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Dr. Sven Meckelmann
Übung zur Analytischen Chemie I
Theorie der Chromatographie
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Auf welchem grundlegenden Prinzip basiert die Chromatographie?
Aufgabe 1
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Auf welchem grundlegenden Prinzip basiert die Chromatographie?
Multiplikative Verteilung zwischen zwei nicht mischbaren Phasen.
Aufgabe 1 - Lösung
mobile Phase
stationäre Phase
K > K
t0
t2
t3
t1
Die Trennung beruht auf unterschiedlichen
Affinitäten der Komponenten eines
Stoffgemischs zu zwei nicht mischbaren Stoffen
(Phasen):
Eine Phase ist unbeweglich (stationäre Phase).
Mit Hilfe der zweiten Phase (mobile Phase) wird
das zu trennende Stoffgemisch über die
stationäre Phase transportiert.
Je stärker die Affinität einer Substanz zur
stationären Phase ist, desto langsamer wird sie
transportiert.
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Nach welchen Möglichkeiten kann die Chromatographie eingeteilt werden? Nenne Sie
Beispiele.
Aufgabe 2
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Nach welchen Möglichkeiten kann die Chromatographie eingeteilt werden? Nenne Sie
Beispiele.
1. Nach den Phasen
2. Nach den Trennprinzipien
3. Nach Ausführungstechnik
Aufgabe 2 - Lösung
mobile Phase stationäre Phase Verfahren
flüssig fest LSC (liquid-solid-chromatography)
flüssig flüssig LLC (liquid-liquid-chromatography)
gasförmig fest GSC (gas-solid-chromatography)
gasförmig flüssig GLC (gas-liquid-chromatography)
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Nach welchen Möglichkeiten kann die Chromatographie eingeteilt werden? Nenne Sie
Beispiele.
1. Nach den Phasen
2. Nach den Trennprinzipien
3. Nach Ausführungstechnik
Aufgabe 2 - Lösung
Trennprinzipgasförmige mobile Phase:
Gaschromatographie
flüssige mobile Phase:
Flüssigkeitschromatographie
Siedetemperatur alle GC-Arten -------------
Adsorption GSC LSC
Löslichkeit /
VerteilungGLC LLC
Molekülgestalt GSC mit MolekülsiebenGelchromatographie
Affinitätschromatographie
umkehrbare
chemische
Reaktion
GLC mit Komplexbildnern
(z.B. Siliconöle, die mit Selektoren
wie Cyclodextrinen versetzt sind)
Ionenaustauschchromatographie,
LSC oder LLC mit Komplexbildnern
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Nach welchen Möglichkeiten kann die Chromatographie eingeteilt werden? Nenne Sie
Beispiele.
1. Nach den Phasen
2. Nach den Trennprinzipien
3. Nach Ausführungstechnik
in geschlossenen Systemen (LC, GC) erhält man ein "äußeres Chromatogramm„
in offenen Systemen (DC, PC) erhält man ein "inneres Chromatogramm"
Aufgabe 2 - Lösung
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Nach welchen Möglichkeiten kann die Chromatographie eingeteilt werden? Nenne Sie
Beispiele.
Zusammengefasst:
Aufgabe 2 - Lösung
Methode Abkürzung Mobile Phase Stationäre Phase Trennprinzip Ausführungstechnik
Flüssig-Flüssig-
Chromatographie
LLC flüssig flüssig Verteilung Current counter
chromatography (CCC)
Flüssig-Fest-
Chromatographie
LSC flüssig fest Adsorption Hochleistungsflüssig-
chromatographie (HPLC)
Dünnschichtchromatograp
hie (TLC bzw. DC)
Papierchromatographie
(PC)
Gas-Flüssig-
Chromatographie
GLC gasförmig flüssig Verteilung Gaschromatographie (GC)
Kapillarsäulen
Gas-Fest-
Chromatographie
GSC gasförmig fest Adsorption Gaschromatographie (GC)
gepackte Säulen
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Die Symmetrie eines detektierten Signals nach einer chromatographischen Trennung sollte
im idealen Fall eine Gaußverteilung entsprechen.
a. Erklären Sie warum nach einer chromatographischen Trennung ein Signal eine
Gaußverteilung aufweist.
b. Welche Abweichungen von der Gaußform werden beobachtet und wie lassen sich diese
mathematisch beschreiben?
c. Bestimmen Sie die entsprechenden Faktoren bei den unten gezeigten Signalen.
d. Unter welchen Bedingungen kann die Peakhöhe zur Quantifizierung verwendet werden?
Aufgabe 3
a) b) c) d)
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Erklären Sie warum nach einer chromatographischen Trennung ein Signal eine
Gaußverteilung aufweist.
Chromatographie Multiplikative Verteilung (Craig-Verteilung)
Beispiel für die multiplikative Verteilung
OP = obere Phase
UP = untere Phase
Aufgabe 3 - Lösung
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Erklären Sie warum nach einer chromatographischen Trennung ein Signal eine
Gaußverteilung aufweist.
Chromatographie Multiplikative Verteilung (Craig-Verteilung)
Beispiel für die multiplikative Verteilung
OP = obere Phase
UP = untere Phase
Aufgabe 3 - Lösung
n Verteilungen
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Erklären Sie warum nach einer chromatographischen Trennung ein Signal eine
Gaußverteilung aufweist.
Chromatographie Multiplikative Verteilung (Craig-Verteilung)
Aufgabe 3 - Lösung
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Erklären Sie warum nach einer chromatographischen Trennung ein Signal eine
Gaußverteilung aufweist.
Binomialverteilung n=3
Aufgabe 3 - Lösung
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Erklären Sie warum nach einer chromatographischen Trennung ein Signal eine
Gaußverteilung aufweist.
Binomialverteilung n=20
Nach n-Verteilungen nährt sich die Verteilung eine Gaußkurve an!
Aufgabe 3 - Lösung
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Welche Abweichungen von der Gaußform werden beobachtet und wie lassen sich diese
mathematisch beschreiben?
Aufgabe 3 - Lösung
Optimaler Gaußförmiger Peak Tailing Fronting
Tailingfaktor nach IUPAC (bei 10% Peakhöhe): 𝑇 =𝑏
𝑎
10% Peakhöhe
Peakhöhe
ba
10% Peakhöhe
Peakhöhe
ba
10% Peakhöhe
ba
Peakhöhe
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Bestimmen Sie die entsprechenden Faktoren bei den unten gezeigten Signalen.
Unter welchen Bedingungen kann die Peakhöhe zur Quantifizierung verwendet werden?
Aufgabe 3 - Lösung
a) b) c) d)
ba
a: linke Seite / bei 10% Höhe
b: rechte Seite / bei 10% Höhe
T = 0,8 bis 1,2 Signalhöhe zur Quantifizierung
T=2,1T=2,4T=0,4 so nicht
möglich
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Welche drei Theorien beschreiben die allgemeinen Abhängigkeiten eines Trennvorgangs?
Welche Limitierung haben alle Theorien gemeinsam?
Aufgabe 4
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Welche drei Theorien beschreiben die allgemeinen Abhängigkeiten eines Trennvorgangs?
Kinetische Theorie
Erklärt das allgemeine Wanderungsvorgänge in Richtung der mobilen Phase sowie Definitionen
Einführung von k und a
Trennstufenmodell
Beschreibt die Leistungsfähigkeit eines chromatographischen Systems durch die
Bandenverbreiterung. Dazu wird in dem Modell die chromatographische Trennstrecke in einzelne
Trennabschnitte, die entsprechend der physikalisch-chemischen Darstellung der Destillation als
Böden oder Trennstufen bezeichnet werden.
Einführung von H und N
Dynamische Theorie
beschreibt den chromatographischen Trennprozess in der Säule als dynamischen Prozess und
betrachtet Massentransfer- und Diffusionsvorgänge
Definiert H (bzw. N) als Funktion des Flusses
nicht Abschließend! Weitere Informationen finden Sie in Kapitel 4 z.B. auf S.34
Aufgabe 4 - Lösung
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Welche Limitierung haben alle Theorien gemeinsam?
Alle diese Theorien berücksichtigen nicht die speziellen Trennmechanismen. Zum Beispiel
haben Sie in der Reversed Phase Chromatographie an C18 Material van-der-Waals
Wechselwirkungen, die für die „Affinität“ der Analyten zur stationären Phase verantwortlich
sind oder Adsorptionsvorgänge in normal Phasen Chromatographie.
Die Theorien beinhalten eine mathematische Erfassung der Prozesse, vor allem der
Diffusionsvorgänge, die beim Durchlaufen einer Substanz innerhalb einer
chromatographischen Trennstrecke stattfinden.
Aufgabe 4 - Lösung
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Zeichnen Sie ein Chromatogramm, mit dessen Hilfe Sie folgende Parameter erklären und
einzeichnen können und definieren/erklären Sie den „Retentionsfaktor“ bzw.
„Kapazitätsfaktor“ und die „Selektivität“ bzw. den „Trennfaktor“:
• Totzeit (t0)
• Retentionszeit (tr oder tms)
(Bruttoretentionszeit)
• Korrigierte Retentionszeit (t’r)
• Basispeakbreite
• Peakbreite W1/2 bzw. b0,5
Aufgabe 5
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Zeichnen Sie ein Chromatogramm, mit dessen Hilfe Sie folgende Parameter erklären und
einzeichnen können und definieren/erklären Sie den „Retentionsfaktor“ bzw.
„Kapazitätsfaktor“ und die „Selektivität“ bzw. den „Trennfaktor“:
• Totzeit (t0)
• Retentionszeit (tr oder tms)
(Bruttoretentionszeit)
• Korrigierte Retentionszeit (t’r)
• Basispeakbreite
• Peakbreite W1/2 bzw. b0,5
Aufgabe 5 - Lösung
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Zeichnen Sie ein Chromatogramm, mit dessen Hilfe Sie folgende Parameter erklären und
einzeichnen können und definieren/erklären Sie den „Retentionsfaktor“ bzw.
„Kapazitätsfaktor“ und die „Selektivität“ bzw. den „Trennfaktor“:
• Totzeit (t0)
• Retentionszeit (tr oder tms)
(Bruttoretentionszeit)
• Korrigierte Retentionszeit (t’r)
• Basispeakbreite
• Peakbreite W1/2 bzw. b0,5
Aufgabe 5 - Lösung
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Zeichnen Sie ein Chromatogramm, mit dessen Hilfe Sie folgende Parameter erklären und
einzeichnen können und definieren/erklären Sie den „Retentionsfaktor“ bzw.
„Kapazitätsfaktor“ und die „Selektivität“ bzw. den „Trennfaktor“:
Retentionsfaktor k:
Das chromatographische System (mobile und stationäre Phase) kann als ein System zweier
nicht mischbarer Phasen verstanden werden.
Der Retentionsfaktor (auch Kapazitätsfaktor) beschreibt wieviel Zeit eine Komponente
gegenüber einer nicht-retardierten in der stationären Phase verbringt.
Selektivitätsfaktor a :
Um zwei Komponenten in einem gegebenen chromatographischen System trennen zu
können, ist es notwendig, dass die zwei Komponenten ein unterschiedliches
Retentionsverhalten zeigen.
Der Term, der diesen Unterschied beschreibt wird Selektivität genannt.
Der Selektivitätsfaktor a kann mittels zweier benachbarter Peaks beschrieben werden, indem
das Verhältnis der jeweiligen Retentionsfaktoren bestimmt wird.
Aufgabe 5 - Lösung
αt
t
k
k
r1´
r2´
1
2
0
r´
t
tk
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Erklären Sie in Stichpunkten (ggf. auch mit einer Zeichnung/Skizze) die kinetische Theorie
der Chromatographie.
Aufgabe 6
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Aufgabe 6 - Lösung
Träger
stationäre Phase
mobile Phase
mobile Phase
Träger
stationäre Phase
mobile Phase
mobile Phase
Träger
stationäre Phase
mobile Phase
Probenmolekül
mobile Phase
Konditionieren der stationären Phase
Adsorption des Probenmoleküls an der stationären Phase
Desorption des Probenmoleküls von der stationären Phase
Diese Theorie führt zu folgenden grundsätzlichen
Aussagen und Definitionen:
Verschiedene Stoffe durchwandern eine
vorgegebene Trennstrecke mit unterschiedlicher
Geschwindigkeit. Der eigentliche Stofftransport
erfolgt jedoch mit einer konstanten
Geschwindigkeit, nämlich jener der mobilen
Phase. Die einzelnen Stoffe haben
unterschiedliche Retentionszeiten in der
stationären Phase (aufgrund von Adsorptions-
und Verteilungsschritten).
Der chromatographische Prozess erklärt sich aus
einer Folge von Adsorptions-/Desorptions- (bzw.
Verteilungs-) Schritten.
Die Verweildauer aller Komponenten in der
mobilen Phase ist identisch.
Die Verweildauer in der stationären Phase hängt
ab von der Affinität der
Probenkomponenten zur stationären und mobilen
Phase und von der Affinität der mobilen zur
stationären Phase.