UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERA EN GEOLOGA, MINAS, PETRLEOS Y
AMBIENTAL.
INFORME DE PRCTICA DE LABORATORIO PREPARADO POR EL
ESTUDIANTE
CONSULTA No1.CROMATOGRAFA DE GASES
QUMICA ANALTICA
ESTUDIANTE
CARRERA
SEMESTRE
DOCENTE
FECHA
Erick Santiago Lpez Cabascango
Ingeniera Ambiental
tercero
Qum. Salomn Chacha
2015
07
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Introduccin
En cromatografa de gases (GC), la muestra se volatiliza y se
inyecta en la cabeza de una columna cromatogrfica. La elucin se
produce por el flujo de una fase mvil de un gas inerte. A
diferencia de la mayora de los otros tipos de cromatografa, la fase
mvil no interacciona con las molculas del analito; su nica funcin
es la de transportar el analito a travs de la columna. Existen dos
tipos de cromatografa de gases: la cromatografa gas-slido (GSC) y
la cromatografa: gas-lquido (GLC). La cromatografa gas-lquido tiene
gran aplicacin en todos los campos de la ciencia y su denominacin
se abrevia normalmente como cromatografa de gases (GC), a pesar de
que este hecho deja a un lado la cromatografa gas-slido se produce
la retencin de los analitos en una fase estacionaria.
Cromatografa gas-slido se produce la retencin de los analitos en
una fase estacionaria slida como consecuencia de la adsorcin
fsica.
La cromatografa gas-slido ha tenido una aplicacin limitada
debido a la retencin semipermanente de las molculas activas o
polares y a la obtencin de picos de elucin con colas muy
significativas (como consecuencia del carcter no lineal del proceso
de adsorcin), de modo que esta tcnica no ha encontrado una gran
aplicacin excepto para la separacin de ciertas especies gaseosas de
bajo peso molecular.
Cromatografa gas-lquido se basa en la distribucin del analito
entre una fase mvil gaseosa y una fase mvil lquida inmovilizada
sobre la superficie de un slido inerte. El concepto de cromatografa
gas-lquido fue enunciado por primera vez, en 1941, por Martin y
Synge, quienes fueron tambin los responsables del desarrollo de la
cromatografa de reparto lquido-lquido. Tuvo que pasar, sin embargo,
ms de una dcada antes de que la importancia de la cromatografa
gas-lquido se demostrara experimentalmente. Tres aos ms tarde en
1995, apareci en el mercado el primer aparato comercial para
cromatografa gas-lquido. Desde entonces las aplicaciones de esta
tcnica han crecido de una forma espectacular.
Principios de la cromatografa gas-lquido
Los principios generales de la cromatografa, que se han
desarrollado y las relaciones matemticas resumidas son aplicables
en la cromatografa de gases con solo ligeras modificaciones que son
consecuencia de la compresibilidad de las fases mviles
gaseosas.
Volmenes de retencin
A fin de tener en cuenta los efectos de la presin y de la
temperatura en cromatografa en cromatografa de gases, es ms
aconsejable utilizar los volmenes de retencin en vez de los tiempos
de retencin, la relacin entre los dos es:
Y
Donde F es el caudal promedio ene el interior de la columna V y
t son, respectivamente, los volmenes de retencin y los tiempos de
retencin, y los subndices R y M se refieren a las especies que son
retenidas en la columna y a las que no lo son. Sin embargo, el
caudal promedio no se puede medir directamente y de forma
experimental slo se puede determinar el caudal de gas a la salida
de la columna. Por lo general, ste se mide con un medidor de pompas
de jabn, el cual se muestra en la figura 1.El caudal promedio
entonces es:
donde Tc es la temperatura de la columna en kelvin, T es la
temperatura en el medidor , es el caudal medido, y P es la presin
del gas a la salida de la columna. Normalmente P y T son la presin
y la temperatura ambientales. En el medidor de pomas de jabn el gas
se satura con agua y por ello la presin se ha de corregir teniendo
en cuenta la presin de vapor de agua .
Tanto VR como VM dependen de la presin promedio en el interior
de la columna, cuyo valor es intermedio entre la presin de entrada
P , y la presin de salida P (presin atmosfrica). El factor de
correccin de cada de presin J se utiliza por el hecho de que la
presin dentro de la columna no es una funcin lineal del cociente
P/P. Los volmenes de retencin netos Y que corresponden a los
volmenes de presin promedio de la columna, se obtienen de las
ecuaciones
Donde j se puede calcular a partir de la ecuacin
El volumen de retencin especfico se define como
Donde W es la masa de la fase estacionaria, una cantidad
determinada en el momento de preparar la columna, y es la
temperatura de la columna en kelvin.
Relacin entre y K
Resulta oportuno relacionar con el coeficiente de distribucin K.
Para conseguirlo, se sustituye la expresin que relaciona tR y tM
con K en la ecuacin del volumen de retencin especifico lo que
da:
Combinando esta expresin con la ecuacin de se obtiene
La sustitucin de K por la ecuacin vista en el captulo 26 en el
cual son idnticos)
La densidad de lquido en la fase estacionaria viene dada por
As
Obsrvese que a una temperatura dada depende solamente de la
constante de distribucin del soluto y dela densidad del lquido que
constituye la fase estacionaria, y como tal, debera ser en
principio un parmetro til para la identificacin de la especie. En
la literatura se halla un gran nmero de volmenes de retencin
especficos; desafortunadamente, esos datos se encuentran muy
dispersos y con frecuencia son poco fiables.
Efecto del caudal de fase mvil
Debido a que las velocidades de difusin, son mucho mayores en
los gases ( veces mayores en los lquidos), el trmino de difusin
longitudinal (B/u) es ms importante en la cromatografa de
gas-lquido que en otros procesos cromatogrficos. En consecuencia el
mismo que se observa en las curvas que relacionan la altura H con
el caudal es normalmente ms ancho cuando se trata de la
cromatografa de gases.
Instrumentos para la cromatografa gas-lquido
Actualmente, ms de 30 fabricantes de instrumentos ofrecen unos
130 modelos distintos de equipos para cromatografa de gases, con un
coste que vara desde unos 1500 hasta 40000 dlares. En la dos ltimas
dcadas los instrumentos de cromatografa de gases que han aparecido
en el mercado presentan muchos cambios y mejoras.
Los componentes bsicos de un instrumento para la cromatografa de
gases se presentan en la siguiente figura:
Fig1.Representacin esquemtica de un cromatgrafo de gases
A continuacin se da una descripcin de cada uno de los
componentes bsicos de un instrumento para la cromatografa de gases.
Obsrvese que en la figura, el caudal de gas se divide antes de
entrar en la columna, este tipo de disposicin se utiliza cuando el
detector empleado mide un cambio en las propiedades de corriente de
gas por la presencia de las molculas de analito.
Gas portador:
Entre los gases portadores deben ser qumicamente inertes, se
encuentran el helio el nitrgeno y el hidrgeno. Como se indicar
posteriormente, la eleccin de los gases est con frecuencia
determinada por el tipo de detector que se utiliza. Con el
suministro de gas se encuentran asociados los reguladores de
presin, manmetros y medidores de caudal. Adems, el sistema de gas
portador contiene a menudo un tamiz molecular para eliminar el agua
u otras impurezas.
Sistema de inyeccin de muestra
La eficacia de la columna requiere que la muestra sea de un
tamao adecuado y que sea introducida como un tapn de vapor; la
inyeccin lenta de muestras demasiado grandes provoca un
ensanchamiento de las bandas y una pobre resolucin. El mtodo ms
comn de inyeccin de muestra implica el uso de una micro jeringa
para inyectar una muestra lquida o gaseosa a travs de un diafragma
de goma de silicona, en una cmara de vaporizacin instantnea.
Fig.2 Medidor de pompas de jabn
Fig.3 vista de la seccin transversal de un inyector de
vaporizacin instantnea
Configuracin de la columna y del horno para la columna.
En cromatografa de gases dos tipos generales de columnas, las
rellenas, y las abiertas o capilares. Hasta la fecha la mayor parte
de la cromatografa de los gases se ha realizado con columnas
rellenas. Las columnas cromatogrficas varan desde menos de 2 hasta
50m de longitud, o ms. Estn construidas con acero inoxidable, slice
fundida o tefln, a fin de poder colocarse dentro de un horno
termostatizado.
La temperatura:
La temperatura de la columna es un variable muy importante que
para un trabajo preciso ha de regularse a las dcimas de grado, por
ello la columna normalmente se introduce dentro de un horno de
temperatura controlada. La temperatura ptima de la columna depende
del punto de ebullicin de la muestra y del grado de separacin
requerido. En la prctica, con una temperatura igual o ligeramente
superior al punto de ebullicin promedio de la muestra, se obtienen
tiempos de elucin razonables de 2 a 30 minutos.
Programacin de temperatura: Se emplea para muestras cuyos
componentes presentan un alto intervalo de temperatura, debido a
esto lo que hace la programacin de temperatura es aumentar la
temperatura en forma continua o por etapas.
Fig4.Efecto de la temperatura sobre los cromatogramas de
gases
Sistemas de deteccin
Durante el desarrollo de la cromatografa de gases se han
investigado y utilizado docenas de detectores. En los apartados que
siguen a continuacin, se describen los utilizados ms
frecuentemente. En este caso, el dispositivo espectromtrico sirve
no slo para detectar la aparicin de los picos de los analitos al
final de la columna, sino tambin para identificarlos.
Caractersticas del detector ideal.
El detector ideal para la cromatografa de gases tiene las
siguientes caractersticas:
1. Adecuada sensibilidad. Aquello que constituye una adecuada
sensibilidad no puede evaluarse de una forma cuantitativa. Por
ejemplo, las sensibilidades de los detectores que se van a
describir difieren en un factor de 107. Aunque todos se utilizan
extensamente y son adecuados en ciertos casos, sin embargo, los
menos sensibles no resultan convenientes para algunas
aplicaciones.
2. Buena estabilidad y reproducibilidad.
3. Respuesta lineal para los solutos que se extiendan a varios
rdenes de magnitud.
4. Intervalo de temperaturas de trabajo comprendido desde la
temperatura ambiente hasta al menos de 400c.
5. Tiempo de respuesta corto que sea independiente del
caudal.
6. Alta fiabilidad y manejo sencillo. Hasta el punto de que el
detector debera estar a prueba de la impericia de operadores
inexpertos.
7. Respuesta semejante para todos los solutos o, por el
contrario, una respuesta selectiva y altamente predecible para uno
o ms tipos de soluto
8. No destructivo de la muestra.
Detector de ionizacin de llama
El detector de ionizacin de llama (FID) es el detector ms
extensamente utilizado, y por lo general, uno de los ms aplicables
en cromatografa de gases. El detector de ionizacin de llama
responde al nmero de tomos de carbono que entra en el detector por
unidad de tiempo, por ello es un detector ms sensible a la masa,
que un sistema sensible a la concentracin.
Fig.5 detector de ionizacin de llama
Detectores de conductividad trmica (TCD)
Uno de los primeros detectores que utilizaron en cromatografa de
gases, y uno de los que todava tiene una gran aplicacin, se basa en
los cambios en la conductividad trmica de la corriente de gas
ocasionados por la presencia de las molculas de analito. Este
dispositivo a veces se denomina catarmetro. El sensor de un
catarmetro consiste en un elemento calentado elctricamente cuya
temperatura, a una potencia elctrica constante, depende la
conductividad trmica del gas circundante.
Las ventajas del detector de conductividad trmica son su
sencillez, su amplio intervalo dinmico lineal, su respuesta
universal tanto a especies orgnicas como a inorgnicas y su carcter
no destructivo, lo que permite recoger los solutos despus de la
deteccin.
Fig.6: Diagrama esquemtico de un detector de captura de
electrones
Detectores de captura de electrones:
El detector de captura de electrones ha llegado ha llegado a ser
uno de los detectores ms ampliamente utilizados para el anlisis de
muestras medioambientales, debido a su selectividad para detectar
compuestos que contienen halgenos, tal es el caso de los pesticidas
y de los bifenilos policlorados. Este tipo de detector opera casi
del mismo modo que un contador proporcional para la medida de rayos
x.Una aplicacin importante del detector de captura de electrones es
la deteccin y determinacin de insecticidas clorados.
Detectores de emisin atmica (AED)
El detector de emisin atmica ya est disponible en el comercio.
En este dispositivo el efluente se introduce en un plasma de helio
obtenido con microondas, que se acopla a un espectrmetro ptico de
emisin de diodos en serie. El plasma es suficiente energtico como
para atomizar todos los elementos de una muestra hasta excitarles,
y as obtener sus espectros de emisin atmica caractersticos.
Fig.7: Detector de emisin atmica
Detectores trmoinicos (TID)
El detector (TID) es un detector selectivo de los compuestos
orgnicos que contienen fsforo y nitrgeno. Su respuesta a un tomo de
fsforo es aproximadamente 10 veces mayor que un tomo de nitrgeno y
de 104 y 106 veces mayor que un tomo de carbono.
Columnas y fases estacionarias para cromatografa de gases
Histricamente, los primeros estudios en cromatografa gas-lquido
a principio de los aos cincuenta se llevaron a cabo columnas
rellenas en las que la fase estacionaria era una pelcula delgada de
lquido adsorbida en la superficie del soporte slido inerte
finalmente dividido. Existen dos tipos de columnas:
Columnas abiertas:
Las columnas abiertas o columnas capilares, son de dos tipos
bsicos, denominados columna abierta de pared recubierta (WCOT) y
columna abierta recubierta de con soporte (SCOT). Las columnas
abiertas de pared recubierta son son simplemente capilares con la
pared interna recubierta de una fina capa de fase estacionaria. En
las columnas abiertas recubiertas de soporte, la superficie interna
del capilar est revestida de una capa delgada (30um) de un material
de soporte, tal como de tierra diatomeas.
Columnas rellenas:
Las actuales columnas rellenas se fabrican con un tubo de
vidrio, metal (acero inoxidable, cobre y aluminio) o de tefln con
una longitud caracterstica de 2 a 4 mm. Estos tubos se rellenan
densamente con un material de relleno, o soporte slido, finalmente
dividido y homogneo que se recubre con una delgada capa de 0.05 a 1
um de fase estacionaria lquida.
Tabla1: Algunas fases estacionarias comunes en cromatografa de
gas-lquido
Bibliografa:
Skoog, A.D; Holler, J; Nieman, T. (Ed.). (2000).Principios de
anlisis instrumental. Uiversity of Kentucky: McGraw-HIll