Cromatografía Gaseosa

ANÁLISIS INSTRUMENTAL
CROMATOGRAFÍA GASEOSA
Separación de alcoholes
INTRODUCCION
La cromatografía es un método físico de separación basado en la distribución de los componentes de
una mezcla entre dos fases inmiscibles, una fija y otra móvil.
En cromatografía gaseosa, la fase móvil es un gas que fluye a través de una columna que contiene a
la fase fija. Esta fase fija puede ser un sólido poroso (cromatografía gas-sólido o CGS), o bien una
película líquida delgada que recubre un sólido particulado o las paredes de la columna
(cromatografía gas-líquido o CGL). En el primer caso, el proceso que produce la separación es la
adsorción de los componentes de la mezcla sobre la superficie sólida y en el segundo, la partición de
los mismos entre las fases líquida y gaseosa. Por ser la más utilizada, la discusión que sigue se refiere
a CGL.
INSTRUMENTAL
El instrumental utilizado en la cromatografía gaseosa se puede resumir en el siguiente esquema 1:
Esquema 1: esquema de un CG típico (a) y del equipo real utilizado en esta practica (b).
El gas portador (fase móvil) proviene de cilindros provistos con válvulas reductoras de presión. La
muestra se introduce en el inyector con una microjeringa a través de un septum de goma. Allí se
produce la vaporización instantánea de la misma y su introducción en la corriente de gas. La columna
se halla dentro de un horno de temperatura variable, lugar donde se realiza la separación de los
componentes de la muestra. El detector produce una señal eléctrica proporcional a la cantidad de
materia a medida que cada componente separado fluye a través de él. Esa señal es enviada al
registrador que realiza un gráfico de intensidad en función del tiempo (cromatograma) del tipo, ver
esquema 2.
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Esquema 2: Análisis de un cromatograma (a) y un cromatograma típico (b)
Idealmente, se trata de picos gaussianos y cada pico corresponde a un componente de la muestra
original. El integrador (o el software de control) calcula además el área correspondiente a cada pico,
la cual es proporcional a la cantidad de analito.
PARÁMETROS RELEVANTES
Tiempo de retención (tr) de un dado componente de la muestra es el tiempo transcurrido desde la
inyección de la misma hasta la aparición del máximo correspondiente al pico de ese componente. Un
caso especial lo constituye un componente que no es retenido por la fase fija (no se reparte entre
fases), el cual saldrá de la columna antes que cualquier sustancia a un tiempo llamado tiempo muerto
(t0). De esta manera, es posible definir t’r como el tiempo que un cierto componente permanece
retenido en la fase estacionaria:
t r = t 0 + t`r
El factor de capacidad (k’) de un dado compuesto se define como:
que, en función de la constante de partición (K), del volumen de la fase fija (VL) y del volumen de la
fase móvil (VG) se puede escribir como:
y en función de los tiempos de retención:
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Con respecto a la columna, se define como plato teórico a una capa estrecha de la misma en donde se
produce el equilibrio de partición de un compuesto entre la fase fija y la móvil. Para una columna de
longitud L, el número de platos teóricos (N) es:
siendo H la altura de plato teórico, uno de los parámetros que determina la capacidad del proceso
cromatográfico para separar dos compuestos dados, y W el ancho de los picos a la altura de la línea
de base.
A partir de las definiciones anteriores, es posible definir parámetros asociados a la separación de dos
sustancias A y B que caracterizan la eficiencia de una separación. Siendo B la sustancia con mayor tr
estos parámetros son:
Factor de selectividad
Resolución
Teniendo en cuenta que k’, , N y H dependen de la temperatura, tipo de fase fija, longitud de
columna y flujo de fase móvil, es posible mejorar una separación optimizando estos parámetros
experimentales.
ETAPAS DEL ANALISIS DE UNA MUESTRA
1. Optimización de las condiciones instrumentales.
2. Obtención de los cromatogramas en condiciones óptimas (muestras y patrones).
3. Calibración (diferentes técnicas).
4. Cuantificación del/los componentes presentes en la muestra.
5. Tratamiento de los resultados:
A: Se busca obtener como respuesta instrumental:
Picos bien resueltos.
Buena relación señal/ruido.
Línea de base horizontal (sin deriva).
Picos no distorsionados.
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B: Normalmente suele realizarse una calibración por estándar externo o utilizando un estándar
interno.
i. Estándar externo:
Se preparan muestras de patrones de concentración conocida que se analizan y permiten
construir una curva de calibración para cada componente a cuantificar. Con este método es
necesario medir exactamente los volúmenes inyectados tanto de los patrones como de la
muestra incógnita.
ii. Estándar interno:
En este caso se agrega a la muestra una cantidad conocida de un compuesto que no está
presente originalmente. En este caso, la calibración se realiza analizando patrones de
concentración conocida para cada componente a cuantificar a los cuales se le agrega la
misma cantidad del estándar interno que a la muestra incógnita. La curva de calibración se
construye graficando el cociente entre la señal del analito incógnita y el estándar interno en
función de la concentración del analito incógnita. Este método elimina el error cometido al no
poder reproducir el volumen inyectado.
C: Tanto para la medición de la muestra como de los patrones, es conveniente estudiar la
reproducibilidad de la señal analítica y la de los tiempos de retención del/los analitos. Para ello se
deben realizar varias inyecciones (n) de cada muestra y cada uno de los patrones y utilizar los valores
medios.
D: Se realizará el tratamiento de resultados siguiendo las indicaciones dadas en la guía de trabajos
prácticos.
PARTE EXPERIMENTAL
Objetivos
Analizar la influencia de los diversos parámetros instrumentales en la identificación y separación de
una mezcla de alcoholes (metanol; etanol y butanol).
Seleccionar las condiciones instrumentales óptimas para lograr dicha separación (temperatura /
rampa de temperatura, flujo del gas carrier)
Determinar la identidad de los componentes de la muestra utilizando patrones de cada analito y los
tiempos de retención obtenidos para cada uno de ellos en idénticas condiciones operativas.
Comparar críticamente los resultados obtenidos con cada tipo de calibración.
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Materiales a emplear (provisto por el plantel docente)
Cromatógrafo de gases Shimadzu GC/17 A con un integrador Shimadzu CR5A.
Columna capilar marca Agilent J&W HP-INNOWAX, longitud: 30 m, diámetro interno: 0,250 mm,
espesor de film: 0,25 m. Rango de temperatura de trabajo: 40°C a 260°C TRABAJAR SI O SI EN
ESTE RANGO
Gas natural, para calcular t 0
Patrones individuales de metanol, etanol, butanol y acetonitrilo, todos al 1% en agua.
Patrones conteniendo mezclas de metanol, etanol y butanol en agua entre 1% y 5% en cada
componente, además en todos los casos agregar acetonitrilo al 1%, como patrón interno.
Mezcla de etanol, metanol y acetonitrilo (1% en cada componente).
Muestra artificial de composición desconocida de los alcoholes, con acetonitrilo al 1%.
Microjeringa de 10 L.
NO INYECTAR MUESTRAS DE BEBIDAS (si inyecta muestras que contienen azucares,
¿que sucedería con estos a una temperatura mayor a 100°C)
Experimentos a realizar
Análisis cualitativo de la muestra.
Para identificar los componentes de la muestra se realizarán distintas corridas cromatograficas de
una mezcla sintética que contiene metanol, etanol y acetonitrilo (como patrón interno) todos en la
misma concentración, hasta optimizar la resolución variando distintas condiciones instrumentales
(temperatura del horno y flujo del gas portador). Una vez logradas las condiciones óptimas para
la muestra ternaria, realice el cromatograma de la muestra cuaternaria que incluye al butanol. 1
En estas condiciones de flujo y temperatura, inyecte un compuesto que no interactúe con la
columna para determinar t 0. En este caso, se utilizara gas natural (metano).
Se analizarán luego patrones de cada componente por separado para proceder a su identificación
a través de los tiempos de retención obtenidos en idénticas condiciones operativas.
Análisis cuantitativo.
Se utilizarán las metodologías de cuantificación descriptas anteriormente:
i) Estándar externo
ii) Estándar interno
iii) Normalización de áreas, tomando como referencia el área total que informa el programa.
1 Dado que el butanol es retenido más fuertemente en la columna que el resto de los componentes, se optimiza en primer lugar la
separación de los otros tres analitos con el fin de no alargar innecesariamente el tiempo que insume cada corrida de prueba.
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Observaciones y cuidados experimentales:
Ya habrá notado que el vástago de la jeringa Hamilton es muy fino, tenga mucho cuidado cuando
realiza las inyecciones y los lavados.
Los lavados de la jeringa Hamilton deben realizarse con agua miliQ, tenga cuidado de no dañar el
vástago.
Cuando realice la carga de la jeringa, cuidar bien de que no queden burbujas de aire dentro, realice
con cuidado las maniobras necesarias para eliminarlas.
El operador debe sincronizar muy bien la inyección y presión en el botón de START, para dar el
comienzo a la corrida.
Análisis de los resultados
Discutir los resultados obtenidos mediante las distintas metodologías utilizadas, analizando las
ventajas y desventajas de cada una de ellas. Informar las condiciones experimentales, los tiempos de
retención de cada componente de la mezcla y la composición porcentual de alcoholes en las
muestras. Efectuar el análisis estadístico apropiado. Obtenga los parámetros que caracterizan la
eficiencia de la columna para estos analitos en las condiciones de trabajo (k’, , N y H).
Cuestionario de la práctica a realizar:
1. ¿La columna que se utilizó en esta práctica resulta optima para separar los alcoholes utilizados en
la misma ¿Qué mejoras implementaría
2. Discuta la forma de los picos de Metanol y Etanol en los cromatogramas obtenidos y justifique la
diferencia respecto a los picos de Acetonitrilo y Butanol, en cuanto a la forma de los mismos.
Ayuda: metanol (64°C), etanol(78°C), butanol(117°C) y acetonitrilo(82°C)
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CUESTIONARIO cromatografía gaseosa
1. Enumerar los tipos de detectores habitualmente empleados y evaluar su ámbito de aplicación.
2. Discutir la elección del gas portador a utilizar en relación al tipo de detector con que se cuenta.
¿Qué características debe reunir el gas elegido
3. Discutir la aplicación de la ecuación de Van Deemter para modificar la eficiencia de un análisis.
4. ¿De qué manera influyen las condiciones instrumentales en el cromatograma
5. ¿Qué condiciones debe reunir un componente para ser utilizado como estándar interno
6. Discutir las ventajas y desventajas de cada uno de los métodos de cuantificación utilizados.
7. Discutir la conveniencia de considerar como “señal” la altura o el área del pico obtenido como
respuesta de la muestra.
8. Compare el coeficiente b para dos columnas capilares con diámetro de 0,24 y 0,36 mm que
contienen el mismo espesor de fase estacionaria, 0,2 m. ¿Cuál de ellas es más conveniente para
el análisis de compuestos de bajo punto de ebullición y cual para un compuesto termolábil
9. Para la determinación de residuos de óxido de etileno (OE) en tubuladuras para uso médico
esterilizadas con dicho gas, una muestra dentro de un frasco cerrado se calentó a 60 ºC por 20
minutos, se tomaron 500 L de la fase gaseosa (head space) y se usó una columna empacada de
polietilenglicol de 3 mm de diámetro y 1.80 m de largo. La temperatura de la corrida es 60 ºC y el
detector del tipo FID. Considerando que el materia de la tubuladura es PVC y los posibles
productos de reacción del OE son etilenglicol (PE: 197 ºC) y 2-cloroetanol (PE: 129 ºC):
a. Discuta la conveniencia de la temperatura utilizada, la fase estacionaria y el tamaño de
columna.
b. Para determinar etilenglicol y 2-cloroetanol, ¿qué cambios debe realizar en la toma de muestra,
en el tipo de columna y en la temperatura de trabajo
10. Una muestra contiene las sustancias X e Y. Se desea determinar cuantitativamente X utilizando el
método del estándar interno. Se probaron los compuestos 1, 2 y 3 como posibles estándares
internos, obteniéndose el siguiente cromatograma:
a. ¿Cuál elegiría como estándar y qué condiciones variaría en el cromatograma para su uso
b. Una vez conseguida las condiciones óptimas, ¿cómo procede para la determinación
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11. El fabricante de una columna para CG basada en poliestireno-polidivinilbenceno sugiere la
corrida que se muestra a continuación para la separación de una serie de compuestos disueltos en
metanol (condiciones indicadas en el cromatograma). Como se puede apreciar en el
cromatograma, los dos primeros compuestos salen sobre la cola que corresponde a la señal de
metanol.
a. Examine los componentes de la muestra y establezca qué propiedades entran en juego en el
orden de elución de los mismos.
b. ¿Qué sucedería si se trabaja a 70 ºC
BIBLIOGRAFÍA
a. “Principios de Análisis Instrumental”. D. A. Skoog, F. J. Holler y T. A. Hieman, 5a edición, Mc
Graw Hill, madrid 2001.
b. “Métodos Instrumentales de Análisis”. Willard, Merritt y otros. VI edición.
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