Trabalho cromatografia gasosa, Notas de aula de Engenharia Química. Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)
Thalisia.Silva
Thalisia.Silva6 de Junho de 2016

Trabalho cromatografia gasosa, Notas de aula de Engenharia Química. Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)

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Aula experimental de cromatografia
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1. RESUMO

A Cromatografia Gasosa é uma técnica para separação e análise de

misturas de substâncias voláteis, um método físico de separação, no qual os

componentes a serem separados são distribuídos entre duas fases: a fase

estacionária, e a fase móvel. A amostra é vaporizada e introduzida em um fluxo

de um gás adequado denominado de fase móvel ou gás de arraste. Este fluxo

de gás com a amostra vaporizada passa por um tubo contendo a fase

estacionária onde ocorre a separação da mistura. É um método muito eficiente

para identificar e quantificar componentes de um mistura.

O ensaio realizado baseou-se na análise dos compostos de uma

amostra, com analitos de concentrações desconhecidas, por meio de

cromatografia gasosa com detector de ionização em chama (FID).

A prática descrita nesse relatório realizou duas análises, uma qualitativa

e outra quantitativa. Na primeira etapa, através da constante dielétrica, do

tempo de retenção e o ponto de ebulição foi possível identificar os analitos

presentes numa solução estoque. Já na segunda etapa, foi realizada

primeiramente a construção de uma curva analítica utilizando padrões

previamente preparados nas seguintes concentrações: 100ppm, 250ppm,

500ppm e 750 ppm de tolueno.

Com o objetivo de quantificar os analitos contidos na amostra através da

cromatografia gasosa e também a construção de uma curva de calibração dos

compostos presentes na amostra, obtidas na análise, os quais permitiram

calcular a concentração dos analitos presentes.

1

2. INTRODUÇÃO

A cromatografia gasosa é um método de separação de gases e

substâncias volatilizáveis. Tendo um dos compostos do analito de

concentrações desconhecidas, por meio de cromatografia gasosa com detector

de ionização em chama pode ser quantificado os analitos contidos na amostra

através dos cromatogramas e curvas de calibração obtidas na análise, os quais

permitem calcular a concentração dos analitos presente. A cromatografia é um

método empregado de forma ampla e que permite a separação, identificação e

determinação de componentes químicos em misturas complexas. A

cromatografia gasosa baseia-se na partição da amostra entre uma fase móvel

e uma fase estacionária (sólida ou líquida) na superfície de uma coluna inerte,

onde não há interação.

O método de cromatografia gasosa consiste primeiramente na

introdução da mistura de prova ou amostra em uma corrente de gás inerte,

normalmente hidrogênio, hélio, nitrogênio ou argônio, que atuarão como gás de

arrastre. A amostra líquida é injetada por uma seringa, dentro de uma câmara

aquecida, onde se evapora antes de ser transferida para a coluna. O vapor é

arrastado na coluna pelo gás de arraste e os componentes fluem separados

pelo detector em tempos diferentes, cujo gráfico, com os picos resultantes, é

mostrado em um computador ou registrador, onde é possível quantificar os

componentes da amostra.

Através dos dados do gráfico podem-se obter importantes informações

como: a altura do pico, largura do pico e tempo de retenção ajustado, sendo ele

o tempo percorrido pela amostra até o final da coluna menos o tempo morto,

que é o tempo entre a injeção da amostra e o primeiro pico do gráfico, de cada

componente separadamente.

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2.1 Constituintes básicos de um sistema de cromatografia gasosa

Figura 1 – Esquema de um cromatógrafo a gás.

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1. Cilindro de gás e controles de vazão/ pressão: O gás de arraste fica

contido em cilindros sob pressão. O parâmetro mais importante para

escolha do gás é a sua compatibilidade com o detector. Os gases mais

empregados são H2, He e N2 e a vazão do gás de arraste, que deve ser

controlada, é constante durante a análise. Deve-se usar um gás

com 99,995% de pureza, inércia química e que seja compatível com o

detector usado. Impurezas presentes no gás de arraste não alteram a

separação cromatográfica, mas sim a resposta dos detectores, portanto

é recomendável usar filtro de sílica-gel na linha do gás de arraste.

Os reguladores de pressão fazem compressão manual do fluxo de gás,

sua vazão é determinada pelo diâmetro e comprimento da coluna

cromatográfica. A vazão deve ser constante e controlada durante toda a

análise. Quando há mudança de temperatura durante o processo do sistema,

ou quando se quer adaptar um sistema na saída da coluna a pressão é mantida

constante, mas a vazão é alterada, tendo a necessidade de controladores de

fluxo para se obter repetição nos tempos de retenção.

2. Injetor (Vaporizador) de Amostra: A introdução da amostra é feita no injetor (ou vaporizador). Na versão mais simples, trata-se de um bloco

de metal conectado à coluna cromatográfica e à alimentação de gás de

arraste. Este bloco contém um orifício com um septo, geralmente de

borracha de silicone, pelo qual amostras líquidas ou gasosas podem ser

injetadas com micro seringas hipodérmicas. Amostras sólidas podem

ser dissolvidas em um solvente adequado. O injetor deve estar aquecido

a uma temperatura acima do ponto de ebulição dos componentes da

amostra, para que a amostra se volatilize completa e instantaneamente

e seja carregada para a coluna. Se a temperatura for excessivamente

alta, pode ocorrer decomposição da amostra.

A quantidade de amostra injetada depende da coluna e do detector

empregado. Para colunas empacotadas, volumes de 0,1 μl a 3,0 μl de amostra

líquida são típicos. Volumes altos prejudicam a qualidade de injeção

(alargamento dos picos) ou saturam a coluna cromatográfica.

3. Coluna Cromatográfica e Forno da Coluna: Pode ser:

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Empacotada: = 3 a 6 mm L = 0,5 m a 5 m. Recheada com sólido

pulverizado (FE sólida ou FE líquida depositada sobre as partículas do

recheio).

Capilar: = 0,1 a 0,5 mm L = 5 m a 100 m. Paredes internas recobertas com

um filme fino (fração de m) de FE líquida ou sólida.

A amostra deve entrar na coluna na forma de um segmento estreito, para

evitar alargamento dos picos. Depois de injetada e vaporizada, a amostra é

introduzida na coluna cromatográfica, onde é efetuada a separação. Na CG

a "afinidade" de um soluto pela FM é determinada pela volatilidade do

soluto, sua pressão de vapor, que é função da estrutura do composto e da

temperatura. Alterando-se a temperatura, altera-se também a pressão de

vapor e, por conseguinte, a "afinidade" de uma substância pela FM. O

controle da temperatura deve ser rigoroso.

4. Detector: Um detector de ionização de chama (FID ou DIC) consiste em uma chama de hidrogênio (H2)/ ar e um prato coletor. O efluente passa

da coluna do CG através da chama, a qual divide em moléculas

orgânicas e produz íons. Os íons são recolhidos em um eletrodo

negativo e produzem um sinal elétrico. O FID é extremamente sensível

com uma faixa dinâmica grande. Sua única desvantagem é que destrói

a amostra. Os detectores medem e apontam a quantidade dos

componentes separados na coluna cromatográfica e devem estar com

temperatura de 50°C para cima, para evitar condensação da amostra,

água e qualquer outra substância formada.

No detector por ionização em chama, o gás de arraste que sai da coluna

alimenta o detector com a combustão de ar e hidrogênio. A chama é a fonte de

ionização existindo um eletrodo por cima ou ao lado da chama, estabelecendo

uma diferença de potencial. Defini-se uma pequena corrente entre os eletrodos

quando somente o gás de arraste passa pelo o detector, quando as moléculas

da amostra presentes no gás de arraste chegam ao detector, são queimadas

na chama, ocorrendo a formação de íons, aumentando desta forma a corrente

entre os eletrodos. A corrente provocada é convertida em voltagem,

amplificada e registrada pelo detector. O detector em chama é sensível a

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maioria dos hidrocarbonetos, que é um dos mais amplos componentes

analisados em cromatografia gasosa.

Um dispositivo que indica e quantifica os componentes separados pela

coluna. Um grande número de detectores tem sido descritos e usados em CG.

Existem, entretanto, algumas características básicas comuns para descrever

seu desempenho:

Seletividade: Alguns detectores apresentam resposta para qualquer substância diferente do gás de arraste que passe por ele. Estes são os

chamados detectores universais. Por outro lado, existem detectores que

respondem somente a compostos que contenham um determinado elemento

químico em sua estrutura, que são os detectores específicos. Alguns detectores

respondem a certas classes de compostos (detectores seletivos).

Ruído: São os desvios e oscilações na linha de base (sinal do detector quando só passa o gás de arraste). Pode ser causado por problemas

eletrônicos, impurezas e sujeiras nos gases e no detector, etc.

Tipo de Resposta: Alguns detectores apresentam um sinal que é

proporcional à concentração do soluto no gás de arraste; em outros, o sinal é

proporcional à taxa de entrada de massa do soluto no detector.

Quantidade Mínima Detectável: (QMD). É a quantidade de amostra mínima para gerar um sinal duas vezes mais intenso que o ruído. É uma

característica intrínseca do detector. Quanto menor a QMD, mais sensível o

detector.

Fator de Resposta: É a intensidade de sinal gerado por uma determinada massa de soluto, que depende do detector e do composto

estudado. Pode ser visualizado como a inclinação da reta que correlaciona o

sinal com a massa de um soluto (curva de calibração). Quanto maior o fator de

resposta, mais confiável a análise quantitativa.

Faixa Linear Dinâmica: É a razão entre a menor e a maior massa entre as quais o fator de resposta de um detector para um soluto é constante, isto é,

onde a curva de calibração é linear. Os dois detectores mais utilizados em CG

são o Detector por Condutividade Térmica (DCT) e o Detector por Ionização em

Chama (DIC).

Influência da Temperatura: Observou-se que a temperatura da coluna é uma condição que deve ser ajustada para se obter uma determinada

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separação. Com temperatura da coluna mais baixa, os constituintes da amostra

terão uma migração mais lenta, resultando em tempo maior de análise e pico

mais largos e baixos. Picos mais altos representam maior sensibilidade para

baixas concentrações. A pressão também influi, uma vez que, quanto maior a

pressão aplicada, mais juntos ficam os picos.

Registrador: O sinal suscitado pelo detector na passagem da amostra

é registrado graficamente, atualmente, por um programa de computador. O

sistema fornece cromatogramas, registra os tempos de retenção e as áreas, ou

alturas, de cada pico e efetuam os cálculos de concentração de cada

componente.

3. OBJETIVO

A prática realizada apresenta dois objetivos, a etapa quantitativa e a

etapa qualitativa.

Etapa quantitativa: O objetivo é identificar os analitos utilizando o tempo de retenção e suas características físico-químicas e determinar a

concentração de tolueno na amostra pelo método de padrão externo.

Etapa qualitativa: Tem como objetivo identificar os analitos presentes na solução destoque (1) relacionando o tempo de retenção obtido no GC-FID

com o ponto de ebulição e a constante dielétrica de cada analito.

4. Materiais

Para a realização deste experimento utilizamos os seguintes materiais:

Cromatógrafo a gás modelo Shimadzu GC 17-A (Kyoto, Japan) com detector

de ionização em chama (GC-FID), com Combi Pal autosampler modelo

Shimadzu AOC 5000; Coluna capilar RTX 5MS 30 m x 0.25mm x 0.25μm

Restek (Temperatura máxima 350ºC); Micropipetas de 200 μL e 1000 μL;

Balões volumétricos de 50ml e 1 ml; Vials: 1,5ml; Gás de arraste:Nitrogênio; Solvente: Metanol; Solução: xileno, acetona, metiletilcetona, ciclo-hexano,

hexano

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5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

5.1 PREPARO DOS REAGENTES

Preparação da solução estoque (1) de 1000mg L-1 ou 1000 ppm:

Pipetamos com o auxílio de micropipeta volume de tolueno, de xileno, de

acetona, de ciclohexano, de hexano e de metiletilcetona, e transferimos para

um balão volumétrico de 50 mL e avolumamos com metanol.

Preparação da solução estoque (2) de 1000mg L 1 ou 1000ppm:

Pipetamos com o auxílio de micropipeta o volume de tolueno (50 mg) e

transferimos para um balão volumétrico de 50 mL e avolumamos com metanol.

Soluções para a curva analítica:

Preparamos as diluições de 100 ppm, 250 ppm, 500 ppm, 750 ppm

através da solução estoque (2) de 1000ppm. Em seguida adicionamos uma

alíquota correspondente a concentração conhecida em um balão volumétrico

de 1 mL e completamos com metanol, conforme a Tabela 1:

Tabela 1 – Quantidades utilizadas para a preparação das soluções da curva analítica.

Etapa Qualitativa:

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A partir da solução estoque (1) procedeu-se a análise no GC-FID com a

finalidade de obter um cromatograma característico das substâncias presentes

na solução.

Ocorre à injeção para coluna pelo equipamento do mix, o equipamento

previamente programado lê através do FID as variações de material vindas do

gás de arraste, a coluna promove a separação restando apenas ao software à

leitura dos picos. Os picos trazem os tempos de retenção de cada substancia

dentro do analito, desde o momento que foi injetado até a saída.

Etapa Quantitativa:

Inicialmente deve ocorrer à calibração do equipamento, por meio da

curva de calibração com as soluções conhecidas previamente preparadas,

cada analise gera um pico especifico e conhecido para que seja utilizado como

comparativo de analise na leitura da amostra quantitativa.

6. RESULTADOS E DISCUSSÕES (INCOMPLETO) FIQUEI COM DÚVIDA NAQUELAS TABELAS QUE ELA POSTOU, VOU PERGUNTAR NA TERÇA PRA ELA O QUE É CADA UMA.

6.1 QUALITATIVA

A análise realizada para amostras qualitativamente foi feita utilizando apenas

os tempos de retenção, constantes dielétricas e o ponto de ebulição, dispondo

de um breve conhecimento das substâncias envolvidas no analito, como mostra

na Tabela 2, pode facilmente ser identificado às substâncias, com auxilio do

GC-FID as análises se tornam mais simples, o software utiliza uma biblioteca

com tempos e picos pré determinados experimentalmente, assim como a

análise qualitativa realizada comparando propriedades físicas das amostras a

biblioteca foi criada, analisando e comparando influências de cada elemento e

armazenando a análises se tornaram mais exatas, rápidas e previsíveis.

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Tabela 2 - Ponto de ebulição e Constante dielétrica da mistura de compostos

orgânicos utilizados na aula prática de cromatografia gasosa.

A Figura 2 apresenta a imagem gerada pelo software utilizado na

analise, com picos bem definidos, as temperatura e injeção utilizadas na

analise mostraram boa eficiência assim como a coluna em separar os analitos,

cada pico representa o tempo e a grandeza de um composto formador da

amostra, a analise de cada um separadamente pode gerar informações sobre

suas propriedades e quantidades contidas na alíquota utilizada.

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Figura 2: Cromatograma da solução estoque (1) mistura de solventes.

6.2. Quantitativa Após a parte qualitativa do experimento realizou-se a parte quantitativa

construindo uma curva de padrões específicos visando à determinação da

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quantidade de tolueno dentro da solução estoque (2) demostrada na Figura 3

abaixo.

A quantificação dos analitos foi feita pelo método de adição de padrão

interno, que consiste em adicionar uma quantidade conhecida de uma

substância (padrão interno) na amostra a ser analisada e no padrão,

relacionando então as duas áreas obtidas. O padrão interno aumenta a

precisão dos resultados ao minimizar as incertezas introduzidas especialmente

pela injeção da amostra, mas também por variações de vazão e das condições

da coluna. Neste experimento o padrão interno selecionado foi o Tolueno.

Figura 3: Cromatogramas em 3D da curva de calibração do tolueno em metanol e mais a amostra desconhecida.

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7. CONCLUSÃO

8. REFERÊNCIASBIBLIOGRÁFICAS

[01]http://www.biomedicinabrasil.com/2012/10/

metodoscromatograficos.html#.VjwGcreIV (Acessado em novembro de 2015).

[02]http://hiq.lindegas.com.br/international/web/lg/br/like35lgspgbr.nsf/

docbyalias/anal_gaschrom (Acessado em novembro de 2015).

[03] http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAa_4AE/cromatografia-gasosa

(Acessado em novembro de 2015).

[04]http://www.cpatc.embrapa.br/eventos/seminariodequimica/1%B0%

20Minicurso%20Produ%E7%E3o%20e%20Qualidade%20de%20Biodiesel/

cromatografiagasosa.pdf (Acessado em novembro de 2015).

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