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CEFET Quím ica — Analise Instrumental Apostila de Cromatografia em Fase Gasosa 2003 SUMARIO A. INTRODUÇÃO B. O QUE É A CROMATOGRAFIA EM FASE GASOSA C. PARÂMETROS CROMATOGRÁFICOS D. DETECTORES E. MÉTODOS QUANTI F. BIBLIOGRAFIA 1 or12 to view nut*ge CEFET Química – RJ – Análise Instrumental Apostila de Cromatografia em Fase Gasosa A. INTRODUÇÃO 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 ão 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 líquido partição cromatografia gasosa Cada uma dessas combinações envolve diferentes mecanismos de separação. Por exemplo, Fase Estacionária Abreviatura 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. or outro lado, quando a fase estacionária é um líquido, esse pode tanto revestir as paredes da coluna, no caso de colunas capilares, uanto 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 Percolação é o nome dado ao movimento (infiltração) das águas pluviais no subsolo. 12 cada uma das fases. Logo, o componente com maior afinidade pela fase estacionária fica mais tempo retido na coluna, enquanto quele que tiver mais afinidade pela fase móvel percorrerá a coluna com mals 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 liquida. d) – Gráfico representativo de frações coletadas durante a eluição. B. O QUE É A CROMATOGRAFIA EM FASE GASOSA A cromatografia gasosa veio possibilitar, de maneira rápida e eficiente, uma série e 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 istura, 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 liquido.

Na CGS a fase estacionária é um sólido com grande área superficial, enquanto que na CGC ocorre partição dos componentes de uma amostra entre uma fase móvel gasosa e uma 19 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 caracteristlcas dessas técnicas (CGS ou CCL) são as eguintes: l. A fase móvel é um gás quimicamente inerte. II.

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 medldor 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 ecebidos, compondo o cromato rama.

Para uma amostra de 3 aspecto d componentes (A, 3 e C), p 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. 4 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 possivel se todas as moléculas da substância A alcançassem o detector simultaneamente. Na verdade acontece, entre outras coisas, o fenômeno da difusão longltudinal no interor 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, g e C) seja como o que se vê na figura 4 Fig. 4 – Cromatograma real de uma amostra contendo três A cromatografia gasosa permite a realização de anállses 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 a, até o momento em o momento em que a am PAGF s 9 da substância sai do sistema cromatográfico e é detectado. O Tr é calculado dividindo a distância (espaço entre o inicio 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 terma, 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. EXERCÍCIOS 1) Na cromatografia gasosa, o tempo de retenção é determinado por alguns parâmetros. ara substâncias com peso molecular próximo, portanto, tem maior tempo de retenção aquela que: ( ) mais interage com a fase estacionária. ( ) tem menor pressão de vapor. ) menos interage com a fa PAGF 19 mais interage com a fase estacionária. ( ) tem menor pressão de vapor. ( ) menos Interage com a fase móvel. ( ) for mais polar. 2) Por que o tempo de retenção de séries homólogas de substânclas 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? ) Dentre as alternativas abaixo, a única análise qualitativa que é impossível se fazer por cromatografia a gás é o teor de: A- ( ) metanol em bebidas alcoólicas. C-( ) açucar no mel. E- ( ) n-octano em asolina. Justifique a sua resposta tanto para as afirmativas corretas como para as incorretas. D- ( ) óxido nitroso em ar atmosférico poluido. ) metano em gases proveniente de biodegradação. 4) Para fazer uma análise cromatográfica, um analista injetou 1 mL 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 6 ) O esquema abaixo mostra um cromatógrafo improvisado. A detecção é feita pelo contraste da cor da chama das substâncias orgânicas (normalmente a nosa) contra a chama 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 CROMATOGRAFICOS C. I . 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 equllíbrio Liquldo Vapor 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, or 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 salda das substâncias, entretanto, será regida por dois fatores simultâneos, que são: a afinidade de cada substância pela fase estacionaria e a tendência de cada substância se manter 7 na fase móvel. O primeiro f Análise Instrumental Apostila de Cromatografia em Fase Gasosa 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 fluldo 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: vazao =v’A Desenvolvendo a equação anterior, tem-se: dv A = t t V = volume do tubo pelo qual ocorre o escoamento do fluido. = distância percorrida pelo fluido dada em cm. t = tempo dado em min. v ‘ A = 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 3 , 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 i 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 iminuindo 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 pelicula de sabão. Mede-se o tempo gasto para a movimentação da película entre as duas marcações. Aparelhos modernos contam com um medldor de fluxo próprio. 8 C. 3. ESCOLHA DA FASE ESTACIONARIA TIPO, % DA FASE ESTACIONÁRIA SOBRE O SUPORTE E GRANULOMETRIA A característica química da fase estacionária (F. E. influencia na qualidade de separação das substâncias que compõem uma dada amostra. Pode-se escolher uma fase baseando-se na polaridade da amostra que será evaporada. Os tipos de interações que ocorrem com mais frequência entre a substância e a F. E. são: forças de Van der Walls , interações dipolo-dipolo, pontes de hidrogên10. Supondo uma EE. líquida, onde ocorre partição, em geral as substâncias (solutos) polares são retidas em grande extensão conforme a polaridade aumenta. por outro lado, solutos não-polares são retidos em maior extensão conforme a polaridad