Instrukcja do ćwiczenia pokazowego "Identyfikacja alkoholi techniką

Identyfikacja alkoholi techniką chromatografii gazowej
Instrukcja do ćwiczeń opracowana w Katedrze Chemii Środowiska Uniwersytetu Łódzkiego.
1. Wstęp teoretyczny
Zagadnienie rozdzielania mieszanin związków chemicznych jest podstawowym problemem
nauk chemicznych. W procesie rozdzielania mieszanin wykorzystuje się różne właściwości
fizyczne, fizykochemiczne i chemiczne separowanych składników. Do metod tych należą także
metody chromatograficzne. Chromatografia jest metodą, w której rozdzielane składniki ulegają
podziałowi między dwie fazy, z których jedna jest fazą nieruchomą (stacjonarną), a druga ruchomą
(mobilną) układu chromatograficznego. Fazą stacjonarną może być ciało stałe, ciecz na nośniku lub
żel, a fazą ruchomą - gaz, ciecz i gaz lub ciecz w stanie nadkrytycznym (fluid). Chromatografia jest
metodą separacji oraz analizy (jakościowej i ilościowej) mieszanin. Obecnie chromatografia to
najbardziej
rozpowszechniona
metoda
analityczna,
która
w
połączeniu
z
metodami
spektroskopowymi stwarza szerokie możliwości analizy skomplikowanych mieszanin, w
szczególności związków organicznych.
Metod chromatograficznych jest wiele i można je klasyfikować według różnych kryteriów.
Podstawę klasyfikacji metod chromatograficznych mogą stanowić:
A. Stan skupienia fazy ruchomej
chromatografia gazowa
chromatografia cieczowa
chromatografia fluidalna
B. Stan skupienia fazy stacjonarnej
gaz - ciecz (GLC)
ciecz - ciecz (LLC)
gaz - ciało stałe (GSC)
ciecz - ciało stałe (LSC)
1
C. Natura zjawisk będących podstawą procesu chromatograficznego
chromatografia adsorpcyjna
chromatografia podziałowa
chromatografia jonowymienna
chromatografia sitowa
D. Techniki eksperymentalne
technika kolumnowa
technika planarna (cienkowarstwowa i bibułowa)
Chromatografia gazowa jest metodą stosunkowo „młodą”, gdyż pierwsze prace ukazały się w 1952
roku. Chromatografia gazowa jest szybką i skuteczną metodą rozdzielania mieszanin związków
lotnych. Znalazła ona szerokie zastosowanie do identyfikacji i oznaczeń ilościowych złożonych
mieszanin,
kontroli
procesów
technologicznych,
wyznaczania
niektórych
stałych
fizykochemicznych oraz badania kinetyki reakcji. Zgodnie z wcześniejszą klasyfikacją wyróżnia się
następujące rodzaje chromatografii gazowej:
1. chromatografia w układzie gaz - ciało stałe,
2. chromatografia w układzie gaz – ciecz.
Aparatura do chromatografii gazowej
Chromatografy gazowe należą do przyrządów najczęściej wykorzystywanych w analizie
chemicznej.
Chromatografy gazowe można podzielić na:
chromatografy laboratoryjne,
chromatografy procesowe, stanowiące część instalacji przemysłowych i używane w ciągłej,
automatycznej kontroli procesów technologicznych,
chromatografy przenośne (walizkowe lub kieszonkowe) o małych rozmiarach, służące do analiz
polowych.
Schemat chromatografu gazowego przedstawiono na rysunku 1. Częściami składowymi
chromatografu są:
1) zbiornik gazu nośnego,
2) regulator przepływu (odtleniacz i osuszacz) gazu nośnego,
3) dozownik,
4) kolumna chromatograficzna,
2
5) termostat dozownika, kolumny i detektora,
6) detektor,
7) przepływomierz,
8) wzmacniacz sygnału,
9) rejestrator i integrator lub komputer z drukarką.
11
10
7
1
2
3
4
6
8
9
5
Rys. 1. Schemat chromatografu gazowego; 1- zbiornik, 2 - regulator przepływu gazu, 3 - dozownik,
4 - kolumna, 5 - termostat, 6 - detektor, 7 - przepływomierz, 8 - wzmacniacz, 9 - rejestrator, 10 - integrator,
11 - wylot gazów
Gaz nośny powinien być chemicznie obojętny zarówno w stosunku do wypełnienia
kolumny, jak i do składników badanej mieszaniny. Jako gaz nośny stosuje się najczęściej wodór,
azot, argon lub hel. Rodzaj gazu nośnego ma mały wpływ na wynik rozdzielania
chromatograficznego. Wybór gazu nośnego zależy głównie od zastosowanego detektora. Istotne
znaczenie ma czystość gazu nośnego, dlatego przed kolumną znajduje się układ oczyszczania gazu
nośnego.
Metodą chromatografii gazowej można rozdzielać substancje, które w warunkach
chromatografowania mają postać gazów lub par. Są to zatem takie substancje gazowe, ciekłe i stałe,
których temperatura wrzenia lub sublimacji nie przekracza 400 C. Dozownik jest to urządzenie, za
pomocą którego wprowadza się próbkę w strumień gazu nośnego, a ten przenosi ją do kolumny.
Kolumna to najistotniejsza część układu chromatograficznego. Zachodzą w niej procesy rozdzielcze
i dlatego wybór rodzaju kolumny i jej wypełnienia ma decydujący wpływ na wynik analizy.
3
Najczęściej kolumny dzieli się na:
a) kolumny z wypełnieniem,
b) kolumny o przekroju otwartym - kapilarne.
Substancje rozdzielane w kolumnie chromatograficznej są wykrywane przez detektor
w miarę, jak opuszczają kolumnę. Detektor reaguje zatem sygnałem elektrycznym na obecność
śladów analizowanej substancji w gazie nośnym opuszczającym kolumnę. Dobry detektor powinien
charakteryzować się:
dobrą czułością i wykrywalnością,
szerokim zakresem liniowości wskazań,
stabilnością wskazań i niskim poziomem „szumów” linii zerowej,
selektywnością lub uniwersalnością wskazań,
łatwością obsługi,
niskim kosztem.
Najczęściej stosowane detektory to:
1. katarometr,
2. detektor płomieniowo – jonizacyjny,
3. detektor płomieniowo – fotometryczny,
4. detektor wychwytu elektronów,
5. detektor termojonowy.
Detektor termokonduktometryczny - katarometr (TCD)
TCD jest detektorem uniwersalnym, stężeniowym. Wykrywa wszystkie związki, których
przewodność cieplna różni się od przewodności gazu nośnego. Zasada działania katarometru polega
na wykorzystaniu wrażliwości niektórych oporników na małe zmiany temperatury. Zasadniczym
elementem pomiarowym są cztery oporniki włączone w ramiona mostka Wheatstone`a. Dwa z nich,
umieszczone przed dozownikiem, służą jako elementy porównawcze, gdyż przepływa przez nie
czysty gaz nośny. Dwa pozostałe służą jako czujniki i przez nie przepływa strumień gazu
opuszczającego kolumnę. Składniki obecne w gazie nośnym z kolumny zmieniają temperaturę
czujników, przez co zostaje zachwiana równowaga elektryczna mostka. Sygnał ten jest wzmacniany
i rejestrowany przez komputer. W przypadku badania związków organicznych najlepszym gazem
nośnym jest wodór i hel.
4
Detektor płomieniowo - jonizacyjny (FID)
FID jest detektorem uniwersalnym, reaguje sygnałem na obecność związków organicznych.
Wykorzystuje zmianę przewodności elektrycznej atmosfery płomienia (wodór - powietrze)
w momencie pojawienia się w płomieniu związku organicznego tworzącego w procesie spalania
karbojony. Powstający przy tym prąd jonizacyjny jest wzmacniany i rejestrowany przez komputer.
Sygnał z tego detektora jest proporcjonalny do liczby atomów węgla nie związanych z tlenem, a
więc do masy substancji. Zależy także do charakteru związku. Jest to detektor bardzo czuły i
pozwala wykryć 10-12g substancji badanej. Niestety nie jest czuły w stosunku do związków
nieorganicznych, a także do takich związków węgla, jak: CO, CO2, CS2, HCOOH i COCl2.
W przypadku FID najodpowiedniejszym gazem nośnym jest azot i hel.
2. Wykonanie ćwiczenia
Cel ćwiczenia:
Jakościowe oznaczanie alkoholi
Sprzęt:
Chromatograf gazowy wyposażony w detektor termokonduktometryczny,
Kolumna 4 mm x 3,5 m,
Wypełnienie: 25% FTT na Chromosorbie G-AW 60-80 mesh,
Strzykawka Zimmermanna poj. 0-10 l.
Odczynniki:
Alkohole: etylowy, n-propylowy, izopropylowy, izobutylowy,
Próbka badana: mieszanina alkoholi,
Gaz nośny: hel.
Opis ćwiczenia:
1. Włączyć chromatograf gazowy oraz komputer. Parametry pracy chromatografu ustawia osoba
prowadząca ćwiczenia/technik.
2. Po osiągnięciu przez przyrząd żądanych parametrów roboczych odczytać szybkość przepływu
gazu nośnego oraz temperaturę kolumny.
3. Wprowadzić na kolumnę kolejno po 3 l każdego z alkoholi i wyznaczyć ich czasy retencji i
powierzchnię pików.
5
4. Wprowadzić na kolumnę 6
l badanej mieszaniny. Określić liczbę i czas retencji
poszczególnych analitów.
5. Na podstawie wyznaczonych czasów retencji zidentyfikować poszczególne składniki badanej
mieszaniny.
6. Punkty 2 – 5 powtórzyć kolejno dla czterech różnych prędkości przepływu gazu nośnego oraz
czterech różnych temperatur kolumny.
7. Na podstawie uzyskanych wyników należy obliczyć współczynniki retencji pików,
rozdzielczości pomiędzy pikami, liczbę półek teoretycznych.
8. W oparciu o otrzymane wyniki wykreślić zależności powierzchni piku oraz współczynnika
retencji piku od prędkości przepływu gazu nośnego.
9. Omówić uzyskane wyniki.
Literatura
1. Witkiewicz - Podstawy chromatografii. WNT, 2005, rozdz. 1.1-1.4, 2.1 – 2.17, 6.1 – 6.5.
2. W. Szczepaniak - Metody instrumentalne w analizie chemicznej. PWN, W-wa 1996.
6