Cromatografía Materiales

Caracterización de Materiales y Defectos
Técnicas de Separación Cromatográfica
TÉCNICAS DE SEPARACIÓN. CROMATOGRAFÍA
1.- Introducción
• Cromatografía y métodos de separación clásicos. Separación de
componentes de una muestra. No son técnicas de caracterización
propiamente dicha
• Las propiedades de los materiales dependen de los componentes y de la
proporción existente entre ellos
• No dan información de la naturaleza de los componentes, necesitan otros
métodos de análisis.
1.1.- Cromatografía y ciencia de materiales
• Separación de compuestos relacionados con la síntesis de materiales
• Evaluación de la actividad de materiales catalizadores y soportes sólidos
en síntesis orgánica.
• Desarrollo de nuevos materiales empleados en cromatografía
• Seguimiento de una síntesis
Fco. Javier González Benito

2.- Lugar que ocupa la cromatografía en la caracterización de materiales
MuestraMuestra
¿Hay que solubilizarla?
¿Es volátil?
¿Descompone
térmicamente?
¿Forma
plasma?
Otros
métodos
¿Es soluble? Digestión
GAS DISOLUCIÓN
¿Hay que separar
componentes?
Cromatografía
¿Hay que separar
componentes?
Técnicas y Métodos de análisisTécnicas y Métodos de análisis
NO
NO NO
NO
NO NO
SI
SI SI SI
SI
SI
SI
SI SI
NO

3.- La cromatografía. Conceptos y definiciones
• Cromatografía: método físico de separación
• Proceso cromatográfico
• Fase estacionaria (sólido, gel o líquido). Lecho cromatográfico o sorbente
•Fase ligada
•Fase inmovilizada
• Fase móvil (gas portador, eluyente)
•Cromatografía líquida
•Cormatografía de gases
•Cromatografía con fluido supercrítico
• Eluir
• Efluente
• Muestra
• Componentes
• Zona o banda
• Cromatograma
• Cromatógrafo

3.1.- Mecanismos de separación
a) Separación por adsorción (cromatografía de adsorción)
Diferente afinidad de los componentes de la muestra sobre la superficie
de un sólido activo (componentes con polaridad baja o media)
b) Separación por reparto (cromatografía de reparto)
Diferente solublidad en fases estacionaria y móvil (Componentes con
polaridad media o alta)
[ ]
[ ] iaEstacionarFaseA
móvilFaseA
Kd ==RepartodeeCoeficient

c) Separación por tamaño molecular (Cromatografía de permeación de gel,
de tamiz molecular o de exclusión por tamaños).
Parámetros de columna
- Intervalo de trabajo: intervalo de M que pueden ser separados
- Límite de exclusión: M mínimo a partir del cual las macromoléculas no
experimentan retención.
Partícula polimérica (gel)
con poros
Moléculas grandes
Moléculas pequeñas
Pared de columna
cromatográfica
Disolvente
Flujodeldisolvente
Las moléculas pequeñas penetran en los poros
de las partículas de gel, por lo que necesitan
más tiempo para salir al final de la columna. Las
moléculas grandes, en cambio, al no penetrar
en las partículas de gel se mueven con el
disolvente a una velocidad mayor de elución y
salen antes de la columna. Por tanto, a mayor
masa molecular menor tiempo de elución. Este
método permite separar por tamaños
moleculares siendo posible obtener incluso
distribuciones de masas moleculares a distintos
tiempos de elución.

“Una separación puede estar basada en la conjunción de diversos
mecanismos”
d) Separación por Intercambio iónico
La separación se basa principalmente en la diferente afinidad para el
intercambio de iones de los componentes de la muestra.
+
Partículas sólidas (matriz)
cargada positivamente
Especies negativas
Especies positivas
Pared de columna
cromatográfica
Disolvente
Flujodeldisolvente
+
++
+
-
+
-
+
-
+
-+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
-
-
+
-
+
-
-
Las especies cargadas negativamente se unen a la
matriz sólida cargada positivamente y son
retenidas, mientras que las especies positivas son
rechazadas. De esta manera en función de la
carga las especies se eluyen a distintos tiempos
dando lugar a la correspondiente separación.
La elución de las especies retenidas se consigue
cambiando el pH del disolvente hasta igualarlo a su
punto isoeléctrico o hasta invertir su carga neta.

3.2.- Métodos de análisis cromatográfico
a) Análisis por desarrollo (cromatografía en papel o capa fina)
b) Análisis por elución (cromatografía de gases, cromatografía líquida)
c) Análisis frontal
d) Análisis por desplazamiento

ANÁLISIS POR DESARROLLO
FaseMóvil
Cromatografía plana
Fasemóvil
Cromatografía en columna

Muestra Fase Móvil
Sorbente
Placa Porosa
Efluente
Análisis por elución
Volumen de fase móvil
Cromatograma

Fase Móvil
Con la muestra A+B+C
A
Placa Porosa
Efluente
A+B
A+B+C
Volumen de fase móvil
Cromatograma
A
A
+
B
A
+
B
+
C
Análisis frontal

3.3.- Clasificación de acuerdo con la forma del lecho cromatográfico
a) Cromatografía en columna
- Columna empaquetada
- Columna tubular abierta
b) Cromatografía plana (o de lecho abierto)
- Cromatografía en papel
- Cromatografía en capa fina (TLC)

3.4.- Clasificación de acuerdo con el estado físico de la fase móvil
a) Técnicas cromatográficas
- GLC
- GSC
- LLC
- LSC
b) Cromatografía de gases (siempre en columna)
c) Cromatografía Líquida (en columna o sobre plano)
- Cromatografía Líquida de Alta Eficacia o de Alta Presión, HPLC
d) Cromatografía con fluido supercrítico

3.5.- Técnicas especiales
a) Cromatografía con fase invertida
b) Cromatografía con fase normal
c) Análisis isocrático (composición F. móvil constante)
d) Elución con gradiente (Composición F. móvil cambia de forma
continua)
e) Elución en etapas o escalonada (Composición F. móvil cambia de
forma escalonada)
f) Cromatografía bidimensional (etapas adicionales de separación)

3.6.- Parámetros básicos en cromatografía
a) Retención = capacidad real de la fase estacionaria para retardar la
salida de un componente.
- si caudal constante ⇒ v ∝ t
- tM = tiempo muerto
- tR = tiempo de retención
- t’R = tiempo de retención corregido = tR - tM
Figura tomada de:
-ALBELLA, J.M.; CINTAS, A.M.; MIRANDA,
T. y SERRATOSA, J.M.: "Introducción a la
ciencia de materiales". C.S.I.C., 1993.

b) Factor de capacidad (retención de un compuesto con independencia del
caudal)
c) Dispersión de bandas
M
MR
M
R
t
tt
t
t
K
−
==
'
'
Parámetros característicos
de un pico gaussiano
Figura tomada de:

d) Eficacia
- Número de platos teóricos
2






=
σ
Rt
n
2
16 





=
b
R
W
t
n
2
545.5 





=
h
R
W
t
n
-Altura equivalente de un plato teórico = L/n
(Para comparar columnas de diferente
longitud)
Debe evitarse el ensanchamiento de
bandas. Dependen de características de
columna, velocidad de fase móvil, etc.
Figura tomada de:

e) Separación y resolución
- Retención relativa
- Resolución
1
2
'
'
R
R
t
t
=α
21
2
bb
s
WW
t
R
+
∆
=
Eficacia de columna
Sistema cromatográfico
Figura tomada de:

4.- Técnicas cromatográficas no instrumentales
4.1.- Cromatografía en columna
El gradiente de presión necesario para el
desplazamiento de la fase móvil a través
de la fase estacionaria se origina por
gravedad.
Figura tomada de:

4.2.- Cromatografía en capa fina
La elución se consigue por el movimiento capilar ascendente de la fase móvil
a) aplicaciones analíticas
b) aplicaciones preparativas
y
Aplicación
Frente del disolvente
x
y
Rf ====
x
x
Aplicación
Frente del disolvente
x
y
Rx ====
x
y
Sustancia patrón

5.- Métodos instrumentales en cromatografía
5.1.- Cromatografía de gases (Gas-Líquido)
Distribución de un componente entre una fase móvil
gaseosa y una líquida inmovilizada sobre la superficie
de un sólido inerte.
Componentes básicos
- Gas portador según detector (He, Ar, N2, CO2, H2)
- Sistema de inyección de muestra
- Columnas
Control de caudal
Medidor de caudal
Figura tomada de:

5.- Técnicas instrumentales en cromatografía
Mejora de un cromatograma por
programación de temperatura en
columna
Figura tomada de:

Detectores
CARACTERÍSTICAS DEL DETECTOR IDEAL
•Adecuada sensibilidad
•Buena estabilidad y reproducibilidad
•Una respuesta lineal para los componentes que se extienda a
varios órdenes de magnitud
•Intervalo térmico de trabajo (25 – 400)ºC
•Un tiempo de respuesta corto que lo haga independiente del
caudal
•Alta fiabilidad y manejo sencillo
•Respuesta semejante para todos los componentes
•No destructivo

5.1.- Cromatografía de gases (Gas-
Líquido)
Detectores
DETECTOR DE IONIZACIÓN DE LLAMA
- Componente + H2/aire + encendido
eléctrico ⇒ iones + e-
Diferencia de potencial entre extremo de
quemador y electrodo colector (se mide la
corriente que pasa a su través)
- Iones producidos ∝ nº átomos de carbono
⇒ sensible a masa
- C-OH; -C=O; -X; -NH2 ⇒ generan
pocos iones
- Insensible a: H2O; CO2; SO2 y NOx
-Detector de los más utilizados para el
análisis de compuestos orgánicos
+
-
H2
Aire
Efluente de
la columna

Detectores
DETECTOR DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
- Cambios de conductividad térmica del gas portador por la presencia de analito.
- Sensor = hilo de Pt, Au ó W calentado (a potencia eléctrica cte) cuya T depende
del gas circundante (su R cambia)
- Características:
* Simple
* Amplio rango dinámico lineal (~ 105)
* Respuesta universal (especies orgánicas e
inorgánicas)
* Carácter no destructivo
* Sensibilidad relativamente baja (~ 10-8 g de soluto/ml
de gas portador)

Detectores
DETECTOR TERMOIÓNICO
- Detector selectivo de compuestos orgánicos con P y N.
- Efluente + H2 + llama ⇒ gas caliente + bola de silicato de rubidio caliente
(a 180V respecto colector)
⇓
Iones ⇐ Plasma (600 – 800ºC)

Detectores
DETECTOR DE CAPTURA DE ELECTRONES
- Detector selectivo de halógenos, peróxidos, quinonas y grupos nitro.
- Efluente + emisor β ⇒ iones (gas portador) + ráfaga de electrones
⇓
Corriente constante que varía en presencia de moléculas capturadoras de e-
DETECTOR DE EMISIÓN ATÓMICA
plasma de He que atomiza y excita el efluente ⇒ espectros de
emisión

Métodos acoplados
- GC/Espectrometría de masas
- GC/espectroscopía IR
5.2.- Cromatografía de gases (Gas-Sólido)
H2S; CS2; NOx; CO; CO2; gases nobles
(no se retienen en columnas Gas/Líquido)

5.- Técnicas instrumentales en cromatografía
5.3.- Cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC)
- Alta sensibilidad
- Adaptación a determinaciones cuantitativas
- Separación de especies no volátiles
- Separación de especies termolábiles

5.3.- Cromatografía de líquidos de alta resolución
Instrumentación para la cromatografía de líquidos
- Recipientes para la fase móvil y sistemas para el tratamiento de disolventes
(eliminación de O2 y N2)
- Filtración de disolventes
- Sistemas de bombeo
- Sistemas de inyección de muestra
- Columnas
- Precolumnas
-Termostatos
- Detectores: i) responden a propiedad de fase móvil; ii) responden a
propiedad del soluto.

5.3.- Cromatografía de líquidos de alta resolución
Instrumentación para la cromatografía de líquidos
Figura tomada de:

6.- Bibliografía
• D.A. Skoog, J.J. Leary, “Análisis Instrumental”, McGraw-Hill, Madrid (1996)
• H.H. Willard, L.L. Merritt Jr.,J.A. Dean, F.A. Settle Jr., “Métodos Instrumentales de análisis”,
Grupo Editorial Iberoamericana S.A. de C.V., México (1991).
• TECHNIQUES in liquid chromatography Simpson, Colin F. John Wiley & Sons (1984).
• Liquid chromatography column theory Scott, Raymond P.W. John Wiley & Sons (1992).
• Chromatography of polymers : characterization by SEC and FFF American Chemical Society
(1993).
• Handbook of size exclusion chromatography Marcel Dekker (1995).
• Cromatografía de exclusión por tamaños [Vídeo] Pérez Dorado, Angel, CEMAV, Universidad
Nacional de Educación a Distancia (1997).
• Manual de cromatografía Loro Ferrer, Juan Francisco Gobierno de Canarias, Dirección
General de Universidades e Investigación (2001).
7.- Direcciones URL útiles
• http://www.uib.es/depart/dqu/dquo/pau/Cromatograf%92a/chrom10/chrom/GC/concept/
main.htm
• http://www.relaq.mx/RLQ/tutoriales/cromatografia/Gas.htm

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