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CROMATOGRAFIA GASOSA Profa. Denise Moritz 1. CLASSIFICAÇÃO DOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS Espectroanalíticos - Colorimetria - Espectrofotometria no visível.

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1 CROMATOGRAFIA GASOSA Profa. Denise Moritz 1

2 CLASSIFICAÇÃO DOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS Espectroanalíticos - Colorimetria - Espectrofotometria no visível e ultravioleta - Espectrofotometria no infravermelho - Espectrofluorimetria - Espectroscopia de absorção atômica - Espectroscopia de emissão atômica Cromatográficos Eletroanalíticos - Eletrogravimetria - Amperometria - Condutimetria - Coulometria - Potenciometria - Voltametria - Polarografia - Cromatografia Líquida - Cromatografia Gasosa 2 IntroduçãoIntrodução

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

4 A cromatografia envolve uma série de processos de separação de misturas, acontece pela passagem de uma mistura através de duas fases: uma estacionária (fixa) e outra móvel. A interação dos componentes da mistura com estas duas fases é influenciado por diferentes forças intermoleculares, incluindo iônica, bipolar, apolar, e específicos efeitos de afinidade e solubilidade. IntroduçãoIntrodução Profa. Denise Moritz 4

5 Histórico Presentemente: Vendas de equipamentos e acessórios para CG nos EUA estimadas em mais de US$ (1995) CGS rudimentar CGL proposta (Martin e Synge) Separação de ácidos orgânicos por CGL: primeiro cromatógrafo (Martin e James) Primeiro equipamento comercial (Griffin & George) Detector por Densidade de Gás (Martin e James) Detector por Ionização em Chama (McWillian e Dewar) Detector por Captura de Eletrons (Lovelock e Lipsky) Colunas Capilares (Golay) Profa. Denise Moritz 5

6 INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE InstrumentoInformação armazenada características físicas e químicas do analito Informação interpretada pelo homem EstímuloResposta Fonte de energia Sistema em estudo Informação analítica IntroduçãoIntrodução

7 Tempo de retenção - tempo que decorre desde a injecção até meia eluição; Tempo morto; - (tm) = tempo necessário para um produto não retido atravessar a coluna Vazão volumétrica; Fase móvel (eluente); Fase Estacionária (fase fixa – ex.Coluna) Seletividade da coluna; Eficiência da coluna – número de pratos; Número de separação; Tempo de análise. IntroduçãoIntrodução Profa. Denise Moritz 7

8 Tempo de Retenção Ajustado, t R O parâmetro diretamente mensurável de retenção de um analito é o TEMPO DE RETENÇÃO AJUSTADO, t R : t R = Tempo de Retenção (tempo decorrido entre a in- jeção e o ápice do pico cromatográfico) TEMPO SINAL Profa. Denise Moritz 8 IntroduçãoIntrodução

9 CONCEITOS Tempo de retenção: É o tempo que a amostra leva para percorrer a coluna (é retida do sistema) Os componentes da amostra são comparados com o de padrões anteriores testados no aparelho.file://localhost/Users/Denise/Análise Instrumental Unisul/slide 3.pptfile://localhost/Users/Denise/Análise Instrumental Unisul/slide 3.ppt Profa. Denise Moritz 9 IntroduçãoIntrodução

10 COLLEGE OF CHARLESTON DEPARTMENT OF CHEMISTRY AND BIOCHEMISTRY. Determination of methyl salicylate in rubbing alcohol by gas chromatography using the method oh standard addtions Disponível em:. Data de acesso; 24/04/2011http://kinardf.people.cofc.edu/221LabCHEM/CHEM221L%20Gas%20Chromatography%20of%20Methyl%20Salicylate.htm Profa. Denise Moritz 10

11 ÁREA Profa. Denise Moritz 11

12 A cromatografia pode ser utilizada para a - identificação de compostos, por comparação com padrões previamente existentes, - para a purificação de compostos, separando- se as substâncias indesejáveis e para a separação dos componentes de uma mistura. IntroduçãoIntrodução Profa. Denise Moritz 12

13 Aplicabilidade Quais misturas podem ser separadas por CG ? Misturas cujos constituintes sejam VOLÁTEIS (=evaporáveis) (para uma substãncia qualquer poder ser arrastada por um fluxo de um gás ela deve ser dissolver - pelo menos parcialmente -nesse gás) DE FORMA GERAL: CG é aplicável para separação e análise de misturas cujos constituintes tenham PONTOS DE EBULIÇÃO de até 300 o C e que termicamente estáveis. Profa. Denise Moritz 13

14 As diferentes formas de cromatografia podem ser classificadas considerando-se diversos critérios: 1. Classificação pela forma física do sistema cromatográfico 2. Classificação pela fase móvel empregada 3. Classificação pela fase estacionária utilizada 4. Classificação pelo modo de separação ClassificaçãoClassificação Profa. Denise Moritz 14

15 Modalidades e Classificação FM = Líquido FM = Gás Cromatografia Líquida Cromatografia Gasosa (CG) Em CG a FE pode ser: Sólida Líquida Cromatografia Gás-Sólido (CGS) Cromatografia Gás-Líquido (CGL) Profa. Denise Moritz 15

16 Em relação à forma física do sistema,a cromatografia pode ser subdividida em cromatografia em coluna e cromatografia planar. EM COLUNA: cromatografia líquida, gasosa e supercrítica. PLANAR: Centrífuga, em papel e camada delgada. Classificação pela forma física do Sistema cromatográfico Classificação pela forma física do Sistema cromatográfico Profa. Denise Moritz 16

17 São de 3 tipos: cromatografia gasosa, cromatografia líquida e a cromatografia supercrítica (CSC). A cromatografia líquida apresenta uma importante subdivisão: a cromatografia líquida clássica (CLC) e a cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). No caso de fases móveis gasosas, separações podem ser obtidas por cromatografia gasosa (CG) e por cromatografia gasosa de alta resolução (CGAR). Classificação pela fase móvel empregada fase móvel empregada Classificação pela fase móvel empregada fase móvel empregada Profa. Denise Moritz 17

18 COLUNAS CROMATOGRÁFICAS Profa. Denise Moritz 18

19 Quanto à fase estacionária, distingue- se entre fases estacionárias sólidas, líquidas e quimicamente ligadas. No caso da fase estacionária ser constituída por um líquido, este pode estar simplesmente adsorvido sobre um suporte sólido ou imobilizado sobre ele. Suportes modificados são considerados separadamente, como fases quimicamente ligadas, por normalmente diferirem dos outros dois em seus mecanismos de separação. Classificação pela fase estacionária empregada Classificação pela fase estacionária empregada Profa. Denise Moritz 19

20 Colunas cromatográficas Empacotadas: Fabricadas depositando-se um filme da fase estacionária líquida sobre um material inerte chamado suporte. De comprimento e diâmetro otimizados p/ análise da amostra de interesse. Capilares: Fabricadas depositando um filme finíssimo de 0,1 e 5 microns na fase estacionária nas paredes de um tubo capilar. Tubos: aço inoxidável, vidro, níquel e sílica gel. Muito mais eficientes. Profa. Denise Moritz 20

21 Princípio Básico Separação de misturas por interação diferencial dos seus componentes entre uma FASE ESTACIONÁRIA (líquido ou sólido) e uma FASE MÓVEL (líquido ou gás). Profa. Denise Moritz 21

22 Parafinas – apolares Poliglicóis – polares Poliésteres - polares Silicones – cobrem ampla faixa de polaridade. Fases estacionárias utilizadas Profa. Denise Moritz 22

23 Contém fase estacionária; Metal, vidro, sílica fundida; Colunas empacotadas; Colunas micro-empacotadas; Colunas capilares; Seletividade e eficiência. COLUNA Amostras Gasosas Amostras Líquidas empacotada 0,1 ml mL 0,2 L L capilar 0,001 ml... 0,1 mL 0,01 L... 3 L Colunas Cromatográficas Profa. Denise Moritz 23

24 Diâmetros: 2, 3 ou 4mm; Comprimento: 0,5m - 5m; O suporte não polar deve ser totalmente desativado se for analisar compostos polares. EMPACOTADA L = 0,5 m a 5 m Colunas Empacotadas Profa. Denise Moritz 24

25 Flexíveis; Mecanicamente duráveis; Quimicamente inertes; Diâmetro interno de 0,25 – 0,32 mm/ L= 5m – 100m; Picos mais finos = melhor separação; Aumenta a velocidade de análise; Mais de pratos; Melhor forma de pico, melhor estabilidade da coluna; Bom para separar misturas com muitos componentes. CAPILAR L = 5 m a 100 m Colunas Capilares Profa. Denise Moritz 25

26 CAPILARESEMPACOTADAS Diâmetro Comprimento Material Fase estacionária 0.10 a 0.50 mm 5 a 100 m Silica fundida ou aço Paredes internas recobertas com um filme fino ( m ) de FE sólida ou líquida 3 a 6 mm 0.5 a 5 m Vidro ou metal Recheada com um sólido pulverizado (FE sólida ou FE líquida depositada sobre as partículas do recheio) Características das Colunas Profa. Denise Moritz 26

27 LÍQUIDOS Depositados sobre a superfície de: sólidos porosos inertes (colunas empacotadas) ou de tubos finos de materiais inertes (colunas capilares) FE líquida SUPORTE Sólido inerte poroso Tubo capilar de material inerte SÓLIDOS Colunas recheadas com material finamente granulado (empacotadas) ou depositado sobre a superfície interna do tubo (capilar) Para minimizar a perda de FE líquida por volatilização, normalmente ela é: Entrecruzada: as cadeias poliméricas são quimicamente ligadas entre si Quimicamente ligadas: as cadeias poliméricas são presas ao suporte por ligações químicas Profa. Denise Moritz 27 Colunas

28 VANTAGENSDESVANTAGENS Empacotada Mais econômica Maior capacidade de carga Maior quantidade de amostra Menor eficiência Análise mais lenta Capilar Maior comprimento => maior eficiência Separação de misturas complexas Análise mais rápida Maior separação Menor quantidade de amostra Profa. Denise Moritz 28

29 O Cromatógrafo a Gás Reservatório de Gás e Controles de Vazão / Pressão. 2 - Injetor (Vaporizador) de Amostra. 3 - Coluna Cromatográfica e Forno da Coluna. 4 - Detector. 5 - Eletrônica de Tratamento (Amplificação) de Sinal. 6 - Registro de Sinal (Registrador ou Computador). Observação: em vermelho: temperatura controlada Profa. Denise Moritz 29

30 Profa. Denise Moritz 30

31 Técnica de fracionamento Em diferentes velocidades com que cada uma se move através de uma fase estacionária (porosa) ao serem arrastadas por uma fase móvel. A distribuição de um soluto entre a parte móvel e a estacionária pode envolver fenômenos de : Partição, Adsorção Exclusão e troca iônica CROMATOGRAFIA Profa. Denise Moritz 31 Colunas

32 Profa. Denise Moritz 32

33 Utilizada na separação e identificação de substâncias: Que possam ser volatilizadas sem sofrer decomposição; Não voláteis que possam ser convertidas em derivados voláteis. A fase móvel é um gás que percola a coluna. CROMATOGRAFIA GASOSA Profa. Denise Moritz 33

34 Alta eficiência Efetuada num tempo razoável Utilizando mínimas quantidades. Técnica de: Profa. Denise Moritz 34

35 Características de uma FE ideal SELETIVA Deve interagir diferencialmente com os componentes da amostra. Regra geral: a FE deve ter características tanto quanto possível próximas das dos solutos a serem separados (polar, apolar, aromático...) FE Seletiva: separação adequada dos constituintes da amostra FE pouco Seletiva: má resolução mesmo com coluna de boa eficiência Profa. Denise Moritz 35

36 FASES ESTACIONÁRIAS Características de uma FE ideal AMPLA FAIXA DE TEMPERATURAS DE USO Maior flexibilidade na otimização da separação. BOA ESTABILIDADE QUÍMICA E TÉRMICA Maior durabilidade da coluna, não reage com componentes da amostra POUCO VISCOSA Colunas mais eficientes (menor resistência à transferência do analito entre fases) DISPONÍVEL EM ELEVADO GRAU DE PUREZA Colunas reprodutíveis; ausência de picos fantasma nos cromatogramas. Profa. Denise Moritz 36

37 Fase Estacionária SÓLIDA - O fenômemo físico-químico responsável pela interação analito + FE sólida é a ADSORÇÃO A adsorção ocorre na interface entre o gás de arraste e a FE sólida ADSORÇÃO Sólidos com grandes áreas superficiais (partículas finas, poros) Solutos polares Sólidos com grande número de sítios ativos (hidroxilas, pares de eletrons...) Profa. Denise Moritz 37 Características de uma FE ideal

38 Características Gerais: - Sólidos finamente granulados (diâmetros de partículas típicos de 105 µm a 420 µm). - Grandes áreas superficiais (até 10 2 m 2 /g). Mais usados: Polímeros Porosos Porapak (copolímero estireno-divi-nilbenzeno), Tenax (polióxido de difenileno) Sólidos Inorgânicos Carboplot, Carboxen (carvões ativos grafitizados), Alumina, Peneira Molecular (argila microporosa) GASES DE REFINARIA Coluna:Carboxen mesh; 15 x 1/8 T COL : 35 o C a 225 o C / 20 o C. min -1 Gás de Arraste: 30 ml.min -1 Detector: TCD Principais Aplicações: - Separação de gases fixos - Compostos leves - Séries homólogas Profa. Denise Moritz 38 EXEMPLOS - FE ideal

39 Exemplos - FASES ESTACIONÁRIAS Famílias de FE Líquidas POLIGLICÓIS Muito polares; sensíveis a umidade e oxidação; ainda muito importantes. Principal: Polietilenoglicol (nomes comerciais: Carbowax, DB-Wax, Supelcowax, HP-Wax, etc.) AMINAS ALIFÁTICAS Coluna:4 % Carbowax 20M s/ Carbopack B + 0,8% KOH T COL : 200 o C (isotérmico) Gás de Arraste: N 20 mL.min -1 Detector: FID Amostra: 0,01 L da mistura de aminas Estrutura Química: Profa. Denise Moritz 39

40 Fase Móvel Profa. Denise Moritz 40

41 EXEMPLOS DE FASES MÓVEIS GÁS DE ARRASTE GÁS DE ARRASTE : Hidrogênio Nitrogênio Argônio Hélio Pressurizados em torpedos de aço c/ pressão aproximada entre 120 e 200 atm. Fluxo Coluna: 0,5 – 80 mL/min Profa. Denise Moritz 41

42 Profa. Denise Moritz 42 Detectores

43 Detector Dispositivo que transforma um sinal elétrico conveniente a variação da composição do gás de arraste ao sair da coluna cromatográfica. O sinal é registrado e a área dos picos, integrada para fins de quantificação. Existem em torno de 20 tipos, porém apenas 5 ou 6 tem aplicação em grande quantidade. Profa. Denise Moritz 43

44 Os principais detectores são: Condutividade térmica – DCT Captura de elétrons – DCE Fotômetro de chama DFC Termoiônico - DFC Ionização de chama – DIC Profa. Denise Moritz 44

45 DIC ou FID O gás de arraste proveniente da coluna (N 2 ) é queimado em presença de ar e H 2. A chama produzida encontra-se num campo elétrico. Durante a combustão de compostos orgânicos contendo H 2 há formação de radicais livres – ionizados pelo campo elétrico – formando sinais – amplificados produzindo picos. Profa. Denise Moritz 45

46 Detectores Dispositivos que examinam continuamente o material eluido, gerando sinal quando da pas-sagem de substâncias que não o gás de arraste Gráfico Sinal x Tempo = CROMATOGRAMA Idealmente: cada substância separada aparece como um PICO no cromatograma. Profa. Denise Moritz 46

47 Detectores – Mais comuns DETECTOR POR CAPTURA DE ELÉTRONS (DCE OU ECD) Supressão de corrente causada pela absorção de elétrons por eluatos altamente eletrofílicos. DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA (DCT OU TCD) Variação da condutividade térmica do gás de arraste. DETECTOR POR IONIZAÇÃO EM CHAMA ( DIC OU FID ) Íons gerados durante a queima dos eluatos em uma chama de H 2 + ar. REGISTRO DE SINAL ANALÓGICO Registradores XY DIGITAL Integradores Computadores Profa. Denise Moritz 47

48 Profa. Denise Moritz 48 INJETOR / INJEÇÃO

49 Profa. Denise Moritz 49 INJETOR / INJEÇÃO

50 PROCESSO CROMATOGRÁFICO Introduz-se a fase estacionária num tubo A fase móvel é bombeada continuamente a uma velocidade constante e controlada. As substâncias começam a migrar de acordo c/ as interações de suas propriedades físico-químicas (c/ as da FM e FE) Passam por um detector no final da coluna, que são captados por um registrador. O sinal é proporcional à sua concentração. O gráfico Obtido - CROMATOGRAMA Profa. Denise Moritz 50

51 Condições operacionais Temperaturas: Detector: Cerca de 20 0 C acima da temperatura de operação da coluna. A temperatura máxima é determinada pelo fabricante. Coluna: Determinada pelo processo cromatográfico levando-se em consideração o ponto de ebulição da amostra. Injetor: Dependerá da amostra a ser analisada. Profa. Denise Moritz 51

52 Protocolo de Operação Tomar conhecimento das características da amostra a fim de escolher o método mais conveniente. Fazer os seguintes questionamentos: Ex. Natureza da amostra recebida Odor característico de tintas De onde vem? Efluente industrial Solúvel em água? Muito pouco Profa. Denise Moritz 52

53 Solúvel em solventes polares? Sim metanol e acetona É volátil? A que temperatura? Sim, completamente entre 50 e C. Quais os principais compostos? Hidrocarbonetos, álccois, cetonas, aldeídos e não contém ácidos. Conhece a técnica de análise? Não Qual o objetivo da análise? Determinar o conteúdo de tolueno (g/L) – os outros compostos são irrelevantes. Profa. Denise Moritz 53

54 Profa. Denise Moritz 54

55 4- FAIXA DE CONCENTRAÇÃO AA C Limite de linearidade 20 É o intervalo de concentração da curva de calibração, compreendido entre o limite de determinação e o ponto onde começa o desvio de linearidade. Faixa ótima de trabalho PARÂMETROS DE SELEÇÃO DE UM MÉTODO ANALÍTICO

56 Adição de Padrões C A X X=0.25 CALIBRAÇÃO DE MÉTODOS INSTRUMENTAIS Am Pd Am Sinal Analítico Amostra Sinal Analítico Amostra + Padrão +

57 C A ,5 510X Calibração convencional ou padrão externo

58 Adicione 0, 5, 10, 15 ou 20 mL de solução padrão Adição de Padrões Internos Encha cada balão volumétrico até a marca de 50mL e misture

59 Adição de Padrões C A X X=0.25 Am Pd Am Sinal Analítico Amostra Sinal Analítico Amostra + Padrão +

60 Método do Padrão Interno Sinal Analítico Pd Bco Pds Am - Um padrão interno é uma quantidade conhecida de um composto que é adicionado à amostra - É uma substância diferente do analito - São úteis quando a quantidade da amostra analisada varia ligeiramente, ou quando a resposta do instrumento varie a cada análise por razões difíceis de controlar.

61 limite de detecção (LD) é a menor concentração que pode ser distinguida com um certo nível de confiança. Toda técnica analítica tem um limite de detecção. Para os métodos que empregam uma curva de calibração, o limite de detecção é definido como a concentração analítica que gera uma resposta com um fator de confiança k superior ao desvio padrão do branco, sb, de acordo com a Equação em que m é sensibilidade da calibração. Normalmente, o fator k é escolhido como 2 ou 3. Um valor de k de 2 corresponde a um nível de confiança de 92,1%, enquanto um valor de 3 corresponde a um nível de confiança de 98%.22 Os limites de detecção relatados por pesquisadores ou por fabricantes de instrumentos podem não ser aplicáveis a amostras reais. Os valores descritos são geralmente obtidos a partir do uso de padrões ideais em instrumentos otimizados. Esses limites são úteis, entretanto, na comparação de métodos ou instrumentos. Limite de Detecção

62 Limite de Quantificação Consiste na comparação dos resultados obtidos utilizando um método interno com os resultados conseguidos através de um método de referência. O objetivo é de estudar o grau de proximidade dos resultados obtidos pelos dois métodos de ensaio, ou seja, de avaliar a exatidão do método interno relativamente ao de referência.

63 CURVA DE CALIBRAÇÃO - BTEX CG-90-DIC (Ar – hidrogênio) Injetor manual Coluna: SUPERCOVAX 10 – sílica fundida de 0,53 mm d.I. 30 metros T 0 coluna: 80 0 C T 0 injetor: C T 0 detector: C Vazão gás de arrasre (N 2 ): 40 mL/min Vazão do hidrogênio (chama): 40 mL/min Vazão do ar sintético: 380 mL/min Volume da amosra: 5 L Profa. Denise Moritz 63

64 G/LÁreaÁrea 2Área 3Média TR 0, , , Profa. Denise Moritz 64

65 6,40 Profa. Denise Moritz 65

66 Y = A* + B A= (fit) B= 173,73 (fit) Y= Área X= g/L Se Área da amostra = Y= (1.293)*X- (173,73) ,73=1293*x Profa. Denise Moritz 66

67 Estudo Artigo: SILVA, Flamys Lena do N. et al. Determinação de benzeno, tolueno, etilbenzeno e xilenos em gasolina comercializada nos postos do estado do Piauí. Quím. Nova [online]. 2009, vol.32, n.1, pp ISSN Profa. Denise Moritz 67

68 Descobrir: Equipamento utilizado Amostra? Tipo de Detector Gás de arraste e fluxos (Vazão) Temperatura de detecção Padrões Tipo de Coluna Volume da amostra Tempos de retenção dos compostos Qual a concentração de BTEX encontrada na gasolina comercial e nas refinarias? Profa. Denise Moritz 68

69 Na cromatografia planar, também chamada de camada fina, ou TLC ("Thin Layer Chromatography"), a fase estacionária, por exemplo alumina ou sílica, é suportada sobre uma placa plana ou nos poros de um papel. Nesse caso, a fase móvel desloca-se através da fase estacionária, sólida e adsorvente, por ação da capilaridade ou sob a influência da gravidade. Útil em separação de compostos polares. Encontra-se bastante difundida devido à sua facilidade experimental e ao seu baixo custo. Cromatografia Planar Profa. Denise Moritz 69

70 TLC – Cromatografia Planar Cromatografia em Camada Delgada (CCD) Profa. Denise Moritz 70


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