MOEYC-Actividad 2

UADY
FACULTAD DE
QUÍMICA
Campus Ciencias
De la Salud
MÉTODOS ÓPTICOS, ELECTROQUÍMICOS Y CROMATOGRÁFICOS
TAREA 2
“PARÁMETRO, TIPOS DE CROMATOGRAFÍA Y LA IMPORTANCIA EN EL
ANÁLISIS QUÍMICO EN MÉTODOS INSTRUMENTALES Y NO
INSTRUMENTALES”
PROFESOR
ALFREDO ARAUJO
INTEGRANTES
FÁTIMA DEL ROSARIO CANO EUAN
ANA CRISTINA CHAC CHAN
EMILY ALEJANDRA HERNÁNDEZ GAMBOA
YUDALI MIRIAM KUYOC ACOSTA
ROYEL DANIEL PECH BAREA
FECHA DE ENTREGA:
22 DE MAYO DEL 2014
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PARÁMETRO, TIPOS DE CROMATOGRAFÍA Y LA IMPORTANCIA EN
EL ANÁLISIS QUÍMICO EN MÉTODOS INSTRUMENTALES Y NO
INSTRUMENTALES
Para la solución de problemas analíticos que implican la identificación de analitos a
partir de una mezcla compleja, es necesario aislarlos, identificarlos y cuantificarlos, sea
este análisis cuantitativo o cualitativo se selecciona el método más adecuado a utilizar. El
aislamiento del compuesto deseado de una mezcla es un paso desafiante y crucial en el
proceso analítico. Este puede ser por:
1. La extracción con solvente. Es la transferencia de un soluto de una fase líquida a
otra. El caso más común, es la extracción de una solución acuosa con un solvente
orgánico. En esta mezcla de dos fases, algo de los dos solventes se encuentra en ambas
fases, pero una fase está constituida principalmente por el agua y la otra por la sustancia
orgánica. Para simplificar los cálculos analíticos se asumirá que los volúmenes no cambian
después de la agitación. El cociente de las concentraciones de soluto en cada fase en el
equilibrio se llama coeficiente de reparto, K, es la constante de equilibrio de la reacción.
S (en la fase 2)
S (en la fase 1)
[𝑆]
𝐾 = [𝑆]2 ; Donde [𝑆]2 es la actividad del soluto en la fase 2 y [𝑆]1 la actividad del soluto en
1
la fase 1. En soluciones diluidas, el cociente de actividades se puede sustituir por el de
concentraciones. Cuando el soluto existe en la solución en más de una forma, se utiliza el
coeficiente de distribución en lugar del de reparto. Después de n extracciones, también se
puede calcular la fracción remanente (q).
𝑉
𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑟𝑒𝑚𝑎𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑓𝑎𝑠𝑒 1 (𝑞 𝑛 ) = (𝑉 + 1𝐾𝑉 )
1
2
𝑛
; Donde 𝑉1 es el volumen de
solvente 1 que contiene moles del soluto S se extrae con un volumen 𝑉2del solvente 2 y
sea (q) la fracción remanente de S en la fase 1 cuando se alcanza el equilibrio. Es más
eficiente realizar varias extracciones con volúmenes pequeños que unas pocas
extracciones con volúmenes grandes. Un agente quelante de metales, soluble sólo en
solventes orgánicos, puede usarse para extraer iones metálicos de una solución acuosa, y
se logra la selectividad mediante el control del pH.
2. Distribución a contracorriente. Es un proceso de extracción en serie, es una
mejora de la extracción líquido-líquido. Su objetivo es separar dos o más solutos uno de
otro mediante una serie de repartos entre dos fases líquidas. Una condición es que los
coeficientes de distribución sean distintos. La distribución de solutos puede describirse
mediante una distribución binomial, donde la posición de la banda es proporcional al
número de transferencias y el ancho de banda es proporcional a la raíz cuadrada del
número de transferencias.
1
Cromatografía
La cromatografía es una extensión lógica de la distribución a contracorriente. La
fase móvil es un líquido o gas y la fase estacionaria es comúnmente un líquido que
recubre la superficie de partículas sólidas, mismas que pueden servir como fase
estacionaria. El reparto de solutos entre la fase móvil y estacionaria es la causa de la
separación de solutos. 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:
a) Cromatografía de adsorción. Es en la cual 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 de soluto.
b) Cromatografía de reparto. En esta técnica, 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.
c) Cromatografía de intercambio
iónico.
En
este
tipo
de
cromatografía, aniones (𝑆𝑂3 − ) o
cationes (𝑁(𝐶𝐻3 )3 + ) 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.
d) Cromatografía
de
exclusión
molecular. En esta no existe
interacciones por atracción entre la
“fase estacionaria” y el soluto. La
fase móvil líquida o gas pasa a
Fig.1 Las diferentes clases de cromatografía
través de un gel poroso. Los poros
son suficientemente pequeños para
excluir las moléculas grandes de soluto (no penetran el gel), pero no las
pequeñas. Las moléculas pequeñas requieren más tiempo para atravesar la
columna (gel) y fluir a través de un volumen más grande antes de dejar la
columna. Esta técnica también se conoce como cromatografía de filtración en
gel o de permeación en gel (separa moléculas por tamaño y los solutos más
grandes pasan rápidamente).
e) Cromatografía por afinidad. Es muy selectiva, se utilizan interacciones
altamente específicas entre un tipo de moléculas de soluto y otras moléculas
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que se unen (inmovilizan) covalentemente a la fase estacionaria. Ejemplo una
columna inmovilizada de anticuerpos, que reaccionan a una proteína
específica, posteriormente desalojada por cambio de pH o de fuerza iónica.
En cromatografía la fase móvil se llama eluyente. Cuando emerge por la salida de la
columna se denomina eluato. El proceso que consiste en hacer pasar un líquido a lo largo
de una columna de cromatografía se llama elución. El gasto en volumen indicará cuántos
mililitros de solvente por minuto recorren la columna. El gasto lineal indica cuántos
centímetros de longitud de la columna recorre el solvente en un minuto. Los gases se
difunden más rápido en la fase estacionaria que los líquidos, por lo que el gasto óptimo es
más alto para la cromatografía de gases que para la cromatografía de líquidos.
Un cromatograma es una gráfica en la que se
representa la respuesta del detector en función del tiempo
de elución.
Fig.2 Esquema de la medición de los
tiempos de retención y la importancia
del tiempo de retención ajustado en la
identificación del analito de una
muestra.
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 ( 𝑡𝑟 ´ ) se define como: 𝑡𝑟 ´ =
𝑡𝑟 − 𝑡𝑚 ; donde 𝑡𝑚 , es el tiempo necesario para que la fase
móvil recorra la longitud de la columna. La retención
𝑡 ,
relativa (α) = 𝑡𝑟2 , , donde 𝑡𝑟2 , > 𝑡𝑟1 , por lo que α >1.
𝑟1
Para cada pico en el cromatograma, el factor de
𝑡 −𝑡
retención(o factor de capacidad), K, se define como: K = 𝑟𝑡 𝑚 , cuanto mayor sea
𝑚
retenido un componente en la columna, mayor es el factor de retención. Los factores de
retención grandes favorecen una buena resolución, pero también incrementan el tiempo
de elución y el ancho de banda.
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 en volumen de la fase móvil. El
volumen de retención de un soluto particular es
constante en un amplio intervalo de gastos.
Es posible imaginar que la columna se divide
en N segmentos imaginarios, llamados platos
teóricos. Si la longitud de la columna es L, la altura
equivalente de cada plato teórico (AEPT) es, AEPT=
𝐿
. Midiendo el tiempo de retención (o volumen de
𝑁
retención) y el ancho de banda, el número de platos
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Fig.3 Cualquier mecanismo que provoque el
ensanchamiento de una banda de soluto
incrementará la altura del plato teórico.
16𝑡 2
𝑡 2
teóricos puede calcularse a partir de: N= 𝜎𝑟2 = 𝑤 2𝑟 , donde, 𝑡𝑟 es el tiempo de retención
del pico, 𝜎 es su desviación estándar, y 𝑤 es el ancho de la banda (en unidades de tiempo)
medido en la base del pico. El cálculo de los platos es ideal para picos con factores de
retención mayor a 5. Las columnas se comportan como si tuvieran distintos números de
platos teóricos para cada soluto de la mezcla. El número de platos como el gasto óptimo
aumenta conforme disminuye el tamaño de partícula de la fase estacionaria.
En el movimiento de un soluto por una columna cromatográfica se toma en cuenta
la velocidad finita a la cual el soluto puede equilibrarse entre las fases móviles y
estacionarias. Todos los factores 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 conduce a la ecuación de van Deemter para la altura de
plato.
𝐵
AEPT = A+ 𝑣 + Cv, donde, A, B, C son constantes características de un sistema dado
de columna y solvente. El primer término representa las trayectorias irregulares de flujo,
el segundo, la difusión longitudinal y la tercera, la velocidad finita con que se establecen
los equilibrios. El término Cv resulta del tiempo finito que requiere el soluto para que se
establezca el equilibrio entre las fases móvil y estacionaria. Existe una velocidad óptima
para la operación de cualquier columna, a la cual la altura de plato (AEPT) alcanza su valor
mínimo. Cualquier mecanismo que provoque el ensanchamiento de una banda de soluto
incrementará la altura del plato teórico.
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 son 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. A mayor tiempo pasado por el soluto en la columna, mayor ensanchamiento
por difusión. Para minimizar el ensanchamiento de las bandas fuera de la columna
cromatográfica, deben minimizarse todos los espacios muertos y las dimensiones de los
tubos. La muestra debe aplicarse en una zona estrecha, y
debe procurarse que penetre en la columna antes de
mezclarse con el eluyente. El ensanchamiento de banda
ocurre no solo en la columna, sino también durante la
inyección y la detección.
Las formas de las bandas; una banda de forma
gaussiana se produce cuando el coeficiente de reparto, K, es
constante e independiente de la cantidad de soluto en la
columna. Conforme aumenta la cantidad total de soluto, las
bandas resultan asimétricas.
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Fig. 3 Esquema del solapamiento de los
picos, y de la importancia de una buena
resolución.Los factores de retención
grandes favorecen una buena resolución,
pero también incrementan el tiempo de
elución y el ancho de banda.
La resolución se define como: resolución =
∆𝑡𝑟
𝑤𝑝𝑟
∆𝑉
= 𝑤 𝑟 , donde ∆𝑡𝑟 o ∆𝑉𝑟 son la
𝑝𝑟
separación entre picos (en unidades de tiempo o de volumen) y 𝑤𝑝𝑟 es el ancho promedio
de ambos picos en las unidades correspondientes. A mayor resolución mayor definición de
picos. Resolución =
𝐾
√𝑁 𝛼−1
( 𝛼 ) 1+𝐾2
4
𝑝𝑟
, el resultado neto es que la resolución es proporcional
a √𝑁 (o a la√longitud de la columna ), la resolución aumenta con la retención relativa (𝛼)
y con el factor de retención (𝐾2 ). Incrementar el factor de retención es equivale a
incrementar la fracción del tiempo que el soluto permanece en la fase estacionaria.
Dados a conocer las diferentes clases de cromatografía y los diferentes parámetros
de importancia en la cromatografía. Se puede presentar la importancia de cada uno en la
identificación de un analito desconocido en una muestra.
Es decir siempre se debe de seleccionar la extracción del analito más adecuada al
análisis que se desea o la eliminación de interferentes más importantes y el número de
extracciones necesarias para una mejor eficiencia. Además determinar las características
de los analitos de interés y la clase de cromatografía más adecuada a esas características.
En la elaboración del análisis confirmar el cumplimiento más adecuado de los parámetros
antes mencionados, seleccionar las condiciones adecuadas de análisis (temperatura,
presión y tiempo) , como tener un mayor coeficiente de reparto, para garantizar que
menor cantidad de soluto no permanezca en la primera fase, característica que depende
de la afinidad del analito a la columna. Realizar un análisis informativo de los factores de
retención de los componentes presentes en la elución para estimar la ubicación física del
analito en el cromatograma, confirmar el tiempo que tarda el soluto en pasar por la
columna, para determinar el tiempo de retención ajustado y específico en que el analito
llega al detector.
Determinar el grado de separación de los analitos en el cromatograma, a partir de
la altura de los platos teóricos, la resolución, el ensanchamiento de la banda, la difusión y
volumen de capacidad de la columna. Ya que al aumentar o disminuir drásticamente el
volumen de capacidad de la columna, se obtendrán picos asimétricos, conforme
disminuye la altura de los platos teóricos se realizaran más equilibrios y la separación de
los picos es más eficiente y obtendrá una mejor resolución. Todos estos factores son
importantes en la química para la determinación de analitos, desde aquellos de uso
común en el laboratorio, hasta los escasos, desconocidos y de importancia biológica. Estos
pueden encontrarse en matrices simples como en complejas, este método analítico es
importante en la identificación selectiva de estos analitos.
Referencia:
•
Harris, D. Análisis Químico Cuantitativo, 3ª ed. Reverté: España, 2007. pp 549-572.
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