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Introducción a las separaciones cromatográficas

Métodos de SeparaciónCapitulo 26

ObjetivoDescribir los métodos para separar varios componentes de una muestra antes de su determinación.Introducción a la tecnología y teoría de la separación con énfasis sobre la optimización de las variables experimentales para un análisis eficiente tanto cualitativo como cuantitativo.

CROMATOGRAFIA

Inventada por el botánico ruso MikhailTswett (1900) para separar los distintos pigmentos de la clorofila pasándola por una columna de carbonato de calcioCroma= colorGraphein= escrito

Descripción General de la Cromatografía

Descripción generalLa muestra se transporta en una FASE MOVIL ( GAS, LIQUIDO O FLUIDO SUPERCRITICO).La FM se fuerza a pasar a través de una FASE ESTACIONARIA INMISCIBLE.Aquellos componentes que son fuertemente retenidos por la FE se mueven lentamente con el flujo de la FM.La distinta movilidad hace que los componentes se separen en bandas o zonas que pueden ser analizadas .

Clasificación de los métodos cromatográficos

A) Cromatografía en columna.– FE=Columna FM eluye bajo presión

B) Cromatografía plana.– FE=Plato, FM eluye por gravedad

A) cromatografía liquida.– FM= liquido

B) Cromatografía de gases.– FM= gas

C) Cromatografía de fluidos supercríticos.– FM= fluido supercrítico

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Cromatografía en columnaCromatografía en Columna

Cromatografía en columna:El movimiento del soluto puede solo ocurrir con la L.M.La velocidad promedio a la cual la banda del soluto migra en la columna depende de la fracción de tiempo que pase en la F.E.El tamaño de la banda del soluto aumenta con el tiempo debido al proceso de dilución.

Velocidad de migración y anchura de pico en la resolución.

Velocidad de migración del soluto– La velocidad de migración se determina por la longitud

de la K de equilibrio para las reacciones en las que los solutos se distribuyen entre la fase móvil y la F.S.

Constantes de distribución:– Amóvil Aestacionaria

– K= : C=concentración molar

– K= constante de distribución, razón de partición, coeficiente de partición.

móvil

iaestacionar

CC

M

E

CC

Tiempo de retenciónTiempo que tarda la muestra inyectada, para el pico del analito, en alcanzar el detector. (tR)tM: tiempo muerto para especies no retenidas. (tiempo

requerido para que una molécula de la F.M. pase a las de la columna).

Velocidad lineal promedio de migración del soluto

v= L = longitud de la columna

Velocidad lineal promedio del movimiento de las moléculas en la fase móvil.υ=

RtL

MtL

Relación entre tR y KExpresamos la velocidad de migración como una fracción de la velocidad de la F.M.– v = u x fracción de tiempo que el soluto pasa en la F.M.

– v = u x

– Numero total de moles de soluto en la F.M = CM X VM

– Numero de moles de soluto a la F.S = CS X VS

– V = u x = u x

solutodetotalesmolesMFensolutodemoles

.

MMSS

MM

VCVCVC +

MM

SS

VCVC +1

1

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Relación entre tR y K

Como K= v = u x

Designamos el parámetro K’A como factor de retención o factor de capacidad que describe la velocidad de migración de un soluto A.

– K’A =

M

S

CC

M

S

VVK +1

1

MVVK SA

⋅⋅

Relación entre tR y KV = u x sustituimos velocidad por sus

definiciones.

= X despejamos K’A

1 + k’A = : k’A = - 1 ; k’A =

A'k11

+

RtL

MtL

A'k11

+

M

R

tt

M

R

tt

M

MR

ttt −

Se obtienen delcromatograma

Relación entre tR y KSi – k’A < 1 elución muy rápida, poca fiabilidad de

detección.– k’A ≈ 20,30 elución muy lenta.– k’A ≈ 2-10 ideal.

Definimos α como factor de selectividad para dos especies A,B.

α = A

B

KK

Relación entre tR y KB: sustancia que se retiene fuertemente mas, que A. – Luego α > 1

Si– K’A = y K’B =

– KA = KB =

α = ; α = si k’A =

VMVK SA ⋅

M

SB

VVK ⋅

S

MA

VVk ⋅'

S

M

VVk ' B⋅

SA

SMB

VVkVVk

M /

'' /

A

B

kk''

M

MR

ttt −

Relación entre tR y K

α =

Veremos como utilizar el K y α para incrementar la resolución de una columna. EficienciaEficiencia– Se utilizan dos términos para medir

cuantitativamente la eficiencia de una columna:• Altura del plato teórico : H• Número del plato teórico: N

( )( ) MAR

MBR

tttt

−−

Fig 30-10, p.928

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Eficacia o eficiencia

Se utilizan dos términos para medir cuantitativamente la eficiencia de una columna:Altura de plato teórico HNumero de platos teóricos N

N =L/H

L= longitud del relleno de la columna

Eficacia o eficienciaH, N pueden ser obtenidas mediante el ancho de pico cromatográfico.La eficacia aumenta cuanto mayor el numero de platos exista y cuanto menor es la altura de plato.Martin y Synge (1941) trataron a la columna como una columna de destilación fraccionada formada por capas denominadas plato teórico donde se establece el eq. del soluto entre la FE y FM.La teoría de platos explica con éxito la forma gaussiana de los picos cromatográficos.Falla al intentar justificar el ensanchamiento de los pico , surge la teórica de la velocidad

Definición de altura de platoComparamos el pico con una distribución gaussianaDefinición de altura de plato como:

– H = σ2 = varianza del pico del analito (cm2)

– σ2 se puede obtener gráficamente

L

2σ

Fig 30-12, p.931

Fig 30-11, p.929

Métodos para describir la eficacia

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Métodos para describir la eficaciaW = 4 σ (base del triángulo)

σ = gráficamente

Si H = : H = usando la anchura del pico

N = 16 ( )2 ó w1/2= 2.35σ

RtLW4

L

2σ2

2

16 RtLW

Wt R

Métodos para describir la eficacia

N = 5.54 ( )22/1w

tR

usando la mitad de la anchura del pico

Table 30-5, p.932 Fig 30-13, p.933

Relación entre H y las variables de la columna

Fig 30-15, p.936

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Fig 30-14, p.935

A= Trayectoria múltiple.

Difusión longitudinal B/u Coeficientes de transferencia de masa

Fig 30-16, p.936

Métodos para describir la eficacia

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Fig 30-8, p.923 Fig 30-17, p.937

Fig 30-19, p.941 Fig 30-20, p.942

p.946

Variables que afectan a la separación cromatográfica.

Según la ecuación

Rs= ( ) ( )

Existen unos parámetros que sirven de guía para elegir las condiciones cromatográficas mas favorables para una

separación en un mínimo de tiempo.

4N

αα 1−

B

B

''K1

+K

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Variables que afectan a la separacióncromatográfica.

Observando la ecuación podemos decir que está constituida por 3 componentes

• Dependiente de relacionada por la cinética.

• Dependiente de relacionadas con las propiedades de los solutos

• Dependiente de k’ relacionadas con las propiedades del soluto y de la columna

N

α

Variables que afectan a la separacióncromatográfica.

Podemos ajustar mas o menos independientemente α, κ’ y N para mejorar R.−α y k’ pueden variar mas fácilmente variando la T

composición de la fase móviltipo de columna (empaquetamiento).

– N y H puede variarse cambiando la longitud de la columna.alterando la velocidad de flujo de la fase móvilel tamaño de partícula de empaquetamientola viscosidad de la fase móvilel espesor de la película absorbida de la FE

Variación de N

Aumenta el número de platos, acompañados de una reducción de H. (así se optimiza el tiempo requerido para completar la separación)

Variación de HReducción de Hdisminuir el tamaño de partícula en CLreducir la viscosidad del solvente (aumentar coeficiente de difusión de la FM).

Variación de k’B

Aumenta k’B:

– Rs= ó tR = Q

– k’B > 10 deben ser evitados porque poseen poco incremento

a la resolución e incrementa marcadamente el tR.– El mínimo tR ocurre a K’

B ≈ 2– El optimo k’

B [1-5] teniendo en cuenta R y tR. – Para GC : k’ aumenta al aumentar T.– Para LC : cambiar FM: ej. razón CH3CH2OH/H2O

B

B

kkQ

'1'

+( )

2

3 1Bk

k'

B'+

Fig 30-18, p.940

Variación en α

Incremento α manteniendo k’ 1-10– Cambiar la composición de la FM,

incluyendo cambios en pH principalmente para la separación de ácidos.

– Cambiar la temperatura de la columna.– Cambiar la composición de la fase

estacionaria.– Utilizar otros componentes químicos.