Хроматография как метод обнаружения и разделения в качественном анализе

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОУВПО

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСТИТЕТ

 

 

 

Химический факультет

Кафедра аналитической химии

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Хроматография как метод обнаружения и разделения в качественном анализе

 

 

 

 

 

Выполнили:

студентки 2 курса группы 3,4-НБ

Субботина Ю.Р., Драчева Н.А.

Проверила:

Юминова А.А.

 

 

 

 

 

 

 

Пермь 2014

 

Оглавление

Введение……………………………………………………………………………………...3

История развития хроматографии ........................................................................................4 Достоинства и основные методы хроматографического анализа......................................6

Классификация методов хроматографии

1. Классификация методов хроматографии ..............................................................9

2. Методы хроматографии .........................................................................................11

2.1.Газовая хроматография ..................................................................................11

2.2.Жидкостная хроматография ..........................................................................14

2.3.Ионообменная хроматография ......................................................................16

2.4.Тонкослойная хроматография .......................................................................18

Экспериментальная часть ....................................................................................................23

Заключение ...........................................................................................................................25

Список литературы ..............................................................................................................29

 

 

 

Введение.

С необходимостью разделения и анализа смеси веществ приходится сталкиваться как химику-синтетику, химику-аналитику, так и технологу, биологу, физику, геологу. Особое значение методы разделения смеси веществ на индивидуальные компоненты получили в последние десятилетия в связи с проблемой получения материалов сверхвысокой степени чистоты, а также при установлении строения близких по свойствам и структуре соединений.

Хроматография – наиболее часто используемый аналитический метод. Аналитика на 70-80 % представлена именно хроматографическими методами. Понятие о том, что такое хроматография, в настоящее время существенно расширилось. Однако в основном справедливо и традиционное понятие хроматографии, которое гласит: хроматография – физический метод анализа и исследования веществ и их смесей, основанный на разделении компонентов за счет распределения их при перемещении через слой неподвижной фазы потоком подвижной фазы.

В основе хроматографических процессов лежат явления сорбции и десорбции. Сорбция - это поглощение твёрдым телом либо жидкостью различных веществ из окружающей среды. Поглощаемое вещество, находящееся в среде, называют сорбатом (сорбтивом), поглощающее твёрдое тело или жидкость — сорбентом. Десорбция – это удаление адсорбированного вещества с поверхности адсорбента. Процесс, обратный адсорбции.

Наиболее проще и понятнее следующее определение хроматографии: хроматография — процесс разделения молекул за счет дифференциальной миграции, т. е. разделения за счет различных скоростей перемещения различных молекул.

В целом, современный хроматографический метод не ограничивается лишь возможностью разделения и анализа смеси веществ. Хроматография нашла весьма широкое применение также и как метод изучения свойств растворов и других систем. Поэтому хроматографический метод должен быть охарактеризован не только как метод разделения и анализа смесей, но и как метод научного исследования.

 

 

История развития хроматографии.

Как и всякая научная дисциплина хроматография имеет свою историю. Обычно принято ссылаться на работы 1850 г. немецкого химика Рунге, который описал процесс разделения красителей методом фронтального проявления на бумаге. Найдены и другие работы аналогичного характера. Опыты Рунге и других ученых были удачной реализацией, но не составили научной дисциплины.

Основателем хроматографии справедливо считают русского ученого, ботаника и физикохимика Михаила Семеновича Цвета. (Основные итоги исследований по развитию созданного варианта хроматографии М.С.Цвет изложил в книге «Хромофиллы в растительном и животном мире», которая являлась его докторской диссертацией.) В 1900 году, проводя опыт,  Цвет взял стеклянную трубку, наполнил ее порошком мела и на верхний слой налил немного спиртового экстракта листьев. Экстракт был буро-зеленого цвета, и такого же цвета стал верхний слой меловой колонки. А затем Михаил Семенович начал по каплям лить сверху в трубку с мелом чистый спирт. Капля за каплей очередная его порция растворяла пигменты с крупинок мела, передвигаясь вниз по трубке. В результате в столбике мела получались однородные окрашенные полосы чистых веществ. Ярко-зеленая полоса, полоса чуть желтее зеленого - это два вида хлорофиллов и яркая желто-оранжевая полоса каротиноидов. Цвет назвал эту картину хроматограммой.

Скрытый период развития хроматографии окончился в 1931 г., после того, как Э. Ледерер, прочитав сделанный Вильштетером рукописный перевод книги М. С. Цвета на немецкий язык, провел хроматографическое разделение каротинов. С тех пор хроматографию начали широко использовать в ботанических и биохимических лабораториях.

Также в хроматографии существуют наиболее значительные даты ее развития:

1903 – первый доклад  М.С.Цвета о разделении хлорофилла;

1931 – признание приоритета  Цвета как создателя хроматографии  в целом и адсорбционно-хроматографического  анализа в частности;

1937 - основание ионообменной хроматографии (Г. Шваб, США);

1938 - Измайлов и Шрайбер сообщили о проведении круговой хроматографии на слое оксида алюминия, нанесённом на стеклянную пластинку;

1941 - проводилась жидкостная распределительная хроматография как метод анализа смесей аминокислот (А.Мартин, Р.Синдж, Англия);

1944 - возникновение бумажной хроматографии (А.Мартин, Р.Синдж, Англия);

1945 - первые публикации  по газоадсорбционной хроматографии;

1952 - А.Джеймс и А.Мартин  создали газожидкостную хроматографию  и предложили первую теорию  разделения («теорию тарелок»);

1953 - построен и применен  в анализе первый газовый хроматограф;

1956 - теория размывания  хроматографических пиков ( Я. Ван  Деемтер, А.Клинкенберг, Голландия);

1956 - капиллярная газовая  хроматография (М.Голэй, Франция);

1960-е годы - массовый выпуск  газовых хроматографов, препаративная  хроматография, хромато-масс-спектрометрия;

1966-1971 - первые жидкостные  хроматографы высокого давления (Ш.Хорват, США, Г.Киркланд, Англия). Развитие  метода ВЭЖХ;

1975 - ионная хроматография (Х.Смолл, Т.Стивенс и В.Бауман, США); 1980–е годы - флюидная (сверхкритическая) хроматография;

1990-е годы – базы  данных и системы компьютерной  идентификации для хроматографического  анализа.

 

Достоинства и основные методы хроматографического анализа

Следует подчеркнуть следующие достоинства хроматографических методов:

1. Хроматография – гибридный метод, сочетающий одновременное разделение и определения нескольких компонентов.

2. Хроматография позволяет решать как аналитические задачи (разделение, идентификация, определение), так и препаративные (очистка, выделение, концентрирование). Решение этих задач можно сочетать, выполняя их в режиме “on-line”.

3. Разделение носит динамический характер, причем акты сорбции-десорбции разделяемых компонентов повторяются многократно. Этим обусловлена значительно большая эффективность хроматографического разделения по сравнению со статическими методами сорбции и экстракции.

4. При разделении используют различные типы взаимодействия сорбатов и неподвижной фазы: от чисто физических до хемосорбционных. Это обуславливает возможность селективного разделения широкого круга веществ.

5. На разделяемые вещества можно накладывать различные дополнительные поля (гравитационное, электрическое, магнитное и др.), которые, изменяя условия разделения, расширяют возможности хроматографии.

Многочисленные методы классифицируются по агрегатному состоянию фаз, механизму разделения и технике проведения разделения. Хроматографические методы различаются и по способу проведения процесса разделения на фронтальный, вытеснительный и элюентный:

1. Элюентный хроматографический  метод.

Хроматографическую колонку промывают элюентом (раствором или растворителем), обладающим меньшей сорбируемостью, чем любое из разделяемых веществ. Затем в колонку вводят разделяемые вещества, растворенные в элюенте, и продолжают непрерывно пропускать элюент (процесс элюирования). При этом разделяемые вещества перемещаются вдоль колонки с разными скоростями в соответствии с их сорбируемостью. Если скорости перемещения компонентов достаточно различаются, то на выходе из колонки сначала появляется наименее сорбируемый компонент, затем следующий компонент и т.д. В этом случае хроматограмма представляет собой несколько пиков, имеющих форму гауссовой кривой (рис.1)

    Рис.1 Хроматограмма, полученная методом элюентной хроматографии

Для решения аналитических задач используется элюентный метод, он имеет следующие достоинства:

– дает наиболее полное разделение, поскольку зоны сорбатов разделены зонами элюента;

– сорбент непрерывно регенерируется;

– параметры удерживания хорошо воспроизводимы.

 

2. Фронтальный хроматографический метод.

  В колонку непрерывно вводят раствор разделяемых веществ, которые распределяются в колонке в соответствии с сорбируемостыо. Из колонки сначала будет вытекать чистый растворитель, затем, когда сорбент насытится менее сорбируемым веществом А, оно появится в элюате. Когда сорбент насытится вторым, менее сорбируемым веществом В, элюат будет содержать оба эти вещества и т.д. (рис.2). Когда же сорбент будет полностью насыщен всеми компонентами смеси, состав элюата совпадет с составом раствора, вводимого в колонку. При фронтальном способе получения хроматограммы в чистом виде можно выделить лишь одно вещество. Однако внешняя хроматограмма дает представление о числе компонентов в анализируемом растворе.

Рис.2 Хроматограмма, полученная методом фронтальной хроматографии

3. Вытеснительный хроматографический  метод.

Сначала в колонку вводят небольшое количество раствора разделяемых веществ. Затем через колонку непрерывно пропускают вытеснитель, обладающий большей сорбируемостью, чем любое из разделяемых веществ (рис.3). По мере продвижения по колонке элюент вытесняет вещество С, которое в свою очередь вытесняет вещество В, и т.д. В результате анализируемая смесь перемещается впереди фронта вытеснителя и скорость движения веществ равна скорости движения вытеснителя. Разделяемые вещества и на колонке, и в элюате располагаются последовательно друг за другом. Каждый из компонентов выделяется в чистом виде, но не количественно, так как зоны компонентов не разделены промежутками чистого сорбента.

Рис.3 Хроматограмма, полученная методом вытеснительной хроматографии

 

 

Классификация методов хроматографии

1.Классификация методов  хроматографии

 

Рис.4 Классификация хроматографических методов (по К.В.Чмутову)

В основу общепринятых классификаций многочисленных хроматографических методов положены следующие признаки: агрегатное состояние подвижной и неподвижной фаз, механизм взаимодействия сорбент—сорбат, форма слоя сорбента (техника выполнения), цель хроматографирования.

По агрегатному состоянию фаз хроматографию разделяют на газовую и жидкостную.

По механизму взаимодействия сорбента и сорбата можно выделить несколько видов хроматографии: 

●распределительная хроматография основана на различии в растворимости 

разделяемых веществ в неподвижной фазе (газовая хроматография) или на

различии в растворимости веществ в подвижной и неподвижной  жидких фазах;

●ионообменная хроматография — на разной способности веществ к ионному обмену;

●адсорбционная хроматография — на различии в адсорбируемости веществ твердым сорбентом;

 ●эксклюзионная хроматография — на различии в размерах и формах молекул  разделяемых веществ, аффинная хроматография — на специфических  взаимодействиях, характерных для некоторых биологических и  биохимических процессов.

По технике выполнения выделяют колоночную хроматографию, когда разделение проводится в специальных колонках, и плоскостную хроматографию, когда разделение проводится на специальной бумаге (бумажная хроматография) или в тонком слое сорбента (тонкослойная хроматография).

По цели хроматографирования выделяют аналитическую хроматографию (качественный и количественный анализ); препаративную хроматографию (для получения веществ в чистом виде, для концентрирования и выделения микропримесей); промышленную (производственную) хроматографию для автоматического управления процессом (при этом целевой продукт из колонки поступает в датчик).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Методы хроматографии

Разберем более подробно наиболее значимые методы хроматографического анализа.

2.1.Газовая хроматография

Газовая хроматография —метод разделения летучих компонентов, при котором подвижной фазой служит инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу с большой поверхностью. В качестве подвижной фаз используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Газ-носитель не реагирует с неподвижной фазой и разделяемыми веществами.

Различают газо-твердофазную и газо-жидкостную хроматографию. В первом случае неподвижной фазой является твёрдый носитель (силикагель, уголь, оксид алюминия), во втором — жидкость, нанесённая на поверхность инертного носителя.