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 7 10 1 2 3 6 8 9 4 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 10-12 g substancji badanej. Niestety nie jest czuły w stosunku do związków nieorganicznych, a także do takich związków węgla, jak: CO, CO 2, CS 2, HCOOH i COCl 2. 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. Wymagane środki ostrożności W trakcie wykonywania ćwiczenia student powinien nosić odzież ochronną. Roztworów nie należy wdychać i pipetować ustami. Identyfikacja zagrożeń (Klasyfikacja zgodnie z dyrektywami UE 67/548/EWG lub 1999/45/WE): Izopropanol - F Produkt wysoce łatwopalny R11, Xi Produkt drażniący R36 R67 Etanol - F Produkt wysoce łatwopalny R11; Xn Produkt szkodliwy R20/21/22, R68/20/21/22 Izobutanol - Xi Produkt drażniący R10, R67, R37/38, R41 5
Pierwsza pomoc: - w razie kontaktu ze skórą: spłukać dużą ilością wody z mydłem. - w razie kontaktu z oczami: przepłukać dużą ilością wody, przy szeroko otwartej powiece. - w przypadku wystąpienia podrażnień skontaktować się z lekarzem. - w przypadku połknięcia NIE prowokować wymiotów. Nieprzytomnej osobie nigdy nie podawać nic doustnie. Wypłukać usta wodą. Zasięgnąć porady medycznej. Dokładne instrukcje postępowania są zawarte w dołączonych kartach charakterystyk substancji. 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. 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