TÉCNICAS DE SEPARACIÓN. CROMATOGRAFÍA

Caracterización de Materiales y DefectosTécnicas de Separación Cromatográfica

TÉCNICAS DE SEPARACIÓN. CROMATOGRAFÍA

1.- Introducción

• Cromatografía y métodos de separación clásicos. Sep aración de componentes de una muestra. No son técnicas de cara cterización propiamente dicha

• Las propiedades de los materiales dependen de los c omponentes y de la proporción existente entre ellos

• No dan información de la naturaleza de los componen tes, necesitan otros métodos de análisis.

1.1.- Cromatografía y ciencia de materiales

• Separación de compuestos relacionados con la síntes is de materiales• Evaluación de la actividad de materiales catalizado res y soportes sólidos

en síntesis orgánica.• Desarrollo de nuevos materiales empleados en cromat ografía• Seguimiento de una síntesis

Fco. Javier González Benito

2.- Lugar que ocupa la cromatografía en la caracterizac ión de materiales

MuestraMuestra

¿Hay que solubilizarla?

¿Es volátil?¿Descomponetérmicamente?

¿Forma plasma?

Otrosmétodos

¿Es soluble? Digestión

GAS DISOLUCIÓN

¿Hay que separarcomponentes? Cromatografía

¿Hay que separarcomponentes?

Técnicas y Métodos de análisisTécnicas y Métodos de análisis

NO

NO NO

NO

NO NO

SI

SI SI SISI

SISI

SI SI

NO




3.- La cromatografía. Conceptos y definiciones

• Cromatografía: método físico de separación• Proceso cromatográfico• Fase estacionaria (sólido, gel o líquido). Lecho cro matográfico 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


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)

[ ][ ] iaEstacionarFaseA

móvilFaseAKd == Reparto de eCoeficient




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.



Partícula polimérica (gel)con poros

Moléculas grandes

Moléculas pequeñas

Pared de columnacromatográfica

Disolvente

Flujo

del 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.

“Una separación puede estar basada en la conjunción de diversos mecanismos”


d) Separación por Intercambio iónicoLa separación se basa principalmente en la diferente afinidad para el intercambio de iones de los componentes de la muestra.



+

Partículas sólidas (matriz)cargada positivamente

Especies negativas

Especies positivas

Pared de columnacromatográfica

Disolvente

Flujo

del disolvente

+

+

++

-+

-+

-

+-+

-

+

-

+

-

+-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

-

-+

-

+-

-

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 tiemposdando lugar a la correspondiente separación.

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

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





ANÁLISIS POR DESARROLLO

Fase

Móvil

Cromatografía plana

Fase

móvil

Cromatografía en columna



Muestra Fase Móvil

Sor

bent

e

Placa Porosa

Efluente

Análisis por elución

Volumen de fase móvil

Cromatograma



Fase MóvilCon la muestra A+B+C

A

Placa Porosa

Efluente

A+B

A+B+C

Volumen de fase móvil

Cromatograma

A

A+B

A+B+C

Análisis frontal

3.3.- Clasificación de acuerdo con la forma del lech o 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)



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



3.5.- Técnicas especiales

a) Cromatografía con fase invertida

b) Cromatografía con fase normal

c) Análisis isocrático (composición F. móvil constant e)

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 d e separación)



3.6.- Parámetros básicos en cromatografía

a) Retención = capacidad real de la fase estacionari a 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.


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

c) Dispersión de bandas

M

MR

M

R

t

tt

t

tK

−==

''



Parámetros característicosde un pico gaussiano



d) Eficacia

- Número de platos teóricos

2

=σ

Rtn

2

16

=

b

R

W

tn

2

545.5

=

h

R

W

tn

-Altura equivalente de un plato teórico = L/n (Para comparar columnas de diferente longitud)


Debe evitarse el ensanchamiento de bandas. Dependen de características de columna, velocidad de fase móvil, etc.




e) Separación y resolución

- Retención relativa

- Resolución

1

2

''

R

R

t

t=α

21

2

bbs WW

tR

+∆=



Eficacia de columna

Sistema cromatográfico


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.




4.2.- Cromatografía en capa fina

La elución se consigue por el movimiento capilar asc endente de la fase móvil

a) aplicaciones analíticas

b) aplicaciones preparativas



y

Aplicación

Frente del disolvente

xy

Rf ====

x

x

Aplicación

Frente del disolvente

xy

Rx ====

xy

Sustancia patrón

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 superfi cie de un sólido inerte.

Componentes básicos

- Gas portador según detector (He, Ar, N2, CO2, H2)- Sistema de inyección de muestra- Columnas



Control de caudal

Medidor de caudal


5.- Técnicas instrumentales en cromatografía


Mejora de un cromatograma porprogramación de temperatura en columna





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




DetectoresDETECTOR DE IONIZACIÓN DE LLAMA

- Componente + H2/aire + encendido eléctrico ⇒ iones + e-

Diferencia 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 ⇒ generan pocos iones

- Insensible a: H2O; CO2; SO2 y NOx

-Detector de los más utilizados para el análisis de compuestos orgánicos



+

-

H2

AireEfluente dela columna


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/mlde gas portador)




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)




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 ⇒ espectros de emisión




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)



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



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.



5.3.- Cromatografía de líquidos de alta resolución

Instrumentación para la cromatografía de líquidos




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%9 2a/chrom10/chrom/GC/concept/main.htm

• http://www.relaq.mx/RLQ/tutoriales/cromatografia/Ga s.htm



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