краевое государственное автономное профессиональное образовательное учреждение «Красноярский техникум сварочных технологий и энергетики» КУРС ЛЕКЦИЙ «ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА» Для специальности 18.02.12 Технология аналитического контроля химических соединений Разработчик: Семенюк Елена Юрьевна преподаватель высшей квалификационной категории Красноярск, 2023 Введение В курсе лекций изложены основы теории современных физикохимических методов, применяемых в системе сертификации продукции, контроле технологических процессов, а также в научных исследованиях. Рассмотрены наиболее сложные вопросы курса «Основы аналитической химии и физико-химических методов анализа», вызывающие традиционно трудности при усвоении их обучающимися. Изложен теоретических материал по следующим темам: «Спектроскопические методы анализа», «Рефрактометрия и поляриметрия» и «Хроматографические методы анализа». Рекомендуется для студентов учреждений среднего специального профессионального образования по специальности 18.02.12. Технология аналитического контроля качества химических соединений. Тема 2.3 Спектроскопические методы анализа Лекция I. Сущность спектроскопических методов анализа. Спектры испускания, поглощения. Природа света. Происхождение спектров. Спектроскопия – метод, основанный на взаимодействии излучения с веществом. Это взаимодействие сопровождается явлениями, из которых наиболее важными являются: испускание поглощение рассеяние Возникающие при этом сигналы несут в себе качественную и количественную информацию о веществе: Частота сигнала отражает природу вещества. Интенсивность сигнала связана с количеством анализируемого соединения. В зависимости от характера взаимодействия пробы с электромагнитным излучением выделяют две группы методов - эмиссионные и абсорбционные. В зависимости от того, какие частицы формируют аналитический сигнал, различают методы атомной спектроскопии и методы молекулярной спектроскопии. Классификация спектроскопических методов представлена на рис.1. Рисунок 1. Классификация спектроскопических методов анализа 2. Природа света В современной физике принято считать, что свет имеет двойственную природу: одновременно его можно представить как частицу, и как волну, электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение представляет собой вид энергии, распространяющейся в вакууме со скоростью около 300 000 км/с, которая может выступать в форме ультрафиолетового, видимого, инфракрасного излучения, рентгеновских лучей. Вид светового спектра представлен на рисунке 2. Рисунок 2. Вид электромагнитного спектра В химическом анализе используется оптический диапазон электромагнитного спектра. Он состоит из трех областей: ультрафиолетовой (УФ) – 200–400 нм; видимой – 400–800 нм; инфракрасной (ИК) – 800–40 000 нм. Иногда методы анализа, основанные электромагнитным излучением оптического диапазона длин волн, называют оптическими. Внутри каждой области иногда выделяют еще более узкие участки, имеющие собственные названия. Так, в ИК-спектрах выделяют особую «область отпечатков информативностью этой пальцев». области Название для связано опознания с высокой индивидуальных органических веществ. В видимой области отдельные участки характеризуют цветом излучения. В XХ веке в анализе стали применять рентгеновские лучи и другие виды излучений, не входящие в оптический диапазон. Для соответствующих методов анализа нужны сложные и дорогие приборы, которые пока что есть лишь в немногих лабораториях. 3. Спектры излучения и поглощения Как правило, анализируемая проба излучает и поглощает полихроматический свет, включающий кванты разной энергии и разной длины волны. Однако для аналитика предпочтительнее измерять испускание или поглощение света, в котором все кванты примерно одинаковы по энергии, соответствуют одной длине волны. Чтобы выделить ее из полихроматического излучения, нужно особое устройство монохроматор. На рис.3. показана схема спектрального прибора с призменным монохроматором. Рисунок 3. Схема спектрометра с призменным монохроматором 1 – источник света, 2 – фокусирующая оптика, 3 – входная щель, 4 – призма, 5 – выходная щель, 6 – приемник (фотоэлемент), 7 – регистрирующее устройство (микроамперметр и т.п.). Спектральные приборы, снабженные монохроматорами, называют спектрометрами, спектрографами или стилоскопами, в зависимости от используемого в них приемника излучения, то есть от того, какой способ регистрации спектра (фотоэлектрический, фотографический или визуальный) применяется в этих приборах. С помощью таких приборов можно зарегистрировать спектр излучения или спектр поглощения исследуемой пробы. Спектры поглощения и излучения одного и того же вещества в некоторой области длин волн очень похожи. Чтобы понять, почему это так, надо вспомнить, что атом может находиться только в определенных состояниях, которым отвечают дискретные энергетические уровни. Переходя под воздействием внешнего излучения в более возбужденное состояние, атом должен приобрести дополнительную энергию DЕ за счет поглощения кванта. Поэтому в спектре поглощения пробы на длине волны l, соответствующей DЕ, появится линия (пик). В атомах данного элемента возможны и другие энергетические переходы (с другими значениями DЕ). Все они реализуются одновременно, приводя к другим линиям в спектре поглощения данного элемента. Теперь рассмотрим атомы, которые уже переведены в возбужденное состояние, например, под действием высокой температуры. Через короткое время (10-7 – 10-8 сек) после возбуждения они самопроизвольно возвращаются в основное состояние, излучая кванты. Энергии этих квантов равны разностям энергий соответствует соответствующих некоторая длина состояний. волны, Каждому некоторая линия переходу в спектре испускания. Поскольку поглощение и испускание света определяются одними и теми же энергетическими переходами, в спектрах поглощения и излучения данного элемента наблюдаются одни и те же линии. На рисунке 5 сопоставлены определенные участки спектров излучения и поглощения одного и того же элемента, зарегистрированные в одинаковых условиях. Они очень похожи, поскольку определяются однотипными энергетическими переходами в атомах данного элемента. Рисунок 4. Атомные спектры поглощения (внизу) и излучения (вверху) Атомные спектры поглощения и излучения, наблюдаемые во всем оптическом диапазоне, определяются переходами электронов, относящихся к наружным слоям («валентные электроны»). Таким образом, атомные спектры по своей природе являются электронными, а по внешнему виду - линейчатыми. Положение спектральных линий в шкале длин волн и их относительную интенсивность используют как идентификационные признаки в качественном элементном анализе. Молекулярные спектры излучения или поглощения обычно не являются линейчатыми. Вид молекулярных спектров в разных диапазонах длин волн различен, поскольку различно происхождение соответствующих спектров. Спектры поглощения молекул в видимой или УФ-области являются широкополосными. Они дают сравнительно мало информации для выяснения состава и структуры поглощающих молекул. Это мешает проведению качественного анализа по спектрам в УФ- или видимой области. Изучение молекулярных спектров количественного химического анализа. – это Заметим, важнейший что способ количественное определение какого-либо вещества по известной методике вовсе не требует регистрации полного спектра излучения (или поглощения) пробы. Достаточно было бы измерить аналитический сигнал на заранее выбранной длине волны. Спектры нужны для решения гораздо более сложных задач. А именно: По спектру индивидуального вещества выбирают ту длину волны, на которой в дальнейшем, в ходе количественного анализа, будут измерять аналитический сигнал этого вещества (I или А). Если для определения какого-либо элемента в атомно-эмиссионном спектральном анализе используют наиболее интенсивные линии эталонного спектра, то в молекулярно-абсорбционном (спектрофотометрическом) анализе аналитический сигнал обычно измеряют на длине волны, соответствующей максимуму на спектральной кривой. Сопоставляя спектры предполагаемых компонентов пробы, выясняют возможность определения одних веществ в присутствии других. Если спектры компонентов пробы накладываются друг на друга, результаты анализа смеси будут завышенными. Для снижения систематических погрешностей, связанных с наложением спектров, созданы особые приемы измерений и расчета результатов. Другие выходы из положения маскирование или предварительное отделение мешающих компонентов. Вопросы для самоконтроля 1. Перечислите явления, возникающие при взаимодействии света с веществом. 2. Какие явления лежат в основе классификации спектроскопических методов? 3. Какие области спектра вы можете назвать? 4. Как различить спектры поглощения от спектров излучения? 5. Чем отличаются атомные спектры от молекулярных? 6. Из каких блоков состоит спектрометр? 7. Какие аналитические сигналы в спектроскопии позволяют получить информацию об анализируемом веществе? 8. Почему спектры поглощения и излучения одного и того же вещества похожи? 9. В чем отличия спектрометров, спектрографов и стилоскопов? 10. Объясните, почему в ИК-спектре выделяют так называемую «область отпечатков пальцев». Лекция II. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Оптическая плотность. Пропускание. Молярный коэффициент поглощения Если пропустить световой поток интенсивностью Iо (падающий или начальный световой поток) через стеклянный сосуд, заполненный окрашенным раствором (рис. 1), происходит ослабление его интенсивности. Рисунок 1. Прохождение светового потока через раствор. Потеря интенсивности светового потока обусловлена отражением на границе воздух – стекло и стекло – раствор (Iотр ), рассеянием света взвешенными в растворе частицами ( Iр ) и поглощением (абсорбцией) света частицами окрашенного вещества (Iа). Следовательно, для оценки прохождения светового потока через раствор справедливо уравнение: Iо = Iотр + Iр + Iа + I Для оценки интенсивности поглощенного света (Iа) измерения проводят в одной и той же кювете относительно холостого раствора сравнения, в результате чего интенсивность света отраженного (Iотр) остается постоянной и ее можно не учитывать. Кроме того, фотометрическим методом анализируют истинные растворы, не рассеивающие свет, т. е . Iр можно принять за нуль. Таким образом, Iо = Iа + I . Интенсивность света падающего (Iо) зависит от источника света. Интенсивность света поглощенного (Iа) и, следовательно, интенсивность света выходящего зависит от концентрации окрашенного вещества в растворе. Современные методы не позволяют непосредственно измерить Iа, поэтому оценить интенсивность окраски раствора, а значит, и концентрацию окрашенного вещества можно, измеряя интенсивность света выходящего. В основе фотометрических методов анализа лежат два основных закона поглощения. Первый из них, - закон Бугера-Ламберта гласит: «Относительное количество поглощенного пропускающей средой излучения не зависит от интенсивности падающего излучения. Каждый слой равной толщины поглощает равную долю падающего монохроматического излучения». Математически эта зависимость выражается следующим уравнением: I = Iо·10–kl, где l – толщина поглощающего слоя; k – коэффициент поглощения световой энергии, зависящий от природы вещества, температуры и длины волны падающего света. Таким образом, закон Бугера-Ламберта дает зависимость между количеством поглощенной световой энергии и толщиной поглощающего слоя вещества. Второй закон поглощения – закон Бера – формулируется следующим образом: «Поглощение потока электромагнитного излучения прямо пропорционально числу частиц поглощающего вещества, через которое проходит поток этого излучения». Таким образом, закон Бера фактически выражает зависимость коэффициента поглощения от концентрации поглощающего вещества в однородном растворе: k = ε×С, где ε – коэффициент пропорциональности, называемый молярным коэффициентом поглощения или коэффициентом экстинкции; С – концентрация исследуемого вещества. Объединив оба закона, получили уравнение основного закона светопоглощения – объединенного закона Бугера-Ламберта-Бера: I = Iо × 10–εCl или в логарифмической форме lg Величину lg 𝐼𝑜 𝐼 𝐼𝑜 𝐼 = ε×C×l. называют оптической плотностью поглощающего вещества и обозначают буквой А: A = ε×C×l Последнее уравнение называют основным уравнением фотометрического анализа. Согласно данному уравнению, оптическая плотность раствора прямо пропорциональна концентрации вещества в растворе и толщине поглощающего слоя. Отношение интенсивности потока монохроматического излучения, прошедшего через исследуемый раствор, к интенсивности первоначального потока излучения называется прозрачностью, или пропусканием раствора, и обозначается буквой Т: 𝐼 Т = = 10–εCl 𝐼0 Пропускание часто выражают в процентах. Величина коэффициента погашения ε зависит от способа выражения концентрации вещества в растворе и толщины поглощающего слоя. Если концентрация выражена в моль/л, а толщина слоя в см, то ε называется молярным коэффициентом. При С = 1 моль/л и l = 1 см, ε = А, т. е. молярный коэффициент поглощения представляет собой оптическую плотность раствора с концентрацией 1 моль/л, помещенного в кювету с толщиной слоя 1 см. Молярный коэффициент поглощения является основной характеристикой поглощения системы при данной длине волны. Поскольку поглощение при разных длинах волн будет различно, то ε меняется с изменением длины волны. Значение ε для каждого вещества можно рассчитать из экспериментальных данных. Важным дополнением к закону Бугера – Ламберта – Бера является закон аддитивности. «При данной длине волны оптическая плотность смеси компонентов, не взаимодействующих между собой, равна сумме оптических плотностей отдельных компонентов при той же длине волны». Закон аддитивности используют для анализа многокомпонентных систем. Вопросы для самоконтроля 1. Объясните, почему при прохождении через раствор, интенсивность света падает. 2. Сформулируйте первый закон Бугера-Ламберта. 3. Сформулируйте закон Бера. 4. Сформулируйте объединенный закон Бугера-Ламберта-Бера. 5. В каких единицах измеряется оптическая плотность? 6. Дайте определение понятию «пропускание света». В каких единицах выражается эта величина? 7. Дайте определению понятию «молярный коэффициент поглощения» 8. Какая зависимость позволяет использовать анализ окрашенных растворов для определения концентрации исследуемого вещества? 9. По какой формуле рассчитывается прозрачность раствора? 10. Почему при измерениях интенсивности проходящего через раствор света, интенсивностью отраженного света можно пренебречь? Лекция III. Атомная спектроскопия. Классификация основных методов атомной флуоресцентный, спектроскопии: атомно-эмиссионный, атомно-абсорбционный, ренгенофлуоресцентный, атомно- рентгеноэмиссионнный, рентгеноабсорбционный, Оже-электронный методы История атомного спектрального анализа началась с опытов Исаака Ньютона (1666 г.) по разложению света в спектр. Первые атомные спектры наблюдали в начале астрономических исследований. Но возникновение спектрального анализа как метода определения химического состава вещества относят к 1859 г., когда немецкие ученые Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, исследуя поведение паров солей в пламени, наблюдали появление линий в спектрах, характеристичных для определенного элемента. На рисунке 1 представлен цвет пламени для разных элементов. Рисунок 1. Цвета горения ионов металлов Дальнейшее развитие методов атомной спектроскопии определялось запросами практики приборостроения. На рубеже XIX и XX веков для получения спектров стали применять электрическую дугу и искру, это позволило определять и те элементы, которые не возбуждаются в пламени. Было доказано, что спектральный анализ применим для обнаружения и определения элементов, независимо от их степени окисления и от того, в составе каких химических соединений они находились в исходной пробе. В 20-х годах XX века удалось значительно повысить точность количественного анализа. Начался массовый выпуск спектральной аппаратуры. В таблице 1 приведена классификация основных методов атомной спектроскопии. Таблица 1. Классификация основных методов спектроскопии Рассмотрим подробнее сущность, принципы и возможности этих методов. В настоящее практической время основными аналитической химии, методами, используемыми остаются методы спектроскопии в оптическом диапазоне. Они основаны на следующих процессах: а) эмиссии (испускание); б) абсорбции (поглощение); в атомной в) флуоресценции (быстрое излучательное гашение возбужденных частиц) В связи с этим различают методы 1. атомно-эмиссионной (АЭС), 2. атомно-абсорбционной (ААС) 3. атомно-флуоресцентной (АФС) спектроскопии. Каждый из видов спектрального анализа имеет свою специфику и особенности. Атомно-эмиссионная спектроскопия Метод АЭС широко применяется для определения главных, сопутствующих компонентов и следов в разнообразных природных и искусственных материалах. Особенно минерального сырья, продуктов полупроводниковых материалов, важна его роль в анализе металлургического производства, окружающей среды и т.д. Многоэлементность, достаточно низкие пределы обнаружения элементов в сочетании с простотой выполнения ставят атомно-эмиссионный анализ в разряд крайне необходимых для любой аналитической лаборатории. Принцип метода довольно прост. Во всех вариантах АЭС пробу вносят в источник возбуждения, где тем или иным способом создается высокая температура (тысячи градусов). Образуется плазма (совокупность возбужденных атомов, ионов и электронов). В ней последовательно проходят следующие процессы: 1. испарение пробы; 2. атомизация первоначальных продуктов испарения (молекул или ионов); 3. возбуждение образовавшихся атомов; 4. испускание света возбужденными атомами. Возникающее в ходе анализа полихроматическое излучение пробы фокусируют и направляют на входную щель спектрального прибора, где оно разлагается в спектр и регистрируется соответствующим приемником (фотоэлемент, диодная линейка, фотопластинка и др.). полученные спектры можно классифицировать как линейчатые, непрерывные и полосатые. (рисунок 1) Рисунок 1. Классификация спектров излучения Можно наблюдать спектр и визуально (именно так работали Бунзен и Кирхгоф), однако это небезопасно для глаз. Для качественного анализа полученный спектр сопоставляют с эталонными спектрами разных элементов. По одному спектру пробы можно быстро и надежно обнаружить многие, а то и все присутствующие в ней элементы. Для количественного анализа надо измерить интенсивность излучения пробы на некоторых заранее выбранных длинах волн. На практике измеряют не саму интенсивность излучения (число квантов, испускаемых пробой в единицу времени), а зависящие от нее другие величины - фототок, абсолютное или относительное почернение фотопластинки и др. По этим аналитическим сигналам и рассчитывают содержания разных элементов, пользуясь градуировочными графиками, заранее полученными с помощью подходящих эталонов. На рисунке 2 представлен эмиссионный спектр железа Рисунок 2. Спектр излучения железа Атомно-абсорбционная спектроскопия Атомно-абсорбционная спектрометрия – метод количественного элементного анализа, основанный на измерении поглощения (абсорбции) невозбужденными атомами определяемого элемента, находящимися в состоянии атомного пара, характеристического излучения определяемого элемента. В ходе анализа часть анализируемого образца переводится в состояние атомного пара. Сквозь этот пар пропускают излучение, характеристическое для определяемого элемента. Атомно-абсорбционный спектральный анализ как инструментальный метод определения химического состава веществ по атомным спектрам поглощения, на сегодняшний день, достиг весьма широкого распространения в аналитической практике. Этот метод позволяет определять около 70 элементов. В основном это металлы: Al, Ba, Be, V, Bi, W, Fe, Ca, Cd, Co, Si, Mg, Mn, Cu, Mo, Ni, Sn, Pb, Ti, Cr и Zn, но возможно применение метода и для определения некоторых неметаллов: As, B, I, P, Se, Si и Te. В настоящее время с использованием данного метода можно анализировать такие экологические объекты как природные и сточные воды, почвы, биологические ткани и жидкости, атмосферные выбросы, и другие. Атомно-флуоресцентная спектроскопия - это аналитический метод, используемый для определения концентрации элементов в образцах. Образец преобразуется в атомы газа, и интересующий элемент возбуждается до более высокого уровня электронной энергии источником света. После возбуждения атомы деактивируются излучением фотона. Измеряемая флуоресценция - это процесс излучения. Приборы для AFS включают источник света для радиационного возбуждения атомов; атомную ячейку для преобразования образца в атомы газа; и систему обнаружения для перестраиваемой сбора лазерной флуоресцентного системы в излучения. качестве Комбинация источника света и электротермического распылителя (ETA), или графитовой печи, в качестве атомной ячейки обеспечивает прибор, который может определять фемтограмматические (10 g) количества многих элементов. На рисунке 3 представлены флуоресцирующие красители. Рисунок 3. Флуоресценция красителей Рентгеноэмиссионнный анализ Важное средство изучения минералов, горных пород, металлов, сплавов и многих других твердых объектов, прежде всего многофазных. Метод позволяет проводить анализ «в точке» (диаметр – до 500 нм и глубина вплоть до 1–2 микронов) или на участке поверхности за счет сканирования. Пределы обнаружения в этом случае обычно невелики, точность анализа оставляет желать лучшего, но как прием качественного и полуколичественного исследования включений и других неоднородностей электронный зонд давно завоевал общее признание. Рентгеноабсорбционный метод Количественный анализ. Количественный анализ РАА проводят методом внешнего стандарта. При этом используют пропорциональность разности интенсивностей прошедшего излучения при длинах волн, ограничивающих край поглощения, содержанию соответствующего элемента в анализируемом образце. Относительное стандартное отклонение результатов РАА 0,01 – 0,05. Аппаратурное оформление рентгеноабсорбционного метода. спектрометра Основными являются узлами источник рентгеновского излучения, монохроматор, устройство крепления и ввода образца, детектор. Возможности метода и его применение. Метод РАА используется при серийных определениях тяжелых элементов в образцах постоянного состава, например, свинца в бензине, урана в растворах его солей или серы в различных топливных маслах. Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) — один из современных спектроскопических методов исследования вещества с целью получения его элементного состава, то есть его элементного анализа. С помощью него могут анализироваться различные элементы от бериллия (Be) до урана (U). Метод РФА основан на сборе и последующем анализе спектра, полученного путём воздействия на исследуемый материал рентгеновским излучением. При облучении атом переходит в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом электронов на более высокие квантовые уровни. В возбуждённом состоянии атом пребывает крайне малое время, порядка одной микросекунды, после чего возвращается в спокойное положение (основное состояние). При этом электроны с внешних оболочек либо заполняют образовавшиеся вакантные места, а излишек энергии испускается в виде фотона, либо энергия передается другому электрону из внешних оболочек (оже-электрон). При этом каждый атом испускает фотоэлектрон с энергией строго определённого значения, например железо при облучении рентгеновскими лучами испускает фотоны Кα = 6,4 кэВ. Далее соответственно по энергии и количеству квантов судят о строении вещества. Схема этого анализа представлена на рисунке 4 Рисунок 4. Схема рентгенофлуоресцентного анализа Оже-электронный метод Оже-электронная спектроскопия (ОЭС) - это неразрушающая электронная спектроскопия на уровне ядра для полуколичественного определения элементного состава поверхностей, тонких пленок и границ раздела. Популярность этого метода можно объяснить высокой чувствительностью поверхности (глубина анализа менее 100 ангстрем) и относительно низким пределом обнаружения (~0,1 Ат.%). В дополнение к элементному охвату от лития до урана и за его пределами, ОЭC обладает способностью различать два элемента, которые находятся близко друг к другу в периодической таблице. Кроме того, ОЭC обладает чувствительностью, зависящей от атомного номера, которая изменяется не более чем на один порядок. Химические сдвиги и формы линий ОЭC также могут давать информацию о связывании (химическом состоянии), хотя и с меньшей точностью, чем это возможно с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), другой электронной спектроскопии на уровне ядра. Оже-электронная спектроскопия имеет глубинное разрешение 5-25 ангстрем и может быть использована при одновременном ионном распылении для профилирования глубины. При боковом разрешении (< 100 ангстрем), которое значительно лучше, чем у XPS, сканирующая Ожемикроскопия может быть эффективно использована для визуализации наноразмерных структур и получения двумерных карт элементного состава поверхности. Съемка Оже-спектров обычно занимает менее десяти минут, что обеспечивает быстрый сбор данных. Несмотря на некоторую сложность и дороговизну, оборудование Перечисленные выше относительно причины объясняют, просто в почему использовании. Оже-электронная спектроскопия стала, пожалуй, наиболее широко используемым методом поверхностного анализа. Вопросы для самоконтроля 1. Перечислите методы атомной спектроскопии. 2. Какие явления положены в основу методов атомной спектроскопии? 3. В каких диапазонах спектра работают приборы атомной спектроскопии? 4. Перечислите достоинства метода АЭС. 5. Какие спектры излучения вы можете назвать? 6. Объясните принцип атомно-эмиссионной спектроскопии. 7. Каким образом определяют концентрацию исследуемого вещества в методе АЭС? 8. Дайте определение методу атомно-абсорбционной спектроскопии. 9. Перечислите возможности метода ААС. 10. Объясните принцип атомно-флуоресцентной спектроскопии. 11. Дайте определение методам спектроскопии, работающим рентгеновском диапазоне. 12. Назовите области применения методов рентгеновской спектроскопии. 13. Перечислите основные узлы рентгеноабсорбционного спектрометра 14. Назовите достоинства Ожэ-электронной спектроскопии. в Лекция IV. Молекулярная спектроскопия. Классификация методов: визуальная колориметрия, адсорбционная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, молекулярная люминесценция, нефелометрия, турбидиметрия, спектроскопия диффузионного оптико-акустическая спектроскопия, термолинзовая отражения, спектроскопия. Молекулярная спектроскопия — спектроскопических методов, изучающих электромагнитными полями. Это это обобщенное взаимодействие явление включает название молекул с возбуждение вращательных, колебательных и электронных состояний в молекулах, что позволяет как охарактеризовать молекулярные свойства, такие как длина и сила связи, так и идентифицировать атомарные составляющие. Молекулярная спектроскопия занимается спектрами молекул и молекулярных комплексов. Молекулы при этом могут быть, как изолированными (в разреженном газе), так и находящимися в конденсированном состоянии - плотном газе, твердом теле, жидкости, или в смесях с другими веществами. Для получения информации о самой молекуле лучше всего исследовать спектры в разреженном газе. Однако интереснее исследовать молекулы в жидкой или твердой фазах, поскольку в этом случае можно получить информацию о взаимодействии изучаемых молекул с другими молекулам. При исследовании энергетического состояния молекул веществ в зависимости от типа поглощающих частиц и способа преобразования избыточной энергии также выделяют методы. 1. Молекулярная абсорбционная спектроскопия. Метод основан на поглощении световой энергии молекулами или сложными ионами. 2. Нефелометрия и турбидиметрия. Эти методы анализа основаны на измерении, соответственно, рассеянного или поглощенного света взвешенными частицами анализируемого вещества. 3. Люминесцентный анализ (флуориметрия). В основе метода – измерение излучения после возбуждения молекул светом. 4. Магнитная резонансная спектроскопия. Метод основан на получении сигналов от молекул, помещенных в магнитное поле. 5. Спектроскопия диффузного отражения. В основе метода - измерение света, отраженного твердым окрашенным образцом. Рассмотрим краткие характеристики этих методов подробнее. 1. Молекулярная абсорбционная спектроскопия. Классифицируют в соответствии с участком электромагнитного спектра, используемого для облучения анализируемого вещества. В этом случае название метода соответствует названию области спектра. Выделяют: 1. инфракрасную (частота ν ~ 10 –12000см-1 или длина волны λ ~ 0.1 см – 800 нм), 2. видимую (ν~ 14000– 25000 см-1 или λ ~700 – 400 нм) 3. ультрафиолетовую (ν больше 25000 см-1, т.е. λ короче 400 нм). Метод молекулярной абсорбционной спектроскопии в УФ- и видимой областях спектра называют спектрофотометрией. В зависимости от типа абсорбционных спектральных приборов различают фотометрический и спектрофотометрический методы. Оба метода объединяют в одну группу фотометрических методов анализа. Когда определение проводят в видимой части спектра, часто используют термин фотоколориметрия (от лат. color – цвет), поскольку имеют дело с окрашенными растворами. Если фотометрическое исследование ультрафиолетовой, инфракрасной или другой части спектра, кроме видимой, то термин «колориметрия» неприемлем. В зависимости от используемой аппаратуры в фотометрических методах анализа различают спектрофотометрические монохроматического света; методы - анализ по поглощению фотоколориметрические методы - анализ по поглощению полихроматического света. Фотоколориметрические методы обеспечивают точность ± (1 – 3) % отн. Наиболее совершенные спектрофотометрические методы анализа Характеризуются точностью ± (0,1 – 0,5) % отн. Особенности этих двух методов приведены в таблице 1. Таблица 1. Особенности фотометрии и спектрофотометрии Метод Тип прибора Рабочая Способ Регистрируемые область монохро- сигналы спектра, матизации нм Фотометрия Фотометр Видимая Светофильтр Оптическая плотность (фотоэлектро- 400–750 (А) и пропускание (Т) в колориметр диапазоне длин волн, отвечающем полосе пропускания светофильтра Спектро- Спектро- УФ и Монохроматор Оптическая плотность фотометрия фотометр видимая или полихро- (А) и пропускание (Т) 100–750 матор при λ= const ; электронные спектры поглощения в виде кривых A = f (λ), A = f (ν) Т= f (λ) Т= f (ν) 2. Визуальная колориметрия – основана на сравнении окраски анализируемых и стандартных растворов визуальным способом. Наиболее распространен метод стандартных серий. В этом методе интенсивность окраски анализируемого окрашенного раствора сравнивают с окрасками серии специально приготовленных стандартных растворов (при одинаковой толщине слоя). Пример серии стандартных растворов приведен на рисунке 1. Рисунок 1. Определение концентрации железа в растворе методом визуальной колориметрии Точность визуальных методов субъективна, зависит от опыта и работоспособности исследователя. Чувствительность человеческого глаза редко способна обнаружить разницу концентрации меньше пяти относительных процентов. При усталости ошибка возрастает. Наличие других окрашивающих веществ делает невозможным сравнение со стандартами (например, гемолиз мешает определению билирубина, а высокий билирубин — определению гемоглобина). Подготовка серии стандартных растворов увеличивает время проведения и стоимость исследований. 3. Инфракрасная спектроскопия ИК-спектроскопия – метод исследования веществ, основанный на поглощении инфракрасного (ИК) излучения исследуемым веществом. Колебательные движения, происходящие в молекулах в пределах основного электронного уровня, проявляются в ИК области спектра, поэтому эти спектры называют колебательными. Современная ИК-спектроскопия представляет собой экспресс-метод установления структурных особенностей органических соединений. С помощью ИК-спектроскопии быстро и надёжно идентифицируются разнообразные функциональные группы: карбонильная, гидроксильная, карбоксильная, амидная, амино-, циано- и др.; а также различные непредельные фрагменты: двойные и тройные углерод-углеродные связи, ароматические или гетероароматические системы. Методами ИК- спектроскопии изучают внутри- и межмолекулярные взаимодействия, например, образование водородных связей. В химии древесины и химии природных соединений с помощью ИК-спектроскопии исследуют структуры углеводов, лигнинов, аминокислот, терпенов, стероидов и многих других веществ. Пример инфракрасных спектров изомеров крезола приведен на рисунке 2. Рисунок 2. Инфракрасные спектры изомеров крезола 4. Молекулярная люминесценция Люминесценция – свечение атомов, ионов, молекул, возникающее в результате электронного перехода в этих частицах при их возвращении из возбужденного состояния в нормальное. Таким образом молекула преобразует поглощенную энергию в собственное излучение (В.Л. Левшин) Люминесценцию называют холодным свечением, при этом люминесцирующие вещества могут находиться в любом агрегатном состоянии. Пример люминофоров (светящихся веществ) приведен на рисунке 3. Рисунок 3. Пример люминесцирующих веществ По способам возбуждения частиц вещества различают люминесценции, приведенные в таблице 2. Таблица 2. Классификация видов люминесценции Способ возбуждения Виды люминесценции Электромагнитное излучение УФ- и видимого диапазона Поток электронов (катодные лучи) Поток ионов щелочных металлов) Рентгеновское излучение Радиоактивное излучение Тепловая энергия Ультразвук Механическое воздействие Энергия химической реакции Фотолюминесценция Катодолюминесценция Ионолюминесценция Рентгенолюминесценция Радиолюминесценция Термолюминесценция Сонолюминесценция Триболюминесценция Хемилюминесценция виды В аналитической практике чаще используют фото- и хемилюминесценцию. Флуоресцентные измерения более избирательны, чем спектрофотометрические, поскольку зависят от двух длин волн: поглощаемого и испускаемого света. По сравнению с молекулярной абсорбционной спектроскопией метод обладает большей чувствительностью (Это обусловлено тем, что метод относится к силовым, в котором выходной сигнал увеличивается с увеличением интенсивности излучения). Пределы обнаружения для большинства соединений составляют ~ 10 -3 мкг/мл, что на 1-2 порядка ниже, чем в абсорбционной спектроскопии. 5. Нефелометрия и турбидиметрия Сущность этих видов анализа состоит в том, что определяемый компонент переводят в малорастворимое соединение, которое находится в виде взвеси, и измеряют интенсивность рассеянного света этой суспензией. Нефелометрия и турбидиметрия основаны на использовании явления рассеяния или поглощения света твёрдыми или коллоидными частицами, находящимися в жидкой фазе во взвешенном состоянии. Термин «рассеяние» применительно к взаимодействию излучательной энергии с веществом, описывает разнообразные явления. При этом всегда имеется в виду случайное изменение направления излучения. Рассеяние зависит от следующих факторов: а) от длины волны излучения, б) размера и формы рассеивающих частиц: в) и иногда – от расположения их в пространстве. При прохождении светового потока через взвеси мельчайших частиц в растворителе, т.е. через дисперсную систему, наблюдается боковое рассеяние света, благодаря чему свет, проходящий через среду, имеет вид мутной полосы. Мутность её объясняется рассеянием светового луча и зависит от различных причин. В нефелометрическом методе анализа используют реакции осаждения. Основные требования к реакциям: 1. продукт реакции должен быть практически нерастворимым; 2. продукт реакции должен находиться не в виде осадка, а в виде взвеси (суспензии). Метод, в котором используют линейное измерение, называют тypбидиметpией, а метод с измерением под yrлом 90° (или каким-либо друrим) – нефелометрией. На рисунке 4 представлен прибор турбидиметр и стандарты мутности. Рисунок 4. Внешний вид турбидиметра и стандартов мутности 6. Спектроскопия диффузионного отражения Оптическая электронная спектроскопия в отраженном диффузно рассеянном свете широко применяется в исследованиях, связанных с выяснением поверхностных состояний дисперсных твердых тел, а также реакций, протекающих на поверхности раздела фаз; велика роль метода в изучении электронного строения твердых тел. В оптический интервал длин волн 200–1000 нм попадают переходы валентных электронов с верхних заполненных на нижние вакантные орбитали (состояния практически для всех твердых веществ за исключением широкозонных диэлектриков— например, SiO2, MgO, BaSO4 и др.). Поскольку основные химические и физические свойства обусловлены именно состоянием внешних валентных электронов, становится ясным, что оптические электронные спектры несут наиболее важную и фундаментальную информацию о веществе. Величина интенсивности падающего света на твердую поверхность описывается уравнением F0 = Fдиф.отр + Fпогл + Fотр, где F0 — интенсивность падающего света; Fдиф.отр — часть излучения, диффузно отраженного от исследуемого образца; Fпогл — часть излучения, поглощенная образцом; Fотр — зеркально отраженная от образца часть излучения. Схема отражения света твердым веществом представлена на рисунке 5. Рисунок 5. Схема отражения света твердым веществом Измерение спектра диффузного отражения осуществляют с помощью приставок, выпускаемых к спектрофотометрам. Внешний вид такой приставки представлен на рисунке 6 Рисунок 6. Внешний вид приставки для работы методом диффузионного отражения 7. Оптико-акустическая спектроскопия Оптико-акустическая спектроскопия (ОАС) – раздел оптической спектроскопии, основанный на оптико-акустическом эффекте, заключающемся в возникновении акустических колебаний в образце при облучении его модулированным на звуковой частоте излучением (УФ, видимым, ИК). Оптико-акустическая спектроскопия позволяет исследовать слабо- и сильно поглощающие вещества в любом агрегатном состоянии (в количестве несколько см3 — для газов, микролитров — для жидких, миллиграммов — для твёрдых образцов), в большом диапазоне коэффициент поглощения (от 10-7 до 106 см-1 в случае конденсированных сред и от 10-10 см-1 в случае газов), в широком температурном интервале от 4 до 1000 К. При анализе твёрдых образцов отсутствуют ограничения на их форму и структуру, мало влияние эффектов, связанных с рассеянием света, возможно проведение послойного анализа и обнаружение включений с разрешением по глубине от десятых долей микрометра до десятых долей миллиметра. Оптикоакустический эффект возникает за счёт преобразования части поглощённой энергии в тепловую, что приводит к образованию акустических колебаний в самом образце, либо соприкасающемся с ним газе. Регистрация акустических колебаний непосредственно в веществе осуществляется пьезоэлектрическим датчиком (жидкие и твёрдые образцы) или микрофоном (газы). График регистрации полученного аналитического сигнала этим методом представлен на рисунке 7. Рисунок 7. Регистрация аналитического сигнала в оптико- акустической спектроскопии. Число полос в оптико-акустическом спектре, их интенсивность, положение, ширина определяются структурой и химическим составом поглощающего излучение образца и зависят от его агрегатного состояния, температуры, давления и другого, а также частоты модуляции излучения. Поэтому оптико-акустические спектры можно использовать для определения строения молекул и количественного анализа (линейная зависимость регистрируемого сигнала от концентрации определяемого соединения). Метод оптико-акустической спектроскопии характеризуется низкими пределами обнаружения: до нескольких молекул на 10 11 (газы), n•10-11г/мл (жидкости), n•10-10г (твёрдые образцы). Оптико-акустическая спектроскопия применяется для определения (в т.ч. дистанционного) неорганических и органических соединений (аммиак, оксиды углерода, азота, метан и др.) в газах, при изотопном анализе газов и т.д. Метод оптико-акустической спектроскопии (как неразрушающий) используется для определения включений в рудах, минералах, при анализе углей, битумов и других сильно поглощающих материалов. Вопросы для самоконтроля 1. Дайте определение методам молекулярной спектроскопии. 2. Назовите методы, относящиеся к молекулярной спектроскопии. 3. В каких диапазонах спектра ведется измерение в методах молекулярной спектрометрии? 4. В чем отличие фотоэлектроколориметра от спектрофотометра? 5. Объясните сущность визуальной колориметрии. Какие достоинства и недостатки этого метода вы можете назвать? 6. Какой прибор позволяет снять спектр диффузного отражения? 7. Какие физические явления лежат в основе нефелометрии турбидиметрии? 8. От каких факторов зависит рассеяние света? 9. Дайте определение понятию «люминесценция». 10.Какой признак положен в основу классификации видов люминесценции? и 11.Перечислите виды люминесценции. Какие из них используются в аналитической практике чаще всего? 12.Какой вид молекулярной спектроскопии позволяет исследовать структуру и концентрацию органических веществ? 13.В каком методе используются реакции осаждения? Для чего? Какие основные требования предъявляются к этим реакциям? Лекция V. Правила работы на фотометре и спекторофотометре. Построение градуировочного графика. Оптимальные условия фотометрического определения. Длина волны. Оптическая плотность. Толщина светопоглощающего слоя Фотометрические методы анализа основаны на измерении поглощения света молекулами или ионами вещества, находящимися в растворе (традиционный термин «свет» в данном случае включает в себя также излучение вне видимой области спектра). Частота или длина волны поглощаемого излучения индивидуальна для каждого вещества, и на этом основан качественный анализ по светопоглощению. Основой количественного анализа является закон Бугера−Ламберта−Бера I = I0 10 -έlс где I0 – интенсивность света, направленного на раствор сравнения и поглощающий раствор; I - интенсивность света, прошедшего через поглощающий раствор; с – концентрация вещества, моль/л; l – толщина светопоглощающего слоя, см; έ – молярный коэффициент светопоглощения Еще одна формулировка закона Бугера−Ламберта−Бера: А=έlс Где А – оптическая плотность исследуемого раствора Возможности современных измерительных приборов таковы, что они позволяют измерять величину А от 0,02 до 3,0. Однако для получения удовлетворительных по точности результатов значения оптической плотности должны находиться в пределах: 0,05 ≤ А ≤ 1,0. измеряемой Графическая зависимость оптической плотности от концентрации окрашенного вещества выражается прямой, проходящей через начало координат. Эта зависимость соблюдается при выполнении определенных условий (работа с разбавленными растворами, монохроматичность падающего света и т.д.). Графическая зависимость оптической плотности от концентрации исследуемого вещества представлена на рисунке 1. Рисунок 1. Графическая зависимость оптической плотности от концентрации исследуемого вещества Существуют ограничения применимости закона Бугера –Ламберта – Бера. Для выполнения закона Бугера–Ламберта–Бера должны выполняться следующие условия: 1) монохроматическое излучение – свет определенной длины волны (λ ±1÷20 нм); 2) параллельный пучок падающего излучения; 3) разбавленные растворы; 4) растворы без комплексообразователей; 5) постоянство рН, Т; 6) при толщине слоя светопоглощения <5 мм; 7) с ограниченным временем созревания окраски раствора при исследовании поглощения в видимой области спектра. Основным источником случайных ошибок при фотометрическом анализе является измерение оптической плотности, т.е. измерение интенсивности светового потока после прохождения через исследуемый раствор, а также через раствор сравнения. Показано, что определение концентрации методом фотометрии осуществляется с ошибкой 1-2 %, если концентрация анализируемого вещества такова, что величина оптической плотности находится в интервале 0,1 – 1,0. Это связано с тем, что распределение погрешности в фотометрии имеет вид, представленный на рисунке 2. Рисунок 2 - Относительная ошибка фотометрического определения Цвет раствора. Подбор светофильтра. Окраска вещества связана с избирательным светопоглощением. Вещество, не поглощающее свет, бесцветно. Если вещество поглощает излучение с длинами волн 400–760 нм (видимый свет), то оно окрашено. Если вещество поглощает все лучи видимой области спектра, то оно черное. Непоглощенный свет доходит до сетчатки глаза, поэтому мы воспринимаем вещества различно окрашенными. Различно окрашенные растворы в разной степени поглощают падающий световой поток, в зависимости от длины волны. Для подбора длины волны падающего света используют светофильтры. Светофильтром называют оптическую деталь, изготовленную из материала с избирательным пропусканием света (обычно это плоское цветное стекло). Светофильтры пропускают из сложного излучения лишь ту часть спектра, которая поглощается окрашенным раствором, но задерживают остальную часть его. При помощи светофильтров удается выделить ту спектральную область, в которой расположен максимум поглощения в спектре исследуемого вещества. Правильный подбор светофильтров имеет большое значение для результатов колориметрического определения. Условия выбора оптимального светофильтра представлены в таблице 1. Таблица 1. Выбор оптимального светофильтра в спектрофотометрии При определении в растворе одного светопоглощающего вещества аналитическую длину волны выбирают на максимуме полосы поглощения. При этом достигается наиболее высокая чувствительность определения. Измерение оптической плотности на фотоколориметре проводят в приближенно монохроматическом свете (полуширина пропускания 30–70 нм), для получения которого используют светофильтры. В этом случае цвет выбираемого светофильтра является дополнительным к цвету фотометрируемого раствора, т.е. светофильтр должен пропускать свет в интервале длин волн, который поглощается анализируемым раствором (рис.3) Рисунок 3 - Спектр поглощения исследуемого вещества и соответствующего светофильтра Оптическая плотность анализируемого раствора при с = const для данного раствора при выбранном светофильтре должна быть максимальной. Поэтому, если неизвестен цвет светофильтра или интервал длин волн, в котором происходит максимальное поглощение света, выбор светофильтра осуществляют измерением абсорбционности анализируемого (или стандартного) раствора при различных светофильтрах. Оптическая плотность. На оптическую плотность раствора влияет ряд факторов: природа растворителя, рН раствора, температура, концентрация электролита и присутствие посторонних веществ. Необходимо выбрать аналитические условия так, чтобы небольшие изменения этих факторов существенно не изменяли оптическую плотность. Одним из способов является проведение измерения оптической плотности относительно раствора сравнения, в качестве которого может быть использована холостая проба: растворитель, проба без окрашивающих реагентов, растворитель с реагентами. Выбор кювет. Набор кювет с различными расстояниями между внутренними рабочими гранями позволяет подобрать кювету такой рабочей длины, чтобы измерения проводились на участке шкалы оптической плотности, дающем наименьшие относительные ошибки измерений. Можно считать кювету правильно подобранной, если для наиболее концентрированного раствора значение оптической плотности не превышает величину 0,7 – 0,8. Рабочие грани кюветы в кюветодержателе устанавливают перпендикулярно пучку света. Следует помнить, что на одной из двух рабочих плоскопараллельных граней кюветы нанесены цифры, которые указывают толщину светопоглощающего слоя раствора в миллиметрах. При работе эти грани должны быть чистыми, без капель жидкости и отпечатков пальцев. Раствор в кювету наливают немного выше риски, которая нанесена на одной из граней кюветы. Подробно рассмотреть кюветы различной толщины слоя можно на рисунке 4. Рисунок 4 - Кюветы с разной толщиной слоя светопоглощения Для определения концентрации вещества существует несколько методов. Обычно используют четыре метода определения концентрации по измеренной величине абсорбционности исследуемого раствора: метод калибровочного графика, метод сравнения, метод стандартных добавок и метод дифференциальной фотометрии. В первых трех методах в качестве раствора сравнения используют растворитель или раствор, приготовленный с добавлением всех реагентов, но без определяемого вещества (“холостой” раствор) Метод калибровочного графика. В методе калибровочного графика в мерных колбах готовят ряд стандартных растворов с точно известной концентрацией, добавляют соответствующие реактивы (реагенты), необходимые для образования окрашенного соединения, доводят объемы растворов до метки растворителем и измеряют оптические плотности полученных растворов. По данным измерения строят график зависимости в координатах: абсорбционность (А) – концентрация (с, мг в объеме мерной колбы), который должен иметь линейный характер при выполнении закона Бугера – Ламберта – Бера (рис. 5). Причём для построения калибровочного графика необходимо приготовить 5-7 стандартных растворов с различной концентрацией и провести не менее 5 параллельных измерений оптической плотности растворов каждой концентрации. Это позволит с минимальной погрешностью построить калибровочный график с использованием метода математической статистики – метода наименьших квадратов (МНК). Рисунок 5. Пример калибровочного графика для определения концентрации исследуемого вещества Аналогично приготовлению стандартных растворов готовят раствор исследуемого (анализируемого) раствора, измеряют его оптическую плотность и, пользуясь построенным калибровочным графиком, определяют содержание вещества в объеме анализируемой пробы (варианте). Искомую концентрацию можно определить расчётным путём, исходя из уравнения полученной прямой А= b•с, где b = tgφ, а φ - угол наклона прямой. Тогда с=А/ tgφ = А•k, где k= сtgφ и называется коэффициентом калибровочной прямой. Формульное выражение калибровочной зависимости позволяет проводить компьютерную обработку результатов измерения. Если зависимость нелинейная, т.е. закон Бугера – Ламберта – Бера не выполняется, для нахождения концентрации по величине оптической плотности пользуются только калибровочным графиком. Метод целесообразно использовать при большом количестве измерений одного и того же вещества в отсутствие мешающих компонентов в анализируемом растворе. Устройство и принцип работы лабораторных фотоэлектроколориметров и спектрофотометров В физико-химических измерениях концентрации, основанных на методах молекулярной спектроскопии (методы фотометрии), используются оптические приборы, позволяющие измерять оптическую плотность или светопропускания анализируемых растворов. К ним относятся фотоэлектроколориметры и спектрофотометры. Независимо от рабочей области спектра приборы состоят из пяти основных узлов: - источник излучения; - монохроматор (устройство, позволяющее выделить из спектра ограниченную область длин волн); - кюветы с исследуемым раствором и раствором сравнения; - преобразователь, превращающий энергию излучения в электрический сигнал; - регистрирующее устройство. Фотоэлектроколориметры имеют простую конструкцию и предназначены для измерения пропускания или оптической плотности растворов в видимой и ближней (до 300 нм) УФ-областях. Они применяются для анализа окрашенных растворов. Если вещество не поглощает электромагнитное излучение в видимой области, его с помощью химической реакции переводят в окрашенное соединение (чаще всего комплексное). Внешний вид фотоэлектроколориметра представлен на рисунке 6 Рисунок 6 Внешний вид фотоэлектроколориметра КФК-3 Спектрофотометры предназначены для измерения пропускания или оптической плотности в диапазоне 190–1100 нм, т.е. могут использоваться в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной области спектра для анализа окрашенных и бесцветных растворов. Благодаря высокому уровню монохромности рабочего излучения спектрофотометры характеризуются высокой точностью, использоваться для чувствительностью, получения селективностью спектров поглощения, и могут измерения концентраций веществ с узкой полосой поглощения, а также для анализа смеси веществ без предварительного их разделения. Спектрофотометры имеют более сложную конструкцию и обычно снабжены электронными устройствами (усилителями фототока, дисплеями). Внешний вид спектрофотометра представлен на рисунке 7 Рисунок 7. Внешний вид спектрофотометра В-1100 Порядок работы на фотоколориметре КФК-2: Для измерения оптической плотности необходимо: 1. За 15 минут до начала измерений включить прибор для прогревания. При этом крышка кюветного отделения должна быть открыта. 2. В соответствии с характеристиками изучаемой системы необходимо выбрать правильный светофильтр. При измерении со светофильтрами 315, 364, 400, 410, 490, 540 нм, отмеченными на лицевой панели колориметра черным цветом, ручку ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ устанавливайте в одно из положений «1», «2»,«3», отмеченных на лицевой панели также черным цветом. При измерении со светофильтрами 590, 670, 750, 870, 980 нм, отмеченными па лицевой панели колориметра красным цветом, ручку ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ устанавливайте в одно из положений «1», «2», «3», отмеченных на лицевой напели колориметра также красным цветом. 3. Налить в одинаковые кюветы необходимой длины анализируемый раствор и раствор сравнения. Важно: С целью обезжиривания рабочих поверхностей кюветы необходимо их тщательно протереть. При установке кюветы в кюветодержатели нельзя касаться пальцами рабочих поверхностей (ниже уровня жидкости в кювете). Наличие загрязнений или капель раствора на рабочих поверхностях кюветы приводит к получению неверных результатов измерений. Жидкость в кюветы следует наливать до метки на боковой стенке, контролируя возможность переполнения кювета по углам. 4. Установить минимальную чувствительность колориметра. Для этого ручку ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ надо поставить в положение «1», ручку УСТАНОВКА 100 ГРУБО – в крайнее левое положение. 5. В световой пучок поместить кювету с раствором сравнения, относительно которого проводятся измерения, а в соседнее отделение – анализируемый раствор. 6. Закрыть крышку кюветного отделения. 7. Ручками ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ, УСТАНОВКА 100 ГРУБО и ТОЧНО установить отсчёт 0 по нижней шкале колориметра, соответствующей значению оптической плотности D (верхняя шкала соответствует пропусканию. 8. Поворотом ручки 4 кювету с раствором сравнения заменить на кювету с анализируемым раствором. При этом стрелка на микроамперметре сместится. 9. Снять отсчёт по шкале колориметра. 10. Измерение необходимо проводить 2–3 раза и окончательное значение измеренной величины определить как среднее арифметическое из полученных значений. 11. Кюветы необходимо вынуть, промыть, поставить сушиться, а прибор выключить. Кюветное отделение по необходимости протереть. Порядок работы на спектрофотометре В-1100 Внешний вид панели управления данного прибора представлен на рисунке 11 Вращая Джойстик управления по часовой или против часовой стрелки, можно осуществлять переход между режимами в Основном меню. Выбранный режим работы будет обведен рамкой и немного затемнен Подтвердить выбор режима нужно кнопкой ВВОД. Для установки длины волны и ввода значений в спектрофотометре используется Джойстик. Джойстик имеет два режима ввода: «Основной» и «Точный». Например, в режиме установки длины волны в режиме «Основной» шаг установки 20 нм, а в режиме «Точный» шаг установки 0,5 нм. Эти режимы предназначены для ускорения ввода значений. Переход между режимами осуществляется нажатием на Джойстик. Переход сопровождается коротким звуковым сигналом. Порядок работы на приборе при определении оптической плотности растворов 1 Включить спектрофотометр нажатием клавиши (I/0), находящейся на задней панели спектрофотометра. Дать спектрофотометру прогреться 20 минут. После прогрева прибор перейдет в режим «Самоконтроля», а затем в основное меню 2. Выбрать режим работы «Режим А» – определение коэффициента пропускания, вращая Джойстик управления до тех пор, пока Пиктограмма главного меню «Режим А» не выделится. После этого нажать кнопку «ВВОД». 3 Убедиться, что в кюветном отделении отсутствуют установленные образцы. Выбрать нужную длину волны, используя Джойстик управления. 4 Установить в ячейки кюветодержателя кювету с раствором сравнения и кюветы с исследуемым раствором. Проверить, чтобы кюветы были установлены одинаково. Рекомендуется устанавливать кюветы по центру кюветного отделения. Закрыть крышку кюветного отделения. 5 Ручкой для перемещения кюветодержателя подвести в рабочую зону кювету с раствором сравнения. Нажать кнопку «0А/100%Т». Подождать несколько секунд, пока на дисплее не появится значение пропускания 100±0,1%Т, или 0,000А (в зависимости от установленного режима). Если это не так, повторить данный шаг еще раз. 6. Не открывая кюветного отделения, ручкой для перемещения кюветодержателя подвести кювету с исследуемым раствором в рабочую зону. 7. Снять показания оптической плотности, которые можно наблюдать на дисплее. Кюветное отделение имеет три ячейки, что позволяет одновременно производить измерение одной кюветы с раствором сравнения и до двух кювет с исследуемыми растворами. Если необходимо промерить на той же длине волны еще кюветодержателя несколько измеренную растворов, кювету, то можно установить извлечь на ее из место дополнительную кювету с исследуемым раствором и проводить измерения, каждый раз предварительно повторяя п.5. 8. Открыть крышку кюветного отделения и вынуть кюветы с пробой и кювету сравнения. 9. Для выхода в основное меню прибора нажать кнопку «НАЗАД». Вопросы для самоконтроля 1. Что является основой качественного фотометрического анализа. 2. Определите сущность количественного фотометрического анализа. 3. Расскажите, как выбрать длину волны для анализа? 4. Расскажите порядок выбора кюветы для фотометрического анализа. 5. Объясните принцип построения калибровочного графика. 6. Опишите порядок работы с фотоэлектроколориметром. 7. Опишите порядок работы со спектрофотометром. 8. В каких координатах строится калибровочный график? 9. Как определить концентрацию исследуемого вещества по калибровочному графику? 10. Используя рисунок 2, объясните, почему оптическая плотность пробы должна составлять от 0,400 до 0,440 нм? 11. Перечислите факторы, влияющие на оптическую плотность раствора. 12. Перечислите условия, необходимые для соблюдения закона БугераЛамберта-Бера. 13. В каком диапазоне должна соблюдаться величина оптической плотности при проведении фотометрического анализа и почему? Тема 2.4 Рефрактометрия и поляриметрия Лекция VI. Показатель преломления и полное внутреннее отражение. Закон преломления. Аддитивность молярных рефракций. Показатель преломления и полное внутреннее отражение. Закон преломления. Аддитивность молярных рефракций Рефрактометрия является старейшим оптическим методом анализа, который, однако, не утратил актуальность и в современных условиях, поскольку используется и для изучения строения вещества, и для контроля качества разнообразной продукции. Теоретическая основа рефрактометрии заложена И. Ньютоном, Л. Эйлером, М.В. Ломоносовым. В основе этого метода лежит явление рефракции (преломления). Оно состоит в изменении направления распространения света на границе раздела фаз. Связано это с тем, что при прохождении через разные среды скорость света изменяется, но при этом отношение скоростей, проходящих через среду 1 и среду 2, есть величина постоянная и равная показателю преломления, n. Основным законом рефракции является закон Снеллиуса (открыт в 1620 году голландским ученым В. Снеллиусом), согласно которому - отношение синуса угла падения света (α) к синусу угла преломления света (β) для двух соприкасающихся фаз, есть величина постоянная и равная показателю преломления. Математическая формулировка этого закона выглядит так: n = sinα / sinβ Таким образом, аналитическим сигналом в рефрактометрии является показатель преломления света n, а прибором, который его определяет – рефрактометр. Поэтому рефрактометрия – это оптический метод анализа, основанный на определении показателя преломления света. Различают абсолютный и относительный показатели преломления. Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости распространения света в вакууме к скорости распространения света в исследуемом веществе. Скорость света в вакууме является максимально возможной и составляет 299 792 458 м/с. На практике атмосферный воздух также можно считать эталонной средой, поскольку свет распространяется в нем всего лишь в 1,00027 раза медленнее, чем в вакууме. Можно сказать, что абсолютный показатель преломления указывает, во сколько раз скорость света в вакууме (или воздухе) больше, чем в другой среде. В качестве примера рассчитаем абсолютный показатель преломления воды, в которой, как известно, свет при 20 °C распространяется со скоростью 2,25 × 108 м/с. n = C (вакуум) / С (вода) = 2,999 × 108 / 2,25 × 108 = 1,3333 Полученное значение свидетельствует о том, что свет распространяется в воде медленнее, чем в вакууме в 1,3333 раза. Абсолютный показатель преломления определяется для газов. Относительный показатель преломления В случае, если первая среда не является вакуумом, речь идет об относительном показателе преломления. То есть, данный показатель можно охарактеризовать как отношение скорости распространения света в среде 1 (не являющейся вакуумом) к скорости распространения световой волны в исследуемом веществе. В лабораторном химическом анализе применяется относительный показатель преломления для жидкостей и твердых тел: он определяется относительно воздуха помещения, где ведется измерение. Математическая связь между показателями преломления имеет вид: абсолютным и относительным nабс = nвозд × nотн где nвозд - абсолютный показатель преломления воздуха, равен 1,00027 На практике относительные показатели преломления веществ - это табличные значения, рассчитывать их по формуле нет необходимости. Показатели преломления некоторых веществ приведены в таблице 1 Таблица 1 Относительные показатели преломления некоторых веществ Относительный показатель преломления, n Вещество при 20°С Бензол 1,5011 Вода 1,3330 Глицерин 1,4721 Хлороформ 1,4430 Этанол 1,3613 Диапазон измеряемых в проходящем свете показателей преломления составляет от 1,3 до 1,7, точность измерения составляет 1 × 10 -4. Стандартными условиями для измерения являются температура 20°С и длина волны желтой линии натрия (D-линия, 583,3 нм). Эти условия отражаются в записи nD20 надстрочным и подстрочным индексами соответственно. При этом показатели преломления зависят от множества факторов. Факторы, влияющие на точность определения показателя преломления 1) Природа веществ. Для жидких органических веществ показатель преломления индивидуален и является константой, поэтому в фармацевтическом анализе и органической химии определение показателя преломления используют для качественной идентификации и определения степени чистоты исследуемых веществ. преломление света в различных средах. На рисунке 2 представлено Рисунок 3. Явление преломления в различных средах 1 – вода, 2 – глицерин, 3 – анилин (аминобензол) 2) Концентрация исследуемого раствора , где n – показатель преломления исследуемого раствора; n0 – показатель преломления растворителя; F – фактор преломления, который показывает, на сколько увеличивается показатель преломления при увеличении концентрации раствора на 1%. 3) Длина волны. Значение показателей преломления для одного и того же вещества будут различаться, если измерения проводились при различных длинах волн. Тогда для показателя преломления вводятся следующие обозначения: nD – показатель преломления желтой линии натрия (линия D); nC – показатель преломления красной линии водорода (линия C); nF – показатель преломления синей линии водорода (линия F); nG – показатель преломления фиолетовой линии водорода (линия G). 4) Температура. Влияние температуры на величину показателя преломления определяется изменением числа частиц в единице объема (изменяется плотность вещества) температуры. и Графическая зависимостью зависимость поляризуемости показателя молекул от преломления от температуры представлена на рисунке 4. Рисунок 4 Графическая зависимость показателя преломления от температуры Поскольку температура является фактором, наиболее влияющим на результаты измерения, обязательным условием определения показателя преломления является соблюдение температурного режима. Обычно определение выполняется при 20±0,300С. Если температура в помещении отлична от стандартной, рассчитывают поправку по следующей формуле (в этом случае исследуемый раствор, растворитель и рефрактометр должны находиться 30-40 мин. в условиях одинаковой температуры): n1=n20+ (20-t) × 0,0002 где n1 – показатель преломления при заданной температуре; n20 – показатель преломления воды при 20°С; t – температура помещения, в котором проводится измерения, °С. Аддитивность молярных рефракций На основании электромагнитной теории Максвелла для прозрачных неполярных веществ можно вывести соотношение: ε=n2, где n – показатель преломления (для полярных веществ ε > n2). Величина R называется молекулярной рефракцией вещества. Из уравнения следует, что величина R, определяемая через показатель преломления вещества, служит мерой электронной поляризуемости его молекул. В физико-химических исследованиях пользуются также удельной рефракцией: Удельная рефракция - это величина, характеризующая электронную поляризуемость единицы массы вещества в высокочастотном электромагнитном поле световой волны. Рефракция имеет размерность объема, отнесенного к определенной порции вещества: удельная рефракция – (см3 /г); молекулярная – (см3 /моль). Удельная и молярная рефракции не зависят от внешних условий – температуры, давления, агрегатного состояния вещества. Рефракция подчиняется правилу аддитивности: 1 Для индивидуального вещества: рефракция молекулы равна сумме атомных рефракций или сумме рефракций связей: Rмолекулы = ΣRатомов; Rмолекулы = ΣRсвязей. С помощью этого правила проводится идентификация органических соединений. Для растворов и смесей веществ: рефракция смеси равна сумме рефракций отдельных компонентов с учётом их концентрации: Rсмеси = R1·х1 + R2·х2; rсмеси = r1·ω1 + r2·ω2 или rсмеси = r1·ω1 + r2(1-𝜔1) где х – молярная доля компонента в смеси; ω – массовая доля компонента в смеси. С помощью этого правила проводится количественный анализ бинарных смесей. Для показателя преломления многокомпонентной смеси уравнение будет иметь следующий вид: n n0 с1 F1 с2 F2 с3 F3 ... сn Fn где с1, с2, с3 — концентрации компонентов с порядковым номером от 1 до n; F1, F2, F3, — факторы показателей преломления компонентов с порядковым номером от 1 до n. Явление полного внутреннего отражения Это явление, возникающее при переходе луча света из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, лежит в основе работы рефрактометра. Полное внутреннее отражение возникает, когда весь свет, направленный из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, отражается обратно в оптически более плотную среду. Для понимания этого явления рассмотрим рисунок. Синяя стрелка: луч света преломляется, проходя из оптически более плотной среды (n2) в оптически менее плотную (n1). Угол падения α увеличивается (зеленая стрелка): когда угол падения α возрастает (1), он может достигнуть критической величины, после которой свет не проходит в оптически менее плотную среду (n1), а отражается вдоль раздела двух сред. Такой угол падения называют критическим углом полного внутреннего отражения. Заметим, что при этом угол отражения β = 90°. Вопросы для самоконтроля 1. Дайте определение понятию «рефрактометрия». 2. К какой группе методов относится этот анализ? 3. Что является аналитическим сигналом в рефрактометрии? 4. Сформулируйте закон Снеллиуса. 5. Назовите единицы измерения показателя преломления раствора. 6. Дайте определение относительному и абсолютному показателям преломления. 7. Опишите явление полного внутреннего отражения. 8. Сформулируйте закон аддитивности для рефрактометрии. 9. Назовите факторы, влияющие на величину показателя преломления. 10. Дайте определение понятию «фактор преломления». По какой формуле его рассчитать? 11. Дайте определение удельной и молекулярной рефракциям вещества. Лекция 7. Поляриметрия Впервые понятие о поляризации света было применено в оптике И. Ньютоном в 1704 г., хотя явления, обусловленные ею, изучались и ранее (открытие двойного лучепреломления в кристаллах Э. Бартолином в 1669 г. и его теоретическое рассмотрение Х. Гюйгенсом в 1678-1690 гг.). Сам термин “поляризация света” предложен в 1808 Э. Малюсом. Поляриметрия - метод физико-химического анализа, основанный на измерении вращения плоскости линейно поляризованного света оптически активными веществами. Большая часть оптически активных веществ - это органические соединения с ассимметричным атомом углерода, т. е. с таким, единицы сродства которого насыщены четырьмя различными заместителями. Соединения асимметричных атомов четырехвалентного олова, серы, селена, кремния и пятивалентного азота также оптически активны. Рассмотрим основные термины и понятия этого метода. Поляризация света Свет представляет собой сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. В некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация) проявляются его волновые свойства. В других явлениях (фотоэффект, эффект Комптона, люминесценция) обнаруживаются корпускулярные свойства. При изучении поляризации нас будут интересовать только волновые свойства света. Согласно электромагнитной теории свет представляет собой поперечную электромагнитную волну. Ее составляющие колеблются в двух взаимоперпендикулярных плоскостях. Длительность одного акта излучения атома раскаленного тела (источника света) порядка 10-8 с. Следующее излучение этого же атома ничем не связано спредыдущим, тем более с излучением огромного числа других атомов излучающего тела. Поэтому в волне естественного света колебания вектора Е происходят во всевозможных направлениях, перпендикулярных лучу, которые непрерывно меняются.Схематичное изображение такой волны показано на рисунке 1. Рисунок 1. Схематичное изображение электромагнитной волны Преобразование естественной световой волны в такую, в которой направление колебаний вектора напряженности электрического поля Е определенным образом упорядочено, называется поляризацией света. Таким образом, Поляризованный свет — световые волны, электромагнитные колебания которых распространяются только в одном направлении. Схематичное изображение поляризованного света представлено на рисунке 2. Рисунок 2. Схематичное изображение поляризованного света Все вещества в зависимости от их отношения к поляризованному свету разделяются на две группы: а) оптически неактивные; б) оптически активные – способные вращать плоскость поляризации. К ним относятся: глюкоза, пенициллин, стрептомицин и др. В зависимости от природы оптически активного вещества вращение плоскости поляризации может иметь различное направление и величину. Если от наблюдателя, к которому направлен свет, проходящий через оптически активное вещество, плоскость поляризации вращается по часовой стрелке, то вещество называют правовращающим и перед его названием ставят знак (+); если же плоскость поляризации вращается против часовой стрелки, то вещество называют левовращающим и перед его названием ставят знак (-). Угол вращения (α) — величина отклонения плоскости поляризации от начального положения, выражается в угловых градусах. Величина угла вращения зависит от природы оптически активного вещества, длины пути поляризованного света в оптически активной среде (чистом веществе или растворе) и длины волны света. Для растворов величина угла вращения зависит от природы растворителя и концентрации оптически активного вещества. Величина угла вращения прямо пропорциональна длине пути света, т. е. толщине слоя оптически активного вещества или его раствора. Влияние температуры в большинстве случаев незначительно. Удельное оптическое вращение [α]20D — выражается в радианах (рад.), представляет собой вращение, вызванное слоем жидкости или раствора оптически активного вещества, толщиной в 1 м, содержащим 1 г/мл вещества при прохождении через него поляризованного света с длиной волны D при температуре t. Удельное оптическое вращение – это константа оптически активного вещества. При отсутствии специальных указаний определение оптического вращения проводят при температуре 20 °С при длине волны линии D спектра натрия (589,3 нм). При определении [α] в растворах оптически активного вещества необходимо иметь в виду, что найденная величина может зависеть от природы растворителя и концентрации оптически активного вещества. Замена растворителя может привести к изменению [α] не только по величине, но и по знаку. Поэтому, приводя величину удельного вращения, необходимо указывать растворитель и выбранную для измерения концентрацию раствора. Удельное вращение определяют либо в пересчете на сухое вещество, либо из высушенной навески. Величину удельного вращения α уд рассчитывают по одной из следующих формул. Для жидких индивидуальных веществ: где α — измеренный по шкале поляриметра угол вращения, °; ℓ — толщина слоя жидкости, дм; ρ — плотность жидкого вещества, г/см3. Для веществ, находящихся в растворе: где С — концентрация растворенного вещества, %. отсюда можно вывести формулу для вычисления концентрации (С, %) вещества в растворе: Этой формулой можно пользоваться при содержании вещества в определенном интервале концентраций, в котором удельное вращение постоянно. Приборы для поляриметрических измерений Для проведения поляриметрических измерений применяют приборы — поляриметры. Для получения полностью или частично поляризованного света в них используется одно из трех физических явлений: 1) поляризация при отражении света или преломлении света на границе раздела двух прозрачных сред; 2) линейный дихроизм; 3) двойное лучепреломление. В любом поляриметре есть поляризатор и анализатор, между которыми располагается трубка (кювета) с анализируемым раствором. В качестве поляризатора и анализатора используют призмы Николя, изготавливаемые из оптически активного исландского шпата CaCO3. Если поляризатор и анализатор установлены так, что их плоскости поляризации параллельны между собой, то в отсутствие анализируемого раствора свет будет беспрепятственно проходить через оба устройства и наблюдаться в зрительную трубу. если анализатор повернуть на 90 °, то поляризованный свет, даваемый первым николем, через анализатор проходить не будет. Это положение называется «на темноту». С оптически активным анализируемым веществом в зрительной трубе появится свет. Чтобы вновь добиться темноты, анализатор необходимо повернуть на некоторый угол, равный углу вращения плоскости поляризации анализируемого вещества. величина угла вращения обычно отсчитывается на устройстве зрительной трубы. В так называемых полутеневых поляриметрах (рис. 6) измерение сводится к визуальному уравниванию яркостей двух половин поля зрения в окуляре и последующему считыванию показаний по шкале вращений. Полутеневые поляриметры достаточно широко применяются. Полутеневой поляризатор имеет две поляризационные призмы (3, 4), расположенные под небольшим углом, одна из которых закрывает половину поля зрения другой. при определенном положении анализатора обе половины рабочего поля в окуляре имеют одинаковую освещенность (рис. 7, а), т. е. не полностью погашены («полутень», откуда название). при малейшем повороте анализатора относительная освещенность этих половинок резко меняется (рис. 7, б). Внешний вид поляриметра представлен на рисунке 8 Рисунок 8. Внешний вид поляриметра кругового СМ-3 Поляриметр СМ-3 промышленности: применяется пищевой, в химической, различных отраслях фармацевтической, полиграфической. Самое широкое применение поляриметры нашли в продуктовой промышленности, в производстве парфюмерии и бытовой химии. Преимущество поляриметрии: простота выполнения, незначительные затраты времени, если исследуемый объект содержит лишь одно оптически активное вещество или другие оптически активные вещества можно легко удалить. Недостатком поляриметрического метода является необходимость использования сравнительно больших навесок исследуемого объекта (навеска шоколада ‑ 26г), а также осветление растворов 1Н растворами ZnSO4, NaOH или КОН с последующим фильтрованием. Также большинство объектов кондитерского производства (пралиновые, шоколадные массы) содержат значительные количества нерастворимых в воде веществ. При растворении навески таких веществ в мерной колбе нерастворимая часть занимает значительный объём мерной колбы. В результате растворимая в воде часть пробы будет занимать не всю номинальную ёмкость мерной колбы. Тому вводят существенную поправку: вводят поправочный коэффициент на который умножают результат поляриметрического анализа: Вопросы для самоконтроля 1. Дайте определение понятию «поляриметрия». 2. Какие вещества называют оптически активными? Приведите примеры. 3. Как получить плоскополяризованный свет? 4. Опишите принцип работы поляриметра. 5. Перечислите условия для определения удельного оптического вращения. 6. Дайте определение понятию «угол вращения» 7. Как рассчитать концентрацию вещества в растворе при проведении поляриметрического анализа? 8. Перечислите преимущества и недостатки поляриметрического анализа. 9. Назовите области применения поляриметрического анализа. 10. Опишите принцип работы поляриметра. Тема 2.6 Хроматографический анализ 1. Лекция 8. Теоретические основы метода. Адсорбция вещества. Понятие подвижной и неподвижной фазы. Качественный и количественный хроматографический анализ. Классификация методов хроматографии по агрегатному состоянию фаз. Хроматография – это динамический физико-химический метод разделения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами – подвижной и неподвижной. Неподвижной фазой обычно служит твердое вещество (сорбент) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Подвижная фаза (элюент) представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу. Наглядное хроматографическое разделение представлено на рисунке 1. Рисунок 1 Схематическое изображение процесса хроматографического разделения Результат хроматографического разделения исследуемой смеси – это хроматограмма. Хроматограммы бывают внешние и внутренние. Внешняя хроматограмма – это график зависимости концентрации компонентов смеси от времени или от объёма элюата (подвижной фазы на выходе из колонки). Внутренняя хроматограмма – это распределение веществ в виде отдельных зон в колонке или, например, на бумаге (при бумажной хроматографии). Примеры внутренней и внешней хроматограмм представлены на рисунке 2 Рисунок 2. а) – внутренняя хроматограмма; б) внешняя хроматограмма Хроматографический метод был предложен в 1903 году русским ученым М.С. Цветом. Он высказал идею о возможности применения для хроматографического разделения смеси веществ различий и в других свойствах компонентов, в частности в растворимости труднорастворимых осадков. Стремительный рост развития хроматографии начался с 1931 года. Тогда были разработаны основы теории адсорбции и ионного обмена и синтезированы новые неорганические и органические сорбенты. Развитие хроматографии связано с именами Р. Куна, Е. Ледерера, А. Винтерштейна, А. Измайлова. Усилиями этих и многих других ученых были разработаны разнообразные варианты хроматографического анализа: тонкослойная (1938 г., Н. Измайлов), бумажная (1941 г., А. Мартин, Р. Синдж), газоадсорбционная (1940 г.), газожидкостная (1952 г., А. Мартин), капиллярная (1957 г., М. Голей), высокоэффективная жидкостная (60-е гг. XX в.), эксклюзионная (60-е гг. XX в.), ионная хроматография (1970 г., Х. Смолл, Т. Стивенс). Задачи хроматографических методов анализа: 1. разделение сложных смесей веществ на отдельные компоненты; 2. установление молекулярной структуры соединений; 3. определение количественного состава сложных смесей или количественного содержания отдельных компонентов; 4. формирование идентичности и однородности химических соединений [10]. Достоинства хроматографического метода: 1. одновременное сочетание разделения и определения нескольких компонентов; 2. при разделении используют различные типы взаимодействия сорбатов и неподвижной фазы, что позволяет разделять широкий круг веществ; 3. решение аналитические задач (разделение, идентификация, определение), так и препаративные (очистка, выделение, концентрирование); 4. на разделяемые вещества можно накладывать различные дополнительные поля (гравитационное, электрическое, магнитное и др.) 5. высокая эффективность хроматографического разделения по сравнению со статическими методами сорбции и экстракции [22]. Под эффективностью в хроматографии понимают способность системы ограничивать размывание зон разделяемых веществ. Эффективность колонки тем выше, чем пик, который получается при том же времени удерживания, и измеряется числом теоретических тарелок. Число теоретических тарелок характеризует число ступеней установления равновесия распределения вещества между подвижной и неподвижной фазами. Эффективность насадочных колонок вычисляют по формуле (1) n=16∙(l_R\/b_0)^2=5,54 ∙(l_R\/b_0)^2 (1) где lR − расстояние удерживания, мм; b0 и b0,5 − ширина пика у основания, и на половине его высоты соответственно, мм. Эффективность же капиллярных колонок оценивается числом эффективных теоретических тарелок и вычисляется по формуле (2) N=16∙(l^,_R\/b_0)^2=5,54 ∙(l^,_R\/b_0,5)^2 (2) где l′R – исправленное расстояние удерживания, мм. Хроматографические методы анализа можно классифицировать по следующим признакам: 1. цель хроматографического метода; 2. способ перемещения анализируемой смеси через слой неподвижной фазы; 3. механизм взаимодействия сорбента и сорбата; 4. в зависимости от способа получения; 5. агрегатное состояние подвижной и неподвижной фаз. По цели хроматографического метода: 1. аналитическая хроматография (метод качественного и количественного анализа смесей веществ); 2. препаративная хроматография (получение чистых целевых компонентов путем выделения их из сложных по составу объектов); 3. промышленная (производственная) хроматография. По способу перемещению анализируемой смеси через слой неподвижной фазы: 1. проявительная (элюентная) - метод, в котором газ-носитель или растворитель разделяет компоненты смеси на зоны: в верхней части остаются компоненты, которые хорошо сорбируются, а ниже располагаются менее сорбирующиеся компоненты. Хроматограмма данного метода представляет собой несколько пиков (при полном разделении количество пиков на хроматограмме равно числу компонентов смеси). Пики при оптимальных условиях разделения имеют форму гауссовой кривой (рисунок 3). Рисунок 3 - Вид хроматограммы при осуществлении элюентного разделения 2. Вытеснительная - метод, в котором разделяемые вещества перемещаются впереди вытеснителя в соответствии со скоростью движения вытеснителя. Разделяемые вещества в данном методе располагаются и на колонке, и на элюенте последовательно друг относительно друга и не разделены промежутками чистого сорбента, вследствие чего разделение в этом хроматографическом методе происходит хотя и полностью, но не количественно (рисунок 3). Рисунок 4 - Вид хроматограммы при осуществлении вытеснительного разделения 3. фронтальная – метод, в котором смесь веществ непрерывно вводится с жидкой подвижной фазой и разделяется в колонке на примыкающие друг к другу зоны с последовательно увеличивающимся числом компонентов, выходящих в порядке увеличения их сорбируемости (рисунок 5) [10, 13, 16]. Рисунок 5 - Вид хроматограммы при осуществлении фронтального разделения По механизму взаимодействия сорбента и сорбата: 1. аффинная взаимодействиях, хроматография характерных для – основана на некоторых специфических биологических и биохимических объектов (антитело и антиген, фермент и его субстрат или ингибитор, гормон и соответствующий рецептор); 2. адсорбционная хроматография основана на различной способности компонентов анализируемой смеси адсорбироваться твердым сорбентом; 3. распределительная хроматография – основана на различии в растворимости разделяемых веществ в неподвижной фазе (газовая хроматография) или на различии в растворимости веществ в подвижной и неподвижной жидких фазах; 4. ионообменная хроматография – основана на разной способности веществ к ионному обмену; 5. эксклюзионная хроматография – основана на различии в размерах и форме молекул разделяемы; 6. осадочная хроматография – основана на образовании отличающихся по растворимости осадков разделяемых веществ с сорбентом; 7. адсорбционно-комплексообразовательная хроматография – на возникновении координационных соединений разной устойчивости в фазе или на поверхности сорбента. По способу получения: 1. внутренняя хроматография — это распределение разделенных веществ вдоль колонки в виде отдельных полос (зон); 2. внешняя хроматография – это графическое изображение распределения веществ в элюате, кривая зависимости сигнала детектора хроматографа от времени или от объема элюата, прошедшего через колонку. По агрегатному состоянию подвижной и неподвижной фаз: жидкостная и газовая хроматография. В жидкостной подвижной фазой является жидкость, а в качестве неподвижной фазы выступает твердый адсорбент (жидкостно-адсорбционная хроматография) или жидкость, нанесенная на твердый инертный носитель (жидкостно-жидкостная хроматография). В газовой хроматографии подвижной фазой является газ, а в качестве неподвижной фазы выступает или твердый адсорбент (газоадсорбционная хроматография), или пленка нелетучей жидкости, нанесенная на инертный носитель (газо-жидкостная хроматография). Вопросы для самоконтроля 1. Дайте определение понятию «хроматография». 2. Дайте определение подвижной и неподвижной фазам в хроматографическом методе. 3. Дайте определение понятию «хроматограмма». Какие хроматограммы бывают? 4. Кто является основателем хроматографического метода? 5. Перечислите задачи хроматографических методов. 6. Дайте определение понятию «эффективности» в хроматографии. 7. По каким признакам можно классифицировать хроматографические методы? 8. Объясните сущность проявительной хроматографии. 9. Объясните сущность вытеснительной хроматографии. 10. Объясните сущность элюентной хроматографии. 11. Классифицируйте хроматографические взаимодействия сорбента и сорбата. методы по механизму Лекция 9. Элюэнтная и вытеснительная хроматография. Хроматографический пик и элюэционные характеристики. Элюентная (проявительная) хроматография – наиболее распространенный метод, при котором порцию анализируемой смеси А + В вводят в верхнюю часть колонки в поток подвижной фазы Е, после чего компоненты смеси распределяются между подвижной и неподвижной фазами (рис.1а). Поскольку сорбция является обратимой, осуществляется непрерывный переход из подвижной фазы в неподвижную, и наоборот. Компонент в подвижной фазе продвигается сквозь слой сорбента, и скорость прохождения колонки веществом с большей сорбционной способностью ниже, чем с меньшей. Различие в скоростях приводит к разделению компонентов на полосы, расположенные вдоль всей длины колонки. Продвижение полос к выходу из колонки происходит в подвижной фазе (рис.1б, в, г). Процесс вымывания вещества называется элюированием. Если в конце колонки поместить прибор - детектор, регистрирующий изменение концентрации в потоке, и откладывать значение величины сигнала С от времени, получится серия пиков. Такой график называется дифференциальной хроматограммой (рис.1д). Хроматограмму можно использовать для качественного и количественного определения состава смеси. Схема элюентной хроматографии представлена также на рисунке 2. Рисунок 2. Схема элюентной хроматографии Параметры хроматографического пика. Хроматограмма - зарегистрированная во времени последовательность показаний регистратора. Каждому разделенному компоненту смеси соответствует свой пик на хроматограмме. По оси абсцисс откладывается время (или расстояние), по оси ординат — величина аналитического сигнала, которая тем больше, чем выше содержание данного компонента в разделяемой смеси. На рис. 3 схематически показан общий вид хроматограммы в случае разделения трехкомпонентной смеси, состоящей из компонента 1 и компонента 2, сорбируемых в колонке, и компонента, не сорбируемого в колонке. Каждому из трех компонентов на хроматограмме отвечает свой пик. В данном случае по оси абсцисс отложено время. Вертикальной стрелкой отмечен момент ввода пробы, от которого отсчитывается время τ. Величина τ1 — время удерживания компонента 1, величина τ2 — время удерживания компонента 2, величина τо — время выхода несорбируемого компонента. В данном случае оба компонента 1 и 2 разделяются полностью, поэтому их пики Не накладываются друг на друга. Время удерживания — качественная характеристика каждого компонента; измеряется от момента ввода пробы до момента выхода максимума (вершины) пика. Оно зависит от природы хроматографируемого вещества и газа-носителя, скорости прохождения ПФ через хроматографическую колонку, от природы и массы НФ, температуры, длины колонки. Чем выше коэффициент распределения хроматографируемого вещества, тем больше и его время удерживания. Время выхода τо несорбируемого компонента (например, растворителя) определяется соотношением τ=L/ν, где L — длина хроматографической колонки, v — линейная скорость движения потока газа-носителя. Исправленное время удерживания 1, 2 соответственно компонентов 1 и 2, равное 1= 1 - 0, 2 = 2 - 0, — это время, в течение которого данный компонент находится в НФ. Исправленное время удерживания пропорционально коэффициенту распределения данного компонента разделяемой смеси. . Рисунок 3 Схематическое изображение хроматограммы в случае разделения трехкомпонентной смеси: τо — время выхода несорбируемого компонента; τ1 — время удерживания компонента 1; τ2 — время удерживания компонента 2; а (1) и a (2) — ширина пиков компонентов 1 и 2; а(1)½ и a(2)½ — полуширина пиков компонентов 1 и 2: Δτ — разделение пиков На практике часто измеряют не время удерживания, а расстояние удерживания l, пропорциональное времени удерживания, т.е. расстояние (например, в мм) на хроматограмме от точки, соответствующей моменту ввода пробы, до абсциссы, отвечающей положению максимума (вершины) пика. Кроме времени удерживания иногда используют такой параметр, как объем удерживания (удерживаемый объем), равный объему ПФ, который выносит из колонки все данное вещество. Объем удерживания V зависит от скорости ν движения ПФ и равен произведению времени удерживания τ на эту скорость: V = При постоянных условиях хроматографирования (скорость потока, давление, температура, состав фаз) значения времени удерживания и удерживаемого объема V строго воспроизводимы и могут быть использованы для идентификации веществ. Влияние регулируемых факторов на показатели хроматографического анализа. К числу регулируемых факторов можно отнести: 1. размер и однородность частиц сорбента; 2. длину колонки; 3. скорость газа-носителя; 4. температуру колонки; 5. объем вводимой пробы. 1. Увеличение диаметра зерен приводит к увеличению размывания пика. Поэтому следует работать с сорбентом, имеющим минимальную крупность и максимальную однородность по крупности. Чаще всего используют фракции носителя с диаметром зерен 0,15-0,20 и 0,20-0,30 мм. 2. С увеличением длины колонок улучшается разделение. Так, увеличивая длину колонки с 1 м до 4 м. можно увеличить критерий разделения в два раза, увеличение же длины от 3 до 4 м дает весьма малый выигрыш в разделении. 3. Предел удлинения колонки достигается очень быстро. При использовании носителя с зернением 0,15-0,20 мм колонки длиной выше 5 м при оптимальной скорости газа-носителя имеют на выходе давление 2,5-3,5×105 Па, что препятствует вводу пробы шприцем. 4. Значительное уменьшение скорости газа-носителя может привести к снижению критерия разделения, а увеличение скорости лишь немного уменьшает его значение. 5. Температуру анализа следует подбирать экспериментально; увеличение ее приводит к уменьшению допустимого объема пробы и, соответственно, ширины пика на хроматограмме. 6. Размер введенной пробы должен отвечать двум требованиям, противоречащим друг другу: - проба должна быть настолько малой, чтобы не ухудшалось разделение компонентов; - проба должна быть настолько большой, чтобы при заданных условиях хроматографирования и детектирования количество определяемого вещества можно было измерить. Вопросы для самоконтроля 1. Что такое: а) общее время удерживания; б) приведенное (исправленное) время удерживания; в) общий удерживаемый объем; г) приведенный (исправленный) удерживаемый объем? 2. В чем сущность качественного хроматографического анализа по величине удерживаемого объема? 3. Почему предпочитают использовать исправленный удерживаемый объем, а не объем удерживания? 4. Какие хроматографические параметры можно использовать для идентификации компонентов смеси? 5. Почему идентификацию компонентов не рекомендуется вести поабсолютным временам удерживания? 6. Какие другие способы идентификации компонентов применяют в хроматографическом анализе? 7. Можно ли сделать вывод о природе веществ на основании хроматографических данных? 8. Как зависит время (объем) удерживания от растворимости соединения в подвижной фазе? 9. Что такое относительный удерживаемый объем и относительное время удерживания? 10. В чем сущность основных методов количественной хроматографии: а) нормировки с поправочными коэффициентами; б) абсолютной калибровки; в) внутреннего стандарта? 11. Укажите возможности и ограничения различных количественных методов хроматографического анализа. 12. Как можно измерить площадь пика на хроматограмме? Какой зависимостью связана площадь пика с концентрацией вещества? 13. Почему способ абсолютной калибровки сравнительно редко применяют в хроматографических лабораториях? 14. Как повысить точность определения компонента по методу нормировки? 15. Какие параметры хроматографичеcкого пика используют для количественного анализа? 16. В каких случаях в количественном хроматографическом анализе измеряют высоту пика? площадь пика? Лекция 10. Газовая хроматография Газовая хроматография – это вариант хроматографии, в котором подвижной фазой является инертный газ (газ-носитель), протекающий через неподвижную фазу, обладающую большой поверхностью. Обычно в качестве подвижной фазы используют гелий, азот, аргон, водород, диоксид углерода или воздух. Газ-носитель должен быть инертным по отношению к разделяемым веществам и сорбенту, взрывобезопасным и достаточно чистым. Выбор газа-носителя в каждом конкретном случае должен обеспечивать соответствие его физических свойств получению высокой эффективности колонки и достаточной чувствительности детектора. Баллоны с газом-носителем представлены на рисунке 1. В России принята цветовая маркировка газовых баллонов. Рисунок 1. Баллоны с газом-носителем для газовой хроматографии В зависимости от агрегатного состояния неподвижной фазы газовая хроматография подразделяется на газоадсорбционную, когда неподвижной фазой является твердый адсорбент, и газожидкостную, когда неподвижной фазой является жидкость, нанесенная на поверхность твердого носителя. В газовой хроматографии используется преимущественно элюентный (проявительный) способ проведения процесса хроматографирования . Газовая хроматография – метод разделения летучих соединений. Этим методом можно проанализировать газообразные, жидкие и твердые вещества с молекулярной массой меньше 400, удовлетворяющие определенным требованиям, главные из которых – летучесть, термостабильность, инертность и легкость получения. Количественный анализ можно провести только в том случае, если вещество термостойко, т.е. испаряется в дозаторе воспроизводимо и элюируется из колонки без разложения. При разложении вещества на хроматограмме появляются ложные пики, относящиеся к продуктам разложения. Вид хроматограммы разложения газовой смеси представлен на рисунке 2. Рисунок 2. Пример хроматограммы газовой смеси Вещество не должно образовывать устойчивых сольватов при растворении в неподвижной жидкой фазе и реагировать с материалами, из которых изготовлены детали хроматографа. Этим требованиям удовлетворяют, как правило, органические вещества, поэтому газовую хроматографию чаще используют как метод анализа органических соединений, хотя этим методом можно определять почти все элементы периодической системы в виде летучих соединений. Газотвердофазная (газоадсорбционная) хроматография Газоадсорбционная хроматография - метод разделения и анализа смесей газо- или парообразных веществ, основанный на их различной адсорбции твёрдыми адсорбентами, другое название метода - газотвердофазная хроматография. В газоадсорбционной хроматографии в качестве неподвижной фазы применяют различные адсорбенты – высокодисперсные искусственные или природные тела с высокой удельной поверхностью (10–1000 м2/г), поглощающие газы или пары. Адсорбция молекул из газовой фазы происходит за счет межмолекулярных взаимодействий, имеющих электростатическую природу; возможно образование водородной связи, но вклад этого взаимодействия уменьшается с ростом температуры. Адсорбент должен обладать следующими основными свойствами: необходимой селективностью, отсутствием каталитической активности химической инертностью к компонентам разделяемой смеси, достаточной механической прочностью. Основными адсорбентами, применяемыми в газоадсорбционной хроматографии, являются активированные угли, силикагели, оксид алюминия. Неоднородность поверхности активных адсорбентов не дает возможности определять сильно адсорбирующиеся полярные молекулы, однако, в последнее время промышленностью выпускаются адсорбенты с достаточно однородной поверхностью, такие, как пористые стекла, пористые полимеры, синтетические цеолиты (молекулярные сита), макропористые силикагели (силохром, порасил, сферосил), позволяющие проводить анализ смесей сильнополярных веществ. Внешний относительный размер представлены на рисунке 3. вид адсорбента и его Рисунок 3. Внешний вид адсорбента для газовой хроматографии Наиболее широко метод газоадсорбционной хроматографии применяют для анализа смесей газов и низкокипящих углеводородов, не содержащих активных функциональных групп. Например, для разделения О 2, N2, СО, СН4, СО2 с успехом применяют глинистые материалы, сорбенты, называемые порапаками, используют для разделения гидридов металлов (Ge, As, Sn, Sb). Метод ГАХ на колонках с пористыми полимерными сорбентами– удобный и быстрый способ определения воды в неорганических и органических материалах. Газожидкостная хроматография В аналитической практике чаще используют метод газожидкостной хроматографии. Это связано с чрезвычайным разнообразием жидких неподвижных фаз. В газожидкостной хроматографии неподвижной фазой служит практически нелетучая при температуре колонки жидкость, нанесенная на твердый носитель. Количество жидкой фазы составляет 5-30% от массы твердого носителя. К жидкой фазе предъявляется ряд жестких требований: 1. способность хорошо растворять компоненты смеси (если растворимость мала, компоненты выходят из колонки очень быстро); 2. инертность по отношению к компонентам смеси и твердому носителю; 3. малая летучесть (чтобы не испарялась при рабочей температуре колонки); 4. термическая устойчивость; 5. достаточно высокая селективность, т.е. способность разделять смесь компонентов; 6. небольшая вязкость (иначе замедляется процесс диффузии); 7. способность образовывать при нанесении на носитель равномерную пленку, прочно с ним связанную. Природа жидкой фазы является тем основным фактором, который определяет последовательность выхода компонентов из колонки. В качестве жидких фаз применяются неполярные парафины (например, сквалан, вазелиновое масло, апиезоны), умеренно полярные ( сложные эфиры, нитрилы и др.) и полярные (полиэтиленгликоли или карбоваксы, гидроксиламины и др.) Каждая жидкая фаза имеет температурные пределы применения. Нижний температурный предел – минимальная рабочая температура, соответствующая застыванию жидкой фазы. Обычно выбирают минимальную рабочую температуру колонки выше точки застывания жидкой фазы на 10-15 С. Верхний температурный предел – максимальная допустимая рабочая температура (МДРТ) жидкой фазы, выше которой она начинает разрушаться, при этом образуются летучие соединения, уносимые из колонки. Практика использования жидких фаз для анализа показывает, что необходимо работать с ними при температурах на 20-30 С ниже МДРТ жидкой фазы. Наибольшим температурным диапазоном использования в газожидкостной хроматографии обладают кремнийорганические полимеры, например, метилсиликоны – жидкости при комнатной температуре, а МДРТ их достигает 300-350 С. Наиболее термостабильными жидкими фазами являются карборан-силоксановые полимеры, в которые входят атомы бора, кремния и углерода. МДРТ этих соединений достигает400 С. Твердым носителем обычно служит практически инертное твердое вещество, на которое наносят неподвижную жидкость. Основное назначение твердого носителя в хроматографической колонке – удерживать жидкую фазу на своей поверхности в виде однородной пленки. В связи с этим твердый носитель должен иметь значительную удельную поверхность (0,5-10 м2/г), причем она должна быть макропористой во избежание адсорбции компонентов пробы. Кроме того, твердый носитель должен обладать следующими качествами: отсутствием каталитической активности, достаточной механической прочностью, стабильностью при повышенных температурах, однородностью пор по размерам, максимальной однородностью размера зерен. Однако до настоящего времени не создано универсального носителя, удовлетворяющего всем перечисленным требованиям. В качестве твердых носителей в газо-жидкостной хроматографии используются диатомиты (кизельгур, инфузорная земля), синтетические кремнеземы (макропористые силикагели, широкопористые стекла, аэросилогели), полимерные носители на основе политетрафторэтилена и т.д. Часто используют модифицированные носители, ковалентно связанные с «жидкой» фазой. При этом стационарная жидкая фаза более прочно удерживается на поверхности даже при самых высоких температурах колонки. Химически связанная неподвижная фаза более эффективна. Аппаратурное оформление газовой хроматографии Для проведения газохроматографических анализов применяются специальные приборы – газовые хроматографы. Внешний вид хроматографа представлен на рисунке 4. Рисунок 4. Внешний вид газового хроматографа Газовые аналитические (лабораторные) хроматографы предназначены для разделения и анализа исследуемых смесей. Это хроматографы марок ХЛ3, ЛХМ-8МД, ЛХМ-80, модели лабораторных хроматографов, объединенных общим названием «Цвет-100». В настоящее время разработаны аналитические газовые хроматографы серии «Цвет-500», «Цвет-500М», «Цвет-2000», «Милихром АО2». Кроме аналитических имеются промышленные хроматографы двух типов: автоматические – для контроля производственных процессов (ХТП63, ХПА-4, ХП-499) и препаративные – для получения чистых веществ (Эталон-1). Внешний вид промышленного хроматографа представлен на рисунке 5. Рисунок 5 Внешний вид промышленного хроматографа Промышленные газовые хроматографы отличаются от лабораторных устройством для автоматического ввода пробы, а также наличием устройства-преобразователя выходного сигнала прибора в форму, удобную для представления оператору. Промышленные хроматографы выполняются в виде двух самостоятельных блоков, один из которых устанавливается в производственном помещении вблизи точки отбора пробы. Второй блок может быть размещен на большом расстоянии от первого на пульте контрольно-измерительных приборов. Промышленные хроматографы применяются для контроля процессов выделения и очистки (например, в производстве легких бензинов, синтетического каучука, этилового спирта), для контроля реакционных процессов, таких как полимеризация, пиролиз, синтез разнообразных продуктов (например, синтез формалина, аммиака, окиси этилена), для контроля токсических веществ в воздухе промышленных предприятий и т.д. В настоящее время промышленные газовые хроматографы получили всеобщее признание как основное техническое средство контроля и регулирования технологических процессов химических и нефтехимических предприятий. Основные узлы газового хроматографа Современный газовый хроматограф состоит из следующих основных частей (рис.6) 1. Устройство подготовки пробы для хроматографического анализа (обогащение, концентрирование, пиролиз). 2. Баллон с газом-носителем и блок подготовки газа-носителя, включающий в себя очистку газа, установку расхода газа или давления, измерение расхода газа. 3. Устройство для ввода пробы и для ее испарения – дозаториспаритель. 4. Блок анализатора, включающий в себя хроматографическую колонку и термостат колонки, регулирующий нужную температуру и измеряющий ее. 5. Детектор, преобразующий изменение состава компонентов в электрический сигнал. 6. Регистратор, записывающий результаты хроматографического анализа. 7. Электронный интегратор, автоматически фиксирующий площадь пика и время его выхода; цифропечатающее устройство, дисплей. Основные узлы газового хроматографа представлены на рисунке 6. Рисунок 6. Основные узлы газового хроматографа Одним из основных узлов газового хроматографа является дозатор, который предназначен для точного количественного отбора пробы и введения ее в хроматографическую колонку. В каждом хроматографе дозатор-испаритель устанавливается непосредственно у входа в хроматографическую колонку. Он представляет собой небольшую емкость, соединенную с началом хроматографической колонки и снабженную самоуплотняющейся термостойкой резиновой мембраной. В дозаторе следует поддерживать такую температуру, при которой происходило бы полное и быстрое испарение жидкого образца. Жидкую пробу дозируют микрошприцем, впуск газообразных проб часто осуществляют медицинским шприцем. В зависимости от концентрации и числа разделяемых компонентов объем вводимого газообразного образца колеблется от 1 до 10 мл, а объем жидкого образца – от 0,1 до 10 мкл. Вместе с газом-носителем введенный парообразный образец поступает в колонку, где происходит его сорбция. Хроматографические колонки различны по форме, размерам и материалам. Наиболее распространены спиральные, U- и W - образные колонки длиной от 2 ми менее до нескольких десятков метров. Внутренний диаметр колонок обычно от 3 до 6 мм. Колонки изготавливают из нержавеющей стали, меди, латуни, стекла. Материал колонок должен обладать химической инертностью по отношению к компонентам пробы. Внешний вид хроматографических колонок представлен на рисунке 7. Рисунок 7. Внешний вид хроматографических колонок Большое влияние на сорбируемость газа оказывает температура, поэтому хроматографические колонки, как правило, термостатируются. Обычно термостатирование производится при температурах, значительно превышающих комнатные, однако в некоторых случаях создаются температуры ниже 0 С при разделении низкокипящих газов. Для обнаружения изменений в составе газа, прошедшего через колонку, предназначен детектор. Последний непрерывно измеряет концентрацию компонентов на выходе их из хроматографической колонки и преобразует концентрацию в электрический сигнал, который регистрируется самопишущим прибором. Детекторы Одним из наиболее распространенных детекторов является катарометр. Принцип его работы основан на измерении сопротивления нагретой вольфрамовой нити, которое зависит от теплопроводности омывающего газа. Количество теплоты, отводимое от нагретой нити при постоянных условиях, зависит от состава газа. Чем больше теплопроводность газа-носителя, тем большей чувствительностью будет обладать катарометр. Наиболее подходящим газом-носителем с этой точки зрения является водород, теплопроводность которого значительно превышает соответствующую характеристику большинства других газов. Однако в целях техники безопасности чаще применяется гелий, теплопроводность которого также достаточно велика. Достоинствами катарометра являются простота, достаточная точность и надежность в работе. Однако из-за невысокой чувствительности он не применяется для определения микропримесей. Схема строения катарометра представлена на рисунке 8. Рисунок 8. Схема строения катарометра Наибольшей детекторы, чувствительностью например, обладают пламенно-ионизационный, ионизационные позволяющий обнаруживать до 10-10г. В этих детекторах измеряют электрическую проводимость пламени водородной горелки. При появлении в пламени водорода примесей органических соединений происходит ионизация пламени, пропорциональная концентрации примеси, что легко может быть измерено. Недостатком данного детектора является то, что он применим только для анализа органических веществ, а к неорганическим, таким как аммиак, сероводород, кислород, азот, оксид серы, оксид углерода и т.д., чувствительность детектора резко падает. Принцип работы этого детектора представлен на рисунке 9. Рисунок 9. Принцип работы пламенно-ионизационного детектора. Очень высокой чувствительностью обладает аргонный детектор, ионизация в котором происходит при столкновении молекул определяемого вещества с метастабильными атомами аргона, образующимися под действием радиоактивного β-излучения. В термоионном детекторе в пламя горелки вводят соли щелочных металлов. При попадании в такое пламя соединений фосфора появляется ионный ток, пропорциональный содержанию атомов фосфора. Это - селективный фосфорный детектор высокой чувствительности. Известны другие типы детекторов: термохимические, пламеннофотометрические, микрокулонометрические, ультразвуковые и т.д. Практическое применение газовой хроматографии Газовая хроматография – один из наиболее перспективных физикохимических методов анализа. В настоящее время вряд ли существует научноисследовательская анализом или производственная органических веществ, в лаборатория, которой занимающаяся отсутствовала бы хроматографическая аппаратура. Методом газовой хроматографии анализируют нефтяные и рудничные газы, воздух, продукцию основной химии и промышленности основного органического синтеза, нефть и продукты ее переработки, металлоорганические соединения и т. д. Газовая хроматография используется в биологии, медицине, в технологии переработки древесины, в лесохимии и пищевой промышленности. Выпускаемая аппаратура позволяет анализировать не только вещества, представляющие собой в нормальных условиях газы, но и высоко-кипящие соединения, фармацевтические препараты, различные пестициды. Газовая хроматография производственных применяется процессов. Датчик также для автоматизации промышленного хроматографа используется не только как регистрирующий прибор, но и как регулирующее устройство, подающее механизмам. Таким сигналы образом, непосредственно промышленный исполнительным хроматограф может контролировать и регулировать важнейшие параметры технологического процесса: температуру, давление, расход сырья и т. д. Из физико-химических применений газовой хроматографии следует отметить возможность изучения термодинамики сорбции, определения молекулярных масс, давления пара веществ, коэффициентов диффузии, поверхности адсорбентов и катализаторов. Важной особенностью газовой хроматографии является возможность определения в различных продуктах микропримесей. В настоящее время методом газовой хроматографии удается определять концентра-ции порядка 10-10%. Это делает метод незаменимым при анализе мономеров, используемых в производстве полимерных материалов, а также при исследовании биосферы Вопросы для самоконтроля 1. Какова роль подвижной фазы в газовой хроматографии? 2. Какими способами проба анализируемой смеси веществ вводится в хроматографическую установку в газовой хроматографии? 3. Какое практическое значение имеет газовая хроматография? 4. Каковы области применения, достоинства и недостатки методов адсорбционной хроматографии? 5. Какие требования предъявляются к адсорбентам и растворителям? 6. Какие устройства используют в качестве дозаторов? 7. Какие требования предъявляются к жидкой фазе в газожидкостной хроматографии? Какие вещества используют в качестве жидкой фазы? В качестве твердого носителя? 8. В каком хроматографическом методе основной фактор, определяющий удерживание компонента – растворение в неподвижной фазе? 9. Назовите три способы детектирования в газовой хроматографии. 10. Какова роль основных узлов в газовом хроматографе? Лекция 11. Жидкостная хроматография. Область применения. Схема жидкостного хроматографа. Жидкостная хроматографияэто метод разделения и анализа сложных смесей веществ, в котором подвижной фазой служит жидкость. Высокоэффективная жидкостная хроматография В классическом варианте колоночной жидкостной хроматографии, стеклянную колонку высотой 1–2 м заполняют сорбентом с размером частиц >100 мкм и элюентом. Далее вводят анализируемую пробу, растворенную в элюенте, и продолжают пропускать элюент, отбирая на выходе из колонки порции элюата. Поскольку элюент под действием только силы тяжести проходит медленно, такой анализ занимает много времени. Современный высокоэффективная вариант жидкостной хроматографии жидкостная хроматография. В этом – варианте используется колонка диаметром от 2 до 4,6 мм, длиной от 30 мм, наполненная сорбентом с размером частиц до 10 мкм, а также нагнетательные насосы, обеспечивающие давление в системе до 400 атм. Высокоэффективная жидкостная хроматография подразумевает использование специальных приборов — хроматографов. Строение хроматографа для высокоэффективной жидкостной хроматографии Хроматограф – это прибор, разделяющий сложные смеси веществ хроматографическим методом. Высокоэффективный жидкостный хроматограф, схема изображена на рисунке 1, состоит из таких основных элементов, как: - одного или нескольких резервуаров для элюента; - насоса высокого давления; - устройства ввода пробы – инжектора или автосамплера; - хроматографической колонки, помещенной в термостат; - детектора; - управляющего модуля. которого Рисунок 1 – Схема высокоэффективного жидкостного хроматографа Резервуар для подвижной фазы Количество резервуаров для подвижной фазы определяется выбранным вариантом хроматографирования: при изократическом элюировании, когда на протяжении всего анализа используется один, уже готовый элюент, достаточно одного резервуара. Если же используется градиентное элюирование, при котором в течение анализа изменяется состав подвижной фазы, используют несколько резервуаров для элюента. Также предъявляются требования к материалу резервуара – он должен быть инертен по отношению к элюенту и пробе. Обычно используются стеклянные резервуары. Насосная система Для высокоэффективной жидкостной хроматографии используют возвратно-поступательные плунжерные насосы. Насос регулирует скорость потока подвижной фазы и создает давление, чтобы было возможно прокачать элюент через колонку. При градиентном элюировании в насосе также происходит смешивание элюентов в потоке. Устройство ввода пробы Для ввода пробы в поток подвижной фазы используются специальные впрыскивающие устройства – ручные инжекторы или автоматические (автосамплеры). Их разница заключается в том, что в ручной инжектор проба подаётся оператором (человеком), а в автосамплере это полностью автоматический процесс, не требующий участия человека. Инжекторы могут быть универсальными и дискретными, то есть с возможностью изменения объема пробы или с постоянным объемом соответственно. Зачастую используются петельные инжекторы с шестиходовым поворотным краном. Принцип его работы показан на рисунке 2. В положении ввода образца элюент от насоса направлен на прямую в колонку (и далее к детектору); проба вводится в петлю – или наполняя ее полностью, при этом излишки будут уходить в слив, а объем пробы будет равен объему петли, или вводя только определенный, заранее отмеренный объем шприцем, который не должен превышать половины объема петли. В положении ввода образца элюент от насоса направляется в петлю, захватывая в систему пробу, и выходит в колонку и к детектору. Рисунок 2 – Принцип работы крана ввода пробы инжектора Хроматографическая колонка Для высокоэффективной жидкостной хроматографии используются преимущественно стальные колонки, поскольку стеклянные не могут выдержать высокое давление. Колонку помещают в термостат для поддержания постоянной температуры, необходимой для наиболее эффективного разделения смесей. В качестве неподвижной фазы могут применяться сорбенты с различными типами частиц, которые изображены на рисунке 3. Рисунок 3 – Типы частиц неподвижной фазы Полностью пористые частицы имеют диаметр 1,5—5 мкм. Они наиболее часто используются в высокоэффективной жидкостной хроматографии, так как имеют очень большую площадь поверхности, обеспечивая хорошую удерживаемость молекул образца. Примером сорбента с таким типом частиц является измельченный силикагель. Поверхностно-пористые частицы имеют твердое ядро и пористую внешнюю оболочку. Их диаметр составляет 2—5 мкм, а толщина внешней оболочки — 0,25—0,5 мкм. Микро-пелликулярные частицы — это твердые сферы, покрытые тонким слоем неподвижной фазы. Их площадь поверхности мала, поэтому они плохо удерживают частицы исследуемого образца. В основном их применяют для разделения крупных молекул, и для определения основных компонентов смеси. Перфузионные частицы довольно крупные — до 10 мкм, они состоят из крупных проходных пор диаметром 200—400 нм, соединенных сеткой мелких диффузионых пор диаметром 30—100 нм. Применяют их обычно для препаративного разделения макромолекул. Детектор Современные хроматографы оборудованы детекторами, которые измеряют различные показатели в элюате. Детектор – это специальный блок хроматографической системы, реагирующий на различия между чистым элюентом и элюентом, содержащим компоненты разделяемой смеси. По сигналу детектора строится внешняя хроматограмма. Детекторы делятся на универсальные и селективные. Универсальные детекторы реагируют на показатели, характерные для всех компонентов смеси, а селективные избирательно реагируют на определенный тип соединений, обладающих общими свойствами. Универсальные детекторы могут определять показатель преломления, электропроводность как общую характеристику подвижной фазы. Селективные детекторы могут измерять, например, поглощение ультрафиолетового излучения, флуоресценцию, диффузионный ток и так далее. На сегодняшний день в высокоэффективной жидкостной хроматографии используют следующие детекторы: - рефрактометры Френеля, измеряющие показатель преломления элюата; - интерферометры, в которых коэффициент преломления измеряется методом интерференции света; - фотометрические, которые в свою очередь делятся на детекторы с фиксированной длиной волны, детекторы с длиной волны, дискретно изменяемой с помощью оптических фильтров, спектрофотометрические детекторы на фотодиодных линейках и спектрофотометрические детекторы с плавно изменяемой длиной волны; - флуориметрические, действие которых основано на том, что многие вещества при поглощении избыточной энергии способны давать люминесцентное (флуоресцентное) излучение; - кондуктометрические, измеряющие проводимость, то есть количество заряженных частиц в растворе; - вольтамперометрические, которые измеряют электрический ток, возникающий при окислении (восстановлении) регистрируемого вещества на поверхности рабочего электрода при подаче на него определенного напряжения; - масс-спектрометрические. Масс-спектрометрические детекторы Масс-спектрометрия — это физико-химический метод анализа, который заключается в переводе молекул образца в ионизированную форму с последующим разделением и регистрацией образующихся при этом положительных или отрицательных ионов. Масс-спектр позволяет сделать выводы о молекулярной массе соединения, его составе и структуре. Масс-спектрометр должен проводить запись спектра (сканирование) с достаточной частотой, чтобы зарегистрировать масс-спектр каждого соединения несколько раз. Желательно получить 5–10 спектров каждого компонента смеси. Для количественного анализа очень важна скорость сканирования. Недостаточное количество сканирований приводит к искажению площади хроматографического пика. Современные приборы позволяют сканировать спектр за 0,1–0,5 с, что достаточно хорошо сочетается с шириной хроматографического пика, составляющей несколько секунд. В качестве детектора масс-спектрометр работает в селективном режиме, то есть сканирует спектр конкретных, заданных ионов. Благодаря этому получается минимизировать шумы и получить более четкие пики на хроматограмме. Масс-спектрометрические детекторы бывают одностадийные или массселективные, которые регистрируют только одну группу ионов. Система, в которой они используются, называется ЖХ-МС. А также детекторы, осуществляющие селективную регистрацию множественных реакций распада ионов. Такие детекторы используются в системе ЖХ-МС/МС. Они выделяют группы первичных ионов (родительских ионов или ионовпредшественников), которые фрагментируются в дочерние ионы или ионыпродукты, и отслеживают один или несколько из них. Для того, чтобы масс-спектрометр был полезен в высокоэффективной жидкостной хроматографии как детектор, подвижная фаза должна быть испарена, а компоненты образца ионизированы. За это отвечают интерфейсы масс-спектрометрических детекторов, в которых реализованы различные методы ионизации. Основными являются ионизация электрораспылением, химическая ионизация и электронная ионизация. Метод ионизации электрораспылением или электроспреем основан том, что потенциал, приложенный к распылительной игле (капилляру), заряжает частицы образца. Далее подвижная фаза распыляется в нагретом интерфейсе, и растворитель испаряется, вследствие чего остаются газообразные ионы определяемы веществ. Такой интерфейс изображен на рисунке 3. При способе химической ионизации при атмосферном давлении, изображенной на рисунке 4, сначала происходит распыление подвижной фазы, а затем в газовой фазе молекулы образца ионизируются коронным разрядом (то есть самостоятельным газовым разрядом, возникающим в неоднородных электрических полях). Рисунок 3 – Ионизация электрораспылением Рисунок 4 – Химическая ионизация при атмосферном давлении Ионизация электронным ударом или электронная ионизация, схема которой изображена на рисунке 5, заключается в том, что электрон, пролетая вблизи молекулы, возбуждает ее электронную оболочку, в результате чего собственные электроны молекулы перемещаются на более высокие орбитали и могут выйти за границы действия ядерных сил. Пучок электронов генерируется катодом и ускоряется потенциалом по направлению к аноду. Вещество в газовой фазе при давлении 10–5–10–6 мм рт. ст. взаимодействует с электронами, образуя катион-радикал. Процесс ионизации формально можно представить уравнением: М + е– = М +∙ + 2е–. 1 – катод; 2 – анод; 3 – отверстие для ввода образца; 4 – выталкивающий электрод Рисунок 5 – схема ионизации электронным ударом После того, как определяемые компоненты ионизированы, они поступают в масс-анализаторы для разделения этих ионов по массе. Это разделение осуществляется на основании отношения массы иона к его заряду. Одними из самых часто используемых являются квадрокупольный масс-анализатор и ионная ловушка. Квадрокупольный анализатор, схема которого представлена на рисунке 14, состоит из четырех параллельных стержней круглого или гиперболического сечения. Квадруполи могут иметь разную длину и даже могут быть искривлены. Противоположные стержни электрически соединены и находятся под напряжением. Вторая пара стержней имеет равный по величине, но противоположный по знаку заряд, а фаза радиочастотной компоненты сдвинута на 180°. Ионы, вводимые в анализатор небольшим ускоряющим напряжением, колеблются под действием электрического поля. Так как каждый ион имеет свою собственную частоту, зависящую от массы, через квадруполь пролетают лишь те частицы, частота которых находится в резонансе (то есть совпадает) с радиочастотой квадруполя. Такой анализатор удобен для анализа белков, пептидов и других биологических молекул с применением электрораспыления, когда образование многозарядных ионов происходит в условиях атмосферного давления. Рисунок 6 – Схема квадрокупольного анализатора Ионная ловушка, изображенная на рисунке 7, состоит из трех электродов: двух концевых (полюсных) гиперболической формы, обычно имеющих потенциал Земли, и одного кольцевого электрода между ними, на который подается радиочастотное напряжение. Ловушка может удерживать ионы достаточно долгое время. Рисунок 7 – Схема ионной ловушки После прохождения анализатора пучок ионов направляется на специальное устройство – умножитель, которое преобразует поток ионов в усиленный поток электронов или фотонов. Это нужно для непосредственного детектирования ионов. Наиболее часто используемый электронный умножитель – это система бериллиево-медных динодов. Попадая на первый динод, напряжение на котором самое низкое, ионы выбивают с его поверхности эквивалентное количество электронов, затем эти электроны под действием приложенных к динодам увеличивающихся потенциалов ускоряются для последующих столкновений с поверхностью на каждой ступени динодной цепи, что приводит к нарастанию эмиссии (испускания) электронов. Последний динод соединен с предусилителем, который преобразует ток в напряжение в форме, удобной для цифровой компьютерной записи. В некоторых приборах пучок ионов ускоряется перед первым динодом электростатическим полем, рост энергии ионов приводит к увеличению выхода вторичных ионов и, следовательно, к повышению чувствительности. Вопросы для самоконтроля 1. Дайте определение понятию «жидкостная хроматография». 2. Опишите технические характеристики колонок для ВЭЖХ 3. Из каких блоков состоит жидкостной хроматограф? 4. Опишите принцип действия устройства для ввода пробы. 5. Объясните сущность метода ВЭЖХ 6. Объясните принцип действия масс-спектрометрического детектора. 7. Объясните принцип действия квадрокупольного анализатора. 8. Опишите метод ионизации вещества электрораспылением. 9. Какие детекторы применяются в ВЭЖХ? 10. Перечислите области, в которых применяется ВЭЖХ Лекция 12. катионообменников одноколоночная Ионообменнная хроматография. Типы и анионообменников. Двухколоночная и ионная хроматография. Хроматограммы в ионообменной хроматографии. Ионообменные смолы. В основе ионообменной хроматографии лежит обратимый стехиометрический обмен ионов, содержащихся в хроматографируемом растворе, на ионы веществ, называемых ионитами или ионобменниками. Иониты могут быть органические и неорганические, природные и синтетические. По знаку обменивающихся ионов различают катиониты (для обмена катионов) и аниониты (для обмена анионов). К природным ионитам относятся алюмосиликаты, некоторые сорта каменных углей, мягкие и твердые угли даже без предварительной обработки. В аналитической практике широко используют синтетические иониты. Ионообменники получают реакциями поликонденсации либо полимеризации, линейные цепи полимеров разветвлены и связаны друг с другом «мостиками», например, молекулами дивинилбензола; в состав ионитов входят различные функциональные (ионогенные) группы, которые и определяют наиболее характерные свойства ионитов. Иониты нерастворимы в воде, кислотах, щелочах и во многих органических растворителях, но способны набухать в воде. Органические катиониты содержат кислотные функциональные группы: – SO3 -, – PO3 -, – COO- , – OH- . Органические аниониты содержат группы основного характера: – NH2+; = NH+ , ≡N+ , – N(CH3)3+ . Катиониты представляют собой полиэлектролиты, диссоциирующие с образованием высокомолекулярного аниона (например, RSO3 -) и подвижного катиона (например, Н+ - иона),легко обменивающегося на другие катионы. Аниониты диссоциируют на высокомолекулярный катион (например, RNH+) и подвижный анион (например, ОН- ), способный обмениваться на другие анионы (R – высокомолекулярный углеводородный радикал ионообменной смолы). Реакции ионного обмена можно представить схематично следующим образом: RSO3H +CaCl2 ↔ R (RSO3)2Ca + 2HCl (катионный обмен) RN (CH3)3OH + NaCl ↔R RN (CH3)3Cl + NaOH (анионный обмен) Реакции ионного обмена обратимы и в первом приближении подчиняются закону действующих масс. Важной характеристикой ионита является его обменная емкость. Обменная емкость ионитов Обменная емкость (ОЕ) – количественная мера способности ионита поглощать противоионы. Численно обменную емкость выражают количеством поглощенных миллимоль эквивалентов ионов на 1г сухой смолы в Н+ -форме для катионита и Сl- -форме для анионита. Определение емкости можно отнести и к единице объема набухшего слоя ионита. Обменная емкость, полученная в статических условиях, когда навеску ионита помещают в раствор насыщающего иона определенной концентрации и выдерживают при встряхивании до полного насыщения ионита, называется статической (СОЕ). Величина ее отличается от величины обменной емкости, полученной в динамических условиях при пропускании насыщающего раствора через колонку с ионитом. Динамическая обменная емкость характеризуется двумя показателями: динамической обменной емкостью до проскока (ДОЕ) и полной динамической емкостью (ПДОЕ). ДОЕ представляет собой емкость ионита, определяемую по появлению данного иона в вытекающем из колонки растворе. ПДОЕ определяется по полному прекращению извлечения данного иона из раствора. Это различие можно пояснить графически на рисунке 1. Рисунок 1. Выходная хроматографическая кривая ДОЕ определяется площадью прямоугольника, основанием которого является объем раствора, вытекающего из колонки до наступления проскока иона, а высотой – исходная концентрация обменивающегося иона. ПДОЕ выражается площадью над выходной хроматографической кривой. ДОЕ всегда меньше, чем полная динамическая обменная емкость, и зависит от ряда факторов: от типа ионита, состава раствора, размера зерен ионита и скорости протекания раствора. Классификация ионитов От вида функциональных групп, входящих в состав ионита, зависит, насколько сильно выражены кислотные или основные его свойства. В зависимости от этого различают четыре группы ионитов. 1 Сильнокислотные катиониты имеют в качестве функциональных групп сульфогруппу –SO3 -и фосфорную группу –РО3 -. Они используются в кислых, нейтральных и щелочных средах. Это сульфокислотные катиониты полистирольного типа марок КУ-2, КУ-23, СДВ, СБС. К фосфорнокислым относятся катиониты марок КФ-2, КФ-11.Катиониты полистирольного типа выпускаются в виде сферических гранул и имеют либо янтарную, либо светло-желтую окраску. Катиониты фенольного типа, например, КУ-1, окрашены в черный цвет, их частицы имеют неправильную форму. Такие катиониты бифункциональны, т.е. наряду с группой –SO3 - имеют в своем составе группу –ОН- .Преимущество полистирольных катионитов – их монофункциональность, высокая обменная емкость, высокая термическая устойчивость. 2 Слабокислотные катиониты имеют в качестве функциональных групп карбоксильные группы – СОО- , – ОН- . Это катиониты марок КБ-1, КБ-4, КФУ-1. Катиониты с карбоксильными группами окрашены в белый или светло-зеленый цвет. Важным свойством подобных катионитов является их высокое сродство к иону водорода. Даже небольшого количества разбавленной соляной кислоты достаточно для полной регенерации катионита. Слабокислотные катиониты работают в щелочных и нейтральных средах. 3 Сильноосновные (высокоосновные) аниониты имеют в качестве функциональных групп четвертичные аммониевые группы. Это аниониты марок АВ-16, АВ-17, АВ-18, АВ-20. Они могут применяться для хроматографирования в кислых, щелочных и нейтральных средах. Сильноосновные аниониты имеют желтую или светло-желтую окраску. Они часто используются для разделения большинства ионов металлов. Ион щелочных, щелочноземельных, редкоземельных элементов, алюминия, никеля, меди и др. не сорбируются анионитами при любой концентрации соляной кислоты. Остальные ионы металлов в пределах концентрации НСl от 0,1 до 12 моль/л сорбируются анионитами в различной степени, т.к. образуют анионные хлоркомплексы, имеющие сильно отличающиеся константы нестойкости. 4 Слабоосновные (низкоосновные) аниониты в качестве функциональных групп имеют аминогруппы разной степени замещения:– NH2 +,= NH+ ,≡N+ . Это аниониты марок АН-2Ф, АН-1, АН-23 и др. Они работают в кислых и нейтральных средах. Анионит ЭДЭ-10П содержит несколько активных аминогрупп вторичного, третичного и четвертичного аммониевых оснований. Поэтому он обладает и слабоосновными, и в некоторой степени сильноосновными свойствами. Практическое применение ионообменной хроматографии Методы ионообменной хроматографии используют преимущественно для разделения ионов. Простейшая методика разделения заключается в поглощении смеси компонентов и последовательном элюировании каждого компонента подходящим растворителем. Иониты используют также в водоподготовке (умягчение воды, опреснение морской воды); в гидрометаллургии и гальванотехнике (селективное извлечение ценных металлов из производственных растворов и сточных вод); в пищевой и гидролизной промышленности (очистка сахаросодержащих растворов, осветление плодово-ягодных соков и т.д.); в медицине и фармацевтической промышленности (очистка лекарственных препаратов, антибиотиков). Промышленные ионообменники для получения обессоленной воды на ТЭС представлены на рисунке 2. Рисунок 2 Катионообменники для получения обессоленной воды на ТЭС Рассмотренные области применения ионообменных смол не исчерпывают всего многообразия, однако они показывают широкие возможности, которые открывают использование ионитов в аналитической химии и технологии. Вопросы для самоконтроля 1. В чем сущность метода ионообменной хроматографии? 2. Как подготовить ионообменную смолу к работе? 3. Какие функциональные группы обеспечивают обменные свойства различных синтетических ионообменных смол? 4. Какие типы катионитов и анионитов Вам известны? 5. Что такое «обменная емкость» ионита, в каких единицах измеряется? 6. Как определяют: а) статическую обменную емкость ионита; б) динамическую обменную емкость ионита? 7. Зависит ли селективность ионообменника от его емкости? 8. Как провести деионизацию воды с помощью ионообменников? Напишите уравнения реакций. 9. Каковы области применения, достоинства и недостатки ионообменной хроматографии? Лекция 13. Планарная хроматография: бумажная и тонкослойная хроматография. Типы пластин для планарной хроматографии. Применение планарной хроматографии Плоскостная (планарная) хроматография К плоскостным видам хроматографии относят бумажную (БХ) и тонкослойную (ТСХ). Эти два вида жидкостной хроматографии просты по технике выполнения, экспрессны, не требуют дорогостоящего оборудования. Разделение этими методами может быть выполнено с использованием хроматографических систем жидкость–твердый сорбент, жидкость–твердый сорбент и жидкость– поэтому выделяют адсорбционную, распределительную, обращенно-фазовую и ионообменную плоскостную хроматографию. Тонкослойную хроматографию используют чаще, чем бумажную. Тонкослойная хроматография Метод тонкослойной хроматографии был разработан Н. А. Измайловым и М. С. Шрайбер еще в 1938 г. В методе ТСХ неподвижная твердая фаза (силикагель, оксид алюминия, порошок целлюлозы) тонким слоем наносится на стеклянную, пластмассовую или металлическую пластинку. В качестве подвижной фазы используют различные растворители или их смеси, органические и неорганические кислоты. Выбор растворителя зависит от природы сорбента и свойств анализируемых соединений. Например, при хроматографировании аминокислот, используют смесь nбутанола с уксусной кислотой и водой, при анализе неорганических ионов – водные буферные растворы, создающие постоянное значение рН. В ТСХ чаще используют восходящий способ получения хроматограммы. Раствор образца наносят микропипеткой на небольшом расстоянии от края пластинки на стартовую линию, и край пластинки погружают в растворитель, который действует как подвижная фаза жидкостной адсорбционной хроматографии. Под действием капиллярных сил растворитель поднимается вверх по пластинке и с разной скоростью переносит за собой компоненты смеси, что приводит к их пространственному разделению. Чтобы растворитель не испарялся с поверхности сорбента, пластинка на время разделения должна быть помещена в герметически закрытую прозрачную камеру. Разделяемые компоненты на пластинке образуют отдельные зоны (пятна). Хроматографирование продолжают до тех пор, пока растворитель не пройдет от линии старта около 10 см до так называемой линии фронта. После этого пластинку вынимают из хроматографической камеры, подсушивают на воздухе и определяют положение пятен. Пример тонкослойной хроматораммы приведен на рисунке 1. Рисунок 1. Пример хроматограммы в тонкослойной хроматографии. В нисходящей хроматографии растворитель передвигается по слою вниз под действием и капиллярных, и гравитационных сил. Горизонтальная хроматография выполняется в виде круговой и со свободным испарением растворителя. В круговой хроматографии в центр горизонтально установленной пластинки вносят каплю анализируемой смеси и непрерывно подают растворитель, который под действием капиллярных сил движется в радиальном направлении от центра. Компоненты смеси располагаются в слое в виде концентрических колец. Схема разделения смеси веществ методом тонкослойной хроматографии приведена на рис.1. Пятна характеризуют положение компонентов А, В, С на пластинке в конце опыта. Качественный анализ. Проще всего идентификация вещества может быть сделана, если пятно определяемого вещества имеет характерную окраску. Невидимые реагентами, как хроматограммы правило, проявляют групповыми. По соответствующими характерной окраске образующихся цветных зон судят о составе анализируемой пробы. При обработке пластинки, например, парами иода четко проявляются непредельные соединения; при опрыскивании пластинки тиоцианатом кобальта амины образуют голубые пятна на розово-белом фоне. В физических методах проявления используется способность некоторых веществ флуоресцировать под действием УФ-излучения. Наиболее общий подход к качественному анализу основан на значениях Rf. При соблюдении стандартных условий получаются воспроизводимые значения Rf, которые можно использовать в аналитических целях при сравнении с табличными, если они получены в тех же условиях опыта; более надежно использовать значения Rf, отн. Самым надежным способом является метод свидетелей (стандартных веществ). Стандартное вещество в том же растворителе наносится на стартовую линию рядом с анализируемой пробой и, таким образом, хроматографируется в тех же условиях (рис.1.4). По окончании хроматографирования и проявления хроматограммы приступают к идентификации веществ. Совпадение Rfкомпонента пробы и одного из свидетелей дает основание для отождествления веществ. Количественные определения в ТСХ могут быть сделаны непосредственно на пластинке, в этом случае каким-либо способом измеряют площадь пятна и по заранее построенному градуировочному графику находят количество вещества. Применяется также прямое спектрофотометрирование пластинки по спектрам отражения и по спектрам поглощения (фотоденситометрия), для количественных расчетов предварительно строят градуировочный график, используя оптическую плотность в центре пятна. Наиболее точным считается метод, когда анализируемое вещество удаляют с пластинки механическим путем или вымывают подходящим растворителем после вырезания зоны, а затем анализируют спектрофотометрическим, флуориметрическим, атомно- абсорбционным методами. Метод ТСХ прост по методике выполнения и аппаратуре, экспрессен и не требует для анализа больших количеств вещества. Метод широко используется для идентификации компонентов лекарств, биохимических препаратов, неорганических веществ. Бумажная хроматография Вместо пластинок с нанесенным тонким слоем сорбента можно использовать специальную хроматографическую бумагу в виде листов или полосок. Хроматографическая бумага должна быть химически чистой, нейтральной, инертной по отношению к компонентам раствора и подвижной фазе и быть однородной по плотности; имеют значение структура молекул целлюлозы в бумаге, ориентация волокон и другие свойства, влияющие на скорость движения подвижной фазы. Основные операции в бумажной хроматографии проводятся примерно так же, как и в тонкослойной. Для разделения водорастворимых веществ, например, неорганических ионов, в качестве подвижной фазы обычно берут органический растворитель, а в качестве неподвижной – воду (бумагу заранее смачивают водой). Для разделения компонентов, растворителях, хорошо гидрофильную бумагу растворимых в органических превращают в гидрофобную, пропитывая ее растворами органических веществ (парафина, растительного масла и др.), а в качестве подвижной фазы используют воду, водный раствор какой-либо кислоты или щелочи, буферный раствор. Растворители подвижной и неподвижной фаз не должны смешиваться, состав растворителя в процессе хроматографирования не должен изменяться, растворители должны легко удаляться с бумаги. Индивидуальные растворители используются достаточно редко. Чаще для этой цели применяют смеси веществ, например, бутилового или амилового спирта с метиловым или этиловым, смеси бутилового спирта с уксусной кислотой, аммиаком и др. По технике выполнения различают следующие виды бумажной хроматографии: одномерную, двумерную, круговую и электрофоретическую. Для получения двумерных хроматограмм хроматографирование проводят дважды: после обработки пробы одним растворителем хроматограмму поворачивают на 90° растворителем. Такая и хроматографируют методика позволяет вторично уже другим проводить более тонкие разделения компонентов смеси. Специфическим приемом является сочетание БХ и электрофореза. Для этого к влажному листу хроматографической бумаги прикладывают постоянное электрическое напряжение. Дополнительное воздействие электрического поля приводит к более четкому разделению, особенно для ионов с разными зарядами. Электрофорез можно проводить одновременно с хроматографированием, а также до или после хроматографирования. Качественный состав пробы в методе бумажной распределительной хроматографии так же, как и в ТСХ, может быть установлен или по специфической окраске отдельных пятен на хроматограмме, или по численному значению Rf каждого компонента. Количественные определения в БХ выполняются по хроматографическим характеристикам (по площади пятна на хроматограмме и интенсивности его окраски) или после вымывания подходящим физико-химическим методом. Отметим, что метод бумажной хроматографии, предложенный в 1941 г. Мартином и Синджем, в настоящее время используют в аналитических лабораториях довольно редко. Вопросы для самоконтроля 1. Каковы преимущества двумерной хроматографии перед одномерной бумажной или ТСХ? 2. Как идентифицировать пятна органических соединений в методе ТСХ? 3. Как выполняют количественный анализ в методе ТСХ? 4. Как определяют Rf в методе БХ и ТСХ? От чего зависит величина Rf и какие условия нужно поддерживать постоянными при проведении эксперимента? 5. Как можно определить концентрации компонентов смеси после разделения методом БХ или ТСХ? 6. Как выполняется качественный анализ с помощью плоскостных вариантов хроматографии – БХ и ТСХ? 7. Какими способами проба анализируемой смеси веществ вводится в хроматографическую установку в бумажной хроматографии? 8. Почему в методе ТСХ необходимо герметически закрывать камеру с растворителем и пластинкой во время подъема фронта растворителя? 9. Как обнаруживают и идентифицируют компоненты на бумажных и тонкослойных хроматограммах? 10. Каковы области применения, достоинства и недостатки тонкослойной хроматографии? Список литературы 1. Основы аналитической химии: учебник: в 2 кн. Кн. 2. Физико-химические методы анализа / Под редакцией акад. РАН Ю.А.Золотова. М.: Высшая школа, 2002. .- 494 с. 2. Харитонов Ю.А., Количественный анализ, физико-химические методы анализа (инструментальные методы анализа) /Ю.А.Харитонов. - М.: Высшая школа, 2008 3. Аналитическая химия. В 3 т. Т. 3 Инструментальные методы анализа. Часть 2 / Под ред. проф. А.А. Ищенко. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2020 — 504 с. — ISBN 978-5-9221-1867-5 (Т. 3). 4. M. OTTO Современные методы аналитической химии (в 2-х томах) Том П. Москва: Техносфера, 2004 - 288с. ISBN 5-94836-017-2 (т. 2) ISBN 5-94836014-8 (рус.) 5. Майер Вероника Р.Практическая высокоэффективная жидкостная хроматография. Издание 5-е. Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2017 - 408 с. + 8 с. цв. вкл. ISBN 978-5-94836-480-3 6. Газовая хроматография : лабораторный практикум / сост. А.А. Голованов, О.Б. Григорьева, В.В. Бекин. – Тольятти : Изд-во ТГУ, 2013 – 60 с. : обл. 7. Блинникова А.А. Рефрактометрический метод в анализе лекарственных средств, концентратов, спирто-водных растворов: Учебное пособие. Издание 2-е, исправ. и доп. – Томск, 2008 − 37с. 6. Оптические методы в фармацевтическом анализе : лаборатор. практикум : [учеб.-метод. пособие] / [Ю. А. Глазырина, С. Ю. Сараева, А. Н. Козицина, Е. Л. Герасимова, А. И. Матерн] ;под общ. ред. с. Ю. Сараевой ; М-во образования и науки рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург : изд-во Урал. ун-та, 2015 — 96 с. 7. Герасимова Н. С. Фотоколориметрические методы анализа : методические указания / Н. С. Герасимова, Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана. – Москва : Издательство МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2010. – 39 с. : ил., табл. – Текст : непосредственный. 8. Оптические методы анализа (лабораторные работы) : методическое пособие / И. В. Миронов, Е. А. Притчина, Н. Ф. Бейзель, Е. В. Полякова, Министерство образования и науки Российской Федерации, Новосибирский государственный университет. – Новосибирск : гос. ун-т. Новосибирск, 2013. – 72 с. – Текст : непосредственный. 9. Лебедев А. Т. Масс-спектрометрия в органической химии / А. Т. Лебедев. – 2-е изд. – Москва : Техносфера, 2015. – 704 с. – ISBN 978-5-94836-409-4. – Текст : непосредственный. 10. Глоба И. И. Хроматографические и спектральные методы анализа : учебное пособие для студентов специальности «Физико-химические методы и приборы контроля качества продукции» и химико-технологических специальностей / И. И. Глоба, С. А. Ламоткин. – Минск : БГТУ, 2008. – 352 с. – ISBN 978-985-434-725-7. – Текст : непосредственный.
