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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALEscuela Superior de Ingeniería Químicae Industrias ExtractivasAcademia de Química AnalíticaLaboratorio de Técnicas de SeparaciónOptativa IIIPráctica 3“Influencia de la Temperatura del horno y Presióndel gas portador en la respuesta del cromatógrafo”Alumno: Castillo de l...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas

Academia de Química Analítica

Laboratorio de Técnicas de Separación Optativa III

Práctica 3 “Influencia de la Temperatura del horno y Presión del gas portador en la respuesta del cromatógrafo”

Alumno: Castillo de la Cruz Benjamin

Profesor: Luis Camacho

Objetivos 

Inyectar cantidades constantes de analito a diferentes temperaturas de columna para observar cómo afecta a las respuestas del CG.



Inyectar cantidades constantes de analito a diferentes presiones de gas acarreador para observar cómo afecta a las respuestas del CG.



Explicar las razones de las diferentes respuestas del cromatógrafo, con base en la teoría de cromatografía de gases y los parámetros que se modifican.

Introducción La influencia de la temperatura de la fase estacionaria en la elución de los analitos Las fases estacionarias en cromatografías de gases juegan un papel decisivo, puesto que la fase móvil es inerte. Estas son su mayoría liquidas como ya se ha comentado y deben cumplir una serie de requisitos:  Baja volatilidad: su temperatura de ebullición debe estar al menos 100 °C, por encima de la temperatura máxima de trabajo.  Deben ser estables a temperaturas elevadas  Deben ser químicamente inertes(no reaccionar) Existe una gran variedad de fases estacionarias liquidas. La selección de una u otra suele hacerse empíricamente. Debe buscarse que la fase estacionaria disuelva los componentes de la mezcla separar de forma diferente, que no quede muy retenido ni se disuelva a lo semejante. Así, se utilizan fases estacionaria polares para separar compuestos polares, dichas fases suelen tener grupos tipo –CN, -CO, -NH. Las fases estacionarias apolares. En GC se emplean dos tipos de columnas: las empacadas o de relleno y las tubulares abiertas o capilares. Estas últimas son más comunes en la actualidad debido a su mayor rapidez y eficiencia. La longitud de estas columnas es variable, de 2 a 60 metros, y están construidas de acero inoxidable, vidrio, sílice fundida o teflón. Debido a su longitud y a la necesidad de introducirlas en un horno, las columnas suelen enrollarse en una forma helicoidal con longitudes de 10 a 30 cm, dependiendo del tamaño del horno. La temperatura es una variable importante, ya que de ella va a depender el grado de separación de los diferentes analitos. Para ello, debe ajustarse con una precisión de décimas de grado. Dicha temperatura depende del punto de ebullición del analito o analitos, como también la máxima temperatura de funcionamiento de la columna

(fase estacionaria), y por lo general se ajusta a un valor igual o ligeramente superior a él. Para estos valores, el tiempo de elución va a oscilar entre 2 y 30-40 minutos. Si tenemos varios componentes con diferentes puntos de ebullición, se ajusta la llamada rampa de temperatura con lo cual ésta va aumentando ya sea de forma continua o por etapas. En muchas ocasiones, el ajustar correctamente la rampa puede significar separar bien o no los diferentes analitos. Es recomendable utilizar temperaturas bajas para la elución, ya que aunque a mayor temperatura la elución es más rápida, se corre el riesgo de descomponer el analito. Se puede programar la rampa tanto para aumentar como para disminuir la temperatura del horno para que no haya solapamiento de los picos. Además del empleo de líquidos no volátiles como fases estacionarias, es cada vez más frecuente el uso de fases enlazadas. Se trata de moléculas unidas covalentemente al soporte sólido para minimizar la perdida de fase liquida de la columna. La columna cromatográfica se encuentra en el interior de un horno termostatizado, ya que la temperatura es una variable crucial en las separaciones por cromatografía de gases. La temperatura afecta el equilibrio de distribución de los analitos entre la fase móvil y estacionaria. Cuando se aumenta la temperatura de la columna se acelera la elución. La temperatura óptima reflejara un equilibrio entre la consecución de la resolución necesaria y la velocidad de la separación. Puede trabajarse a temperatura constante (isotérmicamente) o con programación de temperaturas (en gradiente o rampa de temperatura). Esta última modalidad permite separar grupos de compuestos con volatilidad muy variada en periodos de tiempo más breves. Las columnas cromatográficas se enrollan y sujetan en una canasta que se monta en el interior de un horno. El horno de la columna debe poder ser calentado y enfriado rápidamente. Esto requiere de un sistema de flujo de aire adecuado y bien diseñado.

En la mayoría de los diseños el chorro de aire pasa a través de las resistencias de calentamiento, después por medio de deflectores que conforman la pared interior del horno, pasan por la columna y de vuelta al ventilador para recalentarse y recircular. Los hornos se construyen usualmente con acero inoxidable delgado. Para la programación de temperatura es deseable disponer de un intervalo de velocidades de programación desde 0. 1 hasta 50ºC/min. Debe ser posible sostener la temperatura en cualquier momento dentro del programa durante un tiempo. En general, la resolución óptima se asocia con una menor temperatura; sin embargo, la consecuencia de una reducción de temperatura es un aumento en el tiempo de elución, y por tanto del tiempo que se necesita para completar un análisis. Las temperaturas iniciales subambientales son útiles cuando se trabaja con columnas capilares. Las temperaturas se deben mantener alrededor de la temperatura deseada con precisión de ± 1ºC en el caso de trabajo isotérmico y de ± 2ºC. Durante la programación de temperatura.

Temperatura y coeficiente de reparto termodinámico

El coeficiente de reparto termodinámico es en realidad la constante de equilibrio de la reacción

Donde los subíndices M y S se refieren a la fase móvil y a la fase estacionaria, respectivamente. Un valor de K mayor que uno sugiere que el compuesto tiene preferencia por estar en la fase estacionaria, mientras que un valor de K menor que uno sugiere que el compuesto prefiere estar en la fase móvil.

La reacción de reparto, tal como está escrita anteriormente, es normalmente una reacción exotérmica. Esto quiere decir que así como el compuesto va a la fase estacionaria se desprende calor. El principio de Le Chatelier nos dice que el equilibrio se desplazará a la izquierda si damos calor al sistema. Por lo tanto, a una mayor temperatura es de esperar un menor valor de K y más cantidad de compuesto presente en la fase móvil. Nota: La consideración anterior sólo refleja las condiciones de equilibrio en la columna. Normalmente as condiciones de la separación son tales que el equilibrio no puede llegar a establecerse y el razonamiento anterior no se cumple totalmente en condiciones reales. El efecto cualitativo que a mayor temperatura -> más cantidad de compuesto en la fase móvil sí que se mantiene. Temperatura y establecimiento del equilibrio De acuerdo con la teoría cinética molecular, la temperatura puede considerarse como una medida de la velocidad de las partículas (realmente la raíz cuadrada de la velocidad media). Esto quiere decir que a mayores temperaturas las partículas tendrán más velocidad y la velocidad de difusión de los compuestos también aumentará. Si nos restringimos al caso más sencillo una columna tubular de paredes recubiertas, p.e. no hay partículas empaquetadas en la dirección del flujo, la difusión puede ocurrir en dos direcciones: Difusión Esto

paralela

causa

el

a

la

fase

ensanchamiento

de

estacionaria todo

el

(difusión material

en

longitudinal) la

columna

independientemente de las interacciones que pueda tener con la fase estacionaria. Por lo tanto a mayor temperatura causará un ensanchamiento de los picos y empeorará la cualidad de la separación. Difusión perpendicular a la fase estacionaria. Esta es la difusión que permite el establecimiento de que el equilibrio de reparto pueda alcanzarse, y como tal afecta la retención de los materiales en la columna. Por lo tanto, a una temperatura mayor el equilibrio se establecerá más rápidamente y ayudará a una mejor separación.

Ambas formas de difusión se afectan igualmente por cambios en la temperatura, pero tienen efectos opuestos sobre la separación de los compuestos. Estas consideraciones sólo se refieren a la velocidad de difusión. El ensanchamiento total de la muestra de los compuestos en la columna, y por lo tanto del pico en el cromatograma, está también determinado por la cantidad de tiempo en que la difusión puede darse, p.e. cuánto tiempo está el material en la columna.

La influencia de la presión o velocidad de flujo de la fase móvil en la elución de los analitos

El comportamiento cromatográfico de un soluto puede describirse de diversas formas. Para cromatografía en columna, el volumen de retención, VR, (o el correspondiente tiempo retención, tR) y la razón de reparto, k', son los términos que se utilizan con más frecuencia. Variando las combinaciones de fase estacionaria fase móvil y varios parámetros operación, el grado de retención se puede cambiar de cerca de la retención total hasta estado de migración libre. 2.2.1. Comportamiento de retención

El comportamiento de retención refleja la distribución del soluto entre la fase móvil y estacionaria. La Fig. 2.1 muestra la separación de dos alquenos isoméricos. El volumen de fase móvil necesario para transportar la banda de soluto desde el punto de inyección a través de la columna, hasta el detector (en el máximo del pico del soluto) se define como volumen de retención, VR. Se puede obtener directamente del cromatograma multiplicando el tiempo de retención correspondiente, tR , por el gasto o flujo volumétrico, Fc expresado como el volumen de fase móvil por unidad de tiempo:

VR = tR·Fc

De marcada influencia en el flujo volumétrico es la porosidad total del relleno (empaque) de la columna. La porosidad expresa la razón del volumen intersticial del relleno respecto al volumen de su masa total. Para empaques sólidos la porosidad total es 0.35-0.45, mientras que para empaques porosos es de 0.70-0.90. En las columnas capilares el valor de la porosidad, es la unidad. La velocidad lineal promedio, u, de la fase móvil, u = L/tM Donde tM representa el tiempo de tránsito de un soluto no retenido,. (L representa la longitud de la columna). En cromatografía interactiva ningún material puede eluir antes de este tiempo. Cuando se convierte a volumen, VM representa lo que se conoce como espacio muerto, volumen vacío o de retraso de la columna. Incluye las contribuciones efectivas del volumen del inyector, de cualquier tubería de conexión, de la columna en sí y del detector.

El volumen, V´R o el tiempo, t´R de retención ajustados, están dados por' V´R = VR – VM

y

t´R = tR – tM

Coeficiente de distribución o de reparto Cuando un soluto entra al sistema cromatográfico inmediatamente se reparte o distribuye entre la fase móvil y la estacionaria. Si la fase móvil se para en cualquier, momento, el soluto establece un equilibrio de distribución entre las dos fases. La concentración en fase está dada por el coeficiente termodinámico de reparto: K = CS/CM Donde CS, y CM son las concentraciones de soluto en la fase estacionaria y móvil, respectivamente. Cuando K = 1, el soluto se encuentra igualmente distribuido entre las dos fases. El coeficiente de reparto determina la velocidad promedio de cada zona de soluto conforme la fase móvil avanza a lo largo de la columna. Factor de capacidad El factor de capacidad k´ es la cantidad más importante en cromatografía en columna. Relaciona el equilibrio de distribución de la muestra dentro de la columna con las propiedades termodinámicas de la columna y con la temperatura. Para un conjunto dado de parámetros de operación, k´ es una medida del tiempo transcurrido en la fase estacionaria en relación con el tiempo transcurrido en fase móvil. Se define como el cociente de los moles de un soluto en la fase estacionaria entre los moles en la fase móvil: k´= (CS VS )/( CM VM ) = K VS / VM La razón volumétrica de fases VM / VS, se denota usualmente por β. Así, k' =K/β. Dicho de otra forma, el factor de capacidad es el tiempo adicional que una banda de soluto requiere para eluir, en comparación con un soluto no retenido (para el cual k´=0), dividido entre el tiempo de elución de una banda no retenida:

Para valores de k' mayores que 10 se desperdicia tiempo analítico valioso. Los valores menores que la unidad no proporcionan una resolución adecuada entre los solutos de elución temprana.

Ecuación de Van Deemter La ecuación de Van Deemter en cromatografía relaciona la variación por unidad de longitud de una columna de separación con la velocidad de fase móvil lineal considerando las propiedades físicas, cinéticas y termodinámicas de una separación. Estas propiedades incluyen vías dentro de la columna, difusión (axial y longitudinal) y cinética de transferencia de masa entre fases estacionarias y móviles. En la cromatografía de líquidos, la velocidad de la fase móvil se toma como la velocidad de salida, es decir, la relación del caudal en ml / segundo al área de la sección transversal de la "trayectoria de flujo de salida de columna". Para una columna empaquetada, el área de la sección transversal de la trayectoria de flujo de salida de la columna generalmente se toma como 0,6 veces el área de la sección transversal de la columna. Alternativamente, la velocidad lineal puede tomarse como la relación de la longitud de la columna al tiempo muerto. Si la fase móvil es un gas, entonces se debe aplicar la corrección de presión.

La variación por unidad de longitud de la columna se toma como la relación entre la longitud de la columna y la eficiencia de la columna en placas teóricas . La ecuación de Van Deemter es una función hiperbólica que predice que hay una velocidad óptima a la que habrá la varianza mínima por unidad de longitud de la columna y, por lo tanto, una eficiencia máxima. La ecuación de Van Deemter fue el resultado de la primera aplicación de la teoría de la velocidad al proceso de elución de la cromatografía.

La ecuación de van Deemter Relaciona la altura equivalente a una placa teórica (HETP) de una columna cromatográfica con los diversos parámetros de flujo y cinéticos que causan la ampliación del pico, como sigue:

Donde 

HETP = una medida del poder de resolución de la columna [m]



A = parámetro de difusión turbulenta, relacionado con la canalización a través de un embalaje no ideal [m]



B = coeficiente de difusión de las partículas que eluyen en la dirección longitudinal, lo que resulta en la dispersión [m² s-1 ]



C = Resistencia al coeficiente de transferencia de masa del analito entre la fase móvil y la estacionaria [s]



u = Velocidad lineal [ms−1]

Procedimiento experimental a) Hacer referencia a la práctica anterior debido a que en ella se menciona el procedimiento para realizar el Encendido del equipo Autosystem XL y limpieza de la columna (proceso descrito en la práctica 1) b) Escribir el diagrama de bloques de cómo se usa una jeringa de cromatografía para ingresar la muestra en el equipo CG, usando viales con septa (tapa perforable).

Utilizamos un vaso de precipitados de 10 mL

Usamos un estandar de alcohol etilico

Eligo el vial a utilizar

Vamos a elegir un cromatograma que y hayamos usado

buscaremos un método y cambiamos las condiciones a las que vayamos a trabajar

Guardamos el método "Método de analisis estandar de Etanol"

Perforamos el vial

Hacemos lavados de la jeringa (5 veces)

hacemos bombeos dentro del vial de manera recta

Se llena un poco mas de lo que vamos a inyectar

Se inyecta de manera vertical, agarrando de manera vertical

Se presiona "RUN", sacamos jeringa del puerto de inyección

Solo se deja 5s la jeringa

c) Creación de un método de análisis usando el programa Total Chrom a partir de un método existente, para realizar las inyecciones de estándar con cambios en la temperatura del horno. 1. Crear un método o usar uno que ya este guardado en el sistema.

2. Dar c el progr

3.

Una vez abierta la ventana con todas las pestañas para modificar el

método proceder a meter las condiciones específicas para la lectura de etanol @ diferentes temperaturas. o Se ocupará el programa guardado en la práctica 2 y lo único que se va a modificar será la temperatura del horno @120°C 4. Acabando de modificar el programa se da OK, después se agrega una descripción específica. “Etanol120” 5. Aparecerá después en resumen de todos los cambios efectuados al método. Procedemos a cambiarle el nombre al archivo guardado anteriormente.

6. Ejecutar el programa guardado en la pestaña siguiente y elegir el programa correspondiente cuando aparezca la nueva ventana. Elegir también en donde se desea que se guaren los archivos del análisis y el nombre base para el mismo.

7. Dar en OK y listo, el programa ya está instalado en el cromatógrafo. 8. Repetir la secuencia a diferentes temperaturas para ver la variación en las inyecciones @ diferentes temperaturas.

d) Creación de un método de análisis usando el programa Total Chrom a partir de un método existente, para realizar las inyecciones de estándar con cambios en la presión del gas portador. 1. Crear un método o usar uno que ya este guardado en el sistema.

2. D el p

editar

3.

Una vez abierta la ventana con todas las pestañas para modificar el

método proceder a meter las condiciones específicas para la lectura de etanol @ diferentes presiones. Se trabajara de manera isotérmica a 85°C. 

Se ocupará el programa guardado en la práctica 2 y lo único que se va a modificar será la presión del gas acarreador.

4. Acabando de modificar el programa se da OK, después se agrega una descripción específica. “Etanol25” 5. Aparecerá después en resumen de todos los cambios efectuados al método. Procedemos a cambiarle el nombre al archivo guardado anteriormente.

6. Ejecutar el programa guardado en la pestaña siguiente y elegir el programa correspondiente cuando aparezca la nueva ventana. Elegir también en donde se desea que se guaren los archivos del análisis y el nombre base para el mismo.

7. Dar en OK y listo, el programa ya está instalado en el cromatógrafo. 8. Repetir la secuencia a diferentes temperaturas para ver la variación en las inyecciones @ diferentes presiones del gas acarreador.

e) Apagado del cromatógrafo. El procedimiento experimental sobre el apagado del cromatógrafo de gases se encuentra en la práctica 1 “Partes y funcionamiento de un CG (Cromatógrafo de gases) Autosystem XL.”

Resultados experimentales Tabla 1. @ Diferentes temperaturas de horno. Inyecciones de 0.3μL de estándar etanol a 25°C a diferentes temperaturas de horno. Rango=1

Split=abierto

Pcarr= 15psi

Volumen(μL)

Thorno (°C)

Tret (min)

Área(μVs)

Altura (μV)

A/h (s)

0.3

85

2.068

509165

73376

6.9391

0.3

120

1.693

529522

96187

5.5051

0.3

160

1.684

543114

113557

4.7828

0.3

200

1.711

602268

133344

4.5166
...