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?