Apostila de Cromatografia Gasosa

Apostila de Cromatografia Gasosa

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Apostila de Cromatografia em Fase Gasosa2003

CEFET Quím ica – Analise Instrumental SUMÁRIO

Apostila de Cromatografia em Fase Gasosa2003

CEFET Química – RJ – Análise Instrumental

A cromatografia faz parte de um importante grupo de métodos de separação, que nos permite separar, isolar, identificar e quantificar substâncias, mesmo em misturas muito complexas.

Existem várias técnicas cromatográficas, que vão das mais simples, como a cromatografia sobre papel, até as mais sofisticadas e computadorizadas, como a cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC). O ponto comum entre essas técnicas, e que caracteriza o método, é o fato dos componentes da mistura, ou amostra, serem distribuídos entre duas fases. Uma delas permanece fixa, e por isso é chamada de fase estacionária (F.E.), enquanto a outra percola1 através da F.E., sendo então chamada de fase móvel (F.M.). Esta situação dinâmica, resulta numa migração diferencial, ou seja, os componentes da amostra têm diferentes velocidades ao passarem pela fase estacionária. A tabela abaixo mostra algumas combinações de fases estacionárias e fases móveis:

Fase Móvel Fase Estacionária Abreviatura Mecanismo de separação Tipo de cromatografia líquido sólido CLS adsorção cromatografia líquida gás sólido CGS adsorção cromatografia gasosa líquido líquido CLL partição cromatografia líquida gás líquido CGL partição cromatografia gasosa

Cada uma dessas combinações envolve diferentes mecanismos de separação. Por exemplo, na CLS acontece, em geral: adsorção na superfície do sólido e interação resultante da troca iônica ou da formação de complexos. Na CGS também ocorre, de maneira geral, o fenômeno da adsorção. Na CLL ocorre a partição definida pela solubilidade relativa do soluto nos dois líquidos. Na CGL dá-se a partição do soluto definida pela pressão parcial de vapor do soluto na solução.

A fase estacionária, de forma geral, é acondicionada nas chamadas colunas cromatográficas, que na sua maioria são tubos de vidro ou metal de dimensões diversas. Quando essa fase é um sólido, basta que a coluna seja preenchida com o mesmo, de acordo com técnicas especiais. Por outro lado, quando a fase estacionária é um líquido, esse pode tanto revestir as paredes da coluna, no caso de colunas capilares, quanto estar aderido a um suporte sólido com o qual se enche a coluna.

A amostra é introduzida na coluna e a fase móvel carreia os diversos componentes dessa amostra através da coluna e, dependendo do tipo de cromatografia, pode participar ou não da separação. Assim, a separação dos diversos componentes será dada em função de uma maior ou

1 Percolação é o nome dado ao movimento (infiltração) das águas pluviais no subsolo.

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CEFET Química – RJ – Análise Instrumental menor afinidade de cada um deles, por cada uma das fases. Logo, o componente com maior afinidade pela fase estacionária fica mais tempo retido na coluna, enquanto aquele que tiver mais afinidade pela fase móvel percorrerá a coluna com mais rapidez (fig. 1). Outras características importantes na separação serão o tamanho da molécula, sua massa e, no caso da cromatografia em fase gasosa, sua pressão de vapor (ou ponto de ebulição).

Fig. 1 (a,b,c) - Ilustração esquemática de uma separação utilizando cromatografia líquida. (d) - Gráfico representativo de frações coletadas durante a eluição.

A cromatografia gasosa veio possibilitar, de maneira rápida e eficiente, uma série de separações extremamente difíceis, ou mesmo impossíveis pelos métodos tradicionais, como por exemplo a separação da mistura benzeno-ciclohexano, impossível de ser feita por destilação fracionada, ou ainda, a análise de gases provenientes de automóveis, contendo mais de cem componentes, que podem ser separados por essa técnica. Os princípios do método cromatográfico são os mesmos para todas as formas de cromatografia, ou seja, é um processo no qual uma mistura de substâncias pode ser separada nos seus constituintes graças à passagem de uma fase móvel gasosa, que carreia a mistura, sobre uma fase estacionária.

Como o nome denota, a cromatografia gasosa (CGS ou CGL) é aquela em que a fase móvel é um gás e a estacionária, um sólido ou um líquido. Na CGS a fase estacionária é um sólido com grande área superficial, enquanto que na CGL ocorre partição dos componentes de uma amostra entre uma fase móvel gasosa e uma camada delgada de um líquido não volátil que recobre um suporte sólido inerte.

As principais características dessas técnicas (CGS ou CGL) são as seguintes: I. A fase móvel é um gás quimicamente inerte.

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I. Nas condições cromatográficas escolhidas para a análise só é possível analisar substâncias voláteis (ou derivados voláteis gerados a partir de reações químicas apropriadas).

A função do gás usado como fase móvel é apenas a de carrear os componentes da amostra através da coluna, sem participar dos processos de interação. Por este motivo é chamado gás de

arraste. Exemplos de gases mais utilizados em CG são o He, H2 e o N2

Na figura abaixo observa-se os principais componentes de um Cromatógrafo a Gás.

Fig. 2 - Esquema de um cromatógrafo a gás.

O gás de arraste passa através de um regulador de pressão e penetra no injetor de amostra, arrastando a amostra para a coluna. Os componentes da amostra são separados durante a passagem pela coluna e, um após o outro, passam pelo detector que, por sua vez, envia um sinal ao registrador. Finalmente, o gás passa através de um medidor de vazão e é, então, liberado para a atmosfera. Quando qualquer substância diferente do gás de arraste passa pelo detector, este envia um sinal elétrico ao registrador, que passa para o papel os sinais recebidos, compondo o cromatograma. Para uma amostra de 3 componentes (A, B e C), por exemplo, o aspecto do cromatograma ideal seria o seguinte:

Fig. 3 - Cromatograma ideal para uma amostra contendo três substâncias.

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Como o detector não responde à passagem do gás de arraste, observa-se uma linha reta, constante, entre cada sinal, chamada Linha de Base. Quando a substância A alcança o detector, este é sensibilizado, envia um sinal ao registrador e o registro gráfico esperado é o observado na figura 3. Entretanto isso só seria possível se todas as moléculas da substância A alcançassem o detector simultaneamente. Na verdade acontece, entre outras coisas, o fenômeno da difusão longitudinal no interior da coluna, que faz com que as moléculas da mesma substância percorram a coluna com velocidades levemente diferentes. Isto faz com que o aspecto real de um cromatograma de uma amostra contendo três substâncias (A, B e C) seja como o que se vê na figura 4.

Fig. 4 - Cromatograma real de uma amostra contendo três substâncias.

A cromatografia gasosa permite a realização de análises qualitativas e quantitativas. A análise qualitativa é baseada na velocidade com que cada componente da mistura atravessa a coluna, utilizando-se o parâmetro Tempo de Retenção (Tr). O tempo de retenção de uma substância é o tempo gasto desde o momento em que a amostra é injetada, até o momento em que o maior número de moléculas da substância sai do sistema cromatográfico e é detectado.

O Tr é calculado dividindo a distância (espaço entre o início do cromatograma e o ponto máximo do pico formado) pela velocidade do papel do registrador. O tempo de retenção é característico de uma dada substância, em condições determinadas de análise. Dessa forma, para uma dada coluna, um dado gás de arraste e condições de temperatura e pressão estabelecidas, cada substância tem um tempo de retenção próprio, que permite a sua identificação através da comparação com a análise de padrões, realizada sob as mesmas condições.

A análise quantitativa está relacionada com a área formada sob os picos, pois a intensidade do sinal enviado pelo detector é proporcional à quantidade de substância presente na amostra.

Para se realizar uma análise cromatográfica é necessário que o cromatograma obtido esteja bem "resolvido". Este termo, "resolvido", significa boa separação entre os picos, de tal forma que se possa determinar com precisão, tanto os Tr (s) como as áreas dos mesmos. Na prática, controlandose adequadamente os parâmetros cromatográficos, pode-se obter um registro cromatográfico com picos bem separados e simétricos, isto é, com boa resolução.

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() mais interage com a fase estacionária.
() tem menor pressão de vapor.
() menos interage com a fase móvel.
() for mais polar.

1) Na cromatografia gasosa, o tempo de retenção é determinado por alguns parâmetros. Para substâncias com peso molecular próximo, portanto, tem maior tempo de retenção aquela que:

Justifique a sua resposta tanto para as afirmativas corretas como para as incorretas.

A- () metanol em bebidas alcoólicas. B- ( ) n-octano em gasolina.
C- () açucar no mel. D- ( ) óxido nitroso em ar atmosférico poluído.
E- () metano em gases proveniente de biodegradação.

2) Por que o tempo de retenção de séries homólogas de substâncias é maior quanto mais pesada for a substância, na grande maioria das fases estacionárias usadas em CG, sendo essa ordem independente da polaridade da fase utilizada? 3) Dentre as alternativas abaixo, a única análise qualitativa que é impossível se fazer por cromatografia a gás é o teor de:

4) Para fazer uma análise cromatográfica, um analista injetou 1,0 L de uma substância pura X (grau PA) e após um determinado tempo observou a formação do cromatograma 1 com dois picos. Surpreso com o resultado obtido, reinjetou novamente a referida substância pura nas mesmas condições cromatográficas, obtendo o cromatograma 2.

Explique o aparecimento do sinal com menor tempo de retenção no cromatograma 1.

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5) O esquema abaixo mostra um cromatógrafo improvisado. A detecção é feita pelo contraste da cor da chama das substâncias orgânicas (normalmente amarela e luminosa) contra a chama incolor do hidrogênio.

Como poderia ser feita neste cromatógrafo: A) A análise qualitativa de uma mistura de pentano e benzeno? B) A diferenciação de duas soluções de benzeno com concentrações distintas?

C. PARÂMETROS CROMATOGRÁFICOS C.1. ESCOLHA DA TEMPERATURA DO FORNO DAS COLUNAS

Como a cromatografia gasosa utiliza um gás como fase móvel, é coerente pensar que as substâncias a serem analisadas devem estar no estado gasoso no momento em que penetram no interior da coluna. Quando as substâncias componentes de uma mistura entram em contato com a fase estacionária iniciam-se vários tipos de interações que irão influenciar na migração diferenciada de cada substância. Um fenômeno que em geral ocorre com todas as substâncias é o de ter, cada uma, o seu equilíbrio LíquidoVapor deslocado para a fase vapor, quanto mais aquecido estiver o forno da coluna. Quanto menos aquecido estiver o forno da coluna, esse equilíbrio também estará menos deslocado para a fase vapor. Dessa forma, conclui-se que uma substância eluirá mais rapidamente quanto mais aquecido estiver o forno da coluna e, por outro lado, a substância ficará mais tempo em contato com a fase estacionária, quanto menos aquecido estiver o forno. Consequentemente, os valores de Tr serão modificados à medida em que se altera a temperatura do forno das colunas.

A ordem de saída das substâncias, entretanto, será regida por dois fatores simultâneos, que são: a afinidade de cada substância pela fase estacionária e a tendência de cada substância se manter

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CEFET Química – RJ – Análise Instrumental na fase móvel. O primeiro fator depende da característica química (estrutural) da substância e o segundo fator é decorrente da pressão parcial de vapor da mesma.

Deve-se ter em mente que a temperatura máxima com que se pode trabalhar com uma determinada fase estacionária depende de sua volatilidade. Acima desta temperatura pode ocorrer perda de fase estacionária (sangria), que provoca uma diminuição do tempo de vida da coluna.

C.2. ESCOLHA DA VAZÃO DO GÁS DE ARRASTE

A vazão de um fluido é o produto da velocidade de escoamento do referido fluido (v) pela área da seção reta (A) do tubo no qual está ocorrendo o escoamento, ou seja:

Vazão =v A Desenvolvendo a equação anterior, tem-se:

v A = dt A = V t

V = volume do tubo pelo qual ocorre o escoamento do fluido. d = distância percorrida pelo fluido dada em cm. t = tempo dado em min.

A alteração da velocidade de escoamento do gás, leva à mudança da vazão do mesmo. Essa última acarreta modificação na intensidade de interação de uma dada substância com a fase estacionária. Por que isto ocorre ? Suponha que, a uma dada vazão, as substâncias A e B , por exemplo, estão interagindo fortemente com a fase estacionária. Observa-se, neste caso, valores altos para TrA e TrB . Aumentando-se a vazão, as substâncias A e B têm as suas interações diminuídas e consequentemente os valores de TrA e TrB serão reduzidos. Analogamente ao aumento da temperatura do forno da coluna, também aqui, no aumento da vazão do gás de arraste, tem-se uma diminuição da capacidade de interação das substâncias com a fase estacionária e consequentemente uma diminuição nos valores de Tr.

E em relação a diminuição da vazão do gás de arraste ? O que ocorre ? A vazão é alterada, aumentando ou diminuindo a pressão do gás no sistema, através do ajuste da válvula reguladora de fluxo. Media-se a vazão utilizando-se, por exemplo, um dispositivo bastante simples como o fluxômetro de bolha de sabão ou "bolhômetro". Trata-se de um cilindro com um volume pré estabelecido (marcado com dois traços), pelo qual faz-se passar uma película de sabão. Mede-se o tempo gasto para a movimentação da película entre as duas marcações. Aparelhos modernos contam com um medidor de fluxo próprio.

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