Cromatografia cotel

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Aula sobre cromatografia para os alunos do terceiro ano do Colégio Técnico de Lorena - COTEL.
A abordagem do tema foi focada em duas técnicas para a caracterização de materiais poliméricos - Cromatografia gasosa e Cromatografia de Exclusão por Tamanho.

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Cromatografia cotel

  1. 1. CROMATOGRAFIA: Fundamentos e aplicações Eng. Bruno Cortez Depto. de Engenharia Química Escola de Engenharia de Lorena – EEL/USP
  2. 2. DEFINIÇÃO  Conjunto de técnicas de separação cujo princípio depende da distribuição diferenciada dos componentes de uma mistura entre duas fases, uma considerada estacionária, e a outra, móvel. KROMA + GRAPH (COR) (ESCREVER)
  3. 3. DEFINIÇÃO  Diferenças nas propriedades das fases móvel e estacionária possibilitam com que os componentes da amostra se desloquem através do material cromatográfico com velocidades desiguais, gerando a separação
  4. 4. ANÁLISE CROMATOGRÁFICA  AFINIDADE ⇒ SEPARAÇÃO
  5. 5. LÍQUIDA CROMATOGRAFIA PLANAR COLUNA LÍQUIDA GÁS FLUÍDO SUPERCRÍTICO Líquida (CP) Sólida (CCD) Ligada (CCD) Ligada (CSFL)Sólido (CSS) Líquida (CGL) Sólida (CGS) Ligada (CGFL) Líquida (CLL) Sólida (CLS, CE) Ligada (CFLF, CTI e CB)
  6. 6. TIPOS DE CROMATOGRAFIA SIGLA NOME TIPO DE SEPARAÇÃO CP Papel Partilha CCD Camada Delgada Partilha CCD-FL Camada Delgada com Fase Quimicamente Ligada Partilha e Adsorção CGL Gás-Líquido Distribuição CGS Gás-Sólido Adsorção CGFL Gasosa com Fase Quimicamente Ligada Adsorção CSS Sólida com Fase Móvel Super-crítica Adsorção CSFL CSS com Fase Quimicamente Ligada Adsorção CLL Líquido-Líquido Partilha CLS Líquido-Sólido Adsorção CE Exclusão Permeação CLFL Líquida com Fase Quimicamente Ligada Partilha e Adsorção CTI Troca Iônica Interações Polares CB Bioafinidade Bioatividade
  7. 7. TIPOS DE SEPARAÇÃO  Os princípios físico-químico básicos de separação são:  Adsorção: O soluto é retido pela superfície da fase estacionária através de interações químicas ou físicas.  Partição: O soluto se dissolve na parte líquida que envolve a superfície do suporte sólido.  Troca iônica: O íon da amostra se liga à carga fixa (grupo funcional) da fase estacionária.  Exclusão moléculas: As moléculas são separadas por tamanho, havendo retenção das maiores.  Bioafinidade: Ocorre uma ligação molecular específica e reversível entre o soluto e o ligante fixado à fase estacionária.
  8. 8. Cromatografia Gasosa (CG)  Técnica de separação, em que substâncias capazes de se volatilizarem, percolam em uma corrente de gás através da fase estacionária.  Dependendo da natureza da fase estacionária, a cromatografia gasosa pode ser dividida em 2 grupos:  Cromatografia gás-líquido (GLC)  Cromatografia gás-sólido (GSC)
  9. 9. Cromatografia Gasosa (CG)  O QUE ANALISAR?  Compostos voláteis de pontos de ebulição de até 350 ºC e pesos moleculares menores que 500  Compostos que possam produzir derivados voláteis  Compostos termicamente estáveis na condições de trabalho
  10. 10. Cromatografia Gasosa (CG)  ALGUMAS APLICAÇÕES  Indústria Petroquímica  Alimentos e Bebidas  Biocidas  Medicamentos  Meio ambiente
  11. 11. Cromatografia Gasosa (CG)  DESCRIÇÃO DE UM CROMATÓGRAFO:  Cilíndro contendo gás carreador (hidrogênio, hélio, argônio ou nitrogênio), com fluxo controlado e regulador de pressão  Sistema de injeção de amostra  Coluna cromatográfica  Detectores  Condutividade térmica  Ionização de chama  Registrador
  12. 12. Cromatografia Gasosa (CG)
  13. 13. Cromatografia Gasosa (CG)  GÁS DE ARRASTE  FASE MÓVEL EM CG: NÃO interage com a amostra – apenas a carrega através da coluna. Assim é usualmente referida como gás de arraste  INERTE: Não deve reagir com a amostra, fase estacionária ou superfícies do instrumento  PURO: Deve ser isento de impurezas que possam degradar a fase estacionária
  14. 14. Cromatografia Gasosa (CG)  Impurezas típicas em gases e seus efeitos:  H2O, O2 ⇒ oxida/hidrolisa algumas FE, incompatíveis com DCE  Hidrocarbonetos ⇒ ruído no sinal de DIC
  15. 15. Cromatografia Gasosa (CG) GASES - FILTROS
  16. 16. Cromatografia Gasosa (CG)  CUSTO: Gases de altíssima pureza podem ser muito caros
  17. 17. Cromatografia Gasosa (CG)  COMPATÍVEL COM UM DETECTOR:  Cada detector demanda um gás de arraste específico para melhor funcionamento
  18. 18. Cromatografia Gasosa (CG)  Alimentação do gás de arraste
  19. 19. Cromatografia Gasosa (CG)  Dispositivos de Injeção de Amostra  Os dispositivos para injeção (INJETORES ou VAPORIZADORES) devem prover meios de introdução INSTANTÂNEA da amostra na coluna cromatográfica
  20. 20. Cromatografia Gasosa (CG)  SISTEMAS DE INJEÇÃO
  21. 21. Cromatografia Gasosa (CG) INJETOR “ON-COLUMN” CONVENCIONAL
  22. 22. Cromatografia Gasosa (CG)  Injeção “on-column” de líquidos
  23. 23. Cromatografia Gasosa (CG)  INJETORES SPLIT/SPLITLESS
  24. 24. Cromatografia Gasosa (CG)  SPLIT  Amostras concentradas onde a diluição com solvente é impossível particularmente devido a co-eluição  SPLITLESS  Amostras diluídas ou análise de traços  Análise em ampla faixa de ponto de ebulição e polaridade  Adequado para análide de amostras complexas (multicomponentes)
  25. 25. Cromatografia Gasosa (CG)  Parâmetros de Injeção  TEMPERATURA DO INJETOR: Deve ser suficientemente elevada para que a amostra vaporize- se imediatamente, mas sem decomposição  REGRA GERAL: Tinj=50 ºC acima da temperatura de ebulição do componente menos volátil  VOLUME INJETADO: Depende do tipo de coluna e do estado físico da amostra Sólidos: convencionalmente se dissolve em um solvente adequado e injeta-se a solução
  26. 26. Cromatografia Gasosa (CG)  MICROSSERINGAS PARA INJEÇÃO  LÍQUIDOS: capacidades típicas ⇒ 1μL, 5 μL e 10 μL
  27. 27. Cromatografia Gasosa (CG)  COLUNAS CROMATOGRÁFICAS Colunas empacotadas
  28. 28. Cromatografia Gasosa (CG)
  29. 29. Cromatografia Gasosa (CG)  COLUNAS CROMATOGRÁFICAS  Coluna Empacotada  VANTAGENS  Simples preparação e uso  Tecnologia clássica  Grande número de fases líquidas  Capacidade alta e longa durabilidade  Usada para análise de gases com DCT  DESVANTAGENS  Número de pratos limitado  Exige controle da vazão da fase móvel  Análises relativamente demoradas  Baixa resolução para amostras complexas
  30. 30. Cromatografia Gasosa (CG)  Temperatura da Coluna  Além da interação da FE, o tempo que um analito demora para percorrer a coluna depende de sua PRESSÃO DE VAPOR (p0 )
  31. 31. Cromatografia Gasosa (CG)  Temperatura da Coluna  CONTROLE CONFIÁVEL DA TEMPERATURA DA COLUNA É ESSENCIAL PARA OBTER BOA SEPARAÇÃO EM CG
  32. 32. Cromatografia Gasosa (CG)  FORNO DA COLUNA  Características desejáveis de um forno:  Ampla faixa de temperatura de uso: Pelo menos de Tamb até 400 ºC. Sistemas criogênicos (T < Tamb) podem ser necessários em casos especiais  Temperatura independente dos demais módulos: Não deve ser afetado pela temperatura do injetor e detector  Temperatura uniforme em seu interior: Sistemas de ventilação interna muito eficientes para manter a temperatura homogênea em todo forno
  33. 33. Cromatografia Gasosa (CG)  FORNO DA COLUNA  Características desejáveis de um forno:  Fácil acesso à coluna: A operação de troca de coluna pode ser freqüente  Aquecimento e resfriamento rápido: Importante tanto em análises de rotina e durante o desenvolvimento de metodologias analíticas novas  Temperatura estável e reprodutível: A temperatura deve ser mantida com precisão e exatidão de ± 0,1 ºC EM CROMATÓGRAFOS MODERNOS (DEPOIS DE 1980) O CONTROLE DE TEMPERATURA DO FORNO É TOTALMENTE OPERADO POR MICROCOMPUTADORES
  34. 34. Cromatografia Gasosa (CG)  Programação Linear de Temperatura  Misturas complexas (constituintes com volatilidades muito diferentes) separadas ISOTERMICAMENTE:
  35. 35. Cromatografia Gasosa (CG)  Programação Linear de Temperatura  A temperatura do forno pode ser variada linearmente durante a separação:
  36. 36. Cromatografia Gasosa (CG)  Programação Linear de Temperatura POSSÍVEIS PROBLEMAS ASSOCIADOS À PLT
  37. 37. Cromatografia Gasosa (CG)  DETECTORES: Dispositivos que examinam continuamente o material eluído, gerando sinal quando da passagem de substâncias que não o gás de arraste
  38. 38. Cromatografia Gasosa (CG)  DETECTORES MAIS IMPORTANTES:  Detector por condutividade térmica (DCT ou TCD): Variação da condutividade térmica do gás de arraste  Detector por Ionização de Chama (DIC ou FID): Íons gerados durante a queima dos eluatos em uma chama de H2 + ar  Detector por Captura de Elétrons (DCE ou ECD): Supressão de corrente causada pela absorção de elétrons por eluatos altamente eletrofílicos
  39. 39. Cromatografia Gasosa (CG)  FASES ESTACIONÁRIAS
  40. 40. Cromatografia Gasosa (CG)  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...)
  41. 41. Cromatografia Gasosa (CG)  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  POUCA VISCOSIDADE: 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
  42. 42. Cromatografia Gasosa (CG)  FASES ESTACIONÁRIAS SÓLIDAS: ADSORÇÃO  O fenômeno físico-químico responsável pela interação do analito + FE sólida é a ADSORÇÃO A adsorção ocorre na interface entre o gás de arraste e a FE sólida
  43. 43. Cromatografia Gasosa (CG)  FASES ESTACIONÁRIAS SÓLIDAS: ADSORÇÃO
  44. 44. Cromatografia Gasosa (CG)  FASES ESTACIONÁRIAS SÓLIDAS  Características Gerais:  Sólidos finamente granulados (diâmetros de partículas típicos de 105 µm a 420 µm)  Grandes áreas superficiais (até 102 m2 /g)
  45. 45. Cromatografia Gasosa (CG)
  46. 46. Cromatografia Gasosa (CG)  FASES ESTACIONÁRIAS LÍQUIDAS: ABSORÇÃO  O fenômeno físico-químico responsável pela interação do analito + FE sólida é a ABSORÇÃO A ABSORÇÃO OCORRE NO INTERIOR DO FILME DE FE LÍQUIDA (FENÔMENO INTRAFACIAL)
  47. 47. Cromatografia Gasosa (CG)  FASES ESTACIONÁRIAS LÍQUIDAS: ABSORÇÃO
  48. 48. Cromatografia Gasosa (CG)  FASES ESTACIONÁRIAS  FAMÍLIAS DE FE LÍQUIDAS
  49. 49. Cromatografia Gasosa (CG)  FASES ESTACIONÁRIAS  FAMÍLIAS DE FE LÍQUIDAS
  50. 50. Cromatografia Gasosa (CG)  FASES ESTACIONÁRIAS  FAMÍLIAS DE FE LÍQUIDAS
  51. 51. Cromatografia Gasosa (CG)  FASES ESTACIONÁRIAS  QUIRAIS
  52. 52. Cromatografia Gasosa (CG)  FASES ESTACIONÁRIAS  QUIRAIS
  53. 53. Cromatografia Gasosa (CG)  FASES ESTACIONÁRIAS  QUIRAIS
  54. 54. Cromatografia Gasosa (CG)
  55. 55. Cromatografia Gasosa (CG)  COLUNAS EMPACOTADAS  Tubo de material inerte recheado com FE sólida granulada ou FE líquida depositada sobre um suporte sólido
  56. 56. Cromatografia Gasosa (CG)  COLUNAS EMPACOTADAS  FE Líquidas: SUPORTE
  57. 57. Cromatografia Gasosa (CG)  COLUNAS CAPILARES
  58. 58. Cromatografia Gasosa (CG)  COLUNAS CAPILARES  DIÂMETRO INTERNO
  59. 59. Cromatografia Gasosa (CG)  APLICAÇÃO DA CROMATOGRAFIA GASOSA NA CARACTERIZAÇÃO DE POLÍMEROS  Os polímeros possuem peso molecular muito alto e, portanto, pressão de vapor muito baixa. Eles não podem ser analisados diretamente pela CG  Determinação de pureza de monômeros, solventes e aditivos.  Análise de componentes voláteis nos polímeros, tais como monômero residual, plastificantes, antioxidantes e solventes residuais em adesivos e tintas.  Acompanhamento da cinética de reação de polimerização.  Pirólise do polímero e caracterização de sua estrutura  Análise do polímero como fase estacionária – CROMATOGRAFIA GASOSA INVERSA
  60. 60. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  Método popular para separação e análise de materiais poliméricos  Determinação simultânea  Peso molecular numérico médio  Peso molecular ponderal médio  Distribuição do peso molecular  Conhecida popularmente por CROMATOGRAFIA DE PERMEAÇÃO EM GEL (GPC)
  61. 61. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  MECANISMO DA SEPARAÇÃO O recheio das colunas é constituído de partículas contendo poros de diver- sos tamanhos. O volume total da fase móvel corresponde ao volume de poros (Vp), mais o volume intersticial (Vo), também conhecido por volume morto
  62. 62. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC) MOLÉCULAS MAIORES: não são retidas pelos poros. Logo, são ELUÍDAS primeiro. MOLÉCULAS MENORES: são capazes de permear totalmente no recheio. Logo, são ELUÍDAS por último.
  63. 63. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  VOLUME DE ELUIÇÃO:  Ve = Vo + KVp  Onde: Ve é o volume de eluição; Vo é o volume intersticial; K é o coeficiente de distribuição do soluto; Vp é o volume dos poros.  O valor de K situa-se na faixa entre 0 e 1.  K=0.....o soluto é totalmente excluído dos poros  K=1.....o soluto é totalmente permeado nos poros  0<K<1 faixa de separação
  64. 64. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
  65. 65. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  Exemplo:  Coluna de separação para SEC, do tipo ultrastyragel®, fabricada pela Waters Inc. contém aproximadamente 6 mL de solvente dentro dos poros (volume dos poros) e 6 mL de solvente nos interstícios entre as partículas que compõem o recheio.
  66. 66. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  Conclusão:  Nenhuma molécula poderá eluir antes de 6 mL ou depois de 12 mL. Moléculas de tamanho intermediário eluirão a um volume entre 6 e 12 mL.
  67. 67. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  TIPOS DE FASE ESTACIONÁRIA PARA SEC  O tamanho dos poros deve ser comparável ao tamano da macromolécula a ser analisada.  A distribuição de tamanho de poros deve ser de tal forma que forneça uma dependência linear do volume de eluição com o logaritmo do tamanho molecular dos polímeros investigados.  A fase estacionária não deve exibir qualquer interação, do tipo adsorção, com a substância a ser analisada.  A fase estacionária deve possuir resistência mecânica e estabilidade térmica e química.
  68. 68. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  TIPOS DE FASE ESTACIONÁRIA PARA SEC  Polímero macroporoso  Possuem estrutura tri-dimensional, e são preparados por copolimeração ou reticulação de macromoléculas.  Podem ser semi-rígidos ou do tipo soft-gel  Silicato macroporoso  São rígidos e não incham na presença de solventes.  Tamanho dos poros não são influenciados pela temperatura ou pelo solvente.
  69. 69. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  SELEÇÃO DA COLUNA  Colunas disponíveis com vários tamanhos de poros  A escolha depende do tamanho das macromoléculas do soluto a serem analisadas  Pode-se usar várias colunas dispostas em séries e com tamanhos de poros variados, OU uma coluna com gradiente de porosidade ao longo de seu comprimento
  70. 70. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  CURVAS DE CALIBRAÇÃO  Não é um método absoluto...REQUER a construção de uma curva de calibração para converter os dados fornecidos pelo instrumento em valores de massa molar e sua distribuição.  A partir dos valores de Vr de amostras monodispersas de massa molar conhecida (PADRÕES), é possível determinar a massa molar de amostras desconhecidas
  71. 71. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  Exemplo:  Curva construída usando-se padrões de poliestireno de massa molar conhecida e de distribuição estreita, praticamente monodispersos  A injeção de cada padrão fornece uma curva, cujo pico é considerado o volume de eluição, Vr
  72. 72. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
  73. 73. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  Os valores de Vr, colocados em gráfico contra a massa molar dos padrões, fornecem a curva de calibração.
  74. 74. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)
  75. 75. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  A curva de calibração assim construída corresponde ao poliestireno analisado naquelas condições específicas de solvente e tamanho dos poros.  Poderá ser usada para outros polímeros???  Devido à especificidade dessas condições, a aplicação direta da curva de calibração exemplificada, a polímeros de estrutura diferente poderá levar a resultados fictícios.
  76. 76. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  CURVA DE CALIBRAÇÃO UNIVERSAL  Baseada no volume hidrodinâmico  Na verdade os polímeros são eluídos em função de seu volume hidrodinâmico, e não de sua massa  VOLUME HIDRODINÂMICO PODE SER EXPRESSO EM TERMOS DO PRODUTO DA MASSA MOLECULAR [M] E A VISCOSIDADE INTRÍSECA [n] DA AMOSTRA DO POLÍMERO  Dois polímeros diferentes que aparecem no mesmo volume de eluição, no mesmo solvente, e nas mesmas condições instrumentais terão o mesmo volume hidrodinâmico e as mesmas características de [n]M
  77. 77. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  CURVA DE CALIBRAÇÃO UNIVERSAL
  78. 78. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  FASE MÓVEL  TOLUENO  não absorve água e não degrada com facilidade.  Não pode ser utilizado quando o sistema de detectores é constituído por detectores UV.  TETRAHIDROFURANO  Pode ser utilizado com detectores UV e de índice de refração.  Absorve água com muita facilidade.  Utilizar o solvente recém-destilado e adição de estabilizante para peróxidos.  CLOROFÓRMIO  Não absorve água com tanta facilidade e pode ser usado com detector UV  Com o tempo pode ocorrer decomposição, com liberação de ácido clorídrico, extremamente prejudicial às colunas.  ÁGUA  Análise de polímeros hidrossolúveis.
  79. 79. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  APLICAÇÕES  Caracterização de materiais poliméricos  Determinação dos pesos moleculares numérico e ponderal médios, e distribuição do peso molecular.
  80. 80. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  EFEITO DA DISTRIBUIÇÃO DO PESO MOLECULAR NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS
  81. 81. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  EFEITO DAS CONDIÇÕES DE PROCESSAMENTO NA DEGRADAÇÃO DE UM POLÍMERO
  82. 82. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  CONTROLE DE QUALIDADE (a) Cromatograma de uma amostra de PVC contendo plastificante. (b) Cromatograma de uma mistura de plastificantes comuns 1 – ftalato de dioctila 2 – ftalato de dibutila 3 – ftalato de dietila 4 – ftalato de dimetila
  83. 83. Cromatografia de Exclusão por Tamanho (SEC)  ACOMPANHAMENTO DE REAÇÃO

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