Тақырыбы: Хроматография

Жоспар:

1. Хроматографияның теориялық негіздері

2. Хроматографиялық әдістердің жіктелуі

3. Хроматографиялық талдауға арналған аспаптардың негізгі бөліктері

Хроматографиялық-динамикалық бөлу кезінде құрамдас бөліктерінің жылжымалы фазасының жылжымайтын ауысуы және керісінше периодты түрде жүреді. Нәтижесінде әрбір молекула орта есеппен алғанда қозғалатын фазасында t_n және қозғалыссызда t_k уақыт аралығында болады және ол осы уақытта бағана ішіндегі қозғалыс фазасының жылдамдығына сәйкес V жылдамдықпен қозғалады. Бағанадағы еріген заттың қаншалықты тездеу козғалатындығын t_n мен t_к салыстырмалы шамасы арқылы анықтайды.

Бөліну эффектісіндегі әр түрлі факторлар үлесі бағанада ешқандай нақтылы мәні жоқ шартты түрде қабылдаған "теориялық табақшаның эквивалента биіктігі" ("высоту эквивалентную теоретической тарелке") (ВЭТТ) деп аталатын таза абстрактылық түсінік арқылы өрнектеледі. Алайда ВЭТТ тиімді параметр болып табылады, әрі стандартты ауытқу (дисперсия) квадратының бағана ұзындығына қатынасымен анықталады:

H=σ²/L

мұндағы Н - ВЭТТ мәні, σ - қалыпты ауытқу, L - фаза аралығындағы тепе-тендік орнайтын (яғни онда ағым жылдамдығы, темпера­тура және басқалар) белгілі бір жағдайда бағана бөлігінің ұзындығы.

Мұнымен қатар теориялық табақшалар саны (N) деген ұғымды енгізеді. Сонымен боліну ойдағыдай бөлу үшін теориялық табақша саны мүмкіндігінше көп, ал ВЭТТ керісінше аз, бағана ұзындығы қысқа болғаны және ВЭТТ темен болған сайын, бағана тиімді жұмыс істейді, ал ВЭТТ саны N = 16(x/w)², мұндага X - хроматограммадағы t-га сәйкес бөлік ұзындығы, w - шоқтықтың ені, бұлар суретте. Бұдан N = L/H =16(x/w²), мұндағы Н_эфф = L/Н_эфф = 16(x’w²)-эффектілі параметрлер, демек.

Сондай-ақ теориялық табақща санын (N) коэффициент арқылы да өрнектеуге болады:

мұндағы t_R - құрамдас бөліктін ұсталу уақыты. Нақтылы жүйедегі Н тұрақты шама болғандықтан, х пен w бір мезгілде қолданылуы қажет, ендеше, бір хроматограммадағы бірнеше шоқтық үшін t_R (немесе х) үлкен болған сайын w үлкен, шоктық енді болады. Бөлу құбылысы дұрыс жүруі үшін w мен Н мәндерінің мейлінше аз болғаны дұрыс. Бұл саладағы көптеген зерттеушілер ВЭТТ-ті басқа қатынаспен де көрсетуге болады деген тұжырымга келді және оны Ван-Деемтер теңдеуі дейді:

H = A + B/N + C_V

мұндағы А, В; С - нақтылы жүиеге арналған тұрақты шамалар, V - ағым тасымалдаушылардың тұзу сызықты жылдамдығы, см/с.

Теңдеудегі А бағана бойымен козғалған кезінде жылжымалы фазасындағы еріген заттың барлық молекулаларының бірдей жылжымайтынын көрсетеді, ол бағананы толтыратын бөлшектердің біртекті емес бөлшектерінің дәрежесіне тәуелді және мына қатынаспен анықталады:

A = k_v(Dв + PdPv)

мұндағы Dв - жылжымалы фазасындағы еріген заттың диффузия коэффициенті, dр - қатты бөлшектің орташа диаметрі, К мен Р -тасымалдаушының ретсіздігіне тәуелді тұрақтылық.

Хроматографиялық әдістердін жіктелуі. Кез-келген хроматографиялық жүйеде бірі - қозғалмайтын, екіншісі - қозғалатын, ығыспайтын екі фаза арасында заттардын қайтымды алмасуы жүреді. Қозғалысты фаза қозғалмайтын фазаның беткі қабатымен жанасқанда, қоспадағы кұрамдас бөліктер осы екі фазалар арасында тұрақтысы немесе таралу коэффициенті бойынша олардың физикалық-химиялық қасиеттеріне сәйкес таралады. Динамикалық жүйеде динамикалық тепе-тендік орнайды, яғни молекулалардың біраз уақыты қозғалмайтын фазада, біраз уақыты қозғалысты фазада өтеді де, бәрі бірге қозғалмайтын фазаның бойымен орын ауыстырады. Заттың әр түрлі сорбциялануы нәтижесінде, олар фазада әр мезгілде болады. Қозғалыссыз фазамен күштірек әрекеттесетін құрамдас бөліктер, оның өн бойымен баяу жылжиды, нәтижесінде құрамдас бөліктердің бөлінуі басталады.

Құрамдас бөліктердің тиімді бөлінуі үшін қозғалмайтын фаза мына қасиеттерге ие болуы шарт: ол қозғалмайтын фазадағы затты өзіне физикалық және химиялық тұрғыдан адсорбциялауы бөлінетін затты ерітуі, кеуек құрылымды беткі қабатқа ие болуы, ұстап тұру дәрежесі жоғары бір құрамдас бөлікті болуы керек.

Егер қозғалмайтын фаза сұйық күйде болып, ал талданатын зат онда еруге бейім болса, онда ол қозғалатын және қозғалмайтын фазалар арасында таралады. Мұндай хроматографиялық жүйе таралымдық деп аталады. Егер қозғалыссыз фаза анықталатын құрылымды адсорбциялауға бейім қатты зат болса, онда оны адсорбциялық хроматография дейді. Фазаның агрегаттық күйіне, өзара әрекеттесу түріне және аппаратуралық жабдықталуына қарай хроматография­лық әдістерді жіктеуге болады. Түрлі құрамдас бөлікті жіктеп, оларды жеке бөліп алуға мүмкіндік беретін хроматографиялық әдістер тарауда қарастырылған.

Қозғалмайтын фазаның орналасу ретіне қарай бағаналы және жұқа қабатты хроматография деп бөлінеді. Біріншісінде белгілі бір биіктігі (ұзындықтағы) және ішкі диаметрі болып келген элюент шыны бағанаға (түтікке) қозғалмайтын фаза орналастырылады. Ал жұқа қабатты хроматографияда (ЖҚХ) қозғалмайтын фаза астар сияқты тегіс, қатты дене бетіне біртекгі орналастырылады.

Хроматографиялық жүйеге зерттелетін сынаманы енгізу режиміне қарай фронтальды, шаймалы және ығыстырушы хромато­графия деп бөлінеді. Ал одан кейін кұрамы әр түрлі қоспа ерітіндісін жіберу уақыты мен көлеміне қарай жүріп жатады.

Қоспа ерітіндісі хроматографиялық бағанаға үздіксіз жеткізіліп тұрса, мұндай әдісті фронтальды дейді. Бұл жағдайда хроматографияның бастапқы кезінде ғана нашар сорбцияланатын құрылымдық бөлімді таза күйінде тек бастапқы уақыт аралығында мейлінше аз сорбцияланған құрамдас бөлікті бөліп алуга болады. Тамшылы-шаймалық әдісте үлгіні шаймалап алған ерітінді қозғалысты фаза ағымына енгізеді. Бағана бойымен жылжу кезінде қоспа құрылымы белгілі бір сақиналы аймақтарға бөлінеді, оларды не толық күйінде, не жеке күйінде бағананың шүмегін ашып-жабу арқылы бөледі. Ал ығыстырушылық әдісте үлгіні енгізіп, активтігі нашар шаймамен алдын ала бөліп алынғаннан кейін, шайма құрамына дұрыс сорбцияланатын құрылымды немесе қозғалмайтын фазамен салыстырғанда талданатын қоспа құрамындағы барлық құрылымдар үшін әсерлі затты қосады. Мұндай қасиет нәтижесінде жаңадан қосылған шайманың сыбағасын қозғалыссыз фазамен адсорбцияланатын қабілеттің өсуіне орай, талданатын қоспадан құрамдас бөлікті біртіндеп ығыстырады, әр кұрамдас бөлік жеке аймақ түрінде болуы не аралас жүруі мүмкін.

Сондай-ақ сұйықтық хроматографияда шайманы изо-еселеу және градинатты рет бойынша береді. Бірінші жағдайда, шайма құрамы өзгеріссіз қалады, ал екіншіде белгілі бағдарлама бойынша өзгеріп тұрады. Ал одан кейін құрамы әр түрлі қоспа ерітіндісін жіберілетін уақыты мен көлеміне байланысты алуға болады.

Кесте - Талдаулық хроматография әдістерін жіктеу

Хроматографиялық талдауға арналған аспаптардың негізгі бөліктері. Қазіргі кезде әлемдегі елдердің түрлі фирмалары хроматографтардың сан алуан түрлері мен типтерін көптеп шығаруда. Оларды өндіру талдау химиясына арналған басқа приборлардан асып түсуде. Өйткені хроматографиялық талдау әрбір ғылым салаларында, өндірісте, заводтарда, цехтарда кең орын алып отыр.

Кейбір жағдайларда қарапайым жай ғана хроматографиялық бөлуді және анықтауды жүргізу үшін аса күрделі хроматографиялық қондырғының қажеті жоқ. Жұқа қабатты қағазды және басқа да түрдегі хроматография әдістерінде кез келген лабораториялық жағдайда жинастырылатын қондырғылар пайдаланылады. Хроматографиялық қондырғының күрделілігі мен арналуына қарай олардың негізгі тораптарын атауға болады; дозатор сынаманы енгізу жүйесі, хроматографиялық бағана (немесе жолақ) және детектор (өлшегіш-жазғыш), бұлар қоспа құрылымын бөліп, анықтауға мүмкіндік береді. Негізгі тораптардан басқа қондырғы да газ-тасушыларды немесе еріткішті беруге арналған, детектордың импульсін түрлендіруге арналған қосымша жабдықтар болады.

Дозатор сынаманың дәл мөлшерін боліп алып, оны хроматогра­фиялық жүйеге енгізуге арналған. Сынаманы жүйеге енгізгенде қондырғыда айтарлықтай өзгеріс болмаганы жөн. Дозатордың ішкі бетінің қабаты сынамаға теріс ыкпал етпеуі, яғни сынамаға адсорбциялық әсер етпеуі, каталитикалық ыдыратпауы керек.

Жұқа қабатты хроматографияға газ және сұйық күйдегі сынамаларды арнаулы шприцтермен жүйе алдында тығулы тұрған каучукті мембрананы тесе отырып немесе шыны түтікшемен (пипеткамен) енгізеді. Газ және сұйық күйге арналған іші куыс инелер екі түрлі болады.

Қатты күйдегі сынаманы хроматографқа әр түрлі тәсілдермен енгізеді. Қыздырылған дозаторда немесе арнаулы буландырғышта буландырып, оны не газ, не еріген сұйық күйге айналдырып немесе дәстүрлі де белгілі жолдармен енгізеді.

Хроматографиялық бағаналар түріне, өлшеміне, құрылымына, әзірленетін материалдарына және басқа да параметрлеріне қарай түрліше болып келеді. Қолданылып жүргендерінін арасында түзу, тәріздес спираль сияқтылар кездеседі. Олардың ұзындығы бірнеше сантиметрден бастап бірнеше метрге дейін, ал ішкі диаметрі бір миллиметрдің оннан бір бөлігінен бірнеше ондаган миллиметр аралығында болады. Талданатын жүйенің қасиетіне орай оларды шыныдан, кварцтан, болаттан, жезден, мыстан және басқа да материалдан жасайды. Бұлардың кұрамдас бөлікке, тасымалдаушыларға инерттігі болуы керек.

Хроматографиялық бағана ішіне адсорбентті толтырады. Олар көбіне ұнтақты зат болып келуімен қатар механикалық жағынан берік, химиялық жағынан инертті оңай әзірленіп, арзанға түсуі, беттік ауданы үлкен болуы қажет.

Адсорбент ретінде алюминий тотығы, силикагель, активті көмір, кеуекті полимерлер, синтетикалық цеолиттер. модифицирленген адсорбенттер жиі қолданылады. Олардың тұп нұсқасын қышқылды не сілтілі, тұзды не басқа да қосылыстардың ерітіндісімен өңдейді. Адсорбенттерді талдау әдісімен анықталады. Бұл талданатын заттың афегаттық күйіне қолданатын жабдыққа және басқа да факторларға байланысты жүзеге асады.

Хроматографиялық талдауды орындау кезінде температураның мәні ерекше, сондықтан да хроматографиялық бағананы термостатқа орналастырып ондағы температураны өзгеріссіз, бір қалыпта ұстайды, не алдын ала белгіленген бағдарлама бойынша белгілі бір температураға өзгертіп отырады.

Детектор бағана арқылы өткен газ не сұйықтың құрамындағы өзгерісті анықтауға мүмкіндік береді. Детектордың көрсеткіші тиісті электрондық жүйенің көмегімен сигналға түрленеді. Бұл жазатын құрылғыға не интеграторга беріледі. Детектордың негізгі сипаттамасы: сезімталдығы, детектрлеу шегі, инерциялығы, сигнал мен анықталынатын құрамдас бөліктің шамасы арасындағы сызықтық тәуелділік диапозоны. Детекторлар диффренциалды және интегралды болып бөлінеді. Біріншісі детектирлеуші өлшемдердің болмашы ғана лездік өзгерісін көрсетеді. Екіншісі уақыт аралығы ішінде пропорционалдық тәуелділікпен анықталатын құрамдас бөліктің мөлшерімен (немесе концентрациясымен) байланысты параметрлер өлшемдерін қосындылайды. Кейбір интегралдық газды детекторларда талданатын газ бағананың шыға берісінде әйтеуір бір ерітіндімен, сорбентпен сіңіріледі де, онан соң не талданады, не өлшенеді. Интегралдық детектордың артықшылығы олардың қарапайымдылығы мен детектор көрсеткішінің зат мөлшеріне сызықты тәуелділігінің кең аймақтығы.

Бақылау сұрақтары:

1.Хроматографияның пайда болуы және оның кең түрде қолданылу себептері ?

2.Хроматографияның негізінде жатқан құбылыс.

3.Хроматографиялық талдаудың кемшіліктері ?

4.Сандық талдауда заттың мөлшерін хроматографиялық анықтау әдісі қалай орындалады ?

18-19-ші дәріс