h = σ

МФ-2. Методические рекомендации к лабораторной работе 13(Хроматография»).
Качественный и количественный анализ смеси алканов
методом газовой хроматографии
Хроматография широко применяется в медицине и фармации. Её используют в
медико-биологических исследованиях, в клинической практике для диагностики
различных заболеваний, при анализе сложных лекарственных препаратов, для
определения чистоты лекарств и изучения их метаболизма в организме.
Препаративную хроматографию используют при производстве лекарств.
В основе хроматографии лежит явление адсорбции, а именно различная
адсорбционная способность веществ. По технике эксперимента различают бумажную,
тонкослойную, колоночную и капиллярную хроматографию. По характеру фаз
различают газовую и жидкостную хроматографию.
Хроматография - физико-химический метод разделения и анализа сложных
смесей, при котором компоненты смеси распределяются между двумя фазами:
неподвижной, с большой поверхностью контакта и подвижной в виде потока газа или
жидкости, проходящего через неподвижный слой. Анализируемые вещества
растворены в подвижной фазе. Перемещаясь вдоль неподвижной фазы, помещенной в
трубку, которая называется хроматографической колонкой, они взаимодействуют с
ней и поэтому скорость их движения изменяется. Чем больше время нахождения
молекул данного вещества в сорбированном состоянии, тем меньше их скорость
движения вдоль колонки с потоком газа-носителя в случае газовой хроматографии.
Невзаимодействующее с неподвижной фазой вещество выходит быстрее (время
выхода t0 зависит от длины колонки и плотности набивки хроматографической фазы).
Результаты хроматографического разделения смеси веществ регистрируются в
виде хроматограммы, которая представляет зависимость сигнала детектора,
пропорционального концентрации компонента смеси в газе-носителе, от времени.
Хроматограмма показывает последовательность выхода компонентов и их
количества, пропорциональные площади пиков S (рис.1). Стрелкой обозначен момент
ввода пробы в поток газа-носителя у входа в колонку. Вещество А не сорбируется
поверхностью стационарной фазы.
Рис.1. Хроматограмма смеси трёх веществ и определение площади пика S  h
Принципиальная схема газового хроматографа показана на рис.2. Пробу вводят
шприцем или через дозатор 2 в поток газа-носителя, который поступает в колонку 1, в
который компоненты пробы распределяются вдоль слоя сорбента. Детектор 3
фиксирует концентрации выходящих из колонки компонентов в потоке газа-носителя,
его сигнал регистрируется самописцем или дисплеем 6.
Рис. 2. Схема газового хроматографа.
1 - хроматографическая колонка; 2 - дозатор; 3 - детектор; 4 - баллон с газом-носителем; 5а вентиль тонкой регулировки; 5б - манометр; 5в - пенометр; 6 -регистрация; 7 - термостат.
Качественный анализ.
Основными характеристиками являются время удерживания вещества
tu
и
удерживаемый объем V R .
Время удерживания ( t u ) - время от момента ввода пробы до момента регистрации
максимума пика на хроматограмме (см. рис.1). Оно складывается из времени
движения вещества с газом-носителем t o вдоль колонки и суммарного времени
нахождения в сорбированном состоянии t R (исправленное время удерживания).
tu  to  t R
(1) ,
VR  t R w
(2)
Заметим, что t o одинаково для всех веществ смеси и определяется как время выхода
неадсорбирующегося газа, например, воздуха, тогда как t R при постоянных условиях
опыта (температуре и скорости газа-носителя) зависит от природы анализируемого
вещества и неподвижной фазы. Компоненты смеси, различающиеся по энергии
взаимодействия с данной неподвижной фазой, будут иметь различные значения t R .
Удерживаемый объем V R - это объем газа-носителя, прошедшего через колонку за
время удерживания t R . Его значение рассчитывают по формуле (2), где w объемная скорость газа-носителя (объем газа, проходящий через колонку за единицу
времени). Величина V R зависит от объёма неподвижной фазы в колонке Va и
Са
( Ca  концентрация
С
вещества в неподвижной фазе, C  в газе-носителе.
следовательно, V R .
распределения вещества между двумя фазами
VR  Va 
Удерживаемый объём определяется температурой и природой вещества, являясь
более воспроизводимой характеристикой вещества по сравнению с t u и t R .
Для веществ одного гомологического ряда график зависимости lnVR от числа
атомов углерода в молекуле nc обычно представляет собой прямую линию (рис.3).
Наклон прямой определяется природой анализируемых веществ и неподвижной фазы,
а также температурой колонки.
Рис.3. Зависимость логарифма удерживаемого объема от числа атомов углерода в
молекуле для различных гомологических рядов: 1 - алканы; 2 - спирты; 3 - алкилацетаты.
Линейная зависимость lnVR от числа атомов углерода н-алканов используется
для качественного анализа веществ, принадлежащих к разным классам. Н-алканам
приписываются значения индексов, равные числу углеродных атомов в молекуле,
умноженному на 100 (индексы Ковача I ). Например, для метана I =100, для пропана
I =300, для декана I =1000 и т.д. Индекс Ковача I x любого другого вещества для
данной неподвижной фазы при заданной температуре колонки имеет промежуточное
значение между значениями индексов Ковача н-алканов.
Количественный анализ
Площадь пика i-го компонента S i на хроматограмме пропорциональна его
количеству qi в смеси, введенной в колонку qi  K i Si , где K i - поправочный
коэффициент, зависящий от природы вещества, который учитывает разную
чувствительность детектора по отношению к компонентам смеси. Видно, что на
хроматограмме эквимолярной смеси пики веществ, взятых в равных количествах,
отличаются по площади. Зная K i можно рассчитать долю i-го компонента смеси x i
по формулам (5) или (6), в которых суммирование производится по всем пикам
xi  K i S i /  K i S i
i
(3) ,
( Ki / K st ) Si
Ki* Si
xi 

 ( Ki / K st )Si  Ki*Si
i
i
(4).
Широко используется метод внутреннего стандарта, в котором определяются
относительные
поправочные
коэффициенты
Ki*  Ki / K st . Для определения
K i* составляют смесь
известного состава (например, эквимолярную смесь)
анализируемых веществ, включая стандарт. Из хроматограммы такой смеси
*
определяют площади пиков S и рассчитывают величины K i для всех веществ. С
*
помощью мольных коэффициентов K i определяют мольные доли, а с помощью
весовых - весовые доли веществ в смеси.
Порядок работы.
1. Проверить линейность зависимости lnVR от числа атомов н-алканов С6-С9,
2. Провести качественный и количественный анализ контрольной смеси
углеводородов.
Условия опыта:
Хроматограф ЛХМ-80.
Сорбент хроматографической колонки - Апьезон, нанесенный на Хроматон.
Газ-носитель - гелий. Температура колонки- 125о С.
Детектор - катарометр. Ток моста детектора 60 mA.
Температура детектора- 150о С. Температура испарителя- 150о С.
1.Рассчитать объёмную скорость газа-носителя в колонке при 125 оС по формуле
(5) с учетом того, что измерение потока газа производится при 25 оС
wcor  w
Tkol
398
w
Tk
298
(5), здесь Tkol и
Tk - температуры колонки и пенометра, 0К.
2.Определить время выхода t u (мин.) веществ эквимолярной смеси по
расстоянию от ввода пробы до максимума пика l см, пользуясь масштабом.
Рассчитать время удерживания
tR ( to  0,5мин. ), V R
и ln VR . Данные записать в
табл.1. Построить график зависимости lnVR от nc . Убедиться в линейности этой
зависимости.
3.Определить площади пиков эквимолярной смеси и рассчитать относительные
коэффициенты
Ki*  Sst / Si , взяв за стандарт гексан. Данные записать в табл.2.
Качественный состав смеси определяется по совпадению времен удерживания
компонентов эквимолярной смеси и контрольной смеси.
Количественный состав смеси углеводородов в мольных процентах проводится
на основании определения площади пиков методом треугольника S  h , где h высота пика, а  - ширина его на половине высоты. Отсчет высот пиков
производится от положения базовой («нулевой») линии.
Все расчёты, а также выводы записываются в тетради.
Таблица 1.
Времена выхода t u и удерживаемые объемы
н-алканов эквимолярной смеси
вещество
l см
nc
tu
tR
мин.
VR
мин.
VR
lnVR
гексан
гептан
октан
нонан
Таблица 2.
Определение коэффициентов чувствительности и состава контрольной смеси.
Эквимолярная смесь
вещество
гексан
гептан
октан
нонан
Выводы.
h
см

см
Si
см2
Контрольная смесь
K i*
1
h
см

см
Si
см2
xi