Caracterización de Materiales y Defectos

Técnicas de Separación Cromatográfica

TÉCNICAS DE SEPARACIÓN. CROMATOGRAFÍA 1.- Introducción •

Cromatografía y métodos de separación clásicos. Separación de componentes de una muestra. No son técnicas de caracterización propiamente dicha

•

Las propiedades de los materiales dependen de los componentes y de la proporción existente entre ellos

•

No dan información de la naturaleza de los componentes, necesitan otros métodos de análisis.

1.1.- Cromatografía y ciencia de materiales • • • •

Separación de compuestos relacionados con la síntesis de materiales Evaluación de la actividad de materiales catalizadores y soportes sólidos en síntesis orgánica. Desarrollo de nuevos materiales empleados en cromatografía Seguimiento de una síntesis Fco. Javier González Benito

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2.- Lugar que ocupa la cromatografía en la caracterización de materiales Muestra NO

SI

¿Hay que solubilizarla?

¿Es soluble? ¿Es volátil?

NO

¿Descompone térmicamente?

NO

¿Forma plasma?

SI

GAS

¿Hay que separar componentes?

Otros métodos

SI

SI

Digestión

SI

SI

SI

SI

NO

NO

DISOLUCIÓN SI

Cromatografía

NO

¿Hay que separar componentes?

NO

Técnicas y Métodos de análisis Fco. Javier González Benito

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3.- La cromatografía. Conceptos y definiciones • • •

•

• • • • • • •

Cromatografía: método físico de separación Proceso cromatográfico Fase estacionaria (sólido, gel o líquido). Lecho cromatográfico o sorbente •Fase ligada •Fase inmovilizada Fase móvil (gas portador, eluyente) •Cromatografía líquida •Cormatografía de gases •Cromatografía con fluido supercrítico Eluir Efluente Muestra Componentes Zona o banda Cromatograma Cromatógrafo

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3.1.- Mecanismos de separación a) Separación por adsorción (cromatografía de adsorción) Diferente afinidad de los componentes de la muestra sobre la superficie de un sólido activo (componentes con polaridad baja o media) b) Separación por reparto (cromatografía de reparto) Diferente solublidad en fases estacionaria y móvil (Componentes con polaridad media o alta)

Coeficiente de Reparto = K d =

[A] Fase móvil

[A] Fase Estacionaria

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3.1.- Mecanismos de separación c) Separación por tamaño molecular (Cromatografía de permeación de gel, de tamiz molecular o de exclusión por tamaños). Parámetros de columna - Intervalo de trabajo: intervalo de M que pueden ser separados - Límite de exclusión: M mínimo a partir del cual las macromoléculas no experimentan retención. Moléculas pequeñas Moléculas grandes

Flujo del disolvente

Partícula polimérica (gel) con poros Pared de columna cromatográfica

Disolvente

Las moléculas pequeñas penetran en los poros de las partículas de gel, por lo que necesitan más tiempo para salir al final de la columna. Las moléculas grandes, en cambio, al no penetrar en las partículas de gel se mueven con el disolvente a una velocidad mayor de elución y salen antes de la columna. Por tanto, a mayor masa molecular menor tiempo de elución. Este método permite separar por tamaños moleculares siendo posible obtener incluso distribuciones de masas moleculares a distintos tiempos de elución.

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3.1.- Mecanismos de separación d) Separación por Intercambio iónico

La separación se basa principalmente en la diferente afinidad para el intercambio de iones de los componentes de la muestra. +

Especies positivas Especies negativas

+

+ + - + + + + -

-

+ +

+ -

-

+

Pared de columna cromatográfica

+ -

-

+

-

-

+

-

-

+

Disolvente

La elución de las especies retenidas se consigue cambiando el pH del disolvente hasta igualarlo a su punto isoeléctrico o hasta invertir su carga neta.

+

Flujo del disolvente

+

+ -

Partículas sólidas (matriz) cargada positivamente

Las especies cargadas negativamente se unen a la matriz sólida cargada positivamente y son retenidas, mientras que las especies positivas son rechazadas. De esta manera en función de la carga las especies se eluyen a distintos tiempos dando lugar a la correspondiente separación.

+

“Una separación puede estar basada en la conjunción de diversos mecanismos” Fco. Javier González Benito

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3.2.- Métodos de análisis cromatográfico a) Análisis por desarrollo (cromatografía en papel o capa fina) b) Análisis por elución (cromatografía de gases, cromatografía líquida) c) Análisis frontal d) Análisis por desplazamiento

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ANÁLISIS POR DESARROLLO Cromatografía en columna Cromatografía plana

Fase móvil

Fase Móvil

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Análisis por elución Muestra

Fase Móvil

Sorbente

Cromatograma

Volumen de fase móvil Placa Porosa Efluente Fco. Javier González Benito

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Fase Móvil Con la muestra A+B+C

Análisis frontal

Cromatograma

A+B+C A+B A A Placa Porosa

A + B

A + B + C

Volumen de fase móvil

Efluente Fco. Javier González Benito

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3.3.- Clasificación de acuerdo con la forma del lecho cromatográfico a) Cromatografía en columna - Columna empaquetada - Columna tubular abierta b) Cromatografía plana (o de lecho abierto) - Cromatografía en papel - Cromatografía en capa fina (TLC)

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3.4.- Clasificación de acuerdo con el estado físico de la fase móvil a) Técnicas cromatográficas - GLC - GSC - LLC - LSC b) Cromatografía de gases (siempre en columna) c) Cromatografía Líquida (en columna o sobre plano) - Cromatografía Líquida de Alta Eficacia o de Alta Presión, HPLC d) Cromatografía con fluido supercrítico

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3.5.- Técnicas especiales a) Cromatografía con fase invertida b) Cromatografía con fase normal c) Análisis isocrático (composición F. móvil constante) d) Elución con gradiente (Composición F. móvil cambia de forma continua) e) Elución en etapas o escalonada (Composición F. móvil cambia de

forma escalonada) f)

Cromatografía bidimensional (etapas adicionales de separación)

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3.6.- Parámetros básicos en cromatografía a)

Retención = capacidad real de la fase estacionaria para retardar la salida de un componente. - si caudal constante ⇒ v ∝ t - tM = tiempo muerto - tR = tiempo de retención - t’R = tiempo de retención corregido = tR - tM

Figura tomada de: -ALBELLA, J.M.; CINTAS, A.M.; MIRANDA, T. y SERRATOSA, J.M.: "Introducción a la ciencia de materiales". C.S.I.C., 1993.

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3.6.- Parámetros básicos en cromatografía b)

Factor de capacidad (retención de un compuesto con independencia del caudal)

t'R t R − t M K'= = tM tM c)

Figura tomada de: -ALBELLA, J.M.; CINTAS, A.M.; MIRANDA, T. y SERRATOSA, J.M.: "Introducción a la ciencia de materiales". C.S.I.C., 1993.

Dispersión de bandas

Parámetros característicos de un pico gaussiano Fco. Javier González Benito

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3.6.- Parámetros básicos en cromatografía d)

Eficacia

Figura tomada de: -ALBELLA, J.M.; CINTAS, A.M.; MIRANDA, T. y SERRATOSA, J.M.: "Introducción a la ciencia de materiales". C.S.I.C., 1993.

- Número de platos teóricos

 tR  n=  σ 

2

 tR  n = 16    Wb 

2

 tR  n = 5.545   W h 

2

Debe evitarse el ensanchamiento de bandas. Dependen de características de -Altura equivalente de un plato teórico = L/n columna, velocidad de fase móvil, etc. (Para comparar columnas de diferente longitud) Fco. Javier González Benito

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3.6.- Parámetros básicos en cromatografía e)

Separación y resolución - Retención relativa

- Resolución

t 'R 2 α= t 'R1 2∆t Rs = Wb1 + Wb 2

Sistema cromatográfico

Eficacia de columna

Figura tomada de: -ALBELLA, J.M.; CINTAS, A.M.; MIRANDA, T. y SERRATOSA, J.M.: "Introducción a la ciencia de materiales". C.S.I.C., 1993.

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4.- Técnicas cromatográficas no instrumentales 4.1.- Cromatografía en columna El gradiente de presión necesario para el desplazamiento de la fase móvil a través de la fase estacionaria se origina por gravedad.

Figura tomada de: -ALBELLA, J.M.; CINTAS, A.M.; MIRANDA, T. y SERRATOSA, J.M.: "Introducción a la ciencia de materiales". C.S.I.C., 1993.

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4.2.- Cromatografía en capa fina La elución se consigue por el movimiento capilar ascendente de la fase móvil a) aplicaciones analíticas

Rf =

y x

Rx =

y x

Aplicación

Aplicación

y x

y

x

x

Sustancia patrón Frente del disolvente

Frente del disolvente

b) aplicaciones preparativas

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5.- Métodos instrumentales en cromatografía 5.1.- Cromatografía de gases (Gas-Líquido) Distribución de un componente entre una fase móvil gaseosa y una líquida inmovilizada sobre la superficie de un sólido inerte. Componentes básicos - Gas portador según detector (He, Ar, N2, CO2, H2) - Sistema de inyección de muestra - Columnas Control de caudal

Figura tomada de: -ALBELLA, J.M.; CINTAS, A.M.; MIRANDA, T. y SERRATOSA, J.M.: "Introducción a la ciencia de materiales". C.S.I.C., 1993.

Medidor de caudal Fco. Javier González Benito

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5.- Técnicas instrumentales en cromatografía 5.1.- Cromatografía de gases (Gas-Líquido)

Mejora de un cromatograma por programación de temperatura en columna

Figura tomada de: -ALBELLA, J.M.; CINTAS, A.M.; MIRANDA, T. y SERRATOSA, J.M.: "Introducción a la ciencia de materiales". C.S.I.C., 1993.

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5.1.- Cromatografía de gases (Gas-Líquido) Detectores

CARACTERÍSTICAS DEL DETECTOR IDEAL •Adecuada sensibilidad •Buena estabilidad y reproducibilidad •Una respuesta lineal para los componentes que se extienda a varios órdenes de magnitud •Intervalo térmico de trabajo (25 – 400)ºC •Un tiempo de respuesta corto que lo haga independiente del caudal •Alta fiabilidad y manejo sencillo •Respuesta semejante para todos los componentes •No destructivo

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5.1.- Cromatografía Líquido)

de

gases

(Gas-

Detectores DETECTOR DE IONIZACIÓN DE LLAMA

+

- Componente + H2/aire + encendido eléctrico ⇒ iones + eDiferencia de potencial entre extremo de quemador y electrodo colector (se mide la corriente que pasa a su través) - Iones producidos ∝ nº átomos de carbono ⇒ sensible a masa - C-OH; -C=O; -X; -NH2 pocos iones

⇒

generan

-

Efluente de la columna

Aire

H2

- Insensible a: H2O; CO2; SO2 y NOx -Detector de los más utilizados para el análisis de compuestos orgánicos Fco. Javier González Benito

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5.1.- Cromatografía de gases (Gas-Líquido) Detectores DETECTOR DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA - Cambios de conductividad térmica del gas portador por la presencia de analito. - Sensor = hilo de Pt, Au ó W calentado (a potencia eléctrica cte) cuya T depende del gas circundante (su R cambia) - Características:

* Simple * Amplio rango dinámico lineal (~ 105) * Respuesta universal (especies orgánicas e inorgánicas) * Carácter no destructivo * Sensibilidad relativamente baja (~ 10-8 g de soluto/ml de gas portador)

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5.1.- Cromatografía de gases (Gas-Líquido) Detectores DETECTOR TERMOIÓNICO - Detector selectivo de compuestos orgánicos con P y N. - Efluente + H2 + llama

⇒ gas caliente + bola de silicato de rubidio caliente (a 180V respecto colector) ⇓ Iones

⇐

Plasma (600 – 800ºC)

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5.1.- Cromatografía de gases (Gas-Líquido) Detectores DETECTOR DE CAPTURA DE ELECTRONES - Detector selectivo de halógenos, peróxidos, quinonas y grupos nitro. - Efluente + emisor β

⇒ iones (gas portador) + ráfaga de electrones ⇓

Corriente constante que varía en presencia de moléculas capturadoras de e-

DETECTOR DE EMISIÓN ATÓMICA plasma de He que atomiza y excita el efluente emisión

⇒

espectros de

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5.1.- Cromatografía de gases (Gas-Líquido) Métodos acoplados - GC/Espectrometría de masas - GC/espectroscopía IR 5.2.- Cromatografía de gases (Gas-Sólido) H2S; CS2; NOx; CO; CO2; gases nobles (no se retienen en columnas Gas/Líquido)

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5.- Técnicas instrumentales en cromatografía 5.3.- Cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC) - Alta sensibilidad - Adaptación a determinaciones cuantitativas - Separación de especies no volátiles - Separación de especies termolábiles

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5.3.- Cromatografía de líquidos de alta resolución Instrumentación para la cromatografía de líquidos - Recipientes para la fase móvil y sistemas para el tratamiento de disolventes (eliminación de O2 y N2) - Filtración de disolventes - Sistemas de bombeo - Sistemas de inyección de muestra - Columnas - Precolumnas -Termostatos - Detectores: i) responden a propiedad de fase móvil; ii) responden a propiedad del soluto. Fco. Javier González Benito

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5.3.- Cromatografía de líquidos de alta resolución Instrumentación para la cromatografía de líquidos Figura tomada de: -ALBELLA, J.M.; CINTAS, A.M.; MIRANDA, T. y SERRATOSA, J.M.: "Introducción a la ciencia de materiales". C.S.I.C., 1993.

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6.- Bibliografía • • • • • • • •

D.A. Skoog, J.J. Leary, “Análisis Instrumental”, McGraw-Hill, Madrid (1996) H.H. Willard, L.L. Merritt Jr.,J.A. Dean, F.A. Settle Jr., “Métodos Instrumentales de análisis”, Grupo Editorial Iberoamericana S.A. de C.V., México (1991). TECHNIQUES in liquid chromatography Simpson, Colin F. John Wiley & Sons (1984). Liquid chromatography column theory Scott, Raymond P.W. John Wiley & Sons (1992). Chromatography of polymers : characterization by SEC and FFF American Chemical Society (1993). Handbook of size exclusion chromatography Marcel Dekker (1995). Cromatografía de exclusión por tamaños [Vídeo] Pérez Dorado, Angel, CEMAV, Universidad Nacional de Educación a Distancia (1997). Manual de cromatografía Loro Ferrer, Juan Francisco Gobierno de Canarias, Dirección General de Universidades e Investigación (2001).

7.- Direcciones URL útiles • •

http://www.uib.es/depart/dqu/dquo/pau/Cromatograf%92a/chrom10/chrom/GC/concept/ main.htm http://www.relaq.mx/RLQ/tutoriales/cromatografia/Gas.htm

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