Газовая хроматография

Министерство общего образования РФ

Воронежский государственный университет

Реферат

"Газовая хроматография"

Выполнил: студент 3 курса 4 группы

Юденко Валерий

Преподаватель: Бондарев Ю.М.

Воронеж-2000

Содержание:

Сущность хроматографического метода 3

Классификация методов хроматографии 4

Газоадсорбционная хроматография 8

Газожидкостная хроматография 9

Аппаратурное оформление процесса 11

Области применения газовой хроматографии 13

Литература 16

Сущность хроматографического метода

С необходимостью разделения смеси веществ на составляющие ее компоненты при-ходится сталкиваться как химику-синтетику, хими¬ку-аналитику, так и технологу, гео-логу, физику, биологу и многим другим специалистам. Особое значение разделение смеси веществ приобрело в последние десятилетия в связи с проблемой получения сверхчистых веществ.

Разделение смеси не вызывает особых трудностей, если ее ком¬поненты находятся в различных фазах. Оно существенно ослож¬няется, если компоненты смеси образуют од-ну фазу. В этом случае приходится изменять агрегатное состояние отдельных компо-нентов (например, добиться их выпадения в осадок), либо применять хими¬ческие или физические методы разделения. В основе последних ле¬жат кинетические явления или фазовые равновесия.

Такие широко известные методы разделения, как дистилляция, кристаллизация, экс-тракция и адсорбция основаны на изменении фазовых равновесии. В этих процессах молекулы веществ, образую¬щих смесь, переходят через границу раздела, стремясь к та-кому распределению между фазами, при котором в каждой из них уста¬навливается по-стоянная равновесная концентрация.

Если свойства компонентов исследуемой смеси близки, то до¬статочная степень раз-деления достигается лишь многократным по¬вторением элементарного акта разделения. Такой процесс, напри¬мер, осуществляется в насадочных или тарельчатых ректификаци¬онных колоннах. Следует отметить, что в таких случаях полное раз¬деление возможно только для простых (не более чем трехкомпонентных) систем.

Более полного разделения можно достичь, если на эффект, вызываемый многократ-ным установлением фазовых равновесий, на¬ложить действие кинетического фактора. В тех случаях, когда ис¬пользуются кинетические явления (например, при молекулярной дистилляции), через поверхность раздела фаз и лишь в одном на¬правлении переносятся молекулы только одного вещества. Если разделение смеси производить в таких систе-мах, в которых одна из фаз (подвижная) перемещается относительно другой (неподвиж¬ной), то улавливание и удаление молекул, покидающих поверхность раздела фаз, осу-ществляется благодаря постоянному перемещению подвижной фазы. Как и при фазо-вом равновесии, молекулы, выхо¬дящие из подвижной фазы, возвращаются в нее, попа-дая, однако, не в прежний элемент ее объема, а в новый.

Если в процессе разделения фазовые переходы повторять мно¬гократно, то можно получить высокую эффективность разделения. Так как фазовые переходы связаны с поверхностью раздела, под¬вижная и неподвижная фазы должны обладать большой по-верх¬ностью соприкосновения. Кроме того, вследствие наличия диффу¬зионных процес-сов, снижающих эффективность разделения, обе фазы должны иметь относительно не-большую толщину взаимодей¬ствующего слоя.

В какой-то степени эти требования выполняются в методе раз¬деления смеси ве-ществ, получившем название хроматографического. Впервые хроматографическое разделение сложной смеси (хлоро¬филла) было осуществлено М. С. Цветом в 1903 г.

Если в качестве неподвижной фазы взять мелкоизмельченный сорбент и наполнить им трубку (стеклянную или металлическую), а движение подвижной фазы (жидкости или газа) осуществлять за счет перепада давления на концах этой трубки, то последняя будет представлять собой хроматографическую колонку, называемую так по аналогии с ректификационной колонкой для дистилляционного разделения. Разделяемая смесь ве-ществ вместе с потоком подвиж¬ной фазы поступает в хроматографическую колонку. При контакте с поверхностью неподвижной фазы каждый из компонентов разде¬ляемой смеси распределяется между подвижной и неподвижной фазами в соответствии с его свойствами, например адсорбируемостью или растворимостью. Вследствие непрерыв-ного движения под¬вижной фазы лишь часть распределяющегося компонента успевает вступить во взаимодействие с неподвижной фазой. Другая же его часть продвигается дальше в направлении потока и вступает во взаимодействие с другим участком поверх-ности неподвижной фазы. Поэтому распределение вещества между подвижной и не-подвижной фазами происходит на небольшом слое неподвижной фазы только при дос-таточно медленном движении подвижной фазы. Поглощен¬ные неподвижной фазой компоненты смеси не участвуют в переме¬щении подвижной фазы до тех пор, пока они не десорбируются и не будут снова перенесены в подвижную фазу. Поэтому каждому из них для прохождения всего слоя неподвижной фазы в колонке по¬требуется большее время, чем для молекул подвижной фазы. Если молекулы разных компонентов разде-ляемой смеси обладают раз¬личной степенью сродства к неподвижной фазе (различной адсорбируемостью или растворимостью), то время пребывания их в этой фазе, а следо-вательно, и средняя скорость передвижения по колон¬ке различны. При достаточной длине колонки это различие может привести к полному разделению смеси на состав-ляющие ее компо¬ненты.

Применение хроматографического метода не ог¬раничивается лишь разделением и анализом смеси веществ. В по¬следнее время хроматография широко используется и как метод, научного исследования, например, для исследования свойств слож¬ных систем, в частности растворов.

Итак, хроматографией следует называть процесс, основанный на перемещении дискретной зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы и связан-ный с многократным повторением сорбционных и десорбционных актов. Хроматогра-фический процесс осуществляется при сорбционном распределении вещества между двумя фазами, одна из которых перемещается относительно другой.

Состав смеси, покидающей хроматографическую колонку, непрерывно изменяется. В то время как в таких процессах, как экстракция или ректификация, можно отбирать в течение всего процесса непрерывно одну и ту же фракцию, или одно и то же вещество, в хроматографическом процессе, за исключением специальных случаев, когда имеет место движение слоя сорбента, этого делать нельзя.

Термин «хроматография» относится как к самому процессу, так и к научной дисци-плине, его изучающей, использующей и разраба¬тывающей аппаратурное оформление.

Классификация методов хроматографии

Многообразие вариантов хроматографического метода, возникшее в связи с широ-ким его развитием, вызывает необходимость их клас¬сификации. К основным признакам классификации относятся:

1) агрегатное состояние фаз;

2) природа элементарного акта;

3) способ относительного перемещения фаз;

4) способ аппаратурного оформления процесса;

5) цель осуществления процесса.

1) Классификация по агрегатному состоянию фаз относится к хроматографии в це-лом. Газовой хроматографией называется хроматографический метод, в котором в ка-честве подвижной фазы применяется газ или пар. В свою очередь газовая хроматогра-фия может быть разделена на газо-адсорбционную (газо-твердую) и газо-жидкостную. В пер¬вом случае неподвижной фазой служит твердое вещество — адсор¬бент, во втором — жидкость, распределенная тонким слоем по по¬верхности какого-либо твердого носи-теля (зерненого материала, стенок колонки).

2) Классификация на основе природы элемен¬тарного акта. Если неподвижной фазой является жидкость, то элементарным актом, как правило, является акт растворения. В этом случае анализируемое вещество растворяется в жидкой не¬подвижной фазе и рас¬пределяется между неподвижной, и подвиж¬ной фазами. Это распределительная хро¬мато¬графия. Газо-жидкостная хроматография—один из вариантов распределительной хроматографии.

Если неподвижной фазой служит твердое вещество—адсор¬бент, то элементарным актом является процесс адсорбции вещества. Следовательно, газо-твердая хроматогра¬фия является адсорбци¬онной хроматографией. Следует, однако, иметь в виду, что в га¬зо-¬жидкостной хроматографии определенную роль может играть ад¬сорбция на межфаз¬ных границах (газ - жидкость и жидкость - твердый носитель) и в газо-адсорбцион¬ной—процесс раство¬рения.

3) По способам перемещения фаз различают три ме¬тода: проявительная, или элю-ентная, фронтальная и вытеснительная хроматография.

Рис.1 Схема образования зон в проявите-

льном методе и распределения концент-

рации в зонах Рис.2 Типичная выходная кривая проявитель-

ного метода

Проявительная хроматография. Заполненную сорбентом колон¬ку промывают чис¬тым газом Е, обычно сорбирующимся слабее всех остальных компонентов смеси. За¬тем, не прекращая потока газа Е, в колонку вводят порцию анализируемой смеси, на¬пример, вещества А и В, которые сорбируются в верхних слоях сорбента (рис. 1, а) и вследствие движения газа постепенно перемещаются вдоль слоя сорбента с различ¬ными для каждого компонента скоростями. В ре¬зультате зона лучше сорбирующегося веще-ства, например В, по¬стоянно отстает от зоны