки результатов анализа позволяет быстро и с большой точностью рассчитать любые параметры газохроматографического анализа, автоматизировать эксперимент, осущест­влять контроль за технологическими процессами и обрабатывать результаты измерений в качественном и количественном анализе.

Газоадсорбционная хроматография (ГАХ). Исторически метод адсорбционной хроматографии оказался пер­вым хроматографическим методом. В методе газоадсорбционной (газотвёрдофазной) хроматографии неподвижной фазой является твёрдое тело – адсорбент. Разде­ление происходит за счёт процес­сов адсорбции-десорбции. В этом методе также можно использовать как набивные (насадочные), так и капиллярные колонки. В качестве капиллярных колонок можно использовать полые трубки, на внутренней поверхности которой иммобилизованы молекулы адсорбента. Можно использовать и тонкослойные капиллярные ко­лонки, аналогичные применяемым в газожидкостной хроматогра­фии.

Газоадсорбционная хроматография перед газожидкостной име­ет следующие преимущества:

- более широкий рабочий интервал температур;

- большая устойчивость положения базовой линии (что особен­но важно при использовании режима программирования тем­пературы или в сочетании с масс-спектрометрическим детек­тированием);

- большая скорость установления равновесия и, как следствие этого, меньшее время анализа.

Однако этот метод имеет и существенные недостатки:

- несимметричная форма пиков вследствие ограниченности линейного участка изотермы адсорбции;

- как правило, большие времена удерживания вследствие вы­соких значений энтальпии адсорбции;

- неоднородность поверхности адсорбента, наличие каталити­чески активных центров;

 - ограниченный выбор, трудность стандартизации неподвиж­ных фаз.

В качестве неподвижных фаз используют различные неоргани­ческие адсорбенты – алюмосиликаты (применяются также в моле­ку-лярных ситах), сажу, графит, а также пористые органические по­лимеры, например, сополимер стирола и дивинилбензола. Удельная поверхность твёрдой фазы в газоадсорбционной хромато­графии значительно выше, чем в газожидкостной.

Особенно большое значение адсорбционная хроматография име­ет для разделения и определения низкокипящих газов - водорода, азота, кислорода, метана, оксида и диоксида углерода, инертных газов, а также низкокипящих углеводородов.

 

Контрольные вопросы и задания

1 Какое преимущество имеет хроматография перед другими методами анализа?

2 В чём сущность методов хроматографии?

3 Расскажите, на чём основан метод осадочной и распределительной хроматографии? Их достоинства, недостатки, области применения.

4 Какие принципы лежат в основе газо-адсорбционной и газо-жидкостной хро-матографии?

5 Приведете блок-схему газового хроматографа.

6 Какие методы применяют в газовой хроматографии для качественных и количественных определений вещества?

 

Жидкостная хроматография

Жидкостной хроматографией называется хроматографический ме­тод с использованием жидкой подвижной фазы. Имеются различные варианты этого ме­тода. В жидкостно-жидкостной хроматографии (ЖЖХ) непод­вижной фазой служит жидкость. В жидкостно-адсорбционной хроматографии (ЖАХ) неподвижная фаза представлена твёр­дым адсорбентом.

В классическом ва­рианте жидкостной хроматографии, берущем начало с основопола­гающей работы Цвета (1906 г.), использовали стеклянные колонки с внутренним диаметром от 1 до 5 см и длиной 50-500 см. Частицы наполнителя имели размер 150-200 мкм. При этом скорость потока подвижной фазы составляла не более 1 мл/мин, и разделение часто оказывалось слишком длительным.

Попытки увеличить скорость потока путём использования ваку­умных и иных насосов обычно приводили лишь к ухудшению раз­деления. Этот результат вполне объясним, поскольку из хроматографической теории известно, что увеличение линейной скорости потока подвижной фазы при прочих равных условиях уменьшает число теоретических тарелок. Довольно скоро стало понятно, что увеличения эффективности можно достичь только за счёт уменьше­ния размеров зёрен наполнителя. Однако при этом резко во