ANÁLISE QUÍMICA INSTRUMENTAL CROMATOGRAFIA 2 1
6 Ed. Cap. 10 268-294 6 Ed. Cap. 6 Pg.209-219 6 Ed. Cap. 28 Pg.756-829 6 Ed. Cap. 21 Pg.483-501 3 Separação Química Princípios de uma separação. Uma mistura de quatro componentes é separada completamente de forma que cada componente ocupa uma região do espaço diferente. 4 2
Separação química Uma separação parcial é mostrada. Nesse caso, a espécie A é isolada do restante da mistura de B, C e D. O inverso dos processos de separação apresentados é a mistura a volume constante. 5 Cromatografia O termo cromatografia é difícil de ser definido rigorosamente porque o nome tem sido aplicado a diversos sistemas e técnicas. Todos esses métodos, contudo, apresentam em comum o uso de uma fase estacionária e de uma fase móvel. Os componentes de uma mistura são transportados através da fase estacionária pelo fluxo da fase móvel e as separações ocorrem com base nas diferenças de velocidade de migração entre os componentes da fase móvel. Cromatografia é uma técnica na qual os componentes de uma mistura são separados com base nas diferenças de velocidade nas quais são transportados através de uma fase fixa estacionária por uma fase móvel líquida ou gasosa. 6 3
A fase móvel em cromatografia movimenta-se através da fase estacionária transportando a mistura dos analitos. A fase móvel pode ser um gás, um líquido ou um fluido supercrítico. A fase estacionária em cromatografia é imobilizada em uma coluna ou sobre uma superfície plana. 7 8 4
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Diagrama descrevendo a separação de uma mistura dos componentes A e B por eluição em cromatografia em coluna. O sinal do detector em vários estágios da eluição. 15 Cromatograma x desempenho de coluna Perfis de concentração das bandas dos solutos A e B em dois diferentes momentos durante sua migração através da coluna. 16 8
Cromatograma x desempenho de coluna Cromatograma de dois componentes ilustrando dois métodos de melhorar a separação: (a) cromatograma original com picos sobrepostos; (b) melhoria proporcionada pelo aumento da separação das bandas; (c) Melhoria proporcionada pela diminuição das larguras. 17 Velocidades de Migração dos Solutos A eficiência de uma coluna cromatográfica em separar dois solutos depende em parte das velocidades relativas segundo as quais as duas espécies são eluídas. Essas velocidades, por sua vez, são determinadas pelas razões das concentrações dos solutos em cada uma das fases. Constantes de Distribuição Todas as separações cromatográficas estão baseadas em diferenças de extensão na qual os solutos são distribuídos entre as fases móvel e estacionária. Para o soluto de espécie A, o equilíbrio envolvido é descrito pela equação: (aa) E é a atividade do soluto na fase estacionária e (aa) M, a atividade na fase móvel. Freqüentemente substituímos (aa) E pela concentração analítica molar do soluto na fase stacionária, c E e (aa) M por sua concentração analítica molar na fase móvel, c M. 18 9
Tempos de Retenção 19 10
Fator de Retenção, K O fator de retenção é um parâmetro experimental importante amplamente empregado na comparação das velocidades de migração de solutos em colunas. Para o soluto A, o fator de retenção kaé definido como: em que KA é a constante de distribuição para o soluto A. 21 Fator de Seletividade, α O fator de seletividade a para os solutos A e B é definido como a razão entre a constante de distribuição do soluto mais retido (B) e a constante de distribuição para o soluto menos retido (A). 22 11
Alargamento de Banda e Eficiência da Coluna O formato típico gaussiano do pico cromatográfico pode ser atribuído à combinação aditiva de movimentos aleatórios das várias moléculas à medida que elas se deslocam através da coluna. É instrutivo considerar-se uma única molécula do soluto à medida que esta sofre milhares de transferências entre as fases estacionária e móvel durante a eluição. O tempo de residência em qualquer uma das fases é altamente irregular. 23 Eficiência da coluna Dois termos relacionados são empregados amplamente para as medidas quantitativas da eficiência da coluna cromatográfica: (1) altura de prato H e (2) contagem de pratos ou número de pratos teóricos N. A eficiência cromatográfica aumenta à medida que o número de pratos se torna maior, conforme a altura do prato H torna-se menor. Enormes diferenças em eficiência são encontradas entre as colunas em virtude das diferenças no tipo da coluna e nas fases estacionárias e móveis. 24 12
Martin e Synge trataram a coluna cromatográfica como se fosse feita de uma série de pratos nos quais as condições de equilíbrio sempre prevaleciam. Uma vez que o modelo de pratos não constitui uma representação muito boa de uma coluna cromatográfica, sugerimos que você (1) evite atribuir qualquer significado aos termos prato e altura de prato e (2) veja esses termos como designadores da eficiência da coluna que são mantidos por razões históricas somente e não porque apresentem qualquer significado físico. 25 Determinação Experimental do Número de Pratos em uma Coluna 26 13
Variáveis que Afetam a Eficiência da Coluna 27 O Efeito da Vazão da Fase Móvel Enquanto ambos mostram um mínimo para H (ou um máximo em eficiência) a baixas velocidades lineares, o mínimo para cromatografia líquida geralmente ocorre a vazões que estão bem abaixo daquelas para a cromatografia gasosa. Cromatografia gás-líquido Cromatografia líquida A extensão do alargamento de uma banda depende do tempo que a fase móvel esteja em contato com a fase estacionária, o qual por sua vez depende da vazão da fase móvel. 28 14
Teoria do Alargamento de Banda H é a altura de prato em centímetros e u, a velocidade linear da fase móvel em centímetros por segundo. A quantidade B é o coeficiente de difusão longitudinal e CE e CM são os coeficientes de transferência de massa para a fase estacionária e móvel, respectivamente. A velocidades altas em colunas recheadas, nas quais os efeitos de fluxo predominam sobre a difusão, a eficiência pode ser aproximada por equação de van Deemter A é um coeficiente que descreve os efeitos dos múltiplos caminhos 29 Resolução de uma Coluna A resolução Rs de uma coluna nos diz quanto duas bandas se distanciam uma em relação a outra em comparação com as suas larguras. A resolução fornece uma medida quantitativa da habilidade da coluna em separar dois analitos. 30 15
O Efeito do Fator de Retenção e do Fator de Seletividade sobre a Resolução Uma equação útil pode ser prontamente derivada para relacionar a resolução de uma coluna com o número de pratos que ela contém, bem como com os fatores de retenção e de seletividade de um par de solutos na coluna. em que kb é o fator de retenção da espécie que se move mais lentamente e a, o fator de seletividade. Essa equação pode ser rearranjada para fornecer o número de pratos necessários para se obter uma dada resolução: 31 O Efeito da Resolução no Tempo de Retenção A meta em cromatografia é obter-se a maior resolução possível no menor intervalo de tempo possível. Infelizmente, essas metas tendem a ser incompatíveis e um compromisso entre as duas é geralmente necessário. O tempo (t R ) B requerido para a eluição dos dois componentes com uma resolução de Rs é dado por em que u é a velocidade linear da fase móvel. 32 16
EXERCÍCIO As substâncias A e B apresentam tempo de retenção de 16,40 e 17,63 min, respectivamente, em uma coluna de 30,0 cm. Uma espécie não retida passa através da coluna em 1,30 min. As larguras de pico (na base) para A e B são 1,11 e 1,21 min, respectivamente. Calcule: (a) A resolução da coluna, (b) O número médio de pratos na coluna, (c) A altura de prato, (d) O comprimento da coluna necessário para se obter uma resolução de 1,5, (e) o tempo necessário para se eluir a substância B da coluna com Rs igual a 1,5. 33 A) Resolução 34 17
EXERCÍCIO As substâncias A e B apresentam tempo de retenção de 16,40 e 17,63 min, respectivamente, em uma coluna de 30,0 cm. Uma espécie não retida passa através da coluna em 1,30 min. As larguras de pico (na base) para A e B são 1,11 e 1,21 min, respectivamente. Calcule: (a) A resolução da coluna, (b) O número médio de pratos na coluna, (c) A altura de prato, (d) O comprimento da coluna necessário para se obter uma resolução de 1,5, (e) o tempo necessário para se eluir a substância B da coluna com Rs igual a 1,5. 35 B) Resolução 36 18
EXERCÍCIO As substâncias A e B apresentam tempo de retenção de 16,40 e 17,63 min, respectivamente, em uma coluna de 30,0 cm. Uma espécie não retida passa através da coluna em 1,30 min. As larguras de pico (na base) para A e B são 1,11 e 1,21 min, respectivamente. Calcule: (a) A resolução da coluna, (b) O número médio de pratos na coluna, (c) A altura de prato, (d) O comprimento da coluna necessário para se obter uma resolução de 1,5, (e) o tempo necessário para se eluir a substância B da coluna com Rs igual a 1,5. 37 C) Resolução 38 19
Resolução C) 39 EXERCÍCIO As substâncias A e B apresentam tempo de retenção de 16,40 e 17,63 min, respectivamente, em uma coluna de 30,0 cm. Uma espécie não retida passa através da coluna em 1,30 min. As larguras de pico (na base) para A e B são 1,11 e 1,21 min, respectivamente. Calcule: (a) A resolução da coluna, (b) O número médio de pratos na coluna, (c) A altura de prato, (d) O comprimento da coluna necessário para se obter uma resolução de 1,5, (e) o tempo necessário para se eluir a substância B da coluna com Rs igual a 1,5. 40 20
Resolução D) 41 E) Resolução 42 21
Exercício Os seguintes dados foram obtidos para a cromatografia gás-líquido em uma coluna recheada de 40 cm: Calcular (a) o número médio de pratos a partir dos dados. (b) o desvio padrão para a média em (a). (c) a altura média de prato da coluna. 43 Exercício Os seguintes dados foram obtidos para a cromatografia gás-líquido em uma coluna recheada de 40 cm: Calcular a resolução para (d) metilciclo-hexeno e metilciclo-hexano. (e) metilciclo-hexeno e tolueno. (f) metilciclo-hexano e tolueno. 44 22
Exercício Se a resolução de 1,5 for desejada na separação de metilciclohexano e metilciclohexeno (g) quantos pratos são necessários? (h) qual é o comprimento da coluna se o mesmo recheio for empregado? (i) qual é o tempo de retenção para o metilciclo-hexeno na coluna na parte (h)? 45 Exercício Se VE e VM para a coluna inicial são 19,6 e 62,6 ml, respectivamente, e o pico do ar não-retido aparece após 1,9 min, calcular: (j) o fator de retenção para cada composto. (k) a constante de distribuição para cada composto. (l) o fator de seletividade para o metilciclo- hexano e metilciclohexeno. 46 23
Exercício - Web Utilize o programa Google para realizar uma busca sobre cauda de picos em cromatografia líquida de fase reversa. Descreva o fenômeno e discuta as formas pelas quais a cauda pode ser minimizada. Faça, também, uma busca sobre os efeitos da temperatura em cromatografia líquida. Descreva como a temperatura influencia as separações cromatográficas. Com base no que você aprendeu, a programação de temperatura poderia ser de algum valor para auxiliar na separação em cromatografia líquida? Por que sim ou por que não? 47 24
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