QUI 154 Química Analítica V Análise Instrumental. Aula 5 Métodos de Separação Parte 1

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1 Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) Instituto de Ciências Exatas Depto. de Química QUI 154 Química Analítica V Análise Instrumental Aula 5 Métodos de Separação Parte 1 Julio C. J. Silva Juiz de Fora, 2017

2 Métodos de Separação Introdução Técnicas analíticas um número pequeno apresenta seletividade para uma única espécie química Concomitantes espécies diversas presentes na matriz Interferentes espécies que afetam o sinal analítico Separações estratégia empregada para isolar a espécie de interesse Estratégias usadas para reduzir interferências (efeitos de matriz) modificação de matriz, o mascaramento e a diluição

3 Métodos de Separação

4 Métodos de Separação O processo de Separação

5 Separação por Precipitação Requer alta diferença de solubilidade entre o analito e os potenciais interferentes Produto de solubilidade (Kps) hidróxidos e sulfetos Limitações : 1) Coprecipitação 2) Velocidade de precipitação 3) Formação de precipitados coloidais

6 Separação por Precipitação Separações baseadas na acidez

7 Separação por Precipitação Separações baseadas na formação de sulfetos

8 Separação por Extração com Solvente A extração é a transferência de uma substância dissolvida de uma fase para outra Quando a extensão segundo a qual os solutos distribuem entre duas fases liquidas imiscíveis difere significativamente Essa característica pode ser usada para separações de espécies químicas (concentrar ou isolar) Lei de distribuição fenômeno de equilíbrio que explica a partição de um soluto entre duas fases líquidas imiscíveis A(aq) A(org) K (constante de distribuição) = [A] org /[A] aq Constantes de distribuição úteis para calcular a concentração do analito que permanece e m solução após i extrações K coeficiente de partição

9 Separação por Extração com Solvente Partição de um soluto entre duas fases imiscíveis

10 Separação por Extração Exemplo: Extração líquido-líquido

11 Separação por Extração Constantes de distribuição (K): K = [S] 2 /[S] 1 K = ((1 q) x n/v)/(q x n/v) q fração do solução que permanece na fase 1 (solução aquosa) (1 q) fração do solução transferida para a fase 1 (solução orgânica) Resolvendo para q, temos... Exemplo: Um soluto A tem um coeficiente de partição (K) igual a 3 entre o tolueno e água. Suponho que 100 ml de uma solução aquosa de A 0,010 mol/l sejam extraídas com tolueno. Qual a quantidade de A que permanece a fase aquosa (a) se for feita uma extração de 500 ml e (b) se forem feitas 5 extrações com 100 ml de solvente. a) 6% b) 0,1%

12 Métodos de Separação Separação por Extração Constantes de distribuição (K): [A] i concentração de A que permanece em solução aquosa [A] o concentração original V aq Volume da fase aquosa V org Volume da fase orgânica K constante de distribuição

13 Métodos de Separação Separação por Extração Exemplo: A constante de distribuição do iodo entre um solvente orgânico e a água é 85. Encontre a concentração de I 2 que permanece na fase aquosa após a extração de 50 ml de 1,0 x 10-3 mol L -1 de iodo com as seguintes quantidades de solvente orgânico: a) 50 ml b) Duas porções de 25 ml c) Cinco porções de 10 ml d) Qual a estratégia mais eficiente?

14 Separação por Extração

15 Efeito do ph Se um soluto é um ácido ou uma base sua carga muda com o ph A espécie neutra é tem maior afinidade pela fase orgânica (apolar) A espécie carregada é tem maior afinidade pela fase aquosa (polar) Coeficiente de partição (DM): [CM] s = concentração total do soluto na fase 2 [CM] 1 = concentração total do soluto na fase 1 Exemplo: considere um ácido cuja forma neutra (HA) possui um K entre a fase 1 e a fase 2. Considere que a base conjugada seja (A - ). Demonstre como o ph influencia a extração da espécie neutra HÁ.

16 Exemplo: Suponha que o coeficiente de partição de uma amina (B) seja K = 3 e a constante de dissociação ácida de BH + seja Ka = 1,0 x Se 50 ml de amina aquosa 0,010 mol/l forem extraídas com 100 ml de solvente, qual será a concentração formal restante na fase aquosa: a) Em ph 10? (R = 1,5 x 10-3 mol/l) b) Em ph 8? (R = 6,5 x 10-3 mol/l)

17 Separação por Extração Extração com um quelato metálico 2HQ (org) + M 2+ (aq) MQ 2(org) + 2H + (aq) K = [MQ 2 ] org. [H + ] 2 aq/[m +2 ] aq. [HQ] 2 org K =?

18 Separação em Fase Sólida Limitações da extração líquido-líquido: 1 Solventes devem ser imiscíveis com a água e não formar emulsões 2 Grandes volumes de solventes 3 Procedimento moroso Extração em fase sólida (extração liquido sólido) boa alternativa Membranas, pequenas colunas descartáveis (seringas ou cartuchos)

19 Funcionamento:

20 Separação em Fase Sólida Separação de íons por troca iônica processo no qual íons presos num sólido poroso são trocados por íons presentes em uma solução levada ao contato com o sólido Resinas trocadoras de Íons Resinas trocadoras de cátions contém grupos ácidos (-SO 3- H + ) xr-so 3- H + (sólido) + M x+ (solução) (-SO 3- H + )xm x+ (sólido) + xh + (solução) Resinas trocadoras de ânions contém grupos básicos (-N(CH 3 ) 3+ OH - ) xr-n(ch 3 ) 3+ OH - + A x- [R-N(CH 3 ) 3+ ]xa x- + xoh -

21 Métodos de Separação Separação em Fase Sólida Equilíbrio de troca iônica lei da ação das massas Ca 2+ (solução) + 2H + (resina) Ca 2+ (resina) + 2H + (solução) K = ([H + ] 2 aq. [Ca 2+ ] res )/([H + ] 2 res. [Ca 2+ ] aq ) Separação de troca iônica um dos íons deve prevalecer em ambas as fases. Por exemplo H + [Ca 2+ ] aq << [H + ] aq Assim: [Ca 2+ ] res << [H + ] res (K. [H + ] 2 res)/[h + ] 2 aq= [Ca 2+ ] res /[Ca 2+ ] aq K = [Ca 2+ ] res /[Ca 2+ ] aq

22 Separações Cromatográficas Método amplo permite a separação, a identificação e a determinação de componentes químicos em amostras complexas Cromatografia técnica na qual os componentes de uma mistura são separados com base nas diferenças de velocidade nas quais são transportados através de uma fase estacionária fixo por uma fase estacionária móvel (liquido ou gás) Soluto (amostra/mistura de componentes) Fase estacionária (FE) fase retida em uma coluna ou superfície plana Fase móvel (FM) fase que se movimento através da FE transportando o soluto. FM gás, líquido, etc.

23 Introdução M. TSWEET (1903): Separação de misturas de pigmentos vegetais em colunas recheadas com adsorventes sólidos e solventes variados. éter de petróleo mistura de pigmentos CaCO 3 pigmentos separados Cromatografia = kroma [cor] + graph [escrever] (grego)

24 Introdução Separação de misturas por interação diferencial dos seus componentes entre uma FASE ESTACIONÁRIA (líquido ou sólido) e uma FASE MÓVEL (líquido ou gás)

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26 Métodos de Separação Eluição em Cromatografia Eluição processo de lavagem dos solutos pela FM Eluente FM Eluato FM que deixa a coluna

27 CROMATOGRAFIA CLASSIFICAÇÃO DAS TÉCNICAS CROMATOGRÁFICAS PELAS FORMAS FÍSICAS Critério de Classificação CROMATOGRAFIA Técnica Planar Coluna Fase Móvel Líquido Gás Fluido Líquido Supercrítico Fase Estacionária Líquido Sólido Fase Líquido Sólido Fase Sólido Fase Líquido Sólido Fase Ligada Ligada Ligada Ligada Tipo de Cromatografia CP CCD CCD CGL CGS CGFL CCS CSFL CLL CLS CE CLFL CTI CB

28 Cromatografia de partição Cromatografia por adsorção Cromatografia de exclusão molecular Cromatografia de troca iônica Cromatografia por afinidade

29 Cromatograma ideal Cromatograma: gráfico de resposta do detector em função do tempo de eluição Picos separados Picos simétricos

30 SINAL O parâmetro diretamente mensurável de retenção de um analito é o TEMPO DE RETENÇÃO AJUSTADO, t R : t R t R = t R - t M t R = Tempo de Retenção (tempo decorrido entre a injeção e o ápice do pico cromatográfico); t M t M = Tempo de Retenção do Composto Não-Retido (tempo mínimo para um composto que não interaja com a FE atravesse a coluna); TEMPO t R = Tempo de Retenção Ajustado (tempo médio que as moléculas do analito passam sorvidas na FE)

31 Cromatograma: Tempo de retenção ajustada (t r ) = t r t m Retenção relativa ( ) = (t r(2) )/(t r(1) ) t r2 t r2 1 Fator de capacidade (K ) = (t r t m )/t m (fator de retenção) K = (t do soluto na FE)/(t do soluto na FM) K = (n na FE)/(n do soluto na FM) K = (Ce.Ve)/(Cm.Vm) K = Ce/Cm (coeficiente de partição) K = K(Ve/Vm) = (t r t m )/t m Retenção relativa ( ) = (t r(2) )/(t r(1) ) = (K 2)/(K 1) = (K 2 )/K 1 )

32 Eficiência de separação Fatores que afetam a separação 1) Diferença entre os tempos de eluição entre picos 2) Alargamento dos picos Resolução (R s )

33 Eficiência Cromatogramas ilustrando a relação entre resolução, seletividade e eficiência a) má resolução b) boa resolução c) boa resolução má seletividade boa seletividade boa seletividade má eficiência má eficiência boa eficiência

34 Exemplo: Um pico com tempo de 407s tem uma largura de base de 13s. Um pico vizinho é eluído a 424s com uma largura de 16s. Qual a resolução desse cromatograma? Rs = 1,17

35 Eficiência de separação Fatores que afetam a separação 2) Alargamento dos picos Difusão (D): O coeficiente de difusão mede a velocidade na qual uma substancia se move aleatoriamente de uma região mais concentrada para uma menos concentrada Uma das principais causas de alargamento dos picos cromatográficos

36 Eficiência de separação Fatores que afetam a separação 2) Alargamento dos picos Alargamento de uma banda de um soluto, inicialmente estreita, à medida que ele se move através de uma coluna cromatográfica

37 Eficiência de separação Dados para o calculo de número de pratos (N) e altura de prato (H)

38 Eficiência: Número de pratos teóricos (N) Cada N uma etapa de equilíbrio entre FE e FM Quanto N Eficiência = maior separação (picos mais estreitos) Quanto N Eficiência = menor separação (picos mais largos) Equação de N : N = 16 (d r /W b ) 2 N = 5,54 (d r /W h ) 2 N = numero de pratos teóricos d r =distancia de retenção (tempo de retenção) W b = largura do pico na linha de base W h = Largura a meia altura Altura equivalente a um prato teórico (H) Comparação entre colunas de comprimentos diferentes Equação de H : H = L/N L = comprimento da coluna

39 Eficiência: Fatores que afetam a resolução (N x Rs): Quanto maior for a resolução maior será a separação entre dois picos Rs = Resolução = retenção relativa N = número de pratos K B = K = fator de capacidade ou fator de retenção

40 Equação da altura de prato (H)

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43 Análise Qualitativa a) Comparação do t R com o do composto padrão * Identifica de forma aproximada, pois 2 componentes podem apresentar mesmo t R * Confirmar o resultado: outra técnica ou testar colunas diferentes b) Adição de padrão Adicionar o composto que se imagina presente - aumenta na altura do pico confirma - aumento na largura do pico não é o composto c) Índice de Kovats (comparar c/ literatura)

44 Análise Quantitativa Avaliar: análise qualitativa, exatidão e precisão Causas de erro: perdas mecânicas, amostra volátil, contaminação Integração dos picos a) Altura do pico b) Área do pico c) Área na meia altura A = a x w b / 2 A = a x w h Outros tipos: peso do pico ; integradores eletrônicos

45 Cálculo da concentração a) Normalização: compara a área com a % da composição da mistura %A = (área A / área total) x 100 b) Calibração externa: curva de calibração: A x C c) Padronização interna: adição de quantidade conhecida de um padrão na amostra A x /A PI x C d) Adição de padrão Aplicação Analítica Áreas: ambiental; farmacêutica; alimentícia; petroquímica, medicina, pesquisa,...

46 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS - Silva, L.L.R. Notas de Aula. FACET, UFVJM, Juliano, V. F. Notas de Aula. Depto de Química. UFMG Faria, L.C. Notas de Aula. Instituto de Química. UFG D. A. SKOOG, F. J. HOLLER e T. A. NIEMAN Princípios de Análise Instrumental, 5 a ed., Saunders, A. I. VOGEL - Análise Analítica Quantitativa, LTC, 6ª ed., Rio de Janeiro. - Galen W. Ewing. Métodos Instrumentais de Análise Química (Volume 1). Editora Edgard Blücher/Ed. da Universida - Cadore, S. Notas de Aula. IQ, UNICAMP, SKOOG, D. A; HOLLER, F. J.; NIEMAN, T. A., Princípios de Análise Instrumental, 5ª edição, Editora Bookman, COLLINS, H. C.; BRAGA, G. L.; BONATO, P. S., Fundamentos de Cromatografia, Editora Unicamp, 2006.