A-level 应用科学/物质探究/色谱法

重要提示

此处提供的实验细节出于善意提供，并且相信是安全且可行的。但是，作者不对执行这些实验的后果承担任何责任。

这些实验是为经验丰富的科学教学人员编写的，供其作为学生监督课程的指导。这些实验并非为学生或没有经验的公众成员在没有监督的情况下执行而设计的。如果您想尝试这些实验，请确保您事先已完成法律上充分的风险评估，并且在风险评估的限制范围内开展工作。

色谱法的用途

色谱法分离溶液中混合溶质。溶剂可以是水，但通常是缓冲溶液、有机溶剂混合物，甚至气体。溶剂可以是水到酒精等等。大多数色谱法是纸色谱法，但这在工业中并不常用。

分离可用于识别混合物的成分，也可用于分离纯化学物质。

样品制备

样品制备在不同类型的色谱法之间差异很大，但所有类型的色谱法都需要样品具有较小的体积，因此浓度较高。这是因为分离是通过让溶质分开进行的。如果它们一开始就在一个小体积中，则不需要太多的移动即可分离混合物。

在纸色谱法和薄层色谱法中，样品通常多次涂抹在同一位置，并在每次涂抹之间让溶剂蒸发。这将样品浓缩在该点。

在气相色谱法和柱色谱法中，通常需要在使用前尽可能浓缩样品。如果仔细选择样品溶剂，一些色谱柱将在柱顶强烈吸附溶质。此过程将样品浓缩在柱顶，然后使用第二种溶剂使溶质通过柱进行分离。

标准程序和设备

矿井水样品的纸色谱法

该矿井水样品由多种金属离子以硫酸盐的形式组成。为了分离它们，我们可以使用纸色谱法。

标准样品

	Rf（%）	草酸	KCNS
Fe+2	<73	深棕色	红色
Fe+3	73	深棕色	红色
Al+3	42	绿色荧光
Mg+2	40	绿色荧光
Zn+2	85	黄色荧光
Co+2	38	浅棕色	蓝色

溶剂

二乙醚：甲醇：水：浓盐酸（体积比为 50:30:15:4）。为了尽量减少酯化，按水、酸、醚、醇的顺序混合试剂。使用滴定管或移液管测量水和酸。

方法

将 50 cm³ 溶剂放入罐底。

溶剂挥发性很强，会使罐内的空气饱和（“平衡”）。如果让溶剂与罐内大气平衡一个小时，则可以获得更好的分离效果。

沿色谱纸的起始线点样。每个样品应点两次，以便之后将色谱图切成两半。

为矿井水点两个样品，一个点一次溶液，另一个多次点样。对于标准品，多次点样以创建 5 mm 的斑点。

将纸卷成圆柱体。将圆柱体点样端朝下放入罐中。确保纸不接触罐壁。

盖上罐盖。

准备显色剂。

三小时后，将色谱图从罐中取出。打开纸张。用铅笔标记溶剂前沿。放置干燥。

将色谱图切成两半，并将两半分别处理如下。喷洒纸的两侧。务必避免过度喷洒。助手将在通风橱中使用喷雾器

1) 用丙酮中的硫氰酸钾喷洒。（50 cm³ 饱和的 KCNS 水溶液 [200 g 溶于 100 cm³ 水中]，50 cm³ 丙酮）。

2) 用草酸（8-羟基喹啉 - 0.5 g 溶于 80:20 乙醇：水中）喷洒。置于“880”氨蒸汽上方。置于紫外线下观察荧光。

风险评估

在水上滑倒 - 确保地面始终干燥。

玻璃破损 - 确保您小心操作设备以应对这种情况。

使用的各种化学品可能很危险，需要单独进行风险评估。

所有实验必须在通风橱中进行，这在实验进行时吸入所有毒素和有毒气体。

结果、计算和评估

• 每个溶质的 R_f 值可以根据以下公式计算

从原点到溶质的距离

从原点到溶剂前沿到中心的距离

• 您可以识别哪些溶质？
• 您的 R_f 值与公布的值相比如何？
• 您的结果与其他学生的相比如何？

色谱法背后的科学原理

色谱法涉及化合物混合物的物理分离。色谱法可用作纯化方法，但也广泛用于根据化合物的色谱行为识别化合物。

理论

色谱法有很多变体，但都涉及将分析物溶解到称为流动相的流体中，并将此流体溶液通过固定相，通常是固体或涂有液体的固体。

当流动相与固定相接触时，一些分析物分子会溶解或吸附到流动相上。该物质的分子保留得越多，它们在色谱仪器中的移动速度就越慢。然后，不同的物质将以不同的速率移动，理想情况下，每个物质都会产生可识别的保留时间。

或者，如果溶质保留在色谱图上而不是从其远端洗脱，则可以计算溶质移动距离与溶剂移动距离的比率。这就是R_f值。

常用的色谱技术通过所使用的固定相和流动相的性质、流动相通过仪器的传递方法以及分离组分的识别方法来识别。

随着色谱图的展开（从左到右），混合物的两种组分分离。

纸色谱法

在纸色谱法中，固定相是纸，流动相通常是某种可以溶解分析物并润湿纸张的液体，通常是水或水溶液。

薄层色谱法

在薄层色谱法（TLC）中，塑料或玻璃板涂有固定相，通常是氧化铝、硅胶或烷基化硅胶。将分析物溶解在速干溶剂中，并在板的底部附近点样。然后将点样位置下方的板边缘浸入流动相溶液中，流动相可以是有机溶剂或水溶液（取决于分析物和固定相的性质）。然后让毛细作用将溶剂前沿穿过点样的分析物，并将分析物的组分带走并在过程中分离出来。

气相色谱法

在气相色谱法（GC）中，分析物和流动相都必须是气体，或者可以通过加热轻松地引入气相。流动相气体必须是惰性的，并且不与待分析样品发生反应。惰性气体的例子有氦气和氮气。

气体通过一根长而窄（通常是盘绕的）管子，该管子填充有多孔固定相或内壁涂有固定相，当分析物组分从管子的远端出来时会被检测到。该管子通常被称为GC色谱柱。

通常，对管子施加随时间变化的温度梯度，从较低温度到较高温度。这首先允许分析物组分分配到固定相中，然后随着温度升高，将其分离开并强制回到流动相中。

气相色谱法的常用检测器有火焰离子化检测器（FID）、电子捕获检测器（ECD）和质谱仪（MS）。不同类型的样品分析需要使用不同类型的检测器。

柱色谱法

柱色谱法与气相色谱法类似，都使用填充有固定相的管子，但流动相是液体而不是气体（有时称为“液相色谱法”或LC）。可以使用液相组成的梯度来分离组分，而不是使用温度梯度。

柱色谱法可以用于较大的分子，这些分子可能不容易引入气相。另一方面，由于液体的粘度比气体高，因此液相色谱法可能是一个更缓慢的过程。HPLC（各种高效液相色谱法或高压液相色谱法）通过高压泵将流动相强力推过色谱柱，从而加快了过程并显著提高了其选择性和灵敏度。

检测方法

“色谱法”一词的第一个词根chroma表明，在某些形式的技术中，分离的组分可以通过其颜色来识别。但是，色谱法现在已经长期用于无色化合物，这些化合物可以通过其他方式进行识别。

薄层色谱板上的分析物组分通常在紫外线下或通过化学染色（例如，在碘室或高锰酸钾中）来识别。气相色谱分析物通过色谱柱输出端火焰电离水平的变化或色谱柱末端气体混合物电导率的变化来检测。液相色谱馏分通常通过分光光度技术进行分析，特别是紫外-可见分光光度法。当GC或LC与质谱联用（GC-MS和LC-MS的“联用”技术）时，可以快速确定各个馏分的质量。这些方法经常用于分析和法医学。