ACTIVIDAD 2. FINAL

Facultad de Química
Métodos Ópticos, Electroquímicos y
Cromatográficos
ACTIVIDAD 2:
“Parámetro, tipos de cromatografía y la
importancia en el análisis químico en
métodos instrumentales y no
instrumentales”
EQUIPO:
Karla Acevedo Coox
Alma Basto Moo
Mónica González Díaz
Carolina Solís Conde
PROFESOR:
QFB. Alfredo Araujo León
Mérida, Yucatán a jueves 22 de mayo del
2014
PARÁMETRO, TIPOS DE CROMATOGRAFÍA Y LA IMPORTANCIA EN L
ANÁLISIS QUÍMICO EN MÉTODOS INSTRUMENTALES Y NO
INSTRUMENTALES.
La enorme mayoría de los problemas analíticos reales comienzan con una compleja
mezcla a partir de la cual es necesario aislar, identificar y cuantificar uno o más
componentes.
El aislamiento del compuesto deseado de una mezcla es un paso desafiante y
crucial en el proceso analítico.
 EXTRACCIÓN CON SOLVENTE.
Extracción significa la transferencia de un soluto de una fase liquida a otra.
En una mezcla de dos fases, algo de los dos solventes se encuentra en ambas
fases, pero una fase esta constituida principalmente por el agua y la otra por la
sustancia orgánica. Se supondrá que los volúmenes de cada fase no cambian con la
agitación. Supóngase que el soluto S se reparte entre la fase 1 y 2. El coeficiente
de reparto, K, es la constante de equilibrio de la reacción
S (en la fase 1) ⇌ S (en la fase 2)
𝓐𝒔𝟐 [𝑺]𝟐
𝑲=
≈
𝓐𝒔𝟏 [𝑺]𝟏
donde 𝒜𝑠1 se refiere en la actividad del soluto en la fase 1. En solución diluida, el
coeficiente de actividades puede sustituirse por el de concentraciones. Supóngase
que un volumen V1 del solvente 1 que contiene m moles del soluto S se extrae con
un volumen V2 del solvente 2. Sea q la fracción remanente de S en la fase 1 cuando
se alcanza el equilibrio. En consecuencia, la molaridad en la fase 1 será qm/V 1. La
fracción del soluto total que se transfiere a la fase 2 es (1-q), y la molaridad en la
fase 2 es (1-q)m/V2. Sustituyendo estos valores de molaridad en la ecuación 22.2 se
obtiene
K= (1-q)m/V2
despejando q se obtiene
q=
V1
qm/V1
V1+KV2
Esta ecuación indica que la fracción de soluto remanente en la fase 1 depende del
coeficiente de reparto y de los volúmenes de las dos fases. Después de n
extracciones con un volumen V2, la fracción remanente en la fase 1 es
𝑽𝟏
𝒒𝒏 = (𝑽𝟏 + 𝑲𝑽𝟐)n
 Efectos del pH
Supóngase que el soluto que va a repartirse entre las fases 1 y 2 es una amina con
constante de basicidad Kb. BH+ es soluble sólo en la fase acuosa (1).
El coeficiente de reparto entre las dos fases de la forma neutra, B, es igual a K. El
coeficiente de distribución, D, se define como D= K * Ka
=K*∝
+
Ka + [H ]
Donde 𝛼neutra es la fracción de base débil en la forma neutra, B. Esta ecuación indica
que la distribución de soluto entre las dos fases dependerá del pH.
 Extracción con un agente quelante.
Una forma de separar iones metálicos consiste en complejar selectivamente un ion
con u ligando orgánico y extraerlo en un solvente orgánico. Tres ligandos que
suelen emplearse para este propósito son: ditizona, 8-hidroxiquinolina y cupferrón.
Cada uno de estos ligandos puede reaccionar con diversos iones metálicos, pero
puede lograrse cierta selectividad mediante el control del pH.
D≈ KM𝜷𝑲𝒏𝒂 [HL]norg
𝑲𝒏𝑳
[H+]naq
Esta ecuación indica que el coeficiente de distribución para la extracción de un ion
metálico depende del pH y de la concentración del ligando. A menudo es posible
seleccionar un pH al que D sea grande para un metal y pequeño para otro. Por
ejemplo en la figura 1 se muestra que el Cu2+ puede separarse de Pb2+ y de Zn2+ por
extracción con ditizona a pH 5.
Figura 1. Extracción de iones
metálicos con ditizona.
pH
La extracción puede llevarse a cabo mediante distintas técnicas como lo son:
1. Extracción de pares iónicos
2. Enmascaramiento de iones interferentes
3. Uso de contraión hidrófobo
4. Uso de un ligando hidrófobo
 Distribución a contracorriente
Es un proceso de extracción en serie cuyo objetivo es separar dos o más solutos
uno de otro mediante una serie de reparto entre dos fases líquidas. El esquema se
muestra en la figura 2.
Figura 2. Esquema de
extracciones en una
distribución a
contracorriente.
En la figura se observa lo siguiente:
En el paso 0 se ejecuta una extracción simple.
Una fracción de cada soluto aparecerá en cada
fase. Una condición necesaria para la separación
es que los coeficientes de distribución de los dos
solutos sean distintos.
En el paso 1, la fase U0 se transfiere a un
segundo tubo que contiene fase inferior nueva,
L1. De modo similar, L0 se pone en contacto con fase superior nueva, U1.
En el paso 2, la fase U0 se transfiere a un tubo que contiene L2 nueva. La fase U1
se transfiere al tubo que contiene L1 usada. La fase U2 nueva se coloca en el tubo
que contiene L0 usada.
 Posición de los picos, ancho de banda y resolución
La desviación estándar de una banda de soluto en una distribución a contracorriente
es 𝝈 ≈ √𝒏𝒑𝒒
Para el soluto con fracción p en la fase móvil, el tubo (r max) con concentración
máxima de soluto es rmax ≈ np
Esta ecuación significa que el pico del soluto siempre ha recorrido una fracción
constante de la distancia cubierta por la fase móvil.
En las separaciones reales, las bandas tienden a ensancharse en sus extremos más
de lo que puede predecirse por un cálculo ideal.
El ancho de la banda se incrementa en forma proporcional a la raíz cuadrada del
número de transferencia, puesto que 𝝈 ≈ √𝒏𝒑𝒒. Cuanto mayor sea la distancia
recorrida por el frente del solvente, tanto mayor será n así como el ancho de la
banda de soluto.
 CROMATOGRAFÍA
En cromatografía, la fase móvil es un liquido o un gas. La fase estacionaria es
comúnmente un líquido que recubre la superficie de partículas sólidas. Estas
partículas pueden servir como fase estacionaria. El soluto que tiene mayor afinidad
por la fase estacionaria se moverá con mayor lentitud a lo largo de la columna. La
cromatografía se divide en varias clases:
1. Cromatografía de adsorción: se utiliza una fase estacionaria sólida y una fase
móvil líquida o gaseosa. El soluto puede adsorberse en la superficie de las partículas
sólidas. El equilibrio entre el estado adsorbido y la solución es la causa de la
separación de las moléculas del soluto.
2. Cromatografía de reparto: una fase estacionaria forma una película delgada en la
superficie de un soporte sólido. El soluto se equilibra entre este líquido estacionario y
una fase móvil líquida o gaseosa.
3. Cromatografía de intercambio iónico: aniones o cationes se unen covalentemente
a la fase estacionaria sólida, por lo común una resina. Los iones de soluto, de carga
opuesta a los de la fase estacionaria, son atraídos por esta última mediante una
fuerza electrostática. La fase móvil es un líquido.
4. Cromatografía de exclusión molecular: en esta cromatografía la fase móvil líquida
o gaseosa pasa a través de un gel poroso. Los oros son suficientemente pequeños
para excluir las moléculas grandes de soluto, pero no las pequeñas. La corriente de
moléculas grandes pasa sin penetrar el gel. Las moléculas pequeñas requieren más
tiempo para pasar a través de la columna porque entran en el gel y por lo tanto
deben fluir a través de un volumen más grande antes de dejar la columna. También
se conoce como cromatografía de filtración o de permeación en gel.
5. Cromatografía por afinidad: es muy selectiva, se utilizan interacciones altamente
especificas entre un tipo de moléculas de soluto y otras moléculas que se unen
covalentemente a la fase estacionaria. Por ejemplo, la molécula inmovilizada puede
ser un anticuerpo para una proteína particular.
 Un poco de terminología
La fase móvil se llama eluyente. Cuando emerge por la salida de la columna se
llama eluato. El proceso que consiste en hacer pasar un líquido (o gas) a lo largo de
una columna de cromatografía se llama elución.
La rapidez de la fase móvil en una columna cromatográfica suele expresarse como
gasto en volumen o como gasto lineal.
El gasto en volumen indica cuantos mililitros de solvente por minuto recorre a
columna. El gasto lineal indica cuántos centímetros de longitud de columna recorre
el solvente en un minuto.
Un cromatograma es una grafica en la que se representa la respuesta del detector
en función del tiempo de elución. El tiempo de retención, tr, para cada componente
es el tiempo necesario después de la inyección de la mezcla en la columna para que
el componente alcance el detector. El tiempo de retención ajustado se define como
t’r = tr - tm
donde tm es el tiempo necesario para que la fase móvil recorra la longitud de la
columna. Un soluto no retenido eluirá en un tiempo tm.
Para cualesquiera dos componentes 1 y 2, la retención relativa, 𝜶, es
𝜶 = t’r2 / t’r1 donde t’r2 > t’r1, por lo que 𝛼 >1.
Para cada pico en el cromatograma el factor de retención (factor de capacidad), k,
se define como k= tr - tm / tm
Cuanto mayor sea el tiempo que un componte es retenido en la columna, mayor es
el factor de retención.
El volumen de retención, Vr, es el volumen de la fase móvil que se requiere para
eluir un soluto dado de la columna cromatográfica Vr = tr – F
Donde F es el gasto de volumen en la fase móvil.
 Teoría de los platos en cromatografía.
Aunque la cromatografía es un proceso continuo, es posible imaginar que la
columna se divide en N segmentos, en cada uno de los cuales se establece un
equilibrio. Cada uno de estos segmentos imaginarios se llama plato teórico. Si la
longitud total de la columna es L, la altura equivalente de plato teórico (A.E.P.T., o
bien H.E.T.P., del inglés height equivalent to a theoretical plate) es
A.E.P.T. = L / N
Midiendo el tiempo de retención y el ancho de la banda, el número de platos teóricos
puede calcularse a partir de la ecuación N= 𝒕𝟐𝒓 = 𝟏𝟔𝒕𝟐𝒓
𝝈𝟐 𝒘𝟐
donde tr es el tiempo de retención del pico, 𝜎 es su desviación estándar y w es el
ancho de banda (en unidades de tiempo) medido en la base del pico.
 Teoría cinética de la cromatografía.
El equilibrio no es infinitamente rápido y la forma resultante de las bandas depende
de la velocidad de elución. Dicha forma también depende de la difusión del soluto a
lo largo de la columna y de la existencia de diferentes caminos que las diversas
moléculas de soluto pueden seguir cuando se mueven entre partículas de la fase
estacionaria. Todos los efectos que se mencionan dependen de la velocidad, v, con
que la fase móvil atraviesa la columna. La consideración detallada de los diversos
mecanismos por los que la banda se ensancha conducen a la ecuación de van
Deemter para la altura de plato: A.E.P.T. = A + B + Cv
donde A, B y C son constantes características de un sistema dado de columna y
solvente. B/v es la difusión longitudinal, Cv es la velocidad de equilibrio, también
llamada transferencia de masa y A son las trayectoria múltiples. La ecuación indica
que existe una velocidad óptima para la operación de cualquier columna, a la cual la
altura de plato alcanza su valor mínimo. Para un tipo dado de fase estacionaria, a
menor tamaño de partícula mayor eficiencia de la columna. El tamaño de partículas
de la columna de cromatografía de alta eficiencia es de aproximadamente 10 µm. A
mayor diámetro de partícula, mayor es el gasto óptimo.
 Resolución
La resolución de dos picos se define como Resolución= 𝚫𝒕r = 𝚫𝑽r
wpr wpr
donde Δ𝑡r o Δ𝑉r son la separación entre picos (en unidades de tiempo o de volumen)
y wpr es el ancho promedio de ambos picos en las unidades correspondientes.
Incrementar el factor de retención equivale a incrementar la fracción del tiempo que
el soluto permanece en la fase estacionaria. La resolución de una columna es
proporcional a la raíz cuadrada de su longitud.
 Columnas tubulares abiertas.
Se llama columna empacada, porque se llena con la fase estacionaria en el cual
ocurre la separación de solutos. Respecto a las columnas empacadas, las columnas
tubulares abiertas se caracterizan por
1. Mayor resolución
2. Menor tiempo de análisis
3. Mayor sensibilidad
4. Menor capacidad de muestra
Las ventajas del diseño tubular abierto se deben a la trayectoria abierta en el centro
de la columna. Además, la altura equivalente de plato teórico (A.E.P.T.) suele ser
menor para una columna tubular abierta, lo que mejora la resolución por unidad de
longitud.
En una columna tubular abierta no hay ensanchamiento de banda por multiplicidad
de trayectorias, porque todo el soluto sigue esencialmente la misma trayectoria.
El diseño tubular abierto permite:
1. Mayor gasto lineal, mayor longitud de columna, o ambas cosas.
2. Menor A.E.T.P., lo cual significa mayor resolución.
 Ensanchamiento de bandas antes y después de la cromatografía.
En salidas y detectores bien diseñados se logra mantener un flujo laminar. Esto
significa que la velocidad del fluido es mayor en el centro del tubo y disminuye
gradualmente hacia las paredes, donde es cero. Puesto que el fluido localizado en
el centro de la cámara se mueve más rápido que el situado en los bordes, la banda
se ensancha. Sin embargo, el ensanchamiento es mucho mayor en una salida o en
un detector, donde cada gota nueva que penetra en la cámara se mezcla totalmente
con el contenido de ésta. Para minimizar el ensanchamiento de las bandas fuera de
la columna cromatográfica, deben minimizarse todos los espacios muertos y las
dimensiones de los tubos.
 Formas de las bandas.
Una banda de forma gaussiana se produce cuando el coeficiente de reparto, K (=Cs /
Cm), es constante e independiente de la cantidad de soluto en la columna. Una
grafica de Cs en función de Cm (a una temperatura dada) se llama isoterma. En la
figura 3 se presentan 3 isotermas comunes y sus formas de bandas resultantes.
Figura 3. Isotermas comunes y sus formas
de banda cromatográfica.
La isoterma central es ideal, y da por resultado
un pico simétrico. La isoterma superior izquierda
es típica de una columna sobrecargada,
contiene tanto soluto que éste afecta las
propiedades físicas de la fase estacionaria. La
sobrecarga causa una elevación gradual y una
caída abrupta del pico cromatográfico. La
isoterma inferior se observa cuando pequeñas
cantidades de soluto se retienen más
fuertemente que grandes cantidades. Ello
conduce a un incremento relativamente abrupto
de la concentración al comienzo de la banda, y
una larga cola en la cual la concentración
decrece gradualmente después del pico.
Para elegir una técnica de separación, además de tener en cuenta los criterios
económicos y de accesibilidad, hay que atender a dos tipos de consideraciones:
unas tienen que ver con las propiedades físicas y estructurales de las moléculas que
se pretende separar. La cromatografía es actualmente el principal método utilizado
para la separación de mezclas de especies químicas estrechamente relacionadas
entre sí. La cromatografía no solo permite la separación de los componentes de una
mezcla, sino también su identificación y cuantificación. El análisis cualitativo está
basado en la medida de parámetros cromatográficos (tiempos y volúmenes de
retención) mientras que el análisis cuantitativo está basado en la medida de alturas o
áreas de picos cromatográficos que se relacionan con la concentración. La columna
cromatográfica y la forma con la que se diseña, constituye el corazón de la
separación, los parámetros cromatográficos ayudan a determinar el estado en el que
se encuentra la columna o si puede ser empleada para separar algún tipo de
sustancia. El detector, situado al final de la columna es el que garantiza la respuesta
de los componentes que se separan.