Tema 13. Separaciones

39
7/26/2019 Tema 13. Separaciones http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 1/39 Química Analítica II Tema 13. Separaciones analíticas Tema 13. Separaciones analíticas

Transcript of Tema 13. Separaciones

Page 1: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 1/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticas

Tema 13. Separaciones analíticas

Page 2: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 2/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticas

•Introducción

•Clasificación de las técnicas de separación

• Separaciones cromatográficas• Teoría de platos

•Teoría cinética

• Resolución

• Análisis cualitativo y cuantitativo

Page 3: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 3/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasIntroducción

Proceso que consiste en dividir una muestra en, al menos, dos fases (inmiscibles)de composición distinta, con objeto de incrementar la fracción molar del analito enuna de ellas

Separación analítica

muestra

analito

separación

Ventajas

Inconvenientes

+ sensibilidad

+selectividad

+ errores

- precisión

Page 4: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 4/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasIntroducción

Parámetros de interés

Coeficiente de distribución o reparto (KD)

Fase 1

Fase 2

A

A2

1

 A

 AK  D  =

Relación de concentraciones de una especie entre dos fases a P y T dadas

Factor de separación ( 

) B

 D

 A

 D

K =α 

A

A

B

B

α>>1

Relación de coeficientes de distribución de dos especies en un sistema.Valores muy distintos de 1 indican buena capacidad de separación

Page 5: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 5/39

Símil gráfico del progreso de la ELUCIÓN en la separaciones cromatográficas ,contempladas como una extracción sucesivas de reparto de los analitos entre lafase móvil (amarilla) y fase estacionaria (verde). Cada tubo es un plato teórico

en el que se alcanza el equilibrio de distribución de los compuestos A y B deacuerdo con sus K D La flecha roja representa el desplazamiento de la FM

Page 6: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 6/39

→ Destilación

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasClasificación de las técnicas de separación

Clasificación de las técnicas de separación Según las fases en contacto

Gas-gas Gas-líquido Gas-sólido Sólido- líquido

Difusión térmica → Cromatografía de

reparto gas-líquido

→ Cromatografía de

adsorción

→ Sublimación

Líquido-líquido-Cromatografía L-L

-Extracción L-L-Electrodeposiciónen cátodo de Hg

-Diálisis

-Ultrafiltración

→ -Lixiviación

Fusión por zonas

-Cromatografía deadsorción L-S-Precipitación

-Electrodeposición-Cristalización

-Extracción en fasesólida L-S

-Intercambio iónico

Fluido supercrítico-líquido

Fluido supercrítico-sólido

Cromatografía supercrítica

Extracción por fluidos supercríticos

Page 7: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 7/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasClasificación de las técnicas de separación

Según el tipo de proceso

Diferencia de tamaño molecular

Diferencia de densidad

Cambio de estado

Adsorción

-Filtración y ultrafiltración-Diálisis

-Cromatografía de exclusiónmolecular

Centrifugación

-Destilación-Sublimación-Cristalización

-Fusión por zonas

Solubilidad

-Cromatografía (L-L, G-L)-Extracción (L-L)

Cromatografía (G-S, L- S)

Interacciones eléctricas

Reacción química

Electroforesis

-Electrodeposición-Precipitación

-Cambio iónico

Page 8: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 8/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasClasificación de las técnicas de separación

Según el control del proceso

Termodinámico

Cinético-Extracción L-L-Destilación

-Sublimación-Fusión por zonas

-Precipitación-Electrodeposición

-Cromatografía

-Diálisis-Centrifugación-Electroforesis-Ultrafiltración

-Cromatografía

Page 9: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 9/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasSeparaciones cromatográficas

MikhailSemenovichTswett

(1872-1919)

Cromatografía (1903)chroma (color) - graphein

(escritura)

A.J. Martin

R.L. Synge

Premio Nóbel deQuímica (1952)

Page 10: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 10/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasSeparaciones cromatográficas

La cromatografía  es una técnica de separación de loscomponentes de una muestra por distribución entre dos fases,una de ellas fija o estacionaria y la otra móvil 

Definición 

La fase estacionaria está soportada sobre una superficie sólida plana orellenando un tubo formando una columna

La fase estacionaria puede ser sólida o líquida (soportada en un sólido o gel) y lamóvil puede ser gaseosa, líquida o fluido supercrítico 

FE 

FM+Muestra 

Page 11: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 11/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasSeparaciones cromatográficas

FE 

FM+Muestra 

Los componentes de la muestra sedistribuyen entre las fases dependiendode su afinidad por cada una, lasvelocidades de desplazamiento sondistintas y los componentes se separanen bandas discriminadas que puedenanalizarse cualitativamente y/o

cuantitativamente

Eluyente: fase móvil

Eluato: analito o componente de lamuestra ya separado

Elución: transporte del analito através de la fase estacionaria

Retención: proceso contrario a laelución

Cromatograma:señal vs tiempo o volumen de elución

Page 12: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 12/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasSeparaciones cromatográficas

en columna

plana

segun la técnicaoperativa

adsorción

reparto

intercambio iónico

exclusión molecular

afinidad

según mecanismode interacción

gas

líquido

FS

Según laFase Móvil

sólido

líquido

Según laFase Estacionaria

clasificación

Page 13: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 13/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasSeparaciones cromatográficas

Cromatografía en columna Cromatografía plana

Por gravedad Alta presión

Capa fina

Papel

Page 14: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 14/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasSeparaciones cromatográficas

Mecanismos de interacción

Cromatografía de adsorción

La separación de los solutosdepende de una serie de

etapas de adsorción /desorción sobre un soportesólido

Cromatografía de reparto

La separación de los solutosse debe a su “distribución” entre los dos fluidos queconstituyen ambas fases

Page 15: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 15/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasSeparaciones cromatográficas

Cromatografía deexclusión molecular

La separación de los

analitos se basa en sutamaño molecular  (tamizado), debido a losdiferentes caminos querecorren en un gel poroso

Cromatografía de

intercambio iónico

Separación por atracciónelectrostática  entre losanalitos iónicos y grupos

ionizables (–SO3-, –N(CH3)3+)de carga opuesta situados enla superficie de la FE

Mecanismos de interacción

Page 16: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 16/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasSeparaciones cromatográficas

Naturaleza de las fases

Q

Page 17: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 17/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasSeparaciones cromatográficas

Informan sobre la

distribución del analitoentre las dos fases

Parámetros cromatográficos

Número de platos (N)

Altura de plato (H)

Resolución (R)

Tiempo de retención (tR)

Tiempo muerto (tm)

Tiempo de retención ajustado (t´R) 

Velocidad lineal migración de F.M. (u)

Factor de capacidad (k´)

Factor de selectividad (α’)

Retención Eficacia Resolución

Dan cuenta de la eficaciade la separación

Da cuenta de la capacidadpara diferenciar dos picos

cromatográficos

Q í i A líti II

Page 18: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 18/39

t’R.- tiempo desde el máximo del pico de

la especie no retenida hasta el máximodel compuesto eluido. Tiempo en la F.E.t’R = tR  – t0 

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasSeparaciones cromatográficas

tR.- Tiempo transcurrido desde lainyección de la muestra hasta que el

componente llega al detector

t0.-tiempo requerido

para que la F.M.atraviese la columnasin retención

u.- depende de la longitud de la columna u = L / t0 

VR.- volumen de FM necesario paraeluir el compuesto

VR = tR x F

V0 = t0 x F

V’R  = t’R x F

t = minutos

V = ml

F = ml / minuto

u = cm / s

Parámetros de retención

t0 

tRA  tRB 

Q í i A líti II

Page 19: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 19/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasSeparaciones cromatográficas

k’.- da cuenta de la retención de uncomponente en la FE

Relación entre el tiempo que elanalito está en la FE y en la FM

Valor constante y característico decada analito

0

0

'   Rt t 

k t 

−=

0 < k’ < infinito

k’ <<1 elución muyrápida

k’ > 20 elución muylenta

1 < k’ < 5 intervalo útil.- se define para

dos componentes eindica la separaciónque hay entre dos

máximos

' '

' '

 B RB

 A RA

k t 

k t 

α  = =tRB > tRA

1

Factor de selectiv idad

Factor de capacidad

k’=KD (VFE /VFM) 

Q í i A líti II

Page 20: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 20/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasTeoría de platos

Teoría de platosMartin y Synge (1941)

r = 0r = 1

r = N

La columna se divide en N estratos imaginarios(platos teóricos). En cada plato teórico se produceun equilibrio de reparto (en contracorriente)

Altura Equivalente del Plato Teórico: H = L / N

Volumen de fase móvil presente en un plato teórico: v0 = V0 / N

Llega un volumen v0 de fase móvil al plato r = 0.

Tiene lugar el equilibrio del soluto entre las dos fasesEl eluyente se transfiere al plato r =1

Un nuevo volumen fresco v0 llega al plato r = 0

El proceso continúa hasta que el eluyente llega al

plato r = N y sale de la columna

Q í i A líti II

Page 21: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 21/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasTeoría de platos

Cuando el soluto emerge de lacolumna el detector produce unaseñal proporcional a la cantidad desoluto que abandona el plato r = N.Si N es grande, el pico es gaussiano

( )

( )  ( )

( )

2 2

2

2 2

2

22

2

/

44

/ 16

 R

 R

 R

 HL cm

s  LW  L t 

t W s

t  L N L H 

σ 

σ τ 

σ 

τ 

σ 

=

=  

⇒ ==

= = =  

Varianza

Varianza

Velocidad

tR 

w2τ  2τ 2

16  Rt 

 N  W 

=

  A mayor N, mayor eficacia

Page 22: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 22/39

CE

CM

Cromatografía Sólido-líquido Cromatografía de adsorción

Isotermas de reparto y adsorción

CM

mda/mte 

masa adsorbida/masa adsorbente

Constante termodinánica dereparto K D = 

CECM

Mide la distribución del analitoentre FE y FM

Q í i A líti II

Page 23: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 23/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasTeoría de platos

D , ,Si T: K / Pico Gaussiano A FE A FM C C cte∀ = = ⇒

Si FE retiene fuertemente al soluto,cuando los centros activos de adsorción sesaturan, KD  disminuye (no quedan sitios

activos disponibles) y aparece una cola

Los frentes  suelenobservarse cuando KD aumenta porque la FE sesobrecarga comportándosecomo una fase líquidaconstituida por el propio solutoque retiene mejor al solutoque la FE original.

20.141.7( / )

( / 1.25) R

t w N 

a b=

+

W0.1  anchura de pico a1/10 altura y a/b es un

factor de asimetría

Picos asimétricos

Q ímica Analítica II

Page 24: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 24/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasTeoría cinética

Teoría cinéticaJ. C. Giddings, 1965

Describe el movimiento del soluto en la columna y justifica lascontribuciones a la forma y ensanchamiento de la banda, influyendo sobrela eficacia de la columna

• Difusión Eddy o mezcla por convección (Difusión de remolino)• Difusión longitudinal

• Difusión por resistencia a la transferencia de materia

 Eddy LD TMR H H H H = + +

Química Analítica II

Page 25: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 25/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasTeoría cinética

Difusión Eddy ≠ tamaño y formadel relleno Huecos irregulares

Múltiples recorridos

Ensanchamiento de banda

1

1 11 1

 Eddy

 A A H 

 A E 

 A Gu Gu u

= = =+ + +

Efecto de flujo

2 p A d λ =

dp: tamaño medio de partículas;λ: constante de proporcionalidad

(empaquetamiento)

Difusión radial

2

 p

m

d G Dω =

ω: constante de proporcionalidad;Dm: coeficiente de difusión de FM;

u: velocidad FM

En GC, u es grande

 Eddy H A≈

En columnascapilares

0 Eddy

 H    =

Química Analítica II

Page 26: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 26/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasTeoría cinética

Difusión longitudinal 

Aumenta con el tiempo que elsoluto permanece en la columna

Disminuye con el flujo de FM

 LD

 B H 

u=

2 2 'm m s s B D D k γ γ = +

m: fase móvil; s: faseestacionaria

D ≈ 0.1 cm2

/s (gases), D≈10-5 cm2/s (líquidos)

γ= 0.6-0.8 columnasempaquetadas

γ= 1 (capilares)

k’ : factor de capacidad

Factor deobstrucci

ón

En LC Dm = Ds~ 10-5  0 LD H    ≈

En GC la contribución es importante a baja u

Page 27: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 27/39

FMFE

FM FE

dirección de elución

Resistencia a la transferencia de masa

Desde y hacia la FE: CS

t1

t2

Page 28: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 28/39

Dentro de la FM: CM

soporte soporte

Resistencia a la transferencia de masa

Química Analítica II

Page 29: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 29/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasTeoría de platos

Resistencia a la transferencia de masas

Se necesita un tiempo paraalcanzar el equilibrio

TMR H Cu=

( )

2

2

2

'

1 '

s m

ss c

s

 p

m m

m

C C C 

d k C q

 Dk 

d C  D

ω 

= +

=+

=qc y ωm: parámetros numéricosds: espesor de la fase estacionaria

En columnas capilares en lugar de dp, se

pone dc (diámetro interno)

Química Analítica II

Page 30: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 30/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasTeoría de platos

LC: Ecuación de GIDDINGS

1

 A B H Cu

 E    u

u

= + ++

GC: Ecuación de VAN DEEMTER

 B H A Cuu

= + +

B/u es insignificante a velocidades

normales

En columnas capilares A = 0

Química Analítica II

Page 31: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 31/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasTeoría de platos

Contribución de los distintos términos en la ecuación de Higgins/Van Deemter

Mínimo

2

min

0 H B

C u u

 Bu

= = − +∂

=

Para u < umin el término Bensancha la banda

Para u > umin el término Censancha a banda

Todo el tratamiento se considera a T constante

Química Analítica II

Page 32: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 32/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasResolución

Resolución Medida del grado de separación entre dos picos consecutivos

Considera la selectividad (distancia entre picos) y eficacia (anchura de banda)

tRA 

tRB 

WA  WB 

R ( ) / 2

 B A R R

 A B

t t 

W W 

−=

+

Química Analítica II

Page 33: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 33/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasResolución

En un pico gaussiano el 99.7% del área de la banda se encuentra a tR±3σ

Dos picos se dicen resueltos si se separan una distancia 6σ

Si WA=WB=4σ

5,144

62

=+

×

= σ σ 

σ S  R

R ≥ 1,5  picos bien resueltos

R < 1,5  picos solapados

Química Analítica II

Page 34: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 34/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasResolución

( )

2

2

' '

'

'

16

1 1 '

4 1 'R 

1'

2

 B

 B A

 B

 A

 R

 R R

s

 A B

 N  k w  R N k t t 

w

k k k 

α 

α 

α 

=

=   −   =   + −  

= = +

La resolución puede expresarse en función del número de platos

teóricos (N) y la selectividad (α) (fórmula particular)

Si w B = wA

Si k´B ≈ k´A 

( )  N 

k k k k 

 RS  22

1

´´´´

12

12

++

−=La resolución se obtiene a

 partir de definiciones de N y k´ (fórmula gral.)

Química Analítica II

Page 35: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 35/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasResolución

PARA AUMENTAR LA RESOLUCIÓN

AUMENTAR EL VALOR DE N

Aumentando L (Columna más larga)

Disminuyendo H

• Optimizando el flujo FM

• Reduciendo el tamaño de partícula FE 

CAMBIAR LA COMPOSICIÓN DE LA FM (LC)

TRABAJAR A T PROGRAMADA (GC)

Optimizar k’

pero no demasiado

Óptimo: k’ = 2-5

Química Analítica II

Page 36: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 36/39

Posiciónde los picos

tRB tRA 

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasAnálisis cuantitativo y cualitativo

 ANÁLISIS CUALITATIVO

 ANÁLISIS CUANTITATIVO

IDENTIFICA 

CUANTIFICA  Altura / área

de los picos

Química Analítica II

Page 37: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 37/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasAnálisis cuantitativo y cualitativo

 ANÁLISIS CUALITATIVO 

1.- Comparación de parámetros de retención

▲Tiempo de retención: Bajo determinadas condiciones el tR  escaracterístico de una sustancia, aunque no tiene en cuenta:

 Efecto de la matriz de la muestra

 Posibles interacciones con otros componentes

▲Tiempos de retención relativos (Patrón interno de retención)

2.- Empleo de detectores selectivos con información cualitativa 

 Fila de Diodos (LC) Espectrometria de masas (GC)

3.- Formación de derivados  

 Pre columna

 Post columna

Química Analítica II

Page 38: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 38/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasAnálisis cuantitativo y cualitativo

 ANÁLISIS CUANTITATIVO

Se basa en la comparación de la señal (altura/área del pico) del analitocon la de patrones

Ambos parámetros varían linealmente con la concentración

 La medida del área se hace integrando electrónicamente la señal delpico

 A = a + bC Señal

Concentración

ó masa de analito

Química Analítica II

Page 39: Tema 13. Separaciones

7/26/2019 Tema 13. Separaciones

http://slidepdf.com/reader/full/tema-13-separaciones 39/39

Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticas

Bibliografía del tema

- D. A. Skoog, F. J. Holler, T. A. Nieman, Principios de Química Analítica II,5ª Edición, McGraw-Hill, Madrid, 2001

- D. Harvey, Modern Analytical Chemistry, McGraw-Hill, Boston, U.S., 2000

-R. Cela, R. A. Lorenzo, M. C. Casais, Técnicas de separación en QuímicaAnalítica, Editorial Síntesis, Madrid, 2002