. Introducción teórica En la cromatografía de gases la muestra se volatiliza y se inyecta en la cabeza de columna utilizando un gas inerte como fase móvil. Actualmente hay desarrollados dos tipos de cromatografía de gases: -.gas-sólido -.gas-líquido No obstante es la cromatografía gas-líquido la que tiene un uso más extendido debido a que la cromatografía gas-sólido presenta problemas de adsorción semipermanente, lo cual origina colas en los picos. La cromatografía G/S se basa en la distribución del analito entre una fase móvil gaseosa y una fase estacionaria líquida inmovilizada sobre un soporte inerte. Entre los múltiples gases que se utilizan los más frecuentes son el nitrógeno, el helio o el hidrógeno. El gas debe ser inerte respecto al analito y a la columna. Normalmente es el tipo de detector usado el que determina el gas a usar. En el transcurso de esta práctica se va a usar una columna capilar, por lo que nos centraremos en el estudio de las mismas. Se pueden distinguir dos tipos básicos de columnas capilares, de pared recubierta y recubierta con soporte. EL primer tipo se caracteriza porque la fase líquida se encuentra directamente sobre la pared interna del capilar formando una fina capa, mientras que en el segundo caso la superficie interna del capilar está recubierta de una capa delgada de material soporte como puede ser tierra de diatomeas. La ventaja de las columnas capilares recubiertas con soporte respecto a las de pared recubierta es que las primeras presentan una mayor capacidad de carga aunque por lo general las columnas de pared recubierta son más eficaces que las de soporte añadido. En la actualidad se usan columnas de pared recubierta fabricadas con sílice fundida. Éstas columnas son mucho más flexibles, lo cual permite doblarlas de forma helicoidal con un diámetro de algunos centímetros. Puesto que la temperatura de columna es una variable critica para conseguir una separación lo más exacta posible es necesario controlarla con una precisión de décimas de grado por lo cual las columnas se fabrican para que puedan ser introducidas en hornos termostatizados. La temperatura óptima de columna depende de del punto de ebullición de la muestra y del grado de separación requerido. En el caso de que los componentes de la muestra presenten un amplio intervalo de temperaturas resulta conveniente utilizar una programación de la temperatura, con lo cual se aumenta la temperatura ya sea de continuo o por etapas.
En este caso se va a utilizar como detector un Detector de Ionización de Llama (FID), que es uno de los más usados en cromatografía de gases. En un quemador el efluente de la columna se mezcla con hidrógeno y con aire para encenderlo eléctricamente. En este encendido eléctrico se origina una gran cantidad de iones procedentes de la pirolización de los compuestos orgánicos a la temperatura de la llama. Aplicando una diferencia de potencial entre el extremo del quemador y un electrodo colector situado por encima de la llama se genera una corriente que se dirige a un amplificador operacional para su mediada. Se ha determinado que el número de iones que se produce en la llama es relativamente proporcional al número de átomos de carbono reducidos en la llama, es decir el FID responde al número de átomos de carbono que entra en el detector por unidad de tiempo. Finalmente hay que decir que este detector es insensible a gases no oxidables como son HO, CO, SO y NO x. Esto hace del detector de ionización de llama uno de los más usados en el análisis de compuestos orgánicos, incluyendo aquellos que se encuentran contaminados con agua o con óxidos de nitrógeno o azufre.
3. Descripción del procedimiento El primer paso a realizar en la determinación de la mezcla de alcanos es realizar la elección de un estándar interno. Para esta elección se han de realizar dos cromatogramas distintos, el primero a partir de una disolución de alcanos 3 mg.g - preparar una disolución con una concentración aproximada de 5 µg.g -, para ello se realizan las siguientes pesadas en un vial de 4 ml: Compuesto Masa (g) Alcanos (3 mg.g - ),98 n-hexano,474 Total,557 Aplicando: Masa * Concentración = Masa * Concentración Concentración alcanos = 5.6 µg.g - El segundo cromatograma que hay que realizar es el de una disolución con posibles patrones internos que superpuesta sobre el anterior cromatograma nos determinara qué compuesto es el mejor estándar interno, dicho compuesto se debe encontrar diferenciado de los de la muestra de alcanos pero a la vez próximo. La disolución formada también debe ser de aproximadamente 5 µg.g - de cada uno de los posibles estándares internos. Se realizaron las siguientes pesadas en un vial de 4 ml, obteniéndose las siguientes concentraciones: Compuesto Masa (g) Concentración (µg.g - ) Isooctano.377 8.4 Undecano.5 55. Tetradecano.59 34.6 n-hexano.477 Total.4694 Al superponer los dos cromatogramas obtenidos elegimos como patrón interno el undecano por estar entre medio de los compuestos a determinar y por no superponerse con ninguno de ellos. Posteriormente debemos proceder a la preparación de la recta de calibrado que nos permitirá obtener la concentración de la muestra problema. En distintos viales se preparan disoluciones con concentraciones de la muestra de alcanos entre y 5 µg.g -, en todas estas disoluciones debe añadirse aproximadamente la misma cantidad de estándar interno (, ml). Los pesos y concentraciones obtenidos son:
4 Disolución Compuesto Masa (g) Concentración (µg.g - ) Undecano.46 3. Alcanos.357 75.89 n-hexano.339 Total.4 Disolución Compuesto Masa (g) Concentración (µg.g - ) Undecano.349 69.4 Alcanos.956 9.9 n-hexano.77 Total.5 Disolución 3 Compuesto Masa (g) Concentración (µg.g - ) Undecano.476 95.75 Alcanos.37 74.5 n-hexano.6 Total.497 Disolución 4 Compuesto Masa (g) Concentración (µg.g - ) Undecano.353 58.37 Alcanos.856 354.4 n-hexano.5 Total.57 Disolución 5 Compuesto Masa (g) Concentración (µg.g - ) Undecano.36 57. Alcanos.698 59.86 n-hexano.87 Total.5875
5 Por último solo nos queda realizar la determinación de la muestra problema, para ello se procede a preparar la disolución de la muestra problema con las siguientes pesadas: Compuesto Masa (g) Concentración (µg.g - ) Undecano.44 66.3 Problema.4974? n-hexano.9449 Total.587 A partir de los valores de las áreas obtenidos en los cromatogramas podremos realizar la recta de calibrado en la que sustituyendo el valor del área obtenido en el cromatograma de la muestra problema podremos determinar la concentración de ésta. 3.- Resultados.- Representar, en papel milimetrado o con ayuda de un ordenador, la recta de calibrado obtenida (con estándar interno y sin él) y calcular la concentración de los distintos compuestos que hay en la muestra. Obtendremos una recta de calibrado por cada compuesto a determinar de la mezcla de alcanos, a saber: octano (C8), nonano (C9), decano (C), dodecano (C) y tridecano (C3). Para ello emplearemos dos métodos para cada uno: el de estándar externo y el de estándar interno. Como estándar interno hemos seleccionado el undecano (C) en el apartado anterior. (a) Método del estándar externo Se representan los valores de áreas frente a concentración de analito para cada uno de los compuestos de interés. De esta forma obtenemos las siguientes rectas con sus correspondientes ecuaciones de ajuste: 35 3 5 C8 y = 59784.43x - 49699.68 R =.97 Área 5 5... 3. 4. 5. 6. conc. (ppm)
6 C9 y = 58739.x - 68493.56 35 R =.97 3 5 Área 5 5... 3. 4. 5. 6. conc. (ppm) 35 3 5 C y = 6834.75x - 645873.88 R =.97 Área 5 5... 3. 4. 5. 6. conc. (ppm) 35 3 5 C y = 6633.88x - 6463.8 R =.97 Área 5 5... 3. 4. 5. 6. conc. (ppm)
7 35 3 5 C3 y = 665.97x - 6665.3 R =.97 Área 5 5... 3. 4. 5. 6. conc. (ppm) Así, conocidas las áreas de los analitos en la muestra problema podemos calcular las concentraciones de cada uno, teniendo en cuenta la dilución hecha con n-hexano. Los resultados son los siguientes: Compuesto Concentración (µg/g) Octano (C8) 47,4 Nonano (C9) 73,3 Decano (C) 5, Dodecano (C) 5,38 Tridecano (C3) 64,44 (b) Método del estándar interno En este método se representa el cociente entre la señal (área) del analito y del estándar interno frente al cociente entre la concentración del analito y la concentración del estándar interno. Las rectas junto con las ecuaciones de ajuste son las siguientes: S/S std.8.6.4..8.6.4. C8 y =.9x +.4 R =...5..5..5 C/C std
8 S/S std.8.6.4..8.6.4. C9 y =.9x +.3 R =...5..5..5 C/C std C y =.93x +.3 R =. S/S std.8.6.4..8.6.4...5..5..5 C/C std C y =.93x +.3 R =. S/S std.8.6.4..8.6.4...5..5..5 C/C std
9 C3 y =.93x +.3 R =. S/S std.8.6.4..8.6.4...5..5..5 C/C std Así pues, conocido el cociente de áreas y la concentración de estándar interno en la muestra problema, podemos calcular la concentración de cada analito. Notar que el coeficiente de ajuste r es mucho mejor en el caso de estándar interno que en el caso de estándar externo. Los resultados son: Compuesto Concentración (µg/g) Octano (C8) 93,6 Nonano (C9) 7,9 Decano (C) 98, Dodecano (C) 97,36 Tridecano (C3) 5,8 3.- Representar, en papel milimetrado o con ayuda de un ordenador, la gráfica de la relación de Oster. La relación de Oster es adecuada para una determinación cualitativa de una mezcla de alcanos en nuestro caso. Se representa el logaritmo neperiano del tiempo de retención de cada compuesto menos el tiempo muerto frente al número de átomos de carbono del alcano. Ha de obtenerse una recta a partir de la cual se puede identificar el tipo de alcano, siempre que la separación cromatográfica se haya llevado en las mismas condiciones. Los datos y la gráfica son: t m =, min nº C t r (min) ln t' r 8,465,3667 9,64,964 4,,46 7,8,9683 3 8,644,543
.5 Relación de Oster y =.3466x -.35 R =.96 ln t' r.5.5 7 8 9 3 4 nº C 4.- Calcular el número de platos teóricos de la columna. El número de platos se puede calcular a través de la expresión: t r N = 6 W donde t r es el tiempo de retención de cada compuesto y W es la anchura en la case del pico. Se calcula el valor para cada uno de los compuestos y se obtiene el promedio: nº C t r (min) W (min) N 8,465,78 5644 9,64,96 4,,9 66 7,8,7 67 3 8,644, 83 N prom = 36739 5.- Calcular los factores de capacidad El factor de capacidad de un compuesto se puede calcular como: t r t k' = t m m y da una idea de la afinidad del compuesto por la fase móvil respecto a la afinidad por la fase estacionaria. Los resultados son:
t m =, min nº C t r (min) k' 8,465 65,6 9,64 9, 4, 85,5 7,8 35,4 3 8,644 39,9 4. Bibliografía - Skoog,, Holler, Nieman, Principios de Análisis Instrumental, McGraw-Hill,, Madrid