Газовая хроматография и ее применение в аналитической химии (стр. 1 из 4)
Реферат
"Газовая хроматография и ее применение в аналитической химии"
Хроматография – это обширная область физико-химических методов анализа, которая занимается разработкой методов разделения сложных по составу многокомпонентных смесей.
Характерными особенностями любых хроматографических методов являются следующие:
• Высокая разрешающая способность процесса разделения, обусловленная высокой эффективностью процесса, дающая возможность разделения даже близких по природе, структуре и свойствам веществ. Этим, во многом, объясняется широкое распространение хроматографии в различных областях научных исследований, в лабораторной практике, промышленности.
Те разделения, которые до применения хроматографических методов не могли быть осуществлены, стали легко осуществимы после их появления. Сюда относятся, например, разделение смесей аминокислот на индивидуальные компоненты, разделение смесей углеводородов на индивидуальные вещества, разделение смесей редкоземельных элементов на отдельные элементы, выделение ферментов в чистом виде и многие другие разделения.
• Мягкие условия разделения. Можно сравнить процесс хроматографического разделения смесей с процессом разделения сложных смесей методом перегонки, но если обычная перегонка осуществляется, как правило, в достаточно жестких условиях (высокая температура, глубокое вакуумирование), то хроматографические разделения осуществляются, как правило, в очень мягких условиях (при атмосферном давлении, при обычных температурах).
Перечислим основные задачи, которые могут быть решены с помощью хроматографических методов:
• Разделение многокомпонентных по составу смесей на индивидуальные компоненты, т.е. по существу это качественный и количественный анализ сложных смесей веществ.
• Концентрирование веществ из их очень разбавленных растворов. Цели здесь могут быть самые разные: хроматографические методы позволяют сконцентрировать уран, содержащийся в природных рудах в десятых, а то и сотых долях процента; сконцентрировать радий, содержащийся в природных водах в концентрациях 10-5−10-6 г-атом/л. Может стоять задача извлечения ценных металлов (серебра, золота, платины) из разбавленных технологических растворов (гидрометаллургия) или производственных сточных вод (вопросы экологии).
• Очистка технических продуктов, доведение этих продуктов до заданной степени химической чистоты, получение чистых химических реактивов.
• Проверка вещества на однородность, на чистоту, т.е. идентификация вещества, доказательство того, что оно соответствует данной химической формуле.
• Контроль различных производств методами хроматографии.
Классификация хроматографических методов
В основу классификаций хроматографических методов положены принципы, учитывающие следующие различные особенности процесса разделения:
• различия в агрегатном состоянии фаз используемой хроматографической системы;
• различия в характере взаимодействий разделяемых веществ с неподвижной фазой;
• экспериментальные различия в способах проведения процесса хроматографического разделения.
В таблицах 1−3 приведены основные варианты классификации известных хроматографических методов.
Таблица 1. Варианты хроматографии, различающиеся по агрегатному состоянию фаз
| Подвижная фаза | Неподвижная фаза | Название варианта | |
| общее | частное | ||
| газ | адсорбент | газовая | газо-адсорбционная |
| жидкость | газо-жидкостная | ||
| жидкость | адсорбент | жидкостная | жидкостно-адсорбционная |
| жидкость | жидкостно-жидкостная | ||
| газ или пар в сверхкрити-ческом состоянии | адсорбент | флюидная | флюидно-адсорбционная |
| жидкость | флюидно-жидкостная | ||
| коллоидная система | композиция твердых и жидких компонентов | полифазная | |
Поскольку характер взаимодействий разделяемых соединений с фазами различных хроматографических систем может сильно различаться, то почти не существует объектов, для разделения которых не удалось бы найти подходящей неподвижной фазы (твердой или жидкой) и систем подвижных растворителей.
Таблица 2. Варианты хроматографии, различающиеся по характеру взаимодействий разделяемых соединений с неподвижной фазой
| Механизм процесса разделения | Название варианта |
| по размеру молекул | ситовая хроматография |
| за счет физической адсорбции | молекулярная хроматография |
| за счет растворения | распределительная хроматография |
| за счет ионного обмена | ионообменная хроматография |
| за счет образования водородной связи, проявления химического сродства и др. | хемосорбционная хроматография |
| за счет образования координационных связей разделяемых органических молекул с катионами металлов в привитых на поверхности адсорбента группах (лигандах) | лигандообменная хроматография |
| за счет образования прочного комплекса только одним из разделяемых компонентов с привитой специфической группой неподвижной фазы | аффинная хроматография |
Таблица 3. Варианты хроматографии, различающиеся по способу проведения
| Способ проведения процесса разделения | Название варианта |
| в цилиндрическом слое сорбента | колоночная хроматография |
| в слое сорбента на плоской поверхности | хроматография в тонких слоях |
| в пленке жидкости, содержащейся в полоске бумаги | хроматография на бумаге |
| в пленке жидкости или тонком слое адсорбента, размещенном на внутренней стенке капилляра | капиллярная хроматография |
| в полях электрических, магнитных, центробежных и других сил | хроматография в полях сил |
Газовая хроматография
Несмотря на то, что метод газовой хроматографии был открыт только в 1952 году, теория процесса разделения смесей веществ этим методом на настоящее время разработана гораздо глубже, чем для других методов. Это объясняется прежде всего тем, что методы газовой хроматографии использовались в практике гораздо интенсивнее других.
Отличительной особенностью газовой хроматографии от других методов хроматографических разделений является то, что используемая подвижная фаза должна обязательно находится в газообразном состоянии и выполнять роль газа-носителя, перемещающего разделяемые соединения по колонке. В качестве газов-носителей могут быть использованы индивидуальные газы, газообразные соединения или смеси газов и газообразных соединений.
Характерными особенностями газовой хроматографии являются:
• Высокая разделительная способность: по своим возможностям анализа многокомпонентных смесей газовая хроматография не имеет конкурентов. Ни один другой метод не позволяет анализировать фракции нефти, состоящие из сотен компонентов, в течение одного часа.
• Универсальность: разделение и анализ самых различных смесей – от низкокипящих газов до смесей жидких и твердых веществ с температурой кипения до 500оС и выше – характеризует универсальность метода. В нефтехимической и газовой промышленности 90−100 % всех анализов можно выполнять методом газовой хроматографии.
• Высокая чувствительность: высокая чувствительность метода обусловлена тем, что применяемые детектирующие системы позволяют надежно определять концентрации 10-8 – 10-9 мг/мл. Используя методы концентрирования и селективные детекторы, можно определять микропримеси с концентрациями до 10-10%.
• Экспрессность: экспрессность газовой хроматографии подчеркивается тем, что продолжительность разделения в большинстве случаев составляет 10−15 минут, иногда при разделении многокомпонентных смесей 1−1.5 часа. Однако за это время анализируется несколько десятков или сотен компонентов. В некоторых специальных случаях время разделения может быть меньше одной минуты.
• Легкость аппаратурного оформления: газовые хроматографы относительно дешевы, достаточно надежны, имеется возможность полной автоматизации процесса анализа.
• Малый размер пробы: газовая хроматография по существу метод микроанализа, поскольку для анализа достаточно пробы в десятые доли мг.
• Высокая точность анализа: погрешность измерений ± 5 % относительных легко достигается практически на любой газохроматографической аппаратуре. В специальных условиях достигается погрешность ±0.001−0.002% относительных.
Следует отметить и существующие ограничения метода газовой хроматографии:
• невозможность разделения и анализа смесей нелетучих соединений;
• осложнения при разделении и анализе термически нестабильных соединений;
• невозможность разделения и анализа соединений, способных к диссоциации в анализируемых растворах (разделение ионов).
Газовый хроматограф. Принципиальная схема
Любая газохроматографическая установка обязательно должна содержать следующий перечень узлов:
• источник газа-носителя;
• вентиль тонкой регулировки скорости потока газа-носителя;
• устройство для ввода пробы;
• хроматографическая колонка;
• детектор;
• термостат колонки и термостат детектора;
• регистратор;
• измеритель скорости потока газа-носителя.
Рассмотрим назначение и устройство основных узлов газохроматографической установки.
Рис. 1. Принципиальная схема газового хроматографа (1 − источник газа-носителя; 2 − вентиль тонкой регулировки скорости потока газа-носителя; 3 − устройство для ввода пробы; 4 − хроматографическая колонка; 5 − детектор; 6 – термостат колонки и термостат детектора; 7 − регистратор; 8 − измеритель скорости потока газа-носителя)