Phy.- chem. Praktikum. Gaschromatograpie

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1 Gaschromatograpie Aufgabenstellung: 1. Vorbereitung Notierung der Siedepunkte der Komponenten des zu untersuchenden Gemisches- Auswählen einer geeigneten Trenntemperatur, eines geeignetes Lösungsmittels, eines geeigneten Standards sowie einer der eingebauten Säulen, d.h. eine der beiden Trennflüssigkeiten. Einstellen geeigneter Anfangsbedingungen. 2. Optimierung Ermittlung optimaler Trennbedingungen durch Veränderung von der Temperatur des Ofens. 3. Quantitative Analyse (Flächen-Prozent-Methode) Bestimmung der ungefähren quantitativen Zusammensetzung der Probe nach der Flächen-Prozent Methode. 4. Quantitative Analyse (Interner Standard) Bestimmung der quantitativen Zusammensetzung der Probe (Massenanteil und absolute Massen) nach der Methode des Internen Standards.

2 1. Vorbereitung Es ist eine Mischung aus n-heptan und n-octan zu trennen. Diese beiden Komponenten unterscheiden sich nur gering in ihrer Polarität, die Molmasse von Octan ist etwas großer als die von Heptan. Verbindung Molmasse (g/mol) Dichte (g/cm3) El. Dipolmoment Siedepunkt ( C) Heptan 100,5 0,68 <1 98,4 Octan 114,88 0,70 <1 126,0 Nonan 128,99 0,718 <1 150,6 Iso-propanol 60,33 0,79 >1 82,0 Als Lösungsmittel wurde Iso-Propanol verwendet, das es sich durch seinen Siedepunkt und seine Hydroxylgruppe von den Komponenten unterscheidet, aber dennoch Alkane gut zu Lösen vermag. Als Interner Standard nahmen wir n-nonan, da dies in die homologe Reihe der zu untersuchenden Verbindungen paßt und sich nur durch ein CH2-Gruppe von dem Octan unterscheidet. Für unsere Bestimmung entscheiden wir uns für eine unpolare Säule, da diese voraussichtlich die besser Trennung der Komponenten zuläßt. Konfiguration des Gaschromatographen: In dem bereitgestelltem Gaschromatographen steht standardmäßig folgendes Equipment zur Verfügung: Säulen: eine stark Polare HP-Innowax 19091N-113 Packungsmaterial: Polyethylenglykol Eine relativ unpolare HP J-413 Packungsmaterial 95% Dimetylsiloxan und 5% Dipheny-Dimetyl-siloxan Detektor: Der Chromatograph ist standardmäßig mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor (WLD) ausgestattet- Die beiden Säulen sind über ein Y-Verbindungstück an diesen angeschlossen. Dies ermöglicht es mit nur einem Detektor beide Säulen zu betreiben, ohne daß diese umkonfiguriert werden müssen. Integrator: Computer Integrator HP 3395/3396 Injektionsvolumen: 1 L Inbetriebnahme des Chromatographen sowie Einstellung der Anfangsbedingungen Inbetriebnahme der Anlage - Helium-Gasflasche öffnen; Vordruck am Manometer auf ca. 6 bar eingestellt - Gaschromatograph und Integrator mittels Netzschalter eingeschalten - Detektortemperatur (Front Detektor) auf 200 C einsgestellt, Heizdraht außer Betreib (Filament off) - Ofenkonfiguration (Ofen max. 250 C) eingestellt; (Temperatur 100 C ) - Einlaßsysteme(Front/Back Inlet) in Betrieb nehmen (Temperatur 200 C)

3 Einstellen der Gasflüsse Zu Begin der Messung müssen alle Regelventile zugedreht werden. Hierbei ist darauf zu Achten, dass die Kapillarsäulen niemals ohne Gasfluß einer hohen Temperatur ausgesetzt werden dürfen, da das sonst eventuell sich verflüchtigende Packungsmaterial (Bleeding, Ausbluten )die Säule verunreinigen kann. Säulenfluß: A = 7 ml/min B = 7ml/min Splittfluß: A = 60 ml/min B = 60 ml/min Septum-Purge: A = 9,0 ml/min B = 9,3 ml/min Make up-gas: 11,2 ml/min Referenz-Gas: 44 ml/min Säulenvordruck: 100kPa Das Einspritzen der Probe Nach dem Einführen der Kanüle in den Injektorblock wird die Flüssigkeit aus der Kanüle zurückgezogen, da sonst diese im heißen Einspritzblock vorzeitig verdampft und einen zusätzlichen Peak erzeugt. Dieses Problem ist auch bei einigen Messungen vorgekommen. (Die Probe wird luftblasenfrei mit der Spritze aufgezogen. Ein mehrmaliges Ausspülen der Spritze mit der Probe ist notwendig um die vorhergehende Probe auszuspülen. An der Kanüle anhaftende Probetropfen werden mit einem sauberen Papierstreifen abgewischt, dabei aber nicht Probenmaterial aus der Kapillare der Spritze aufnehmen. Die Spritzennadel bis zu 2/3 die in Injektoröffnung stecken, schnell injizieren, den Run Knopf drücken und die Spritze langsam aus dem Injektor herausziehen. Wichtig ist, dass die Schritte Injizieren und Run drücken schnell aufeinander folgen, damit die vollständige Probenaufgabe und der Beginn der Trennung möglichst zeitgleich sind und die Probe nicht vorzeitig in die Säule kommt. Einspritzen der Proben abwechselnd von zwei Personen und mit zwei verschiedenen Spritzen. ) Einwaagen für die Proben, Mischungen und Standards (siehe Anhang Einwaage Probe), wichtig für Berechnung Heptan (mg) Octan (mg) Nonan (mg) Probe (mg) Volumen (ml) Standard-Lsg Heptan 104, Standard-Lsg. Octan - 101, Standard-Lsg. Nonan Mischung 1 54,6 52,2 51,1-10 Mischung 2 103,8 103,7 103,3-10 Mischung 3 156,5 158,2 153,7-10

4 Probe ,5 258, Optimierung der Trennbedingungen Zur Optimierung wurde die Mischung 1 der drei Komponenten in Isopropanol angesetzt. Bei einer Ofentemperatur von 100 C ohne Temperaturprogramm erhielten wir schon eine optimale Trennung der drei Komponenten (RUN-Nr: 666), das Lösungsmittel ist als großer Peak vor den drei Peak der Alkane zu sehen. Wir haben trotzdem einige Ofentemperaturen verändert um eine Optimierung der Peaktrennung zu erreichen, siehe RUN-Nr: 667,668. Diese Einstellungen war nicht sehr vielversprechend und wir sind bei der anfänglichen eingestellten Ofentemperatur verblieben. Unsere Messungen wurden bei einer Injektortemperatur 200 C, Ofentemperatur 100 C und Detektortemperatur 200 C durchgeführt. Um jetzt die Retentionszeiten (RT) der einzelnen Komponenten zu bestimmen injizierten wir nacheinander Heptan/Octan/Nonan-Standard-Lösungen jeweils 1 L ein (RUN-Nr:669,670,671). (Optimiert haben wir eigentlich zum Schluß( siehe Run ). Die Peakflächen sind bei den ersten Runs sehr klein, folglich ist die Meßungenauigkeit größer als bei großen Peakflächen. Man kann sagen, dass durch die Optimierung des Ofenprograms eine größere Selektivität und Sensibilität des Messsignals erreicht wird. Wir erhielten für: Heptan eine RT = 1,245 min Octan eine RT = 1,390 min Nonan eine RT = 1,670 min Isopropanol eine RT = 1,110 min Nach dem wir die RT bestimmt hatten wurden nacheinander die einzelnen Mischungen injiziert. (RUN-Nr: ). Um den Messungen eine gewisse Gleichheit zu geben wurden sie immer von einer Person durchgeführt. Die Bestimmung der RT, die Messungen der Mischungen 1,2 + 3 sowie die Probe wurden von ab gemessen, um einer Vergleich zwischen den beiden Operatoren zu erhalten hat xy die Probe auch dreimal injiziert.

5 Tabelle: Messwerte der Mischung + Probe Komponenten mit gefundenen Flächen RUN-Nr: Area (AU) Area (AU) Area (AU) Area (AU) Heptan (A1) Octan (A2) Nonan Heptan+Octan Mischung Durchschnitt Mischung Durchschnitt Mischung Durchschnitt Probe Op:ab Durchschnitt Probe Op:xy Durchschnitt

6 3. Auswertung nach der Flächen-Prozent-Methode Formel für Berechnung über Einwaage: W Formel für Berechnung über Fläche: W i i m m 1 m 2 A A 1 A 2 i i * 100 % * 100 % Über die oberen Formeln wird der Massenprozent bzw. Flächenprozentanteil berechnet. Es werden hier nur die Massen und Flächen von Heptan und Octan berücksichtigt. Wir nehmen an, Daß der Detektor auf alle Komponenten glich empfindlich anspricht. RUN-Nr: Massenprozent Flächenprozent Heptan Octan Heptan Octan Mischung ,12 48,88 50,06 49, s.o. s.o. 46,40 53, s.o. s.o. 50,74 49,26 Durchschnitt s.o. s.o. 49,13 50,87 Mischung ,00 50,00 49,18 50, s.o. s.o. 49,90 50, s.o. s.o. 49,64 50,36 Durchschnitt s.o. s.o. 49,58 50,42 Mischung ,73 50,27 51,68 48, s.o. s.o. 49,63 50, s.o. s.o. 50,28 49,72 Durchschnitt s.o. s.o. 50,52 49,48 Probe 690 Berechnung nicht möglich! 58,81 41,19 Op:ab 691 Keine Einwaage vorhanden. 58,41 41, ,55 41,45 Durchschnitt 58,59 41,41 Probe ,99 42,01 Op:xyl ,57 42, ,83 41,17 Durchschnitt 58,14 41,86 Nach der Flächen-Prozent-Methode; für Berechnung wurden jeweils die Durchschnittswerte als Grundlage benutzt. 258,9 mg = 151,7 mg Heptan und 107,2 mg Octan. (ab) 258,9 mg = 150,5 mg Heptan und 108,4 mg Octan. (xy) Die unterschiedlichen Ergebnisse zwischen den beiden Operatoren liegt wahrscheinlich im Unterschiedlichen Handling der GC-Spritze, dem Injizieren und der Geschwindigkeit im Starten des Laufes.

7 4. Auswertung nach der Methode des Internen Standards Für diese Bestimmung nahmen wir als Kalibrierung die Mischung 2,da Sie nach unsere Vermutung der zu bestimmenden Probe in der Konzentration ähnlich ist. Die Probe (AS) wurde mit einer bestimmten Menge n-nonan 107,5 mg versetzt, das als interner Standard (IS) dient. Kalibrierung Von der Mischung 2 wurden drei Messungen durchgeführt jeweils 1 L injiziert Für die Berechnung des RF Wertes ist jeweils den Mittelwert der Flächen benutzt worden RF = Einwaage(mg)/Fläche(AU) Mischung 2 Einwaage (mg) Fläche (AU) RF - Wert Heptan 103, , Octan 103, , Nonan 103, , Analyse Die Probe wurde aus dem Probengefäß in einen 10 ml Messkolben gegeben und das getrocknete Probengefäß zurückgewogen. Gefäß mit Probe = 6,9340 g Gefäß Trocken = 6,6751 g Gewicht Probe = 0,2589 g = 258,9 mg Aufdotierter Standard Einwaage (n-nonan) = 107,5 mg Die Durchschnittsfläche (AU) wurden für diese Berechnungen benutzt. Der Korrektfaktor (Wiederfindung- Nonan, f) der Einspritzung wird berechnet aus: Einwaage( IS. in. AS) f Fläche( IS. in. AS)* RF( IS. in. Kalibrierung) Berechnung der Massen der einzelnen Komponenten: m f * Fläche(Pr obe. in. AS)* RF( Kalibrierung) Über den Massenanteil und der Einwaage der Probe wurde das Gewicht der einzelnen Mengen Heptan und Octan berechnet. Analyse ab Einwaage (mg) Fläche (AU) Korrekturfaktor (f) Berechnet (mg) Massenanteil Probe (mg) Heptan Probe 258, ,2 0, ,8 Octan s.o ,6 0, ,1 Nonan 107, ,08752 = 269,8 = 1,000 = 258,9 Analyse xy Einwaage (mg) Fläche (AU) Korrekturfaktor (f) Berechnet (mg) Massenanteil Probe (mg) Heptan Probe 258, ,0 0, ,6 Octan s.o ,2 0, ,3 Nonan 107, ,14418 = 268,2 = 1,000 = 258,9

8 Vergleich der Ergebnisse Flächen-Prozent-Methode und Interner Standard Methode: Flächen-Prozent-Methode: Messung ab Messung xy FPM IS FPM IS Heptan (mg) 151,7 152,8 150,5 151,6 Octan (mg) 107,2 106,1 108,4 107,3 Die gefundenen Massen (FPM und IS) unterscheiden sich etwa um 1,0 bis 1,5 mg (1,0% - 1,5%), xy hat etwas mehr Octan gefunden als ab Diese Ergebnisse passen gut zueinander. Optimierung der Trennbedingungen (eher am Anfang diskutieren: warum wir welche Methode gewählt haben und dann die Messung mit Auswertung) Nach Ende der Messung der Probe, verändert wir noch einige Parameter des Gaschromatographen (Ofentemp., usw) und versuchten die oben benutzt Methode zu optimieren um eine noch exaktere Trennung der Komponente zu erreichen (RUN- Nr: ). Bei einer Starttemperatur von 40 C und einem Temperaturprogramm das innerhalb von 2 min auf 100 C aufheizt erhielten wir eine gute Trennung der einzelnen Komponenten (RUN-Nr: 706), diese Methode dauert aber länger als unsere Anfangsmethode(ca. 7min). (Zur Auswertung haben wir die RUN-Nr:669 Methode gewählt, weil uns nach der Methodenoptimierung zu weiteren Messungen die Zeit fehlte.) Quellenverzeichnis Arbeitsanweisung von Schule, Bedienungsanleitung Gaschromatograph Laborauswertungen siehe nachfolgende Seiten