Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Prepare-se para as provas
Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Prepare-se para as provas com trabalhos de outros alunos como você, aqui na Docsity
Os melhores documentos à venda: Trabalhos de alunos formados
Prepare-se com as videoaulas e exercícios resolvidos criados a partir da grade da sua Universidade
Responda perguntas de provas passadas e avalie sua preparação.
Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Comunidade
Peça ajuda à comunidade e tire suas dúvidas relacionadas ao estudo
Descubra as melhores universidades em seu país de acordo com os usuários da Docsity
Guias grátis
Baixe gratuitamente nossos guias de estudo, métodos para diminuir a ansiedade, dicas de TCC preparadas pelos professores da Docsity
Questões de automação industrial.
Tipologia: Esquemas
1 / 43
Esta página não é visível na pré-visualização
Não perca as partes importantes!
CEFET Quím ica – Analise InstrumentalApostila de Cromatografia em Fase Gasosa 2003
A cromatografia faz parte de um importante grupo de métodos de separação, que nos permite separar, isolar, identificar e quantificar substâncias, mesmo em misturas muito complexas. Existem várias técnicas cromatográficas, que vão das mais simples, como a cromatografia sobre papel, até as mais sofisticadas e computadorizadas, como a cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). O ponto comum entre essas técnicas, e que caracteriza o método, é o fato dos componentes da mistura, ou amostra, serem distribuídos entre duas fases. Uma delas permanece fixa, e por isso é chamada de fase estacionária (F.E.), enquanto a outra percola^1 através da F.E., sendo então chamada de fase móvel (F.M.). Esta situação dinâmica, resulta numa migração diferencial, ou seja, os componentes da amostra têm diferentes velocidades ao passarem pela fase estacionária. A tabela abaixo mostra algumas combinações de fases estacionárias e fases móveis: Fase Móvel Fase Estacionária Abreviatura Mecanismo de separação
Tipo de cromatografia líquido sólido C L S adsorção cromatografia líquida gás sólido C G S adsorção cromatografia gasosa líquido líquido C L L partição cromatografia líquida gás líquido C G L partição cromatografia gasosa Cada uma dessas combinações envolve diferentes mecanismos de separação. Por exemplo, na CLS acontece, em geral: adsorção na superfície do sólido e interação resultante da troca iônica ou da formação de complexos. Na CGS também ocorre, de maneira geral, o fenômeno da adsorção. Na CLL ocorre a partição definida pela solubilidade relativa do soluto nos dois líquidos. Na CGL dá-se a partição do soluto definida pela pressão parcial de vapor do soluto na solução. A fase estacionária, de forma geral, é acondicionada nas chamadas colunas cromatográficas, que na sua maioria são tubos de vidro ou metal de dimensões diversas. Quando essa fase é um sólido, basta que a coluna seja preenchida com o mesmo, de acordo com técnicas especiais. Por outro lado, quando a fase estacionária é um líquido, esse pode tanto revestir as paredes da coluna, no caso de colunas capilares, quanto estar aderido a um suporte sólido com o qual se enche a coluna. A amostra é introduzida na coluna e a fase móvel carreia os diversos componentes dessa amostra através da coluna e, dependendo do tipo de cromatografia, pode participar ou não da separação. Assim, a separação dos diversos componentes será dada em função de uma maior ou
(^1) Percolação é o nome dado ao movimento (infiltração) das águas pluviais no subsolo.
II. Nas condições cromatográficas escolhidas para a análise só é possível analisar substâncias voláteis (ou derivados voláteis gerados a partir de reações químicas apropriadas). A função do gás usado como fase móvel é apenas a de carrear os componentes da amostra através da coluna, sem participar dos processos de interação. Por este motivo é chamado gás de arraste. Exemplos de gases mais utilizados em CG são o He, H 2 e o N 2. Na figura abaixo observa-se os principais componentes de um Cromatógrafo a Gás.
Fig. 2 - Esquema de um cromatógrafo a gás. O gás de arraste passa através de um regulador de pressão e penetra no injetor de amostra, arrastando a amostra para a coluna. Os componentes da amostra são separados durante a passagem pela coluna e, um após o outro, passam pelo detector que, por sua vez, envia um sinal ao registrador. Finalmente, o gás passa através de um medidor de vazão e é, então, liberado para a atmosfera. Quando qualquer substância diferente do gás de arraste passa pelo detector, este envia um sinal elétrico ao registrador, que passa para o papel os sinais recebidos, compondo o cromatograma. Para uma amostra de 3 componentes ( A, B e C ), por exemplo, o aspecto do cromatograma ideal seria o seguinte:
Fig. 3 - Cromatograma ideal para uma amostra contendo três substâncias.
Como o detector não responde à passagem do gás de arraste, observa-se uma linha reta, constante, entre cada sinal, chamada Linha de Base. Quando a substância A alcança o detector, este é sensibilizado, envia um sinal ao registrador e o registro gráfico esperado é o observado na figura
Fig. 4 - Cromatograma real de uma amostra contendo três substâncias. A cromatografia gasosa permite a realização de análises qualitativas e quantitativas. A análise qualitativa é baseada na velocidade com que cada componente da mistura atravessa a coluna, utilizando-se o parâmetro Tempo de Retenção (Tr). O tempo de retenção de uma substância é o tempo gasto desde o momento em que a amostra é injetada, até o momento em que o maior número de moléculas da substância sai do sistema cromatográfico e é detectado. O Tr é calculado dividindo a distância (espaço entre o início do cromatograma e o ponto máximo do pico formado) pela velocidade do papel do registrador. O tempo de retenção é característico de uma dada substância, em condições determinadas de análise. Dessa forma, para uma dada coluna, um dado gás de arraste e condições de temperatura e pressão estabelecidas, cada substância tem um tempo de retenção próprio, que permite a sua identificação através da comparação com a análise de padrões, realizada sob as mesmas condições. A análise quantitativa está relacionada com a área formada sob os picos, pois a intensidade do sinal enviado pelo detector é proporcional à quantidade de substância presente na amostra. Para se realizar uma análise cromatográfica é necessário que o cromatograma obtido esteja bem "resolvido". Este termo, "resolvido", significa boa separação entre os picos, de tal forma que se possa determinar com precisão, tanto os Tr (s) como as áreas dos mesmos. Na prática, controlando- se adequadamente os parâmetros cromatográficos, pode-se obter um registro cromatográfico com picos bem separados e simétricos, isto é, com boa resolução.
Como poderia ser feita neste cromatógrafo: A) A análise qualitativa de uma mistura de pentano e benzeno? B) A diferenciação de duas soluções de benzeno com concentrações distintas?
C. PARÂMETROS CROMATOGRÁFICOS
C.1. ESCOLHA DA TEMPERATURA DO FORNO DAS COLUNAS
Como a cromatografia gasosa utiliza um gás como fase móvel, é coerente pensar que as substâncias a serem analisadas devem estar no estado gasoso no momento em que penetram no interior da coluna. Quando as substâncias componentes de uma mistura entram em contato com a fase estacionária iniciam-se vários tipos de interações que irão influenciar na migração diferenciada de cada substância. Um fenômeno que em geral ocorre com todas as substâncias é o de ter, cada uma, o seu
equilíbrio Líquido Vapor deslocado para a fase vapor, quanto mais aquecido estiver o forno da coluna. Quanto menos aquecido estiver o forno da coluna, esse equilíbrio também estará menos deslocado para a fase vapor. Dessa forma, conclui-se que uma substância eluirá mais rapidamente quanto mais aquecido estiver o forno da coluna e, por outro lado, a substância ficará mais tempo em contato com a fase estacionária, quanto menos aquecido estiver o forno. Consequentemente, os valores de Tr serão modificados à medida em que se altera a temperatura do forno das colunas. A ordem de saída das substâncias, entretanto, será regida por dois fatores simultâneos, que são: a afinidade de cada substância pela fase estacionária e a tendência de cada substância se manter
na fase móvel. O primeiro fator depende da característica química (estrutural) da substância e o segundo fator é decorrente da pressão parcial de vapor da mesma. Deve-se ter em mente que a temperatura máxima com que se pode trabalhar com uma determinada fase estacionária depende de sua volatilidade. Acima desta temperatura pode ocorrer perda de fase estacionária (sangria), que provoca uma diminuição do tempo de vida da coluna.
C.2. ESCOLHA DA VAZÃO DO GÁS DE ARRASTE
A vazão de um fluido é o produto da velocidade de escoamento do referido fluido (v) pela área da seção reta (A) do tubo no qual está ocorrendo o escoamento, ou seja:
Vazão = v A Desenvolvendo a equação anterior, tem-se: v A = d t A = V t V = volume do tubo pelo qual ocorre o escoamento do fluido. d = distância percorrida pelo fluido dada em cm. t = tempo dado em min. A alteração da velocidade de escoamento do gás, leva à mudança da vazão do mesmo. Essa última acarreta modificação na intensidade de interação de uma dada substância com a fase estacionária. Por que isto ocorre? Suponha que, a uma dada vazão, as substâncias A e B , por exemplo, estão interagindo fortemente com a fase estacionária. Observa-se, neste caso, valores altos para TrA e TrB. Aumentando-se a vazão, as substâncias A e B têm as suas interações diminuídas e consequentemente os valores de TrA e TrB serão reduzidos. Analogamente ao aumento da temperatura do forno da coluna, também aqui, no aumento da vazão do gás de arraste, tem-se uma diminuição da capacidade de interação das substâncias com a fase estacionária e consequentemente uma diminuição nos valores de Tr. E em relação a diminuição da vazão do gás de arraste? O que ocorre? A vazão é alterada, aumentando ou diminuindo a pressão do gás no sistema, através do ajuste da válvula reguladora de fluxo. Media-se a vazão utilizando-se, por exemplo, um dispositivo bastante simples como o fluxômetro de bolha de sabão ou "bolhômetro". Trata-se de um cilindro com um volume pré estabelecido (marcado com dois traços), pelo qual faz-se passar uma película de sabão. Mede-se o tempo gasto para a movimentação da película entre as duas marcações. Aparelhos modernos contam com um medidor de fluxo próprio.
O diâmetro do grão (suporte) é muito importante, pois deseja-se uma grande superfície de contato para que as interações ocorram. Quanto menor o tamanho do grão, para um mesmo volume de coluna, maior a superfície de contato da fase, retida sobre o grão, com a substância (soluto). Porém, nas baixas pressões de trabalho da cromatografia gasosa, não é indicada uma granulometria muito baixa, pois os grãos irão atuar como uma barreira à passagem do gás, dificultando o processo de separação. Normalmente utiliza-se uma granulometria da ordem de 80 a 100 mesh. No caso de coluna capilar, esse fenômeno de barreira não existe e a fase é depositada sobre a parede interna do "tubo capilar" por onde se fará passar a amostra. Para se aumentar a superfície de contato da fase estacionária com o soluto, trabalha-se com colunas longas. O diâmetro interno pode variar de 0,10 a 0.53 mm e a espessura do filme líquido depositado na superfície interna do tubo capilar é normalmente de 2,5 m. Tabela 1 – Principais características das colunas empacotada e capilar
Comprimento (m) 1 - 5 5 - 60 Diâmetro Interno (mm) 2 - 4 0.10 - 0. Pratos por metros 1.000 5. Pratos totais (aproximadamente) 5.000 300. Resolução Baixa Alta Fluxo (mL/min) 10 - 60 0.5 – 2. Capacidade 10 μg / pico <100 ng / pico Espessura do filme líquido (μm) 10 0.1 – 5.
O atenuador é um dispositivo relacionado com a intensidade de corrente elétrica enviada ao registrador. O sinal elétrico é reduzido com a presença de resistências associadas ao circuito que liga o detector ao registrador. Assim, o sinal que chega ao registrador é reduzido. Isto não altera a resolução dos picos, mas modifica o tamanho dos mesmos.
Fig. 6 - Esquema simplificado do sistema de atenuação.
A quantidade de substância injetada vai gerar um sinal no detector. Quanto maior a quantidade, maior o sinal elétrico. De acordo com a difusão longitudinal, as moléculas não saem todas juntas, gerando um conjunto de sinais em forma de pico para cada substância que alcança o detector. A quantidade de substância então será proporcional à área do pico cromatográfico. Como esta área é obtida através da contagem de sinais elétricos, normalmente ela não tem unidade.
EXERCÍCIOS
Assinale o parâmetro cromatográfico que quando é alterado não afeta o tempo de retenção de uma determinada substância. A- ( ) temperatura do forno das colunas. D- ( ) polaridade da fase estacionária. B- ( ) vazão do gás de arraste. E- ( ) % de fase estacionária no suporte sólido. C- ( ) temperatura do forno do detector.
Após a injeção de 2,0 L de uma certa solução amostra, em atenuação 100x, achou-se para uma certo componente, uma área de 12.000. Usando-se um volume injetado de 1,0 L e atenuação 500x, considerando as demais condições iguais, a nova área do pico esse componente será: A- ( ) 1.200 B- ( ) 6.000 C- ( ) 12. D- ( ) 24.000 E- ( ) 60.
Uma amostra contendo quatro componentes originou o cromatograma a seguir:
Ao diminuir-se a temperatura de análise, obteve-se o seguinte resultado:
Explique quais as possíveis causas que originaram a obtenção de cromatogramas diferentes e quais as formas de confirmar isso.
Faixa operacional de temperatura -^ Fase ligada não polar 60ºC - +320ºC
Poli (5% fenil – 95% dimetilsiloxano)ou DB
Fase ligada polaridade intermediáriaFaixa operacional de temperatura -60ºC - +320ºC
Polietieleno glicol – PEGou Carbowax 20M
Faixa operacional de temperatura^ Fase ligada polar +50ºC até +280ºC.
Uma mistura de Tolueno (PE 111ºC), Naftaleno (PE 218ºC), Hexanol (PE 157ºC), Fenol (182ºC), Decano (174ºC) e Dodecano (216ºC) foi injetada em colunas contendo as fases indicadas, obtendo-se os cromatogramas abaixo.
Compare os cromatogramas e explique a ordem de saída dos componentes em cada fases, baseando-se na pressão de vapor dos componentes e na polaridades relativasdas substâncias e das fases. Substâncias Polar Aromático Ponte H Dipolo Tolueno Não Sim Não Induzido Hexanol Sim Não Sim Sim Fenol Sim Sim Sim Sim Decano Não Não Não Não Naftaleno Não Sim Não Induzido Dodecano Não Não Não Não
A) Como você avalia esta análise do ponto de vista econômico? Justifique. B) O que se poderia fazer para melhorar? Justifique.
O que aconteceria se:
A) Utilizassemos uma coluna com o dobro de comprimento da usada? B) Desejássemos saber se existe tolueno e benzeno no resíduo? C) Aumentássemos a vazão do gás de arraste?
Observe a tabela de tempos de retenção relativos^2 para a H 2 O, n-propanol e heptano em várias colunas. Fase estacionária Carbowax 20M SE-30 Glicerol DEGS Esqualano Temperatura da coluna 70 oC 70 oC 50 oC 70 oC 60 oC água 6 1 90 1 1 n-propanol 4,3 1,5 2,3 4 2, heptano 1 7 1 1,2 10 Em função da magnitude dos valores de retenção relativa encontrados e da polaridade das substâncias analisadas, colocar as fases em ordem crescente de polaridade. Justifique.
A reação do resorcinol ( I ) com o iodeto de metila (MeI) em condições estequimétricas (1:1 em mol) fornece uma mistura dos produtos ( II ) e ( III ), além de uma certa quantidade de ( I ) que não reagiu. A reação é: OH
OH
OMe
OH
OMe
OMe
a) A provável ordem de saída, sabendo que a fase é polar. b) Por que o sinal 4 é mais largo que os demais? c) Se utilizasse uma quantidade bem maior, em moles, de MeI em relação a I, obter-se-ia após um determinado tempo, um cromatograma com somente dois picos. Explique e desenhe o referido cromatograma.
(^2) Retenção relativa é a razão entre os tempos de retenção de duas substâncias, ou seja, Trx/Trref.
D. DETECTORES
Até esse momento, foram apresentados todos os componentes de um sistema cromatográfico à gás. Entretanto, faz-se necessária uma complementação sobre o princípio de funcionamento dos detectores, para que se possa compreender melhor como a presença de substâncias nos mesmos pode ser convertida em sinal elétrico. Atualmente existem vários tipos de detectores, com princípios de funcionamento completamente diferentes. Se verá neste capítulo os dois mais largamente utilizados, que são o detector de condutividade térmica (DCT) e o detector de ionização em chama (DIC).
D.1. DETECTOR DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA (DCT)
Baseia-se na capacidade das substâncias de conduzirem calor. Essa característica depende da estrutura molecular de cada substância.
Conforme a figura 10, haverá resistências ou termistores em dois pontos do fluxo gasoso, um antes do ponto de introdução da amostra e outro na passagem do efluente da coluna. Como inicialmente, somente o gás de arraste passa pelos filamentos, estes, estando associados a uma ponte de Wheatstone, darão uma condição de equilíbrio, ou seja: R 1 R 3 = R 2 R 4 Quando a substância a ser analisada eluir da coluna, haverá uma condição de desequilíbrio ( R 1 x R 3 R 2 x R 4 ), porque a condutividade térmica da substância juntamente com o gás de arraste será diferente da condutividade térmica do gás de arraste puro. Gera-se, portanto, um sinal que é amplificado e no registrador forma-se o pico correspondente à substância que foi detectada. Um outro sistema pode ser montado, trabalhando com duas colunas (referência e indicação) que são acopladas, cada uma, a dois termistores, em ramos opostos da ponte de Wheatstone. A figura 11 ilustra a montagem, que dá um sinal de maior intensidade. 1- Fonte 2- Ajuste de corrente 3- Miliamperímetro 4- Filamento de detecção 5- Filamento de referência 6- Ajuste do zero grosso 7- Ajuste do zero fino 8- Sistema de atenuação 9- Registrador FA - Fluxo de gás coluna de análise FR - fluxo de gás coluna de referência
Fig. 11 - Circuito elétrico simplificado de um DCT. Observando-se os dados de condutividades térmicas da tabela 2, pode-se notar a acentuada diferença existente entre os valores referentes aos gases normalmente utilizados como fase móvel e os valores referentes à maioria das substâncias. A condutividade térmica do nitrogênio aproxima-se mais das condutividades dos compostos orgânicos, levando a uma menor sensibilidade de detecção, quando o mesmo é utilizado como gás de arraste. Tabela 2 - Valores de condutividade térmica de compostos. Substância Cond. Térmica (cal.s-1.cm-1.F-1)
Substância Cond. Térmica (cal.s-1.cm-1.F-1) He 36,0 Cl 2 2, H 2 44,5 Br 2 1, N 2 6,24 C 6 H 6 2, Ar 4,25 CH 3 OH 3, CH 4 8,18 C 2 H 5 OH 3, CO 2 3,96 H 2 O 4,
O DCT responde a todos os tipos de compostos orgânicos e inorgânicos que possam ser analisados por CG e não é destrutivo, tornando-se muito útil para trabalhos em escala preparativa.
D.2. DETECTOR DE IONIZAÇÃO EM CHAMA (DIC)
Baseia-se na condutividade elétrica dos íons formados na chama do detector. A condutividade elétrica de um gás é proporcional à concentração das partículas com carga dentro do volume de gás. Nesse detector, tem-se inicialmente somente a passagem do gás de arraste e a quantidade de íons produzidos é bem pequena. Quando um composto orgânico passar pela chama, haverá uma produção maior de cargas devido à formação de íons e elétrons livres, dentre outros, gerando um aumento na corrente. Um esquema do DIC é mostrado a seguir:
Fig. 12 - Detector de ionização em chama. Tem-se a chama formada por ar (O 2 ) e hidrogênio e, lateralmente, dois eletrodos com potencial aplicado por uma fonte externa. A chama de hidrogênio produz poucos íons, em comparação com outras substâncias combustíveis. Quando um composto orgânico passa pela chama, formam-se mais íons, aumentando a corrente, que é amplificada, originando, posteriormente, o pico cromatográfico no registrador. O DIC só responde aos átomos de carbono oxidáveis. A intensidade de resposta decresce à medida em que aumenta a substituição por halogênios, grupos amina ou grupos hidroxila. Como se comportará o DIC quando passarem pela chama substâncias tais como H 2 O, CO 2 ou CS 2? E quanto aos compostos inorgânicos?
