Хроматография

Хроматография
Примеры решения типовых задач
Пример 1. Определить массовую долю (%) компонентов газовой смеси по следующим
данным:
Компонент
смеси
S, мм2
k
пропан
бутан
пентан
циклогексан
175
0,68
203
0,68
182
0,69
35
0,85
Решение. Расчеты проводим по методу внутренней нормализации, согласно которому:
wi 
Si  ki
n
S
i
 100%
 ki
i
где ωi - массовая доля i-го компонента в смеси, %; Si – площадь пика i-го компонента; ki –
поправочный коэффициент, определяемый чувствительностью детектора хроматографа к
i – му компоненту.
1. Найдем приведенную суммарную площадь пиков:
n
Σ Si· ki = 175 · 0,68 + 203 · 0,68 + 182 · 0,69 + 35 · 0,85 = 412,4
I
2. Отсюда массовая доля (%)пропана равна:
ω (пропана) = (175 · 0,68 / 412,4) · 100 = 28,6 %
Аналогично находим массовые доли ω (%) остальных компонентов смеси: ω (бутана) =
33,46 %; ω (пентана) = 30,46 %; ω (циклогексана) = 7,22 %.
Примечание. При выполнении анализа по методу внутреннего стандарта расчет
проводят по формуле:
wi 
Si  ki mA

 100%
SA  kA m
где SA – площадь пика вещества, введенного в качестве внутреннего стандарта; kA поправочный коэффициент внутреннего стандарта; m – масса анализируемой пробы; mA масса внутреннего стандарта
Пример 2. Ширина основания хроматографического пика (µ) метанола составляет 16 мм.
Расстояние на хроматограмме от момента введения пробы до середины пика метанола (l)
составляет 8 см. Вычислить число теоретических тарелок данной колонки.
Решение. Число теоретических тарелок вычисляем по формуле:
l 
N  16   

2
где l – расстояние удерживания вещества в единицах длины диаграммной ленты
(соответствует времени удерживания); µ - ширина основания хроматографического пика.
Подставляем числовые значения и получаем: n = 16 (80/16)2 = 400.
Пример 3. Через колонку, содержащую 5,0г катионита, пропустили 250,0 мл 0,050М
раствора ZnSO4. Вытекающий из колонки раствор собирали порциями по 50,0 мл, в
каждой порции определяли содержание ионов цинка и получили следующие значения
концентрации (моль/л): 1 – 0,008; 2 – 0,029; 3 – 0,038; 4 – 0,050; 5 – 0,050.
Определить полную динамическую емкость (ммоль/г) катионита.
Решение.
1. Вычисляем количество эквивалента Zn2+, поглощенное катионитом из каждой порции
раствора, принимая молярную массу эквивалента равной М(1/2 Zn2+):
(0,050 – 0,0080) ·2 · 50 · 1000
------------------------------------- = 4,20 ммоль (1/2 Zn2+);
1000
(0,050 – 0,029) ·2 · 50 · 1000
------------------------------------- = 2,10 ммоль (1/2 Zn2+);
1000
(0,050 – 0,038) ·2 · 50 · 1000
------------------------------------- = 1,20 ммоль (1/2 Zn2+);
1000
0 ммоль (1/2 Zn2+);
0 ммоль (1/2 Zn2+).
Всего в пяти порциях раствора поглощено: 4,20 + 2,10 + 1,20 = 7,50 ммоль (1/2 Zn2+)
Отсюда динамическая емкость катионита для ионов цинка равна:
Κ = 7.50/5 = 1,50 ммоль (1/2 Zn2+).
Задачи для самостоятельного решения
Задача 1. Рассчитать массовую долю в % компонентов газовой смеси по следующим
данным, полученным методом газовой хроматографии:
Вариант
Газ
S, мм2
k
этанол
метанол
метан
этан
динитробензол
нитробензол
1
2
3
3524
13
207
4
305
12
0,64
0,58
1,23
1,15
1,22
1,07
Ответ: вариант 1 – 99,67 % и 0,33 %; вариант 2 – 98,26 % и 1,74 %; вариант 3 – 96,52 %
и 3,48 %.
Задача 2. Ширина основания хроматографического пика этанола составляет 20 мм.
Число теоретических тарелок для этанола на данной колонке равно 2000. Скорость
движения диаграммной ленты самописца 1200 мм/ч. Вычислить время удерживания
этанола.
Ответ: 11 мин
Задача 3. Ширина основания хроматографического пика азота составляет 12 мм.
Расстояние на хроматограмме от момента введения пробы до середины пика азота
составляет 14 см. Вычислить число теоретических тарелок в данной колонке.
Ответ: 2780
Задача 4. При определении этилового спирта методом газовой хроматографии
измерили высоту пиков в зависимости от массы спирта и получили следующие
данные:
m, мг
h, мм
0,2
18
0,4
37
0,6
48
0,8
66
1,0
83
Для 0.02 г исследуемого раствора получен пик высотой 57 мм. Вычислить массовую
долю (%) этилового спирта.
Ответ: 3,58 %
Задача 5. Рассчитать массовую долю (%) компонентов газовой смеси по следующим
данным, полученным методом газовой хроматографии:
Вариант 1
Газ
Бензол
Толуол
Этилбензол
кумол
S, мм2
20,6
22,9
30,5
16,7
k
0,78
0,79
0,82
0,84
Вариант 2
Газ
o-ксилол
m-ксилол
n-ксилол
этилбензол
S, мм2
16,7
20,3
8,5
30,4
k
0,84
0,81
0,81
0,82
Ответ: вариант 1-21,95%; 24,72%; 34,17%; 19,16%; вариант 2 – 22,52%; 26,40%;
11,05%; 40,03%.
Задача 6. Реакционную массу после нитрования толуола проанализировали методом
газожидкостной хроматографии с применением этилбензола в качестве внутреннего
стандарта.
Определить массовую долю (%) непрореагировавшего толуола по следующим
экспериментальным данным:
Вариант Взято
mтолуола , г
1
2
3
12,75
15,26
25,16
Mэтилбензола,
г
1,25
1,09
1,28
Sтолуола,
мм2
k
Sэтилбензола,
мм2
k
307
108
80
1,01
0,79
0,79
352
158
109
1,02
0,82
0,82
Ответ: 1) 8.47 %; 2) 4,70 %; 3) 3,60 %
Задача 7. Через колонку, заполненную катионитом массой 10 г, пропустили 250,0 мл.
Выходящие из колонки порции раствора по 50,0 мл титровали 0,1 н. раствором
тиосульфата натрия Na2S2O3 (fэкв = 1) и получили следующие результаты:
1
Порция
раствора
0
Расход
тиосульфата
на
титрование,
мл
2
3
4
5
12,00
25,00
39,20
39,20
Вычислить динамическую емкость (ммоль/г) катионита по меди. если молярная масса
эквивалента составляет М(1/2 Cu2+).
Ответ: 1,69(1/2 Cu2+) г.
Лабораторная работа
Тема: Бумажная радиальная хроматография. Разделение и обнаружение катионов в воде
методом бумажной радиальной хроматографии.
Хроматография – метод разделения смеси веществ на отдельные компоненты.
 1903 г - русский ботаник М.С.Цвет показал, что хлорофилл состоит из нескольких
веществ
 «хроматос» - с греч. языка цвет
 за работы, выполненные с применением хроматографических методов, присуждено
14 Нобелевских премий
Бумажной хроматографией (БУ) называют вид хроматографии, основанный на
различии в скорости перемещения компонентов анализируемой смеси по бумаге в потоке
растворителя (элюента). В результате анализа получают хроматограмму. Хроматограмма
- это картина расположения хроматографических зон на бумаге после завершения
разделения. В БХ используют специальную хроматографическую бумагу, которая должна
быть максимально однородной и содержать только целлюлозные волокна.
Радиальная хроматография – разновидность бумажной хроматографии. Особенностью
ее является горизонтальное продвижение фронта растворителя. Растворитель подводится
к центру бумажного диска, куда нанесена капля анализируемого раствора. В зависимости
от способа подведения растворителя различают хроматограммы с «хвостиком» и с
«фитильком». Скорость продвижения вещества по бумаге можно охарактеризовать
величиной Rf , которая в данном случае определяется как отношение расстояний,
пройденных веществом и растворителем от центра бумажного диска по радиусу.
Хроматограмма выглядит следующим образом:
Преимущества радиальной хроматографии:
 Можно обнаружить группу ионов на одной хроматограмме;
 Для обнаружения каждого иона можно использовать несколько реагентов;
 Не обязательно знать значение Rf.
Цель работы: Используя метод бумажной радиальной хроматографии провести
разделение и качественное определение состава смеси катионов тяжелых металлов : Pb2+,
Ni2+ , Cu2+, Cd2+, Со2+ в воде.
Оборудование:
 Разделительная камера из двух оснований чашек Петри, 6 шт (1 контрольная проба
+ 5 индивидуальных катионов)
 Бумажный диск, 6 шт
 Капилляр для нанесения пробы
 Промывалка
 Электроплитка
 Пипетки для реактивов-проявителей, 8 шт
Реактивы:
 Соляная кислота, HCl, 2M раствор
 Ацетон
 Водные растворы солей индивидуальных катионов
 Реагенты для обнаружения катионов
 Анализируемая вода, содержащая смесь катионов
Выполнение работы:
1. Предварительная подготовка.
Радиальную хроматограмму получают в камере, состоящей из двух оснований
чашек Петри равного диаметра, между которыми помещают бумажный диск
несколько большего диаметра (6,5см или 5,5см в зависимости от размера камеры).
В нижнюю часть камеры наливают смесь (7:1) ацетона и 2М HCl.
При хроматографировании с «хвостиком» вырезают по радиусу бумажного диска
полоску шириной 2-3мм, отрезают от неё примерно 1см, загибают ее
перпендикулярно диску.
2. Нанесение образца на бумажный диск.
В центр бумажного диска с «хвостиком» наносят каплю раствора 1, содержащего
катион Ni2+ и подсушивают получившееся пятно. Если концентрация ионов в
растворе мала, наносят на высушенное пятно еще одну каплю анализируемого
раствора и снова пробу подсушивают.
В центр следующего диска с «хвостиком» наносят каплю раствора 2, содержащего
катион Cu2+ и подсушивают получившееся пятно.
Аналогичным образом в центр каждого из следующих дисков наносят растворы
солей 3,4,5, содержащие, соответственно, катионы Pb2+, Cd2+, Со2+ и подсушивают
пятна.
На последний диск в центр наносят каплю контрольного раствора, выданного
преподавателем.
3. Получение хроматограммы.
Помещают каждый диск в свою камеру, опустив «хвостик» в растворитель. Время
хроматографирования при подведении растворителя через «хвостик» около двух
часов. Отмечают фронт растворителя и высушивают бумажный диск. Разделяемые
ионы располагаются вокруг центра диска кольцами разного диаметра.
4. Обнаружение катионов.
 При проявлении хроматограмм каждого из индивидуальных катионов
проводят капилляром с соответствующим реагентом из центра диска по
радиусу. Таблица реагентов-проявителей приведена ниже. Если для
обнаружения катиона существует несколько реагентов-проявителей, то
хроматограмму разрезают на несколько секторов и каждый сектор
обрабатывают своим реагентом.
 При анализе контрольной смеси полученный диск нужно разрезать на
сектора и обработать каждый сектор только одним реагентом – проявителем
для выявления наличия в смеси какого-либо индивидуального катиона.
Таблица
Реагенты для обнаружения катионов на хроматограмме
Катион
Реагент
Цвет зоны
Pb2+
Иодид калия
Хромат калия
Роданид калия или
роданид аммония
Роданид калия или
роданид аммония
Желтый
желтый
синий
Co2+
Cd2+
Розово-оранжевый
Сульфид натрия
желтый
Cu2+
Рубеановая кислота
Гексацианоферрат(II)
калия
Черный
Темно-вишневый (бордо)
Ni2+
Диметилглиоксим,
аммиачный раствор
розовый
Сделать вывод о наличии в анализируемой воде катионов тяжелых металлов.
Протокол лабораторной работы оформить в виде таблицы:
Обнаруженный катион
Реагент, с помощью
которого обнаружили
катион
Цвет хроматографической
зоны
Указать время хроматографирования. Хроматограмму наклеить в отчет.
Вопросы для самопроверки по теме «Хроматография»
1. В чем сущность методов хроматографии?
2. В чем сущность хроматографического разделения по методу: а) газоадсорбционной
хроматографии; б) газожидкостной хроматографии; в) распределительной
жидкостной хроматографии; г) осадочной хроматографии; д) тонкослойной
хроматографии; е) ионообменной хроматографии?
3. Каковы области применения, достоинства и недостатки методов адсорбционной
хроматографии?
4. Какие требования предъявляются к адсорбентам и растворителям (элюентам)?
Назовите наиболее распространенные растворители и адсорбенты в жидкостной
хроматографии.
5. Каковы области применения, достоинства и недостатки методов газовой
хроматографии?
6. Какие устройства используют в качестве дозаторов?
7. Каков принцип работы дифференциальных детекторов: а) катарометра; б)
термохимического; в) ионизационного (или пламенно-ионизационного); г)
селективного (термоионного)?
8. Какие требования предъявляются к жидкой фазе в газо-жидкостной
хроматографии? Какие вещества используют в качестве жидкой фазы, в качестве
твердого носителя? Какие хроматографические колонки применяют для анализа?
9. Дать определения следующих понятий: а) высота хроматографического пика; б)
ширина хроматографического пика; в) приведенный удерживаемый объем; г)
общий удерживаемый объем.
10. Что такое коэффициент селективности работы колонки? Каково условие
количественного разделения двух компонентов смеси?
11. В чем сущность качественного хроматографического анализа по величине
удерживаемого объема?
12. В чем сущность методов количественного анализа: а) абсолютной калибровки; б)
внутренней нормализации; в) внутреннего стандарта?
13. В чем сущность ионообменной хроматографии?
14. Коэффициенты распределения ионов на катионите КУ-2 из 5М СН3СООН
составляют: Zn2+ - 3,3; Co2+ - 4,5; Fe3+ - 3,0; In3+ - 3,0; Ga3+ - 3,3; Pb2+ - 5,0; Bi3+ 2,0. Какие из ионов могут быть выделены в отдельные фракции в результате
пропускания через катионит следующих смесей: а) Bi3+ , Fe3+ , Pb2+ ; б) Zn2+ , Ga3+,
Co2+; в) Fe3+ , In3+ , Pb2+ ?
15. В чем сущность распределительной хроматографии на бумаге? Дать определение
Rf.
16. Значения Rf при хроматографическом разделении ионов на бумаге в среде
бутанола, насыщенного 2 М НСl, составляют: Cd2+ – 0,6 ; Zn2+ – 0,6; Bi3+ – 0,5; Al3+
– 0,1 ; Co2+ - 0,1; Сa2+ – 0,0. Какие из ионов не могут быть четко
идентифицированы из смеси: а) Zn2+, Al3+, Co2+; б) Cd2+, Zn2+, Co3+; в) Bi3+. Al3+,
Сa2+?
17. Каковы области применения. достоинства и недостатки: а) тонкослойной
хроматографии; б) осадочной хроматографии; в) ионообменной хроматографии?