Conceito da Técnica Cromatografia Gasosa
A cromatografia gasosa, pode ser denominada como um método físico-químico de separação, na qual os componentes de uma amostra a serem separados, são particionados em duas fases: uma estacionária (que fica impregnado na coluna e pode ser um sólido ou um líquido), e a outra uma fase móvel (um gás de arraste inerte), que flui através da primeira.
APLICAÇÕES DA TÉCNICA de CROMATOGRAFIA GASOSA
As aplicações da cromatografia gasosa são inúmeras.Talvez a sua maior seja na análise de produtos derivados do petróleo- HIDROCARBONETOS- gases e líquidos.
Estão limitadas para componentes que possuem pesos moleculares abaixo de 2000 pois, é necessário que estes se vaporizem totalmente no injetor, para que a eleição e separação sejam eficientes ao passar na coluna e que seja detectado, sem condensar no detector.
O aparelh/o na Cromatografia Gasosa
É a denominação dada ao aparelho que realiza as análises cromatográficas.Um cromatógrafo ,basicamente,consiste nas seguintes partes e suas respectivas finalidades:
· Cilindro de gás de arraste: Armazenar os gases à altas pressões. A unidade de pressão nos cilindros é KgF/cm².
· Válvulas de gases: Controlar a pressão de saída dos gases no cilindro.
· Manômetros: Indicar a pressão interna e pressão de saída dos gases do cilindro.
· Injetor: Vaporizar a amostra antes de entrar na coluna.
· Coluna: É o coração do cromatógrafo.É nela onde ocorre a separação dos componentes de uma amostra.
· Detector: É o olho do cromatógrafo. É o responsável pela detecção dos componentes de uma amostra.
· Integrador ou computador: Tem a função de realizar a integração dos picos, que geraram um gráfico denominado cromatograma.
ALGUNS INJETORES usados na técnica tCromatografia Gasosa
O injetor é um bloco metálico com aquecimento controlado, cuja finalidade é vaporizar a amostra e de suma importância na realização de uma análise cromatográfica.
Os injetores são muito importantes para realizar uma análise cromatográfica.A temperatura de operação deste, deve ser suficiente para que a mostra seja vaporizada , antes de entrar na coluna.
Normalmente programa-se este ,com uma temperatura 50oC maior , considerando-se o componente da amostra com o maior ponto de ebulição ou seja , a menos volátil.
Na parte superior do injetor, encontra-se o septo , que é um pequeno disco de borracha siliconizada, cuja finalidade é isolar o sistema cromatográfico do meio ambiente.
Existem diversos tipos de injetores que são utilizados sendo que, a sua escolha deverá ser em função do tipo de coluna a ser utilizada : colunas empacotadas , capilares ou megabore,conforme os componentes dos cromatógrafos.
Os tipos mais comuns: On column , Flash e Megabore (com adaptadores).
Para colunas capilares podem ser usados : Split/Splitless , Split , On column a frio e Low mass .
Um exemplo, para uso em colunas capilares , é o injetor “SPLIT”,que trabalham com válvulas acionadas por “RELÉS”. Injetamos um microlito de amostra porém, este é diluído conforme a razão do “SPLIT”.
COLUNAS USADAS NOS CROMATÓGRAFOS GASOSOS
A coluna cromatográfica , é um tubo com um diâmetro interno , que varia de 1/4 à 1/8 de polegadas ,para colunas empacotadas e de 0.25mm a 0.53mm para colunas capilares.
É o local onde ocorre a separação dos componentes de uma amostra.
A escolha do tipo de coluna a ser usada , vai depender do que se deseja identificar ou quantificar.
As colunas são responsáveis pela separação dos componentes de uma amostra.
Dependendo da quantidade do componente que se deseja quantificar ou identificar, existem dois tipos mais comuns de colunas: a coluna empacotada e a capilar.
A empacotada é usada para a separação de componentes com grandes concentrações e suporta a injeção de um volume maior da amostra que a capilar devido ao seu diâmetro e quantidade de fase estacionária.
O volume de amostra injetado na coluna capilar deverá ser o menor possível , para evitar a saturação da mesma.
As colunas capilares separam um maior número de componentes que a empacotada, por possuir um comprimento que pode chegar a mais de 50m, enquanto a empacotada , por possuir um diâmetro maior,geralmente não é operada com um comprimento maior que 15m.
COLUNA CAPILAR
COLUNA EMPACOTADA
DETECTORES
Os detectores são os responsáveis pela detecção dos componentes de uma amostra. Eles medem e indicam a variação da composição do gás de arraste ao sair da coluna cromatográfica através de um sinal elétrico.
Os mais usados na cromatografia gasosa são os seguintes: DCT (detector de condutividade térmica) , DIC (detector de ionização de chama) e o DCE (detector de captura de elétrons).
Podem ser destrutivos -ex: DIC (detector de ionização de chama) , ou não destrutivos ex: DCT (detector de condutividade térmica).
O DCT é capaz de detectar água numa amostra.
O DIC responde pela massa do componente.
A escolha do detector é importante e depende do material a ser analisado.
As principais características que devem ser consideradas são as seguintes: seletividade,sensibilidade,resposta,ruído/quantidade mínima detectável e linearidade.
Abaixo, os dois tipos mais comuns;
DETECTOR DE IONIZAÇÃO DE CHAMAS (DIC)
DETECTOR DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA
GASES USADOS NA CROMATOGRAFIA GASOSA
Os gases são os responsáveis por conduzir a amostra, já vaporizada , através da coluna ,até o detector.
O gás deve ser inerte, para evitar interações com a amostra ou solvente , ser puro , de baixo custo e efetuar a separação desejada no menor tempo de análise possível.
A pureza destes é muito importante na cromatografia gasosa.
A quantidade de água afeta a detecção dos componentes.
Deverão ser instalados filtros para gases na entrada dos cromatógrafos como: peneira molecular para absorver indesejáveis no hidrogênio e por exemplo , alumina para absorver água do ar sintético quando este for oriundo de outras fontes (ex: compressor de ar) sem pureza informada.
Os cilindros dos gases ,são facilmente identificados pela cor usada na sua pintura. veja a seguir alguns gases usados e suas respectivas cores , entre parênteses.
Os gases mais utilizados e suas respectivas funções são : ·
- Hidrogênio (AMARELO): É o gás combustível do cromatógrafo gasoso, usado nos detectores que destroem a amostra(ex:DIC) e também é utilizado como gás de arraste nos detectores de condutividade térmica. ·
- Nitrogênio(CINZA): É utilizado como gás de arraste no detectores”DIC” e “DCT” ·
- Ar sintético (CREME): É usado como gás de queima nos detectores destrutivos ( DIC ). Sua composição é de aproximadamente 21% de O2 , 78% de N2 e 1% de outros gases. com pureza cromatográfica a sua umidade é da ordem de 5 ppm de água.
- Argônio (MARRON): Tem a mesma finalidade que o Hélio, como citado acima, porém, este é mais barato.·
- Hélio (LARANJA): É o gás mais caro que se encontra no Brasil. É usado como gás de arraste quando necessitamos analisar por exemplo, H2 em gases hidrocarbonetos utilizando-se um detector de condutividade térmica (DCT), ao invés do H2 comumente usado (mais barato).
CILINDROS DE GASES
VAZÃO DE GASES E SUAS FORMAS DE MEDIÇÕES
Para que ocorram a separação dos componentes de uma amostra, é necessário que as vazões dos gases sejam ajustadas.
Este ajuste é feito com o auxílio de um aparelho chamado de BOLHÔMETRO.
Os bolhômetros podem ser de dois tipos. Os mais usados são o digital e o de coluna.
Exemplo de cálculo num bolhômetro de coluna: para a medição da vazão de 20ml/min , num volume escolhido de 10ml , o tempo de escoamento do gás será de 30s.
Confira o resultado,utilizando a fórmula abaixo.
| VAZÃO(ml/min) =60(s) X VOLUME ESCOLHIDO NO BOLHÔMETRO (ml) / TEMPO DE ESCOAMENTO(S) |
MEDIDOR DE FLUXO ANALÓGICO (BOLHÔMETRO)
MEDIDOR DE FLUXO DIGITAL (FLUXÍMETRO)
O GRÁFICO GERADO – CROMATOGRAMA
Abaixo, nós encontramos um gráfico gerado após a separação dos componentes do BUTADIENO 1.3 , numa coluna capilar de Al2O3 com 50m de comprimento.
TERMOS TÉCNICOS MAIS UTILIZADOS NA CROMATOGRAFIA GASOSA
| TERMOS TÉCNICOS | SIGNIFICADO |
| Tempo de Retenção | Tempo no qual o componente permanece na coluna desde o momento da injeção até, a sua eluição . |
| QMD | Quantidade mínima detectável do componente num detector. |
| Sangramento da Coluna | Perda de fase estacionária da coluna..Normalmente devido ao uso de altas temperaturas de operação. |
| Septo | Peça usada na cabeça do injetor, geralmente feita de silicone ou de teflon. Ele é substituído , normalmente quando a área de uma amostra , no cromatograma , diminui. Se houver uma freqüência muito grande de injeções, deverá ter uma troca programada. |
| Gás de Arraste | É a denominação dada ao gás responsável por levar a amostra , já vaporizada , através da coluna, até o detector ou detectores. |
| Gás de queima | É o gás responsável pela queima da substância. Exemplo: hidrogênio e o ar sintético. |
| Pico Fantasma | Pico indesejável que aparece no cromatograma de uma amostra. Pode ser oriundo da amostra ,da coluna ou um problema de detecção. |
| Microlitro | Unidade de volume que se trabalha na cromatografia que corresponde a 1/1000 litros. |
| Microseringa | Seringa graduada em microlitros utilizada para injetar as amostras líquidas ou gasosas. |
| Fase Móvel | É o gás de arraste que conduz a amostra para a coluna. |
| Fase Estacionária | Um material sólido ou líquido , que preenche as colunas , responsáveis pela separação ou não de um componente, o qual dependerá de sua natureza química. |
| Suporte da Fase | Fase estacionária sólida inerte, que tem a finalidade de conter uma fase estacionária líquida e que não participa quimicamente da separação de nenhum componente da amostra. |
| Linha de Base | É a linha gerada no gráfico , quando da passagem apenas do gás de arraste no detector. O ideal é que seja uma linha reta. |
| Cromatograma | Gráfico gerado pelo integrador ou computador, que normalmente apresenta os picos dos componentes, suas áreas, as suas concentrações e o tempo de retenção de cada um. |
| Ruídos | São sinais observados na linha de base de uma amostra no seu cromatograma |
| Composto NI | Componente de uma amostra que ainda não foi identificado. |
| PPM | Concentração de um componente em partes por milhão. Um porcento equivale a 10000 ppm. Ela expressa pequenas quantidades de impurezas de uma amostra. |
| Cálculo em Área Porcentual | É o cálculo da concentração de todos componentes de uma amostra , relativo ao somatório da área total destes. |
| Fator de Resposta | É o resultado da divisão da área integrada de um componente dividida por sua respectiva concentração. Este cálculo é usado na Padronização Externa. |
| Eluição do Pico | É a saída,o aparecimento do pico, após a passagem por uma coluna, de um dado componente de uma amostra. |
| Vazão dos Gases | É a razão do volume de um gás, que passa através de um sistema cromatográfico ,por unidade de tempo ,expressa geralmente em mililitros por minuto ( ml / min ). |
| Razão do Split | É a razão do volume de injeção de uma amostra pelo volume de diluição ,que acontece dentro de um injetor.Ex: 1/100 ,ou seja,1ul da amostra diluídos em 100ul de gás. |
| Coluna Empacotada | É o tipo mais comum , quando não se precisa determinar pequenas quantidades de impurezas (ex: ppm)de um componente de uma amostra. É fabricada, geralmente,de aço inox com um diâmetro interno de 1/8 de polegadas e um comprimento a partir de 3m. Pode ser confeccionada em laboratório. |
| Coluna Capilar | É a coluna mais eficiente para se trabalhar. Com ela é possível analisar mais de 100 componentes de uma amostra se a fase usada for adequada. É feita de sílica fundida e é bastante frágil. Trabalha-se com pequenos volumes de amostra – menores que 1ul. Seu diâmetro interno é da ordem de micras (Ex:coluna de FFAP DE 50m de comprimento e o,22um de diâmetro). |
| Coluna Megabore | Colunas com características físicas intermediárias entre as empacotadas e as capilares. |
| Coluna de Sacrifício | Coluna muito utilizada para conter partículas ou produtos que não vaporizem, conectadas no início das colunas empacotadas , saída do injetor. São fabricadas com uma fase estacionária inerte. |
A PREPARAÇÃO DE UM PADRÃO NA CROMATOGRAFIA GASOSA
Para se trabalhar com cromatografia, é necessário que façamos uma calibração através de um padrão com as concentrações dos componentes, próximas as da amostra que iremos analisar.
A preparação de um padrão cromatográfico não é tarefa difícil de se realizar porém, é necessário que antes da preparação, conheçamos algumas propriedades dos componentes que farão parte deste bem como , para definir a sua composição ,a origem da amostra que será analisada.
A volatilidade dos componentes deve ser levada em consideração pois, o componente mais volátil deverá ser o último a ser adicionado no padrão , para evitar ao máximo a perda deste, durante o seu manuseio e inserção no recipiente que será usado para armazená-lo.
PROCEDIMENTOS
Para se preparar de um padrão cromatográfico necessitamos realizar os seguintes passos:
1) selecionar os reagentes que farão parte do padrão com suas respectivas purezas conhecidas.
2) selecionar os materiais e equipamentos que serão usados: seringa, balança analítica,papel absorvente,e o recipiente onde será preparado o padrão (frasco ou cilindro,se for o caso).
Todo o material utilizado deverá estar limpo com detergentes ou com solução sulfocrômica , para que todo material orgânico seja eliminado e,após a lavagem,secar em estufa à 100oC POR 1 hora.
3) Com base na possível concentração dos componentes da amostra, calcular as massas que deverão ser pesadas.
4) Adicionar os padrões seguindo a ordem crescente de suas volatilidades pesando os reagentes na seguinte ordem:
1)etanol (nesse caso é o solvente do padrão);
2)isopropanol;
3)metanol;
4)aldeído acético.
5) Guardar o padrão em um lugar refrigerado ,de preferência no freezer,para evitar que este seja alterado por perda do (s) componente (s) mais volátil.
TABELA-1 : Concentração teórica dos componentes e massas a adicionar no padrão.
| Componente | Concentração Teórica | Massa a pesar |
| metanol | 1,0000% | 1,0000g |
| isopropanol | 1,0000% | 1,0000g |
| aldeído acético | 0,2000% | 0,2000g |
| etanol | solvente | 97,8000g |
TABELA-2 : Concentração teórica dos componentes e massas adicionadas no padrão
| Componente | Massa pesada | Concentração |
| metanol | 1,2525g | 1,2422% |
| isopropanol | 1,0025g | 0,9958% |
| aldeído acético | 0,2120g | 0,2106% |
| etanol | solvente | solvente |
CALIBRAÇÃO POR PADRONIZAÇÃO EXTERNA
É o método mais usado na cromatografia gasosa.
O maior problema encontrado é a reprodutibilidade das injeções pois, o valor da área de um componente do padrão, de uma seqüência de injeções,não deverá variar mais que 5% entre elas.
A calibração por padronização externa consiste em:1- Elaborar um padrão cromatográfico
1- Elaborar um padrão cromatográfico
2- Injetar pelo menos 5 vezes este padrão , com um volume fixo.
3- Obter a média das áreas de cada componente do padrão.
4- Dividir as médias das áreas de cada componente pelas suas respectivas concentrações. Desta forma, obtém-se o Fator de Resposta de cada um.
CÁLCULO DE FATOR DE RESPOSTA DE UM COMPONENTE
Abaixo encontramos o cálculo do fator de resposta de um dado componente resultante da razão da área integrada pelo integrador/computador , pela concentração do componente no padrão .
Veja abaixo a fórmula de cálculo do fator de resposta de um componente.
| FATOR DE RESPOSTA =ÁREA OBTIDA NO CROMATOGRAMA CONCENTRAÇÃO DO COMPONENTE |
TABELA-1 : Concentração dos componentes e fatores de respostas dos componentes no padrão.
| Componente | Área obtida | Fator de Resposta | Concentração em % massa |
| metanol | 90111 | 64415 | 1,3989 |
| isopropanol | 58121 | 48880 | 1,1890 |
| aldeído acético | 23333 | 48537 | 0,4807 |
| etanol | solvente | solvente | solvente |
CÁLCULO DA CONCENTRAÇÃO DE UM COMPONENTE
Abaixo encontramos o cálculo para determinar a concentração de cada componente de uma amostra desconhecida que é o resultado das áreas individuais de cada componente , divididas pelos seus respectivos fatores de respostas .
Veja abaixo a fórmula de cálculo da concentração de um componente.
| CONCENTRAÇÃO DO COMPONENTE = ÁREA DO COMPONENTE NO CROMATOGRAM / FATOR DE RESPOSTA |
TABELA-2 : Concentração dos componentes de uma amostra desconhecida
| Componente | Área obtida | Fator de Resposta | Concentração em % massa |
| metanol | 90111 | 64415 | 1,3989 |
| isopropanol | 58121 | 48880 | 1,1890 |
| aldeído acético | 23333 | 48537 | 0,4807 |
| etanol | solvente | solvente | solvente |
CONSTRUÇÃO DA CURVA DE CALIBRAÇÃO NA CROMATOGRAFIA GASOSA
MÉTODO DA REGRESSÃO LINEAR COM O EXCEL
Exemplo de uma Seqüência da construção:
1) digitar em duas colunas paralelas os valores das áreas e das respectivas concentrações dos padrões.Veja a tabela abaixo.
| ÁREAS | CONCENTRAÇÕES % |
| 97000 | 0,730 |
| 133000 | 1,000 |
| 189000 | 1,390 |
| 274000 | 2,010 |
| 320000 | 2,350 |
| 382000 | 2,800 |
2) com a utilização do mouse, selecionar todos as colunas da tabela elaborada.
| ÁREAS | CONCENTRAÇÕES % |
| 97000 | 0,730 |
| 133000 | 1,000 |
| 189000 | 1,390 |
| 274000 | 2,010 |
| 320000 | 2,350 |
| 382000 | 2,800 |
3) clicar no ícone de construção de gráficos no EXCEL.
4) selecionar o tipo dispersão , o primeiro subtipo que compara pares de valores e clic com o mouse em avançar duas vezes.
5) digitar em título do gráfico : CURVA DE CALIBRAÇÃO DO METANOL
6) digitar em eixo dos valores(x): ÁREA
7) digitar em eixo dos valores (y): CONCENTRAÇÃO%, e em seguida clic em avançar ,em seguida clic com o mouse em concluir.
8) expandir a área do gráfico ,para uma melhor visualização, através do arraste do mouse.
9) com a ajuda do mouse, clic num dos pontos da curva no gráfico.Todos os pontos da curva ficarão amarelos.
10) clic em gráfico na barra superior e na janela que abre, clic em adicionar linhas de tendência. Na tela que abre , selecionar a opção linear.
11) clic na tela adicionar linhas de tendência, em opções. Marque os campos: definir interseção =0 , exibir equação no gráfico e exibir valor de R-quadrado no gráfico. Clic em OK. Para um melhor destaque dos valores de Y e R2, marque a área destes e clic em cor do preenchimento (selecione a sua cor) na barra superior do EXCEL.
12) Calcular a concentração do Metanol na amostra.
CÁLCULO DA CONCENTRAÇÃO DE METANOL
CÁLCULO-1
Abaixo encontramos o cálculo para determinar a concentração de metanol de uma amostra desconhecida , a partir da equação da reta obtida no gráfico acima.
Veja abaixo a fórmula de cálculo da concentração de metanol.
A concentração do metanol da amostra é com relação a uma área obtida no cromatograma de 167000.
%metanol = área*0,0000073573
%metanol = 167000 *0,0000073504= 1,2275%
CÁLCULO-2
Através do cálculo do fator de reposta do padrão em cada concentração e utilizando a média entre eles, obtemos a seguinte concentração de metanol na amostra:
FATOR DE RESPOSTA = ÁREA OBTIDA NO CROMATOGRAMA
CONCENTRAÇÃO DE CADA PADRÃO
| ÁREAS | CONCENTRAÇÕES | FATORES DE RESPOSTAS |
| 97000 | 0,730 | 132876,7 |
| 133000 | 1,000 | 133000,0 |
| 189000 | 1,390 | 135971,2 |
| 274000 | 2,010 | 136318,4 |
| 320000 | 2,350 | 136170,2 |
| 382000 | 2,800 | 136428,6 |
MÉDIA DOS FATORES DE RESPOSTAS = 135127,5
%metanol = 167000 /135127,5= 1,2357%
CONCLUSÃO:
Os valores obtidos nos dois modos de cálculos, são muito próximos. A razão entre o valor do CÁLCULO-1 e o CÁLCULO-2 é :
Razão do % CÁLCULO-1 / % CÁLCULO-2 = 1,2275 / 1,2357
Razão= 0,9934
BIBLIOGRAFIA DO CONTEÚDO DE Cromatografia Gasosa
FUNDAMENTOS DA CROMATOGRAFIA À GÁS
Remolo Ciola
Editora Edgard Blucher, Edição 2ª edição , Ano 1985
FUNDAMENTOS DE CROMATOGRAFIA
Bonato Pierina S. C. Colins Carol H Braga Gilberto
Editora Unicamp , 1ª Edição , Ano 2006
INTRODUÇÃO À PRÁTICA DA CROMATOGRAFIA GÁS-LÍQUIDO
H.J. Chaves Das Neves
Editora Universidade Nova de Lisboa, Edição 1ª edição, Ano 1980
ANÁLISE INORGÂNICA QUANTITATIVA – VOGEL
Basset , Denney ,Jeffrery,Menhham
Editora Guanabara Dois, 4ª Edição , Ano 1981
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