Теория газовой хроматографии

Содержание лабораторных работ

Требования к знаниям и умениям студентов после проведения лабораторных работ по данной дисциплине

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций: общекультурными (ОК) и профессиональными (ПК) компетенциями в производственно-технологической деятельности:

ОК-1	Способностью и готовностью совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень, получать знания в области современных проблем науки, техники и технологии, гуманитарных, социальных и экономических наук
ОК-2	к профессиональному росту, к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного профиля своей профессиональной деятельности
ОК-4	на практике использовать умения и навыки в организации исследовательских и проектных работ, в управлении коллективом
ОК-5	Находить творческие решения социальных и профессиональных задач к нестандартным решениям

в научно-исследовательской деятельности:

ПК-2	к использованию методов математического моделирования материалов и технологических процессов, к теоретическому анализу и экспериментальной проверке теоретических гипотез

В результате изучения дисциплины студент должен:

Знать:

- теоретические и практические хроматографические методы исследования в химии;

- устройство, принцип работы современных физико-химических приборов и аппаратуры в том числе газовых хроматографов;

- теоретические основы расчетов по газовой хроматографии и полученных результатов исследования;

- основные источники углеводородного сырья и требования, предъявляемые к ним;

Уметь:

- исследовать нефтепродукты (автомобильные, авиационные бензины, дизельные и реактивные топлива) с применения современных физико-химических приборов и аппаратов в том числе с помощью газовой хроматографии;

- проводить расчеты полученных результатов исследования;

- определять основные физико-химические свойства и показатели;

Владеть:

- методами работы на газовых хроматографах;

- методами хроматографического анализа расчетов основных показателей нефтепродуктов;

- методами определения физико-химических свойств;

- методами анализа эффективности полученных нефтепродуктов.

В методическом указании в кратком виде изложены:

· теория газовой хроматографии;

· хроматографическое оборудование;

· практическое применение газовой хроматографии;

· качественный и количественный анализ:

· лабораторные работы.

С необходимостью разделения смеси веществ на составляющие ее компоненты приходится сталкиваться как химику-синтетику, хими­ку-аналитику, так и технологу, геологу, физику, биологу и многим другим специалистам. Особое значение разделение смеси веществ приобрело в последние десятилетия в связи с проблемой получения сверхчистых веществ.

Разделение смеси не вызывает особых трудностей, если ее ком­поненты находятся в различных фазах. Оно существенно ослож­няется, если компоненты смеси образуют одну фазу. В этом случае приходится изменять агрегатное состояние отдельных компонентов (например, добиться их выпадения в осадок), либо применять хими­ческие или физические методы разделения. В основе последних ле­жат кинетические явления или фазовые равновесия.

Такие широко известные методы разделения, как дистилляция, кристаллизация, экстракция и адсорбция основаны на изменении фазовых равновесии. В этих процессах молекулы веществ, образую­щих смесь, переходят через границу раздела, стремясь к такому распределению между фазами, при котором в каждой из них уста­навливается постоянная равновесная концентрация.

Если свойства компонентов исследуемой смеси близки, то до­статочная степень разделения достигается лишь многократным по­вторением элементарного акта разделения. Такой процесс, напри­мер, осуществляется в насадочных или тарельчатых ректификаци­онных колоннах. Следует отметить, что в таких случаях полное раз­деление возможно только для простых (не более чем трехкомпонентных) систем.

Более полного разделения можно достичь, если на эффект, вызываемый многократным установлением фазовых равновесий, на­ложить действие кинетического фактора. В тех случаях, когда ис­пользуются кинетические явления (например, при молекулярной дистилляции), через поверхность раздела фаз и лишь в одном на­правлении переносятся молекулы только одного вещества. Если разделение смеси производить в таких системах, в которых одна из фаз (подвижная) перемещается относительно другой (неподвиж­ной), то улавливание и удаление молекул, покидающих поверхность раздела фаз, осуществляется благодаря постоянному перемещению подвижной фазы. Как и при фазовом равновесии, молекулы, выхо­дящие из подвижной фазы, возвращаются в нее, попадая, однако, не в прежний элемент ее объема, а в новый.

Если в процессе разделения фазовые переходы повторять мно­гократно, то можно получить высокую эффективность разделения. Так как фазовые переходы связаны с поверхностью раздела, под­вижная и неподвижная фазы должны обладать большой поверх­ностью соприкосновения. Кроме того, вследствие наличия диффу­зионных процессов, снижающих эффективность разделения, обе фазы должны иметь относительно небольшую толщину взаимодей­ствующего слоя.

В какой-то степени эти требования выполняются в методе раз­деления смеси веществ, получившем название хроматографического. Впервые хроматографическое разделение сложной смеси (хлоро­филла) было осуществлено М. С. Цветом в 1903 г.

Если в качестве неподвижной фазы взять мелкоизмельченный сорбент и наполнить им трубку (стеклянную или металлическую), а движение подвижной фазы (жидкости или газа) осуществлять за счет перепада давления на концах этой трубки, то последняя будет представлять собой хроматографическую колонку, называемую так по аналогии с ректификационной колонкой для дистилляционного разделения. Разделяемая смесь веществ вместе с потоком подвиж­ной фазы поступает в хроматографическую колонку.

При контакте с поверхностью неподвижной фазы каждый из компонентов разде­ляемой смеси распределяется между подвижной и неподвижной фазами в соответствии с его свойствами, например адсорбируемостью или растворимостью.

Вследствие непрерывного движения под­вижной фазы лишь часть распределяющегося компонента успевает вступить во взаимодействие с неподвижной фазой. Другая же его часть продвигается дальше в направлении потока и вступает во взаимодействие с другим участком поверхности неподвижной фазы. Поэтому распределение вещества между подвижной и неподвижной фазами происходит на небольшом слое неподвижной фазы только при достаточно медленном движении подвижной фазы. Поглощен­ные неподвижной фазой компоненты смеси не участвуют в переме­щении подвижной фазы до тех пор, пока они не десорбируются и не будут снова перенесены в подвижную фазу. Поэтому каждому из них для прохождения всего слоя неподвижной фазы в колонке по­требуется большее время, чем для молекул подвижной фазы. Если молекулы разных компонентов разделяемой смеси обладают раз­личной степенью сродства к неподвижной фазе (различной адсорбируемостью или растворимостью), то время пребывания их в этой фазе, а следовательно, и средняя скорость передвижения по колон­ке различны. При достаточной длине колонки это различие может привести к полному разделению смеси на составляющие ее компо­ненты.

Применение хроматографического метода не ог­раничивается лишь разделением и анализом смеси веществ. В по­следнее время хроматография широко используется и как метод, научного исследования, например, для исследования свойств слож­ных систем, в частности растворов.

Итак, хроматографией следует называть процесс, основанный на перемещении дискретной зоны вещества вдоль слоя сорбента в потоке подвижной фазы и связанный с многократным повторением сорбционных и десорбционных актов. Хроматографический процесс осуществляется при сорбционном распределении вещества между двумя фазами, одна из которых перемещается относительно другой.

Состав смеси, покидающей хроматографическую колонку, непрерывно изменяется. В то время как в таких процессах, как экстракция или ректификация, можно отбирать в течение всего процесса непрерывно одну и ту же фракцию, или одно и то же вещество, в хроматографическом процессе, за исключением специальных случаев, когда имеет место движение слоя сорбента, этого делать нельзя.

Термин «хроматография» относится как к самому процессу, так и к научной дисциплине, его изучающей, использующей и разраба­тывающей аппаратурное оформление.

Классификация методов хроматографии

Многообразие вариантов хроматографического метода, возникшее в связи с широким его развитием, вызывает необходимость их клас­сификации. К основным признакам классификации относятся:

1) агрегатное состояние фаз;

2) природа элементарного акта;

3) способ относительного перемещения фаз;

4) способ аппаратурного оформления процесса;

5) цель осуществления процесса.

1) Классификация по агрегатному состоянию фаз относится к хроматографии в целом. Газовой хроматографией называется хроматографический метод, в котором в качестве подвижной фазы применяется газ или пар. В свою очередь газовая хроматография может быть разделена на газо-адсорбционную (газо-твердую) и газо-жидкостную. В пер­вом случае неподвижной фазой служит твердое вещество — адсор­бент, во втором — жидкость, распределенная тонким слоем по по­верхности какого-либо твердого носителя (зерненого материала, стенок колонки).

2) Классификация на основе природы элемен­тарного акта. Если неподвижной фазой является жидкость, то элементарным актом, как правило, является акт растворения. В этом случае анализируемое вещество растворяется в жидкой не­подвижной фазе и рас­пределяется между неподвижной, и подвиж­ной фазами. Это распределительная хро­мато­графия. Газо-жидкостная хроматография—один из вариантов распределительной хроматографии.

Если неподвижной фазой служит твердое вещество—адсор­бент, то элементарным актом является процесс адсорбции вещества. Следовательно, газо-твердая хроматогра­фия является адсорбци­онной хроматографией. Следует, однако, иметь в виду, что в га­зо-­жидкостной хроматографии определенную роль может играть ад­сорбция на межфаз­ных границах (газ - жидкость и жидкость - твердый носитель) и в газо-адсорбцион­ной—процесс раство­рения.

3) По способам перемещения фаз различают три ме­тода: проявительная, или элюентная, фронтальная и вытеснительная хроматография.

4) По аппаратурному оформлению газовая хроматография может быть отнесена лишь к колоночному варианту. Ко­лонки могут быть насадочными и полыми. В первом случае колон­ка заполняется зерненым сорбентом, во втором - сорбент нано­сится на внутренние стенки капилляра, являющегося хроматографической колонкой. Последний метод получил название капилляр­ной хроматографии.

5) Целью проведения хроматографического процесса может быть качественный и количественный анализ смеси, препаративное выделение веществ, а также определение физико-химических характеристик. Возможность анализа малых количеств вещества и малых его концентраций обусловливает при­менение метода в биологии, медицине, фи­зической химии, геохи­мии, космохимии, криминалистике и т. д.

Сочетание хроматографического метода разделения и анализа смеси веществ с другими современными методами изучения их свойств, такими, как, например, масс-спектро­метрия, ИК-спектрометрия, ЯМР- и ЭПР-спектроскопия, делает этот метод исключи­тельно важным и практически универсальным средством иссле­дования. Метод ГХ — один из самых современных методов многокомпонент­ного анализа, его отличительные черты — экспрессность, высокая точность, чувствительность, автома­тизация. Метод позволяет решить многие аналитические проблемы. Количественный ГХ анализ можно рассматривать как самостоятельный аналитический метод, более эф­фективный при разделении веществ, относящихся к одному и тому же классу (углево­дороды, органические кислоты, спирты и т.д.). Этот метод незаменим в нефтехимии (бензины содержат сотни соединений, а керосины и масла — тысячи), его используют при определении пес­тицидов, удобрений, лекарственных препаратов, витаминов, спиртов, нар­коти­ков и др. При анализе сложных многокомпонентных смесей успешно применяют метод капиллярной хроматографии, поскольку число тео­ретических тарелок для 100 м колонки достигает 2-30000.

Дата добавления: 2014-10-31