Хроматография

Хроматография

Примеры решения типовых задач

Пример 1. Определить массовую долю (%) компонентов газовой смеси по следующим данным:

Компонент смеси	пропан	бутан	пентан	циклогексан
S, мм2	175	203	182	35
k	0,68	0,68	0,69	0,85

Решение. Расчеты проводим по методу внутренней нормализации, согласно которому:

где щi  - массовая доля i-го компонента в смеси, %; Si – площадь пика i-го компонента; ki – поправочный коэффициент, определяемый чувствительностью детектора хроматографа к  i – му компоненту.

1. Найдем приведенную суммарную площадь пиков:

  n

  У Si· ki = 175 · 0,68 + 203 · 0,68 + 182 · 0,69 + 35 · 0,85 = 412,4

  I

2. Отсюда массовая доля (%)пропана  равна:

щ (пропана) = (175 · 0,68  /  412,4) · 100 = 28,6 %

Аналогично находим массовые доли щ (%) остальных компонентов смеси: щ (бутана) = 33,46 %; щ (пентана) = 30,46 %; щ (циклогексана) = 7,22 %.

Примечание. При выполнении анализа по методу внутреннего стандарта расчет проводят по формуле:

 

где SA – площадь пика вещества, введенного в качестве внутреннего стандарта; kA  - поправочный коэффициент внутреннего стандарта; m – масса анализируемой пробы; mA - масса внутреннего стандарта

Пример 2. Ширина основания хроматографического пика (µ) метанола составляет 16 мм. Расстояние на хроматограмме от момента введения пробы до середины пика метанола (l) составляет 8 см. Вычислить число теоретических тарелок данной колонки.

Решение. Число теоретических тарелок вычисляем по формуле:

 

где l – расстояние удерживания вещества в единицах длины диаграммной ленты (соответствует времени удерживания); µ - ширина основания хроматографического пика.

Подставляем числовые значения и получаем:  n = 16 (80/16)2 = 400.

Пример 3. Через колонку, содержащую 5,0г катионита, пропустили 250,0 мл 0,050М раствора ZnSO4. Вытекающий из колонки раствор собирали порциями по 50,0 мл, в каждой порции определяли содержание ионов цинка и получили следующие значения концентрации (моль/л): 1 – 0,008; 2 – 0,029; 3 – 0,038; 4 – 0,050; 5 – 0,050.

Определить полную динамическую емкость (ммоль/г) катионита.

Решение.

1. Вычисляем количество эквивалента Zn2+, поглощенное катионитом из каждой порции раствора, принимая молярную массу эквивалента равной М(1/2 Zn2+):

(0,050 – 0,0080) ·2 · 50 · 1000

------------------------------------- = 4,20 ммоль (1/2 Zn2+);

  1000

(0,050 – 0,029) ·2 · 50 · 1000

------------------------------------- = 2,10 ммоль (1/2 Zn2+);

  1000

(0,050 – 0,038) ·2 · 50 · 1000

------------------------------------- = 1,20 ммоль (1/2 Zn2+);

  1000

0 ммоль (1/2 Zn2+);

0 ммоль (1/2 Zn2+).

Всего в пяти порциях раствора поглощено: 4,20 + 2,10 + 1,20 = 7,50 ммоль (1/2 Zn2+)

Отсюда динамическая емкость катионита для ионов цинка равна:

К = 7.50/5 = 1,50 ммоль (1/2 Zn2+).

Задачи для самостоятельного решения

Задача 1. Рассчитать массовую долю в % компонентов газовой смеси по следующим данным, полученным методом газовой хроматографии:

Вариант	Газ	S, мм2	k
1	этанол	3524	0,64
метанол	13	0,58
2	метан	207	1,23
этан	4	1,15
3	динитробензол	305	1,22
нитробензол	12	1,07

Ответ:  вариант 1 – 99,67 % и 0,33 %; вариант 2 – 98,26 % и 1,74 %; вариант 3 – 96,52 %  и 3,48 %.

Задача 2. Ширина основания хроматографического пика этанола составляет 20 мм. Число теоретических тарелок для этанола на данной колонке равно 2000. Скорость движения диаграммной ленты самописца 1200 мм/ч. Вычислить время удерживания этанола.

Ответ: 11 мин

Задача 3. Ширина основания хроматографического пика азота составляет 12 мм. Расстояние на хроматограмме от момента введения пробы до середины пика азота составляет 14 см. Вычислить число теоретических тарелок в данной колонке.

Ответ: 2780

Задача 4. При определении этилового спирта методом газовой хроматографии измерили высоту пиков в зависимости от массы спирта и получили следующие данные:

m, мг	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
h, мм	18	37	48	66	83

Для 0.02 г исследуемого раствора получен пик высотой 57 мм. Вычислить массовую долю (%) этилового спирта.

Ответ: 3,58 %

Задача 5. Рассчитать массовую долю (%) компонентов газовой смеси по следующим данным, полученным методом газовой хроматографии:

Вариант 1

Газ	S, мм2	k
Бензол	20,6	0,78
Толуол	22,9	0,79
Этилбензол	30,5	0,82
кумол	16,7	0,84

Вариант 2

Газ	S, мм2	k
o-ксилол	16,7	0,84
m-ксилол	20,3	0,81
n-ксилол	8,5	0,81
этилбензол	30,4	0,82

Ответ: вариант 1-21,95%; 24,72%; 34,17%; 19,16%; вариант 2 – 22,52%; 26,40%; 11,05%; 40,03%.

Задача 6. Реакционную массу  после нитрования толуола проанализировали методом газожидкостной хроматографии с применением этилбензола в качестве внутреннего стандарта.

Определить массовую долю (%) непрореагировавшего толуола по следующим экспериментальным данным:

Вариант	Взято	Sтолуола, мм2	k	Sэтилбензола, мм2	k
mтолуола, г	Mэтилбензола, г
1	12,75	1,25	307	1,01	352	1,02
2	15,26	1,09	108	0,79	158	0,82
3	25,16	1,28	80	0,79	109	0,82

Ответ: 1) 8.47 %; 2) 4,70 %; 3) 3,60 %

Задача 7. Через колонку, заполненную катионитом массой 10 г, пропустили 250,0 мл. Выходящие из колонки порции раствора по 50,0 мл титровали 0,1 н. раствором тиосульфата натрия Na2S2O3 (fэкв = 1) и получили следующие результаты:

Порция раствора	1	2	3	4	5
Расход тиосульфата на титрование, мл	0	12,00	25,00	39,20	39,20

Вычислить динамическую емкость (ммоль/г) катионита по меди. если молярная масса эквивалента составляет М(1/2 Cu2+).

Ответ: 1,69(1/2 Cu2+) г.

Лабораторная работа

Тема: Бумажная радиальная хроматография. Разделение и обнаружение катионов в воде методом бумажной радиальной хроматографии.

Хроматография – метод разделения смеси веществ на отдельные компоненты.

1903 г - русский ботаник показал, что хлорофилл состоит из нескольких веществ «хроматос» -  с греч. языка цвет за работы, выполненные с применением хроматографических методов, присуждено 14 Нобелевских премий

Бумажной хроматографией (БУ) называют вид хроматографии, основанный на различии в скорости перемещения компонентов анализируемой смеси по бумаге в потоке растворителя (элюента). В результате анализа получают хроматограмму. Хроматограмма - это картина расположения хроматографических зон на бумаге после завершения разделения. В БХ используют  специальную хроматографическую бумагу, которая должна быть максимально однородной и содержать только целлюлозные волокна.

Радиальная хроматография – разновидность бумажной хроматографии. Особенностью ее является горизонтальное продвижение фронта растворителя. Растворитель подводится к центру бумажного диска, куда нанесена капля анализируемого раствора. В зависимости от способа подведения растворителя различают хроматограммы с «хвостиком» и с «фитильком». Скорость продвижения вещества по бумаге можно охарактеризовать величиной Rf, которая в данном случае определяется как отношение расстояний, пройденных веществом и растворителем от центра бумажного диска по радиусу.

Хроматограмма выглядит следующим образом:

Преимущества радиальной хроматографии:

Можно обнаружить группу ионов на одной хроматограмме; Для обнаружения каждого иона можно использовать несколько реагентов; Не обязательно знать значение Rf.

Цель работы: Используя метод бумажной радиальной хроматографии провести разделение и качественное определение состава смеси катионов тяжелых металлов : Pb2+, Ni2+ , Cu2+, Cd2+, Со2+ в воде.

Оборудование:

Разделительная камера из двух оснований чашек Петри, 6 шт (1 контрольная проба + 5 индивидуальных катионов) Бумажный диск, 6 шт Капилляр для нанесения пробы Промывалка Электроплитка Пипетки для реактивов-проявителей, 8 шт

Реактивы:

Соляная кислота, HCl, 2M раствор Ацетон Водные растворы солей индивидуальных катионов Реагенты для обнаружения катионов Анализируемая вода, содержащая смесь катионов

Выполнение работы:

Предварительная подготовка.

       Радиальную хроматограмму получают в камере, состоящей из двух оснований        чашек Петри равного диаметра, между которыми помещают бумажный диск        несколько большего диаметра (6,5см или 5,5см в зависимости от размера камеры).        В нижнюю часть камеры наливают смесь (7:1) ацетона и 2М HCl.

При хроматографировании с «хвостиком» вырезают по радиусу бумажного диска  полоску шириной 2-3мм, отрезают от неё примерно 1см, загибают ее перпендикулярно диску.

Нанесение образца на бумажный диск.

В центр бумажного диска с «хвостиком» наносят каплю раствора 1, содержащего катион Ni2+ и подсушивают получившееся пятно. Если концентрация ионов в растворе мала, наносят на высушенное пятно еще одну каплю анализируемого раствора и снова пробу подсушивают.

В центр следующего диска с «хвостиком» наносят каплю раствора 2, содержащего катион Cu2+ и подсушивают получившееся пятно.

Аналогичным образом в центр каждого из следующих дисков наносят растворы солей 3,4,5, содержащие,  соответственно, катионы Pb2+, Cd2+, Со2+ и подсушивают пятна.

На последний диск в центр наносят каплю контрольного раствора, выданного преподавателем.

Получение хроматограммы.

Помещают каждый диск в свою камеру, опустив «хвостик»  в растворитель. Время хроматографирования при подведении растворителя через «хвостик» около двух  часов. Отмечают фронт растворителя и высушивают бумажный диск. Разделяемые ионы  располагаются вокруг центра диска кольцами разного диаметра.

Обнаружение катионов.

При проявлении хроматограмм каждого из индивидуальных катионов проводят капилляром с соответствующим реагентом из центра диска по радиусу. Таблица реагентов-проявителей приведена ниже. Если для обнаружения катиона существует несколько реагентов-проявителей, то хроматограмму разрезают на несколько секторов и каждый сектор обрабатывают своим реагентом.

При анализе контрольной смеси полученный диск нужно разрезать на сектора и обработать каждый сектор только одним реагентом – проявителем для выявления наличия в смеси какого-либо индивидуального катиона.

  Таблица

Реагенты для обнаружения катионов на хроматограмме

Катион	Реагент	Цвет зоны
Pb2+	Иодид калия Хромат калия	Желтый желтый
Co2+	Роданид калия или роданид аммония	синий
Cd2+	Роданид калия или роданид аммония Сульфид натрия	Розово-оранжевый желтый
Cu2+	Рубеановая кислота Гексацианоферрат(II) калия	Черный Темно-вишневый (бордо)
Ni2+	Диметилглиоксим, аммиачный раствор	розовый

Сделать вывод о наличии в  анализируемой воде катионов тяжелых металлов.

Протокол лабораторной работы оформить в виде таблицы:

Обнаруженный катион	Реагент, с помощью которого обнаружили катион	Цвет хроматографической зоны

Указать время хроматографирования.  Хроматограмму наклеить в отчет.

Вопросы для самопроверки по теме «Хроматография»

В чем сущность методов хроматографии? В чем сущность хроматографического разделения по методу: а) газоадсорбционной хроматографии; б) газожидкостной хроматографии; в) распределительной жидкостной хроматографии; г) осадочной хроматографии; д) тонкослойной хроматографии; е) ионообменной хроматографии? Каковы области применения, достоинства и недостатки методов адсорбционной хроматографии? Какие требования предъявляются к адсорбентам и растворителям (элюентам)? Назовите наиболее распространенные растворители и адсорбенты в жидкостной хроматографии. Каковы области применения, достоинства и недостатки методов газовой хроматографии? Какие устройства используют в качестве дозаторов? Каков принцип работы дифференциальных детекторов: а) катарометра; б) термохимического; в) ионизационного (или пламенно-ионизационного); г) селективного (термоионного)? Какие требования предъявляются к жидкой фазе в газо-жидкостной хроматографии? Какие вещества используют в качестве жидкой фазы, в качестве твердого носителя? Какие хроматографические колонки применяют для анализа? Дать определения следующих понятий: а) высота хроматографического пика; б) ширина хроматографического пика; в) приведенный удерживаемый объем; г) общий удерживаемый объем. Что такое коэффициент селективности работы колонки? Каково условие количественного разделения двух компонентов смеси? В чем сущность качественного хроматографического анализа по величине удерживаемого объема? В чем сущность методов количественного анализа: а) абсолютной калибровки; б) внутренней нормализации; в) внутреннего стандарта? В чем сущность ионообменной хроматографии? Коэффициенты распределения ионов на катионите КУ-2 из 5М СН3СООН составляют: Zn2+ - 3,3; Co2+ - 4,5;  Fe3+  - 3,0; In3+ - 3,0; Ga3+ - 3,3; Pb2+ - 5,0; Bi3+ - 2,0. Какие из ионов могут быть выделены в отдельные фракции в результате пропускания через катионит следующих смесей: а) Bi3+ , Fe3+  , Pb2+ ; б) Zn2+ , Ga3+, Co2+;  в) Fe3+ , In3+ , Pb2+ ? В чем сущность распределительной хроматографии на бумаге?  Дать определение Rf. Значения Rf при хроматографическом разделении ионов на бумаге в среде бутанола, насыщенного 2 М НСl, составляют: Cd2+ – 0,6 ;  Zn2+ – 0,6; Bi3+ – 0,5; Al3+ – 0,1 ; Co2+ - 0,1; Сa2+ – 0,0. Какие из ионов не могут быть четко идентифицированы из смеси: а) Zn2+, Al3+, Co2+; б) Cd2+,  Zn2+, Co3+; в) Bi3+. Al3+,  Сa2+? Каковы области применения. достоинства и недостатки: а) тонкослойной хроматографии; б) осадочной хроматографии; в) ионообменной хроматографии?