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Gaschromatographie 1

_________________________________________________________________________________________ Apparatives Praktikum Physikalische Chemie, Dr. Christof Maul, Dr. Thorben Dammeyer (16.12.13) WS2013/14 TU Braunschweig, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie

Gaschromatographie Die Aufgabe chromatographischer Verfahren besteht darin, komplexe stoffliche Systeme in Verbindung mit empfindlichen Messmethoden schnell und in ihrer Vielfalt erfassen und be-stimmen zu können. Daher steht bei der Weiterentwicklung der chromatographischen Analy-tik die Steigerung der Trennleistungen und der Detektorempfindlichkeiten im Vordergrund. Allen chromatographischen Methoden liegt die gleiche Theorie zugrunde. Die Auswahl der speziellen Methoden und Techniken wird jeweils vom gestellten Analysenproblem bestimmt. Die in ihren Arbeitsweisen unterschiedlichen chromatographischen Techniken können unter-einander und mit anderen Analysemethoden kombiniert werden, wodurch sich eine große Vielfalt in der analytischen Anwendung dieser Trennmethoden ergibt. Unter dem Begriff Chromatographie werden physikalische Methoden zusammengefasst, bei denen eine Stoffmenge zwischen einer ruhenden (stationären) und einer sich bewegenden (mobilen) Phase verteilt wird. Ein chromatographisches System besteht also aus zwei nicht miteinander mischbaren Phasen, von denen die eine sich an der anderen vorbeibewegt. Aus dieser Definition ergibt sich eine klare Abgrenzung zur Flüssig-flüssig-Verteilung, die in Form einer Extraktion (Ausschüttelung) durchgeführt wird und in der beide Phasen bewegt werden. Man kann nun die Einteilung der chromatographischen Methoden nach verschiede-nen Gesichtspunkten durchführen. So kann man sie z.B. nach den physikalisch-chemischen Vorgängen, die für die Trennwirkung bestimmend sind, in zwei Hauptgruppen unterteilen: • Adsorptions-Chromatographie, bei der durch die Adsorption eine Verteilung an der

Oberfläche eines Feststoffes als stationäre Phase resultiert, und • Verteilungs-Chromatographie, bei der durch die Lösevorgänge in beide, miteinander

nicht mischbaren Phasen eine Verteilung in diesen resultiert. Diese Trennprinzipien können jedoch bei allen chromatographischen Methoden in unter-schiedlichem Maße auch gemeinsam wirksam werden und erlauben somit nur eine grobe Ein-teilung. In den nachfolgenden zwei Abschnitten werden Adsorption und Verteilung näher be-trachtet.

Stichworte Gaschromatographie, Chromatogramm, Adsorption, Adsorptionsisotherme, Verteilung, Ver-teilungskoeffizient, Nernstsches Verteilungsgesetz, stationäre und mobile Phase



Adsorption Unter Adsorption versteht man eine Grenzflächenreaktion zwischen einem gelösten und ei-nem festen Stoff (Adsorbens, Sorbens), d.h. es tritt eine Anreicherung des gelösten Stoffes (als Adsorbat) an der Phasengrenzfläche des festen Stoffes ein. Bei der Adsorptions-Chromatographie bildet ein Festkörper die stationäre Phase. Als mobile Phase kann eine Flüs-sigkeit oder ein Gas verwendet werden (Flüssigkeits- bzw. Gas-Chromatographie). Je nach Stärke der auftretenden Wechselwirkungskräfte unterscheidet man zwischen physikalischer und chemischer Adsorption: • Physikalische Adsorption (Physisorption):

Physisorption ist durch schwache van der Waalssche Kräfte mit Adsorptionsenthalpien zwischen 8 und 40 kJ/mol gekennzeichnet. Der physikalisch-chemische Vorgang läuft bis zur Gleichgewichtseinstellung ungehemmt ab und ist reversibel.

• Chemische Adsorption (Chemisorption): Bei Chemisorption betragen Adsorptionsenthalpien zwischen 80 und 600 kJ/mol: Die Gleichgewichtseinstellung kann stark gehemmt sein, dann sind zum Teil hohe Aktivie-rungsenergien erforderlich. Chemisorption ist im Gegensatz zu Physisorption häufig nicht reversibel.

Bei oxidischen Adsorbentien (wie Aluminiumoxid oder Kieselgel) kann die Adsorption von Stoffen auf Dipol-Dipol-Wechselwirkungen (mit induzierten oder permanenten Dipolen), Wasserstoffbrückenbindungen, charge-transfer- oder π-Komplexen als spezifische Wechsel-wirkungen zwischen polarer Adsorbens-Oberfläche und polaren Gruppen adsorbierter Mole-küle beruhen. Der Gleichgewichtszustand der Grenzflächenreaktion kann durch empirisch ermittelte Gleichungen, den sogenannten Adsorptionsisothermen, beschrieben werden (s. Ver-such Adsorption). Aus dem Verlauf der Isothermen zweier Stoffe A und B lassen sich Aussagen über die Wirk-samkeit adsorptionschromatographischer Trennungen machen (vgl. Abb. 1): • Fall 1: Bei gegebener Polarität der flüssigen Phase weisen die Isothermen einen linearen

Verlauf mit großer Steigung auf. Das bedeutet, dass beide Stoffe stark adsorbiert werden. Die Unterschiede in der Steigung sind für eine Trennung jedoch zu gering. Der rechte Teil zeigt die Verteilung der Stoffe in der chromatographischen Trennstrecke.

• Fall 2: Ändert man die Zusammensetzung und damit die Polarität der flüssigen, mobilen Phase, ändert sich auch der Verlauf der Isothermen: Beide Stoffe werden nicht mehr so stark adsorbiert wie im Fall 1. Die Steigungen sind sehr unterschiedlich, so dass eine Tren-nung möglich ist.



• Fall 3: Zeigen die Isothermen den in Abb. 1 unten wiedergegebenen Verlauf, so ziehen sich die Substanzbereiche (Banden) beim chromatographischen Prozess auseinander, da die Konzentrationen nicht mehr im linearen Bereich der Adsorptionsisothermen liegen.

Wie Fall 3 zeigt, muss bei chromatographischen Trennungen im geradlinigen Teil der Adsorp-

Abbildung 1: Unterschiedliche Trennergebnisse aufgrund unterschiedlicher Adsorptionsisothermen



tionsisothermen gearbeitet werden, um eine symmetrische Substanzverteilung zu erreichen. Dies ist bei geringeren Konzentrationen ci annähernd gewährleistet. Außerdem müssen sich die Steigungen genügend voneinander unterscheiden, um einen ausreichenden Trenneffekt zu erzielen. Aus der Steigung der Adsorptionsisothermen lässt sich die Wanderungsgeschwindigkeit ν einer Substanz innerhalb der Trennstrecke für die Adsorptions-Chromatographie ablesen. Ver-läuft die Adsorptionsisotherme steil, so wird die stationäre Phase bevorzugt und die Substanz wandert langsam.

Verteilung

Bei der Verteilung (flüssig-flüssig) besteht das System aus zwei nicht mischbaren Flüssigkei-ten und einem dritten, in beiden Phasen löslichen Stoff. Die Trennung beruht auf unterschied-lichen Löslichkeiten des Stoffes in den zwei Flüssigkeiten. Im Gleichgewichtszustand ist die Löslichkeit c eines Gases in einer Flüssigkeit bei gegebener Temperatur nach dem Henryschen Gesetz proportional zum Druck des Gases p: c = K⋅p (1) mit der Gleichgewichtskonstanten K. Aus diesem Gesetz leitet sich das Nernstsche Vertei-lungsgesetz ab, das ganz allgemein für die Verteilung eines Stoffes zwischen zwei Phasen gilt. Für die Löslichkeiten c1 und c2 eines Gases mit dem Druck p in zwei Flüssigkeiten 1 und 2 folgt für die Verteilung auf die beiden Flüssigkeiten:

α==2

1

2

1

KK

cc (2)

Der Verteilungskoeffizient α eines Stoffes ist die Gleichgewichtskonstante eines Verteilungs-gleichgewichtes. Gleichung (2) gilt entsprechend für die Verteilung eines Feststoffs oder einer dritten Flüssigkeit auf die beiden flüssigen Phasen 1 und 2. Dann ist der Druck p durch die Gesamtkonzentration c0 zu ersetzen. Der Verteilungskoeffizient ist im allgemeinen abhängig von der Art der beiden flüssigen Phasen, der Temperatur und vom externen Druck. Im Ideal-fall ist α jedoch vom Druck des Gases p (bzw. von der Gesamtkonzentration c0 unabhängig. Diese Art der Verteilung wird dann als Nernst-Verteilung bezeichnet. Für die Berechnung von Verteilungsgleichgewichten werden die Konzentrationen c1 und c2 durch die Quotienten m1/V1 bzw. m2/V2 ersetzt. Dabei ist mi die Masse eines Stoffes in der Phase i mit dem Phasenvolumen Vi:



12

21

2

1

VmVm

cc

==α (3)

Das Verhältnis m1/m2 wird als Verteilungszahl G bezeichnet, eine Größe, die von den Volu-mina beider Phasen und vom Verteilungskoeffizienten abhängt. G ist bei gleichen Volumina identisch mit α. Anstelle des Verteilungskoeffizienten werden häufig prozentuale Angaben verwendet, um das Maß der Verteilung anzugeben.

Theorien des chromatographischen Trennvorganges

Im Hinblick auf eine Anwendung der Chromatographie ist es das Ziel aller Theorien, aus der Kenntnis der unterschiedlichsten Faktoren, die auf einen chromatographischen Vorgang einen Einfluss haben können, und ihrem funktionellen Zusammenhang die optimalen Arbeitsbedin-gungen für eine Trennung ermitteln zu können. Die Modelle der Chromatographie sollen zum einen die theoretische Behandlung der Trennfunktionen ermöglichen, also die Abhängigkeit eines Trennvorganges von verschiedenen Einflussgrößen darstellen. Zum anderen sollen sie die mathematische Erfassung der Prozesse beinhalten, die beim Durchlaufen einer Trennstre-cke stattfinden. Mit Hilfe solcher Theorien ist es möglich, die Menge oder die Konzentration der einzelnen Komponenten im chromatographischen System in Abhängigkeit von Ort und Zeit anzugeben. Unter diesen Gesichtspunkten werden die einzelnen Theorien, deren wich-tigste man in vier Betrachtungsweisen oder Modelle einteilen kann, im folgenden behandelt: 1. die kinetische Theorie 2. die Theorie der Böden (das theoretische Trennstufenhöhenmodell) 3. die thermodynamische Theorie 4. die molekular-statistische Theorie (das "Random-Walk-Modell"). Alle Theorien haben Modellcharakter, d.h. sie vernachlässigen wichtige Parameter und ideali-sieren (vereinfachen) die berücksichtigten Vorgänge. Jedoch sind sie Voraussetzung und nicht zu entbehrende Hilfe für die Betrachtung und Anwendung chromatographischer Methoden.

Kinetische Theorie

Die kinetische Theorie betrachtet das Verhalten einzelner Moleküle während des chromato-graphischen Vorganges. Nach der Definition des Begriffes Chromatographie wandert eine mobile Phase an einer stationären Phase vorbei. Die Moleküle der zu trennenden Substanzen



sind in der Lage, sich sowohl in der mobilen als auch in der stationären Phase zu verteilen, gleichgültig, ob diese Verteilung nun ein Adsorptions- oder ein Lösevorgang ist. Voraussetzungen für die Chromatographie sind eine stationäre Phase, Substanzen, die in die-ser Phase verteilt (adsorbiert oder gelöst) werden können, und eine mobile Phase, die mit der stationären Phase nicht mischbar ist und die Substanzen über die stationäre Phase hinweg-führt. Hieraus ergeben sich Folgerungen für eine kinetische Theorie der Chromatographie: Aus-gangspunkt ist die Tatsache, dass verschiedene Stoffe mit unterschiedlicher Geschwindigkeit eine Trennstrecke passieren. Da der eigentliche Stofftransport aber durch die mit konstanter Geschwindigkeit strömende mobile Phase erfolgt, ist der Geschwindigkeitsunterschied nur scheinbar. Die einzelnen Stoffe haben unterschiedliche Retentionszeiten (Verweil-, Aufent-haltszeiten) in der stationären Phase, die durch die freie Gibbsche Enthalpie des Verzöge-rungsvorganges (Adsorption oder Lösung) bestimmt wird. Die Gesamtzeit des chromatogra-phischen Vorgangs setzt sich aus dieser Nettoretentionszeit ts und der Durchflusszeit ohne Retention tm (Tot- oder Durchbruchzeit), d.h. der Zeit für den unverzögerten Transport mit der mobilen Phase, zusammen.

Stellt man für einen chromatographischen Vorgang die Menge an Substanz in Abhängigkeit von der Zeit dar, so erhält man eine Verteilungskurve oder, bei säulen-chromatographischer Technik, eine Elutionskurve, aus der die Retentionszeiten zu entnehmen sind. Mit Elution bezeichnet man den Vorgang, bei dem die mobile Phase solange durch eine Trennstrecke (Säule) fließt, bis die einzelnen Komponenten des zu trennenden Gemisches die Trennstrecke verlassen haben. Der Verlauf einer Elutionskurve wird als Chromatogramm aufgezeichnet.

Abbildung 2: Elutionskurve nach einem chromatographischen Vorgang



Die Form dieser Kurven lässt sich in vielen Fällen als Gauß-Funktion darstellen. Sie wird be-stimmt durch Diffusionsvorgänge und durch statistische Unregelmäßigkeiten in der Gleichge-wichtseinstellung zwischen dem aufgegebenen Stoff und der stationären Phase. Der "Verbrei-terungsprozess" in Abhängigkeit von der Zeit kann durch Diffusion erklärt werden. Die Sub-stanzen werden umso weiter auseinander diffundieren, je länger die Trennstecke ist. Die Ver-teilung einer Substanz nach einem chromatographischen Vorgang in Form einer Kurve be-zeichnet man als Bande oder Peak. Die Breite der Banden ist von der zurückgelegten Strecke abhängig. Dieses Modell ermöglicht eine qualitative Beschreibung des Trennvorganges und die Defini-tion wichtiger chromatographischer Trenngrößen. Die Gesamtretentionszeit tR ist die Gesamt-aufenthaltszeit einer Substanz in einer chromatographischen Trennstrecke. Sie ist gleich der Summe aus Nettoretentionszeit ts (Aufenthaltszeit in der stationären Phase) und Durchfluss-zeit tm (Aufenthaltszeit in der mobilen Phase). Es ist also: tR = tm + ts (4) Da die mobile Phase in Abhängigkeit von der Geometrie der Trennstrecke ein Volumen bildet und die Strömung in Volumeneinheiten pro Zeiteinheiten angegeben werden kann, ergeben sich daraus Gesamtretentionsvolumen VR, Nettoretentionsvolumen Vs und Durchflussvolu-men Vm. Für jeden chromatographischen Vorgang als Verteilung zwischen zwei Phasen lässt sich au-ßerdem ein Verteilungskoeffizient (bezogen auf die Volumeneinheit) definieren:

Phasemobilen der in Substanz Gramm

Phasen stationäreder in Substanz Gramm=α (5)

Es resultiert ein großer Wert von α, wenn sich die Substanz zum größten Teil in der stationä-ren Phase aufhält und damit eine lange Retentionszeit bzw. bei der Säulen-Chromatographie ein großes Retentionsvolumen aufweist. Hieraus ergibt sich ein einfacher Zusammenhang zwischen dem Retentionsvolumen und dem Verteilungskoeffizienten: Vs = αVL (6) und VR = αVL + Vm = Vs + Vm = tRFm (7) mit VL als dem Volumen der stationären Phase und dem Volumenstrom Fm in m3s-1. Für die Trennung von Verbindungen innerhalb homologer Reihen (Carbonsäuren, Alkohole) wurde



folgende Beziehung zwischen dem Retentionsvolumen Vs und der Zahl der Kohlenstoffatome n gefunden: lg(Vs/m3) = const·n (8) wobei die Konstante von der Art der homologen Reihe, der Temperatur und der Art der stati-onären Phase abhängt.

Theorie der Böden (Theoretisches Trennstufen-Modell) Die Theorie der Böden zerlegt die stationäre Phase einer chromatographischen Trennstrecke in einzelne Trennabschnitte, die mit dem Begriff "theoretische Trennstufe" bezeichnet wer-den. Der gesamte chromatographische Prozess wird als Folge zahlreicher Adsorptions- und Lösungsvorgänge (stationäre Phase fest oder flüssig) und Desorptions- bzw. Elutionsschritte aufgefasst, die immer wieder zu einer neuen Gleichgewichtseinstellung führen. Für den Teil-schritt Adsorption oder Verteilung ist die Wechselwirkung zwischen dem aufgegebenen Stoff und der stationären Phase maßgebend, für den Teilschritt Desorption (auch als Elution be-zeichnet) die Wechselwirkung zwischen dem Stoff und der mobilen Phase. Abbildung 3 zeigt schematisch den Stoffaustausch und -transport in einer chromatographischen Säule.

Abbildung 3: Schematische Darstellung des Stoffaustauschs und -transports in einer chromatographischen Säule

Der Trennvorgang ist mit einer Destillation vergleichbar, in der die Partialdrücke der Kompo-nenten in der Gasphase ihrer Konzentration in der Lösung stets proportional sind. Ein theore-tischer Boden ist der Kolonnenabschnitt, in dem ein thermodynamisches Gleichgewicht zwi-schen dem Dampf in der unteren Grenzschicht und der Flüssigkeit in der oberen Grenzschicht besteht. Entsprechend dem Boden in einer Destillationskolonne definiert man in der Chroma-tographie die theoretische Trennstufenhöhe (reale Trennstufen gibt es nicht) als den Säulenab-schnitt, dessen Trennleistung einem Boden entspricht. Dieser Abschnitt ist dadurch bestimmt,



dass sich in ihm das Gleichgewicht zwischen den Phasen vollständig einstellt. Der Kern dieser Betrachtungsweise ist also das Verteilungsgleichgewicht der Moleküle in einem kleinen Be-reich der Trennstrecke, der theoretischen Trennstufe. Findet der Stoffaustausch thermodynamisch reversibel statt, so stellt sich das Verteilungs-gleichgewicht ohne Verzögerung ein: "ideale" Chromatographie. Bei der "nicht idealen" Chromatographie müssen Diffusionseffekte, die auf eine Molekulardiffusion in Längsrichtung (longitudinale Richtung) der Trennstrecke oder auf die Eddy-Diffusion zurückgehen, berück-sichtigt werden. Unter Eddy-Diffusion versteht man eine Streudiffusion, die darauf zurückzu-führen ist, dass Teilchen auf dem Weg durch eine Trennstrecke diesen Weg mit unterschiedli-cher Fließgeschwindigkeit zurücklegen. Aufgrund dieser Diffusionseffekte kann sich das Ver-teilungsgleichgewicht nur mit endlicher Geschwindigkeit einstellen: Das Verhalten einer Sub-stanzzone in einer chromatographischen Trennstrecke kann somit durch die Theorie beschrie-ben werden. Wegen der endlichen Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung werden einerseits Mo-leküle, die aufgrund der Lage des thermodynamischen Gleichgewichts an einer bestimmten Stelle in die stationäre Phase übergehen sollten, von der mobilen Phase weitergeführt. Ande-rerseits bleiben jene Moleküle zurück, deren Übertritt aus der stationären Phase in die mobile verzögert ist. So tritt eine Substanzzone am Ende der Trennstrecke in Form einer verbreiterten Bande auf. Liegen nur wenige Trennstufen vor, erhält man diese Bande in Form einer Poisson-Verteilung. Mit zunehmender Trennstufenzahl nimmt die Kurve die Form der Normal-Verteilung an (Gaußsche Glockenkurve). Die allgemeine Funktion dieser Kurve mit dem Mit-telwert von Null lautet:

( ) 22 2/be2

1bh σ−⋅π⋅σ

= (9)

mit der Standardabweichung σ und der Bandenhöhe h(b) an der Stelle b. Beeinflusst wird die Verbreiterung der Substanzzone durch die Strömungsgeschwindigkeit der mobilen Phase, durch Form, Größe und Packungsdichte der festen stationären Phase, durch die Viskosität der mobilen Phase, durch die mittlere Filmdicke und Viskosität einer flüssigen stationären Phase auf dem Trägermaterial und weitere ähnliche Größen. Als Trennstufenhöhe definiert man das auf die Säulenlänge bezogene Verhältnis zwischen Bandenbreite und Retentionszeit (Zeit von der Probenaufgabe bis zum Bandenmaximum):



2

R

2

R

5,0

tw

16L

tb

2ln8LHETPH

⋅=

⋅=≡ (10)

mit: H = HETP ≡ "height equivalent to a theoretical plate" = theoretische Trennstufenhöhe w = 4σ ≡ Bandenbreite zwischen den Wendetangenten einer Bande b0,5 ≡ Bandenbreite auf halber Höhe tR ≡ Gesamtretentionszeit L ≡ Länge einer Trennsäule

Abbildung 4: Gaußsche Glockenkurve

Daraus folgt die Beziehung zwischen der Zahl der Trennstufen N und der Retentionszeit:

2

5,0

R2

R

bt2ln8

wt16

HLN

⋅=

⋅== (11)

Die Zahl der theoretischen Trennstufen ist ein quantitatives Maß für die Trennleistung einer chromatographischen Trennstrecke. Sie ist dann eine Konstante, wenn ihr Wert vom Retenti-onsvolumen einer Substanz unabhängig ist. Dies ist jedoch nur der Fall, wenn das Elutionsvo-lumen sehr viel größer ist als das Volumen der mobilen Phase innerhalb der chromatographi-schen Trennstrecke. D.h. die Berechnung der Trennstufenzahl sollte an einer Bande mit mög-lichst großer Retentionszeit erfolgen. Aus diesem Modell der theoretischen Trennstufenhöhe ist zu entnehmen, dass der Erfolg einer Trennung verschiedener Substanzen von der Zahl der theoretischen Trennstufen abhängt. Außerdem müssen Unterschiede im Verteilungsverhältnis, also in den Retentionsvolumina bestehen.



Aus der Form der Verteilungs- bzw. Adsorptionsisothermen (linear, nicht linear) und der Art der Chromatographie (ideal, nicht ideal) ergeben sich verschiedene Formen von Substanzban-den nach einem chromatographischen Prozess 1. Bei der linearen, idealen Chromatographie, die in der Praxis nicht zu verwirklichen ist,

beruht die Retentionszeit nur aus dem Verteilungsverhältnis und dem Volumenverhältnis beider Phasen. Die Bandenform wird gegenüber der Form am Start nicht verändert (keine Verbreiterung).

2. Bei der linearen, nicht-idealen Chromatographie verbreitern sich die Substanzbanden fast symmetrisch (Gauß-Kurven als Idealform), wie am Modell der theoretischen Trennstufen-höhe besprochen.

3. Bei der nicht-linearen, idealen Chromatographie wandert eine Bande umso schneller, je höher die lokale Konzentration ist. Man erhält daher beim Vorliegen einer konvexen Ad-sorptions- bzw. Verteilungsisothermen (negative Abweichung von der idealen Gerade) eine asymmetrische Bande mit einem sogenannten Tailing (Schwanz), da die Elution bei gerin-ger Konzentration in der stationären Phase, also an der Rückseite der Substanzzone, am schwächsten ist. Beim Vorliegen einer konkaven Isothermen (positive Abweichung von der idealen Geraden) erhält man ebenfalls eine asymmetrische Kurve, in diesem Fall mit soge-nanntem Leading.

4. Die nicht-lineare, nicht-ideale Chromatographie kann für kleine Konzentrationen nähe-rungsweise als linearer Typ (Fall 2) aufgefasst werden.

Abbildung 5: Einfluss der Isothermenkrümmung auf die Peak-Form



Die lineare, nicht-ideale Chromatographie mit symmetrischer Bandenform ist für die theoreti-sche Behandlung von Elutionsbanden der wichtigste Typ. Abbildung 5 zeigt den Einfluss der Isothermenkrümmung auf die Bandenform.

Dynamische Theorie

Die dynamische Theorie kann als erweiterte Theorie der Böden angesehen werden. Zur Erlan-gung einer möglichst kleinen Trennstufenhöhe müssen idealerweise die folgenden Vorausset-zungen erfüllt sein, die experimentell nicht in allen Teilen zu verwirklichen sind: 1. eine sofortige (ungehemmte) Gleichgewichtseinstellung der Adsorption oder Verteilung 2. eine lineare Adsorptions- bzw. Verteilungsisotherme 3. eine konstante Geschwindigkeit der mobilen Phase 4. eine konstante Temperatur im gesamten Bereich der stationären Phase 5. eine zu vernachlässigende Diffusion. Die Verbreiterung der Banden mit zunehmender Länge der Trennstrecke kann nun vor allem auf die nicht zu vernachlässigende Diffusion zurückgeführt werden. Bei der theoretischen Behandlung der Gas-Flüssigkeits-Chromatographie werden sowohl Diffusionseffekte als auch Nichtgleichgewichte berücksichtigt. So beschreibt die van Deemter-Gleichung den Zusam-menhang zwischen der Höhe einer theoretischen Trennstufe und den dynamischen Erschei-nungen. Die van Deemter-Gleichung, eine der Grundgleichungen der Chromatographie, stellt die Ab-hängigkeit der theoretischen Trennstufenhöhe H von der linearen Strömungsgeschwindigkeit u (in m/s) der mobilen Phase dar.

H = A + B/u + Cu (12) Für ein gegebenes System berücksichtigt sie im einzelnen Diffusionseffekte und Nichtgleich-gewichtseinstellungen. Eine geringe Trennstufenhöhe und damit hohe Trennstufenzahl für eine Trennstrecke bestimmter Länge wird erzielt, wenn die einzelnen Einflüsse möglichst klein sind. Der erste Term A berücksichtigt den Einfluss der Streudiffusion (Eddy-Diffusion) bei chroma-tographischen Trennung. Der Anteil der Streudiffusion wird durch die Art der Packung in der chromatographischen Trennstrecke bestimmt. In einer Säulenpackung legen verschiedene



Teilchen unterschiedlich lange Wege zwischen den Körnern zurück, sie kommen deshalb un-terschiedlich schnell vorwärts. Eine einwandfreie Säulenfüllung, d.h. eine homogene Packung mit Teilchen geringer und einheitlicher Korngröße, gewährleistet einen geringen Wert für die Eddy-Diffusion. Im zweiten Term B/u behandelt die Gleichung die normale Diffusion in Längsrichtung der Trennstrecke (Longitudinal-Diffusion). Durch kleine Diffusionskoeffizien-ten bei optimaler Strömungsgeschwindigkeit, also durch weite und unverzweigte Poren der stationären Phase, kann diese Größe klein gehalten werden. Im dritten Term Cu beinhaltet die Gleichung die Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung. Sie berücksichtigt Störungen im Gleichgewicht (Ungleichgewichte). Dieser Term der Gleichung wird Massenübergangs-term genannt. Bei der Kapillar-Gas-Chromatographie, die in diesem Versuch zur Anwendung kommt, sind die Anteile der Eddy- und Longitudinal-Diffusion zu vernachlässigen. Daher zeichnet sich diese Technik durch eine hohe Trennleistung aus. Die Funktion der theoretischen Trennstu-fenhöhe in Abhängigkeit von der linearen Strömungsgeschwindigkeit H = f(u) stellt eine Kur-ve dar, deren Minimum die optimale Strömungsgeschwindigkeit angibt, bei der man die ge-ringste Verbreiterung der Banden erhält. Diese Kurve wird empirisch aus experimentellen Daten ermittelt. Der Massenübergangsterm ist als Steigung aus dem linearen Bereich der Kur-ve, also bei großen Werten für u zu erhalten.

Molekular-statistische Theorie ("Random-Walk"-Modell)

Das Random-Walk-Modell beruht auf einer statistischen Betrachtungsweise der einzelnen Moleküle, die sich durch eine chromatographische Säule bewegen. Die Wanderung ("walk") eines Moleküls wird als Folge zufälliger ("random") Bewegungen und Aufenthalte angesehen. Durch den Massentransport zwischen beiden Phasen, unter dem Einfluss intermolekularer Zusammenstöße und durch verschiedene Diffusionseffekte ergeben sich Abweichungen vom geradlinigen Weg, so dass am Ende einer chromatographischen Säule aus einer schmalen Substanzzone eine verbreiterte Bande geworden ist. Auf eine mathematische Ableitung der entsprechenden Formeln soll hier verzichtet werden. Obwohl dieses Modell einen tieferen Einblick in die die Chromatographie beeinflussenden Prozesse auf molekularer Ebene ge-währt, hat es in der analytischen Anwendung eine viel geringere Verbreiterung gefunden als z.B. das dynamische Modell mit seiner Betrachtungsweise. Das molekular-statistische Modell kommt zu den gleichen Ergebnissen wie das theoretische Trennstufenhöhen-Modell und die dynamische Theorie.



Die Gas-Chromatographie

Mit der Trenntechnik der Gas-Chromatographie (GC) lassen sich Verteilungen zwischen der gasförmigen mobilen Phase und einer festen stationären Phase durchführen. • Fest-Gas-Chromatographie = Adsorptions-GC oder SGC • Flüssig-Gas-Chromatographie = Verteilungs-GC oder LGC Der Stofftransport erfolgt weitgehend in einer Gas- oder Dampfphase. Es können gaschroma-tographisch solche Stoffe getrennt werden, die unzersetzt in den Gaszustand zu überführen oder die unter Zersetzung reproduzierbar verdampfbar sind. Die Temperaturen für die Ver-flüchtigung liegen meist zwischen 50 und 300°C. Außerdem besteht die Möglichkeit, nicht-flüchtige oder zersetzliche Verbindungen durch chemische Umsetzungen in flüchtige, stabile Derivate umzuwandeln, die für die GC geeignet sind. Damit ist die Technik zur Trennung vor allem organischer, aber auch flüchtiger anorganischer Substanzen anwendbar. Die Besonderheiten der GC gegenüber anderen chromatographischen Techniken ergeben sich im wesentlichen aus der niedrigen Viskosität der mobilen Phase, des Trägergases. Infolge hoher Diffusionsgeschwindigkeiten der Substanzen im gasförmigen Zustand erfolgt eine schnelle Einstellung der Gleichgewichte zwischen den Phasen. Vergleicht man diese Bedin-gungen mit denen der Flüssigkeits-Chromatographie, so kann in der GC mit relativ hohen Strömungsgeschwindigkeiten und wegen des geringen Strömungswiderstandes für Gase mit langen Trennsäulen gearbeitet werden, wodurch hohe Analysengeschwindigkeiten erreicht werden. Im chromatographischen System folgt der Probenaufgabe und der Trennung in der Säule die Detektion der getrennten Komponenten. Die Auswertung der Peakflächen und die Ermittlung der diesen entsprechenden Mengen der getrennten Komponenten dient der quantitativen Mi-schungsanalyse, die Bestimmung der Peakposition und der Retentionsgrößen der qualitativen Analyse. Die dabei erhaltenen qualitativen und quantitativen Daten müssen reproduzierbar und richtig sein und werden am Ende in einem Analysenbericht zusammengefasst. Dazu ist es erforderlich, sowohl den statistischen als auch den systematischen Fehler der Messungen zu kennen und in kritischen Fällen bei jeder Analyse zu ermitteln. Der statistische Fehler, angegeben in Form der Standardabweichung, ist ein Maß für die Prä-zision (precision), der systematische Fehler - also die Abweichung vom "wahren" Wert, den man nur durch Kontrolle mit eingewogenen Mischungen ermitteln kann - ist ein Maß für die Richtigkeit (accuracy) der chromatographischen Analyse. Auch die Retentionsgrößen müssen



mit ausreichender Präzision und Richtigkeit zu messen sein. Für Analysen sind hohe Emp-findlichkeit, niedrige Nachweisgrenze sowie gute Linearität des Detektorsystems Vorausset-zung.

Allgemeine Gerätetechnik

Eine GC-Analyse wird in folgenden kontinuierlich nacheinander ablaufenden Teilschritten durchgeführt. Ein Gas, eine verdampfbare Flüssigkeit oder ein verdampfbarer Feststoff wird in eine Trennsäule gegeben. Dort werden die Substanzen mit Hilfe eines Trägergases durch eine thermostatisierte Säule transportiert, wo der chromatographische Vorgang stattfindet. Die getrennten Substanzen passieren dann nacheinander am Säulenende einen Detektor, der jeden einzelnen Bestandteil über einen Schreiber anzeigt. Die Substanzaufgabe erfolgt je nach Ag-gregatzustand mit unterschiedlichen Systemen. Gasförmige Analysenproben lassen sich über Gasschleifen (mit geeichten Volumina) durch Drehen eines Ventils mit Hilfe des Träger-gasstromes direkt in die Säule spülen. Flüssige und gasförmige Proben werden mit Hilfe einer Injektionsspritze durch ein Septum (meist aus Silicongummi) am Kopf der Säule in den Trä-gergasstrom gebracht (Septuminjektion). Für Flüssigkeiten befindet sich am Säulenanfang ein getrennt vom Säulenofen beheizbarer Einspritzblock, um bei höheren Temperaturen als der Säulentemperatur eine unverzögerte Überführung in die Gasphase zu erreichen. Die Volumina für Gase liegen zwischen 0,5 und 5 ml, die für Flüssigkeiten etwa bei 1 bis 10 µl (bei Kapil-larsäulen nur etwa 0,1 bis 1µl). Außerdem existieren Festprobengeber, bei denen eine schwer-

Abbildung 6: Schematischer Aufbau eines Gas-Chromatographen



flüchtige Probe, die durch externes Vorheizen bei niedriger Temperatur vom Lösemittel be-freit werden kann, in einem Kapillarröhrchen in den Probengeber eingeführt und dort bei ho-her Temperatur augenblicklich verdampft wird. Die Probenaufgabetechnik muss eine schnelle Überführung der zu trennenden Substanzen in den Trägergasstrom gewährleisten, um Ban-denverbreiterungen infolge verzögertem, mit Diffusion verbundenem Eintritt in die Trennsäu-le zu vermeiden. Abbildung 6 zeigt schematisch den Aufbau eines Gas-Chromatographen. Die stationäre Phase (Adsorptionsmittel oder Trägermaterial mit Trennflüssigkeit) befindet sich in einer Säule, die aus einem Kupfer-, Stahl- oder Glas- bzw. Quarzrohr bestehen kann. Glas- und Quarzrohre sind vorzuziehen, um katalytisch beschleunigte Zersetzungsreaktionen organischer Stoffe bei höheren Temperaturen auszuschließen. Die inneren Durchmesser liegen bei gepackten Säulen zwischen 3 und 8 mm mit Längen von etwa 1 bis 6 m (Kapillarsäulen haben Durchmesser von 0,1 bis 1 mm mit Längen von 30 bis 300 m). Längere gepackte Säu-len sind ungeeignet, da wegen zunehmenden Druckabfalls die optimale Strömungsgeschwin-digkeit nicht in allen Teilen des Trennbettes erreicht werden kann. Die Durchflussgeschwin-digkeiten (Gasmengenströme) liegen meist zwischen 30 und 80 ml/min. Die Trägergaszufuhr sowie die Versorgung der verschiedenen Detektoren mit Brenn- bzw. Messgasen erfolgt über eine Regeleinheit, die für einen konstanten Druck vor der Säule und für konstante Strömungsgeschwindigkeiten zu sorgen hat. Die Gase werden meist aus Stahl-flaschen über Reduzier- und Feinregulierventile sowie Gasreiniger (Adsorptionsmittel zur Trocknung und Entfernung organischer Spuren) in die Säule bzw. den Detektor geführt. Ma-nometer vor der Säule bzw. Strömungsmesser hinter der Säule bzw. dem Detektor ermögli-chen die Messung von Druckabfall und Durchflussgeschwindigkeiten. Von der mobilen Phase wird gefordert, dass sie weder mit den zu trennenden Substanzen noch mit dem Trägermaterial reagiert. Geeignet sind die Gase Stickstoff, Helium, Argon und mit Einschränkungen Wasserstoff und Kohlendioxid. Es muss berücksichtigt werden, welcher Detektor eingesetzt wird, und dass auch Gase eine elutrope Wirkung besitzen, die mit der Po-larisierbarkeit zunimmt (zunehmende Polarisierbarkeit von Helium über Wasserstoff, Argon und Stickstoff bis zum Kohlendioxid). Der Säulenofen soll eine Temperaturkonstanz von besser als ±0,1°C gewährleisten (Steuerung durch elektronische Einheit). Die gas-chromatographische Trennung bzw. die Retentionszei-ten werden entscheidend von der Säulentemperatur bestimmt. Die Veränderung in der Polari-tät in der Flüssigkeits-Chromatographie kann in ihrer Wirkung mit der Veränderung der Tem-peratur in der GC verglichen werden. Ähnlich wie für die Strömungsgeschwindigkeit existiert auch für die Temperatur ein Optimum im Hinblick auf die Trennstufenhöhe und Auflösung.



Die optimale Trenntemperatur liegt etwa 100 bis 200°C unter der mittleren Siedetemperatur bzw. dem höchsten Siedepunkt eines Gemisches. Säulenöfen werden zwischen 0 und 400°C betrieben. Die elektronischen Einheiten eines Gas-Chromatographen haben außerdem die Temperatur im Probeneingabeteil und im Detektorraum zu regulieren und die im Detektor-raum gemessenen Spannungen oder Ströme über Verstärker an einen Schreiber zu geben.

Gepackte Trennsäulen

Die Leistungsfähigkeit gepackter Säulen kann durch folgende Größen charakterisiert werden: 1. Trennleistung (Trennstufenzahl N oder Trennzahl TZ) für zwei aufeinanderfolgende n-

Alkane, 2. Selektivität r für eine bestimmte Trennaufgabe (das am schwierigsten zu trennende Stoff-

paar), 3. Belastbarkeit als maximal dosierbare Substanzmenge. Das Verhältnis von Bandenhöhe zu Bandenbreite in halber Höhe nimmt in Abhängigkeit von der Substanzmenge nach Überschreiten der Kapazität der Trennsäule ab (s. Abb. 7). Als Be-lastbarkeit wird die Substanzmenge angegeben, bei der die Trennleistung auf 90 % des Maxi-malwertes gesunken ist.

Abbildung 7: Vergleich einer normalen Elutionskurve mit der bei überlasteter Säule

Für die Adsorptions-GC lassen sich folgende Materialien als stationäre Phasen einsetzen: Ak-tivkohle, Poropak-Materialien (poröses Polystyrol mit unterschiedlicher Vernetzung), Mole-kularsiebe, Ionenaustauscher, Kieselgel. Sie eignen sich zur Trennung von: anorganischen Gasen, Alkoholen, Kohlenwasserstoffen, Glykolen, Wasser und Alkylaminen. Die wichtigste Rolle spielt jedoch die Verteilungs-GC. Die flüssige stationäre Phase befindet sich dabei gleichmäßig verteilt auf einem festen Trägermaterial. Die gebräuchlichsten Trä-germaterialien sind: Kieselgur bzw. Kieselgele, Fluorocarbone (z.B. Teflon) und Glaskugeln. An die Trennflüssigkeiten für die GC werden folgende allgemeine Forderungen gestellt (Auswahl von geeigneten Trennflüssigkeiten für die Trennung von Stoffgruppen siehe Tabelle 1):



1. thermische Beständigkeit 2. geringer Dampfdruck bei der erforderlichen Temperatur 3. geringe Viskosität bei der Temperatur 4. keine Reaktion mit Trägermaterial und zu trennenden Substanzen 5. hohe Selektivität r für das zu lösende Trennproblem.

unpolare Phasen Siliconöle, Squalan, Apiezonfette (Erdöl-Fraktionen)

mittelpolare Phasen Ester, z.B. Ethylenglykolphtalat, -succinat, Polyester oder Polyether so-wie Polyethylenoxide

polare Phase Stoffe mit Cyan-Gruppen durch 2-Cyanethylierung von Alkoholen

Tabelle 1: Vergleich von gepackten und Kapillar-Säulen

Zur Trennung stark polarer Substanzen eignen sich Polyethylenglykole und Polyamide, zur Trennung mäßig polarer Substanzen polare und mittelpolare Trennflüssigkeiten und zur Tren-nung unpolarer bis schwach polarer Substanzen sowohl unpolare als auch mittelpolare und polare Trennflüssigkeiten Für jede Trennflüssigkeit ist eine bestimmte Temperaturgrenze angegeben, die auch vom ver-wendeten Detektor bestimmt wird. Oberhalb dieser Temperatur verdampft dann die flüssige Phase teilweise und wird als Erhöhung der Null-Linie vom Detektor registriert. Die folgenden vier Kräfte sind für die Selektivität der Trennsäule von Bedeutung, wobei mit zunehmender Größe der Summe dieser Kräfte die Retentionszeit eines Stoffes zunimmt 1. London-Kräfte (zwischenmolekulare Kräfte zwischen zwei nicht polaren Stoffen) 2. Keesom-Kräfte (Orientierungskräfte aus dem Zusammenwirken permanenter Dipole) 3. Debye-Kräfte (auf induzierten Dipolen beruhend) 4. chemische Bindungskräfte (charge-transfer-Komplexbindungen).

Kapillar-Säulen Kapillar-Säulen für die GC haben Durchmesser von 0,1 bis 1 mm und eine Länge von 30 bis 300 m. Sie zeichnen sich durch besonders hohe Trennleistungen (hohe Trennstufenzahlen) aus. Gegenüber gepackten Säulen enthalten sie kein Trägermaterial (keine Packung) für die Trennflüssigkeit; d.h. der Term A (Packungsfaktor) der van Deemter-Gleichung (12) ist gleich Null. Es werden zwei Arten von Kapillar-Säulen unterschieden:



1. Dünnfilm-Kapillaren, bei denen sich die Trennflüssigkeit direkt auf der inneren Wandung

der Trennsäule in Form eines etwa 1 bis 3 µm dünnen Films befindet. 2. Dünnschicht-Kapillaren, die auf der inneren Wandung eine dünne Schicht feinen Träger-

materials besitzen, die mit der flüssigen Phase belegt ist.

Abbildung 8: Querschnitte von Dünnfilm- und Dünnschicht-Kapillaren in der GC

Beide Arten von Kapillarsäulen verfügen über einen offenen Längs-Kanal in den Kapillaren, da keine Packung vorhanden ist. Dementsprechend ist das Gasvolumen der mobilen Phase groß im Verhältnis zu dem der flüssigen Phase. Dünnschicht-Kapillaren können mehr flüssige Phasen aufnehmen als Dünnfilm-Kapillaren, sie sind daher höher belastbar. Kapillarsäulen werden für die Trennung sehr komplexer Stoffgemische eingesetzt. Wegen der geringen Bele-gung mit flüssiger Phase können in Kapillarsäulen nur Volumina bis zu maximal 0,1 bis 1 µl Flüssigkeit getrennt werden, was besondere Probenaufgabesysteme verlangt. Allgemein wird für die GC eine Probenaufgabe gefordert, welche die gesamte Substanz sofort und zerset-zungsfrei auf die Säule und damit in Kontakt mit der Trennflüssigkeit bringt. Daher ist in den Kapillaren das Volumen, das ohne Peakverbreiterung durch die Probenaufgabe eingesetzt werden kann, infolge geringer Trägergasströme begrenzt. Man dosiert ein größeres Probevo-lumen (bis ca. 1 µl) bei hohen Gasströmungen und teilt nach der Verdampfung das Gasge-misch in zwei ungleiche Ströme (Splitten). Abbildung 8 zeigt Querschnitte der beiden verschiedenen Kapillarsäulen. Alle Vorteile der Kapillar-Säulen gegenüber gepackten Säulen, vor allem geringere Trennstufenhöhen, höhere Trennstufenzahlen und kaum störende Adsorptionseffekte, ergeben sich aus der fehlenden Packung und dem somit geringeren Strömungswiderstand für die mobile Phase und der



dadurch möglichen größeren Säulenlänge. Tabelle 2 zeigt den Vergleich einiger Daten von gepackten und Kapillar-Säulen:

gepackte Säule Dimension Kapillar-Säule

Dünnfilm- Dünnschicht-

innerer Durchmesser 1 - 10 mm 0,1 - 1

Länge 1 - 10 m 30 - 300

Länge bei gleichem Druckabfall 1,8 m 120

lineare Geschwindigkeit (z.B.) 6,8 cm/s 9,1 13,5

Vergleich von k'-Werten 10 - 20 100 - 130

Auflösung* 1,53 6,70 3,92

Analysenzeit* 30,2 min 29,1 15,5

Trennstufenzahl 1000 - 3000 100000 - 1000000

Trennstufenhöhe* 0,71 mm 0,46 0,55

Trägergasgeschwindigkeit 10 - 40 ml/min 0,5 - 1,5 3 - 5

Belastbarkeit bis 10 µl 10-3 10-1 - 10-2

* für das Stoffpaar Methyloleat/Methylstearat

Tabelle 2: Vergleich von gepackten und Kapillar-Säulen

Detektoren

Detektor Empfindlichkeit S* spezielle Anwendung

I. Gruppe

Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD)

Thermistor-WLD

Transistor-WLD

2 - 9.103

1,5.104

1,5.105

universell

elektrolytische Leitfähigkeitszelle 3 - 5.105 für C-haltige Verbindungen

nach Verbrennung zu CO2

II. Gruppe

Flammenionisations-Detektor (FID) 0,02

Alkali-FID Cl: 1,4.10-2, Br: 5,6.10-2

I: 2,8.10-2, P: 4,6.10-2

selektiv für Halogen -, P - u.N - haltige Substanzen

Elektroneneinfang-Detektor (ECD)

Argon-Detektor (Triode-Type)

Edelgas-Detektor (Ar)

Helium-Detektor

40

15

0,15

300

−Pesticide,Nitro metall -organischeVerbindungen

,

Photoionisations-Detektor 0,1 – 5 Aromaten

* Gruppe I: S in [mV. ml/g] Gruppe II: S in [C/g]



Tabelle 3: Auswahl der wichtigsten Detektoren für die GC

Detektoren lassen sich nach Integral- und Differential-Detektoren unterscheiden. Ein Integral-Detektor gibt die Maximalkonzentration einer Substanz an, ein Differential-Detektor die zeit-liche Veränderung der Masse einer Substanz. Für die Bestimmung der Empfindlichkeit S von Detektoren wird zwischen konzentrations- und flussmessenden Detektoren unterschieden (Gruppen I und II in Tabelle 3). Für eine Kon-zentration ci bzw. eine Masse mi der Komponente i ist der Zusammenhang zwischen Signal-höhe h und Empfindlichkeit S für die zwei Detektor-Gruppen: h1 = S1ci S (in mV⋅ml/g), (13) h2 = S2mi S (in A⋅s/g = C/g) (14) Die Selektivität eines Detektors ergibt sich für zwei Substanzen i und j aus dem Verhältnis der Empfindlichkeiten S1i/S1j bzw. S2i/S2j. In der Praxis erfolgt die Berechnung der Empfindlich-keit mit Hilfe der Beziehung:

m

PeakflächeFS m1

⋅= (15)

mit der Substanzmenge m und dem Gasvolumenfluss Fm. Die gebräuchlichsten Detektoren für die analytische GC sind: • der Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) • der Flammenionisationsdetektor (FID) • der Elektroneneinfangsdetektor (ECD: electron capture detector) In einem WLD wird die Wärmeleitfähigkeit des reinen Trägergases mit der Mischung des Trägergases und der gas-chromatographisch getrennten Substanzen verglichen. In einem FID werden organische Substanzen in einer Wasserstoff-Flamme verbrannt. Dabei wird die Zunahme der Ionisation im Raum Gasflamme-Kollektor über einen Verstärker ge-messen. Folgende Verbindungen werden von einem FID nicht angezeigt: Wasser, Kohlendi-oxid, Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Edelgase, Sauerstoff, Stickstoff, Tetrachlorme-than, Ammoniak, Kohlenmonoxid. Das Signal des FID beruht auf der Ionenbildung bei der Verbrennung von Substanzen, die C–C- und C–H-Bindungen besitzen. In der normalerweise kaum ionisierten Wasserstoff-Flamme



entstehen über Radikalreaktionen Ladungsträger (Ionen), die durch ein elektrisches Feld an einer Sammelelektrode aufgefangen werden. Dadurch erhöht sich der wegen der geringen Io-nisation der reinen Wasserstoff-Flamme sehr kleine Null-Strom des FID. Das Signal ist pro-portional der je Zeiteinheit durchgesetzten Substanzmenge. Es wird verstärkt und als Chroma-togramm aufgezeichnet. Abbildung 9 zeigt den Aufbau eines Flammenionisationsdetektor, womit auch das Praktikumsgerät ausgestattet ist.

Abbildung 9: Flammenionisationsdetektor

Das Prinzip des ECD beruht ebenfalls auf einem Ionisationsvorgang. Anstelle einer Flamme befindet sich im Detektorraum ein β-Strahler (63Ni, 3H), so dass der Gasraum durch freie Elektronen leitend wird. Bei Anwesenheit von Verbindungen, die Elektronen einfangen kön-nen, nimmt der Ionenstrom ab, was zu einer Änderung des Messsignals führt.

Das Gas-Chromatogramm

Durch kontinuierliche Registrierung einer elektrischen Größe, die zu jedem Zeitpunkt entwe-der der Konzentration der getrennten Spezies im Trägergas (in g/ml) oder dem Massenstrom dieser Spezies (in g/s) proportional ist, entsteht das Chromatogramm. Solange nur reines Trägergas aus der Säule in den Detektor gelangt, wird die sogenannte Ba-sislinie aufgezeichnet, die möglichst ohne positive oder negative Drift verlaufen soll. Sobald jedoch eine getrennte Komponente mit dem Trägergas die Säule verlässt und in den Detektor gelangt, steigt das im Detektor erzeugte Signal entsprechend der Konzentration oder dem Massenstrom bis zu einem Maximum an und fällt danach wieder ab auf die Basislinie (wenn keine Überlappung durch eine nachfolgende Komponente stattfindet). Auf dieser Weise wird für jede eluierte und getrennte Komponente der Mischung ein Peak erhalten. Die Summe aller



Peaks bildet das Chromatogramm. Die Peakform oder das Konzentrationsprofil des Peaks oder der Zone erlauben Rückschlüsse auf den Ablauf der Verteilungs- und Transportvorgänge in der Säule. Die Flächen, aber auch die Höhen der Peaks liefern Informationen über die Men-gen der eluierten Komponenten.

Abbildung 10: Isothermes Gaschromatogramm

Das Gaschromatogramm beginnt am Einspritzpunkt E zu dem Zeitpunkt, in dem die flüssige Probe mit einer Spritze in das Trägergas eingeführt und dort verdampft wird. Es endet, wenn die letzte Komponente eluiert und im Detektor angelangt ist. Der erste Peak (zur Bestimmung der Durchflusszeit tm) ist bei der Flüssigkeits-GC ein Gaspeak G (z.B. von Methan). Bleibt die Säulentemperatur während der Trennung konstant, so spricht man von isothermer Gas-Chromatographie. Bei linearer oder nicht-linearer Änderung der Temperatur in der Säule wäh-rend des Ablaufs der Trennung spricht man von temperaturprogrammierter Gas-Chromatographie. Durch kontinuierliche Veränderung des Trägergasdruckes am Säulenanfang können auch strömungsprogrammierte Trennungen durchgeführt werden. Beide Verfahren der Programmierung von Temperatur und Strömung dienen zur Beschleunigung oder Verbesse-rung von Trennungen.



Aufgabenstellung: Analyse einer flüssigen Mischung

Bestimmen Sie durch gaschromatographische Messungen mit Hilfe einer Reihe von Kalib-riersubstanzen sowohl die qualitative Zusammensetzung eines vorgegebenen Substanzgemi-sches als auch die Konzentrationen der einzelnen Komponenten in diesem Gemisch. Chemi-kalien: Verschiedene Kalibriersubstanzen, ein flüssiges Gemisch unbekannter Zusammenset-zung Es ist zweckmäßig, sich zunächst anhand der dem Gerät beiliegenden Bedienungsanleitung und nach Rücksprache mit dem Betreuer des Versuches mit dem Gas-Chromatographen und der Probenaufgabetechnik vertraut zu machen. Durch Variation der verschiedenen Parameter wie z.B. Aufgabevolumen, Volumenfluss, Temperatur usw. soll dann mit Hilfe der Kalib-riersubstanzen eine optimale Trennmethode erarbeitet werden, die es gestattet, sowohl die qualitative als auch die quantitative Zusammensetzung des vorgegebenen Gemisches zu be-stimmen. Säule: Dünnfilmkapillarsäule, Trennflüssigkeit HP-5 (5% Phenylsilicon, 95%

Methylsilicon), maximale Temperatur: 325 °C, L = 30 m, Filmdicke = 0,25 µm, Innendurchmesser = 0,32 mm

Trägergas: Stickstoff (N2) Detektor: FID (H2, O2) Geräteeinstellung: Detektor: 260 °C N2-Druck: 160 kPa Injektor: 200 °C ATTN: 64 1.) Bei 80 °C werden zunächst folgende Substanzen gelöst in Methanol untersucht (Pro-

benvolumen: 1 µl):

Probe Konzentration [nmol/µl] Messzeit (Isotime) [min] 1. Toluol 30 7 2. Cyclohexan 45 5 3. Decan 6 15 4. Methylcyclohexan 26 6 5. 1-Octanol 16 20 6. Chlorcyclohexan 45 7 7. Methanol ("pur" → Lösungsmittelpeak) 5

Bestimmung von Retentionszeit (Einfluss: Kettenlänge, Struktur, Dipolmoment, DK,

Polarisierbarkeit von π-Elektronen, Siedepunkt, Trennflüssigkeit diskutieren) und



Peakfläche (Stoffmenge, Bestimmung der Trennstufenhöhe H in mm bzw. der Zahl der Trennstufen N am Decan-Peak).

2) Bei 80 °C wird ein Gemisch (Probe 8) untersucht (Messzeit: 20 min, Probenvolumen:

1 µl). Die erhaltenen Peaks sind den untersuchten Einzelproben zuzuordnen (qualitati-ve Analyse) und die Konzentrationen der Einzelsubstanzen im Gemisch ist zu bestim-men (quantitative Analyse).

3) Das Gemisch wird bei 140 °C untersucht. Der Einfluss der Temperatur auf das erhal-

tene Chromatogramm ist zu diskutieren (Messzeit: 7 min, Probenvolumen: 1 µl). 4) Das Gemisch (Probenvolumen: 1 µl) wird unter Anwendung eines Temperaturpro-

grammes untersucht: 80 °C (4 min isotherm) → 8 °C/min (Heizrate) → 140 °C (1 min isotherm)

Der Einfluss der Temperatur auf das erhaltene Chromatogramm ist zu diskutieren. 5) Dem Gemisch wird in einem Schnappdeckelgläschen etwas Toluol-Methanol-Lösung

zugesetzt und diese neue Mischung bei 80 °C isotherm untersucht (zusätzliche Bestä-tigung für Zuordnung des Peaks, Messzeit: bis zum Auftreten des letzen Peaks - ma-ximal 30 Minuten, Probenvolumen: 1 µl).

Vor Gebrauch der Hamiltonspritze ist diese je dreimal mit Aceton und Methanol

sowie zweimal mit der zu vermessenden Probe zu spülen!!!

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