Universidad de ChileFacultad de Ciencias Químicas y Farmacéuticas

Informe Cromatografía de Gases

Laboratorio de Analítica II

Departamento de Química Inorgánica y AnalíticaLaboratorio II Química Analítica Instrumental.Profesor Sr. Edward Cornwell G.

Integrantes Grupo 4:

Nicolás BustamanteKomal Dadlani Luis Verdugo

Fecha TP: Lunes 5 de Octubre del 2009 Fecha Entrega TP: Lunes 26 de Octubre del 2009

INTRODUCCIÓN:

La Cromatografía de Gases es una técnica en la cual la muestra inyectada se vaporiza y es fraccionada como consecuencia de ser repartida entre una fase gaseosa móvil y una fase estacionaria líquida mantenidas en una columna.1 En este práctico trabajamos con la cromatografía gas-líquido donde la fase estacionaria es sólida y la retención de los analitos se produce mediante el proceso de adsorción.

El cromatógrafo de gases consta de un gas portador (químicamente inerte), un sistema de inyección de muestra, la columna y un detector. Esta técnica es muy útil en la separación de especies gaseosas de bajo peso molecular como lo veremos en el práctico.

Se van a obtener los tiempos de retención, área y ancho de los picos a través del sistema computarizado entre el Cromatográfo a utilizar (Cromatográfo HP 5890) y su respectiva impresora.

En el sistema de inyección de muestra para que la columna sea eficiente, es necesario que la muestra sea de un tamaño apropiado para que pueda ser introducida en un "tapón" de vapor. El método más común de inyección de muestra implica el uso de una microjeringa para inyectar una muestra líquida o gaseosa a través de un diafragma o "septum" de silicona, en una cámara de vaporización instantánea situada en la cabeza de columna.2

1 Principios de análisis Instrumental. D.A. Skoog, F.J. Holler, T.A. Nieman. Quinta Edición. Capítulo 25.Cromatografía de Gases.

2 Ibidem. D.A. Skoog.

En el práctico número uno determinaremos el tiempo muerto, cuando una sustancia no tiene ninguna retención en la fase estacionaria, el tiempo que pasa o transcurre cuando ella es detectada se llama tiempo muerto (t0). Pasa y escurre, es el mínimo tiempo que demora la sustancia del punto A al C.

Toda sustancia que interacciona con la fase estacionaria se demora un tiempo determinado, tiempo de retención (tR). Siempre tR > t0 y tR depende de las condiciones de Tº, P, calidad química y propiedades de la molécula analito. Este constituye un parámetro identificador hasta cierto punto y se puede investigar. En el TP N1 se identificará componentes mediante tiempos de retención, se verá como cambia este con la temperatura , se relacionará el tiempo de retención con el Peso Molecular de una familia de compuestos, se observará la dependencia de la resolución con la temperatura y se verá el programa de temperatura a 3ºC/min, 6ºC/min y 12ºC/min.

Resultados trabajo practico Nº1

A continuación se presentan los cálculos y tablas realizadas en el practico 1

Práctico Nº1

Condiciones de trabajo:

Cromatografo Nº2

Tº del Horno 32º C

Tº del Inyector 250ºC

Columna capilar de 30m de longitud y 0.32 mm de diámetro, grosor de la fase estacionaria 0.25 um

Columna con recubrimiento de metil silicona apolar

Cromatógrafo Nº 2

i) procedimiento experimental

Se inyectan 2 ul de muestras de pentano, n-hexano, n-heptano y benceno , se repite el proceso 3 veces , en lo cual a continuación se muestran los datos experimentales obtenidos de estas 3 experiencias.

1)

CompuestoTiempo de retención

n-pentano 3,679minn-hexano 4,773Benceno 6,3410

n-heptano 7,884

Después de obtener los datos, se procede a realizar una regresión lineal v/s PM de las sustancias en las cuales una regresión es considerando el benceno y la otra no considerándolo, por lo cual tenemos las siguientes regresiones.

i) regresión lineal sin considerar el benceno

ii) regresión lineal considerar el benceno.*******

Y = A + B * XParameter Value Error------------------------------------------------------------A -0,30295 0,18765B 0,01182 0,00216------------------------------------------------------------R SD N P------------------------------------------------------------0,98367 0,04283 3 0,1152

Y = A + B * XParameter Value Error------------------------------------------------------------A 0,34967 0,65807B 0,0046 0,00777------------------------------------------------------------R SD N P------------------------------------------------------------0,98367 0,04283 3 0,1152

2) Dependencia de la resolución con la temperatura.

i) procedimiento.

Se inyectan 2 ul de una solución que contiene las sustancias indicadas en el experimento 1, a distintas temperaturas se registraron los tiempos de retención respectivos, lo cual se muestra a continuación.

sustancia 32ºC 40ºC 60ºC 80ºC 100ºCn-pentano 3,679 min 3,615 3,592 3,639 3,720n-hexano 4,734 min 4,400 3,994 3,869 3,858Benceno 6,190 min 5,477 4,541 4,176 4,048n-heptano 7,564 min 6,407 4,917 4,339 4,120

Gráfico de Tr v/s T para las sustancias mencionadas

3) A continuación se comparan las situaciones del punto 2 con los programas de temperatura hechos con pendientes de temperaturas distintas. La cual se muestra a continuación.

3ºC/min :

sustancia Peack

n-pentano 3,640n-hexano 4,530Benceno 5,675n-heptano 6,600

6ºC/min:

sustancia Peack

n-pentano 3,625

n-hexano 4,495

Benceno 5,550n-heptano 6,344

12ºC/min

sustancia Peack

n-pentano 3,615n-hexano 4,436Benceno 5,386n-heptano 6,131

Grafico del gradiente de tr v/s gradiente de temperatura

A continuación se presenta el trabajo desarrollado en el cromatografo Nª 1

i) condiciones de trabajo del cromatografo Nº1

a) características del cromatografo

Columna capilar de 5 metros de longitud y 0,53 mm de diámetro, grosor del film de la fase estacionario 2.65 um, Columna con recubrimiento de metil silicona apolar

b) condiciones de trabajo: gas portador de nitrógeno; flujo gas portador 7 ml/min

Inyección manual directa mediante jeringa; sistema Split, razón 1/200, temperatura=250ºC

Detector de ionización por llama; gases: Hidrogeno= 35 ml/min; aire=350-400 ml/min Tº 250ºC

1. en la primera etapa de la sesión, se procede a la identificación de los siguientes compuestos - undecanoato de metilo

- tridecanoato de metilo-pentadecanoato de metilo

Todos utilizando n- hexano como solvente

tR de los esteres/mín

aC12 C14 C16

T = 160ºC 0,604 1,472 3,512

Todos utilizando n- hexano como solvente

2.- A continuación de analizan los tiempos de retención de estos esteres a distintas temperaturas, Se inyectaron 2µL. de una solución que contenía los analitos C12, C14 y C16, en el cromatógrafo. Los procedimientos se realizaron a distintas temperaturas partiendo a 160ºC hasta 200ºC con ΔT = 5ºC.

T (ºC) Tr C12 min Tr C14 min Tr C16 min160 0,649 1,491 3,542160 0,652 1,494 3,535160 0,603 1,445 3,487160 0,611 1,452 3,500165 0,560 1,254 2,899170 0,490 1,070 2,401175 0,448 0,925 2,003180 0,405 0,807 1,694185 0,355 0,688 1,414190 0,323 0,610 1,213195 0,270 0,512 1,016200 0,270 0,475 0,897

A continuación se confecciona otra tabla que involucre 1/T y Log tr por lo tanto tenemos

T (K)

433 0,0023095 0,629 1,471 3,516 -0,20135 0,16761 0,54605

438 0,0022831 0,560 1,254 2,899 -0,25181 0,09830 0,46225

443 0,0022573 0,490 1,070 2,401 -0,30980 0,02938 0,38039

448 0,0022321 0,448 0,925 2,003 -0,34872 -0,03386 0,30168

453 0,0022075 0,405 0,807 1,694 -0,39254 -0,09313 0,22891

458 0,0021834 0,355 0,688 1,414 -0,44977 -0,16241 0,15045

463 0,0021598 0,323 0,610 1,213 -0,49080 -0,21467 0,08386

468 0,0021368 0,270 0,512 1,016 -0,56864 -0,29073 0,00689

473 0,0021142 0,270 0,475 0,897 -0,56864 -0,32331 -0,04721

Grafica de Log tr v/s 1/T

Las ecuaciones respectivas de las regresiones lineales son las siguientes.

i) para C12

Log tr= -4.74888+1969.34242(1/T); r2=0.99005

ii)para C14

Log tr= -5.74914+2560.86541 (1/T); r2=0.99817

iii) para C16

Log tr= -6.53473+3064.11179 (1/T); r2=0.9994

Viendo gráficamente El sistema de ecuaciones no tiene solución, ya que que la determinante característica da como resultado cero, por esto las tres señales no se interceptan a la misma temperatura en el mismo tiempo de retención, por lo cual el sistema se resuelve solo usando 2 ecuaciones.

Práctico Nº2:

Cromatógrafo Nº 2 (Columna 30m)

Identificación del Soluto mediante el índice de Kovats3

3 E.KovatsHelv. Chim. Acta, 1958, 41p. 1915 (Escala para la identificación de solutos independiente del relleno de columna, temperatura u otras condiciones cromatográficas basada en Alcanos normales)

El índice de retención I fue propuesto por primera vez por Kovats en 1958 como un parámetro para identificar solutos a partir de los cromatogramas. El índice de retención para un soluto dado puede deducirse del cromatograma de una mezcla del soluto con al menos dos alcanos normales (de cadena lineal) que tengan unos tiempos de retención tales, que el del soluto considerado quede entre los mismos. Esto es, los alcanos normales son los patrones en los que se basa la escala de índices de retención.

Por definición, el índice de retención para un alcano normal es igual a 100 veces el número de carbonos del compuesto sin considerar el relleno de la columna, la temperatura u otras condiciones cromatográficas. El índice de retención para todos aquellos compuestos que no sean alcanos normales varía, a menudo varios cientos de unidades de índice de retención, con las variables de la columna.

El índice de retención relaciona el tiempo de retención de un soluto con los tiempos de retenciones de los alcanos lineales. Del conjunto de alcanos lineales se busca el que tenga el pico cromatográfico inmediatamente antes y después del compuesto problema (X).

El índice de retención se calcula según:

Donde:

C: número de átomos que tiene la sustancia (alcano) que antecede

t’Rx: tiempo de retención corregido de X

t’Rc+1: tiempo de retención corregido del alcano que procede

t’Rc: tiempo de retención corregido del alcano que antecede

Resultados experimentales del experimento 2

1) Identificación del soluto mediante el índice de kovats.

a) a una temperatura de 32ºC se inyecta en forma independiente 2ul de las sustancias patrones.

- n-hexano

- n-heptano

- benceno (soluto a identificar)

En las cuales los tiempos de retención individuales respectivamente son.

n-pentano 3,635 minn- hexano 4,742 minn- heptano 7,867benceno 6,382

Por lo tanto nuestro C será n-hexano y nuestro C+1 n heptano como datos en la ecuación de kovats.

Al inyectar solución preparada de 1.0mL de n-hexano, 1.0mL de n-heptano (n-alcanos) y 1.0mL de benceno (el soluto a identificar a través de Kovats), usando pentano como solvente de enrase a 10ml, los valores de la mezcla C fueron los siguientes:

n-pentano 3,609 minn-hexano 4,651 minn-heptano 7.404 minbenceno 6, 075 min

Por lo tanto reemplazando los valores en la ecuación de kovat tenemos.

= 657,44

Comparando con los datos del NIST se tiene que:

El índice de Kovats del benceno varía entre 644 y 680 dependiendo de variables de la columna, nuestro valor es muy cercano al teórico

2) Cuantificacion mediante adicion estándar utilizando razón de areas

i) procedimiento.

A una temperatura de 32ºC se inyecto de forma independiente 2 ul de soluciones de soluciones contenidas en 6 matraces de de 10 ml que contienen c/u X ml de una muestra en la que se desea determinar n-heptano( muestra incognita) y que además se le agrego n-heptano puro como estándar , se enrasa con hexano como solvente.

Se procede a a calcular el área del estándar y de la muestra problema. A distintas adiciones de estándar.

Adiciones de estándar (ul)

Area del estandar Area de la muestra problema

2 12606 204583 9308 279214 8906 349145 9696 421236 7165 365837 5796 34988

Ahora para ello debemos utilizar la expresión:

También R es la relación en área entre el muestra y el estándar problema, ahora por lo tanto para determinar la concentración del estándar debemos realizar una regresión lineal entre R y C agr por lo cual además debemos encontrar c agr a través del siguiente procedimiento

i) utilizando el valor de la densidad del heptano como referencia que es 0.684 g/mlii) se calcula el peso de la muestra en X ul de estándar agregadoiii) se calcula la concentración total del estándar en los 10ml de la muestra (g/ml)iv) se calcula finalmente la concentración en ug/ml de estándar agregado.

Ejemplo del procedimiento:

Siguiendo el mismo procedimiento para 3,4,5,6,7 ul se confecciona una tabla que tenga R y C agregada , para luego proceder a la realización de la regresión lineal.

Conc std agregado estándar agregado

R

136.8 1.6228

205.2 2.9994

273.6 3.9200

342 4.3440

410.4 5.1065

478.8 6.0350

Ahora procedemos a realizar la regresión lineal de R v/s concentración de estándar agregado.

Regresión lineal de R v/s C

0.320026.783

0.01195g

XL

Regresión lineal de R v/s C

Por lo tanto la usando la definición de

AX

B

, por lo tanto

Cromatógrafo Nº1

1.- Calculo de Constante de distribución

Y = A + B * XParameter Value Error------------------------------------------------------------A 0,32006 0,3092B 0,01195 9,36776E-4------------------------------------------------------------R SD N P------------------------------------------------------------0,98793 0,27002 6 2,17752E-4------------------------------------------------------------

Se inyectó 4 veces a 160º C, independientemente, 2 de una solución que contiene C12 (Undecanoato de Metilo), C14 (Tridecanoato de Metilo) y C16 (Pentadecanoato De Metilo) en n-hexano. Se determinaron los tiempos de retención promedio para cada sustancia, para luego con los datos, del grosor del film (dt) de fase estacionaria y el radio de la columna (rc) calcular la constante de distribución (Kc) ¿Qué relación existe entre Kc para cada sustancia y el tiempo de retención ajustado (t’r)?

-Condiciones experimentales:

- Analitos usados: undecanoato de metilo (C12), tridecanoato de metilo (C14) y pentadecanoato de metilo (C16).

- largo de la columna, 5m y es apolar.

- El grosor del film es de 2.65 .

- Temperatura de la columna: 160 ºC.

- Temperatura del detector: 250 ºC.

- Temperatura del inyector: 250 ºC.

- Volumen de inyección: 2µL aproximadamente (para todos los casos).

- Solventes para todas las soluciones: n-hexano y n-heptano.

Datos experimentales

Para realizar el cálculo de Kc se procede calcular el (tiempo muerto)1 (t0), del metano.

inyección t0/min

1 0,079*

2 0,072

3 0,073

4 0,072

Promedio t0 0,0723

*se elimina ese valor, ya que esta muy alejado de los otros datos y por ende puede llevar a errore.

- Se calcula el tiempo de retención promedio para cada sustancia, los datos obtenidos se presentan en la tabla siguiente:

experiencias tr C12 /min tr C14 /min tr C16 /min

1 0.656 1.505 3.546

2 0.644 1.488 3.533

3 0.629 1.472 3.527

4 0.642 1.482 3.522

Promedio tiempo de retención

0.643 1.487 3.532

Ahora se procede a calcular el valor de Kc:

Datos:

= β

También tenemos

Tiempo de retención promedio C14= 1,48575 mín.Tiempo de retención promedio C16= 3,532 mín.Grosor del film de la fase estacionaria (df) = 2.65um = 2.65 x 10-6mTiempo Muerto metano t0= 0,0723 mín.Radio de la columna (rc)= 0.265 mm = 2.65x10-4m

Reemplazando tenemos:

, se aproxima a 49

Con esto procedemos a calcular Kc, para cada analito:

KC12 = = 388.6

KC14 = = 962.986

KC16 = = 2354.72

Se puede encontrar una relación directa entre la constante de distribución y el tiempo de retención ajustado, debido a que a que el tiempo de retención es directamente proporcional a la constante de distribución, o sea, esta en mayor concentración en la fase estacionaria que en la fase móvil.

Analizando los datos podemos ver que el tiempo de retención ajustado del C12 es 0.5707 y Kc12 es 388.6, en contraste para C16 el tiempo de retención ajustado es de 3.4597 y Kc16 es 2354.72, esto nos demuestra que el tiempo de retención, es directamente proporcional a la constante de distribución.

2.-Análisis cuantitativo con el patrón interno

a) Determinación del factor de respuesta (f) a partir de una solución de calibración.

Inyectamos cuatro veces a una temperatura de 160oC una solución que contiene una mezcla con cantidades conocidas de estándar C12, C14 y C16, que en este caso

corresponde a 5 de cada sustancia en 10 ml de n-hexano.El factor de respuesta está definido por :

Donde:Astd: Área del peak del patrón interno.

Cstd: Concentración del patrón interno.

Axi: Área del peak del analito i.

Cxi: Concentración del analito i.

.Datos

Inyecciones Área C12 Área C14 Área C16

1ª 490025 528753 510140

2ª 1218090 1332026 1303286

3ª 850265 903931 856763

4ª 851031 913611 874282

i) Cálculo del factor de respuesta para C12:

1º

2º

3º

4º

Inyección

1ª 0,8057

2ª 0,795

3ª 0,8178

4ª 0,8098

Promedio 0,8071

-El factor de respuesta promedio para C12 con respecto al estándar es de 0.8071

-Cálculo del factor de respuesta para C16:

1.-

2.-

3.-

4.-

Inyección

1.- 1,0854

2.- 1,1007

3.- 1,0663

4.- 1,0766

Promedio 1,0823

Deacuerdo a los datos entregados, el factor de respuesta promedio para C16 con respecto al estándar es de 1.0823.

b) Análisis de una muestra

Inyectamos cuatro veces a 1600C una muestra de 10 ml cuyo solvente es n-hexano y

que contiene 5 de C14 como estándar interno y X e Y cantidades de C12 y C14 respectivamente.

La concentración del componente xi en la muestra está dada por:

Esto implica que ,

Datos:

Concentración C14= 0,00189 M

datos C12 C14 C16

Densidad (g/ml)

0.87 0.867 0.865

Peso Molecular (g/mol)

200.32 228.37 256.42

experimento

1 0,8057 1,0854

2 0,795 1,1007

3 0,8178 1,0663

4 0,8098 1,0766

experimento Área C12 Área C14 Área C16

1 586393 846122 1235623

2 593659 858521 1250721

3 590208 888303 1345575

4 664351 955651 1409944

Con los datos tabulados y usando las formulas anteriores podemos obtener el valor de la concentración de cada analito usando como patrón interno C14, y los mostraremos en la siguiente tabla:

experimento Concentración C12 /M Concentración C16 /M1 0.001626 0.002543

2 0.001644 0.002502

3 0.001536 0.002685

4 0.001622 0.00259

Promedio 0.001607 0.00258

= 1.607 mmoles/L

= 2.58 mmoles/L

Ahora para calcular el volumen en ul de cada analito debemos transformar los datos de concentración realizándolo de esta manera:

C12:

Para C16:

Por lo tanto los volúmenes para X e Y son respectivamente:

Volumen de C12 = 3.7

Volumen de C16 = 7.653

Discusión

La primera observación y por tanto la más lógica es la que trata respecto a la considerable diferencia en el tiempo de retención de ambas columnas según su longitud y la temperatura a la que se encuentran. Dicho tiempo es notoriamente mayor mientras mayor es la longitud y/o la temperatura. Esto se comprueba rápidamente al observar la diferencia entre ambos cromatógrafos utilizados.

Cromatógrafo 1

En la primera sesión se utilizó esta herramienta para realizar el cálculo de la constante Kc. El cálculo realizado nos permitió demostrar con fundamentos que dicha constante (que relaciona el grosor del film de la fase estacionaria, el radio de la columna, tiempo de retención y tiempo muerto) presenta una relación proporcional al tiempo de retención ajustado. Esto lo debemos al hecho de que Kc representa la razón entre la concentración de analito en la fase estacionaria y la concentración de este en la fase móvil; es decir, a mayor cantidad de analito que interacciona con la fase estacionaria, mayor es Kc y, lógicamente, mayor será el tiempo de retención.

En la segunda sesión se buscó cuantificar valores desconocidos de concentración de dos compuestos distintos según un estándar de concentración conocida. Consideramos que este procedimiento presenta una precisión y exactitud mayores en relación a un método de cuantificación debido al análisis de neto de las áreas otorgadas en la medición. Esto, ya que el hecho de que se utilice para la cuantificación una proporción entre resultados de medición (áreas en los gráficos otorgados por el aparato), y que además esta se relacione con un factor de respuesta calculado en forma significativa promediando datos experimentales, disminuye considerablemente el error provocado por equivocaciones o inexactitudes prácticas (por ejemplo, el simple hecho de inyectar la muestra puede inducir errores significativos tras la pérdida de analito, en cambio al utilizar este método la pérdida de analito es proporcional a la pérdida de estándar, lo que permite que al calcular resultados según la razón entre ambos, la cuantificación sea más exacta).

Otro punto rescatable es el hecho de que dentro de una misma familia de compuestos hidrocarbonados, mientras mayor es el número de carbonos, mayor es la interacción con una fase estacionaria apolar y, por tanto, mayor serán los valores de la constante Kc y del tiempo de retención.

Cromatógrafo 2

En la primera sesión utilizamos esta herramienta como método de análisis en la detección y diferenciación de compuestos distintos. El primer punto importante es el comportamiento característico para compuestos pertenecientes a una misma familia. Al relacionar en un gráfico log(tr) versus PM notamos de inmediato que los compuestos pentano, n-hexano y n-heptano presentaban un comportamiento muy cercano a la linealidad, mientras que al tomar en cuenta los datos obtenidos con benceno (que no pertenece a la misma familia de los tres compuestos anteriores) la linealidad se perdía de forma indiscutible.

El segundo punto trata de la dependencia entre la temperatura y la resolución de los gráficos otorgados por el aparato. Al aumentar la temperatura de la columna, los tiempos de retención de todos los compuestos disminuyen, de esta forma la capacidad de diferenciar entre dos o más compuestos comienza a desaparecer, llegando finalmente a anularse. Esta afirmación se fundamenta en el gráfico de tr v/s temperatura; en él se observa que al ir aumentando la temperatura los tiempos de retención son cada vez más cercanos (resolución disminuye), dificultando la diferenciación en la detección de sustancias. Para solucionar este problema se debe trabajar con temperaturas bajas.

El tercer y último punto nos otorga otra forma de solucionar el problema de resolución provocado por las temperaturas. Al realizar el programa de temperatura que se explica en el procedimiento se logra conjugar la solución de los problemas en el tiempo y en la resolución de las señales. Esto ya que variando paulatinamente la temperatura se logran detectar compuestos que eluyen a baja temperatura en primera instancia, y luego ver de forma clara y diferenciada las señales producidas por compuestos que tienen un tiempo de retención más largo, todo esto en un tiempo menor al que se utiliza en una medición común de isoterma.

En la segunda sesión se cuantificaron las señales de los analitos en cuestión a través del método de adición de un estándar. La gran ventaja que presenta este método es la eliminación del efecto producido por interferentes, permitiendo obtener los resultados buscados a base de cálculos simples.

Además, en dicha sesión de utilizó el denominado índice de Kovats para la identificación de un determinado compuesto. Este método de detección es ventajoso respecto a otros ya que permite identificar un compuesto específico sin importar las condiciones en que se trabaja (tipo de cromatógrafo, temperatura, etc.), lo que implica una ayuda considerable en el proceso de identificación. Lo que podríamos rebatir en cuanto a su conveniencia sería que es necesario conocer datos teóricos presentes en la literatura, hecho que otros métodos de detección no requieren.

Conclusión

En forma general, si nuestro objetivo es detectar y diferenciar compuestos, la forma que consideramos adecuada es utilizar un cromatógrafo de longitud de columna considerablemente mayor y con una temperatura lo suficientemente baja. Si se quiere privilegiar el tiempo es aún más adecuado utilizar un programa de temperaturas para esto. Ahora bien, si queremos solucionar los errores provocados por las variaciones en las condiciones del cromatógrafo, lo mejor es trabajar con índice de Kovats.

Por otra parte, si buscamos cuantificar uno o varios compuestos determinados, consideramos que el método de adición estándar nos entrega un resultado cercano a la realidad y resuelve de manera eficiente los errores provocados por interferentes.