О.Ф. Петрухина - Аналитическая химия (Физические и физико=химические методы анализа) (1110109), страница 80
Текст из файла (страница 80)
Внешнедиффузионная массопередача С„играет более существенную роль в жидкостной хроматографии по сравнению с газовой. На рис. 5.6 представлено графическое изображение уравнения Ван-Деемтера, по которому можно выбрать оптимальную ско- 35б В жидкостной хроматографии вследствие малого значения Ва по сравнению с этим коэффициентом в газовой хроматографий величиной молекулярной диффузии часто пренебрегают. Молекулярная диффузия вносит существенный вклад в размывание зоны при малых скоростях потока подвижной фазы.
Слагаемое С (5.24) описывает массообмен (процесс сорбции— десорбции) в подвижную и неподвижную фазы. Различают массообмен в "стоящей" в порах частиц подвижной фазе (внешне- диффузионная массопередача) С„и массообмен в неподвижной фазе (внутридиффузионная массопередача) Си. Размывание зоны происходит вследствие разного времени пребывания молекулы сорбируемого вещества в сорбенте из-за разной глубины пор, вследствие проникновения на разную глубину в жидкую пленку неподвижной фазы или разной по энергии адсорбции на поверхности твердой фазы рость подвижной фазы (о,„„), соответствующую минимальному значению высоты Н, эквивалентной теоретической тарелке. При о < о,„, в размывание зоны основной вклад вносит продольная диффузия В, при о > о,„т продольная диффузия не играет роли, а доминирующий вклад в размывание вносит массообмен С Для разных видов хроматографии графическая зависимость Ц = 7(о) имеет различный вид (см.
рис. 5.6). Если сравнивать процессы размывания зон в газовой и жидкостной хроматографии, необходимо отметить разницу (на 4 — 5 порядков) в значениях коэффициентов диффузии, плотности и вязкости в газах и жидкостях. Линейные и объемные скорости газа-носителя в газовой хроматографии в несколько раз больше скорости жидкого элюента (для газа до 15 см/с, для жидкости — 0,1 — 5 см/с).
5.1.5. Оптимизация п)зоцеееов разделения в хроматогра4)ии В аналитической хроматографии в большинстве случаев определение компонентов возможно только при достаточно полном их разделении. Для выбора оптимальных условий хроматографирования нужны объективные оценки хроматографического процесса. Критерии оценки необходимы также для сопоставления хроматографических методов, методик и приборов. Наиболее часто используют фактор или степень разделения а и критерий разделения Я (или А,).
Фактор (степень) разделения характеризует селективность неподвижной фазы, которая определяется соотношением удерживаемых объемов разделяемых веществ: (5.28) Величина а изменяется от 1 до е. При а = 1 вещества не разделяются, разделение возможно только при а > !. В основе селективности лежит различие межмолекулярных взаимодействий хроматографируемых веществ с неподвижной фазой. Общая энергия межмолекулярных взаимодействий складывается из энергии дисперсионных, индукционных и ориентационных сил и энергии специфического взаимодействия. Дисперсионные силы возникают между любыми (даже неполярными) частицами.
Эти силы обусловлены непостоянством электронной плотности в очень малых промежутках времени, так что в любой Момент времени молекулы обладают дипольными моментами, создающими электронные поля, которые индуцируют диполи в других молекулах. Индукционные силы действуют между посто- 357 янными и индуцнрованными диполями молекул хроматограф» руемых веществ и неподвижной фазы. Ориентационные силы воз никают вследствие стремления к энергетически выгодной ориен тации молекул, имеющих постоянные диполи. Специфические силы взаимодействия — это водородная связь, донорно-акцеп торное взаимодействие, комплексообразование и т. д.
При выбо ре неподвижной фазы следует учитывать, что неполярные веще ства обычно лучше разделяются на неполярных неподвижных фа зах. При разделении на неполярных неподвижных фазах полярные вещества выходят из колонки раньше неполярных с та кими же температурами кипения. Разделительная способность хроматографического метода определяется как селективностью, так и эффективностью колонки и количественно выражается критерием разделения А (или й,); 2(га — га ) Я= (5.29) н~-рг В плоскостном варианте хроматографии критерий разделения рассчитывают по формуле: о 2 ! 2(17 — 1~ ) (5.30) У~+Уг (обозначения см. рис. 5.2).
Величина А изменяется от 0 до о. При 11 = 0 вещества не разделяются, разделение возможно только при К ~ 1. Если разделение хроматографических зон двух веществ неполное, то вследствие взаимного перекрывания ширина пиков изменяется, поэтому лишь при частичном разделении двух веществ определение ширины пиков по хроматограмме невозможно. В этом случае для оценки разделительной способности хроматографической системы целесообразно использовать критерий, характеризующий полноту разделения компонентов (рис. 5.7), рассчитываемый по формуле ~р = з ми" (5.31) Ь вЂ” 6 "г Рис. 5.7.
Схема определения величины ч 358 где Ьз — высота меньшего пика; Ь„ии — высота минимума между пиками. Значения критерия у изменяются от 0 до 1. При р = 0 хроматографические зоны соседних веществ накладываются друг на друга пол- постыл, при ~у = 1 хроматографические зоны соседних веществ разделяются полностью. Критерий разделения Я связан с основными характеристиками хроматографической системы следующим образом; 1, ~ —.(а — 1).( ~2 (5.32) СА „ А, н О не 5 8. Схема разрешения двух пиков 359 Таким образом, разрешение (разделение) двух пиков определяется тремя факторами, первый из которых отражает его зависимость от эффективности Л~, второй — от селективности а и третий — от коэффициента емкости ((ез — индекс "2" означает, что lе' относится ко второму компоненту).
В первом приближении все сомножители можно считать независимыми. Если Я = 1, перекрывание зон составляет 2% и разделение считается приемлемым (рис. 5.8). Как следует из (5.32), хорошее разрешение пиков при заданном времени га можно получить изменением каждого из сомножителей уравнения. Эффективность разделения можно улучшить за счет увеличения числа теоретических тарелок У, т. е. уменьшения Н в уравнении Ван-Деемтера (Н =Г(о, А., е(, ЫГ, Рн).
Этого можно достигнуть различными способами: а) уменьшить диаметр частиц неподвижной фазы Ы (рис. 5.9а), примером может служить разделение смеси природных веществ на неподвижной фазе лихросорб 81-100 (рис. 5.10)„ б) улучшить набивку колонки ) (рис. 5.9б); в) увеличить длину колонки Е, но в этом случае возрастает 'время разделения (и давление на входе в колонку); длину колонки можно сократить, уменьшая размер зерен сорбента, так, в высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) опти- и 100 мкм 20 мкм мкм Рос. 5.я Кривая Ван-Деемтера: а — в зависимости ог размера частим сорбента; б — одинаковые частины при неоднородной набивке()) и однородной набивке Ц) км Рис. 5 РД Хроматограмма раздедения смеси природных вешеств на сорбенте дихросорб бн) 00 разного вернения (здюент гексан) 360 мальная длина колонки 1О см при ет' = 5 мкм, в газо-жидкостной— до 1 м при г)' = 40 мкм; г) диаметр колонки в идеале не должен сказываться на результатах хроматографирования, однако с увеличением диаметра колонки усиливается размывание, а с резким уменьшением — ухудшается качество набивки колонки.
Для аналитических колонок отношение длины колонки к ее диаметру обычно лежит в пределах 20 — 100; д) повысить температуру, при которой осуществляется процесс, чтобы снизить вязкость подвижной фазы и уменьшить |)п. Другой путь улучшения разрешения пиков — изменение емкости гг'. В газовой хроматографии обычно работают при гс'> 10 (1Π— 100), поэтому отношение гг "2/(гг'2 + 1) приблизительно равно 1 и влиянием емкости адсорбента на разрешение обычно пренебрегают.
Для ВЭЖХ /с'= 2 — 8, для гель-хроматографии предельное значение гг'составляет 2,5 — 3. Следовательно, в жидкостной хроматографии с увеличением возрастает время удерживания С вещества и пик размывается. д,п Чтобы изменить гг; обычно или меняют соотношение фаз, или элюент. Если берется бо5м лее слабый злюент, гг' увеличивается, и наоборот. В ионном обмене для уменьшения lс' в неподвижную фазу добавляют органические раствори- тели (спирты, ацетонитрил). 50% 50% !о' 50' !о' 10' !о' !о' Рис.
5.12 Взаимосвязь эффективности Ф и селективиости а лроматотрафироваиия 361 Самым действенным способом улучшения разрешения пи- 1 ков является изменение селективности подвижной фазы а. Слишком большое изменение селективности приводит к возрастанию времени анализа. При а = 1 селективность отсутствует, но можно проводить разделение при величине изоярояаиол а, мало отличающейся от !. ~00% о Например, в газовой хроматографии при сл < 1,0б работают Рис. 5.1!.
зависимость объема улериис капиллярными колонками ваиия Каотсоставаэлюеита: ! — ллл либутилфтзллтл, 2 — ллл лиок!!ри изменении а от 1,! до 1,2 отношение (сл — 1)/а возрастает в два раза и соответственно разрешение пиков увеличивается в два раза. Селективность зависит от природы сорбента, количества неподвижной фазы (Л)' = тула )ли), взаимоДействиЯ разделяемых веществ с элюентом.
Например, меняя в элю- КО 12 енте соотношение гексан:изопропиловый спирт, достигают разделения близких по свойствам дибутилфталата и диоктилфталата (рис. 5.11). В гель-хроматографии, например, увеличение селективности достигается оптимизацией размеров пор сорбента: используют сорбенты, поры которых близки по размерам к молекулам растворенного вещества.
В ионообменной и бумажной хроматографии, не меняя сорбент, улучшают селективность за счет изменения свойств элюента: рН, ионной силы, замены противоиона. Селективность вносит существенный вклад в разделение хроматографируемых веществ. Но для сложных многокомпонентных систем часто не удается подобрать условия для достижения высокоселективного разделения. В этом случае для разделения веществ с небольшими значениями а необходима высокая эффективность колонки (и наоборот) (рис.
5.12). Таким образом, варьируя разные параметры, оптимизируя их (часто с использованием вычислительной техники), обеспечивают минимальные затраты на разработку хроматографических ме- годик. На практике для достижения эффективной работы кодо~ ки используют два пути: 1) один сорбент и изменяют состав элю ента; 2) один элюент и изменяют природу сорбента. Во втором случае воспроизводимость и стабильность показаний выше, Вопросы и задачи 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
