|
Стр. 6
Вязкость (внутреннее трение) - свойство текучих тел оказывать
сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
Реология жидкостей изучает их деформационные свойства, способы
исследования этих свойств, а также физико - химическую природу
жидкостей. Основными кинематическими переменными для жидкостей
служат деформация и ее скорость. Поэтому для изучения
реологических характеристик жидких сред устанавливают связь между
приложенными внешними нагрузками и кинематическими параметрами.
Важнейшей характеристикой простых жидкостей и растворов
является вязкость "эта", которая определяется отношением
напряжения сдвига "тау" к скорости сдвига G:
"тау"
"эта" = ----.
G
Жидкости, для которых "эта" зависит только от концентрации и
температуры, называются ньютоновскими, а все другие жидкости
называются неньютоновскими.
Различают динамическую, кинематическую, относительную,
удельную, приведенную и характеристическую вязкости.
Динамическую вязкость "эта" обычно выражают в пуазах (пз) или
сантипуазах (1 спз = 0,01 пз). Жидкость имеет вязкость 1 пз, если
-1
напряжение сдвига 1 дин/кв. см создает скорость сдвига 1 с . В
системе СИ динамическая вязкость выражается в паскалях за 1 с
(Па х с), имеющих размерности (Н х с)/кв. м.
Когда плотность исследуемой жидкости "ро" включена
непосредственно в измерение вязкости, то в этом случае получают
кинематическую вязкость "ни":
"эта"
"ни" = -----.
"ро"
Выражается она в стоксах (ст) или сантистоксах (1 сст =
2 -1
= 0,01 ст), в системе СИ - в единицах м с .
В ряде случаев требуется определить вязкость одной жидкости
относительно другой - относительную вязкость "эта .
отн"
Часто вязкость выражают как удельную вязкость "эта , которая
уд"
показывает, какая часть вязкости раствора обусловлена присутствием
в нем растворенного вещества:
"эта" - "эта0" "эта"
"эта " = -------------- = ------ - 1 ="эта " - 1,
уд "эта0" "эта0" отн
где "эта" - вязкость раствора; "эта0" - вязкость растворителя.
Удельная вязкость, отнесенная к единице концентрации раствора,
называется приведенной вязкостью "эта ":
прив
"эта "
уд
"эта " = -------,
прив с
где с - концентрация раствора.
Для растворов полимеров вязкость является функцией молекулярных
масс, формы, размеров и гибкости макромолекул. Чтобы определить
структурные характеристики полимеров, приведенную вязкость
экстраполируют к нулевой концентрации. В этом случае вводится
понятие характеристической вязкости ["эта"]:
"эта "
уд
["эта"] = lim "эта " = lim -------.
с->0 с->0 при с
Характеристическая вязкость выражается в единицах, обратных
единицам концентрации.
Методы определения вязкости жидкостей
Измерение вязкости на капиллярных вискозиметрах
Для измерения кинематической вязкости применяются капиллярные
вискозиметры типа Оствальда и Уббелоде с различными модификациями.
Если известна плотность исследуемой жидкости "ро", то, зная "ни",
можно вычислить динамическую вязкость "эта". Следует отметить, что
капиллярные вискозиметры обычно используются для определения
вязкости при одном значении скорости сдвига. Поэтому такие
вискозиметры применяются в основном для исследования ньютоновских
жидкостей. Капиллярные вискозиметры просты и удобны в обращении.
Стеклянные капиллярные вискозиметры, соответствующие ГОСТу
10028-81, предназначены: 1) серии ВПЖ и ВПЖТ - для определения
вязкости прозрачных жидкостей, 2) серии ВПЖМ и ВПЖТМ - для
определения вязкости малых объемов прозрачных жидкостей, 3) серии
ВНЖ и ВНЖТ - для определения вязкости непрозрачных жидкостей.
На рис. 6 <*> представлен общий вид вискозиметра серии ВПЖ.
Вискозиметр состоит из капилляра с радиусом R и длиной L, через
который под действием силы тяжести протекает жидкость объема V.
Измерения проводят следующим образом. В колено 2 вискозиметра
наливают измеренный объем жидкости и вискозиметр помещают в
термостат. Когда жидкость в вискозиметре примет заданную
температуру (с точностью +/-0,01 град. С), производят подсасывание
через отверстие 1 до тех пор, пока жидкость не поднимется выше
отметки М1. Тогда подсасывание прекращают, и жидкость опускается.
Время t, которое требуется, чтобы мениск прошел расстояние между
отметками М1 и М2, замеряют. Если Н - средняя высота жидкости, g -
ускорение силы тяжести, то:
4
"эта" "пи"R gH
"ни" = ---- = ------------- t = Kt,
"ро" 8LV
4
"пи"R gH
где K = ---------- - постоянная прибора, обычно выражаемая в
8LV
-2
кв. мм х с (при этом поправками на концевые эффекты и
кинетическую энергию пренебрегают).
--------------------------------
<*> Рис. 6. Вискозиметр стеклянный капиллярный серии ВПЖ. 1 -
трубка; 2 - трубка; 3 - измерительный резервуар; М1, М2 - отметки
измерительного резервуара. (Рисунок не приводится).
Для определения вязкости в каждом конкретном случае капиллярные
вискозиметры выбирают в соответствии с таблицей ГОСТ 10028-81 по
известным значениям К и V в зависимости от характера изучаемой
жидкости, ее объема и значения вязкости.
Измерения времени t проводят не менее 5-7 раз. При этом
разность между наибольшим и наименьшим временем истечения жидкости
между отметками не должна превышать 0,3% среднего его значения.
Для определения относительной вязкости жидкости измеряют время
tоср истечения между верхней и нижней меткой мениска той жидкости,
относительно которой проводят измерения "эта ". Затем в том же
отн
чистом и сухом вискозиметре при тех же условиях определяют время
истечения tср исследуемой жидкости. Одновременно измеряют
плотности изучаемых жидкостей пикнометром ПЖ по ГОСТу 22524-77 -
"ро " и "ро" и рассчитывают относительную вязкость по формуле:
0
tср "ро"
"эта "= -----------.
отн tоср "ро "
0
Для измерения характеристической вязкости готовят не менее
пяти различных концентраций исследуемого раствора. При этом должно
выполняться условие возможности линейной экстраполяции приведенной
вязкости к нулевой концентрации, т.е. концентрации раствора
следует выбирать минимальными в пределах чувствительности и
точности метода измерения. Для каждой концентрации раствора
определяют tср и рассчитывают приведенную вязкость. Затем строят
зависимость "эта " от концентрации "с" и графически или
прив
линейным методом наименьших квадратов экстраполируют приведенную
вязкость к нулевой концентрации, т.е. находят характеристическую
вязкость.
ИЗМЕРЕНИЕ ВЯЗКОСТИ НА РОТАЦИОННЫХ ВИСКОЗИМЕТРАХ
Ротационные вискозиметры обычно используют для измерения
динамической вязкости. Они представляют собой системы с жесткими
соосно расположенными цилиндрами, конусами или дисками, в которых
осуществляется сдвиговое течение (рис. 7). <*> Ротационные
вискозиметры позволяют определять реологические свойства жидкостей
в широком диапазоне скоростей сдвига, что особенно важно для
неньютоновских жидкостей.
------------------------------------
<*> Рис. 7. Геометрия ротационных вискозиметров.
а: М - момент сопротивления; R - радиус внутреннего цилиндра;
"дельта" - внешний цилиндр; L - высота исследуемой жидкости;
"ОМЕГА" - угловая скорость вращения внешнего цилиндра; б: М -
момент сопротивления: R - радиус внутреннего конуса; "фи" - угол
внутреннего конуса; L - высота цилиндрической части внутреннего
конуса; "дельта" - внешний цилиндр; "ОМЕГА" - угловая скорость
вращения внешнего цилиндра. (Рисунок не приводится).
Для экспресс - анализов вязкости ньютоновских и неньютоновских
-4
жидкостей в диапазонах вязкости от 5 х 10 до 2 Па х с и от 2
4
до 10 Па х с предназначен ротационный погружной вискозиметр
"Полимер РПЭ-1" (технические условия - 5И2.842.018 Ту от 01.01.84
г.). Он обеспечивает измерение вязкости при восьми скоростях
сдвига и выпускается в двух модификациях - "Полимер РПЭ-1.1" и
"Полимер РПЭ-1.2.". Вискозиметр имеет диапазон рабочих температур
от 20 до 200 град. С.
Ротационные вискозиметры серии ВИР (микрореометры,
микроэлектрореометры) относятся к классу В, группе 2 по ГОСТу
20790-75, ГОСТу 13368-73 и ГОСТу 22968-78. Они предназначены для
определения реологических характеристик жидких сред в широком
-1
диапазоне скоростей сдвига от 0,197 до 156 с . Эти вискозиметры
выпускаются в различных модификациях - ВИР-75МБ, ВИР-72, ВИР-77МЭ,
ВИР-78МЭ. Для иллюстрации на рис. 8 <*> представлена
кинематическая схема микрореометра ВИР-75МБ.
--------------------------------
<*> Рис. 8. Кинематическая схема микрореометра ВИР-75МБ.
1 - торсионный элемент; 2 - воспринимающий цилиндр; 3 - стрелка
прибора; 4 - шкала прибора; 5 - синхронный двигатель; 6 - внешний
цилиндр; 7 - редуктор. (Рисунок не приводится).
Для измерения внешний цилиндр заполняют исследуемой жидкостью.
Замеры начинают при наименьшей скорости вращения внешнего
цилиндра. В качестве датчика используется гальванометр. Вязкость
ньютоновской жидкости определяется по формуле:
"эта" = m"альфа",
где "эта" - измеряемая вязкость; m - число делений,
отсчитываемое по шкале гальванометра; "альфа" - цена деления для
данного диапазона измерений.
При исследованиях неньютоновских жидкостей по шкале
гальванометра определяется величина момента сопротивления,
обусловленного вязкостью среды. Эффективное значение динамической
вязкости находится как отношение тангенциального напряжения сдвига
к скорости сдвига. Задавая различные скорости вращения внешнего
цилиндра, можно построить кривые зависимости вязкости от скорости
сдвига и напряжения сдвига от скорости сдвига.
ИЗМЕРЕНИЕ ВЯЗКОСТИ НА ВИСКОЗИМЕТРЕ
С ПАДАЮЩИМ ШАРИКОМ
Вискозиметры Гепплера с падающим шариком выпускаются фирмой
"Прюфгерете - Верк Мединген" (ГДР) - ASMW - VM-168-76. Измерение
вязкости на этих приборах основано на определении скорости падения
шарика в жидкости.
На рис. 9 <*> показан общий вид вискозиметра с падающим
шариком. В комплект вискозиметра входят шарики с диаметром от
10,00 до 15,80 мм, что обеспечивает измерение динамической
4
вязкости градуировочных жидкостей в диапазоне от 0,6 до 8 х 10
мПа х с.
--------------------------------
<*> Рис. 9. Вискозиметр с падающим шариком.
1 - калибровочные отметки; 2 - шарик. (Рисунок не приводится).
Для измерения вязкости исследуемую жидкость заливают в трубку,
опускают шарик и вискозиметр термостатируют при необходимой
температуре в течение примерно 30 мин с точностью +/-0,02 град. С.
Далее шарик ставят в исходное положение и включают секундомер,
когда нижняя часть шарика коснется верхней метки, и останавливают,
когда шарик достигнет нижней метки. Время движения шарика измеряют
не менее пяти - семи раз. При этом разность между наибольшим и
наименьшим значениями времени движения шарика не должна превышать
0,3% среднего его значения.
Динамическую вязкость исследуемой жидкости вычисляют по
формуле:
"эта" = К("ро " - "ро ")t ,
ш ж ср
где "эта" - динамическая вязкость; К - постоянная
вискозиметра; "po " и "po" - плотности шарика и жидкости
ш ж
соответственно; t - среднее время движения шарика между крайними
ср
метками.
Постоянная вискозиметра К определяется по формуле:
"эта0"
К = ---------------------,
("ро " - "ро ")t
ш 0ж 0ср
где "эта0" - динамическая вязкость градуировочной жидкости;
"ро " и "ро " - плотности шарика и градуировочной жидкости
ш 0ж
соответственно; t - среднее значение времени движения данного
0ср
шарика в градуировочной жидкости.
Число постоянных вискозиметра соответствует числу шариков,
входящих в комплект вискозиметра.
При необходимости постоянные прибора могут быть проверены по
вышеуказанной формуле с помощью градуировочных жидкостей с
известными значениями динамической вязкости (РД 50-366-82).
Плотность шариков "po" вычисляют по формуле:
ш
6m
"ро " = --------,
ш 3
"пи"D
где m - масса шарика, определяемая взвешиванием; D - диаметр
шарика, измеряемый скобой типа СР по ГОСТу 11098-75.
Перед проведением измерений вискозиметр следует тщательно
промыть и высушить. Проверку вискозиметра производят в
соответствии с методическими указаниями (РД 50-366-82).
ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
ХРОМАТОГРАФИЯ
Хроматографией называется процесс разделения смесей веществ,
основанный на количественных различиях в поведении разделяемых
компонентов при их непрерывном перераспределении между двумя
контактирующими фазами, одна из которых неподвижна, а другая имеет
постоянное направление движения.
По механизму, лежащему в основе разделения, различают
адсорбционную, распределительную, ионообменную и некоторые другие
виды хроматографии.
Адсорбционная хроматография
В основе адсорбционной хроматографии лежит непрерывный обмен
хроматографируемым веществом между неподвижной (твердой или
жидкой) и подвижной фазами, обусловленный существованием на
поверхности раздела фаз динамического равновесия между процессами
адсорбции и десорбции хроматографируемого вещества, растворенного
в подвижной фазе.
Для эффективного разделения решающее значение имеет подбор
комбинации подвижной и неподвижной фаз. Чаще всего для целей
адсорбционной хроматографии в качестве неподвижной фазы используют
твердые сорбенты: диатомит, кремниевую кислоту, кизельгур,
силикагель, окись алюминия, активированный уголь, молекулярные
сита и различные полимеры.
При подборе жидкой подвижной фазы руководствуются элюотропным
рядом растворителей по Шталю: гексан, гептан, циклогексан,
четыреххлористый углерод, бензол, хлороформ, эфир, этилацетат,
пиридин, ацетон, этанол, метанол, вода. Растворители в элюотропном
ряду расположены в порядке возрастания полярности (диэлектрической
проницаемости).
Распределительная хроматография
В основе распределительной хроматографии лежит процесс
непрерывного перераспределения хроматографируемых веществ между
двумя фазами (подвижной и неподвижной), причем эти вещества
растворимы в каждой из фаз.
Отношение равновесных концентраций растворенного вещества в
каждой из находящихся в контакте фаз в статистических условиях при
данной температуре является постоянной величиной и называется
коэффициентом распределения.
Применительно к хроматографическим процессам коэффициент
распределения высчитывается как отношение концентрации
хроматографируемого вещества в более полярной фазе к его
концентрации в менее полярной фазе.
Если более полярной является неподвижная фаза, возрастание
коэффициента распределения приводит к уменьшению
хроматографической подвижности вещества.
Ионообменная хроматография
В основе ионообменной хроматографии лежит обратимая хемосорбция
ионов анализируемого раствора ионогенными группами сорбента.
Обратимый обмен ионами в системе сорбент - растворитель протекает
в этом случае с соблюдением стехиометрических отношений.
В зависимости от характера ионогенных групп ионообменные
сорбенты (иониты) разделяются на катионообменные (катиониты) и
анионообменные (аниониты).
Макромолекулы катионитов содержат кислотные группы различной
силы, такие как сульфогруппы, карбоксильные и оксифенильные
группы.
Макромолекулы анионитов, наоборот, имеют в своем составе
основные группы, например алифатические или ароматические
аминогруппы различной степени замещенности (вплоть до
четвертичных).
В Н-форме катиониты и в ОН-форме аниониты соответственно
содержат в способном к обмену состоянии только ионы водорода или
гидроксила. В солевых формах ионы водорода заменены катионами
металлов или органических оснований, а анионы гидроксила -
анионами кислот.
Применение ионитов для цели хроматографического анализа
возможно как в солевых, так и в Н- и ОН-формах.
В практике наиболее часто используют сильнокислые катиониты КУ-
2, СДВ-3; слабокислые катиониты КБ-4, КБ-4П-2; сильноосновные
аниониты АВ-16, АВ-17 и слабоосновные аниониты АН-2Ф, ТМ.
Способы хроматографического разделения
Хроматографическое разделение при использовании жидкой
подвижной фазы проводят на колонках, бумаге и в тонких слоях
сорбентов. Хроматографическое разделение с использованием
газообразной подвижной фазы проводят на колонках.
ХРОМАТОГРАФИЯ НА КОЛОНКАХ
Процесс хроматографирования, протекающий с использованием
сорбента (или твердого носителя), помещенного в цилиндрическую
колонку, получил название хроматографии на колонках. На колонках
может быть реализован любой из описанных выше механизмов
хроматографического разделения.
Хроматографическая колонка представляет собой стеклянную
трубку, снабженную на выходе краном.
Анализируемый препарат в виде раствора или смеси с небольшим
количеством сорбента помещают в хроматографическую колонку сверху.
После этого через колонку с определенной скоростью (около 20
капель в 1 мин) пропускают подвижную фазу, что должно приводить к
разделению хроматографируемой смеси по длине колонки на более или
менее отдаленные друг от друга зоны, содержащие индивидуальные
вещества. Эти зоны перемещаются по сорбенту со скоростью, меньшей
скорости течения подвижной фазы. Это позволяет для выделения
отдельных компонентов анализируемой смеси использовать элюентный
метод, т.е. пропускать подвижную фазу через колонку до тех пор,
пока разделенные вещества не будут элюированы из нее.
Последовательность элюирования отдельных веществ зависит от их
хроматографической подвижности в данных условиях. Элюат собирают
по фракциям. При необходимости в ходе элюирования можно менять
состав подвижной фазы, увеличивая ее полярность. Вещества,
содержащиеся в различных фракциях элюата, могут быть выделены и
определены качественно и количественно обычными препаративными и
аналитическими методами. Применение элюентного метода делает
возможным многократное использование хроматографических колонок.
Хроматографирование на колонках чаще всего используется при
проведении ионообменной хроматографии.
Для проведения ионообменной хроматографии колонку заполняют
заранее подготовленной ионообменной смолой. Если в частной статье
не указано иначе, 5-10 г ионита (с размером частиц 0,2-0,5 мм)
помещают в стакан, 2-3 раза промывают водой. Заливают разведенной
хлористоводородной кислотой и выдерживают при периодическом
перемешивании 12 ч, после чего отмывают водой до отрицательной
реакции на хлориды.
В случае работы с анионитом его для перевода в основную форму
после отмывки от хлористоводородной кислоты водой заливают 5%
раствором карбоната натрия или 2% раствором едкого натра на 2 ч
(во время выдержки необходимо периодическое перемешивание). Эту
операцию повторяют до получения отрицательной реакции сливаемого
раствора на хлориды. Обработку раствором щелочи следует
производить в условиях, исключающих поглощение углекислого газа из
воздуха.
Подготовленные иониты промывают водой и сливают в колонку,
заполненную на 3/4 водой. Избыток воды сливают из колонки через
кран. Из слоя ионита пузырьки воздуха удаляют осторожным
встряхиванием колонки или обратным током воды. Заполненную колонку
промывают до нейтральной реакции, следя за тем, чтобы сорбент
постоянно находился под слоем жидкости. Если ионит всплывает, над
его слоем необходимо поместить тампон из стеклянной ваты.
Хроматографирование проводят, пропуская анализируемый раствор
через колонку. Процесс завершается промыванием колонки.
Количество продуктов ионного обмена, содержащееся в смеси
прошедшего через колонку анализируемого раствора и промывочной
жидкости, эквивалентно количеству адсорбированных на колонке
катионов или анионов анализируемого раствора. Это позволяет
проводить количественные определения прямым титрованием продуктов
ионного обмена. В случае хроматографирования на ионите,
находящиеся в Н- или ОН-форме, продукты ионного обмена титруют
соответственно основными или кислыми титрантами.
Как правило, возможно многократное использование ионообменной
хроматографической колонки. Если в частной статье не указано
иначе, регенерацию катионитов и анионитов после проведения ряда
определений осуществляют, пропуская через колонку соответственно
4% раствор хлористоводородной кислоты или 5% раствор карбоната
натрия (2% раствор едкого натра). По окончании процесса, когда
концентрации регенерирующего раствора на входе и выходе из колонки
становятся равными, ее промывают водой до нейтральной реакции.
ХРОМАТОГРАФИЯ НА БУМАГЕ
Хроматографический процесс, протекающий на листе фильтровальной
бумаги при перемещении по ее капиллярам и поверхности подвижной
жидкой фазы, называется хроматографией на бумаге.
Неподвижной фазой является либо сама бумага, либо вещества,
предварительно нанесенные на ее волокна. Механизм хроматографии на
бумаге бывает распределительным или адсорбционным. Перемещение
подвижной фазы осуществляется либо исключительно под действием
капиллярных сил (восходящая хроматография), либо под действием
капиллярных сил и силы тяжести (нисходящая хроматография).
При хроматографировании анализируемые вещества образуют на
бумаге круглые или овальные пятна (зоны). Совокупность пятен,
полученных при хроматографировании данного анализируемого образца,
называется хроматограммой.
Подвижности вещества при хроматографировании характеризуются
величиной Rf, представляющей собой отношение средних скоростей
перемещения вещества и подвижной фазы за время получения
хроматограммы. На экспериментально определяемые значения Rf
заметно влияют условия хроматографирования. Более точной оценкой
хроматографической подвижности, мало чувствительной к влиянию
случайных отклонений в условиях проведения эксперимента, является
величина Rs, представляющая собой отношение величины Rf одного
вещества к величине Rf другого вещества, принятого за стандарт.
Обычно выбор стандарта осуществляют так, чтобы величины Rs лежали
в пределах 0,5-2. Величины Rf и Rs используют для ориентировочной
идентификации веществ. Подлинность определяется при одновременном
хроматографировании на одном листе бумаги анализируемого и
аутентичного образца одного и того же вещества. Если образцы
идентичны, соответствующие им пятна на хроматограммах имеют
одинаковый вид и равные значения Rf. Для цели идентификации иногда
целесообразно хроматографировать смесь равных количеств
анализируемого и аутентичного образцов данного вещества. На
хроматограмме должно наблюдаться одно пятно. Условия
хроматографирования следует подбирать так, чтобы значения Rf были
отличны от 0 и 1.
При испытаниях на чистоту примеси и основное вещество в
условиях хроматографирования должны иметь разные значения Rf. При
этом условии можно судить о степени чистоты анализируемого
вещества по величине и интенсивности окраски обнаруживаемых на
хроматограмме пятен примесей. Содержание примесей может быть
определено полуколичественно. Для этого на одном листе бумаги
одновременно получают хроматограмму определенного количества
анализируемого вещества и несколько хроматограмм образца
определяемой примеси (свидетеля), взятого в различных, точно
отмеренных количествах. Содержание примеси в анализируемом образце
оценивают, сравнивая ее пятно на хроматограмме по совокупности
величины и интенсивности окраски с пятнами свидетеля. При
достаточном сходстве пятен примеси по форме и окраске с пятнами
основного вещества, взятого в том же количестве, допускается
использование соответствующих количеств основного вещества в
качестве свидетелей при хроматографировании. Количественное
определение веществ после хроматографического разделения
проводится денситометрически непосредственно на хроматограмме либо
после элюирования. В последнем случае пятна вырезают и после
измельчения извлекают определяемое вещество из бумаги каким-либо
подходящим растворителем. Содержание анализируемого вещества в
извлечении или сухом остатке, после отгонки растворителя находят
любым методом, пригодным для определения малых количеств
(спектрофотометрия, полярография и т.д.).
Оборудование
Для проведения хроматографии на бумаге используют
герметизированные камеры, изготовленные из инертного материала.
Часто в качестве камер используют стеклянные банки, закрывающиеся
пришлифованной крышкой. Внутри камеры в верхней или нижней ее
части помещают сосуд для подвижной фазы (лодочку).
Лодочка должна вмещать объем подвижной фазы, достаточный для
проведения однократного хроматографирования. Длина лодочки должна
превышать ширину листа хроматографической бумаги. Камера должна
быть снабжена устройствами для закрепления листа
хроматографической бумаги в рабочем положении и для ввода в
лодочку подвижной фазы.
Внутренние стенки камеры обкладывают фильтровальной бумагой,
что способствует более быстрому и полному ее насыщению парами
растворителей, применяемых при хроматографировании.
Подготовка фаз и бумаги
При приготовлении несмешивающихся систем растворителей,
совместно используемых при хроматографии в качестве подвижной и
неподвижной фаз, необходимо обеспечить их взаимное насыщение,
например, путем встряхивания в делительной воронке.
Фильтровальную бумагу нужной плотности квалификации "для
хроматографии" разрезают в направлении, перпендикулярном или
параллельном волокнам, на листы (полосы), длина которых
приблизительно равна высоте камеры. Ширина этих полос может быть
приближенно определена по формуле: А = 3(К + 1), где А - ширина
полосы (см), К - количество хроматограмм на полосе.
На каждой полосе бумаги для обозначения места нанесения
хроматографируемых веществ графитовым карандашом проводят прямую
линию, называемую линией старта. Расстояние от конца полосы бумаги
до линии старта выбирается так, чтобы при погружении бумаги в
лодочку исключалось непосредственное соприкосновение нанесенных на
линию старта веществ с жидкостью, находящейся в лодочке.
На приготовленные таким образом листы хроматографической
бумаги, если указано в частной статье, наносят неподвижную фазу.
Для этого соответствующие труднолетучие растворители (формамид,
пропиленгликоль и т.п.) смешивают с легколетучими растворителями
(обычно с метиловым спиртом) и в полученную смесь на 1-2 с
погружают подлежащие обработке листы бумаги. Избыток смеси с
поверхности листов снимают, обжимая их между двумя слоями
фильтровальной бумаги, после чего летучий компонент смеси удаляют
высушиванием на воздухе в течение 15-20 мин.
Если в качестве неподвижной фазы рекомендован водный раствор
нелетучих веществ, то бумагу обрабатывают этим раствором,
высушивают, как указано выше, а перед хроматографированием
выдерживают в камере, содержащей пары воды. Нанесение на бумагу
легколетучих компонентов неподвижных фаз осуществляется путем
выдерживания ее в парах фазы в камере непосредственно перед
хроматографированием.
Методика хроматографического разделения
Нисходящая хроматография
На дно хроматографической камеры помещают неподвижную или
подвижную фазу в количестве, достаточном для образования слоя
глубиной 2,5 см. Камеру закрывают и оставляют для насыщения на 24
ч при постоянной температуре. В отдельных случаях, при
использовании достаточно летучих растворителей, это время может
быть сокращено.
Растворы веществ наносят на линию старта микропипеткой или
микрошприцем так, чтобы расстояние между точками нанесения
отдельных проб было не менее 3 см. Если минимально необходимое для
проведения хроматографирования количество анализируемого раствора
может образовывать на бумаге пятно, превышающее в диаметре 10 мм,
нанесение проводят в несколько приемов, предотвращая путем
подсушивания чрезмерное растекание пятна на линии старта. После
нанесения растворов анализируемых веществ и высыхания
образовавшихся при этом пятен полосу бумаги закрепляют в рабочем
положении в камере и оставляют на 1,5 ч. В рабочем положении
полоса хроматографической бумаги должна висеть вертикально так,
чтобы между ее верхним концом, погруженным в лодочку, и линией
старта был лишь один, по возможности плавный, перегиб. По
окончании выдержки начинают хроматографирование, для чего в
лодочку вливают подвижную фазу. Хроматографирование обычно
заканчивают при приближении фронта подвижной фазы к нижнему концу
полосы бумаги. Если в частной статье нет специальных указаний,
полосу вынимают из камеры и высушивают на воздухе, отметив
графитовым карандашом конечное положение подвижной фазы. Пятна
открывают как указано в частной статье.
Восходящая хроматография
Для проведения восходящей хроматографии на бумаге используют
камеры, в которых сосуд (лодочка) с подвижной фазой располагается
в нижней части или на дне. Полоса хроматографической бумаги
закрепляется в верхней части камеры так, чтобы обеспечить
возможность погружения нижнего конца полосы в лодочку с подвижной
фазой. В рабочем положении полосы линия старта должна отстоять от
поверхности подвижной фазы на 2-3 см. В остальном приемы работы
при проведении восходящей хроматографии на бумаге не отличаются от
описанных выше.
Обработка хроматограмм
По окончании хроматографирования пятна веществ на
хроматограммах открывают при просмотре в видимом или
ультрафиолетовом свете. При необходимости хроматограмму
предварительно обрабатывают (погружением или опрыскиванием)
раствором реактива, дающего цветные реакции с хроматографируемыми
веществами.
В отдельных случаях пятна обнаруживают путем установления факта
угнетения или стимулирования роста бактерий в непосредственной
близости от пятна при помещении хроматограммы на инокулированную
среду.
Для обнаруженных пятен вычисляют величину Rf по уравнению:
а
Rf = ---,
b
где а - расстояние от линии старта до центра пятна; b -
расстояние от линии старта до фронта подвижной фазы.
ХРОМАТОГРАФИЯ В ТОНКОМ СЛОЕ СОРБЕНТА
Хроматографический процесс, протекающий при движении подвижной
фазы в тонком слое сорбента (носителя), нанесенном на инертную
поверхность, называется хроматографией в тонком слое сорбента.
Неподвижной фазой в данном случае являются сам твердый сорбент
либо вещества, предварительно на него нанесенные. Механизм
хроматографического разделения может быть различным, но чаще всего
он является адсорбционным. Перемещение подвижной фазы в слое
сорбента с целью упрощения аппаратурного оформления процесса
хроматографирования, как правило, осуществляется восходящим
методом, т.е. под действием капиллярных сил.
По сравнению с хроматографией на бумаге хроматография в тонком
слое сорбента имеет ряд преимуществ, основными из которых
являются: высокая скорость процесса хроматографирования,
возможность использования в качестве неподвижных фаз (носителей)
разнообразных сорбентов, а также сильнокислых, щелочных или иных
взаимодействующих с бумагой подвижных фаз и жестких методов
открытия пятен путем обработки хроматограмм агрессивными
веществами при повышенных температурах.
Для хроматографирования могут использоваться готовые пластинки
с закрепленным слоем сорбента, выпускаемые промышленностью, и
пластинки со специально приготовленным тонким слоем сорбента.
Приготовление пластинок с тонким слоем сорбента
Обычно слой сорбента (чаще всего силикагеля или окиси алюминия
квалификации "для хроматографии") с размером частиц 150-200 меш
(сито N 61; ГОСТ 4403-67) наносят на стеклянные матовые пластинки
подходящего размера. Для закрепления слоя применяют добавки
сульфата кальция CaSO4 х 1/2H2O (гипса) или крахмала. Нанесение
слоя может осуществляться следующими способами.
Способ 1. Для получения закрепленного слоя сорбента толщиной
около 200-300 мкм с площадью 100 кв. см 2 г силикагеля или окиси
алюминия (150-200 меш) и 0,1 г гипса растирают с 5 мл воды в
фарфоровой ступке до образования однородной жидкой массы, которую
немедленно выливают на горизонтально расположенные, тщательно
вымытые стеклянные пластинки выбранного размера. Массу
разравнивают шпателем и полученный таким образом слой сушат при
комнатной температуре, предохраняя от возможных механических и
химических загрязнений. Если в частной статье не указано иначе,
пластинки активируют в сушильном шкафу при 120 град. С в течение 1
ч. Готовые пластинки с тонким слоем сорбента хранят в эксикаторе
над силикагелем или хлоридом кальция.
Примечание. Для получения слоя толщиной около 100-150 мкм
нанесение указанного выше количества массы проводят на пластинки с
общей площадью 200 кв. см.
Способ 2. Для получения закрепленного слоя сорбента толщиной в
несколько десятков микрон 2-3 г гипса растирают в ступке в 40 мл
метилового спирта. В суспензию гипса, продолжая растирание,
добавляют 40 г силикагеля или окиси алюминия (200-400 меш) и 140
мл хлороформа. Полученную суспензию сорбента из расчета 4,5 мл на
100 кв. см поверхности выливают на тщательно вымытые сухие
стеклянные пластинки, расположенные горизонтально. Пластинки, если
в частной статье не указано иначе, сушат на воздухе в течение 10-
15 мин.
Суспензии сорбентов сохраняют в колбах с притертой пробкой,
тщательно взбалтывая перед употреблением.
Способ 3. Для приготовления незакрепленного слоя сорбента
последний насыпают на горизонтально расположенное матовое стекло и
разравнивают до получения слоя толщиной 1-2 мм валиком из
нержавеющей стали диаметром 6-8 мм с цилиндрическими утолщениями
на обоих концах. Диаметр утолщения должен превышать на 2-4 мм
диаметр валика (соответственно предполагаемой толщине слоя). Длина
средней части валика должна быть на 20-30 мм меньше ширины стекла,
на которое наносится слой сорбента. Вместо металлического валика
можно использовать стеклянную палочку с надетыми на концы кусками
резиновой или полиэтиленовой трубки, имеющей подходящую толщину
стенки и диаметр.
Методика хроматографического разделения
Для разделения веществ методом хроматографии в тонком слое
сорбента используют хроматографические камеры подходящего размера.
На дно камеры наливают подвижную фазу в количестве, достаточном
для образования слоя глубиной 0,5 см, камеру закрывают и
выдерживают для насыщения парами растворителей 30-60 мин. Стенки
камеры для полноты насыщения можно обкладывать фильтровальной
бумагой. Анализируемый раствор наносят микропипеткой или
микрошприцем на линию старта, проведенную на расстоянии 2-3 см от
нижнего края пластинки, так, чтобы пятна образцов отстояли друг от
друга и от краев слоя сорбента не менее чем на 2 см. Нежелательное
растекание пятен анализируемых проб при нанесении предотвращают
путем периодического подсушивания.
После окончательного высыхания нанесенных на линию старта пятен
пластинку вносят в камеру. Нижний край пластинки при этом должен
погрузиться в подвижную фазу на 0,5-1 см.
Пластинки с закрепленным слоем сорбента располагают под углом
60-90 град., а пластинки с незакрепленным слоем сорбента - под
углом 15-20 град. к поверхности жидкости. Когда фронт растворителя
пройдет 10-15 см, пластинку вынимают, отмечают положение фронта и
открывают пятна хроматографировавшихся веществ, как указано в
соответствующей частной статье. Опрыскивание незакрепленного слоя
сорбента проводят немедленно после завершения процесса
хроматографирования, не допуская высыхания хроматограммы.
Результаты хроматографирования оценивают, как описано в разделе
"Хроматография на бумаге" настоящей статьи.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРИЕМЫ ХРОМАТОГРАФИИ НА БУМАГЕ
И В ТОНКОМ СЛОЕ СОРБЕНТА
При необходимости достигнуть лучшего разделения анализируемых
смесей веществ методами хроматографии на бумаге и в тонком слое
сорбента можно применять специальные приемы хроматографирования -
повторное и двухмерное.
Повторное хроматографирование заключается в том, что после
завершения первого хроматографирования пластинку или бумагу
высушивают и подвергают повторному пропусканию той же или иной
подвижной фазы в том же направлении.
При двухмерном хроматографировании повторное пропускание той же
или иной подвижной фазы осуществляют в направлении,
перпендикулярном направлению первоначального движения. Двухмерное
хроматографирование целесообразно осуществлять на квадратных
пластинках или листах бумаги. Анализируемая проба при этом
наносится на диагональ квадрата вблизи одного из его углов.
Двухмерную хроматографию с использованием одной и той же
подвижной фазы часто применяют для проверки устойчивости веществ в
условиях хроматографирования. Устойчивые вещества образуют пятна,
лежащие только на диагонали пластинки или листа бумаги.
Газовая хроматография
Газовая хроматография - это хроматография, в которой подвижная
фаза находится в состоянии газа или пара. В фармацевтическом
анализе находит применение как газожидкостная, так и
газоадсорбционная хроматография. В газожидкостной хроматографии
неподвижной фазой служит жидкость, нанесенная на твердый носитель,
в газоадсорбционной хроматографии неподвижной фазой служит твердый
адсорбент. В дальнейшем твердый носитель с нанесенной на него
жидкой фазой и адсорбент будут обозначаться термином "сорбент".
Анализируемые вещества вводятся в поток газа-носителя, испаряются
и в парообразном состоянии проходят через колонку с сорбентом,
распределяясь в результате многократного повторения актов сорбции
и десорбции между газовой и жидкой или газовой и твердой фазами.
Отношение количества вещества в неподвижной фазе к количеству
вещества в подвижной фазе представляет собой коэффициент
распределения, который, в частности, зависит от природы
растворенного вещества и количества неподвижной фазы.
Разделенные вещества элюируются из хроматографической колонки
потоком газа-носителя, регистрируются детектором и фиксируются на
хроматограмме в виде пиков. Полученная хроматограмма служит
основой для качественного и количественного анализа смеси веществ.
Метод газовой хроматографии применяется для анализа летучих
веществ либо веществ, которые могут быть переведены в летучие с
помощью специальных приемов и устройств в парообразное состояние.
Газовый хроматограф состоит из систем: измерения и
регулирования скорости потока газа - носителя и вспомогательных
газов (для детектора); ввода пробы анализируемого образца;
газохроматографических колонок, а также систем детектирования,
регистрации (и обработки) хроматографической информации;
термостатирования и контроля температуры колонок, детектора и
системы ввода проб.
Газ - носитель поступает в хроматограф из баллона через
редуктор. Обычно в качестве газа - носителя применяют гелий, азот,
аргон. При работе с детектором по теплопроводности
предпочтительнее гелий, так как он обеспечивает максимальную
чувствительность детектора благодаря высокой теплопроводности по
сравнению с большинством органических соединений.
Система ввода пробы анализируемого образца обычно состоит из
испарителя и мембраны из термостойкой резины, которая
прокалывается при вводе пробы. Некоторые хроматографы снабжены
|
