2 k CHROMATOGRAFIA Zagadnienia teoretyczne Charakterystyka metody chromatograficznej, elementy układu chromatograficznego, chromatografia cieczowa (kolumnowa i cienkowarstwowa), chromatografia gazowa. Najczęściej stosowane fazy nieru- chome i ruchome. Czynniki powodujące rozdzielanie się mieszanin, faza ruchoma, faza nieru- choma, struktura substancji). Szereg eluotropowy rozpuszczalników. Współczynnik R F , czas i objętość retencji. Sposób wywoływania chromatogramów. Schemat chromatografu gazowego i cieczowego. Interpretacja chromatogramu. Teoria Metody rozdzielcze i proces rozdzielania Co to jest rozdzielanie (ang. separation)? Znaczenie słowa rozdzielanie wydaje się zrozumiałe dla każdego, niemniej zdefiniowanie w sposób precyzyjny i pełny jest trudne. Rozdzielanie może być przeprowadzone w różny sposób, może dotyczyć bardzo zróżnicowa- nych mieszanin, może być prowadzone w różnym celu (analityczny, preparatywny) oraz w różnej skali (laboratoryjnej, przemysłowej). Ogólnie rozdzielenie jest procesem, w którym mieszanina jest podzielona przynajm- niej na dwie frakcje o zróżnicowanym składzie. Powszechnym celem rozdzielenia jest spo- wodowanie wzrostu wartości ułamka molowego jednego składnika początkowej mieszaniny względem innych składników. Rozdzielenie jest uzyskiwane poprzez wykorzystanie metod fizycznych, jak również reakcji chemicznych. W poniższej tabeli zestawione są najbardziej znane metody rozdzielcze. Kryteriami, które służą klasyfikacji metod rozdzielczych są: - cel, - rodzaj mieszaniny, - fizyczne i chemiczne zjawiska wykorzystywane w rozdzieleniu.
21
Embed
2k CHROMATOGRAFIA - umlub.pl · przywrócona dzięki adsorpcji cząsteczek na powierzchni ciała stałego. Dużą rolę w procesie adsorpcji odgrywają centra adsorpcji na powierzchni
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
2k CHROMATOGRAFIA
Zagadnienia teoretyczne Charakterystyka metody chromatograficznej, elementy
układu chromatograficznego, chromatografia cieczowa
(kolumnowa i cienkowarstwowa), chromatografia gazowa. Najczęściej stosowane fazy nieru-
chome i ruchome. Czynniki powodujące rozdzielanie się mieszanin, faza ruchoma, faza nieru-
choma, struktura substancji). Szereg eluotropowy rozpuszczalników. Współczynnik RF, czas i
objętość retencji. Sposób wywoływania chromatogramów. Schemat chromatografu gazowego
i cieczowego. Interpretacja chromatogramu.
Teoria
Metody rozdzielcze i proces rozdzielania
Co to jest rozdzielanie (ang. separation)? Znaczenie słowa rozdzielanie wydaje się
zrozumiałe dla każdego, niemniej zdefiniowanie w sposób precyzyjny i pełny jest trudne.
Rozdzielanie może być przeprowadzone w różny sposób, może dotyczyć bardzo zróżnicowa-
nych mieszanin, może być prowadzone w różnym celu (analityczny, preparatywny) oraz w
różnej skali (laboratoryjnej, przemysłowej).
Ogólnie rozdzielenie jest procesem, w którym mieszanina jest podzielona przynajm-
niej na dwie frakcje o zróżnicowanym składzie. Powszechnym celem rozdzielenia jest spo-
wodowanie wzrostu wartości ułamka molowego jednego składnika początkowej mieszaniny
względem innych składników.
Rozdzielenie jest uzyskiwane poprzez wykorzystanie metod fizycznych, jak również
reakcji chemicznych.
W poniższej tabeli zestawione są najbardziej znane metody rozdzielcze. Kryteriami,
które służą klasyfikacji metod rozdzielczych są:
- cel,
- rodzaj mieszaniny,
- fizyczne i chemiczne zjawiska wykorzystywane w rozdzieleniu.
CHROMATOGRAFIA
2
Tabela 1.
Gaz - ciecz Gaz – ciało stałe Ciecz - ciecz Ciecz – ciało stałe
Destylacja
Chromatografia gaz
– ciecz
Adsorpcja
Sublimacja
Sita molekularne
Ekstrakcja
Chromatografia w
układzie ciecz –
ciecz
Wykluczanie
Strącanie
Krystalizacja
Wymiana jonowa
Topnienie strefowe
Adsorpcja
Wykluczanie
Sita molekularne
Klatracja
W 1903 roku, w Warszawie chemik rosyjski Cwiet napełnił rurkę szklaną węglanem
wapnia (ciało stałe) i przepuścił przez nią, a właściwie przez złoże węglanu wapnia, benzy-
nowy wyciąg z liści zawierających rozpuszczony chlorofil. Cwiet zauważył, że chlorofil roz-
dzielił się na trzy pasma o różnym zabarwieniu. Przepuszczenie przez kolumnę dodatkowych
ilości benzyny spowodowało, że barwne pasma chlorofilu przesunęły się ku dołowi kolumny.
Przemywając kolumnę w dalszym ciągu benzyną, można było kolejno wymywać z kolumny
poszczególne pasma (frakcje) chlorofilu i zbierać je w oddzielnych naczyniach.
Opierając się na podanym opisie można stwierdzić, że układ chromatograficzny składa
się z następujących elementów:
– fazy nieruchomej (w tym przypadku węglanu wapnia),
– fazy ruchomej (benzyna),
– mieszaniny rozdzielanych substancji.
Wymienione elementy występują w każdym układzie chromatograficznym. Warun-
kiem, który musi być spełniony, aby nastąpił proces rozdzielenia substancji, jest ruch jednej
fazy względem drugiej fazy. W opisanym wyżej doświadczeniu wyciąg benzynowy lub ben-
zyna stanowiła fazę ruchomą poruszającą się względem fazy nieruchomej, którą stanowiło
wypełnienie kolumny, tj. węglan wapnia.
W wyniku przepuszczania mieszaniny przez kolumnę nastąpiło rozdzielenie składników
mieszaniny, a więc poszczególne frakcje chlorofilu wędrowały z różną prędkością.
Zastanówmy się z czego wynika to zróżnicowanie prędkości poruszania się poszczegól-
nych frakcji w czasie procesu chromatograficznego?
Bardzo często fazą nieruchomą w typowym układzie chromatograficznym jest żel krze-
mionkowy.
CHROMATOGRAFIA
3
Adsorbenty – struktura i właściwości
Do grupy adsorbentów zaliczamy ciała stałe, porowate, o silnie rozwiniętej powierzchni,
nierozpuszczalne w wodzie i rozpuszczalnikach organicznych. Najczęściej stosowanymi ad-
sorbentami są:
żel krzemionkowy – SiO2,
tlenek glinowy – Al2O3,
węgiel aktywny,
poliamid,
glinokrzemiany.
W praktyce adsorbenty stosuje się w postaci ziarnistej (kulki, ziarna, granule), przy czym
rozmiary ziaren są najczęściej w granicach od 0.1 do 2 mm.
Adsorbenty charakteryzują się bardzo różną porowatością, a pory (kapilary) mogą różnić
się zarówno rozmiarami, jak i kształtem. Na Rys. 1 przedstawiono w dużym powiększeniu
ziarno porowatego adsorbentu ( I ) i pory o różnym kształcie ( II ).
I II: a b c d
Rys. 1. I. Ziarno adsorbentu z widocznymi porami,
II. Różne kształty porów: a - stożkowy, b - cylindryczny, c - cylindryczny otwarty, d - butelkowy.
W wielu przypadkach najważniejszym kryterium pozwalającym na ocenę porowatości
adsorbentów jest nie kształt, ale średnica porów (kapilar). Przyjmuje się cylindryczny kształt
porów, których średnice mieszczą się w granicach od 2 do 200 nm (1 nm = 10-9
m, lub
1 nm = 0.000 001 mm). Porowaty charakter adsorbentów, których ziarna przypominają pu-
meks powoduje, że mają one bardzo silnie rozwiniętą powierzchnię. Miarą rozwinięcia po-
wierzchni jest powierzchnia właściwa adsorbentu odpowiadająca powierzchni (w m2), jaką
posiada 1 g adsorbentu. Powierzchnia właściwa w przypadku dobrych adsorbentów mieści się
w granicach od 100 do 1000 m2/g (dla porównania: powierzchnia dość dużego mieszkania
wynosi od 50 do 100 m2).
CHROMATOGRAFIA
4
Struktura powierzchni adsorbentów
Pomiędzy cząsteczkami znajdującymi się w każdym ze stanów skupienia działają siły
Van der Waalsa. Siły te ujawniają się dopiero wówczas, gdy cząsteczki znajdują się w odle-
głości kilku nanometrów od siebie. W głębi ciała stałego lub cieczy, siły te są zrównoważone,
ponieważ na cząsteczki działają takie same siły ze wszystkich stron; w przypadku warstwy
powierzchniowej, atomy leżące na powierzchni są silniej przyciągane przez wewnętrzne
warstwy adsorbentu niż przez atomy lub cząsteczki znajdujące się w fazie ciekłej lub gazo-
wej. Wypadkowe tych sił są skierowane prostopadle do płaszczyzny powierzchni granicznej:
ciało stałe – gaz lub ciało stałe – ciecz, natomiast równowaga tych sił zostaje częściowo
przywrócona dzięki adsorpcji cząsteczek na powierzchni ciała stałego.
Dużą rolę w procesie adsorpcji odgrywają centra adsorpcji na powierzchni adsorbentu.
Centrami adsorpcji są najczęściej grupy funkcyjne (np. —OH, =C=O, O2-
, itp.) występujące
na powierzchni adsorbentów. W przypadku żelu krzemionkowego powstają one w sposób na-
stępujący: żel krzemionkowy otrzymuje się w wyniku kondensacji kwasu ortokrzemowego:
OH OH OH OH
HO—Si—OH + HO—Si—OH HO—Si—O—Si—OH + H2O
OH OH OH OH
Podczas kondensacji, powierzchniowe grupy —OH nie wchodzą w reakcję i w ten spo-
sób cała powierzchnia żelu krzemionkowego pokryta jest grupami —OH chemicznie związa-
nymi z atomami krzemu. Należy podkreślić, że nie są to takie same grupy —OH, jak np. w
NaOH lub CH3OH. Wodór w grupie —OH żelu krzemionkowego jest sprotonizowany (pro-
tonizowanie atomu wodoru polega na przesunięciu elektronów od atomu wodoru w kierunku
atomu krzemu (patrz strzałka na Rys. 3) i z tego względu żel krzemionkowy nazywany jest
kwasem stałym.
H H
O e O e
Si Si
Rys. 3. Centra adsorpcji (grupy —OH) na powierzchni żelu krzemionkowego
oraz mechanizm protonizacji atomów wodoru.
O
adsorbent
CHROMATOGRAFIA
5
Centrami adsorpcji na powierzchni tlenku glinu są grupy —OH, jony O2-
lub Al3+
.
Obecność poszczególnych typów grup funkcyjnych na powierzchni zależy od sposobu przy-
gotowania adsorbentu (Al2O3).
Węgle aktywne należą do adsorbentów grafitowych. Elementarne kryształy węgli aktyw-
nych zbudowane są z nieregularnie ułożonych, sześcioczłonowych pierścieni zbudowanych z
atomów węgla, kształtem przypominających cząsteczkę benzenu. Bardzo często na po-
wierzchni węgla aktywnego, w wyniku oddziaływania z tlenem występują także grupy
=C=O.
Oddziaływania adsorbent – adsorbat
Jak już wspomniano, w wyniku adsorpcji na powierzchni adsorbentu następuje zagęsz-
czenie substancji adsorbowanej, tzn. adsorbatu. Zagęszczenie to jest wynikiem silnego od-
działywania między centrami adsorpcji występującymi na powierzchni adsorbentu, a czą-
steczkami adsorbatu znajdującymi się w fazie gazowej lub ciekłej. Oddziaływania te są od-
działywaniami Van der Waalsa i energetycznie są znacznie słabsze, niż wiązania chemiczne.
Energia oddziaływania adsorbent – adsorbat zależy zarówno od charakteru powierzchni
adsorbentu, jak i budowy strukturalnej cząsteczek adsorbatu, np. energia adsorpcji nie polar-
nej cząsteczki heksanu na powierzchni żelu krzemionkowego jest znacznie niższa niż energia
adsorpcji polarnego acetonu lub silnie polarnej wody.
a. CH3(CH2)4CH3 b. H H
••
O O
Rys. 4. Przykłady adsorpcji: heksanu (a) i wody (b) na powierzchni żelu krzemionkowego.
Kropki między sprotonizowanym atomem wodoru powierzchniowej grupy —OH
(centrum adsorpcji) a tlenem cząsteczki wody oznaczają wiązanie wodorowe.
Wynika to z faktu, że między grupami hydroksylowymi żelu krzemionkowego a atomem
tlenu w cząsteczce acetonu lub wody, występują silne oddziaływania wiązania wodorowego,
H H
EN
ER
GIA
A
DS
OR
PC
JI
EN
ER
GIA
A
DS
OR
PC
JI
Si Si
O
CHROMATOGRAFIA
6
natomiast między cząsteczkami heksanu i centrami adsorpcji na powierzchni żelu krzemion-
kowego występują znacznie słabsze (o mniejszej energii) oddziaływania dyspersyjne.
Adsorpcja heksanu, acetonu lub wody na żelu krzemionkowym jest przykładem adsorpcji
fizycznej. W tym przypadku między adsorbentem a adsorbatem występują oddziaływania
Van der Waalsa (tzn. oddziaływania indukcyjne, orientacyjne, dyspersyjne) i wiązania wodo-
rowe. Zdarza się również czasami, że pomiędzy adsorbentem a adsorbatem występują silne
oddziaływania prowadzące do utworzenia wiązania chemicznego między adsorbentem a czą-
steczką adsorbatu. Taki proces nazywa się adsorpcją chemiczną lub chemisorpcją.
Oddziaływnia zachodzące podczas procesu chromatografii
Załóżmy, że na płytkę szklaną nałożyliśmy cienką, 0.25 mm, warstwę żelu krzemionkowego
(chromatografia cienkowarstwowa) i rozdzielamy mieszaninę składającą się z benzenu i ami-
nobenzenu, stosując jako fazę ruchomą – aceton (Rys. 1).
Zadania: 1. Zapoznanie się z techniką chromatografii cienkowarstwowej (TLC).
2. Wyznaczenie wartości RF kilku barwników w różnych układach
chromatograficznych
3. Porównanie siły elucyjnej rozpuszczalników czystych i mieszanych.
4. Obliczenie współczynników selektywności (szczegóły w podręczniku „Chemia
Analityczna”, tom 2 pod redakcją Ryszarda Kocjana).
Wzory pomocnicze: RF =ab (1), k
F
F
R
R1
(2)
α = 1
2
k
k ≥ 1 przy czym k2 > k1
Wykonanie ćwiczenia:
Do doświadczeń są wykorzystywane gotowe płytki szklane o wymiarach 5 x 10 cm po-
kryte warstwą adsorbentu o grubości 0.2 mm (żel krzemionkowy z dodatkiem spoiwa zwięk-
szającego trwałość warstwy).
I. Rozwijanie chromatogramów czystymi rozpuszczalnikami.
1. Na płytki chromatograficzne należy nanieść kapilarami roztwory substancji:
1: 2-nitroanilina
2: 1-aminoantrachinon,
3: zieleń tłuszczowa
4: czerwień olejowa
5. mieszanina X
6. mieszanina Y
7. mieszanina Z
Miejsce naniesienia (linia startowa) roztworów badanych substancji na warstwę adsorbentu
znajduje się w odległości 1 cm od dolnego brzegu płytki, jak na poniższym rysunku (1).
CHROMATOGRAFIA
18
Meta Meta
b
a
Start Start 1 cm 1 2 MX MZ 3 4 (I) Przykład płytki chromatograficznej (II) Sposób wyliczenia wartości RF
z naniesionymi próbkami na linię startu
2. Płytki z naniesionymi substancjami należy wstawić do poziomych komór typu DS zawiera-
jących czyste rozpuszczalniki (heksan, toluen, aceton). 3. Kiedy front fazy ruchomej osiągnie linię mety, należy przerwać rozwijanie chromatogramu, wyjąć
płytki i osuszyć je pod dygestorium. Następnie pomierzyć dystanse przebyte przez rozpuszczalnik i
plamki poszczególnych substancji, jak pokazano przykładowo na Rys. II.
4. Odległości przebyte przez barwne plamki substancji należy mierzyć linijką od miejsca nakroplenia
substancji (linia startu) do środka plamki.
5. Przy pomiarze odległości przebytej przez substancje nie zaznaczać ołówkiem lub tym bardziej np.
długopisem konturów plamki na chromatogramie - płytki bowiem są używane wielokrotnie.
6. Uzyskane wyniki wpisać do Tabeli 1:
Wartości RF wylicza się ze wzoru:
RF =ab=
dystans przebyty przez substancję w cmdystans przebyty przez fazę ruc homą w cm
Tabela 1. Wartości RF barwników rozwijanych czystymi rozpuszczalnikami.
Chromatografowane
substancje
Wartości RF
heksan toluen aceton
zieleń tłuszczowa
czerwień olejowa
2-nitroanilina 1-aminoantrachinon
Mieszanina:X
Składnik 1
Składnik 2 Składnik 3
Mieszanina:Y
Składnik 1
Składnik 2
Składnik 3
CHROMATOGRAFIA
19
II. Obliczanie współczynnika selektywności, α, dla toluenu.
Tabela 2.
Para substancji RF k α Wnioski
Zieleń tłuszczowa
Czerwień olejowa
Zieleń tłuszczowa
2-nitroanilina
Zieleń tłuszczowa
1-aminoantrachinon
Czerwień olejowa
2-nitroanilina
Czerwień olejowa
1-aminoantrachinon
2-nitroanilina
1-aminoantrachinon
III. Rozwijanie chromatogramów rozpuszczalnikami mieszanymi.
1. Do drugiej serii doświadczeń jako fazę ruchomą należy wykorzystać roztwory o składzie:
10, 20, 30, 40, 60% acetonu w heksanie. Po naniesieniu chromatografowanych substancji,
płytki umieścić w komorach i po upływie 15 minut, kiedy warstwa adsorbentu zostanie nasy-
cona parami rozpuszczalnika (w celu ograniczenia zjawiska zwanego demiksją) rozwinąć
chromatogramy.
2. Dalej postępować, jak w poprzednim doświadczeniu.
3. Otrzymane wyniki wpisać do Tabeli 3.
Tabela 3. Wartości RF barwników rozwijanych rozpuszczalnikami mieszanymi.
Chromatografo-
wane
substancje
% v/v acetonu w heksanie
10 20 30 40 60
zieleń tłuszczowa
czerwień olejowa
2-nitroanilina
1-aminoantrachinon
Mieszanina: X
Składnik 1
Składnik 2
Składnik 3
Mieszanina: Y
Składnik 1
CHROMATOGRAFIA
20
Składnik 2
Składnik 3
IV. Obliczanie współczynnika selektywności, α, dla dwóch wybranych faz mieszanych.
Tabela 4. Zestawienie dla 10% v/v acetonu w heksanie.
Para substancji RF k α Wnioski
Zieleń tłuszczowa
Czerwień olejowa
Zieleń tłuszczowa
2-nitroanilina
Zieleń tłuszczowa
1-aminoantrachinon
Czerwień olejowa
2-nitroanilina
Czerwień olejowa
1-aminoantrachinon
2-nitroanilina
1-aminoantrachinon
Tabela 5. Zestawienie dla 40% v/v acetonu w heksanie.
Para substancji RF k α Wnioski
Zieleń tłuszczowa
Czerwień olejowa
Zieleń tłuszczowa
2-nitroanilina
Zieleń tłuszczowa
1-aminoantrachinon
Czerwień olejowa
2-nitroanilina
Czerwień olejowa
1-aminoantrachinon
2-nitroanilina
1-aminoantrachinon
CHROMATOGRAFIA
21
2. CHROMATOGRAFIA
CHROMATOGRAFIA CIENKOWARSTWOWA (TLC)
BARWNIKÓW (schemat formularza do opracowania wyników ćwiczenia)
Data wykonania ćwiczenia:
Imię i nazwisko studenta: GS:
Imię i nazwisko opiekuna:
Zadania do wykonania:
Stosowane wzory.
Tabela 1.
Tabela 2.
Tabela 3.
Tabela 4.
Tabela 5.
Wykres 1. Zależności współczynnika RF od składu fazy ruchomej (% v/v acetonu w heksa-
nie).
Obliczenia (przykłady stosowanych obliczeń).
Omówienie wyników i wnioski:
w oparciu o dokonane obliczenia i wykres:
- wymienić, które substancje znajdują się w badanej mieszaninie (porównać wartości
RF uzyskane dla wzorców i poszczególnych składników mieszaniny otrzymane w
układzie z toluenem jako fazą ruchomą),
- podać, które substancja adsorbuje się najmocniej, a która najsłabiej,
- uszeregować rozpuszczalniki wg wzrastającej siły elucyjnej - wybrać układ chromatogra-
ficzny charakteryzujący się najlepszym rozdzieleniem badanych substancji – wykorzystać ob-