Методы анализа термических свойств продукции

 

Рис. 1.6.1 Сопоставление результатов  разрозненных и совмещенных исследований

Совместному применению методов  ДТГ и ТГ препятствовало и то обстоятельство, что характеристические температурные  значения отдельных превращений, фиксируемые  при помощи дифференциально-термоаналитического  аппарата, обычно на 50...100 K выше значений, полученных посредством термовесов. Причина этого явления заключается  в том, что при деривативных определениях температура измеряется в инертном материале или в пробе, в то время как в методе ТГ температура  измеряется во внутренней зоне печи. Кривая, построенная в зависимости от изменений температуры печи, несомненно, должна значительно отличаться от кривой, полученной измерением температуры  в инертном материале или пробе, обладающих в общем случае низкими  значениями теплопроводности. Еще более  значительную ошибку измерения температуры  вызывает явление, заключающееся в  том, что в результате различия опытных  условий равновесия реакций термического разложения при использовании указанных  двух методов смещены по фазе одно относительно другого (см. рис. 9). Дело в том, что в случае испытаний  методом ДТА пробой заполняется  с уплотнением узкий глубокий тигель. Газообразные побочные продукты, выделившиеся при реакциях разложения, вытесняют воздух из уплотненного материала. Парциальное давление этих побочных продуктов может сравняться с  атмосферным, вследствие чего, естественно, задерживается реакция разложения. С другой стороны, при измерениях ТГ проба находится в неглубоком тигле в рыхлом состоянии, что  противодействует образованию атмосферы  из побочных газообразных продуктов, и  реакция разложения протекает без  задержек. Таким образом, измерения, проведенные порознь обоими методами, несовместимы друг с другом.

Как следует из приведенного анализа, сопоставление соответствующих  точек кривых ДТА и ТГ, полученных в самостоятельных аппаратах, или  же восстановление действительного  хода термических превращений на основании обеих кривых встречают  исключительно большие затруднения. Именно этим объясняется причина  крайне редкого числа случаев  совместного использования обоих  классических методов испытания.

 

2. Хроматография

Хроматография - это физико-химический метод разделения и анализа смесей газов, паров, жидкостей или растворенных веществ сорбционными методами в  динамических условиях. Метод основан  на различном распределении веществ  между двумя несмешивающимися фазами - подвижной и неподвижной.

Подвижной фазой может  быть жидкость или газ, неподвижной  фазой - твердое вещество, которое  называют носителем. При движении подвижной  фазы вдоль неподвижной, компоненты смеси сорбируются на неподвижной  фазе. Каждый компонент сорбируется  в соответствии со сродством к  материалу неподвижной фазы (вследствие адсорбции или других механизмов). Поэтому неподвижную фазу называют также сорбентом. Захваченные сорбентом молекулы могут перейти в подвижную фазу и продвигаться с ней дальше, затем снова сорбироваться.

Таким, образом, хроматографию можно определить как процесс, основанный на многократном повторении актов сорбции и десорбции вещества при перемещении его в потоке подвижной фазы вдоль неподвижного сорбента. Чем сильнее сродство компонента к неподвижной фазе, тем сильнее он сорбируется и дольше задерживается на сорбенте; тем медленнее его продвижение вместе с подвижной фазой. Поскольку компоненты смеси обладают разным сродством к сорбенту, при перемещении смеси вдоль сорбента произойдет разделение: одни компоненты задержатся в начале пути, другие продвинутся дальше. В хроматографическом процессе сочетаются термодинамический (установление равновесия между фазами) и кинетический (движение компонентов с разной скоростью) аспекты.

Хроматографический метод  анализа разработан русским ботаником  М.С. Цветом в 1903 г. С помощью этого  метода ему удалось разделить  хлорофилл на составляющие окрашенные вещества. При пропускании экстракта  хлорофилла через колонку, заполненную  порошком мела, и промывании петролейным  эфиром он получил несколько окрашенных зон и назвал эти зоны хроматограммой (от греческого “хроматос” — цвет), а метод - хроматографией. Н.А. Измайлов и М.С. Шрайбер в 1938 г. разработали  новый вид хроматографии, получивший название тонкослойной. Ими были разделены  алкалоиды, экстрагированные из лекарственных  растений на оксиде алюминия, нанесенном на стекло.

Отправной точкой бурного  развития многих методов хроматографического  анализа является работа лауреатов  Нобелевской премии A. Мартина и  Р. Синджа, ими был предложен и  разработан метод распределительной  хроматографии (1941г.). В 1952 г. А. Мартином и Л. Джеймсом были получены первые результаты в области газожидкостной хроматографии. Эти работы вызвали  огромное число исследований, направленных на развитие метода газовой хроматографии.

За короткое время были усовершенствованы конструкции  систем ввода проб, созданы чувствительные детекторы. Метод газовой хроматографии - первый из хроматографических методов, получивших инструментальное обеспечение. Начиная с 70-х годов происходит бурное развитие жидкостной хроматографии. К настоящему времени разработаны  теория хроматографического процесса и множество хроматографических методов анализа.

Среди разнообразных методов  анализа хроматография отличается самой высокой степенью информативности  благодаря одновременной реализации функций разделения, идентификации  и определения. Кроме того, метод  используется и для концентрирования. Хроматографический метод анализа  универсален и применим к разнообразным  объектам исследования (нефть, лекарственные  препараты, вещества растительного  и животного происхождения, биологические  жидкости, пищевые продукты и др.). Хроматография отличается высокой  избирательностью и низким пределом обнаружения. Эффективность метода повышается при его сочетании  с 

другими методами анализа, автоматизацией и компьютеризацией процесса разделения, обнаружения и количественного  определения.

 

2.1 Классификация  методов хроматографии

 

Различные методы хроматографии  можно классифицировать по агрегатному  состоянию фаз, механизму разделения, аппаратурному оформлению процесса (по форме) и по способу перемещения  подвижной фазы и хроматографируемой смеси.

По агрегатному  состоянию фаз различают жидкостную и газовую хроматографию.

Разделение веществ протекает  по разному механизму, в зависимости  от природы сорбента и веществ  анализируемой смеси.

По механизму  взаимодействия вещества и сорбента различают сорбционные методы, основанные на законах распределения (адсорбционная, распределительная, ионообменная хроматография и др.), гельфильтрационные (проникающая хроматография), основанные на различии в размерах молекул разделяемых веществ. На практике часто реализуются одновременно несколько механизмов разделения.

По технике  выполнения хроматографию подразделяют на колоночную, когда разделение веществ проводится в специальных колонках, и плоскостную: тонкослойную и бумажную. В тонкослойной хроматографии разделение проводится в тонком слое сорбента, в бумажной - на специальной бумаге.

В зависимости от агрегатного  состояния фаз, механизма взаимодействия и оформления различают основные виды хроматографии, которые приведены  в табл. 1.

 

Таблица 1

Вид хроматографии	Подвижная фаза	Неподвижная фаза	Форма	Механизм разделения
Газовая: Газоадсорбционная Газожидкостная	Газ Газ	твердая жидкость	колонка колонка	Адсорбционный Распределительный
Жидкостная: Твердожидкостная Жидкость-жидкостная Ионообменная Тонкослойная (т/ж) Тонкослойная (ж/ж) Бумажная Гельпроникающая (молекулярно-ситовая)	жидкость жидкость жидкость жидкость жидкость жидкость Жидкость	твердая жидкость твердая твердая жидкость жидкость жидкость	колонка колонка колонка тонкий слой тонкий слой лист бумаги колонка	Адсорбционный Распределительный  Ионный обмен Адсорбционный Распределительный  Распределительный по размерам молекул

 

В соответствии с  режимом ввода пробы в хроматографическую систему различают фронтальную, элюентную и вытеснительную хроматографию. Если растворенную смесь непрерывно вводить в хроматографическую колонку, то в чистом виде можно выделить только одно, наиболее слабо сорбирующееся вещество. Все остальные выйдут из колонки в виде смеси. Этот метод называют фронтальным. В элюентном режиме через колонку пропускают подвижную фазу (элюент), вводят пробу, затем снова пропускают подвижную фазу (ПФ). В процессе движения по колонке компоненты смеси разделяются на зоны. Эти зоны поочередно выходят из колонки, разделенные зонами чистого растворителя.

В вытеснительном методе после введения пробы и предварительного разделения слабоактивным элюентом состав элюента меняется таким образом, что он взаимодействует с неподвижной фазой (НФ) каждого из компонентов анализируемой смеси. Вследствие этого новый элюент вытесняет компоненты, которые выходят из колонки в порядке возрастания взаимодействия с НФ. В этом методе не достигается достаточно полное разделение из-за частичного перекрывания зон.

Наибольшее распространение  получил элюентный режим хроматографирования, позволяющий получать в чистом виде все компоненты пробы.

В жидкостной хроматографии  применяют изократический и градиентный  режим подачи элюента. В изократическом режиме состав элюента в течение  анализа не изменяется, а в градиентном  режиме состав элюента меняется по определенной программе.

Рассмотрим особенности  отдельных наиболее широко применяемых  видов хроматографии.

 

2.2 Жидкостно-адсорбционная  хроматография на колонке

Разделение смеси веществ  в адсорбционной колонке происходит в результате различия их в сорбируемости  на данном адсорбенте (в соответствии с законом адсорбционного замещения, установленного М.С.Цветом).

Адсорбентами являются пористые тела с сильно развитой внутренней поверхностью, удерживающие жидкости с помощью межмолекулярных и  поверхностных явлений. Это могут  быть полярные и неполярные неорганические и органические соединения. К полярным адсорбентам относятся силикагель (высушенная желатинообразная двуокись кремния), оксид алюминия, карбонат кальция, целлюлоза, крахмал и др. Неполярные сорбенты - активированный уголь, порошок резины и множество  других, полученных синтетическим путем.

К адсорбентам предъявляют  следующие требования:

- они не должны вступать  в химические реакции с подвижной  фазой и разделяемыми веществами;

- должны обладать механической  прочностью;

- зерна адсорбента должны  быть одинаковой степени дисперсности.

При выборе условий для  хроматографического процесса учитывают  свойства адсорбента и адсорбируемых  веществ.

В классическом варианте жидкостной колоночной хроматографии (ЖКХ) через  хроматографическую колонку, представляющую собой стеклянную трубку диаметром 0,5 - 5 см и длиной 20 - 100 см, заполненную  сорбентом (НФ), пропускают элюент (ПФ). Элюент движется под воздействием силы тяжести. Скорость его движения можно  регулировать имеющимся внизу колонки  краном. Анализируемую смесь помещают в верхнюю часть колонки. По мере продвижения пробы по колонке  происходит разделение компонентов. Через  определенные промежутки времени отбирают фракции выделившегося из колонки  элюента, который анализируют каким-либо методом, позволяющим измерять концентрации определяемых веществ.

Колоночная адсорбционная  хроматография в настоящее время  применяется, главным образом не как самостоятельный метод анализа, а как способ предварительного (иногда и конечного) разделения сложных  смесей на более простые, т.е. для  подготовки к анализу другими  методами (в том числе и хроматографическими). Например, на колонке с окисью алюминия разделяют смесь токоферолов, пропускают элюент и собирают фракцию a-токоферола для последующего определения фотометрическим  методом.

 

2.3 Высокоэффективная  жидкостная хроматография

Хроматографическое разделение смеси на колонке вследствие медленного продвижения ПФ занимает много времени. Для ускорения процесса хроматографирование  проводят под давлением. Этот метод  называют высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЖХ)

Модернизация аппаратуры, применяемой в классической жидкостной колоночной хроматографии, сделала  ее одним из перспективных и современных  методов анализа. Высокоэффективная  жидкостная хроматография является удобным способом разделения, препаративного выделения и проведения качественного  и количественного анализа нелетучих  термолабильных соединений как с  малой, так с большой молекулярной массой.

В зависимости от типа применяемого сорбента в данном методе используют 2 варианта хроматографирования: на полярном сорбенте с использованием неполярного  элюента (вариант прямой фазы) и на неполярном сорбенте с использованием полярного элюента - так называемая обращенно-фазовая высокоэффективная жидкостная хроматография (ОфВЖХ).

При переходе элюента к  элюенту равновесие в условиях ОфВЖХ  устанавливается во много раз  быстрее, чем в условиях полярных сорбентов и неводных ПФ. Вследствие этого, а также удобства работы с  водными и водно-спиртовыми элюентами, ОфВЖХ получила в настоящее время  большую популярность. Большинство  анализов при помощи ВЖХ проводят именно этим методом.