ХРОМАТОГРАФИЯ

Хроматографией называется экспериментальный метод разделения компонентов смеси между стационарной (неподвижной) фазой и подвижной фазой. По характеру стационарной фазы хроматография подразделяется на два типа - адсорбционную и распределительную.

В адсорбционной хроматографии стационарной фазой является твердое вещество. Это твердое вещество адсорбирует порцию каждого компонента из смеси.

Адсорбция вещества происходит в том случае, когда оно поглощается поверхностью другого вещества. Адсорбцию не следует путать с абсорбцией, которая происходит, когда одно вещество диффундирует в объеме другого вещества и поглощается всем объемом, а не поверхностью этого второго вещества (рис. 6.40).

Рис. 6.40. Адсорбция и абсорбция.

В распределительной хроматографии стационарной фазой является жидкость. Компоненты смеси распределяются между этой жидкостью и подвижной фазой.

Принцип хроматографического разделения заключается в том, что подвижная фаза непрерывно перемещается над стационарной фазой, и по мере этого под влиянием стационарной фазы происходит разделение компонентов смеси на ней.

Оба этих основных метода хроматографии включают две главные стадии: 1) распределение компонентов смеси между двумя фазами; 2) разделение компонентов смеси на стационарной фазе или в ней непрерывным потоком подвижной фазы.

Распределение компонентов смеси между двумя фазами определяется коэффициентом распределения D (см. предыдущий раздел)

Тот компонент смеси, который имеет больший коэффициент распределения D, остается преимущественно растворенным в подвижной фазе и, следовательно, быстро перемещается над стационарной фазой. Компонент с меньшим коэффициентом распределения D остается преимущественно адсорбированным на твердой стационарной фазе или абсорбированным в жидкой стационарной фазе. По мере перемещения подвижной фазы над стационарной фазой этот компонент медленно передвигается вдоль стационарной фазы.

Хроматография играет особо важную роль в органическом синтезе при разделении и выделении компонентов смеси. Она используется в количественном и качественном анализе для идентификации разделенных компонентов смеси, а также для определения частоты анализируемого вещества.

Термин «хроматография» не вскрывает сути обсуждаемой методики разделения смесей. Слово хроматография по-гречески означает цветопись. Дело в том, что первые хроматографические методики применялись для разделения смесей окрашенных веществ.

Колоночная хроматография

Колоночная хроматография представляет собой простейший вариант адсорбционной хроматографии. Она используется для разделения смесей твердых веществ.

В качестве стационарной фазы используется какой-либо твердый адсорбент, например глинозем (оксид алюминия), а в качестве подвижной фазы-какой-либо растворитель. Стеклянную колонку сначала наполняют взвесью этих двух фаз. На дно колонки кладут прокладку из стекловаты, чтобы предотвратить вытекание взвеси (рис. 6.41). После того как взвесь осядет, растворитель выпускают из колонки до тех пор, пока его уровень не окажется чуть выше уровня твердой фазы. Затем твердую смесь растворяют в небольшом количестве растворителя и полученный раствор наливают сверху в колонку. После того как раствор пройдет через колонку, в нее добавляют несколько порций чистого растворителя, чтобы убедиться, что уровень растворителя остается выше уровня стационарной фазы. Процесс пропускания растворителя через колонку называется элюированием. Растворитель, используемый для элюирования, называется люентом. Разделение различных компонентов смеси происходит по мере постепенного перемещения вдоль колонки. Если компоненты смеси окрашены, как, например, пигменты или красители, то их разделение может наблюдаться визуально. На рис. 6.42 показано, как происходит разделение двухкомпонентной смеси. Компонент 1 имеет более высокий коэффициент распределения и поэтому проходит через колонку быстрее. Время, необходимое для прохождения какого-либо компонента смеси через колонку, называется временем элюирования данного компонента. Последовательные порции элюированных компонентов собирают в колбы или пробирки. Растворитель может быть удален перегонкой, в результате чего получается чистый компонент. На рис. 6.42 показан идеализированный случай полного разделения двух компонентов.

Тонкослойная хроматография

Тонкослойная хроматография (ТСХ) представляет собой одну из разновидностей адсорбционной хроматографии. Она широко используется в органической химии для идентификации соединений и установления их чистоты. В качестве твердой адсорбирующей фазы обычно используется силикагель, глинозем или целлюлоза, содержащая

Рис. 6.41. Колоночная хроматография.

Рис. 6.42. Пики элюирования (идеализированные).

Рис. 6.43. Тонкослойная хроматография (ТСХ).

какое-либо связующее вещество, например крахмал. Взвесь такого твердого вещества тонко и однородно распределяют по поверхности стеклянной пластинки и дают ей высохнуть. Возле одного конца пластинки на слой адсорбента наносят пятно испытуемого раствора. Чтобы облегчить идентификацию компонентов, рядом с этим пятном могут быть также нанесены пятна известных соединений. После того как пятна на конце пластинки высохнут, пластинку опускают этим концом в небольшое количество растворителя, налитого в стакан или бачок (рис. 6.43), который затем накрывают крышкой, чтобы предотвратить испарение растворителя. Растворитель медленно поднимается по пластинке в результате капиллярного действия. Когда фронт растворителя проходит пятна, начинается перемещение растворенных в них веществ. Скорость их перемещения зависит от их коэффициентов распределения. Когда фронт растворителя поднимается к верхнему краю пластинки, ее вынимают из стакана и высушивают. Различные компоненты окрашенной смеси могут быть идентифицированы визуально. Если же компоненты смеси не имеют окраски, то пластинку следует проявить. Проявление пластинки достигается ее опрыскиванием каким-либо окрашивающим реагентом, облучением ультрафиолетовым светом, нагреванием либо выдерживанием в атмосфере какого-либо газа, например паров иода. Каждый компонент смеси может быть охарактеризован определенным коэффициентом удерживания Коэффициент удерживания связан с коэффициентом распределения данного компонента и определяется соотношением

Рис. 6.44. Результирующая картина разделения на ТСХ-пластинке после проведенного опыта. - неизвестное вещество, А и В - чистые вещества. Вещество С представлено двумя образцами С и .

На рис. 6.44 показана проявленная хроматографическая пластинка с пятью исходными пятнами. Нетрудно видеть, что неизвестное вещество X представляет собой смесь веществ В и С. Кроме того, видно, что образец С, дающий одно пятно, представляет собой чистое вещество, а образец С содержит примесь, поскольку он дает еще другое пятно, свидетельствующее о наличии в нем небольшого количества вещества А. Коэффициент удерживания для вещества С определяется соотношением

Хроматография на бумаге

Эта методика представляет собой разновидность распределительной хроматографии, поскольку стационарной фазой в ней является жидкость. Обычно в качестве стационарной фазы используется вода, адсорбированная на бумаге, а в качестве подвижной фазы - какая-либо органическая жидкость. Хроматография на бумаге во многих отношениях подобна тонкослойной хроматографии.

Существуют два варианта хроматографии на бумаге. В восходящей хроматографии на бумаге полоску бумаги подвешивают на стеклянном стержне в бачке (рис. 6.45). Нижний конец полоски бумаги погружают в небольшое количество растворителя, который находится на дне бачка. В нисходящей хроматографии на бумаге растворитель помещается в лотке в верхней части бачка (рис. 6.46). Бумажные хроматограммы

Рис. 6.45. Восходящая хроматография на бумаге. Пятно X принадлежит неизвестному веществу. Пятна А, В и С принадлежат известным веществам, используемым для сравнения. Хроматограмма показывает, что вещество X содержит компоненты А и В.

Рис. 6.46. Нисходящая хроматография на бумаге.

высушивают и проявляют подобно тому, как это описано выше для случая тонкослойной хроматографии. Преимущество бумажных хроматограмм заключается в том, что их легче хранить для последующего сопоставления или исследования.

Газовая хроматография

Существуют два варианта газовой хроматографии.

В газоадсорбционной хроматографии стационарной фазой является твердое вещество обычно силикагель или глинозем. Поэтому она может рассматриваться как разновидность адсорбционной хроматографии. Однако эта методика редко используется в настоящее время.

Гораздо более распространена газожидкостная хроматография. Она представляет собой разновидность распределительной хроматографии. Стационарной фазой в этой методике является жидкость с высокой температурой кипения, например какой-либо алкан с длинной углеродной цепью. Эта фаза поддерживается твердым носителем - каким-либо пористым инертным веществом, как, например, древесный уголь, глинозем или оксид кремиия , которым набивают узкую спиралевидную колонку (рис. 6.47). Подвижной фазой служит газ - обычно азот, водород, гелий или аргон. Он называется газом-носителем. Для введения образца в камеру используется медицинский шприц. Образец испаряется и перемещается вдоль колонки с помощью газа-носителя. Различные компоненты смеси перемещаются вдоль колонки с различными скоростями, поскольку они характеризуются различными коэффициентами распределения. Каждый компонент в конце концов попадает в детектор, который передает сигнал самописцу. В результате получается газовая хроматограмма, состоящая из последовательности пиков (рис. 6.48).

Один из наиболее распространенных детекторов измеряет различие в теплопроводности

чистого газа-носителя и содержащего выделенный компонент смеси. Детектор такого типа называется катарометр (детектор по теплопроводности). Его можно использовать для регистрации как органических, так и неорганических соединений. Пламенно-ионизационный детектор используется при разделении органических соединений. Газ-носитель, содержащий разделенные компоненты, сжигают в водородном пламени. Концентрацию ионов, образуемых в пламени, измеряют по его электропроводности.

Рис. 6.47. Схема действия газожидкостного хроматографа.

Рис. 6.48. Газовая хроматограмма смеси газов,

Электронозахватный детектор используется для анализа соединений, содержащих галогены, серу, фосфор и азот. -Частицы (т.е. электроны; см. разд. 1.3) ионизируют газ-носитель, превращая его в электропроводную среду. Компоненты образца восстанавливаются электронами и поэтому поглощают их, каждый в различной степени. Уменьшение электропроводности, вызываемое этим, связано с концентрацией анализируемого компонента смеси. Такой способ детектирования обладает очень высокой чувствительностью. Он используется для количественного определения инсектицидов, содержащих галогены, в различных пищевых продуктах и других анализируемых веществах.

На рис. 6.48 показана газожидкостная хроматограмма смеси газов. Инжекционный пик на этой хроматограмме соответствует моменту ввода образца в хроматограф. Каждый последующий пик соответствует очередному компоненту испытуемой смеси. Расстояние от инжекционного пика до пика каждого компонента (в шкале времени) называется временем удерживания соответствующего компонента. Время удерживания определяется химическим составом конкретного соединения и условиями эксперимента. К этим условиям относятся температура, скорость протекания газа-носителя, а также природа и концентрация стационарной фазы.

Жидкостная хроматография

Жидкостная (или жидкофазная) хроматография - это целая группа методов разделения, в которых происходит распределение соединений между подвижной жидкой фазой и стационарной фазой с большой удельной поверхностью, над которой перемещается жидкая фаза. Жидкостная хроматография может быть осуществлена в виде хроматографии на бумаге, тонкослойной хроматографии, колоночной хроматографии или высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

ВЭЖХ приобретает в последнее время все более широкое применение. Она используется в дополнение к газовой хроматографии и имеет особо важное значение

для определения нелетучих соединений. ВЭЖХ используется, например, для быстрого обнаружения различных добавок, загрязнений и естественных компонентов в пищевых продуктах. Большая удельная поверхность и, следовательно, высокая эффективность разделения в хроматографической колонке достигаются в результате использования микрозернистых твердых носителей, однородных по размерам зерна. Однако колонки, наполненные такими микрозернистыми твердыми носителями, оказывают большое сопротивление потоку жидкости. Поэтому для пропускания через них подвижной жидкой фазы требуются высокие давления. По этой причине ВЭЖХ называется также жидкостной хроматог рафией высокого давления.

Итак, повторим еще раз!

1. Коллигативные свойства растворов зависят только от числа частиц растворенного вещества, но не от его химической природы.

2. Повышение температуры кипения из-за присутствия в растворе нелетучего растворенного иещества определяется выражением

где - эбуллиоскопическая постоянная растворителя.

3. Понижение температуры замерзания раствора из-за присутствия в нем растворенного вещества определяется выражением

где - криоскопическая постоянная растворителя.

4. Осмотическое давление - это давление, которое необходимо создать, чтобы воспрепятствовать потоку растворителя через полупроницаемую мембрану из области с низкой концентрацией растворенного вещества в область с высокой концентрацией растворенного вещества.

5. Уравнение Вант-Гоффа, определяющее осмотическое давление к для разбавленных растворов, имеет вид

где V - объем раствора, а - число молей растворенного вещества.

6. Коллоид состоит из дисперсной фазы и непрерывной (дисперсионной) фазы. Коллоидные частицы имеют диаметр приблизительно от 1 до 500 нм.

7. В адсорбционной хроматографии стационарной фазой является твердое вещество.

8. В распределительной хроматографии стационарной фазой является жидкость.

9. Колоночная хроматография и тонкослойная хроматография являются разновидностями адсорбционной хроматографии.

10. Хроматография на бумаге и газожидкостная хроматография являются разновидностями распределительной хроматографии.

11. При высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) подвижная жидкая фаза пропускается под давлением через колонку, содержащую микро-зернистую стационарную фазу.