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Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticas
Tema 13. Separaciones analíticas
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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
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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
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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
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
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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
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→ 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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasSeparaciones cromatográficas
Cromatografía en columna Cromatografía plana
Por gravedad Alta presión
Capa fina
Papel
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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
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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
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Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasSeparaciones cromatográficas
Naturaleza de las fases
Q
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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
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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
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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
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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
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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
W
σ
σ τ
σ
τ
σ
=
=
⇒ ==
= = =
Varianza
Varianza
Velocidad
tR
w2τ 2τ 2
16 Rt
N W
=
A mayor N, mayor eficacia
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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
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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
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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 = + +
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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 =
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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
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FMFE
FM FE
dirección de elución
Resistencia a la transferencia de masa
Desde y hacia la FE: CS
t1
t2
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Dentro de la FM: CM
soporte soporte
Resistencia a la transferencia de masa
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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)
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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
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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
C
∂
= = − +∂
=
Para u < umin el término Bensancha la banda
Para u > umin el término Censancha a banda
Todo el tratamiento se considera a T constante
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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
S
A B
t t
W W
−=
+
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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
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Química Analítica IITema 13. Separaciones analíticasResolución
( )
2
2
' '
'
'
16
1 1 '
4 1 'R
1'
2
B
B A
B
A
R
S
R R
s
A B
k
k
t
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.)
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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
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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
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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
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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
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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