Ćw. 1 Chromatografia gazowa. Identyfikacja składników w mieszaninie węglowodorów za pomocą indeksów retencji.

I Wstęp teoretyczny

Chromatografia to technika analityczna lub preparatywna służąca do rozdzielania lub badania składu mieszanin związków chemicznych.

W każdej technice chromatograficznej najpierw rozdziela się badaną mieszaninę, a następnie przeprowadza się detekcję poszczególnych składników. Rozdział substancji następuje w wyniku przepuszczenia roztworu badanej mieszaniny przez specjalnie spreparowaną fazę rozdzielczą (złoże), zwaną też fazą stacjonarną. Fazą rozdzielczą są substancje wykazujące zdolności sorpcyjne lub zdolne do innych oddziaływań na substancje przepływające. Podczas przepływu eluenta (fazy ruchomej) przez fazę rozdzielczą następuje proces wymywania zaadsorbowanych (lub związanych) substancji. Intensywność tego procesu jest różna dla poszczególnych składników mieszaniny. Jedne składniki są, więc zatrzymywane w fazie dłużej, a inne krócej, dzięki czemu może następować ich separacja. Czas przebywania danego składnika w kolumnie określany jest mianem czasu retencji.

W zależności od rodzaju eluentu, czyli substancji, w której rozpuszcza się badaną mieszaninę rozróżnia się następujące techniki chromatograficzne:

• chromatografia cieczowa - w której eluentem jest ciekły rozpuszczalnik

• chromatografia gazowa - w której eluentem jest gaz (zwykle wodór lub hel).

• chromatografia nadkrytyczna - w której eluentem jest gaz w stanie nadkrytycznym.

W zależności od rodzaju i sposobu przygotowania fazy rozdzielczej:

• TLC - thin layer chromatography, chromatografia cienkowarstwowa - w której fazę rozdzielczą stanowi cienka warstwa żelu naniesiona na sztywną płytkę. Na tak spreparowaną płytkę nanosi się próbkę roztworu, po czym na skutek działania sił kapilarnych, grawitacji lub pola elektrycznego następuje przepływ i rozdział mieszaniny;

• chromatografia bibułowa - w której fazę rozdzielczą stanowi pasek lub arkusz bibuły filtracyjnej lub specjalnego typu bibuły chromatograficznej;

• chromatografia kolumnowa - w której faza rozdzielcza jest umieszczona w specjalnej kolumnie, przez którą przepuszcza się następnie roztwór badanej mieszaniny. Przepływ roztworu przez kolumnę można wymuszać grawitacyjnie lub stosując różnicę ciśnień na wlocie i wylocie kolumny;

• chromatografia powinowactwa - w której odpowiednio spreparowana faza rozdzielcza jest zdolna do oddziaływań chemicznych o zmiennym powinowactwie wobec rozdzielanych substancji;

• chromatografia jonowymienna - w której substancje oddziaływają ze złożem za pomocą oddziaływań jonowych.

Chromatografia gazowa to analityczna technika chromatograficzna, w której fazą nośną jest gaz (najczęściej hel, argon, coraz rzadziej wodór). Technika ta umożliwia procentowe ustalenie składu mieszanin związków chemicznych, w których występuje ich nawet kilkaset. Stosując klasyczną detekcję umożliwia przybliżoną identyfikację składników mieszaniny, pełną identyfikację z detektorem masowym. Chromatografia gazowa jest najczęściej stosowaną metodą do szybkiej analizy złożonych mieszanin związków chemicznych oraz oceny czystości tych związków, zarówno w przemyśle jak i w rozmaitych laboratoriach.

Metoda ta jest oparta na rozdzielaniu mieszanin na długich i cienkich kolumnach z odpowiednim wypełnieniem stałym następnie detekcji stężenia kolejno wychodzących związków na wylocie kolumny. Mechanizm rozdziału oparty jest na występowaniu oddziaływań międzycząsteczkowych między związkami rozdzielanych mieszanin i wypełnieniem kolumn. Oddziaływania te hamują przepływ związków chemicznych przez kolumnę. Czym są one silniejsze, tym czas przejścia związku chemicznego przez kolumnę jest dłuższy. Czas przejścia danego związku chemicznego przez całą kolumnę jest nazywany czasem retencji. Przy odpowiednio długiej kolumnie, zawierającej odpowiednie wypełnienie, czasy retencji związków są na tyle różne, że wychodzą one z kolumny osobno, przy czym cała objętość związku wychodzi w stosunkowo krótkim czasie. Czas retencji w danych warunkach (program temperaturowy kolumny, przepływ i rodzaj gazu nośnego, rodzaj i długość kolumny i określony aparat) jest wartością specyficzną dla eluującego związku chemicznego. Pozwala to na bardzo przybliżoną identyfikację składnika, poprzez porównanie ze znaną, czystą substancją.

II. Wykonanie ćwiczenia

Na chromatografie gazowym HP 4890 z kolumną kapilarną HP1 wykonano chromatogramy następujących substancji, stosując jako rozpuszczalnik acetonitryl (chromatogram nr1):

• mieszaniny n-alkanów, począwszy od heksanu, aż do dekanu, dozując próbkę w ilości 0,2μl (nr2)

• mieszaniny węglowodorów aromatycznych: benzen toluen, etylobenzen; dozując próbkę w ilości 0,2μl (nr3)

• mieszaniny trzech nieznanych spośród wymienionych wyżej węglowodorów aromatycznych i n-alkanów, dozując próbkę w ilości 0,2μl (nr4)

• mieszaniny heptanu (23mM), heksanu (24,5mM), oktanu (22mM)-próbka I, 5ml (nr5)

• mieszaniny heksanu (składnik oznaczany), oktanu (22mM,wzorzec wewnętrzny) - próbka II, 5ml (nr6)

• mieszaniny heptanu (23mM), heksanu (składnik oznaczany, ilość z próbki I +1,5*10^-5 mola), oktanu (22mM)-próbka III, 5ml (nr7)

III. Obliczenia i wnioski

1) Na chromatogramach 2,3,4,5,6,7 widoczny jest poza pikami użytych substancji szereg mniejszych pików świadczący o zanieczyszczeniu, któregoś z n-alkanów.

2) Wiedząc, że czas retencji kolejnych n-alkanów rośnie wraz z liczbą at. C, stwierdzamy, że piki obecne na chromatogramie nr 2 pochodzą odpowiednio (w kolejności rosnącego czasu retencji) od: rozpuszczalnika, heksanu, heptanu, oktanu, nonanu, dekanu.

Czas retencji [min]	Związek	Powierzchnia piku
0,722	acetonitryl(rozpuszczalnik)	38 445 856
1,019	heksan	18 795 168
1,565	heptan	24 081 200
2,759	oktan	43 762 080
5,399	nonan	73 103 232
11,215	dekan	126 332 040

3) Obliczono indeksy retencji węglowodorów aromatycznych znajdujących się w mieszaninie dla której został wykonany chromatogram nr3 i na ich podstawie dokonano ich identyfikacji.

Pik I - czas retencji 0,755 (rozpuszczalnik)

Pik II-czas retencji 1,319 (między czasem retencji heksanu i heptanu)

Pik III-czas retencji 2,199 (między czasem retencji heptanu i oktanu)

Pik IV-czas retencji 3,859 (między czasem retencji oktanu i nonanu)

Nr piku	Czas retencji [min]	Indeks retencji tabelaryczny^*	Indeks retencji obliczony	Związek	Powierzchnia piku
I	0,755			acetonitryl(rozpuszczalnik)	60 644 576
II	1,319	654	660	benzen	36 913 280
III	2,199	756,7	760	toluen	42 334 688
IV	3,859	848,5	850	etylobenzen	64 908 384

* źródło: tabela w instrukcji do ćwiczenia

4) Na podstawie czasów retencji dokonano identyfikacji węglowodorów dla których wykonano chromatogram nr 4:

Nr piku	Czas retencji [min]	Najbardziej zbliżony czas retencji z chromatogramu nr 2 [min]	Najbardziej zbliżony czas retencji z chromatogramu nr 3 [min]	Związek	Powierzchnia piku
I	0,792	0,722	0,755	acetonitryl(rozpuszczalnik)	60 644 576
II	1,639	1,565		heptan	36 913 280
III	2,212		2,199	toluen	42 334 688
IV	3,879		3,859	etylobenzen	64 908 384

Oraz obliczono ich procentową zawartość w próbce metodą normalizacji wewnętrznej:

• najpierw obliczono współczynniki korekcyjne molowe f_Mi, wagowe f_Gi oraz objętościowe f_V:

gdzie RMR_i to względna powierzchnia molowa związku w odniesieniu do n-heptanu dla detektora płomieniowo-jonizacyjnego (RMR_s=700^*), M_i,d_i-masa molowa i gęstość i-tego związku, M_s,d_s-masa molowa i gęstość n-heptanu

związek	RMRi^*	f M i	Mi [g/mol]	Mi/Ms	f G i	di [g/cm3]^**	ds/di	f V i
heptan	700	1,000	100,198	1,000	1,000	0,684	1,000	1,000
toluen	725	0,966	92,134	0,920	84,719	0,873	0,784	0,696
etylobenzen	800	0,875	106,160	1,060	112,477	0,867	0,789	0,731

^* źródło: tabela w instrukcji do ćwiczenia

^** źródło: Wikpedia, wolna encyklopedia http://pl.wikipedia.org/wiki/Strona_g%C5%82%C3%B3wna

• następnie obliczono ich procentową zawartość w próbce w procentach molowych %M_i, masowych %G_i i objętościowych %V_i

związek	Ai	f M i * Ai	%Mi	f Gi * Ai	%Gi	f V i * Ai	%Vi
heptan	36913280	36913280	27,43	36913280	0,34	36913280	32,43
toluen	42334688	40874871	30,37	3586552261	32,83	29448225	25,87
etylobenzen	64908384	56794836	42,20	7300684212	66,83	47473113	41,70
suma	144156352	134582987	100	10924149753	100	113834618	100

5) Na podstawie czasów retencji zidentyfikowano piki na chromatogramie nr5

Nr piku	Czas retencji [min]	Związek	Stężenie [mM]	Powierzchnia piku
I	0,725	acetonitryl(rozpuszczalnik)	--	44 465 696
II	1,022	heksan	24,5	19 757 328
III	1,572	heptan	23	24 353 056
IV	2,772	oktan	22	36 273 376

oraz na chromatogramie nr 6

Nr piku	Czas retencji [min]	Związek	Stężenie [mM]	Powierzchnia piku
I	0,762	acetonitryl(rozpuszczalnik)	--	63 423 072
II	1,085	heksan	szukane	27 645 744
III	2,829	oktan	22	40 674 016

Metodą wzorca wewnętrznego oznaczono stężenie heksanu drugiej próbce (chromatogram nr6):

• na podstawie chromatogramu nr5 wyznaczono współczynnik korekcyjny RF

• a następnie wyznaczono szukane stężenie heksanu w próbce II

(chromatogram nr6)

6) Na podstawie czasów retencji zidentyfikowano piki na chromatogramie nr7:

Nr piku	Czas retencji [min]	Związek	Stężenie [mM]=10^-6[mol/cm^3]	Powierzchnia piku
I	0,742	acetonitryl(rozpuszczalnik)	--	66 393 600
II	1,092	heksan	to co w próbce pierwszej+1,5*10^-5mola	19 910 624
III	1,639	heptan	23	24 377 328
IV	2,839	oktan	22	40 707 936

Metodą dodatku wzorca wyznaczono zawartość heksanu %m w próbce I w procentach masowych:

A_i1=19 757 328-powierzchnia piku oznaczanego składnika w próbce bez dodatku wzorca

A_i2=19 910 624- powierzchnia piku oznaczanego składnika w próbce z dodatkiem wzorca

G_d=1,5*10^-5 mol * 86,172g/mol=1,29*10^-3g-masa dodanego wzorca

d_acetonitrylu=0,78 g/cm³

(źródło: Wikpedia, wolna encyklopedia http://pl.wikipedia.org/wiki/Strona_g%C5%82%C3%B3wna )

Gp=5cm³*0,78 g/cm³ + 23*10^-6 mol/cm³*5cm³*100,198g/mol

+ 22*10^-6 mol/cm³*5cm³*114,224g/mol + 24,5*10^-6 mol/cm³*5cm³*86,172g/mol=3,935g -masa próbki bez dodatku wzorca

-stosunek masowy zadozowanych próbek(bez wzorca I z dodanym wzorcem)

A_j1-powierzchnia piku substancji j w próbce bez dodatku wzorca

A_j2-powierzchnia piku substancji j w próbce z dodatkiem wzorca

Przyjmujemy za substancję j oktan.

Otrzymany wynik jest skutkiem jakiegoś błędu grubego (błąd we wzorze, błąd przy notowaniu w której próbce stężenie heksanu ma być oznaczane, błąd przy notowaniu objętości próbki???).

Chromatografia gazowa jest metodą cechującą się dużą dokładnością i precyzją pod warunkiem, że właściwie się ją przeprowadzi. Potwierdzają to wartości czasów retencji -dla danego związku na każdym z chromatogrmów nie różnią się więcej niż 0,1min, czyli mniej niż 6s-oraz wartości obliczonych dla próbki węglowodorów aromatycznych indeksów retencji Kovaca-bardzo zbliżone do tabelarycznych (odchylenia wspomnianych wielkości mogą być spowodowane określonym stopniem precyzji wyników samego aparatu, nie do końca precyzyjną obsługą aparatu przez ćwiczącego oraz obecnością zanieczyszczeń w próbce węglowodorów alifatycznych). Stąd też otrzymaną wartość stężenia cykloheksanu w II próbce można uznać za w dużym stopniu wiarygodną.

---