QUI 154 Química Analítica V Análise Instrumental. Aula 7 Cromatografia Gasosa

Transcrição

1 Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) Instituto de Ciências Exatas Depto. de Química QUI 154 Química Analítica V Análise Instrumental Aula 7 Cromatografia Gasosa Julio C. J. Silva Juiz de Fora, 2015

2 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.

3 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)

4 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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6 Métodos de Separação Eluição em Cromatografia Eluição processo de lavagem dos solutos pela FM Eluente FM Eluato FM que deixa a coluna

7 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

8 Introdução

9 Introdução Separação de substancias volatilizáveis Separação baseada na distinta distribuição das substancias da amostra entre uma fase estacionário (FE) e uma fase móvel gasosa (FM) A amostra é vaporizada no local de injeçao e coluna A amostra vaporizada é introduzida numa coluna contendo a FE De acordo com suas propriedades e as da fase estacionária são retidas por tempos determinados, chegando a saída da coluna em tempos diferentes O uso de um detector adequado torna possível a quantificação dessas substancias Martin e Synge (1941) Fundamentos de cromatografia gasosa James e Martin (1952) Desenvolvimento da técnica Atualmente Presente na maioria dos laboratórios de análise química

10 Características da cromatografia a gás Vantagens: alto poder de resolução (análise de muitos componentes de uma única amostra) sensibilidade ( g) pequenas quantidades de amostra análise quantitativa (pg a mg) Limitações: substâncias voláteis e estáveis termicamente (ou formar um derivado com estas características) requer preparo da amostra [interferências e contaminações] tempo e custo elevado eficiência qualitativa limitada

11 Características da cromatografia a gás É uma das técnicas de análise de maior uso; É utilizada para a separação e quantificação de diversos produtos; Podendo também ser usada como técnica de identificação, em casos especiais, principalmente quando acoplada a um EM(MS) ou outro detector qualitativo.

12 TÉCNICA corrente de gás passa pela coluna amostra vaporizada é introduzida no gás arraste da amostra através da coluna substâncias são separadas detector é gerado um sinal registrador

13 Cromatograma ideal Picos separados Picos simétricos

14 Classificação quanto a temperatura Cromatografia gasosa isotérmica A temperatura da coluna permanece constante durante a análise Cromatografia gasosa com programação de temperatura Variação linear ou não Melhora a separação Diminui o tempo de análise Temperaturas menores Solutos mais voláteis Temperaturas maiores Solutos menos voláteis maior simetria nos picos melhor detectabilidade Amostra composta de substancias com grandes diferenças em seus pontos de ebulição

15 Cromatografia gasosa isotérmica Cromatografia gasosa com programação de temperatura

16 Separação de uma mistura de alcoóis usando (a) GC isotérmica (b) GC com temperatura programada

17 Classificação quanto a fase estacionária Cromatografia gás-sólido (processo: adsorção) FE = sólido adsorvente Cromatografia gás-líquido (processo: absorção) FE = líquido não-volátil suportado num sólido inerte Processos físicos (sorção) Baseiam-se em forças eletrostáticas ou dipolares (forças de van der Waals) Adsorção: FE é sólida e a adsorção ocorre na interface, entre FE e FM Partição (absorção): diferentes solubilidades dos componentes da amostra na FE Adsorção Partição(absorção)

18 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 etenção) 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

19 Eficiência Dados para o cálculo de n

20 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)

21 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

22 Fase estacionária Fase estacionária líquida: líquido pouco volátil, recobrindo um suporte sólido deve solubilizar seletivamente as substâncias termicamente estável quimicamente inerte FE ligada/ligações entrecruzadas risco de sangramento Constante de distribuição (K)

23 Fase estacionária

24 Fase estacionária Suporte ideal: Deve ter área superficial específica grande FE deve espalhar uniformemente, na forma de filme fino. Deve ter partículas com diâmetros regulares e poros uniformes Deve ser mecanicamente rígido, para evitar quebras Não deve interagir com as moléculas da amostra

25 Instrumentação Esquema de um cromatográfico a gás : Fonte do gás de arraste: He, Ar, N 2, CO 2, H 2 2: Sistema de injeção da amostra (poucos L) 3: Coluna cromatográfica 4: Sistema de detecção 5: Amplificador de sinal 6: Registrador 3 5

26 Instrumentação Esquema de um cromatográfico a gás

27 Gás de arraste Gás de arraste (fase móvel) Gases mais usados N 2, He, H 2 e Ar Não deve interagir com o recheio da coluna Compatível com o detector Alta pureza (H 2 O e HC) Controlador de vazão e pressão Manter a vazão do gás de arraste constante durante a análise

28 Injeção Sistema de injeção da amostra gerar banda única e estreita tempo e volume quantidade de amostra não deve ultrapassar a capacidade da coluna Reprodutível Aquecimento para vaporização total da amostra Seringas ou válvulas: Líquidos Seringas (T PE ( o C) componente menos volátil) Divisor de amostra microvolumes (Colunas capilares) Valvula de amostragem maior precisão

29 Sistema de injeção da amostra

30 Colunas e Fornos Colunas: Colunas recheadas Colunas tubulares abertas/colunas capilares Tamanho 2 a 50 m Material Aço inoxidável, vidro, silica fundida, teflon E forma de boninas (10 a 30 cm) Forno Programação de temperatura

31 Colunas cromatográficas Colunas tubular aberta/capilar - Coluna tubular aberta de parede recoberta (TAPR) WCOT (wallcoated open tubular) - Coluna tubular aberta revestidas com suporte (TARS) SCOT (support-coated open tubular) coluna revestida com um suporte sólido (terra diatomácea) - TARS eficiente que TAPR - Colunas tubulares de sílica fundida (CTAS) FSOT (fused-silica open tubular) - CTAS: mais flexíveis, mais resistentes, menor reatividade, etc. Colunas recheadas Tubos de vidro ou metal 2 a 3 m Diâmetro bobina = 15 cm

32 Colunas cromatográficas Colunas tubular aberta/capilar

33 Colunas cromatográficas a) Tubos densamente empacotados com fase estacionária de material uniforme, finamente dividida, ou com suporte sólido que é recoberto com uma fina camada de fase líquida estacionária. b) Parede interna do capilar recoberto com uma fina camada de FE. c) Superfície interna do capilar é coberta por um filme fino de um material suporte (adsorvente), como terra diatomácia, sobre o qual a FE líquida encontra-se dispersa. d) Parede do capilar recoberta apenas com uma camada de adsorvente, que é a própria FE.

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35 Sistema de detecção Características dos detectores: a) Seletividade responde apenas a uma classe de substâncias detectores seletivos (detectores universais e detectores específicos) b) Sensibilidade mudança na resposta do detector em função da quantidade detectada c) Ruído deflexões da linha de base (efeitos eletrônicos do sistema de detecção) d) Quantidade mínima detectável depende de parâmetros relacionados à coluna ( g) e) Faixa linear razão entre a maior e a menor concentração da amostra f) Outras características não sofrer alterações de vazão e de temperatura e ser resistentes às condições de trabalho

36 Detectores

37 Detectores Detector por ionização em chama (quase universal) Formação de íons pela combustão da amostra na presença de H 2 e O 2. Origina corrente elétrica no coletor gerando um sinal do qual a combustão do gás de arraste é descontada É sensível à velocidade do fluxo de massa passando por ele Dá sinal só a 1 a vez. Para ter mais sinal tem que fornecer mais soluto Moléculas de amostra (no gás de arraste) são queimadas na chama formando íons (coletados por um eletrodo)

38 Detectores Detector por captura de elétrons (seletivo) Grupos funcionais eletronegativos N 2 é ionizado por partículas betas produzindo elétrons (ânodo) Gera corrente, resultando na linha de base (constante) Moléculas eluindo da coluna capturam elétrons e diminuem a corrente sinal gerado é proporcional à concentração Bastante usado para análise de pesticidas

39 Detectores Espectrometria de massas Centenas de componentes presentes em sistemas naturais e biológicos; Caracterização de componentes que dão odor e sabor aos alimentos; Identificação de poluentes da água. GC-MS

40 Espectrometria de massas

41 Detectores Espectrometria de massas

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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.