Механизмы основных хроматографических процессов.

1.Адсорбционная хроматография .

Она основана на различной степени адсорбции компонентов разделяемой смеси соответствующим сорбентом.

На поверхности твердого тела имеются участки, силовое поле которых способно притягивать молекулы посторонних веществ.Их называют активными центрами. При контакте разделяемой смеси с сорбентом между его поверхностью и средой устанавливается подвижное адсорбционное равновесие, определяемое равенством скоростей адсорбции и десорбции. Разделение веществ достигается многократным повторением элементарных актов адсорбции и десорбции и различием сорбируемости компонентов смеси. В токе элюента вещества, которые прочнее удерживаются данным сорбентом, отстают от наименее удерживаемых.

Распределение вещества между НФ и ПФ характеризуется изотермой адсорбции, выражающей зависимость количества адсорбированного вещества от его концентрации в растворе при постоянно температуре в состоянии равновесия. Процесс оптимален, если эта зависимость линейна и подчиняется уравнению Ленгмюра:

 

где Г – количество адсорбированного вещества в состоянии

равновесия, моль;

Г_∞ - максимальное количество мест на сорбенте, которое

может быть занято адсорбируемым веществом;

с – молярная концентрация вещества в растворе, моль/л;

b – постоянная, определяемая природой сорбента и вещества.

В качестве сорбентов используют высокодисперсные природные или искусственные вещества. Основные требования к ним – большая активная поверхность, строго определенный размер частиц, механическая устойчивость, химическая инертность по отношению к элюенту и компонентам разделяемой смеси. Наиболее распространенные из них оксид алюминия, силикагели, активированные угли, цеолиты, а также полимерные материалы на основе стирола и дивинилбензола.

 

Аппаратурно- колоночный ( или капиллярный ) вариант с различными приспособлениями для пропускания анализируемой смеси и приемника для сбора фракций. Колонка обычно представляет собой стеклянную или металлическую трубку, свернутую в спираль. Чем больше ее длина и меньше внутренний диаметр, тем выше селективность разделения компонентов смеси. В трубку плотно и равномерно набивают сорбент. Хроматографируемую пробу вводят в трубку и затем пропускают через нее элюент с постоянной скоростью. В зависимости от силы взаимодействия с НФ компоненты разделяемой смеси образуют в колонке ряд зон, каждая из которых соответствует одному веществу. На выходе элюент, содержащий это вещество, проходит через детектор, который регистрирует его в виде пика на хроматограмме: (график)

 

Катарометр – теплопроводность газа-носителя (гелия или водорода) снижается в присутствии определяемого вещества. Теплопроводность этих носителей в6-10 раз выше, чем у органических соединений. Ее определяют, измеряя сопротивление нагретой металлической нити. Измеряемое сопротивление и сопротивление сравнения (чистого газа-носителя) включены в электрический мост. Катарометр работает пропорционально концентрации. Это неизбирательный детектор, поэтому его можно использовать для определения и органических и неорганических веществ. Чувствительность невелика, поэтому нельзя использовать в капиллярной хроматографии. Не разрушает пробу.

Масс-спектрометрический детектор (МС или МСД) – в масс-спектрометре газообразный образец бомбардируется потоком электронов, что приводит к возникновению из исходного вещества ионизированных молекул или фрагментов. Затем образовавшийся набор заряженных частиц вытягивается из потока газа с помощью электрода, на который подано ускоряющее напряжение и раэделяется в соответсвии с отношением массы ионов к заряду. Масс-спектрометр регистрирует распределение заряженных частиц по массам и относительную интенсивность соответствующих пиков. Таким образом образуется масс-спектр. Его изучение позволяет определить точные формулы молекул и молекулярные массы. Масс-спектрометры работают в высоком вакууме и используют очень малые количества вещества. Метод чувствителен и точен и используется для качественного и количественного анализа.

Атомно-ионизационный детектор (АЭД) – это элемент-специфичный детектор, основанный на атомной эмиссии элементов (N,P,C,Si,Hg,Br,Cl,H,D,F, O). Атомизация и испускание света происходит в гелиевой микроволновой плазме. Детектирование эмиссии проводится с использованием фотометра с диодной матрицей в диапазоне длин волн от170 до 780нм. Чувствительность особенно высока при определении углерода, фосфора и серы. Точность определения не очень высокая. Чаще всего используется при анализе сложных смесей.

2.Распределительная хроматография.

Разделение веществ основано на различной растворимости компонентов смеси в двух несмешивающихся жидкостях, одна из которых неподвижна (связана с носителем), а другая подвижна.

Вещество присутствует в обеих фазах. Т.к. растворимость компонентов смеси в элюенте (ПФ) различна, то и скорость их передвижения по носителю будет различной. Распределительный механизм в чистом виде имеет место в бумажной и тонкослойной хроматографии.

Бумажная хроматография в качестве носителя использует бумагу особых сортов из чистой целлюлозы. НФ – вода, связанная с молекулами целлюлозы. Связанная вода по своим свойствам отличается от обычной воды. В качестве подвижной фазы могут быть использованы органические растворители и водные растворы. Раствор смеси наносят на бумагу и в токе растворителя (ПФ) компоненты смеси перемещаются по капиллярам бумаги с различной скоростью, разделяются, концентрируясь на различных участках бумаги. Если ПФ органический растворитель, то во избежание дегидратации бумаги его предварительно насыщают водой.

 

По направлению движения элюента бумажная хроматография может быть восходящей, нисходящей радиальной, двумерной (см. рисунки).

Количественной оценкой разделения служит отношение расстояния, пройденного веществом(l), к расстоянию, пройденному чистым растворителем(z):

R_f= l/z

Для наиболее правильного разделения очень важен правильный выбор бумаги-носителя и ПФ.

Аналогом бумажной хроматографии является хроматография в тонком слое. Вместо бумаги используют тонкие порошки оксида алюминия, силикагеля, крахмала и пр., закрепленные на пластинках их алюминиевой фольги. Обычно используют готовые пластинки с закрепленным слоем –силуфолом ( прокладка – алюминиевая фольга, сорбент – крупнопористый силикагель, связующее вещество – крахмал). К преимуществам тонкослойной хроматографии можно отнести неограниченный выбор сорбента, простоту его подготовки, высокие скорости разделения, возможность отбора пробы прямо с хроматограммы.

 

3.Ионнообменная хроматография.

Это метод разделения растворенных смесей на твердой фазе – ионитах. Иониты – нераствормые вещества, имеющие подвижные ионы, способные к обмену с ионами в растворе. Обычно это органические полимеры (смолы), активизированные неорганическими группами кислотного или основного характера.

Катиониты содержат в своем составе подвижные катионы. Они делятся на две группы – кислотные и солевые. Реакции обмена можно выразить уравнениями: