Качественный анализ смеси по параметрам удерживания

Цель работы: Провести разделение смеси неизвестного состава при различных температурных режимах колонки и оценить степень разделения компонентов.

Оборудование, материалы и реактивы: гексан, фильтровальная бумага, мерные пипетки, шприцы, стеклянные пробирки, исследуемая смесь.

Условия хроматографического анализа: кварцевая капиллярная колонка: длина – 60 м, диаметр – 0,25 мм, нанесенная фаза – 100%-ый диметилсилоксан. ПИД детектор, газ-носитель – азот, объем вводимой пробы – 0,2 мкл. Изотермический режим при 80°С в течении 30 минут. Температура испарителя 250°С.

Задача качественного хроматографического анализа состоит в том, чтобы установить принадлежность полученных на хроматограмме пиков конкретным химическим соединениям. Функция хроматографической колонки в хроматографии сводится лишь к разделению анализируемого вещества на индивидуальные компоненты. Определение их качественного состава проводится за пределами колонки и может быть осуществлено или по характеристикам удерживания каждого из компонентов в данной колонке при конкретных условиях разделения, или с использованием других аналитических приемов. В первом случае на выходе из хроматографической колонки компоненты анализируемой пробы проходят через детектор и фиксируются в виде хроматограммы. Во втором случае компоненты анализируемой пробы на выходе из колонки направляются в какой-либо анализатор, где и анализируются одним из химических или физических методов, их сочетанием, или сочетанием хроматографических, химических и физических методов.

Для детальной идентификации компонентов сложной пробы часто недостаточно провести ее разделение на одной хроматографической колонке, а приходится прибегать к сложной схеме анализа, включающей целый комплекс методов. Часто применяют многоступенчатые схемы анализа, которые позволяют не только идентифицировать компоненты пробы, но и ускорить и удешевить анализ.

1. Методы идентификации на одной колонке.

1.1. Применение индивидуальных эталонных веществ или их смесей

Один из вариантов этого метода состоит в последовательном разделении в одинаковых условиях анализируемой смеси и эталонной смеси. Метод можно использовать, если имеются веские основания для предположения о составе эталонной смеси, которые могут быть получены, как правило, кропотливыми предварительными исследованиями. Причиной для идентификации компонентов смеси в этом случае служит равенство времени удерживания пиков соответствующих компонентов анализируемой и эталонной смесей. Если расход газа-носителя при проведении анализов этих смесей неодинаков, то вместо времени удерживания для идентификации пиков используют значения исправленного времени удерживания или исправленных удерживаемых объемов.

Второй вариант этого метода заключается в том, что в анализируемую пробу вводят эталонный компонент, наличие которого в этой смеси предполагается. Увеличение высоты соответствующего пика без его существенного расширения (размытия) по сравнению с высотой этого пика на хроматограмме, полученной до введения эталона, может служить указанием на присутствие искомого соединения в анализируемой смеси.

Данный метод прост методически, но имеет следующие недостатки:

- необходимо иметь эталонные вещества;

- все пики, полученные при разделении на используемой колонке, должны гарантированно соответствовать индивидуальным веществам.

И даже при соблюдении этих условий нет абсолютных гарантий однозначного проведения идентификации, так как практически всегда имеются по меньшей мере два вещества, удерживаемые объемы которых на применяемой колонке близки, и такими веществами вполне могут оказаться любой компонент смеси и вещество, использованное в качестве эталона, которые между собой не тождественны. Для окончательной идентификации компонентов пробы необходимо подтверждение их химической индивидуальности химическими или физическими методами.

1.2. Использование табличных данных о характеристиках удерживания

В настоящее время опубликовано большое количество таблиц относительных удерживаемых объемов для самых разных веществ. Эти таблицы, а также компьютерные базы данных можно использовать для идентификации компонентов анализируемых проб при отсутствии необходимых эталонных веществ. Анализируемую пробу разделяют на колонке при условиях, указанных в соответствующей таблице, предварительно введя в нее небольшое количество вещества, служащего стандартом. Международной комиссией по номенклатуре на I симпозиуме по хроматографии в Лондоне в 1956 г. рекомендован ряд веществ, которые следует использовать в качестве стандартов: пентан - для углеводородов, масляная кислота -для жирных кислот, метиловый эфир миристиновой кислоты - для эфиров высших жирных кислот. По полученной хроматограмме рассчитывают относительные удерживаемые объемы:

(1.16)

где V_R , V_o,V_{R с.} - удерживаемые объемы соответственно компонентов пробы, несорбирующейся подвижной фазы и стандарта; t_R, t_o, t_{R с.} - время удерживания компонентов пробы, несорбирующейся подвижной фазы и стандарта соответственно; l_R, l_o, l_{R с} - соответствующие отрезки на хроматограмме.

Для идентификации выделенных компонентов анализируемой пробы сравнивают полученные значения относительных удерживаемых объемов V_отн. с табличными данными. Так как внутри одного класса соединений графическая зависимость V_отн. от числа атомов n обычно прямолинейная, то построив калибровочный график зависимости lg V_отн. от n и определив V_отн. выделенных веществ можно достаточно полно их идентифицировать. Для построения калибровочного графика нужно знать V_отн. для 3-4 членов данного гомологического ряда.

Если в анализируемой пробе содержатся соединения различных классов, то для их идентификации нужно построить несколько аналогичных калибровочных графиков как для полярной, так и для неполярной неподвижной жидкой фазы. Дальнейшая идентификация осуществляется путем повторного выделения идентифицируемого вещества и исследования его различными физико-химическими методами.

Недостатки этого метода идентификации следующие:

- необходимость при анализе пробы точно соблюдать условия разделения, использованные при получении опубликованных данных;

- наличие дефицитных стандартов для веществ различных гомологических рядов.

Некоторыми преимуществами по сравнению с описанным выше методом при идентификации компонентов анализируемой пробы обладает метод Ковача.

Суть этого метода заключается в использовании линейной зависимости между логарифмами объемов удерживания и числом углеродных атомов нормальных парафинов, выраженным индексами удерживания I.

При проведении качественного хроматографического анализа с использованием метода Ковача в одинаковых условиях измеряют удерживаемые объемы трех веществ - идентифицируемого и двух нормальных алканов, различающихся по числу углеродных атомов на единицу. При этом н-алканы выбирают таким образом, чтобы удерживаемый объем идентифицируемого компонента имел промежуточное значение между соответствующими характеристиками н-алканов. Затем из графика (рис. 1) или по интерполяционной формуле

(1.17)

находят индекс удерживания идентифицируемого вещества и по справочным таблицам по величине индекса удерживания определяют, какому веществу принадлежит это значение.

Идентификация по индексам удерживания по сравнению с другими методами идентификации имеет следующие преимущества:

– в качестве стандарта используется не случайное вещество, а гомологический ряд нормальных углеводородов, благодаря чему точность и воспроизводимость определения индексов очень высокие. Кроме того, нормальные углеводороды наиболее доступны в качестве стандартных веществ;

– значения индексов удерживания намного меньше зависят от температуры колонки, чем относительные удерживаемые объемы, что расширяет диапазон температур колонки, позволяющий проводить идентификацию;

– при наличии литературных данных по индексам удерживания Ковача можно проводить качественный анализ без применения индивидуальных веществ.

Однако результаты идентификации, полученные и методом Ковача, должны быть проверены другими независимыми методами.

1.3. Использование графических или аналитических зависимостей между относительными удерживаемыми объемами и другими физико-химическими свойствами веществ.

Если между логарифмами относительных удерживаемых объемов веществ одного гомологического ряда и другими физико-химическими характеристиками этих веществ, например температурами кипения, молекулярной рефракцией, молярным коэффициентом экстинкции и др., существует линейная зависимость, то для идентификации компонентов анализируемых веществ могут быть использованы соответствующие графические зависимости.

Например, на колонках с неполярным адсорбентом в последовательности, соответствующей их температуре кипения, выделяются вещества, относящиеся даже к разным классам. На колонках с полярной фазой линейность зависимости логарифма удерживаемых объемов от температуры кипения наблюдается для веществ одного гомологического ряда.

Так как относительный удерживаемый объем является функцией температуры хроматографической колонки, анализ следует проводить именно при тех условиях, для которых построен соответствующий график, иначе идентификация может оказаться неверной, потому что при изменении температуры может измениться даже порядок элюирования. Если рабочая температура отличается от требуемой величины, необходимо привести удерживаемый объем к соответствующей температуре при помощи зависимости lg V_отн. от 1/Т.

Для идентификации хроматографических пиков можно воспользоваться уже опубликованными графиками или построить необходимые кривые на основании результатов разделения калибровочных смесей.

Ход работы:

1. Запись хроматограммы исследуемой смеси.

Включить хроматограф. Задать параметры анализа исследуемой смеси. После выхода прибора на режим провести хроматографирование эталонной смеси и исследуемой пробы.

2. Качественный анализ.

Рассчитать исправленное время удерживания всех компонентов эталонной и многокомпонентной смеси.

Сравнить исправленные времена удерживания со значениями эталонной смеси.

Методом добавки провести контроль наличия веществ идентифицированных в многокомпонентной смеси по временам удерживания. Результаты исследований занести в таблицу.

Таблица 1.2.

Качественный анализ многокомпонентной смеси

Лабораторная работа №6