Газовая хроматография

Газовая хроматография 
 
Химия

Министерство  общего образования РФ

Воронежский государственный  университет

Реферат

"Газовая хроматография"

Выполнил: студент 3 курса 4 группы

Юденко Валерий

Преподаватель: Бондарев Ю.М.

Воронеж-2000

Содержание:

Сущность хроматографического метода 3 
Классификация методов хроматографии 4 
Газоадсорбционная хроматография 8 
Газожидкостная хроматография 9 
Аппаратурное оформление процесса 11 
Области применения газовой хроматографии 13 
Литература 16

Сущность хроматографического  метода

С необходимостью разделения смеси веществ насоставляющие ее компоненты приходится сталкиваться какхимику-синтетику, химику-аналитику, так и технологу,геологу, физику, биологу и многим другим специалистам. 
Особое значение разделение смеси веществ приобрело впоследние десятилетия в связи с проблемой получениясверхчистых веществ. 
Разделение смеси не вызывает особых трудностей, если еекомпоненты находятся в различных фазах. Оно существенноосложняется, если компоненты смеси образуют одну фазу. Вэтом случае приходится изменять агрегатное состояниеотдельных компонентов (например, добиться их выпадения восадок), либо применять химические или физические методыразделения. В основе последних лежат кинетические явленияили фазовые равновесия. 
Такие широко известные методы разделения, какдистилляция, кристаллизация, экстракция и адсорбцияоснованы на изменении фазовых равновесии. В этихпроцессах молекулы веществ, образующих смесь, переходятчерез границу раздела, стремясь к такому распределениюмежду фазами, при котором в каждой из них устанавливаетсяпостоянная равновесная концентрация. 
Если свойства компонентов исследуемой смеси близки, тодостаточная степень разделения достигается лишьмногократным повторением элементарного акта разделения. 
Такой процесс, например, осуществляется в насадочных илитарельчатых ректификационных колоннах. Следует отметить,что в таких случаях полное разделение возможно только дляпростых (не более чем трехкомпонентных) систем. 
Более полного разделения можно достичь, если на эффект,вызываемый многократным установлением фазовых равновесий,наложить действие кинетического фактора. В тех случаях,когда используются кинетические явления (например, примолекулярной дистилляции), через поверхность раздела фази лишь в одном направлении переносятся молекулы толькоодного вещества. Если разделение смеси производить втаких системах, в которых одна из фаз (подвижная)перемещается относительно другой (неподвижной), тоулавливание и удаление молекул, покидающих поверхностьраздела фаз, осуществляется благодаря постоянномуперемещению подвижной фазы. Как и при фазовом равновесии,молекулы, выходящие из подвижной фазы, возвращаются внее, попадая, однако, не в прежний элемент ее объема, а вновый.

Если в процессе разделения фазовые переходы повторятьмногократно, то можно получить высокую эффективностьразделения. Так как фазовые переходы связаны споверхностью раздела, подвижная и неподвижная фазы должныобладать большой поверхностью соприкосновения. Крометого, вследствие наличия диффузионных процессов,снижающих эффективность разделения, обе фазы должны иметьотносительно небольшую толщину взаимодействующего слоя.

В какой-то степени  эти требования выполняются в  методеразделения смеси веществ, получившем названиехроматографического. Впервые  хроматографическоеразделение сложной  смеси (хлорофилла) было осуществлено 
М. С. Цветом в 1903 г.

Если в качестве неподвижной фазы взятьмелкоизмельченный сорбент и наполнить им трубку 
(стеклянную или металлическую), а движение подвижной фазы 
(жидкости или газа) осуществлять за счет перепададавления на концах этой трубки, то последняя будетпредставлять собой хроматографическую колонку, называемуютак по аналогии с ректификационной колонкой длядистилляционного разделения. Разделяемая смесь веществвместе с потоком подвижной фазы поступает вхроматографическую колонку. При контакте с поверхностьюнеподвижной фазы каждый из компонентов разделяемой смесираспределяется между подвижной и неподвижной фазами всоответствии с его свойствами, например адсорбируемостьюили растворимостью. Вследствие непрерывного движенияподвижной фазы лишь часть распределяющегося компонентауспевает вступить во взаимодействие с неподвижной фазой. 
Другая же его часть продвигается дальше в направлениипотока и вступает во взаимодействие с другим участкомповерхности неподвижной фазы. Поэтому распределениевещества между подвижной и неподвижной фазами происходитна небольшом слое неподвижной фазы только при достаточномедленном движении подвижной фазы. Поглощенныенеподвижной фазой компоненты смеси не участвуют вперемещении подвижной фазы до тех пор, пока они недесорбируются и не будут снова перенесены в подвижнуюфазу. Поэтому каждому из них для прохождения всего слоянеподвижной фазы в колонке потребуется большее время, чемдля молекул подвижной фазы. Если молекулы разныхкомпонентов разделяемой смеси обладают различной степеньюсродства к неподвижной фазе (различной адсорбируемостьюили растворимостью), то время пребывания их в этой фазе,а следовательно, и средняя скорость передвижения поколонке различны. При достаточной длине колонки эторазличие может привести к полному разделению смеси насоставляющие ее компоненты.

Применение хроматографического  метода неограничивается лишь разделением  и анализом смеси веществ. 
В последнее время хроматография широко используется и какметод, научного исследования, например, для исследованиясвойств сложных систем, в частности растворов.

Итак, хроматографией следует называть процесс,основанный на перемещении дискретной зоны вещества вдольслоя сорбента в потоке подвижной  фазы и связанный смногократным  повторением сорбционных и десорбционныхактов. Хроматографический процесс осуществляется присорбционном распределении вещества между двумя фазами,одна из которых перемещается относительно другой.

Состав смеси, покидающей хроматографическую колонку,непрерывно изменяется. В то время как в таких процессах,как экстракция или ректификация, можно отбирать в течениевсего процесса непрерывно одну и ту же фракцию, или однои то же вещество, в хроматографическом процессе, заисключением специальных случаев, когда имеет местодвижение слоя сорбента, этого делать нельзя.

Термин «хроматография»  относится как к самомупроцессу, так и к научной дисциплине, его изучающей,использующей и разрабатывающей  аппаратурное оформление.

Классификация методов  хроматографии

 
Многообразие вариантов хроматографического метода,возникшее в связи с широким его развитием, вызываетнеобходимость их классификации. К основным признакамклассификации относятся: 
1) агрегатное состояние фаз; 
2) природа элементарного акта; 
3) способ относительного перемещения фаз; 
4) способ аппаратурного оформления процесса; 
5) цель осуществления процесса. 
1) Классификация по агрегатному состоянию фаз относитсяк хроматографии в целом. Газовой хроматографиейназывается хроматографический метод, в котором в качествеподвижной фазы применяется газ или пар. В свою очередьгазовая хроматография может быть разделена на газо-адсорбционную (газо-твердую) и газо-жидкостную. В первомслучае неподвижной фазой служит твердое вещество —адсорбент, во втором — жидкость, распределенная тонкимслоем по поверхности какого-либо твердого носителя 
(зерненого материала, стенок колонки). 
2) Классификация на основе природы элементарного акта. 
Если неподвижной фазой является жидкость, то элементарнымактом, как правило, является акт растворения. В этомслучае анализируемое вещество растворяется в жидкойнеподвижной фазе и распределяется между неподвижной, иподвижной фазами. Это распределительная хроматография. 
Газо-жидкостная хроматография—один из вариантовраспределительной хроматографии.

Если неподвижной  фазой служит твердоевещество—адсорбент, то элементарным актом являетсяпроцесс адсорбции вещества. Следовательно, газо-твердаяхроматография является адсорбционной хроматографией. 
Следует, однако, иметь в виду, что в газо-жидкостнойхроматографии определенную роль может играть адсорбция намежфазных границах (газ - жидкость и жидкость - твердыйноситель) и в газо-адсорбционной—процесс растворения.

3) По способам  перемещения фаз различают три  метода:проявительная, или элюентная,  фронтальная ивытеснительная хроматография.

[pic]

[pic] 
|Рис.1 Схема образования зон в |Рис.2 Типичная выходная кривая | 
|проявите- |проявитель- | 
|льном методе и распределения |ного метода | 
|концент- | | 
|рации в зонах | |

Проявительная хроматография. Заполненную сорбентомколонку промывают  чистым газом Е, обычно сорбирующимсяслабее всех остальных компонентов смеси. Затем, непрекращая потока газа Е, в колонку вводят порциюанализируемой смеси, например, вещества А и В, которыесорбируются в верхних слоях сорбента (рис. 1, а) ивследствие движения газа постепенно перемещаются вдольслоя сорбента с различными для каждого компонентаскоростями. В результате зона лучше сорбирующегосявещества, например В, постоянно отстает от зоны хужесорбирующегося вещества А (рис. 1, б, в) и придостаточной длине колонки смесь веществ А и В разделяется 
(рис. 1,г). Изменение концентрации вымываемых веществ повыходе из колонки может быть зафиксировано в виденепрерывной кривой, называемой хроматограммой (рис. 1,д).

Целесообразно рассмотреть  хроматограмму для одногокомпонента более подробно (рис. 2). Обычно по оси абсциссоткладывается объем проходящего через колонку газа,называемого газом-носителем. В случае постоянстваскорости газа-носителя по оси абсцисс можно откладыватьпропорциональное объему газа время опыта, а по осиординат—изменение концентрации хроматографическогокомпонента по выходе его из колонки. Точка Осоответствует моменту ввода пробы анализируемоговещества, точка О'— появлению на выходе из колонкинесорбирующегося газа. Таким образом, отрезок 00'соответствует объему колонки, заполненномунесорбирующимся газом (V0). Линия ОВ, проходящаяпараллельно оси абсцисс, называется нулевой линией. 
Кривая АНВ называется хроматографическим пиком данногокомпонента, а расстояние от нулевой линии до максимумапика H, т. е. GH,—высота пика (h).

Отрезок А'В' называется шириной пика у основания ((). 
Он определяется расстоянием между точками пересечениякасательных, проведенных к точкам перегиба С и D, снулевой линией. Расстояние между точками EF— ширина наполовине высоты пика ((0,5), а расстояние между точками Си D—ширина пика в точках перегиба (п. 
Отрезок OG соответствует удерживаемому объему Vr, т. е.объему газа-носителя, который следует пропустить черезслой сорбента в колонке от момента ввода пробы до моментарегистрации на выходе из колонки максимальнойконцентрации вымываемого вещества.

Время (r, соответствующее  удерживаемому объему Vr, называется временем удерживания.

Проявительный метод—наиболее распространенный методгазовой хроматографии. Существенным его достоинствомявляется возможность практически полного  разделения насоставляющие компоненты. Недостаток метода состоит в том,что вследствие разбавления компонентов смеси газом-носителем значительно уменьшается концентрация веществпосле вымывания их из колонки. Однако это компенсируетсяприменением высокочувствительных детекторов.

Фронтальный метод  состоит в непрерывном пропусканиианализируемой смеси через слой сорбента в колонке. Еслианализируемая смесь состоит  из двух компонентов А и В,изотерма сорбции которых линейная, и наиболее слабосорбирующегося газа Е, то последний заполняет весь объемколонки и покидает ее в чистом виде. При этом нахроматограмме фиксируется горизонтальная линия (нулеваялиния) (рис. 3). Если компонент А сорбируется слабее чемкомпонент В, то после насыщения сорбента веществом А изколонки начинает выходить смесь этого вещества с газом Е. 
На хроматограмме появляется ступень, высота которойсоответствует концентрации А в Е на выходе из колонки. 
Эта концентрация может быть равна или больше исходнойконцентрации А. Наконец, когда сорбент насыщается также ивеществом В, из колонки начинает выходить смесь газа,содержащая все исходные компоненты, а на хроматограммепоявляется вторая ступень, высота которой соответствуетсуммарной исходной концентрации веществ А и В.

[pic]

Рис.3 Схема образования  зон в фронтальном методе и распределения концентрации в зонах

В случае более  сложной смеси исходная концентрация всехкомпонентов достигается после  насыщения сорбента всеми еекомпонентами. Таким образом, число ступеней нахроматограмме  фронтального анализа равно числусорбирующихся компонентов смеси.

В отличие от проявительного фронтальный метод позволяетвыделить  из смеси в чистом виде только одно, наиболееслабо сорбирующееся вещество. Поэтому для аналитических итем более препаративных целей фронтальный  методприменяется лишь в особых случаях. Фронтальный методиспользуется также для определения физико-химическиххарактеристик вещества, в частности, для определенияизотерм сорбции.

В вытеснительном методе десорбция компонентов смесиосуществляется  потоком сильно сорбирующегося вещества -вытеснителя. При работе по этому методу заполненнуюсорбентом колонку предварительно промываютнесорбирующимся веществом, а затем вводят порциюанализируемой смеси. Продвижение компонентов смеси и ихвымывание из колонки происходит под действием потокавытеснителя. Компоненты анализируемой смеси перемещаютсявпереди фронта вытеснителя и разделяются на зоны всоответствии с их сорбционным сродством. 
Хроматограмма вытеснительного анализа приведена на рис. 
4. В отличие от фронтального метода каждая ступеньхроматограммы, полученной вытеснительным методом,соответствует содержанию одного компонента.