速率理论与塔板理论精华版

第二章 气相色谱分析gas chromatographic analysis,GC第二节 色谱理论基础fundamental of chromatograph theory色谱理论需要解决的问题：色谱分离过程的热力学和动力学问题。

影响分离及柱效的因素与提高柱效的途径，柱效与分离度的评价指标及其关系。

组分保留时间为何不同色谱峰为何变宽组分保留时间：色谱过程的热力学因素控制；（组分和固定液的结构和性质）色谱峰变宽：色谱过程的动力学因素控制；（两相中的运动阻力，扩散）两种色谱理论：塔板理论和速率理论；一、塔板理论-柱分离效能指标1.塔板理论（plate theory ）半经验理论；将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复 （类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）；塔板理论的假设：(1) 在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到；(2) 将载气看作成脉动（间歇）过程；(3) 试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；(4) 每次分配的分配系数相同。

色谱柱长：L ，虚拟的塔板间距离：H ，色谱柱的理论塔板数：n ，则三者的关系为：n = L / H 理论塔板数与色谱参数之间的关系为： 保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配!2.有效塔板数和有效塔板高度•单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。

•用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。

222116545)()(./bR R W t Y t n ==•组分在t M 时间内不参与柱内分配。

需引入有效塔板数和有效塔板高度：3.塔板理论的特点和不足（1）当色谱柱长度一定时，塔板数 n 越大(塔板高度 H 越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。

（2）不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。

（3）柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K 相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。

第四章速率理论一范·第姆特（Van Deemter）方程二戈莱（Golay）方程三范·第姆特（Van Deemter）曲线四色谱柱和色谱操作参数的调整和统一⒈涡流扩散项（A项）中参数的调整和统一⒉气相分子扩散项（B项）中参数的调整和统一⒊气相传质阻力项（C项）中参数的调整和统一g项）中参数的调整和统一⒋液相传质阻力项（Cl五在气相色谱法中样品的分离第四章速率理论4-1第四章速率理论在第三章中我们已经宏观地讨论了柱的溶剂效率和塔板理论。

在溶剂效率方面，我们讨论了样品组分（以下简称“组分”）在指定固定液上的分配系数K，它决定了组分在色谱柱上的相对保留值α，且组分的分配系数K和相对保留值α均为温度的函数；在塔板理论中，我们利用克莱格二项式分布的多级萃取过程来解释组分在色谱过程中的色带展宽，并由此引出了柱效率的概念，以及可以用理论塔板数或有效理论塔板数来评价柱效率的高低。

根据有效理论塔板数N的计算式可知，这说明色带的展宽与色谱柱的有效理论塔板数的平方根是成正比的。

在线性分布等温线理想色谱法中，我们基于如下假设：①色谱柱内的所有各点的分配都相等；②载气的流速是均匀的；③在两相内都不存在样品组分分子（以下简称“组分分子”）的轴向分子扩散；④两相间的平衡在瞬间完成，不存在质量传递阻力。

从宏观上考虑，除由于柱顶端到柱尾部间存在的压差使载气流速不可能在柱中保持一致外，其它的假设似乎都能成立；但是，从微观的方面考虑，以下这些现象都是影响柱分离效率的因素：首先，由于柱管本身的长度、内径以及固定相对载气流动的阻力，整个色谱柱内都存在着压力梯度，即沿柱的方向从柱顶端到柱尾部的载气压力将逐点下降，同时沿此方向的载气流速和载气分子的线速度却在逐点升高（见图4-1示意）。

图4-1色谱柱内的压力梯度对载气流速的影响此外，在柱管管壁，特别是在毛细管柱的涂有固定液液膜的管壁上，载气分子的线速度将由于摩擦阻力而减速，而沿柱管中心流动的载气分子因较少这种阻力而移动得相对地较快，这种“莱4-2现代气相色谱实践曼流动”（Laminar flow）使柱管壁对柱管中心产生压差（图4-2）。

二、塔板理论1．塔板理论的基本假设塔板理论是Martin和Synger首先提出的色谱热力学平衡理论。

它把色谱柱看作分馏塔，把组分在色谱柱内的分离过程看成在分馏塔中的分馏过程，即组分在塔板间隔内的分配平衡过程。

塔板理论的基本假设为：1）色谱柱内存在许多塔板，组分在塔板间隔（即塔板高度）内完全服从分配定律，并很快达到分配平衡。

2）样品加在第0号塔板上，样品沿色谱柱轴方向的扩散可以忽略。

3）流动相在色谱柱内间歇式流动，每次进入一个塔板体积。

4）在所有塔板上分配系数相等，与组分的量无关。

虽然以上假设与实际色谱过程不符，如色谱过程是一个动态过程，很难达到分配平衡；组分沿色谱柱轴方向的扩散是不可避免的。

但是塔板理论导出了色谱流出曲线方程，成功地解释了流出曲线的形状、浓度极大点的位置，能够评价色谱柱柱效。

2．色谱流出曲线方程及定量参数（峰高h和峰面积A）由色谱流出曲线方程可知：当t＝tR时，浓度C有极大值。

Cmax就是色谱峰的峰高。

因此：①当实验条件一定时（即σ一定），峰高h与组分的量C0（进样量）成正比，所以正常峰的峰高可用于定量分析。

②当进样量一定时，σ越小（柱效越高），峰高越高，因此提高柱效能提高HPLC分析的灵敏度。

由流出曲线方程对V(0~∞)求积分，即得出色谱峰面积A。

可见A相当于组分进样量C0，因此是常用的定量参数。

把Cmax＝h和Wh/2＝2.355σ代入上式，即得A＝1.064×Wh/2×h，此为正常峰的峰面积计算公式。

三、速率理论（又称随机模型理论）1．液相色谱速率方程1956年荷兰学者Van Deemter等人吸收了塔板理论的概念，并把影响塔板高度的动力学因素结合起来，提出了色谱过程的动力学理论--速率理论。

它把色谱过程看作一个动态非平衡过程，研究过程中的动力学因素对峰展宽（即柱效）的影响。

后来Giddings和Snyder等人在Van Deemter方程（后称气相色谱速率方程）的基础上，根据液体与气体的性质差异，提出了液相色谱速率方程（即Giddings方程）.2．影响柱效的因素1）涡流扩散（eddy diffusion）。

1、简述色谱基础理论中得塔板理论与速率理论(10分)塔板理论就是由以下四个假设构成得:1、在柱内一小段长度H 内,组分可以在两相间迅速达到平衡。

这一小段柱长称为理论塔板高度H 。

2、流动相(如载气)进入色谱柱不就是连续进行得,而就是脉动式,每次进气为一个塔板体积(ΔVm )。

3、所有组分开始时存在于第0号塔板上,而且试样沿轴(纵)向扩散可忽略。

4、分配系数在所有塔板上就是常数,与组分在某一塔板上得量无关。

(3分)速率理论:就是由荷兰学者范弟姆特等提出得。

结合塔板理论得概念,把影响塔板高度得动力学因素结合进去,导出得塔板高度H 与载气线速度u 得关系:Cu u B A H ++=其中:A 称为涡流扩散项,B 为分子扩散项, C 为传质阻力项涡流扩散项 A 气体碰到填充物颗粒时,不断地改变流动方向,使试样组分在气相中形成类似“涡流”得流动,因而引起色谱得扩张。

由于 A=2λd p ,表明 A 与填充物得平均颗粒直径 dp 得大小与填充得不均匀性 λ 有关,而与载气性质、线速度与组分无关,因此使用适当细粒度与颗粒均匀得担体,并尽量填充均匀,就是减少涡流扩散,提高柱效得有效途径。

分子扩散项 B/u 由于试样组分被载气带入色谱柱后,就是以“塞子”得形式存在于柱得很小一段空间中,在“塞子”得前后 ( 纵向 ) 存在着浓差而形成浓度梯度,因此使运动着得分子产生纵向扩散。

而 B=2rD g r 就是因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲得因数 ( 弯曲因子 ) , D g 为组分在气相中得扩散系数。

分子扩散项与 D g 得大小成正比,而 D g 与组分及载气得性质有关:相对分子质量大得组分,其 D g 小 , 反比于载气密度得平方根或载气相对分子质量得平方根,所以采用相对分子质量较大得载气 ( 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 为与填充物有关得因素。

传质项系数 Cu C 包括气相传质阻力系数 C g 与液相传质阻力系数 C 1 两项。

一、塔板理论塔板理论的假设：(1) 在每一个平衡过程间隔内，平衡可以迅速达到；(2) 将载气看作成脉动（间歇）过程(3) 试样沿色谱柱方向的扩散可忽略；(4) 每次分配的分配系数相同。

1.塔板理论（plate theory）半经验理论；将色谱分离过程比拟作蒸馏过程，将连续的色谱分离过程分割成多次的平衡过程的重复（类似于蒸馏塔塔板上的平衡过程）；色谱柱长：L，虚拟的塔板间距离：H色谱柱的理论塔板数：n则三者的关系为：n = L / H理论塔板数与色谱参数之间的关系为：保留时间包含死时间，在死时间内不参与分配 !2.有效塔板数和有效塔板高度222116545)()(./bRRWtYtn==•单位柱长的塔板数越多，表明柱效越高。

•用不同物质计算可得到不同的理论塔板数。

• 组分在t M 时间内不参与柱内分配。

需引入有效塔板数和有效塔板高度： 3.塔板理论的特点和不足 (1)当色谱柱长度一定时，塔板数n 越大(塔板高度H 越小)，被测组分在柱内被分配的次数越多，柱效能则越高，所得色谱峰越窄。

(2)不同物质在同一色谱柱上的分配系数不同，用有效塔板数和有效塔板高度作为衡量柱效能的指标时，应指明测定物质。

(3)柱效不能表示被分离组分的实际分离效果，当两组分的分配系数K 相同时，无论该色谱柱的塔板数多大，都无法分离。

(4) 塔板理论无法解释同一色谱柱在不同的载气流速下柱效不同的实验结果，也无法指出影响柱效的因素及提高柱效的途径。

二 速率理论1956年 荷兰学者v an Deemter 等 在研究气液色谱时，提出了色谱过程动力学理论— — 速率理论。

222/1)(16)(54.5b R R W t Y t n ==理有效有效有效n L H W t Y t n bR R ===2'22/1')(16)(54.5他们吸收了塔板理论中板高的概念，并充分考虑了组分在两相间的扩散和传质过程，从而在动力学基础上较好地解释了影响板高的各种因素。

1.简述色谱基础理论中的塔板理论和速率理论塔板理论是由以下四个假设构成的：1、在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。

这一小段柱长称为理论塔板高度H。

2、流动相（如载气）进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（ΔVm）。

3、所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。

4、分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。

速率理论：是由荷兰学者范弟姆特等提出的。

结合塔板理论的概念，把影响塔板高度的动力学因素结合进去，导出的塔板高度H与载气线速度u的关系：Cu uBAH其中：A 称为涡流扩散项，B 为分子扩散项，C 为传质阻力项涡流扩散项A 气体碰到填充物颗粒时，不断地改变流动方向，使试样组分在气相中形成类似“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) 存在着浓差而形成浓度梯度，因此使运动着的分子产生纵向扩散。

而B=2rDg r 是因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因数( 弯曲因子) ，D g 为组分在气相中的扩散系数。

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。

传质项系数Cu C 包括气相传质阻力系数C g 和液相传质阻力系数C 1 两项。

所谓气相传质过程是指试样组分从移动到相表面的过程，在这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。

1、简述色谱基础理论中的塔板理论和速率理论（10分）塔板理论是由以下四个假设构成的：1、在柱内一小段长度H 内,组分可以在两相间迅速达到平衡.这一小段柱长称为理论塔板高度H 。

2、流动相（如载气）进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积(ΔVm )。

3、所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略.4、分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。

（3分）速率理论:是由荷兰学者范弟姆特等提出的。

结合塔板理论的概念，把影响塔板高度的动力学因素结合进去，导出的塔板高度H 与载气线速度u 的关系：Cu u B A H ++=其中：A 称为涡流扩散项，B 为分子扩散项， C 为传质阻力项涡流扩散项 A 气体碰到填充物颗粒时,不断地改变流动方向,使试样组分在气相中形成类似“涡流”的流动，因而引起色谱的扩张。

由于 A=2λd p ，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 ） 存在着浓差而形成浓度梯度，因此使运动着的分子产生纵向扩散。

而 B=2rD g r 是因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因数 （ 弯曲因子 ) , D g 为组分在气相中的扩散系数。

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。

传质项系数 Cu C 包括气相传质阻力系数 C g 和液相传质阻力系数 C 1 两项。

速率方程现在分为气相色谱速率方程和液相色谱速率方程你是说的范德姆特方程么？H＝A＋B/u＋Cu式中，H--塔板高度，cm；A--涡流扩散项，cm；B--纵向扩散系数，cm2/s；C--传质阻抗项系数，s；u--载气的线速度（u≈L/t0），cm/s。

影响色谱分离效果（理论塔板数，也对应塔板高度）的因素：1)涡流扩散（eddy diffusion）.当色谱柱内的组分随流动相在固定相颗粒间穿行,朝柱出口方向移动,如果固定相颗粒不均匀,则组分在穿行这些空隙时碰到大小不一的颗粒而必须不断的改变方向,于是在柱内形成了紊乱的"湍流"流动使流经障碍情况不同的流路中的分子到达柱出口,而使谱带展宽。

涡流扩散使色谱展宽的程度可以表示为:A=2 λ dp Ldp :固定相平均颗粒直径λ：填充不均匀因子L：柱长固定相颗粒大小是影响涡流扩散的主要原因.一般来说,颗粒细,有利于填充均匀,但颗粒太细会增加柱的阻力,使渗透性变坏,颗粒间空隙大小不一致,涡流扩散也越严重.涡流扩散于组分,流动相性质以及线速度无关.减少涡流扩散的方法是选择细而均匀的颗粒,采用良好的填充技术和尽可能使用短柱.GC填充柱常用填料粒度一般在0.1mm～0.mm，HPLC常用填料粒度一般为3～10 um，最好3～5um，粒度分布RSD≤5％。

但粒度太小难于填充均匀（λ大），且会使柱压过高。

对于毛细管柱，无填料，A=0。

2）分子扩散（molecular diffusion）.又称纵向扩散。

由于组分的加入，在柱的轴向上形成溶度梯度，因此当主分以"塞子"形式随流动相流动的时候,以"塞子"状分布的分子自发的向前和向后扩散。

这种由溶度梯度引起的其方向沿着轴向进行的的扩散,称为分子纵向扩散,其谱带展宽。

展宽程度可以表示为：B/u=2λDmL/uu为流动相线速度。

分子在柱内的滞留时间越长（u小），展宽越严重。

在低流速时，它对峰形的影响较大。

1.简述色谱基础理论中的塔板理论和速率理论塔板理论是由以下四个假设构成的：1、在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。

这一小段柱长称为理论塔板高度H。

2、流动相（如载气）进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（ΔVm）。

3、所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。

4、分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。

速率理论：是由荷兰学者范弟姆特等提出的。

结合塔板理论的概念，把影响塔板高度的动力学因素结合进去，导出的塔板高度H与载气线速度u的关系：Cu uBAH A 称为涡流扩散项，B 为分子扩散项，C 为传质阻力项涡流扩散项A 气体碰到填充物颗粒时，不断地改变流动方向，使试样组分在气相中形成类似“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) 存在着浓差而形成浓度梯度，因此使运动着的分子产生纵向扩散。

而B=2rDg r 是因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因数( 弯曲因子) ，D g 为组分在气相中的扩散系数。

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。

传质项系数Cu C 包括气相传质阻力系数C g 和液相传质阻力系数C 1 两项。

所谓气相传质过程是指试样组分从移动到相表面的过程，在这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。