氣相色譜分離原理電子教案

氣相色譜分離原理課程引入問題：氣相色譜是如何完成性質接近混合物的分離的？學生討論（可從下列3個方面入手）運動員在同一起跑線起跑，卻在不同時間達到終點；不同的人逛同一條街，有的人需3小時，有的人卻只要15min；用篩子可以使不同直徑的顆粒得到較好的分離。學生總結3種情況的核心基于速度不同；基于商店對人的吸引力；基于分子直徑與篩孔的相對大小。

茨維特實驗（動畫m4-1-1.swf）展示分離模擬過程1906年，茨維特利用不同色素在活性碳酸鈣與石油醚的共同作用之下在玻璃柱中呈現出不同的運行速度，能使其達到彼此分離。茨維特在他的原始論文中，把上述分離方法叫做色譜法（chromatography）在柱中出現的有顏色的色帶叫做色譜圖（chromatogram）。填充CaCO3的玻璃柱管叫做色譜柱（column）具有大表面積的CaCO3固體顆粒稱為固定相(stationaryphase)，推動被分離的組分（色素）流過固定相的惰性流體（上述實驗用的是石油醚）稱為流動相（mobilephase）色譜法定義色譜分析法實質上是一種物理化學分離方法，即利用不同物質在兩相（固定相和流動相）中具有不同的分配系數（或吸附系數），當兩相作相對運動時，這些物質在兩相中反復多次分配（即組分在兩相之間進行反復多次的吸附、脫附或溶解、揮發(fā)過程）從而使各物質得到完全分離。色譜法分離過程示意圖ABCD載氣3種組分同時進入色譜柱3種組分開始在色譜柱中分離3種組分在色譜柱中基本達到分離3種組分在色譜柱中完全達到分離學生提問、討論與總結1問題1：不同組分在色譜柱中為什么呈現不同的運行速度？因為固定相對不同組分有不同的吸附力，吸附力強的組分難以被流動相沖洗出色譜柱，故運行速度慢，運行時間長。反之，吸附力弱的組分則容易被流動相沖洗出色譜柱，故運行速度快，運行時間短。同樣的道理，若固定相呈液體狀態(tài)，則不同組分呈現不同運行速度則是因為固定液對不同組分有不同的溶解能力，溶解性強的組分難以揮發(fā)至流動相中，故其在色譜柱中運行速度慢，運行時間長。反之，溶解性弱的組分則容易揮發(fā)至流動相中，故其在色譜柱中運行速度快，運行時間短。學生提問、討論與總結2問題2：吸附與脫附是怎么回事？吸附作用是指各種氣體、蒸氣以及溶液里的溶質被吸著在固體或液體物質表面上的作用。具有吸附性的物質叫做吸附劑，被吸附的物質叫吸附質。吸附作用可分為物理吸附和化學吸附。脫附作用正好與吸附作用相反，是指吸著在固體或液體物質表面上的物質在一定的作用下離開原表面的過程。問題3：什么是溶解過程與揮發(fā)過程？溶解過程是指氣態(tài)或液態(tài)組分進入固定液的過程，而揮發(fā)過程則是指組分離開固定液回到氣態(tài)或液態(tài)流動相的過程。學生提問、討論與總結3問題4：所謂分配系數？分配比？它在色譜分離過程中有什么作用？分配系數（K）:平衡狀態(tài)時，組分在固定相與流動相中的濃度比。如在給定柱溫下組分在流動相與固定相間的分配達到平衡時，對于氣-固色譜，組分的分配系數為：對于氣-液色譜，分配系數為：式中CL與CG分別是組分在固定液與載氣中的濃度。學生提問、討論與總結4容量因子（k）:又稱分配比，容量比，指組分在固定相和流動相中分配量（質量、體積、物質的量）之比。兩組分分配系數不同，則在色譜柱中有不同的保留值，因而就以不同的速度先后流出色譜柱，從而達到分離。組分分子結構不同，組分性質不同，則相應的分配系數也不同，這是色譜分離的基礎。色譜法發(fā)展歷史1茨維特發(fā)現他的色譜法之后的20多年里，幾乎無人問津這一技術。到了1931年，德籍奧地利化學家?guī)於鳎≧.Kuhn）利用茨維特的方法在纖維狀氧化鋁和碳酸鈣的吸附柱上將過去一個世紀以來公認為單一的結晶狀胡蘿卜素分離成a和b兩個同分異構體，并由所取得的純胡蘿卜素確定出了其分子式。隨后他還發(fā)現了八種新類胡蘿卜素，并把它們制成純品，進行了結構分析。同年，庫恩又把注意力集中在維生素的研究上，確定了維生素A的結構。此外，他還用色譜法從蛋黃中分離出了葉黃素；還曾把腌魚腐敗細菌中所含的紅色類胡蘿卜素確定離析出來并制成結晶。1933年庫恩從35000升脫脂牛奶中分離出1g核黃素（即維生素B2），制得結晶，并測定了它的結構。色譜法發(fā)展歷史21938年，Kuhn因在維生素和胡蘿卜素的離析與結構分析中取得了重大研究成果被授予諾貝爾化學獎。從此色譜法開始為人們所重視，迅速為各國科學家們所注目，廣泛被采用起來。此后，相繼出現了各種色譜方法（如下表所示）。現在的色譜分析已經失去顏色的含義，只是沿用色譜這個名詞。年代發(fā)明者發(fā)明的色譜方法或重要應用1906Tswett用碳酸鈣作吸附劑分離植物色素。最先提出色譜概念。1931Kuhn,Lederer用氧化鋁和碳酸鈣分離a-、b-和g-胡蘿卜素。使色譜法開始為人們所重視。1938Izmailov,Shraiber最先使用薄層色譜法。1938Taylor,Uray用離子交換色譜法分離了鋰和鉀的同位素。1941Martin,Synge提出色譜塔板理論；發(fā)明液-液分配色譜；預言了氣體可作為流動相（即氣相色譜）。色譜法發(fā)展歷史3年代發(fā)明者發(fā)明的色譜方法或重要應用1944Consden等發(fā)明了紙色譜。1949Macllean在氧化鋁中加入淀粉黏合劑制作薄層板使薄層色譜進入實用階段。1952Martin,James從理論和實踐方面完善了氣-液分配色譜法。1956VanDeemter等提出色譜速率理論，并應用于氣相色譜。1957基于離子交換色譜的氨基酸分析專用儀器問世。1958Golay發(fā)明毛細管柱氣相色譜。1959Porath,Flodin發(fā)表凝膠過濾色譜的報告。1964Moore發(fā)明凝膠滲透色譜。1965Giddings發(fā)展了色譜理論，為色譜學的發(fā)展奠定了理論基礎。1975Small發(fā)明了以離子交換劑為固定相、強電解質為流動相，采用抑制型電導檢測的新型離子色譜法。1981Jorgenson等創(chuàng)立了毛細管電泳法。色譜法的分類1按固定相和流動相所處的狀態(tài)分類流動相總稱固定相色譜名稱氣體氣相色譜（GC）固體氣-固色譜（GSC）液體氣-液色譜（GLC）液體液相色譜（LC）固體液-固色譜（LSC）液體液-液色譜（LLC）色譜法的分類2按固定相性質和操作方式分類固定相形式柱紙薄層板填充柱開口管柱固定相性質在玻璃或不銹鋼柱管內填充固體吸附劑或涂漬在惰性載體上的固定液在彈性石英玻璃或玻璃毛細管內壁附有吸附劑薄層或涂漬固定液等具有多孔和強滲透能力的濾紙或纖維素薄膜在玻璃板上涂有硅膠G薄層操作方式液體或氣體流動相從柱頭向柱尾連續(xù)不斷地沖洗液體流動相從濾紙一端向另一端擴散液體流動相從薄層板一端向另一端擴散名稱柱色譜紙色譜薄層色譜色譜法的分類3按色譜分離過程的物理化學原理分類名稱吸附色譜分配色譜離子交換色譜凝膠色譜原理利用吸附劑對不同組分吸附性能的差別利用固定液對不同組分分配性能差別利用離子交換劑對不同離子親和能力差別利用凝膠對不同組分分子的阻滯作用差別平衡常數吸附系數KA分配系數KP選擇性系數KS滲透系數KPF流動相為液體液固吸附色譜液液分配色譜液相離子交換色譜液相凝膠色譜流動相為氣體氣固吸附色譜氣液分配色譜目前，應用最廣泛的是氣相色譜法（gaschromatography，GC）和高效液相色譜法（high