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Cromatografía de

Gases (CG)

Introducción a las Separaciones Cromatográficas

• A mediados del S.XX, las separaciones se llevaban a cabo por precipitación, destilacíón y extracción.

Introducción a las Separaciones Cromatográficas

• Denominada por Mikhail Twest.• Clorofila y Xantófilas.• “Chromo”=color.• “Graphein”= escribir.

Descripción de Cromatografía

• Permite separa componentes de una mezcla. • Fase Móvil.• Fase Estacionaria.

Clasificación de los Métodos Cromatográficos

• 1°:Forma en que las fases estacionarias y móvil se ponen en contacto.

• 2°: Se basa en el tipo de fase móvil y la fase estacionaria.

• Solamente la cromatografía de líquidos es la que se lleva a cabo en columnas o superficies planas.

Cromatografía por Elución de Columna

Velocidad de Migración Y Ensanchamiento de Bandas

Tiempo de Retención

TÉCNICA EMPLEADA PARA LA SEPARACIÓN DE COMPONENTES ESTRECHAMENTE RELACIONADOS EN MEZCLAS COMPLEJAS.

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Cromatografía de gases

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Keulemans ha definido la cromatografía como un método físico de separación en el cual los componentes a separar se distribuyen entre dos fases:

•Fase estacionaria.- puede ser un sólido o un líquido que actúa como soporte y tiene un gran área superficial.

•Fase móvil.- fluido (gas, líquido o fluido supercrítico) que pasa a través o a lo largo de la fase estacionaria y sirve como portador de la mezcla.

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Puede ser un sólido o un líquido dispuesto sobre un sólido que actúa como soporte, de gran área superficial.

 Las propiedades necesarias para una fase estacionaria líquida inmovilizada son:

1. Baja volatilidad, el punto de ebullición de la fase estacionaria debe ser al menos 100ºC mayor que la máxima temperatura alcanzada en el horno.

2. Baja reactividad.

3. Estabilidad térmica, para evitar su descomposición durante la elución.

Fase estacionaria:

Fase móvil:La fase móvil es un fluido (gas, líquido o fluido supercrítico) que se usa como portador de la mezcla.

Los componentes de la muestra son transportados a través de la columna por medio de un gas con propiedades de acarreador.

El uso de un gas entre la fase móvil y estacionaria, da como resultado una técnica mas adecuada de cromatografía de gas.

Las fases móviles gaseosas tienen la resistencia de flujo baja, siguiendo con las columnas largas aumenta el poder de separación.

La cromatografía gas-líquido (GLC)La cromatografía gas-sólido (GSC)

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Tipos de CG

Cromatógrafo de gases

•Gas de acarreo

•Controladores de

flujo

•Inyectores

•Columnas

•Detectores

•Sistema de datos

CROMATOGRAFÍA DE GASES 16

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•La elección del gas portador depende de la naturaleza de la muestra y del tipo de detector empleado. •Debe ser un gas inerte, para prevenir su reacción con el analito o la columna. •Generalmente se emplean gases como He, Ar, N, H o CO2.•Puro (>99%), seco y se aconseja colocar un filtro de carbón activo y una trampa para humedad antes de la entrada del gas al instrumento.•El tipo de gas acarreador depende de la velocidad requerida para el análisis y el tipo de detector a emplear.

Gas portador o de acarreo

Separation of compounds , and

Flow

A

B

C

D

Controladores de flujo•Se controlan normalmente mediante un regulador de presión de dos niveles colocados en el cilindro de gas y un regulado de presión o regulador de flujo instalado en el cromatógrafo (rotámetro o pompas de jabón).•Los caudales utilizados en las columnas empacadas oscila entre 25 y 90 mL/min y de 1 a 2 mL/min en las capilares.

•Medidor de pompas de jabón.-se aprieta una pera de goma que contiene una disolución acuosa de jabón o detergente, se interpone una película de jabón en el camino del gas, a continuación se mide el tiempo necesario para que esta película se desplace entre dos divisiones de la bureta, lo que permite calcular el caudal volumétrico. •Los cromatógrafos equipados con medidores electrónicos del caudal están controlados por un ordenador para mantener el caudal a nivel deseado.

Sistema de inyección

•El método más común de inyección de muestra implica el uso de una microjeringa para inyectar una muestra líquida o gaseosa.•Se inyecta en un diafragma (septum) de goma de silicona, en una cámara de vaporización instantánea situada en la cabeza de la columna.•La eficacia de la columna requiere que la muestra sea de un tamaño apropiado.•La inyección lenta de muestras demasiado grandes provoca un ensanchamiento de las bandas y una mala resolución.•En general, se inyecta la muestra con una m•La cámara debe estar a 50 ºC por encima del punto de ebullición del compuesto más volátil.

Tipos de inyección:Split: Método de rutina.•0.1-1% de la muestra va a la columna•Resto a desperdicios

Splitless: Toda la muestra va a la columna•Ideal para análisis cuantitativo•Solo para análisis de trazas o muestras de baja concentración

On-column: Para muestras que se descomponen por encima de su punto de ebullición- portal de inyección no calentado.•La columna debe encontrarse a una temperatura baja para condensar la muestra en una banda estrecha.•Al calentar la columna la cromatografía comienza.

Programa de temperaturas

A medida que la temperatura aumenta, la presión de vapor del analito aumenta y se eluye mas rápidamente. La columna alcanza la temperatura durante la separación y las especies se separan según su rango de polaridades o presión de vapor.

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Es el lugar donde ocurre la separación. Se dice que es el corazón de un cromatógrafo. Los materiales con los cuales generalmente se pueden elaborar las columnas son: cobre, aluminio, acero inoxidable, vidrio ó teflón. El relleno puede ser un sólido, ó un líquido recubriendo un sólido.

Columna

CROMATOGRAFÍA DE GASES 27

FACTORES QUE AFECTAN LA EFICIENCIA DE UNA COLUMNA

Longitud de la Columna

Diámetro de la Columna (1/4", 1/8", 1/16" de diámetro externo)

Tamaño de las partículas del relleno

Naturaleza de las fases

Cantidad de fase estacionaria

Temperatura de la columna

Velocidad del gas portador

Cantidad de muestra inyectada

Material del cual está elaborada la columna

Enrollado de la columna

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Columnas de relleno

Las columnas de relleno o empacadas consisten en unos tubos de vidrio, metal (inerte a ser posible como el acero inoxidable, Níquel, Cobre o Aluminio) o teflón, de longitud de 2 a 3 metros y un diámetro interno de unos pocos milímetros, típicamente de 2 a 4. El interior se rellena con un material sólido, finamente dividido para tener una máxima superficie de interacción y recubierto con una capa de espesores entre 50 nm y 1 μm. Para que puedan introducirse en el horno, se enrollan convenientemente.

Tipos de columna

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Columnas capilares

Las columnas capilares son de dos tipos básicos:

•Las de pared recubierta son simplemente tubos capilares donde la pared interna se ha recubierto con una finísima capa de fase estacionaria. •Las de soporte recubierto consiste en un soporte solido finamente dividido, tal como la celita, arcilla, o esferilla de vidrio, que portan un liquido volátil. Los líquidos mas empleados son las siliconas, grasas, apiezon, ftalato de dinonilo y glicoles polietilenicos.

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El detector es la parte del cromatógrafo que se encarga de determinar cuándo ha salido el analito por el final de la columna. es un dispositivo para revelar la presencia de las sustancias eluídas a la salida de la columna cromatográfica.

Detectores

Las características de un detector ideal son:

Sensibilidad: Es necesario que pueda determinar con precisión cuándo sale analito y cuando sale sólo el gas portador. Tienen sensibilidades entre 10-8 y 10-15 g/s de analito.

Respuesta lineal al analito con un rango de varios órdenes de magnitud. Tiempo de respuesta corto, independiente del caudal de salida. Intervalo de temperatura de trabajo amplio, por ejemplo desde

temperatura ambiente hasta unos 350-400ºC, temperaturas típicas trabajo. No debe destruir la muestra. Estabilidad y reproducibilidad, es decir, a cantidades iguales de analito debe dar salidas

de señal iguales. Alta fiabilidad y manejo sencillo, o a prueba de operadores inexpertos. Respuesta semejante para todos los analitos oRespuesta selectiva y altamente predecible: Para un reducido número de analitos.

Utiliza un emisor beta radioactivo (electrones) para ionizar parte del gas portador y para producir una corriente entre un par de electrodos. Cuando las moléculas orgánicas que contienen grupos funcionales electronegativos, tales como halógenos, fósforo y grupos nitro, pasan por el detector, capturan algunos de los electrones y reducen la corriente medida entre los electrodos.

Detector de Captura de electrones, ECD

Consiste de una llama de hidrógeno-aire y una placa colectora. El efluente de la columna pasa a través de la llama, que ioniza las moléculas orgánicas. Los iones se recogen en un electrodo de polarización negativa y producen una señal eléctrica. El FID es extremadamente sensible y es el detector más ampliamente utilizado, su desventaja es que destruye la muestra.

Detector de Ionización de Flama (FID)

Utilizado particularmente con columnas empacadas, detecta H2O, CO, CO2 e H2. Mide la conductividad térmica de un analito en un gas acarreador.

La velocidad de pérdida de calor de un cuerpo caliente hacia un cuerpo más frío es proporcional a la conductividad térmica del gas que separa estos cuerpos.

Detector de Conductividad térmica, TCD

Detector de Nitrógeno Fósforo, NPD

Básicamente igual al FID, lo que sucede es que se le adiciona un metal alcalino (Rubidio o Cesio), por lo que en algún momento se le llamó (AFID) detector de ionización de flama alcalino, también se le ha llamado detector de ionización (TID), detector termoiónico de flama (FTD), detector específico termoiónico (TSD). Al calentar el material alcalino en la zona de la llama este detector presenta una gran sensibilidad por compuestos que contienen fósforo y nitrógeno.

Detector de emisión atómica (AED)

En este dispositivo el gas de salida de la columna se introduce en un plasma de He mantenido por inducción de microondas, el cual se acopla a un espectrómetro de emisión de series de diodos. La alta temperatura alcanzada en el interior del plasma (varios miles de grados) es suficiente para ionizar totalmente todos los átomos de la muestra, y obtener de esta forma sus espectros de emisión. La radiación emitida se colima y se refleja en una red de difracción, descomponiéndose en sus longitudes de onda individuales, y se recoge en una fila de diodos, capaz de detectar en el rango de 170 a 837 nm. En los equipos actuales (2005), dicho espectrofotómetro permite detectar más que 26 elementos, indicados en el diagrama.

Ver tabla comparativa(doc. anexo)

CROMATOGRAFÍA DE GASES 37

En muchos casos no hay identificación química. Las sustancias se identifican por el tiempo que tardan en emerger de la columna, o mas estrictamente, por la distancia del cromatograma desde el comienzo de la separación a un pico dado de una sustancia determinada.

En condiciones constantes para una columna en particular, esta es una propiedad característica y reproducible. En algunos casos, el volumen del gas portador que emerge de la columna antes de salir un compuesto dado, se emplea para identificar el compuesto

IDENTIFICACION DE SUSTANCIAS EN CROMATOGRAFIA DE GAS.

Cromatograma y su Interpretación

Medida de la Altura ó Área de Pico

• Altura del Pico • Área del Pico.

Existen varias técnicas para la determinación del Área de un Pico Cromatográfico: – Integración Manual

• Métodos Geométricos – Triangulación – Altura por ancho a la mitad de la Altura

• Métodos Mecánicos – Planimétricos – Corte y Pesada

– Integración Automática • Electromecánica • Electrónica

Cromatograma y su Interpretación

Análisis Cualitativo • Los procedimientos para identificación de los picos

cromatográficos podemos dividirlos en dos categorías: • Identificación Cromatográfica

– Por tiempos de Retención – Por Serie Homólogas (Indices de Retención de

Kovacs)

• Identificación No Cromatográfica – Análisis Clásicos – Identificación por:

• Adición de Estándar • Formación de Derivados • Sustracción de un Componente

– Identificación con Técnicas Auxiliares: UV, IR, MS, RMN

Cromatograma y su Interpretación

• Análisis Cuantitativo

Existen varios métodos para cuantificar un pico cromatográfico: – Normalización de Área – Normalización de Área con Factores de

Respuesta – Estandarización Externa – Estandarización Interna

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La GC tiene dos importantes campos de aplicación. Por una parte su capacidad para separar mezclas orgánicas complejas, compuestos organometálicos y sistemas bioquímicos.

Su otra aplicación es como método para determinar cuantitativa y cualitativamente los componentes de la muestra. Para el análisis cualitativo se suele emplear el tiempo de retención, que es único para cada compuesto dadas unas determinadas condiciones (mismo gas portador, rampa de temperatura y flujo), o el volumen de retención. En aplicaciones cuantitativas, integrando las áreas de cada compuesto o midiendo su altura, con los calibrados adecuados, se obtiene la concentración o cantidad presente de cada analito.

Aplicaciones

En las industrias se enfoca principalmente a evaluar la pureza de los reactantes y productos de reacción o bien a monitorear la secuencia de la reacción, para los fabricantes de reactivos químicos su aplicación para la determinación de la pureza es lo más importante.

En la investigación es un auxiliar indispensable para diversas técnicas de evaluación, entre las principales están los estudios cinéticos, análisis de adsorción a temperatura programada, determinación de áreas específicas por adsorción de gas y determinación de isotermas de adsorción. 43

En el campo también pueden ser aplicados, principalmente en estudios de contaminantes del agua: insecticidas en agua, pesticidas en aguas de lagos, lagunas, ríos; desechos industriales descargados en ríos o lagunas.

En la industria del petróleo juega una función primordial, por medio de la cromatografía se pueden analizar los constituyentes de las gasolinas, las mezclas de gases de refinería, gases de combustión, etc.

Las aplicaciones de la cromatografía son múltiples y la convierten en la técnica de análisis más poderosa que existe, su utilización requiere principalmente de constancia y entusiasmo. 44

SKOOG,Douglas y LEARY,James. Análisis

Instrumental. 4ª Edición. McGraw-Hill.

España.1994

WILLARD, H. H.; MERRITT, L. L. and

DEAN, J. A. Instrumental Methods of

Analysis. 5th Edition. D. Van Nostrand.

USA. 1974.

  http://www.chem.vt.edu/chem-ed/ms/ms-

intro.html

Bibliografía: