Хроматографиялық әдістер


Хроматография негіздері

Хроматография заттар қоспасын бөлу және анализдеу әдісі, ол заттардың екі фаза – қозғалмайтын немесе стационар фаза (СФ) және қозғалмалы фаза (ҚФ) арасында әр түрлі таралуына негізделген.

Заттың фазалар арасына таралуы оның ерігіштігіне және адсорбциялық қабілетіне тәуелді.

Хроматографиялық процесс кезінде стационар фаза бойымен қозғалмалы фазамен бірге жылжитын зат сорбциясы мен десорбциясы кезектеліп, көп рет қайталанады.

Стационар фаза келесі төрт қасиеттердің біреуіне ие болуы керек:

· Қозғалмалы фазадағы бөлінетін заттарды физикалық сорбциялауы керек;

· Қозғалмалы фазадағы бөлінетін заттарды химиялық сорбциялауы керек;

· Қозғалмалы фазадағы бөлінетін заттарды ерітуі керек;

· Құрылысы кеуекті болып, бөлінетін заттардың кейбіреуін өткізіп, келесі заттарды ұстап қалуы керек.

Хроматографияның теориялық негіздерін бірнеше теория түсіндіреді:

Теориялық табақшалар концепциясын (ТТК) 1942 жылы Мартин және Синдж ұсынған. Олар хроматографиялық колонканы шартты түрде көптеген дискретті яғни бір-бірімен жанаспайтын табақшаға (зонаға) бөлген.

Әрбір табақшада заттардың жаңа таралу тепе-теңдігі орнайды. ҚФ жылжығанда затты бір зонадан екінші зонаға ауыстырады, сонда зонада жаңа таралу тепе-теңдігі орнайды. Нәтижесінде зат бірнеше зонаға жайылады, жайылу неғұрлым күшті болса, хроматографиялық бөліну соғұрлым нашар болады. Заттың орналасқан табақшалар саны (N) маңызды шама болады:

N=L/H

Н= (L/16) (W/τR)2

Мұндағы L – колонка ұзындығы, H – теориялық табақшаға эквивалентті биіктік (зона немесе табақша биіктігі), W – хроматографиялық шың ені.

Н неғұрлым кіші болса, шыңның ені соғұрлым кіші болады, бөліну тиімділігі соғұрлым жоғары болады.

Теориялық табақшалар концепциясының кемшілігі - ол формальды теория, себебі бірнеше шартты болжамдарға негізделген:

· Колонка бірнеше жанаспайтын зоналардан тұрады

· Тепе-теңдік бір сәтте орнайды

· Бөліну үздіксіз жүреді.

Адсорбцияланған зат мөлшері (а) мен оның газ фазасындағы концентрациясы мен немесе қысымы арасындағы тұрақты температурадағы тәуелділікті көрсететін үш түрлі изотерма болады:

Сурет 8.12. Изотерма түрлері:

а – Генри изотермасы; б – Лэнгмюр изотермасы; в - Фрейндлих изотермасы

Генри изотермасы төмен қысымдар үшін орындалады. Беті бір текті адсорбенттер үшін адсорбцияланған зат мөлшері газ фаасындағы зат концентрациясына немесе қысымына тура пропорционал:

а=k • С

Мұндағы, а - адсобцияланған зат мөлшері;

k- Генри константасы.

Лэнгмюр изотермасы. Егер қысым жоғары болса, онда моноқабат сиымдылығы толады. Адсорбентте бос орын қалмайды, олай болса, Лэнгмюр изотермасы орындалады.

а = amkІp/1+kІp

мұндағы, am - моноқабат сиымдылығы.

Фрейндлих изотермасы. Орташа қысым үшін орындалады.

а = kІІp1/n

Сонымен, а қысымның бөлшек дәрежесіне пропорционал болады.

Аналитикалық химияда сызықтық изотерма аймағында жұмыс істеген дұрыс. Сондықтан, сызықтық тепе-теңдіктік хроматография теориясының негіздері пайдаланады.

Бұл теория келесі шарттарға негізделген:

1. Фазалар арасындағы тепе-теңдік бір сәтте орнайды, яғни масса тасымалдау жылдамдығы шексіз жоғары;

2. Диффузиялық жайылуды ескермейді.

Хроматографияның кинетикалық теориясы тепе-теңдіктің орнау жылдамдығына негізделген. Бұл теория бойынша хроматографиялық жүйедегі зоналардың жайылуы үш себептен болады:

· Сорбент бойымен әр түрлі концентрация әр түрлі жылдамдықпен жылжиды бұны термодинамикалық жайылу деп атайды. Оның себебі адсорбент бетінің әртектілігінде немесе сорбат-сорбент әрекеттесуімен қатар сорбат-сорбат әрекеттесуінің болуында.

· Бұл заттар диффузиясы – диффузиялық жайылу. Оның себебі колонканың әр бөлігінде сорбенттің нығыздалу дәрежесі әр түрлі болуында.

· Сорбция және десорбция процестерінің төмен жылдамдығына байланысты болатын кинетикалық жайылу. Физикалық адсорбция сатысы жылдам жүреді, ал заттың газ фазадан адсорбент бетіне ауысуы (сыртқы масса тасымалдау) және заттың адсорбент бетінен кеуектер көлеміне өтуі (ішкі масса тасымалдау) сатылары баяу жүреді. Сондықтан кинетикалық жайылу болады.

Аналитикалық химияда термодинамикалық жайылуды болдырмауға тырысады. Ол үшін беті біртекті өнеркәсіпте өндірілетін арнайы адсорбенттер пайдаланады, бөлінетін компоненттер концентрациясын азайтады, яғни сызықтық изотерма түзілуін қамтамасыз етеді.

Хроматография әдістері

Хроматографиялық әдістерді әр түрлі жіктейді:

Заттардың сорбентпен әрекеттесу сипаты бойынша молекулалық және хемосорбциялық хроматографиялық әдістер болады. Молекулалық әдістер әлсіз физикалық әрекеттесулерге – адсорбция мен абсорбцияға негізделеді. Хемосорбциялық әдістер күшті химиялық әрекеттесулерге негізделеді.

Стационар фазаның табиғаты бойынша адсорбциялық және таралмалы хроматография болады. Адсорбциялық хроматографияда СФ - қатты сорбент, ал таралмалы хроматографияда СФ – сұйық еріткіш.

Қозғалмалы фазаның агрегаттық күйіне байланысты газдық және сұйықтық хроматография болады. Стационар фазаның агрегаттық күйін ескерсе, олар газдық-адсорбциялық, газдық-сұйықтық, сұйықтық-адсорбциялық, сұйықтық-сұйықтық (таралмалы) хроматография болып бөлінеді.

Стационар фазаны орналастыру жолы бойынша колонкалық және жазықтық хроматография болады.

Сынаманы хроматографиялық колонкаға енгізу режимі бойынша фронтальды, элюентті және ығыстырмалы хроматография болады.

Фронтальды хроматографияда қоспа ерітіндісін колонкаға үздіксіз енгізеді. Сонда таза күйінде тек 1 компонент бөлінеді.

Элюентті хроматографияда қоспаны қозғалмалы фаза (элюент) ағынына енгізеді. Колонка бойымен жылжығанда компоненттер бөлініп, зоналар түзеді, олар таза еріткіш зонасымен бөлінеді. Компоненттер зоналары сорбциялану қабілетінің арту ретімен кезектеп колонкадан шығады. Колонкадан шығатын ерітіндіні элюат деп атайды.

http://www.anchem.ru/chemanalysis/2005/020-036/Image52.gif

Сурет 8.13. Элюентті хроматография хроматограммасы

Ығыстырмалы хроматографияда колонкаға қоспа ерітіндісімен қатар ығыстырғыш зат енгізеді, оның сорбциялану қабілеті ең жоғары болуы тиіс. Сонда ығыстырғыш зат компоненттерді ығыстырып, олар сорбциялану қабілетінің арту ретімен колонкадан шығады.

Ең жиі пайдаланатын элюентті хроматография. Бұл әдістің хроматограммасында әр компонентке өзінің хроматографиялық шыңы (максимум) сәйкес келеді (сурет 8.13).

Колонкадан шыққан элюат арнайы детекторлар көмегімен үнемі анализденеді де хроматограмма сызылып шығады.

Абсцисса осіне бөгелу уақыты τR немесе бөгелу көлемі VR салынады. Бұл екеуі өзара байланысты:

VR = VR • ω

Мұндағы ω - элюенттің көлемдік жылдамдығы.

Шыңның ауданы S және биіктігі h (нольдік сызықтан максимумға дейінгі арақашықтық) компонент концентрациясына тура пропорционал. Шыңның ені W – жартылай биіктікке сәйкес қисық (шың) контурларының арақашықтығы.

Бөлу тиімді болуы үшін шыңдардың ені неғұрлым аз болғаны, ал шыңдар арақашықтығы неғұрлым үлкен болғаны дұрыс.

Ион алмасу хроматографиясы

Ион алмасу кезінде ерітіндідегі иондар адсорбент немесе ионит құрамындағы қозғалғыш иондарға алмасады. Ион алмасу эквивалентті мөлшерде жүреді. Әдісте стационар фаза ионит, ионит құрамында жылжымалы ион бар, ол ерітіндідегі ионмен алмасады.

Иониттер иондар табиғаты бойынша екі түрге бөледі:

1. Егер алмасатын ион катион болса, катионит деп аталады;

2. Егер алмасатын ион анион болса, анионит деп аталады.

Сонымен бірге иониттер табиғи және жасанды болады. Табиғи катионит – цеолит, табиғи анионит - фтораппатит.

Табиғи иониттердің келесі кемшіліктері болады:

· Құрамы әр текті;

· Кеуектері ірі болады;

· Тек нейтрал ортада тұрақты болады.

Жасанды иониттер органикалық шайырға (матрицаға) негізделген, сол матрицамен байланысқан функционалдық топ болуы керек. Катиониттерде қышқылдық функционалды топ, ал аниониттерде негіздік функционалды топ болады.

Иониттің алмасу сиымдылығы деп 1 г құрғақ иониттің сіңіре алатын иондарының ммол-экв санын атайды.

Анықтау жолы бойынша 3 түрлі алмасу сиымдылығы болады:

1. Статикалық алмасу сиымдылығы;

2. Динамикалық алмасу сиымдылығы;

3. Толық динамикалық алмасу сиымдылығы.

Ион алмасу хроматографиясы келесі мақсатта пайдаланылады:

1.Тұздарды сандық анализдеу үшін, себебі ион алмасу процессі эквивалентті мөлшерде жүреді

2.Суды деминерализациялау үшін. Ол үшін суды бірінші Н+-формасындағы катионит арқылы, сонан соң ОН--формадағы анионит арқылы өткізеді

3.Иондарды бір-бірінен бөлу үшін сорбциялық қатарлар пайдаланады

4. Бөгет жасаушы иондарды ауыстыру үшін.

Әдістің артықшылықтары:

1.Әдіс қарапайым және жылдам. Бірнеше мақсатта пайдалануға болады;

2.Иониттерді регенерациялап, көп рет пайдалануға болады.

Кемшіліктері:

1.Иониттер суда және ерітіндіде ісінеді. Ісінгенде олардың алмасу сиымдылығы кемиді, сондықтан колонкаға тек ісінген ионит енгізіледі.

2.Иониттер үшін тек ион алмасу сорбциясы емес, басқа сорбция түрлері тән.

3.Әлсіз электролит қатысында күшті электролиттер сіңірілмейді.

Бірақ бұл кемшілікті практикада күшті және әлсіз электролиттерді бөлу үшін пайдалануға болады.

Жазықтық хроматография

Жазықтық хроматографияның екі әдісі бар: жұқа қабаттық хроматография (ЖҚХ) және қағаздық хроматография (ҚХ).

Жұқа қабаттық хроматография әдісі сұйықтық-адсорбциялық хроматографияның бір түрі. Әдісте сорбенттің (СФ) жұқа қабаты шыныдан, пластмассадан немесе металдан жасалған пластина бетіне жағылады. Пластина шетінен 2-3 см қалдырып, старттық сызық сызады, сол сызыққа сұйық сынаманы енгізіп, пластина шетін еріткішке (ҚФ) батырып қояды. Сонда капиллярлық күштер әсерінен еріткіш компоненттерді әр түрлі жылдамдықпен тасымалдайды. Әрбір компонент зонасы дақ түрінде пайда болады. Дақтар түрлі-түсті болуы мүмкін, егер дақтар түссіз болса, оларды айқындау қажет болады. Ол үшін хроматограмманы арнайы реагентпен өңдейді немесе арнайы жарықпен сәулелендіреді. Дақ түсі бойынша бойынша сапалық анализ, ал дақ ауданы бойынша сандық анализ жүргізеді. Дақтың аданын планиметр аспабымен өлшейді. Сандық анализ жүргізу үшін стандартты ерітінділерді қоса хроматографиялау қажет.

Жұқа қабаттық хроматографияда (ЖҚХ) заттың адсорбциялық қасиетін Rf қозғалғыштық шамасымен бағалайды. Ол мына формуламен есептеледі:

Rf = х/хf

Мұндағы х – компонент зонасының ығысуы;

хf - еріткіш фронтының ығысуы.

Компоненттер қозғалғыштығы неғұрлым алшақ болса, соғұрлым бөліну толық жүреді.

Жұқа қабат бекітілген және бекітілмеген болуы мүмкін. Бекітілген жұқа қабатты алу үшін стационар фазаға байланыстырғыш зат (крахмал, желатин, агар-агар) қосып, пластинкаға паста түрінде жағады немесе жоғары температурада күйдіріп жағады. Мұндай қабатты горизонталь да, вертикаль да пайдалануға болады. Бекітілмеген жұқа қабатты алу үшін стационар фаза ұнтағын жұқалап пластинкаға жағады, мұндай қабатты тек горизонталь түрде пайдаланады.

Қағаздық хроматография сұйықтық-сұйықтық хроматографияға жатады. Сұйық стационар фазаны арнайы хроматографиялық қағазға сіңіреді. Хроматографиялық қағаздар тығыздығы бойынша әр түрлі болады, олар өнеркәсіпте тығыздығы бойынша №1, №2, №3, №4 болып өндіріледі. Бұл әдісте де заттарды қозғалғыштығы арқылы бөледі, дақ түсі бойынша бойынша сапалық анализ, ал дақ ауданы бойынша сандық анализ жүргізеді.

Жазықтық хроматографияда хроматограммалардың бірнеше түрі болады:

Шеңберлі хроматограмма – қоспа сынамасын қағаздың немесе пластинканың дәл ортасына енгізеді, сосын сол нүктеге еріткіш енгізеді, сонда компоненттер әр жылдамдықпен қозғалып, бірнеше концентрлі шеңбер түзеді, әр компоненттің өз шеңбері болады.

Өрлеуші хроматограмма – сынаманы старттық сызыққа енгізіп, қағаз жолағын немесе пластинканы камера түбіндегі еріткішке салады, сонда еріткіш капиллярлық күштер көмегімен жоғары қозғалып, компоненттерді әр түрлі жылдамдықпен тасымалдайды.

Төмен түскіш хроматограмма - сынаманы старттық сызыққа енгізіп, қағаз жолағын немесе пластинканы камераға салып, еріткішті жоғары бөлігінен енгізеді (старттық сызық та жоғары жағында), сонда еріткіш жоғарыдан төмен қозғалады. Бұл жағдайда капиллярлық күштерге салмақтық күш қосылады.

Бақылау сұрақтары:

1. Хроматографиялық анализдің негізі, ерекшелігі.

2. Хроматографиялық анализ әдістерінің жіктелуі:

-газдық және сұйықтық хроматография,

-адсорбциялық және таралмалы хроматография,

-колонкалық және жазықтық хроматография.

3. Фронтальды, элюентті, ығыстырмалы хроматография.

4. Хроматограмманың негізгі сипаттамалары: хроматографиялық шыңның биіктігі мен ені, бөгелу уақыты, бөгелу көлемі.

5. Теориялық табақшалар концепциясы. Теориялық табақшалар саны.

6. Теориялық табақшаға эквивалентті биіктік (ТТЭБ).

7. Адсорбция изотермалары, олардың түрлері: Генри, Лэнгмюр, Фрейндлих изотермалары.

8. Хроматографияның кинетикалық теориясы. Хроматографиялық зоналардың термодинамикалық, кинетикалық және диффузиялық жайылуы.

9. Жазықтық хроматография әдістері: қағаздық және жұқа қабаттық хроматография әдістері.

10. Жазықтық хроматограмма түрлері. Концентрацияны анықтау әдістері.

11. Ион алмасу хроматографиясының негізі.

12. Иониттер, жіктелуі, ион алмасу процестері.

13. Алмасу сиымдылығы дегеніміз не және оның қолданылуы?

14. Келесі түсініктерге анықтама беріңдер:

-Иониттің статикалық алмасу сиымдылығы (САС).

-Иониттің динамикалық алмасу сиымдылығы (ДАС).

-Иониттің толық динамикалық алмасу сиымдылығы (ТДАС).

15. Неліктен ион алмасу хроматографиясын сандық анализде пайдалануға болады?

16. Катиондарды және аниондарды сандық анықтау қалай жүргізіледі?

17. Иониттерді регенерациялау.

18. Ион алмасу хроматографиясының кемшіліктері.