Хроматографические методы анализа

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Пашкова Е.В., Волосова Е.В., Шипуля А.Н.,

Безгина Ю.А., Глазунова Н.Н.

ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ   

МЕТОДЫ  АНАЛИЗА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Ставрополь

20 7
1

УДК 543.544 
ББК 24.1.я 7
Ф50

Печатается по решению методической 
комиссии факультета экологии и ландшафтной архитектуры и методического 
совета ФГБОУ ВО «Ставропольский 
государственный 
аграрный 
университет» (протокол № 8 от 10 марта  
20 7
1  г.) 

Рецензент: 

Белик Е.В., кандидат химических наук, доцент

Боровлев И.В., доктор химических наук, профессор 

Авторский коллектив: 

Пашкова Е.В., кандидат технических наук, доцент
Волосова Е.В., кандидат биологических нау
т
н
е
ц
о
д
 ,к 
Шипуля А.Н., кандидат химических наук, доцент  
Безгина Ю.А., кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
Глазунова Н.Н., кандидат
х
и
к
с
е
ч
и
г
о
л
о
и
б
 
 наук, доцент 

Хроматографические методы анализа : Учебное пособие / Е.В. Пашкова, Е.В. 
Волосова, А.Н. Шипуля, Ю.А. Безгина,  Глазунова Н.Н. – Ставрополь : АГРУС 
Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2017
1 .– 59 с. 

В учебном пособии «Хроматографические методы анализа» в краткой 
и доступной форме изложен материал по одному из разделов физикохимических методов анализа аналитической химии, задания  и вопросы для 
самостоятельной работы и словарь терминов. Данное пособие позволит 
студентам получить основные знания по хроматографическим методам 
анализа, может служить руководством для самостоятельного изучения 
материала при подготовке к зачёту или экзамену.   
Адресовано студентам аграрных вузов, обучающихся по направлениям 
подготовки бакалавров (35.03.04 Агрономия, 19.03.02 Продукты питания из 
растительного сырья, 36.03.02 Зоотехния, 35.03.07 Технология производства 
и переработки сельскохозяйственной продукции) и специалистов (36.05.01 
Ветеринария) очной и заочной формы обучения. 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение
5

Раздел 1.  Хроматографические методы анализа: общие сведения                
6

1.1.Сущность, 
области 
применения 
метода 
хроматографии                                  

6
1.2. Понятие хроматограммы. Хроматограф
7

1.3. Изотерма адсорбции и коэффициент распределения
8

1.4. Качественные характеристики хроматографического процесса
10

1.5. Количественные характеристики разделения
12

1.6. Методы количественного анализа, используемые в хроматографии
14

1.7. Сорбенты в хроматографии: требования к сорбентам,
активность сорбента
15

1.8. Неорганические полярные сорбенты
16

1.9. Органические полярные сорбенты
18

1.10. Органические фазы средней полярности и органические     неполярные фазы
18

1.11. Теория хроматографического разделения
19

1.12. Классификация хроматографических методов
20

Раздел 2. Распределительная хроматография
23

2.1. Исторические сведения, сущность, достоинства, 
области применения метода
23

2.2. Носители и растворители в распределительной хроматографии 
24

2.3. Стандартные условия проведения распределительной хроматографии
24

2.4. Качественный и количественный анализ хроматограмм
25

2.5. Разновидности распределительной хроматографии
26

2.6. Тонкослойная хроматография
26

2.7. Бумажная хроматография
27

2.8. Гельпроникающая хроматография
29

Раздел 3. Газовая хроматография
30

3.1. Определение, разновидности, сущность, преимущества, области 
применения
30

3.2. Строение газового хроматографа и техника
проведения хроматографии
31

3.3. Детекторы в газовой хроматографии
32

3.4. Газ-носитель, адсорбенты, использующиеся в хроматографии
Температурный режим
33

3.5. Качественный и количественный анализ в газовой хроматографии
34

Раздел 4. Ионообменная хроматография
36

4.1. Определение, основные понятия, реакции обмена катионов 
и анионов, ионообменное равновесие
36

4.2. Строение и классификация ионитов
37

4.3. Применение ионообменной хроматографии
37

Тестовые задания для самоконтроля студентов
39

Рекомендуемый перечень вопросов и заданий для 
самостоятельной работы студентов
46

Учебно-методическое и информационное обеспечение
47

Словарь терминов
49

ВВЕДЕНИЕ

Одной  из важнейших  задач современной химии является надежный и 

точный качественный и количественный  анализ неорганических и органических веществ, часто близких по строению и свойствам. Без этого невозможно 
проведение химических, биохимических и медицинских исследований, на 
этом в значительной степени базируются экологические методы анализа 
окружающей среды, криминалистическая экспертиза, а также химическая, 
нефтяная, газовая, пищевая, медицинская отрасли промышленности и многие 
другие отрасли народного хозяйства. Современные физико-химические методы анализа направлены на решение этих задач. 

Важной особенностью физико-химических методов анализа является 

экспрессность, высокий темп получения результатов. Своевременная информация о составе сырья, о степени химического предела дает возможность 
технологу активно вмешиваться в ход технологического процесса и вводить 
необходимые коррективы. Физико-химические методы анализа позволяют 
проводить дистанционный анализ, т.е. анализ на расстоянии. Важное практическое значение имеет дистанционный анализ в земных условиях, например, когда анализируются препараты высокой радиоактивности, токсичности. Многие приборы, используемые в физико-химических методах анализа, 
позволяют автоматизировать сам процесс анализа, или некоторые его стадии. В значительной степени автоматизирован газовый хроматографический 
анализ нефтяной, коксохимической и других отраслях промышленности. 
Анализ с помощью некоторых физико-химических методов может быть выполнен недеструкционным анализом, т.е. без разрушения анализируемого 
образца, что имеет большое значение для некоторых отраслей промышленности, анализе объектов окружающей среды. 

Хроматографические методы анализа  имеют большое
практическое 

значение среди физико-химических методов анализа. Сущность данных методов анализа подробно рассматривается в разделах данного учебного пособия.

РАЗДЕЛ 1.  ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА: 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

1.1. Сущность, области применения. Разновидности сорбции

Хроматография – это экспериментальный метод разделения компо
нентов смеси между стационарной (неподвижной) фазой и подвижной фазой. 
По характеру стационарной фазы хроматография подразделяется на два типа - адсорбционную и распределительную.

В адсорбционной хроматографии стационарной фазой является твер
дое вещество. Это твердое вещество адсорбирует порцию каждого компонента из смеси.

В распределительной хроматографии стационарной фазой является 

жидкость. Компоненты смеси распределяются между этой жидкостью и 
подвижной фазой.

Метод хроматографического анализа предложил русский ученый 

М. С. Цвет (1903). Извлекая петролеиным эфиром смесь пигментов из зеленых листьев, он пропускал раствор через стеклянную трубку с карбонатом кальций и наблюдал, как отдельные пигменты (хлорофилл, каротин, 
ксантофилл), последовательно адсорбируясь в колонке, образуют ряд колец, 
то есть хроматограмму. Поэтому и метод фазового разделения смесей на 
отдельные компоненты с помощью адсорбции был назван хроматографическим.

Сущность метода
Хроматографический анализ основан на том, что даже близкие по со
ставу или строению вещества различно поглощаются сорбентами. Поэтому 
при фильтровании анализируемого раствора через трубку («колонку»), 
наполненную сорбентом, происходит избирательная адсорбция: сильно 
сорбирующиеся вещества поглощаются в верхней части колонки, а слабее 
сорбирующиеся продвигаются дальше. Когда компоненты смеси окрашены, 
получающаяся хроматограмма позволяет непосредственно судить о качественном и количественном составе веществ, присутствующих в смеси; 
бесцветные хроматограммы окрашивают специальными реактивами.

Массу каждого компонента, выделенного из смеси хроматографиче
ским методом, определяют обычными химическими, физико-химическими 
или физическими методами.

М. С. Цвет использовал хроматографический анализ только для разде
ления смесей растительных пигментов, но в настоящее время этот метод 
широко применяют для очистки витаминов, гормонов, антибиотиков и аминокислот от примесей, для разделения и концентрирования многих катионов 
или анионов.

Хроматография - современный и высокоэффективный метод, поз
воляет достаточно быстро и надежно определять содержание отдельных 
компонентов в смесях, концентрировать и идентифицировать эти компоненты.

Области применения
В агрохимической службе хроматографическое разделение и концен
трирование используют перед количественным определением микроэлементов или пестицидных соединений в объектах окружающей среды. В технологическом контроле пищевых производств хроматографию применяют при 
анализе смесей органических кислот, аминокислот и других продуктов.

Хроматография эффективна не только в химическом анализе, но 

также и в процессах химической технологии.

Хроматографический метод - физико-химический метод разделения 

компонентов сложных смесей газов, паров, жидкостей или растворенных веществ, основанный на использовании сорбционных процессов в динамических условиях. В простейшем виде эти условия осуществляются при прохождении раствора, содержащего растворенные вещества, через колонку со 
слоем сорбента. Вследствие различной сорбируем ости компонентов смеси 
происходит их разделение по длине колонки за счет многократного повторения сорбции, десорбции и других процессов. 

В основе хроматографического разделения лежит различие в сорбцион
ной активности компонентов смеси по отношению к данному сорбенту. 

Сорбция - поглощение газов, паров или растворенных веществ жидкими 

или твердыми сорбентами. 

Разновидности сорбции: 
1) адсорбция - поглощение веществ на поверхности твердого или жидко
го сорбента; 

2) хемосорбция - поглощение веществ жидким или твердым сорбентом с 

образованием химических соединений; 

З) капиллярная конденсация - образование жидкой фазы в порах и ка
пиллярах твердого сорбента при поглощении паров веществ. 

Хроматографические методы подразделяют на группы в зависимости от 

типа сорбционного процесса. Например, для газоадсорбционной хроматографии преобладающим является процесс адсорбции, для хроматографии на 
бумаге - процесс капиллярной конденсации, а для ионообменной хроматографии - процесс хемосорбции и т.д. 

Хроматографические методы имеют варианты в зависимости от агрегат
ного состояния сорбента и анализируемой смеси. Сорбент может быть твердым или жидким, а анализируемая смесь газообразной или жидкой. 

1.2. Понятие хроматограммы. Хроматограф

При проведении хроматографического анализа выбирают нужную по
движную и неподвижную фазы в зависимости от свойств анализируемых веществ, устанавливают необходимый режим хроматографа (температуру, скорость подачи подвижной фазы, детектор), затем проводят хроматографическое разделение и регистрируют сигнал. График, связывающий сигнал с объемом газа-носителя V или временем его прохождения t через сорбционную 
колонку называется хроматограммой. На хроматограмме каждому компо

ненту анализируемой пробы отвечает соответствующий пик. Хроматограмма 
представляет собой зависимость сигнала прибора (ось ординат) от времени 
(ось абсцисс) (см. рис. 5): 

Рисунок 5 - Хроматограмма смеси двух веществ: r1, r2, m – компоненты

В настоящее время появились приборы, объединяющие хроматографи
ческую колонку с прибором проточного типа, который непрерывно фиксирует какое-либо свойство вещества на выходе из колонки. Такой прибор называют детектором. Вся аналитическая система, сочетающая разделение и измерение, составляет один прибор, называемый хроматографом.

1.3. Изотерма адсорбции и коэффициент распределения

Изотерма адсорбции определяет (при различных концентрациях) рав
новесное отношение доли сорбированного растворенного вещества к доле, 
оставшейся в подвижной фазе. Отношение равновесных концентраций вещества в неподвижной (Сs) и подвижной (Сm) фазах (при постоянной температуре) называют коэффициентом распределения D: D=Cs/Cm

Для адсорбционных систем D имеет размерность (г/г) / (г/см3) = (см3/г). 
Для всех остальных видов распределения: 
D = (г/см3) / (г/см3) - безразмерная величина. 
Отношение количеств (а не концентраций) вещества между двумя фаза
ми определяет величина «фактора емкости» («коэффициента емкости»), а 
в последнее время «фактора удерживания» К′. Величины D и К′ пропорциональны между собой. 

Коэффициентом распределения определяется наклон соответствующей 

линейной изотермы сорбции (рис. 6). 

Количество образца

Рисунок 6 - Взаимосвязь между изотермой сорбции, формой пятна и зависимостью 

R, (относительной скорости перемещения компонентов в тонком слое) от количества об
разца

Случай А - Rf постоянно и меньше 0,5.; 
Случай В - Rf постоянно и больше 0,5; 
Случай С - Rf увеличивается с ростом количества образца.; 
Случай D - Rf уменьшается с ростом количества вещества. 
Разделение на отдельные компоненты возможно, когда их значения D в 

выбранной системе различаются между собой. Как видно из рис. 6, нелинейность изотермы сорбции влияет на форму хроматографической зоны и ее положение на хроматограмме. Различают три основные формы изотермы: 
линейную (А, В), вогнутую (С) и выпуклую (Q). Степень кривизны определяется относительно оси Ст. В области небольших концентраций образца при 
адсорбционных процессах большинство изотерм имеет линейный характер, 
при повышении концентрации линейная зависимость нарушается, и они становятся вогнутыми или выпуклыми. Линейные изотермы приводят к получению симметричных хроматографических зон. Выпуклые и вогнутые обусловливают образование размытых фронтов («хвостов») на хроматограмме 
(рис. 7). 

Рисунок 7 - Параметры, иллюстрирующие соотношения, представленные на рис. 6

1.4. Качественные характеристики хроматографического процесса

Время от момента ввода пробы до момента записи вершины пика назы
вается временем удерживания (tr) данного вещества. Время удерживания 
складывается из двух составляющих - времени пребывания вещества в подвижной фазе (tm) и времени пребывания в неподвижной фазе (ts): 

tm + ts = tr.

Значение времени удерживания не зависит от количества пробы, вводи
мой в колонку, но зависит от природы вещества и сорбента, а также от упаковки сорбента. Поэтому для характеристики истинной удерживающей способности колонки следует ввести исправленное время удерживания (t'r ):

tr’ = tr –t0,

где to - время выхода вещества, не взаимодействующего с неподвижной фазой. 

Часто для характеристики исследования используют удерживаемый 

объем (Vr) - объем подвижной фазы, который необходимо пропустить через 
колонку, чтобы элюировать вещество: 

Vr= F·tr,

где F - объемная скорость потока подвижной фазы (см3/с или мл/мин). 

Исправленный объем удерживания равен: Vr’ = Vr – V0.
По полученной хроматограмме смеси можно рассчитать эксперимен
тальные значения хроматографических параметров, например значения коэффициента емкости (k'): 

m

r

m

r

t

t
t

V

V
V
k
0
0
,




.

Время удерживания и удерживаемый объем являются качественной ха
рактеристикой вещества. 

В соответствии с коэффициентами распределения в плоскостной хрома
тографии разделяемые компоненты переносятся подвижной фазой вдоль слоя 
сорбента, образуя отдельные зоны, положение которых характеризуется величинами Rf - относительной скоростью перемещения компонентов в 
тонком слое. Экспериментально величину Rf
определяют как отношение 

расстояния l, пройденного веществом от точки нанесения пробы до центра 
зоны, к расстоянию L, пройденному элюентом от линии старта до линии 
фронта элюента за то же время (pиc. 8). 

L
l
R f 
.

Величина Rf является индивидуальной характеристикой соединения, 

хроматографируемого в данном растворителе в условиях опыта, и изменяется 
от 0 до 1. 

Рисунок 8 - Определение Rf (а) и разрешения R (б) хроматографических зон на пла
стине. Здесь l - расстояние от центра пятна до стартовой линии, W1 и W2 - диаметр пятен, 

ΔX - расстояние между центрами пятен

Оптимальным для практической тонкослойной хроматографии является 

интервал изменения Rf от 0,2 до 0,8. при Rf = О вещество не движется; при 
Rf = 1 вещество не задерживается неподвижной фазой и движется с фронтом 
растворителя. 

Иногда для получения более надежных результатов подвижность соеди
нений оценивают по отношению к подвижности вещества, выбранного в качестве стандарта или свидетеля (RfОПТ). Тогда 

св

x

f

f

fОПТ
l
l

R

R

R

СВ

x 

,

где Rfx и lx -подвижность и расстояние на хроматограмме, пройденное определяемым компонентом; Rfсв и lсв - подвижность и расстояние на хроматограмме, пройденное свидетелем. 

В этом случае в отличие от Rf значение RfОПТ может быть больше едини
цы. 

Произведения D(As/Am) или KG(Wa/Vm) равны k' - фактору удерживания. 
Следовательно:

'
1

1
'

k
Rf


.

Откуда 

'

'
1
'

f

f

R

R
k


,

где 1 - R'f - количество растворенного вещества в неподвижной фазе; R'f - количество растворенного вещества в подвижной фазе. 

1.5. Количественные характеристики разделения
Эффективность разделения как в газовой, так и в жидкостной хромато
графии определяется числом теоретических тарелок N и высотой, эквивалентной теоретической тарелке - ВЭТТ (Н). 

Распределение вещества вдоль слоя сорбента подчиняется уравнению

lH
x
x

e
C
C
2

)
(

max

2

0



,
(1)

где x - расстояние от начала колонки до точки, концентрация в которой равна 
С, x0 - координата центра полосы, H- высота, эквивавалентная теоретической 
тарелке, l- длина слоя сорбента, на который произведено поглощение и размещено N теоретических тарелок, при этом 

H
l
N 
.

Контур хроматического пика описывается уравнением Гаусса: 

СТ

V
V

e
C
C

2

)
(

max

2

0




,
(2)

где V - объем подвижной фазы, Vo - объем подвижной фазы, соответствующий Сmax, μст- стандартное отклонение, равное полуширине пика при

2
1

max
e
C

C


Если числитель дробного показателя степени в (1) и (2) выразить в од
них и тех же единицах, то при сравнении этих уравнений получаем: 

l
H

СТ

2


.

Тогда

2












СТ

l
N

. Учтем, что w = 4μст. Тогда:

2
2

16
16

















w

LR

w
l
N

f
,

L
R
w

N
L
H

f
16

2



,

где w - ширина зоны в направлении движения элюента, L - длина колонки. 
Величина Н характеризует размывание хроматографической зоны, N - эффективность хроматографической пластины. 

Разрешение R (разрешающая способность) двух хроматографических 

зон определяется расстоянием между их центрами (ΔХ), поделенным на 
среднеарифметическое из их ширин W1 и W2 (рис. 8): 












2

)
(
2
1
w
w

X
R
.

Селективность разделения α в тонкослойной хроматографии рассчи
тывается по формуле