1、色谱基本理论习题解答介绍

8、怎样理解范弟姆特方程式中各项的基本物理意义？ 速率理论是由荷兰学者范弟姆特等提出的。他结合塔板理论的概念，把影响 塔板高度的动力学因素考虑进去，导出了塔板高度 H 与载气线速度 u 的关系： H=A+B/u+Cu 其中：A 为涡流扩散项，B 为分子扩散项， C 为传质阻力项。该 式从动力学角度很好地解释了影响板高（柱效）的各种因素，任何减少方程右边 三项数值的方法，都可降低 H，从而提高柱效。 涡流扩散项 A：当组分随流动相向柱出口迁移时，流动相由于受到固定相颗 粒障碍，不断改变流动方向，使组分分子在前进中形成紊乱的类似“涡流” 的 流动，因而引起色谱的扩张。由于 A=2λdp ，表明 A 与填充物的平均颗粒直 径 dp 的大小和填充的不均匀性 λ 有关，而与载气性质、线速度和组分无关， 因此，使用适当细粒度和颗粒均匀的担体，并尽量填充均匀，是减少涡流扩散， 提高柱效的有效途径。 分子扩散项 B/u：由于试样组分被载气带入色谱柱后，是以“塞子”的形式 存在于柱的很小一段空间中，在“塞子”的前后 ( 纵向 ) 存在着浓度差而形成 浓度梯度，“塞子”必然自发地向前和向后扩散，使运动着的分子产生纵向扩散。 而 B=2rDg，分子扩散项与 D g 的大小成正比，而 D g 与组分及载气的性质有 关：相对分子质量大的组分，其 D g 小, 反比于载气密度的平方根或载气相对 分子质量的平方根，所以采用相对分子质量较大的载气 ( 如氮气 ) ，可使 B 项 降低，D g 随柱温增高而增加，但反比于柱压。弯曲因子 r 为与填充物有关的因 素。分子扩散项与流速有关，流速减小，滞留时间延长，分子扩散增大。 传质项系数 Cu：C 包括气相传质阻力系数 Cg 和液相传质阻力系数 C1 两项。 气相传质阻力系数与固定相的平均颗粒直径平方成正比，与组分在其中的扩散系 数成反比。在实际色谱操作过程中，应采用细颗粒固定相和相对分子质量小的气 体（如 H2、He）作载气，可降低气相传质阻力，提高柱效率。Cl 与固定相的液 膜厚度的平方成正比，与组分在液相中的扩散系数成反比。在实际工作中减小 Cl 的主要方法为：（i）降低液膜厚度，在能完全均匀覆盖载体表面的前提下，适 当减少固定液的用量，使液膜薄而均匀；（ii）通过提高柱温的方法，增大组分在 液相中的扩散系数。这样就可降低液相传质阻力，提高柱效。 9、为什么可用分离度 R 作为色谱柱的总分离效能指标？
1、在色谱流出曲线上，两峰之间的距离取决于相应两组分在两相间的分配 系数还是扩散速度？为什么？
答：在色谱流出曲线上，两峰之间的距离取决于相应两组分在两相间的分配 系数。
这是因为色谱法的分离原理是基于组分在两相中热力学性质的差异，两峰之 间距离的距离的大小是与待分离组分在固定相和流动相中的分配系数密切相关， 分配系数不同，固定相对组分的作用力则不同，组分流出色谱柱的时间也不同， 从而达到彼此分离的目的。而扩散速度是研究物质在色谱柱内运动的情况，反映 在色谱曲线上表现为色谱峰宽，这是色谱动力学研究的内容。
2、对于某一组分来说，色谱峰的宽或窄主要取决于组分在色谱柱中的：（1） 保留值；（2）扩散速度；（3）分配比；（4）塔板理论
答：扩散速度。 试样组分碰到填充物颗粒时会不断的改变流动方向，使得试样组分在固定相 中形成类似“涡流”的流动，从而引起色谱峰的扩张，即涡流扩散。 由于试样组分被载气带入色谱柱后，是以“塞子”的形式存在于柱的很小一 段空间，在塞子的前后存在浓度差而形成浓度梯度，因此使运动中的分子产生纵 向扩散。纵向扩散对组分在色谱柱内色谱峰扩张的影响与保留时间有关，扩散速 度越小，保留时间越长，分子扩散项对显著。 3、当下述参数改变时，（1）柱长缩短，（2）固定相改变，（3）流动相流速 增大，（4）相比减小，是否会引起分配系数的变化，为什么？ 答：（1）柱长缩短，（3）流动相流速增大，（4）相比减小均不会引起分配系 数的改变，而（2）固定相改变会引起分配系数的改变。 因为分配系数是当分配达到平衡时，组分在两相间的浓度之比。分配系数只 决定于组分和两相的热力学性质，而与两相的体积无关。分配比不仅与组分和两 相的热力学性质有关，而且与两相的体积有关。 4、当下述参数改变时：（1）柱长增加；（2）固定相量增加；（3）流动相流 速减少；（4）相比增大，是否会引起分配比的变化？为什么？ 答：（1）柱长增加对分配比无影响；（2）固定相量增加分配比增加；（3）流 动相流速减小，分配比不变；（4）相比增大分配比减小。
答：a、b、c、d、e 和 f 流出色谱柱的先后顺序依次为：e、a、c、d、f、b。 因为：按照色谱分离原理，分配系数越大的物质在固定相中停留的时间越长，越 靠后流出色谱柱，反之亦然。
6、能否根据理论塔板数来判断分离的可能性？为什么？ 答：不能。理论塔板数仅表示柱效能的高低，是柱分离能力发挥程度的标志。 而分离的可能性取决于组分在固定相和流动相之间分配系数的差异，也就是看固 定相与混合物各组分分子之间的相互作用大小是否有区别。 7、塔板理论的成功和不足是什么？ 答：塔板理论的成功之处：（1）推导出了色谱流出曲线的数学表达式，并利 用表达式可表征色谱柱的分离能力，解释了流出曲线的形状和浓度极大点的位 置；（2）导出了评价色谱柱柱效能的指标 n 和 H，而且塔板数作为衡量色谱柱效 能的指标是有效的；（3）能够解释一些色谱现象，如：色谱流出曲线符合正态分 布函数。 塔板理论的不足之处：（1）塔板理论是在一些假设条件下提出的，假设与实 际情况有差距，因而所描述的色谱分配过程定量关系不太准确；（2）不能解释哪 些因素影响板高；（3）不能解释载气流速为什么会影响板高和柱效；（4）忽略了 纵向扩散，说明不了色谱流出曲线峰展宽的本质及曲线形状变化的影响因素。 塔板理论是一种半经验性理论，它用热力学的观点定量说明了溶质在色谱柱 中移动的速率，解释了流出曲线的形状，并提出了计算和评价柱效高低的参数。 但是，色谱过程不仅受热力学因素的影响，而且还与分子的扩散、传质等动力学 因素有关，因此，塔板理论只能定性地给出板高的概念，却不能解释板高受哪些 因素影响，也不能说明为什么在不同的流速下，可以测得不同的理论塔板数，因 而限制了它的应用。
因为：分配比是组分在两相中的分配总量之比，它与组分及固定相、流动相 的热力学性质有关，并随柱温，柱压的变化而变化。分配比不仅取决于组分和两 相的性质，而且与相比β有关，亦即组分的分配比随固定相的量而改变。 k '= ms/mm = K/β，而 β = Vm/Vs，分配比与流动相流速、柱长无关。
5、样品中有 a、b、c、d、e 和 f 6 个组分，它们在同一色谱柱上的分配系数 分别为 பைடு நூலகம்70、516、386、475、356 和 490，请排出它们流出色谱柱的先后顺序。