Relatório 5 - Cromatografia de troca iônica - Separação de íons Cu2+ e Co2+ PDF

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O Objetivo do experimento é desenvolver a técnica de cromatografia líquida
de troca iônica, visando a Separação de íons Cu2+ e Co2+. A partir da eluição do produto, observamos a concentração dos íons por Uv Vis...

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO FACULDADE DE FILOSOFIA, CIÊNCIAS E LETRAS DE RIBEIRÃO PRETO – DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

CROMATOGRAFIA LÍQUIDA POR TROCA IÔNICA

Separação de íons Cu2+ e Co2+

Alunos: Gustavo Silveira Toldo 10732941 André Limãos Almeida 10732788 Professor(a): Maria Eugenia Queiroz Nassur

Ribeirão Preto 2020

1. OBJETIVOS O Objetivo do experimento é desenvover a técnicia de cromatografia líquida de troca iônica, visando a Separação de íons Cu2+ e Co2+ 2. INTRODUÇÃO A cromatografia é um método físico-químico que permite a separação de componentes de uma mistura, através da distribuição destes componentes em duas fases. Em todas as separações cromatográficas, a amostra é dissolvida numa fase móvel (líquido ou gás). A fase móvel é então forçada através de uma fase imiscível, fase estacionária, a qual é fixa na coluna. Os componentes que são fortemente retidos pela fase estacionária movem devagar com o fluxo da fase móvel. Por outro lado, os componentes que interagem fracamente com a fase estacionária movem mais rapidamente. Como consequência dessas migrações diferenciadas, os vários componentes da mistura se separam em bandas discretas e podem ser analisados qualitativamente ou quantitativamente. A classificação da cromatografia quanto ao método de separação se devem aos diferentes processos físico-químicos, que são a adsorção, a partição, a troca iônica, a exclusão ou misturas desses mecanismos. Na cromatografia de troca iônica, a separação é baseada na adsorção reversível de moléculas do soluto carregadas com um grupo trocador de íons imobilizado na resina de carga oposta. A mistura de solutos é separada em consequência das diferenças de carga iônica (sinal e magnitude), assim solutos com interação mais fraca com o grupamento trocador acabam ligando-se menos à resina e saem primeiro da coluna, e solutos que apresentam ligação mais intensa com a fase estacionária saem por último. Logo, para que fossem eluídos, deveriam ser utilizados solventes com maior força iônica. Assim conclui-se, que analitos com diferentes afinidades daquela das resinas dos trocadores iônicos são injetadas dentro de uma coluna de troca iônica, aquelas com maior afinidade com as cargas fixadas migrarão através da coluna mais lentamente, assim a retenção é reduzida aumentando a concentração dos íons competidores na fase móvel, e portanto a

retenção e a seletividade da separação podem ser influenciadas pelo tipo de íon competidor e sua carga, e/ou pela mudança de carga dos íons do analito, ou também pela alteração do pH. 3. MÉTODOLOGIA 3.1 Preparo da Coluna Cromatográfica. O preparo da coluna cromatográfica foi realizado previamente pelos técnicos responsáveis no laboratório, conforme a metodologia indicada para tal procedimento. Duas colunas de 10 mL foram preparadas: uma para utilização da solução tampão citrato de sódio/ácido cítrico 0,2 mol/L pH=3,5; e outra para a solução tampão citrato de sódio/ácido cítrico 0,2 mol/L pH=5,5. 3.2 Aplicação e eluição da amostra. Foi adicionado à coluna cromatográfica, com o auxílio de uma micropipeta, 0,5 mL da amostra contendo os íons Co2+ e Cu2+ e, em seguida, foi iniciada a eluição dos analítos, controlando a vazão para 1,0 mL/min (20 gotas corresponde a ~1 mL), utilizando as soluções tampão de pH= 5,5 e pH=3,5, para sua respectiva coluna, logo após a amostra atingir o topo da coluna de resina. Coletou-se as alíquotas de aproximadamente 2,0 mL em tubos de ensaio identificados para posterior análise no espectrofotômetro, de forma que cada alíquota fosse analisada nos comprimentos de ondas de 510 nm e 680 nm, utilizando a solução tampão correspondente como branco de referência. Salientando a importância da coluna cromatográfica nunca ficar sem solução para evitar o ressecamento da mesma. 3.3 Análise espectrofotométrica dos cátions. Foram realizadas as leituras das absorbâncias de todas as frações de amostra recolhidas, utilizando o tampão citrato correspondente como branco. A absorção em 510 nm para o íon Co2+ e em 680 nm é devido para o íon Cu2+.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Neste experimento foi avaliado o efeito do pH na eluição das amostras, por meio dos valores de absorbância de cada fração de amostra, para as duas colunas, utilizando as soluções tampão citrato de sódio/ácido cítrico 0,2 mol/L pH=3,5 e pH=5,5, analisadas nos comprimentos de onda 510 nm e 680 nm, cujo resultados estão representados nas Tabelas 1 e 2. Tabela 1 Leituras de absorbância das frações eluidas com solução tampão citrato pH 3,5.

Frações

𝝀 = 𝟔𝟖𝟎 𝒏𝒎

𝝀 = 𝟓𝟏𝟎 𝒏𝒎

1

0

0,008

2

0,003

0,001

3

0,039

0,008

4

0,426

0,009

5

0,031

0,011

6

0,032

0,002

7

0,01

0,011

8

0,004

0,033

9

0

0,058

10

0

0,065

11

0

0,058

12

0

0,033

13

0

0,011

Tabela 2 Leituras de absorbância das frações eluidas com solução tampão citrato pH 5,5.

Frações

𝝀 = 𝟔𝟖𝟎 𝒏𝒎

𝝀 = 𝟓𝟏𝟎 𝒏𝒎

1

0

0,005

2

0

0,005

3

0,775

0,002

4

0,063

0,165

5

0,032

0,064

6

0,020

0,014

7

0,010

0,005

8

0,006

0,004

9

0,002

0

10

0

0,005

11

0

0,015

12

0

0

0

13

0

A partir destes dados apresentados nas Tabelas 1 e 2, foi possível a realização dos respectivos cromatogramas, representados pelas Figuras 1 e 2. Figura 1 Cromatograma referente a tabela 1. =680nm =510nm

Absorbância u.a

0,4

0,2

0,0

0

2

4

6

8

10

12

14

Frações

Figura 2 Cromatograma referente a tabela 2. =nm =nm 0,8 0,7 0,6

Absorbância u.a

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 -0,1 0

2

4

6

8

Frações

10

12

14

Analisando a Figura 1 é possível observar que o primeiro cátion a ser separado foi o Cu2+ no comprimento de onda de 680nm, podendo concluir que os íons Co2+ interagem mais intensamente com a resina, ficando retidos por mais tempo na coluna. Isso acontece pois os trocadores de íons, geralmente, favorecem a ligação com íons com carga maior, raio iônico hidratado menor e polarizabilidade maior. Visto que os cátions analisados apresentam a mesma carga, o fator determinante da intensidade da interação com a fase estacionária é tamanho do raio iônico hidratado. O Raio de hidratação de um íon de uma espécie química presente em uma solução aquosa é definido como, o raio efetivo do íon somado a espessura da camada de moléculas de água ligadas ao íon, assim quanto maior a carga o íon possuir mais moléculas de água serão atraídas, portanto maior o raio de hidratação. A partir da análise do tamanho do raio iônico hidratado é possível correlacionar à adsorção dos íons: quanto maior o raio iônico hidratado mais solubilizado estará o íon na fase móvel, logo sua interação com a fase estacionária será menor. Sendo assim, a maior interação do Co2+ com a resina de troca iônica acontece porque seu raio hidratado é menor do que o do Cu2+, fazendo com que a interação dos cátions Co2+ com a resina seja maior. A fase móvel utilizada nesse experimento é composta por grupos sulfônicos quimicamente ligados que atuam como trocadores de cátions. Isso porque, inicialmente é absorvido os íons Na+ presentes na fase móvel (solução tampão citrato de sódio/ácido cítrico), mas que, conforme a amostra é injetada, contendo os íons Co2+ e Cu2+, estes fazem com que os íons Na+ sejam eluidos, uma vez que este último possuí carga inferior em relação aos íons da amostra. À medida que a fase móvel percorre a coluna cromatográfica, os íons Co 2+ e Cu2+ que foram responsáveis pelo deslocamento dos íons Na+ e ficaram adsorvidos na fase estacionária, formaram complexos com os íons citrato do

tampão componente da fase móvel, e somente depois de formarem os complexos, foram deslocados e eluídos. Para verificar o efeito do pH da fase móvel na separação cromatográfica dos cátions, foi feita a análise das diferenças entre os dois cromatogramas: o primeiro com a fase móvel de solução tampão pH= 3,5, e o segundo com a fase móvel de solução tampão pH= 5,5. Na comparação entre eles, foi possível observar que utilizando o tampão pH= 5,5 como fase móvel a eluição foi mais rápida, isso porque nessa solução há mais íons citrato para serem ligados aos íons Co2+ e Cu2+ formando, assim, mais complexos bivalentes metálicos, e os íons metálicos serão eluídos mais rapidamente, entretanto quase não houve separação entre os cátions. Já com o tampão pH= 3,5 demonstrou uma separação bem nítida entre os picos de eluição correspondentes a cada analito, um fato que também pôde ser observado visualmente, devido à separação das colorações desses analitos, de forma que as frações de amostra contendo o Cu2+ apresentaram coloração azul, enquanto as frações contendo o Co2+ que foram retiradas posteriormente eram roxas. A diminuição do pH do tampão eluente causa o aumento da carga líquida, devido à maior concentração de íons H+ no tampão de pH= 3,5, o que dificulta a eluição da amostra. Assim, pôde-se notar que o tampão citrato 3,5 é uma fase móvel mais eficiente para a separação desses dois íons. Após a análise, e considerando os fatores apresentados acima, foi realizado os cálculos referentes a resolução cromatográfica que estão demonstrados a seguir na tabela 3.

Tabela 3 Medidas de tempo de retenção (Tr) e largura do pico (Wb) referente aos cromatogramas 1 e 2.

pH = 3,5

pH = 5,5

Tr1

2,0cm

Tr1

1,7cm

Tr2

5,2cm

Tr2

2,3cm

Wb1

1,0cm

Wb1

1,1cm

Wb2

3,0cm

Wb2

1,7cm

A partir dos dados coletados expressados na tabela 3, é possível calcular o numero de pratos teóricos para cada pico com auxílio da Equação 1, e a resolução do cromatograma com a Equação 2. Equação 1 Número de pratos teóricos

𝑇𝑟 2 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑎𝑡𝑜𝑠 = 16 ( ) 𝑊𝑏 Equação 2 Resolução do cromatograma

𝑅𝑠 =

2(𝑇𝑟2 − 𝑇𝑟1 ) 𝑊𝑏1 + 𝑊𝑏2

Para o pH = 3,5 𝑅𝑠 =

2(5,2 − 2) = 1,6 1+3

Para o pH = 5,5 𝑅𝑠 =

2(2,3 − 1,7) 1,1 + 1,7

= 0,43

A partir dos cálculos de resolução cromatográfica, foi possível confirmar a ideia que o cromatograma onde há a melhor diferenciação entre os picos é o

mesmo que apresenta melhor resolução cromatográfica, ou seja, a coluna cuja fase móvel foi o tampão de pH=3,5 apresentou melhor separação dos íons. 5. CONCLUSÃO Com esse experimento, foi possível aprender sobre a técnica de cromatografia por troca iônica, estudando o método e entendendo a importância de cada variável presente. Os resultados indicaram primeiro a eluição do íon cobre e em seguida a do íon cobalto, conseguindo identificar suas propriedades de carga e de raio iônico hidratado. 6. QUESTÃO Um exemplo clássico da aplicação da cromatográfica líquida por troca iônica é a separação do níquel, manganês, cobalto, cobre, ferro e zinco utilizando-se uma coluna de troca aniônica. A eluição foi realizada com HCl em concentrações, que variaram de 12,0 a 0,005 mol L-1. A Figura 1 abaixo ilustra essa separação:

Figura 3 Separação de metais de transição (Mn a Zn) a concentrações variáveis de HCl. Coluna Dowex 1, 26 x 0,29 cm, operada a uma vazão de 30 mL h-1. Concentrações de HCl: 1 = 12 mol L-1; 2 = 6 mol L-1; 3 = 4 mol L-1; 4 = 2,5 mol L-1; 5 = 0,5 mol L-1; 6 = 0,005 m

Explique a ordem de eluição dos cátions.

Diferente da coluna utilizada no experimento (troca catiônica), a coluna do exemplo apresenta resina de troca aniônica, fazendo com que os ions que apresentam carga mais positiva e raio iônico hidratado saiam primeiro.

7. REFERENCIAS Collins, C. H. & Braga, G. L. Introducao a metodos cromatograficos. (1997). HARRIS, D., Análise Química Quantitativa, 6ª ed., Rio de Janeiro: LTC Editora, 2008....