V. CROMATOGRAFÍA DE GASES

En la cromatografía de gases un soluto gaseoso (o el vapor de un líquido volátil) es transportado por una fase móvil gaseosa. La fase estacionaria puede ser un líquido no volátil (GLC) o un soporte sólido de grano fino (GSC) adsorbente. El esquema de un cromatógrafo de gases se muestra en la figura 35.

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Figura 35. Esquema de un cromatógrafo de gases.

Inyección de la muestra

En el cromatógrafo de gases una muestra de líquido volátil se inyecta a través de un septum de goma a un horno de inyección caliente, donde la muestra se vaporiza. El volumen típico de muestra es de 0.1-10 µL. Si la muestra es gaseosa, 0.5 a 10 ml de gas son suficientes.

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Figura 36. Jeringa de 10 (L utilizada en cromatografía de gases.

La muestra es arrastrada hacia la columna por un gas portador inerte (He, N2, H2) que actúa como fase móvil. Después de eluír por la columna que contiene la fase estacionaria, los solutos separados pasan por un detector, cuya respuesta se visualiza en un graficador o en una computadora.

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Figura 37. Proceso de inyección de la muestra en un CG.

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Figura 38. Modelo clásico de un inyector. 1) El septum 2) Gas portador
3) Bloque metálico 4) Parte de la columna cromatográfica.

No es necesario que la temperatura de la columna sea mayor que el punto de ebullición de todos los solutos, pero debe ser lo suficientemente alta para garantizar una presión vapor suficiente para evitar que la elución tome demasiado tiempo. A continuación explicaremos brevemente las características de cada una de las partes que componen al cromatógrafo degases.

La columna

Es la parte del cromatógrafo donde se realiza la separación de los componentes de la mezcla. Normalmente se encuentran dentro de un horno termostatizado a temperatura constante, y tienen forma de espiral para aprovechar al máximo el espacio. Se dividen en dos tipos: columnas empacadas y columnas tubulares abiertas.

• Columnas empacadas Son de acero inoxidable o vidrio, su diámetro es de 3-6 mm y miden de 1 a 5 m de largo. Se empacan con un soporte sólido de grano fino recubierto con un solvente no volátil como fase estacionaria (GLC) o bien el sólido mismo es la fase estacionaria (GSC). Entre sus ventajas está el poder manejar cantidades relativamente grandes de muestra y el ser baratas. Sin embargo, la caída de presión a través de ellas es grande, ya que el gas tiene que pasar a través de las partículas empacadas del sólido. Debido a su longitud, el poder de separación es menor que en otro tipo de columnas.

• Columnas tubulares abiertas También conocidas como columnas capilares, son más estrechas y largas (10-100 m es una longitud típica) que las columnas empacadas. Se fabrican generalmente de sílice fundida. Tienen mayor resolución y menor tiempo de análisis que las empacadas, pero son más caras y tienen menor capacidad de muestra. La caída de presión también es menor. Las columnas capilares pueden ser de tres tipos: de pared recubierta, de soporte recubierto y de capa porosa (para GSC), tal como se muestra en la figura 24.
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Figura 39. Tipos de columnas empleadas en cromatografía de gases.

El soporte sólido

Debe ser un materialrelativamente inerte, con partículas pequeñas de forma constante y gran área superficial. Se emplean mucho las tierras diatomáceas (diatomita), sílice, alúmina y polímeros como el teflón.

La fase estacionaria

Es el líquido no volátil que recubre al soporte sólido. Existen muchos tipos disponibles en el comercio (hidrocarburos, siliconas, alcoholes de cadena larga, etc.) y deben escogerse adecuadamente dependiendo del tipo de muestra que se desea separar. Se sugiere consultar la bibliografía especializada. Las fases actuales corresponden a dos tipos principales de compuestos: los polisiloxanos y los polientilénglicoles.

El detector

El detector indica la presencia de cada constituyente de la muestra y mide en qué cantidad está presente. Los tres tipos de detectores más comunes en cromatografía de gases son: el detector de conductividad térmica, el detector de ionización de flama y el detector de captura de electrones.

• El detector de conductividad térmica (TCD) mide la diferencia que existe entre la conductividad térmica del gas que entra a la columna (eluyente) y la de la mezcla gaseosa que sale (eluato). La diferencia de conductividades térmicas hace que la resistencia de un alambre de platino cambie, y esta señal se mide y se grafica. Este detector es útil para compuestos orgánicos e inorgánicos, pero es sensible a cambios de temperatura y flujo del gas.
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Figura 40. Detector de conductividad térmica. A la izquierda el esquema del detector
1) Bloque metálico, 2) Entrada de gas portador 3) Salida de gas portador 4) Filamento
Metálico 5) Alimentación de corriente eléctrica. A la derecha el esquema delcircuito
Medidor puente de Wheatstone. A1 y A2 son las resistencias de medición.

• El detector de ionización de flama (FID) funciona de un modo distinto. El eluato de la columna se mezcla con hidrógeno y aire, y después se quema en una flama dentro del detector. Los componentes orgánicos producen iones CHO+ al quemarse: [pic] Los iones son recogidos por un electrodo de platino, y esto origina una corriente eléctrica. Este detector es útil para compuestos orgánicos (menos sensible si contienen grupos carbonilo) y no es sensible a gases como CO2, O2, N2, NH3 y agua. Es más sensible y más estable que el detector de conductividad térmica, pero es destructivo con la muestra.

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Figura 41. Esquema del detector de ionización de flama (FID).

TAREA 4. Realice las siguientes actividades.
I. Para cada numeral, escriba a cual detector corresponde la descripción.
NOTA: las respuestas pueden repetirse más de una vez.
1. Detector empleado en cromatografía que se basa en el fenómeno generado durante la quema de un compuesto orgánico, que origina que se formen varios iones y como consecuencia, la flama resultante se hace conductora de electricidad. Detector consistente en una celda en forma de Z, donde un rayo de luz ultravioleta atraviesa 1 cm de la solución que sale de la columna. La absorbancia del soluto se convierte en una señal eléctrica que después se grafica. Detector universal, sensible a la concentración del soluto en el gas de arrastre, que generalmente es He o H2; es considerado un detector de poca sensibilidad. En estedetector el gas de arrastre que sale de la columna cromatográfica se mezcla con H2 y se quema con aire u O2. La flama resultante queda contenida entre dos electrodos, polarizados por un voltaje constante. Al eluir un compuesto orgánico, es quemado y son formados iones en la flama, haciendo que esta conduzca corriente eléctrica. Detector de muy alta sensibilidad, altamente selectivo a hidrocarburos; no puede emplearse para detectar sustancias no inflamables, como H2O, N2 y CO2. Detector no destructivo, en el cual el eluente pasa sobre un emisor beta, provocando la ionización del gas portador; en base a la electronegatividad de las sustancias eluidas, se provocan cambios en la corriente en presencia de moléculas que tienden a captar de electrones. Detector cuyo funcionamiento se basa en la medida de la intensidad de la emisión molecular de la fluorescencia de heteroátomos en las moléculas orgánicas. Altamente selectivo a compuestos que contienen S y P. ___________________

8. Este detector se basa en una reacción entre ciertos compuestos de azufre y ozono. El eluente se mezcla con H2 y aire y se queman en un FID. Los gases generados se queman con ozono, generando luminiscencia, cuya intensidad es proporcional a la concentración de azufre. El eluyente se introduce en un plasma de He obtenido por microondas, que se acopla a un espectrómetro de emisión. El eluyente se quema en una llama que fluye alrededor de una esfera de silicato de rubidio calentada eléctricamente (600 a 800 °C), produciéndose gran cantidad deiones a partir de las moléculas que contienen P y N. ___________________

11. El eluyente se irradia con luz UV provocando la ionización de las moléculas. Detector empleado para cromatografía de líquidos, que se basa en la medida del cambio de una propiedad óptica del disolvente en presencia de moléculas del analito; aunque posee poca sensibilidad, es muy útil para compuestos que no absorben luz UV. Detector con alta sensibilidad y selectividad, que únicamente puede emplearse con solutos que se oxidan o reducen. ___________________

II. Que detector emplearía para cuantificar
1. Mercaptanos o compuestos con grupos funcionales que contengan azufre ___________________
2. Hidrocarburos ___________________
3. Compuestos con grupos funcionales electronegativos ___________________
4. Pesticidas ___________________
5. Compuestos orgánicos que presentan resonancia. Moléculas no volátiles que no absorben luz UV___________________

III. Mencione y describa las técnicas de identificación que pueden emplearse en cromatografía. No me queda clara la pregunta…

Análisis Cualitativo

Los procedimientos para identificación de los picos cromatográficos podemos dividirlos en dos categorías
• Identificación Cromatográfica
o Por Datos de Retención
o Por Serie Homólogas (Indices de Retención de Kovats)

• Identificación No Cromatográfica
o Identificación por:
a–S Adición de Estándar
a–S Formación de Derivados
a–S Sustracción de un Componente
a–S Identificación conTécnicas Auxiliares: UV, IR, MS, RMN
Indices de Retención de Kovats.
El índice de Kovats relaciona el volumen de retención Vr (ó el tiempo de retención tr) de un compuesto desconocido con otro que contiene n-hidrocarburos y que eluye antes y después que él. Para cada serie de parafinas existe un índice dado por
I = 100 n
n = número de moles de átomos de carbono de una parafina dada.
El índice de retención de un compuesto desconocido es calculado de:
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|x |= |número de carbonos del compuesto eluido antes que el desconocido; |
|Vnu |= |volumen de retención corregido del desconocido (u); |
|Vnx |= |volumen de retención corregido del hidrocarburo eluído antes del desconocido; |
|Vnx+1 |= |volumen de retención corregido del hidrocarburo eluído después del desconocido; |
|x + 1 |= |número de carbonos del compuesto eluído después que el desconocido; |
|  |  |[pic] |

EJEMPLO
Una serie de alcoholes de cadena recta se alimentó a una columna de carbowax. Se encontraron los siguientes tiempos de retención

|Substancia |tr, segundos |
|butanol |42 |
|hexanol |73 |
|octanol|135 |
|decanol |250 |

Una substancia desconocida que se sabe es un alcohol de cadena recta se inyecta en la misma columna en condiciones idénticas a los estándares. Su tiempo de retención es de 100 s. sQué es la muestra desconocida?

SOLUCION
Se construye una gráfica de log(tr) vs. Número de átomos de carbono en el alcohol. En la gráfica se observa que la muestra desconocida es heptanol.
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Análisis Cuantitativo
Existen varios métodos para cuantificar un pico cromatográfico
• Normalización de Área
• Normalización de Área con Factores de Respuesta
• Estandarización Externa
• Estandarización Interna

A modo de resumen podemos decir que las variables principales del sistema cromatográfico que requieren ajustarse para obtener resultados satisfactorios y reproducibles son:
• Tipo de columna.
• Carrier.
• Velocidad del Carrier.
• Temperatura del horno (constante o de variación programada).
• Detector.
• Metodología de integración de la señal.

Al inyectar, en el cromatógrafo, una mezcla de varios componentes se obtiene una respuesta bajo la forma de una señal que varía en el tiempo, mostrando 'picos' en tiempos característicos para cada componente. La altura (o área) de cada uno de estos picos es proporcional a la abundancia del componente involucrado. El registro de la señal del detector en función del tiempo se denomina Cromatograma de la muestra.

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Microjeringa de 10 ( L

Aguja inoxidable

4

3

2

1

Cuerpo (pirex)

embolo