Основы-аналитической-химии-Скуг-Уэст-т2 (1108741), страница 72
Текст из файла (страница 72)
Однако по. скольку передвижение растворенного вещества может осуществляться только вместе с подвижной фазой, средняя скорость ми.грации вещества зависит от времени пребывания его в этой фазе. Методы разделения 257 Это время определяется склонностью вещества к переходу в подвижную или стационарную фазу. В идеальном случае различие в скоростях приводит к разделению компонентов на полосы, расположенные вдоль всей длины колонки (см. рис. 29-3 и 29-4). Затем можно изолировать компоненты, пропуская через колонку достаточное количество подвижного растворителя; при этом полосы продвигаются к выходу из колонки, где можно собрать отдельные порции растворителя, содержащие компоненты полос.
Или же содержимое колонки можно выдавить и разделить на части, содержащие различные компоненты смеси. Процесс вымывания из колонки растворенного вещества пропусканием чистого растворителя называют зяюированием. Если в конце колонки поместить детек- б тор, реагирующий на изменение концентрации растворенного вещества, и откладывать величину его сигнала как функцию времени, получится серия симметричных пиков, как показано в нижней части рис. 29-3. Такие графики, называемые хромато- ф граммами, используют как в качественном, так и в количе- ф отвеинам анализе.
Положение пиков может служить для идентификации компонента пробы, площадь под пиками характеризует концентрацию. арроб РасмееРемень ят Ф ф ы и ь Аь бремя няе ебзем Рис. 29-3. Схема злюентного хроматогрзфичеокого разделения д~вухкомпо. нентной смеси. ггреИеннее раеемеянне 1. Рис, 29лк Профиль по концентрациям растноренных веществ А и В в разные моменты времени при двихгснии вниз по колонке. Теория элюентной хроматографии На рис.
29-4 приведен профиль по концентрациям растворенных веществ А и В на хроматографической колонке в начальной н конечной стадии элюирования. Коэффициент распределения ве- Глава 2Э щества В больше коэффициента распределения вещества А, поэтому второе вещество в процессе миграции отстает. Ясно, что по мере продвижения вниз по колонке расстояние между пиками увеличивается. Одновременно, однако, наблюдается уширение обеих полос, что понижает эффективность разделения на колонке. Уширение зон не неизбежно; к счастью, оно происходит медленнее, чем их разделение.
Таким образом„если длина колонки достаточно велика. можно осуществить полное разделение. Известны два подхода к объяснению поведения растворенного вещества при его миграции и форм концентрационных профилей. Один из них — концепция теоретических тарелок, другой — теория скоростей, или кинетическая теория. Последняя считается более плодотворной, поэтому рассмотрим ее подробнее. Кинетическая теория с небольшими изменениями применима ко всем видам хроматографии.
Здесь при обсуждении сосредоточим внимание на наиболее известных видах, в которых стационарная фаза закреплена на твердой поверхности. Концепция теоретических тарелок Согласно концепции теоретических тарелок, разработанной Мартином и Синджем 114], хроматографическую колонку представляют как ряд дискретных, но соприкасающихся узких горизонтальных слоев, называемых теоретическими тарелками.
Полагают, что в жаждой тарелке устанавливается равновесие между подвижной и стационарной фазами. Движение вещества и растворителя рассматривают как ряд ступенчатых переходов с одной тарелки на другую. Эффективность разделения на хроматографической колонке повышается с увеличением числ,а равновесий, т. е.
с увеличением числа теоретических тарелок. Таким образом, число теоретических тарелок Н является мерой эффективности колонки. Этой цели служит также вторая величина — высота, эквивалентная теоретической тарелке, Н. Между параметрами существует соотношение "=Н ° (29-131 где Ь вЂ” длина колонки. Заметим, что при увеличении эффективности колонки Н уменьшается. Иначе говоря, чем меньше Н, тем больше устанавливается равновесий при данной длине колонки. Несмотря на то что концепция теоретических тарелок содержит ряд уравнений, удовлетворительно описывающих скорость миграции растворенного вещества, и приближенные уравнения, позволяющие рассчитать форму полосы элюирования, эта теория не Методы рездеяеняя может объяснить влияние таких переменных, как скорость потока и характеристики наполнителя колонки, на ширину полосы и, следовательно, на величины Н и У; она также не позволяет связать теоретически эти параметры со свойствами обеих фаз.
Эти недостатки привели к отказу от концепции теоретических тарелок в пользу более плодотворной кинетической теории, или теории скоростей, которая дает совершенно иное решение проблемы. Важно отметить, однако, что Н и )У сохраняют свое значение в качестве параметров эффективности и в кинетической теории и что уравнение (29-13) по-прежнему применимо. Однако этим величинам нельзя приписывать какой-либо физический смысл; их следует рассматривать просто как критерии эффективности колонки.
Кинетическая теория хроматографии Кинетическая теория успешно описывает влияние различных факторов на ширину полосы элюирования и время ее появления на выходе из колонки. Скорость миграции растворенного вещества. Если определить время удерживания г' как время, необходимое для прохождения максимума элюентного пика до конца колонки длиной Ь, то скорость миграции выразится соотношением ЦГ.
Аналогично если 1 — время, необходимое для прохождения вещества, не задерживаемого стационарной фазой (Г, следовательно, означает также время, необходимое для прохождения через колонку усредненной молекулы подвижной фазы), то скорость движения такого вещества выразится соотношением ЦГ . Полезным параметром в хроматографии является коэффициент замедления, или индекс удерживания, Я, представляющий собой отношение скорости движения молекулы растворенного вещества к скорости движения растворителя.
Таким образом, с77 (29-14) Другой полезной величиной в хроматографии является удержи- ваемый объем )тя, связанный с временем удерживания соотно- шением Уя =7Р, где г — скорость потока подвижной фазы. Для компонента, кото- рый не удерживается в стационарной фазе, удерживаемый объем выражается следующим образом: тят = ~тят . Подставив эти соотношения в уравнение (29-14), получим уы Я= —, ге 17' взо Глава 29 Важно отметить, что Я можно также определить и из других величин. Во-первых, величина )г соответствует промежутку времени, в течение которого усредненная молекула растворенного вещества находится в подвижной фазе; поскольку она может мигрировать только вместе с подвижной фазой, величина (1 — К), таким образом, означает промежуток времени, в течение которого вещество фиксировано на стационарной фазе.
Индекс удерживания является также мерой вероятности нахождения в любой момент отдельной молекулы растворенного вещества в подвижной фазе. Наконец, там, где существует химическое равновесие между обеими фазами (обычно в центре полосы), л' представляет долю растворенного вещества, присутствующего в подвижной фазе, и, следовательно, зависит от коэффициента распределения К. Если теперь предположить существование динамического равновесия в небольшом поперечном сечении зоны растворенного вещества, то отношение промежутков времени, проведенных растворенным веществом в каждой из двух фаз, будет равно отношению количеств вещества в обеих фазах, т.
е. (29-15) 1т и= 1 +КУ, (29-15) Ясно, что относительная скорость миграции вещества уменьшается при возрастании его коэффициента распределения. Уравнение (29-!6) связывает долю вещества, растворенного в подвижной фазе, с К и объемом обеих фаз. После соответствующего преобразования уравнения (29-15) можно рассчитать долю вещества в стационарной фазе (1 — Я). В самом деле, кк, Я, = 1„,+КУ, . (29-17) Форма зон.
При внимательном рассмотрении типичной хроматограммы (рис. 29-3) или ее концентрационного профиля (рис. 29-4) обнаруживается сходство с кривой нормального распределения ошибок, или гауссовой кривой, рассмотренной в гл. 4 т. 1. Вспомним, что форму этой кривой можно было объяснить, допустив, что распределение параллельных результатов вокруг среднего экспериментального измерения является следствием наложения очень большого числа небольших произвольных пагреш- где С и С,— молярные концентрации растворенного вещества в подвижной и жидкой стационарной фазах соответственно, а и У,— соответствующие объемы в рассматриваемом поперечном сечении.
Подставив уравнение (29-12) в уравнение (29-15) н преобразовав, получим Методы разделении 26Г ностей. Точно так же типично гауссов характер хроматограммы можно приписать наложению беспорядочного движения миллионов частиц растворенного вещества в пределах хром|атографической полосы, или зоны. Рассмотрим сначала поведение отдельной частицы вещества, которая в процессе миграции претерпевает множество тысяч переходов между стационарной и подвижной фазами. Время ее пребывания в каждой фазе после переноса непостоянно и определяется вероятностью приобретения достаточного количества энергии от окружающих частиц для осуществления обратного перехода.
Таким образом, пребывание ее в некоторый момент в данной фазе может быть кратким, в друтой момент — сравнительно долгим. След ет честь что части- ф Ъ. ф -о Рис. 29-5. Оарепелеиие теоретической тарелки по хроматограмме. у=16(и/йт)а У У ца может продвигаться, только риити эпюираиаиил или айеею находясь в подвижной фазе; в результате ее миграция вниз по колонке также очень неравномерна. Из-за колебаний во времени пребывания средняя скорость движения отдельной частицы относительно подвижной фазы заметно изменяется. Некоторые частицы продвигаются быстро благодаря случайному включению в подвижную фазу на длительное время.
Другие, наоборот, могут отстать, оказавшись, включенными в стационарную фазу на время, большее, чем среднее время пребывания частиц в этой фазе. Следствием этих отдельных случайных процессов является симметричный разброс значений скорости вокруг среднего значения, которое отражает пове. дение усредненной частицы с наиболее общими свойствами. Ширина зоны увеличивается по мере ее продвижения вниз по колонке, поскольку для миграции предоставляется больше времени.
Таким образом, ширина зоны пропорциональна продолжи-. тельности пребывания подвижной фазы в колонке и обратно пропорциональна скорости продвижения ее. Вспомним, что ширина гауссовой кривой определяется единственным параметром, называемым стандартным отклонением о (гл. 4), н что приблизительно 96% площади под кривой лежит в интервале -Ь2 стандартных отклонения (~2о) от ее максимума. Следовательно, величина о, полученная по хроматограмме„служит условной количественной характеристикой размывания зоны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
