Química Analítica - Seamus Higson

Química Analítica ISBN 9788577260294 A reprodução total ou parcial deste volume por quaisquer formas ou meios sem o consentimento por escrito da editora é ilegal e confi gura apropriação indevida dos direitos intelectuais e patrimoniais dos autores 2009 by McGrawHill Interamericana do Brasil Ltda Todos os direitos reservados Av Brigadeiro Faria Lima 201 17o andar São Paulo SP CEP 05426100 2009 by McGrawHill Interamericana Editores SA de CV Todos os direitos reservados Prol Paseo de la Reforma 1015 Torre A Piso 17 Col Desarrollo Santa Fé Delegación Alvaro Obregón México 01376 DF México Tradução de Analytical Chemistry Publicado por Oxford University Press Inc Nova York Séamus Higson ISBN da obra original 9780198502890 Coordenadora Editorial Guacira Simonelli Editora de Desenvolvimento Mel Ribeiro Produção Editorial RevisArt Supervisora de Préimpressão Natália Toshiyuki Preparação de Texto Mônica Rocha Design de Capa megaart design Diagramação Crontec H634q Higson Séamus Química analítica recurso eletrônico Seamus Higson tradução Mauro Silva revisão técnica Denise de Oliveira Silva Dados eletrônicos Porto Alegre AMGH 2011 Editado também como livro impresso em 2009 ISBN 9788580550016 1 Química analítica I Título CDU 543 Catalogação na publicação Ana Paula M Magnus CRB 102052 A TLC é normalmente utilizada para análise qualitativa de misturas de compostos nãovoláteis tais como fármacos ou corantes Os químicos or gânicos usam freqüentemente a TLC para determinar se amostras sintetiza das contêm ou não impurezas Uma única mancha em uma placa de TLC indica a presença de apenas um composto enquanto duas ou mais manchas indicam que a amostra contém uma mistura de compostos Assim como a cromatografia em papel a TLC normalmente é utilizada como uma técnica qualitativa para a identificação de componentes em uma mistura visto que é difícil depositar quantidades conhecidas da mis tura na placa Há casos porém em que a TLC é usada quantitativamente quando por exemplo não há outra técnica disponível para a determi nação quantitativa de traços de componentes em uma mistura Muitos casos desse tipo podem ser encontrados em análises e ensaios bioquímicos com enzimas Análises quantitativas geralmente envolvem analitos fluo rescentes de marcação radioativa As bandas cromatográficas poderão ser primeiramente identificadas com luz UV e depois coletadas por raspagem da alumina na placa permitindo assim a quantificação por contagem ra dioativa Obviamente a execução desse tipo de procedimento pode resul tar em erros graves devido à dificuldade em a reproduzir a aplicação das alíquotas da mistura na placa e depois b recuperar todos os analitos separadamente da placa Placas de TLC geralmente são tratadas com reagentes como iodo ou agentes acilantes para ajudar a tornar visíveis componentes que não podem ser vistos a olho nu 89 Cromatografia a gás e cromatografia gáslíquido 891 Uma introdução às separações cromatográficas a gás A cromatografia a gás CG como sugere o nome utiliza um gás de ar raste como fase móvel e também uma fase estacionária dentro de uma coluna empacotada ou de uma coluna tubular aberta capilar Quando se usa uma fase estacionária líquida a técnica é conhecida como cromato grafia gáslíquido ou CGL Um esquema de cromatógrafo a gás é mostra do na Figura 89 A CGL foi descrita pela primeira vez por Martin e Synge em 1941 e desde então tornouse uma das ferramentas analíticas mais utilizadas e eficientes para a separação e identificação de componen tes em misturas complicadas A separação ocorre por partição de amostras gasosas entre um gás de arraste e a fase estacionária A amostra deve estar na fase gasosa ou ser transformada nessa fase por aquecimento de modo que possa ser levada ao longo da coluna pelo fluxo do gás de arraste São utilizados gases Cromatografia a gás e cromatografia gáslíquido 223 O iodo é obtido colocandose uma placa de TLC dentro de uma cuba de vidro com uma pequena quantidade de iodo Por razões de segurança esse procedimento deve sempre ser executado no interior de uma capela Figura 88 Cromatografia em camada delgada Placa de CCD Linha de partida marcação a lápis 224 8 Métodos de separação e cromatografia quimicamente inertes e de alta pureza como nitrogênio dióxido de car bono hélio ou argônio embora a escolha seja normalmente determinada pelo tipo de detector a ser usado Gases de alta densidade proporcionam separações mais lentas porém mais eficientes enquanto gases de densida de mais baixa permitem separações mais rápidas mas não tão bem defini das Uma típica separação em CG para pentano butano e propano é mostrada na Figura 810 Colunas empacotadas Dentro das colunas empacotadas de CGL a fase líquida é adsorvida em uma fase sólida inerte que pode ser de tijolo refra tário terra diatomácea ou sílica fundida Esse material é granulado para aumentar a área da superfície que adsorve o líquido O tamanho das par tículas varia de 60 mesh diâmetro médio da partícula 250 μm até 100 mesh diâmetro médio da partícula 150 μm Os suportes sólidos normalmente são escolhidos de modo que forneçam áreas superficiais maiores que 1 m2 g1 Alguns suportes sólidos também são prétratados Figura 89 Esquema para cromatografia a gás Figura 810 Separação por CG de alcanos simples Computador Detector Cilindro com gás Válvula de desvio Seringa para injeção da amostra Porta de injeção Forno com controle termostático e ventilação Resposta Propano Pentano Butano 0 1 2 3 4 5 Tempo min ou desativados por exemplo por silanização para impedir a adsorção irreversível de analitos polares como os álcoois A fase líquida deve ser quimicamente inerte termicamente estável e pos suir ponto de ebulição de pelo menos 100 ºC a mais que a temperatura máxima de operação da coluna As colunas podem ser empacotadas de di versas maneiras e a escolha da fase líquida é crucial na determinação de suas propriedades separacionais Uma dispersão do suporte finamente divi dido em geral é preparada por exemplo em um solvente volátil que tam bém contenha o suporte líquido na forma de soluto dissolvido Essa pasta fluida pode então ser introduzida na coluna que com a evaporação do sol vente fica empacotada e com um filme líquido estacionário com espessura variando de 01 μm a 1 μm como suporte Colunas tubulares abertas ou capilares As colunas tubulares abertas ou capilares são agora as mais utilizadas oferecendo um desempenho separa cional superior ao das colunas empacotadas tanto em termos de velocidade de separação quanto no número de pratos teóricos possíveis Colunas capi lares são feitas de vidro ou de sílica fundida apresentando diâmetros inter nos que variam de 025 mm a 05 mm e comprimentos de 25 m a 50 m As paredes são muito mais finas do que as das colunas empacotadas com diâmetros externos de 03 mm mas reforçadas com revestimentos de polí mero Essas colunas resistentes e flexíveis ficam enroladas dentro de um forno termostatizado como mostra o esquema da Figura 89 A superfície interior da coluna capilar fica coberta com a fase estacionária líquida Co lunas de sílica fundida oferecem vantagens adicionais graças a sua capaci dade de resistir à adsorção do analito 892 Portas de injeção colunas e termostatização Consideremos o esquema de um cromatógrafo simples de CGCGL como o que aparece na Figura 89 O suprimento de gás de arraste é regulado para manter uma pressão constante do gás em todo o cromatógrafo independen temente das variações de pressão no cilindro O fluxo do gás de arraste nor malmente é monitorado por um indicador de fluxo em linha As pressões de entrada estão na faixa de 10 psi a 50 psi e produzem velocidades de fluxo no gás de arraste entre 25 cm3 min1 e 150 cm3 min1 As colunas são empaco tadas dentro de tubos de vidro ou de polímero Geralmente são enroladas para permitir que colunas de vários metros de comprimento possam ser abri gadas dentro de um forno com controle termostático e ventilação Em termos ideais a temperatura da coluna deve ser controlada dentro de um limite de algumas dezenas de Kelvin o que ajuda na identificação de picos cromato gráficos em misturas complicadas por comparação de tempos de retenção muito próximos A temperatura do forno em geral é escolhida de modo que seja igual à média dos pontos de ebulição dos componentes da mistura ou um pouco maior que esta A escolha da temperatura geralmente é um meio Cromatografia a gás e cromatografia gáslíquido 225 226 8 Métodos de separação e cromatografia termo já que temperaturas mais baixas permitem separações ótimas mas temperaturas elevadas diminuem o tempo de retenção e portanto o tempo de separação Se a amostra contém uma mistura de compostos com pontos de ebulição bem diferentes então é possível otimizar a separação aumen tando a temperatura da coluna com o tempo seja de modo linear seja gradualmente A porta de injeção da amostra normalmente também é aquecida por termostato dentro do forno para a facilitar uma rápida vaporização de amostras líquidas e b permitir o equilíbrio térmico do gás de arraste da coluna e da amostra com o analito antes de começar a separação química Na prática a injeção da amostra costuma ser mantida em temperatura mais alta que a temperatura do forno para impedir a condensação da amostra na porta As amostras geralmente são injetadas através de septos de borracha com seringas especiais para CG com volume da ordem de microlitros Um detector de dois canais monitora diferencialmente o eluente emergen te em comparação com um fluxo de gás puro por meio de uma válvula de desvio veja a Figura 89 Assim sinais de fundo podem ser continuamente subtraídos da resposta total medida de modo que os cromatogramas estejam relacionados unicamente aos analitos presentes na mistura a ser analisada É importante que as amostras sejam rapidamente introduzidas no fluxo de gás e em volumes tão pequenos quanto possível para obter um bom desempenho separacional As portas para injeção de amostra líquida per mitem amostras com volume entre 01 μl e 20 μl enquanto o volume exce dente é direcionado para o compartimento de resíduo Amostras gasosas são injetadas com seringas apropriadas e com o uso de uma válvula especial para amostragem de gás 893 Detectores para CG e CGL Detectores monitoram e permitem a quantificação de analitos à medida que estes são seqüencialmente eluídos da coluna cromatográfica Em termos ideais a eles devem responder a qualquer composto que não seja o gás de arraste eluente e b a resposta deve aumentar de modo linear com o au mento da concentração do analito em uma faixa de concentração que seja a mais ampla possível Os detectores não conferem nenhuma seletividade ao sistema e é somente a capacidade separacional do cromatógrafo que permite a identificação e a quantificação de cada analito presente na mistu ra Atualmente há vários tipos de detectores Descreveremos a seguir o funcionamento de alguns dos aparelhos mais usados Detectores de ionização por chama Estes detectores medem a corrente que pode passar entre um par de eletrodos opostos polarizados e posicionados em ambos os lados de uma chama de hidrogênioar Um esquema de detector de ionização por chama é mostrado na Figura 811 A chama gera um plasma de gás de alta resistividade elétrica na ausência de íons No entanto a temperatura da chama pirolisa a maior parte dos compostos orgânicos produzindo intermediários catiônicos e elé trons que agem como carreadores de carga entre os dois eletrodos Os íons são coletados no ânodo que é conhecido como coletor A corrente que flui poderá então ser amplificada e registrada na forma de picos cromatográfi cos enquanto os componentes são eluídos da coluna A resposta depende do número de átomos de carbono presentes na molécula do analito bem como é claro de sua concentração O estado de oxidação do carbono tam bém pode até certo ponto afetar a sensibilidade desse detector O carbono totalmente oxidado às vezes não ioniza na chama e nesses casos as respos tas serão menores ou estarão até mesmo completamente ausentes Normalmente o gás de arraste poderá ser hélio nitrogênio ou argônio em virtude da estabilidade térmica não combustibilidade e inércia química Os detectores de ionização por chama Figura 811 são mais utilizados que qualquer outra forma de detector em razão de sua simplicidade resistên cia geral e alta sensibilidade que permite determinações até 1013 g cm3 bem como por sua capacidade de responder ao longo de uma ampla faixa de concentração Detectores fotométricos por chama São detectores utilizados principalmente para a determinação de compos tos que contêm fósforo eou enxofre o que inclui por exemplo pesticidas e poluentes encontrados no ar e na água O eluente é borrifado no trajeto de uma chama de hidrogênioar de baixa temperatura e as emissões UV visível são fotometricamente registradas Figura 812 A chama no caso do fósforo vai formar uma espécie HPO de vida curta que emite luz em aproximadamente 510 nm e 526 nm De modo semelhante o enxofre pode ser convertido em S2 que emite luz em 394 nm Vários compostos diferen tes que contêm halogênios fósforo e outros metais podem ser detectados após emissões em comprimentos de onda característicos Cromatografia a gás e cromatografia gáslíquido 227 Figura 811 Esquema de detector de ionização por chama Efluente da coluna Ar H2 228 8 Métodos de separação e cromatografia Detectores de emissão atômica Neste tipo de detector o eluente primeiro atravessa o trajeto de um plasma de hélio induzido por microonda Figura 813 que é suficientemente energizado para permitir a atomização e também gerar as emissões atômicas apropriadas As emissões são dispersadas usandose um comprimento de onda de difração que permite a diferenciação e assim o monitoramento de cada emissão atômi ca por meio de uma série de tubos fotomultiplicadores móveis Detectores de captura de elétrons Um βemissor como o trítio ou o 63Ni é usado para irradiar o eluente à me dida que ele emerge da coluna cromatográfica As fontes de 63Ni podem ser utilizadas com temperaturas de coluna até 350 ºC enquanto fontes de trítio podem ser usadas somente com temperaturas até 220 ºC já que acima dessas temperaturas a velocidade de perda do trítio se torna inaceitável As partículas β elétrons provocam ionização no gás de arraste por exemplo o nitrogênio e isso gera mais liberação de elétrons Um par de eletrodos com polaridades opostas é posicionado em ambos os lados do fluxo de gás eluen te e a corrente que flui entre esses eletrodos é monitorada para provocar a resposta do detector Figura 814 Compostos orgânicos analitos tendem no entanto a capturar elétrons e isso diminui a corrente entre os eletrodos Figura 812 Esquema de detector fotométrico por chama H2 Fotomultiplicador Exaustor Ar Efluente da coluna Figura 813 Esquema de detector de emissão atômica Série de tubos fotomultiplicadores Coluna Janela Espelho Plasma Gás reagente Energizador de microonda Plano focal Grade de difração emparelhados Uma diminuição na corrente portanto corresponde a um pico cromatográfico à medida que um analito é eluído da coluna Sendo as sim a resposta medida pelo detector é inversamente proporcional à corrente que flui entre os eletrodos Quanto maior a eletronegatividade em uma molécula maior será sua eficiência em capturar elétrons o que por sua vez resultará em sensibilida de variável em relação a diferentes grupos de compostos orgânicos Os de tectores de captura de elétrons tendem a ser mais sensíveis na presença de compostos que contêm grupos nitro carbonila e halogênios embora com postos de baixa eletronegatividade às vezes também possam ser determina dos por derivatização com cloroacetatos por exemplo Detectores de condutividade térmica Detectores de condutividade térmica Figura 815 operam por monitora ção da condutividade térmica do fluxo de gás de arraste na presença ou ausência de moléculas do analito À medida que o gás de arraste elui da coluna passa por um filamento eletricamente aquecido A temperatura do filamento e portanto sua resistência varia dependendo da condutividade térmica do gás e isso por sua vez será modulado pela presença e concen tração de qualquer analito no fluxo de gás à medida que esse é eluído da coluna A maioria dos compostos orgânicos possui condutividade térmica de seis a sete vezes menor que a do nitrogênio ou do hélio que são os mais usados com esse tipo de detector O fluxo de gás esfria o filamento portan to mesmo pequenas quantidades de um analito podem aquecer significati vamente o filamento Normalmente são colocados dois detectores no fluxo do gás de arraste puro por meio de um loop de desvio e no fluxo do gás eluente respectivamente para comparação Os dois detectores estão conec tados de modo que formem braços de uma ponte de Wheatstone e assim as diferenças na resistência do filamento em relação aos analitos são moni toradas à medida que eluem da coluna independentemente de flutuações de temperatura no ambiente ou por exemplo em situações em que se utilizam regimes de variação de temperatura Cromatografia a gás e cromatografia gáslíquido 229 Figura 814 Esquema de um detector de captura de elétrons Fonte radioativa Efluência da CG Saída Figura 815 Esquema de um detector de condutividade térmica Bloco Filamento Entrada do gás Saída do gás 230 8 Métodos de separação e cromatografia 894 CGCGL acopladas a outros métodos instrumentais para fins de detecção A CG e a CGL geralmente estão acopladas a outras técnicas analíticas para assim aumentar a sensibilidade da análise Esses métodos conhecidos como técnicas hifenizadas exploram a capacidade de separação da CG ou da CGL para primeiro fracionar a mistura em suas partes componentes e permitir por exemplo a quantificação por espectroscopia de massa CG EM espectroscopia de infravermelho CGIV ou espectroscopia de resso nância magnética nuclear CGRMN Métodos mais antigos envolviam a coleta de frações do eluente que eram analisadas separadamente por uma segunda técnica analítica Hoje a instru mentação computadorizada moderna normalmente permite o acoplamento direto de dois aparelhos para a quantificação em tempo real do eluente à medida que ele emerge da coluna Esse método não só consome menos tem po mas freqüentemente possibilita aumento de resolução pois qualquer fra ção coletada do eluente necessariamente levou algum tempo para ser coletada e portanto vai representar até certo ponto uma mistura recombinada 810 Cromatografia líquida de alta eficiência HPLC 8101 Introdução à HPLC Atualmente a HPLC é uma das formas mais utilizadas de cromatografia O termo HPLC originalmente era uma abreviação de HighPressure Liquid Chromatography Cromatografia Líquida de Alta Pressão no entanto à medida que se aperfeiçoava o desempenho da técnica o acrônimo foi mantido e progressivamente utilizado como abreviação para High Perfor mance Liquid Chromatography ou como é mais conhecida no Brasil Cromatografia Líquida de Alta Eficiência A alta eficiência ou alto desempenho diz respeito à capacidade da HPLC de oferecer separações bastante seletivas e portanto de alta qualidade em um tempo mínimo Essa capacidade de separação é obtida passandose uma fase móvel líqui da ao longo de um suporte estacionário granulado o tamanho das partí culas é de alguns μm de diâmetro sob alta pressão Um esquema de cromatógrafo líquido de alta eficiência é mostrado na Figura 816 A fase do suporte estacionário é uniformemente empacotada em coluna de aço inoxidável com 3 mm a 4 mm de diâmetro e 10 cm a 30 cm de compri mento geralmente alojada em forno termostatizado A HPLC é muito utilizada como uma técnica analítica altamente sensível e seletiva para a identificação e quantificação de analitos em misturas complexas Em al guns procedimentos preparativos a HPLC também pode ser usada para purificar alguns produtos ou compostos