Práticas em Cromatografia de íons

Transcrição

Monografia
Práticas em
Cromatografia de íons
Uma Introdução
ȱ
ȱ
Práticas em
Cromatografia de íons
Uma Introdução
2ª edição
Eng. Claudia Eith
Prof. Dr. Maximilian Kolb
Químico Achim Rumi
Prof. Dr. Andreas Seubert
Dr. Kai Henning Viehweger (Editor)
Monografia Metrohm
Todos os direitos reservados a Metrohm, incluindo tradução.
Impresso pela Metrohm Ltda., CH-9101 Herisau, Suíça.
8.792.5013PT – 2006-07
Práticas em Cromatografia de Íons
1
2
Monografia Metrohm
Índice
1. Os autores ............................................................................................................................................5
2. Introdução.............................................................................................................................................6
3. Seção teórica........................................................................................................................................7
3.1. A história e a importância da cromatografia de íons ................................................................... 7
3.2. Teoria da Cromatografia .............................................................................................................. 9
3.2.1. Divisões da cromatografia e terminologia ............................................................................ 9
3.2.2. Conceitos teóricos para a descrição do processo cromatográfico..................................... 12
3.3. Princípios básicos da cromatografia de íons (CI) ...................................................................... 16
3.3.1. Terminologia e classificação em CL................................................................................... 16
3.3.2. Troca iônica ........................................................................................................................ 17
3.3.3. Formação de par iônico ...................................................................................................... 18
3.3.4. Exclusão de íons ................................................................................................................ 18
3.4. Modelos de retenção em cromatografia de íons ..................................................................... 19
3.4.1. Modelos de retenção em cromatografia de ânions ............................................................ 19
3.4.2. Modelos de retenção em cromatografia de cátions ........................................................... 24
3.5. Sistemas de detecção em cromatografia de íons.................................................................... 27
3.5.1. Métodos de detecção eletroquímica................................................................................... 27
3.5.2. Métodos espectroscópicos de detecção ............................................................................ 31
3.6. Fases estacionárias em cromatografia de íons ....................................................................... 32
3.6.1. Visão geral das fases estacionárias comuns ..................................................................... 32
3.6.2. Fases estacionárias para cromatografia de ânions............................................................ 34
3.6.3. Fases estacionárias em cromatografia de cátions ............................................................. 35
3.6.4. Trocadores de cátions baseados em sílica gel .................................................................. 35
3.6.5. Trocadores de cátions baseados em polímeros orgânicos................................................ 35
3.6.6. Trocadores de cátions peliculares...................................................................................... 35
3.6.7. Fases estacionárias em cromatografia de exclusão iônica................................................ 36
3.6.8. O significado da capacidade dos trocadores de íons......................................................... 36
3.7. Eluentes em cromatografia de íons ......................................................................................... 37
3.7.1. Cromatografia de ânions .................................................................................................... 37
3.7.2. Cromatografia de cátions.................................................................................................... 40
3.7.2.1. Cromatografia de cátions de íons alcalinos, alcalino-terrosos e amônia com detecção de
condutividade .......................................................................................................................................... 40
3.7.2.2. Cromatografia de cátions de íons metal de transição e alcalino-terrosos com detecção pela
derivatização pós-coluna e fotométrica ................................................................................................... 40
3.7.2.3. Cromatografia de exclusão de íons............................................................................................ 42
3
4. Seção prática......................................................................................................................................43
4.1. Informações sobre a parte prática ............................................................................................. 43
4.2. Experimentos abrangendo a teoria da cromatografia de íons................................................ 47
4.2.1. Experimento 1 – Cromatografia de íons com e sem supressão ........................................ 47
4.2.2. Experimento 2 – Capacidade das colunas de separação .................................................. 51
4.2.3. Experimento 3 – Seletividade das colunas de separação.................................................. 54
4.2.4. Experimento 4 – Limites de calibração, detecção e determinação na cromatografia de íons
...................................................................................................................................................... 60
Experimento 4a – Determinação de ânions com supressão química .......................................... 61
4.2.5. Experimento 5 – Alteração da seletividade com o auxílio de éteres coroa (18 Crown-6) . 64
4.2.6. Experimento 6 – Alteração da seletividade pela utilização de agentes complexantes ...... 67
4.2.7. Experimento 7 – Técnica de pré-concentração.................................................................. 72
4.3. Experimentos para a determinação de ânions ....................................................................... 75
4.3.1. Experimento 8 – Ânions em água potável.......................................................................... 75
4.3.2. Experimento 9 – Ânions em etanol e destilados (licores) .................................................. 79
4.3.3. Experimento 10 – Ânions em alface................................................................................... 85
4.3.4. Experimento 11 – Ácido fosfórico em refrigerantes tipo “cola”........................................... 88
4.3.5. Experimento 12 – Ácidos orgânicos em vinho ................................................................. 93
4.3.6. Experimento 13 – Contaminantes em borato – determinação de cloretos e sulfatos em
soluções de bórax......................................................................................................................... 98
4.3.7. Experimento 14 – Determinação de Ânions em água efluente ........................................ 104
4.3.8. Experimento 15 – Fluoreto em creme dental ................................................................... 108
4.3.9. Experimento 16 – Ânions em açúcar refinado branco e mascavo ................................... 111
4.3.10. Experimento 17 – Contaminantes em peróxido de hidrogênio ...................................... 115
4.4. Experimentos para a determinação de cátions .................................................................... 121
4.4.1. Experimento 18 – Metais alcalinos e metais alcalino-terrosos em água potável............. 121
4.4.2. Experimento 19 – Determinação de metais de transição................................................. 125
Experimento 19a – Determinação de metais de transição com um eluente contendo ácido
tartárico, ácido cítrico, etilenodiamina e acetona ....................................................................... 126
4.4.3. Experimento 20 – Contaminantes em sílica gel – determinação de íons cálcio e magnésio
.................................................................................................................................................... 131
4.4.4. Experimento 21 – Cosméticos e proteção contra corrosão: determinação de etanolaminas
e metais alcalinos ....................................................................................................................... 134
4.4.5. Experimento 22 – Metais alcalinos e metais alcalino-terrosos em vinho......................... 138
5. Literatura citada............................................................................................................................... 142
4
Monografia Metrohm
1. Os autores
Claudia Eith
Estudou Química na Fachhochschule em Aalen; realizou trabalhos práticos na área de análise de
água potável e efluentes em Adelaide (Austrália). Desde 2000 desenvolve trabalhos na divisão de
Pesquisa e Desenvolvimento da Metrohm Ltda.
Maximilian Kolb
Estudou Química na Technical University em Munique, com ênfase em pesquisas na área de catálise
homogênea. Gerenciou o setor de qualidade da Divisão Pública de Águas em Traunstein por cinco
anos. Desde 1982, é professor na Fachhochschule em Aalen; áreas de trabalho: tecnologia e
controles ambientais e quimiometria.
Achim Rumi
Estudou Química no Swiss Federal Institute of Technology (ETH), Zurique, Suíça. Desde 2005 é
Especialista de Produto IC na Metrohm Ltda.
Andreas Seubert
Estudou Química na Hannover University; promoção em 1990: “Análise de ultratraços em metais
refratários altamente puros com separação de traços da matriz por Cromatografia de Íons”;
habilitação em 1995: “Aplicações em linha da Cromatografia Líquida acoplada a Espectrometria
Atômica em análise elementar”. De 1998 a 2000: Professor temporário em Química Analítica na
Kassel University. Desde março de 2000 é Professor de Química Analítica na Philipps University em
Marburg.
Kai Henning Viehweger
Estudou Química na Hamburg University; tese na área de análise inorgânica; promoção na área de
pesquisa em sistemas ecológicos marinhos e em estuários. Desde 1996, no Setor de Marketing na
Metrohm Ltda. – Gerência internacional do centro de competência em cromatografia de íons.
5
2. Introdução
Examinar coisas que não se revelam por si mesmas é sempre um desafio. As razões para isto variam
desde uma simples curiosidade até uma real necessidade de sobrevivência. Há várias formas de se
“desvendar estes mistérios”. A forma mais simples é usando os sentidos humanos: audição, tato,
olfato, paladar e visão. Nos primórdios, os alquimistas gostavam de usar estes cinco sentidos. É por
isso que sentimos um sabor azedo quando provamos ácidos e, o bromo tem seu nome derivado de
“bromos”, fétido em Grego. A olho nu, uma solução de cromo mostra-se colorida, sendo desta forma
associada ao termo Grego “chroma”, ou seja, cor. Os alquimistas também expressavam seus
sentimentos com insultos tais como “you kobold” para cobalto, cuja presença causou aos nossos
ancestrais grande dificuldade na produção de ferro.
Muitas vezes, componentes presentes em diversos tipos de materiais não podem ser vistos
diretamente. Eles estão tão fortemente misturados que os sentidos humanos não são capazes de
identificá-los. É neste momento que a análise é utilizada. É possível extrair informação precisa de
uma mistura indefinida de componentes, a qual não pode ser obtida apenas pelos sentidos humanos.
Embora o organismo seja repleto deles, os sentidos humanos não podem identificá-los diretamente.
Estamos falando dos íons, aqueles átomos ou moléculas carregados eletricamente que são parte
integral de praticamente toda matéria viva ou morta. Os íons são responsáveis pela transferência de
informação através dos nervos, pela garantia de que a digestão ocorrerá, de que a pressão
sanguínea está correta e de que há oxigênio suficiente no sangue. Os íons produzem sal no mar,
controlam sua sede e os constituintes iônicos são usados como alimento por todos os seres vivos –
desde as bactérias até os seres humanos.
O conhecimento sobre os tipos e número de íons presentes no ambiente nos ajuda a entender as
interações ecológicas e bioquímicas. Caso as concentrações iônicas em um determinado alimento
sejam conhecidas, isto nos permitirá saber se o alimento é seguro para o consumo ou não.
Há diferentes formas de se determinar os íons qualitativamente (pelo tipo) e quantitativamente (pela
quantidade). Cada parte da informação é importante. Um método usado para a obtenção desta
informação é a cromatografia de íons. Basicamente, cromatografia significa “escrever em cores”. Em
análise química clássica isto significa a separação de substâncias, de acordo com suas cores, e sua
determinação, pela observação visual. Apesar de nem todos os íons serem caracterizados por cores
visíveis, o termo é mantido, mas outros métodos de detecção são usados hoje em dia.
A cromatografia de íons é um membro da grande família de métodos cromatográficos. Basicamente,
ela pode ser usada para determinar qualquer íon que carregue uma ou mais cargas. No passado, a
cromatografia de íons ou “CI” era um método muito dispendioso, mas hoje em dia, tem um preço bem
mais favorável. Por isso, ela se tornou uma ferramenta analítica poderosa e universal, sendo fácil de
usar.
Esta monografia “Práticas em Cromatografia de íons” demonstrará que a IC não é apenas um
assunto abstrato ou somente teórico, mas que ela pode fornecer respostas rápidas para os
problemas do dia-a-dia tais como: A água potável está adequada para os bebês consumirem? Qual é
a quantidade de nitrato que há no espinafre? Um determinado efluente causa poluição ambiental?
Visto que, um trabalho analítico prático exato é quase impossível sem uma base teórica, esta
monografia também contém informações detalhadas em uma seção teórica.
“Práticas em Cromatografia de íons” tem como objetivo, não apenas fornecer conhecimentos sobre
os princípios básicos da CI, mas também uma visão geral dos princípios cromatográficos. Além disso,
a cromatografia pode proporcnionar muitos feitos: satisfazer a curiosidade científica e assugurar uma
sobrevivência saudável em um ambiente poluído.
6
Monografia Metrohm
3. Seção teórica
3.1. A história e a importância da cromatografia de íons
Os primórdios da Cromatografia de Íons (CI) ou, mais precisamente da cromatografia de troca iônica,
remetem-se à metade do século passado. Entre 1935 e 1950, os conhecimentos sobre trocadores
iônicos e suas aplicações foram consideravelmente expandidos pelo “Projeto Manhattan”. Nos anos
50 e 60, foram desenvolvidos modelos teóricos para a compreensão do fenômeno de troca iônica e
da cromatografia de íons, nos quais esta monografia se baseia. Detectores para fluxos contínuos
foram usados nos anos 70; isto permitiu um salto na mudança da cromatografia de baixa-pressão
para a de alta-eficiência.
Tabela 1. História dos trocadores de íons e da cromatografia de íons, a técnica analítica baseada na
troca iônica
CL
CLAE
O termo “cromatografia de íons” foi criado em 1975 por Small, Stevens e Baumann com a introdução
da detecção por condutividade combinada com um método químico de redução da condutividade;
subseqüentemente, foi usada por um longo tempo como um nome comercial patenteado para fins de
marketing. Enquanto isso, o termo abreviado “Cromatografia de íons” se estabeleceu como o termo
específico para os métodos de cromatografia de formação de pares iônicos, exclusão iônica e troca
iônica, incluídos sob a cromatografia líquida de alta eficiência - CLAE (HPLC, do inglês: High
Performance Liquid Chromatography) [1]. Hoje, a técnica CI é aplicada na determinação de ânions
enquanto os métodos de espectrometria atômica, comumente usados para a determinação de
cátions, são raramente úteis para a determinação dos ânions eletronegativos do quinto ao sétimo
grupo do sistema periódico.
A área de aplicação mais importante da cromatografia de ânions, hoje, é a investigação de rotina dos
sistemas aquosos; isto é de vital importância na análise de água potável [2,3,4,]. A CI é também
usada para a análise das espécies de elementos em complexos ou elementos aniônicos, isto é,
principalmente para resolver problemas de relevância ambiental. O terceiro campo de aplicação da
cromatografia de ânions é o controle de ultratraços em processamento de reagentes ultrapuros
requeridos principalmente na indústria de semicondutores.
Hoje, os trocadores de íons, normalmente usados na CLAE (HPLC), consistem de partículas esféricas
de polímero com um diâmetro de aproximadamente 5 a 15 μm. Vários métodos são usados para
anexar os chamados grupos âncoras na superfície deste polímero; estes são usados como
espaçadores entre o polímero básico e os grupos funcionais efetivos. Estes grupos funcionais
normalmente consistem de íons amônio quaternário, os quais são quimicamente anexados aos
grupos âncoras. O número total de grupos funcionais é conhecido como a capacidade de troca; isto é
uma característica básica dos trocadores de íons.
Materiais de empacotamento, disponíveis comercialmente para cromatografia de ânions, apresentam
natureza de baixa capacidade com capacidades de troca de 50 a 100 μmol por coluna de separação.
7
Desta forma, as principais aplicações requerem o uso de detector de condutividade, o qual é usado
universalmente devido sua sensibilidade, e de eluentes que tenham a mais baixa condutividade
possível (background ou sinal de fundo). Trocadores aniônicos de baixa capacidade permitem o uso
de soluções aquosas de NaOH ou de tampão carbonato muito diluídas, cuja condutividade pode ser
reduzida até mesmo pelo recurso da supressão química [2,4].
Em cromatografia de ânions, são usados hoje em dia principalmente os grupos funcionais do Tipo I
(trimetilamônio ou TMA) e do Tipo II (dimetiletanolamônio ou DMEA). Visto que a interação mais
significativa entre a fase estacionária e os ânions do analito acontece no grupo funcional, isto significa
que sua estrutura tem uma influência decisiva no comportamento seletivo dos materiais de
empacotamento. De acordo com o conhecimento atual, a polaridade dos grupos funcionais, a qual
pode ser controlada por um número de resíduos hidroxietila (-CH2CH2OH) no nitrogênio quaternário,
é de particular importância [2,4].
O termo cromatografia de íons inclui todas as separações de espécies iônicas dentro da
Cromatografia com detecção em fluxo contínuo e é independente de limitações em equipamentos [5].
A CI tem sido o método escolhido, dentre os disponíveis em análise aniônica, graças à grande
variedade de colunas de separação, sistemas de eluição e detectores que hoje estão mais
disponíveis. A razão para isto é que existem poucos processos de separação de ânions; estes são
raramente disponibilizados para fins práticos, enquanto que os métodos gravimétricos e volumétricos
são limitados pela sua sensibilidade e seletividade. Mesmo com o desenvolvimento espetacular da
cromatografia gasosa desde 1965 ela não apresentou grandes vantagens para os ânions, visto que
estes não são voláteis. Desta forma, precisavam ser primeiramente derivatizados, mas a
sensibilidade deste método não foi suficiente para atender a demanda que existe hoje em análise de
traços [6]. Para a análise de cátions, existem alternativas de espectrometria atômica que possuem
alta eficiência (exemplo, ICP-AES/MS), portanto, o valor da cromatografia de cátions é
consideravelmente menor quando comparado com o da cromatografia de ânions. No entanto, a
cromatografia de cátions tem alcançado grande importância na análise de metais alcalinos e alcalinoterrosos, na determinação de nitrogênio amoniacal (análise em água potável) e na especiação de
compostos iônicos, em combinação com detectores de elementos específicos. Os trabalhos de
Haddad e Weiss [2,4] oferecem uma boa visão geral das aplicações de CI em vários setores.
8
Monografia Metrohm
3.2. Teoria da Cromatografia
3.2.1. Divisões da cromatografia e terminologia
Cromatografia é um método físico-químico para separar misturas de substâncias. O efeito de
separação é baseado na distribuição entre duas fases: uma fase é estacionária e a segunda é uma
fase móvel que flui em uma determinada direção [7,8]. As técnicas cromatográficas são divididas de
acordo com os estados físicos das duas fases mencionadas:
Fase Estacionária
Líquido
Sólido
Líquido
Fa se Móvel
Líquido
Gasoso
CSL
CSG
CLL
CLG
Figura 1
Divisão dos métodos cromatográficos de acordo com os estados físicos das fases
estacionária e móvel.
Uma adicional diferenciação dos métodos cromatográficos pode ser feita de acordo com os
processos básicos que ocorrem durante a separação, tais como adsorção ou distribuição; ou de
acordo com o tipo de procedimento utilizado (cromatografia planar ou por coluna) [9].
Parâmetros de retenção
Se uma mistura de substâncias for submetida à separação cromatográfica, um equilíbrio de
distribuição é formado entre as fases estacionária e móvel para cada componente individual. As
substâncias só podem ser separadas com sucesso quando os coeficientes de distribuição D dos
componentes diferirem suficientemente uns dos outros. D é definido como a relação entre as
concentrações de uma substância A na fase estacionária (índice S) e na fase móvel (índice M):
DA
[A] S
[A] M
(1)
As substâncias que possuem maiores coeficientes de distribuição D serão retidas mais fortemente do
que aquelas com D menores. O procedimento de separação cromatográfica é mostrado na forma de
um cromatograma, no qual um sinal de um detector é registrado em função do volume (ou do tempo)
de eluição da fase móvel. Isto significa que ele corresponde ao perfil de massa ou concentração em
função do tempo. O sinal detectado deve ser proporcional à concentração do analito no final do
processo de migração [8]. Como demonstrado na Equação 2, o tempo de retenção ou tempo de
retenção bruto tR de uma substância na fase estacionária é obtido pela adição do tempo de
retenção líquido tS, o qual corresponde ao tempo de retenção real no processo de migração, e o
tempo de corrida na fase móvel sem qualquer interação, o tempo morto tM.
tR
t S tM
(2)
Devido à formação de canais, processos de difusão ou irregularidades no equilíbrio adquirido entre as
fases estacionária e móvel, algumas partículas podem passar através da fase estacionária mais
lentamente ou mais rapidamente do que é esperado pelo tempo de retenção líquido tS. Isto significa
que um cromatograma não consiste de um número infinito de sinais discretos, mas idealmente de
picos Gaussianos (vide Figura 2).
9
T em po m orto
Ana lito 1
T em po d e retenç ão, analito n
T em po d e retenç ão líquido
F ator d e retenç ão
Ana lito 2
F ator d e ass imetria
R es oluç ão
S ina l
C oefici ente de s el etivi dade
áre a
Re so luç ão
A lt ura
Form aç ão de
Ca ud a
Figura 2
Cromatograma
de
eluição
de
uma
separação
por
cromatografia de íons
com indicação dos
parâmetros
mais
importantes.
Te m p o o u vo lum e
Sinal
Figura 3
Tempo ou
volume
Distribuição
Gaussiana com as
quantidades mais
importantes.
Como resultado de processos de difusão, os quais aumentam em importância conforme aumento do
tempo de residência na fase estacionária, a largura do pico de uma substância aumenta com o
aumento do tempo de retenção. Este fenômeno é característico de todos os métodos
cromatográficos.
Conforme foi mencionado, sob circunstâncias ideais, um pico em um cromatograma mostra a
distribuição Gaussiana. A Figura 3 mostra um exemplo da distribuição Gaussiana.
A largura na metade da altura do pico é conhecida como largura-média b0,5 e corresponde a uma
variância V de 2,354-vezes a distribuição. A largura da base w é definida como a distância entre os
pontos de intersecção das tangentes inclinadas com o eixo y, a qual é a mesma que a variância 4vezes da função de Gauss. Ambas as quantidades são parâmetros de medida do desempenho de
uma coluna de separação cromatográfica e, com uma forma de pico ideal, podem ser usadas para
calcular o número de pratos teóricos.
10
Monografia Metrohm
Variações da forma ideal de pico podem ser descritas pelo chamado fator de assimetria T. Isto é
definido pela relação entre as distâncias A e B medidas entre a linha vertical central e as inclinações
da distribuição a 10% de sua altura (vide Figuras 2 e 3) e pode ser calculado por:
T
B
A
(3)
Para picos perfeitamente Gaussianos, T = 1. Para valores de T maior que 1, o pico apresentará
“cauda”, enquanto que para valores menores, uma deformação frontal. Na prática, a intenção é
adquirir um fator de assimetria de T = 0,9 a 1,1.
Fator de retenção, seletividade e resolução
Como o tempo de retenção bruto tR depende muito das condições cromatográficas, somente sob
condições definidas que ele é característico para uma substância em particular e, portanto, pode ser
usado para identificação qualitativa. Se introduzirmos uma constante adimensional, o fator de
retenção k’; conseguiremos comparar diferentes sistemas cromatográficos. Esta constante fornece
informação mais precisa sobre quanto tempo a mais uma substância permanece na fase estacionária
do que na fase móvel [8]. O fator de retenção é matematicamente definido como o produto do
coeficiente de distribuição D pela proporção entre os volumes das fases estacionária e móvel ou
como a proporção entre o tempo de retenção líquido e o tempo morto. Com um cálculo envolvendo o
comprimento L do caminho de migração e a velocidade linear u da fase móvel também é possível
definir o fator de retenção (Equação 4).
k' = D
VS
t
= S
VM
tM
u tR
-1
L
(4)
Para valores pequenos de k’, uma substância elui próximo ao tempo (ou volume) morto do sistema
cromatográfico; isto significa que a separação é pobre. Se o k’ for muito grande significa que, embora
a separação seja boa, a um longo tempo de residência no caminho de migração e o pico torna-se
mais largo. Idealmente, o fator de retenção deve estar entre 2 e 5.
Duas substâncias serão adequadamente separadas apenas se seus fatores de retenção diferirem um
do outro significativamente. O coeficiente de seletividade D, também conhecido como o fator de
separação relativa, é uma medida da capacidade de separação de duas substâncias e é definido
como segue:
(5)
Se duas substâncias não podem ser separadas, então D = 1 e a coeluição ocorre. Quanto maior o
valor de D, melhor a separação. Entretanto, se D aumenta, o tempo requerido para a separação
também aumenta, sendo que na prática, os coeficientes de seletividade são ideais quando são
próximos de 1.5 [10].
O coeficiente de seletividade não descreve a qualidade do processo de separação. A resolução R,
entretanto, considera tanto as posições relativas dos picos, bem como suas larguras-médias b0.5 ou
larguras da base w, como pode ser visto na Equação 6.
(6)
Se a diferença entre os tempos de retenção de dois picos for grande em relação à das larguras da
base ou larguras-médias, então a resolução é boa. No caso de uma simetria de pico ideal, duas
substâncias podem ainda ser identificadas com R = 0,5. Para separação qualitativa, R deve ser de,
pelo menos, 1 (separação com 4V); para quantificação, uma resolução de R = 1,2 a 1,5 é requerida
[25]. Resoluções de R t 2 (separação com 8V) são evitadas devido ao longo tempo de análise
envolvido.
11
3.2.2. Conceitos teóricos para a descrição do processo cromatográfico
O modelo dos estágios teóricos de separação
O modelo dos estágios teóricos de separação é derivado do processo de destilação e é usado para
descrever separações cromatográficas [11]. Ele divide a fase estacionária em seções discretas,
estágios ou pratos teóricos de separação, nos quais, a princípio, um equilíbrio infinitamente rápido e
completamente reversível entre as fases estacionária e móvel é alcançado. A performance
(eficiência) de um sistema cromatográfico é, portanto, caracterizada por um número maior possível de
estágios teóricos de separação.
O número de pratos teóricos N pode ser determinado diretamente do cromatograma pela utilização
da variância V, a largura da base w ou a largura-média b0.5, e é calculado como se segue [12]:
2
§ t
§t ·
N = 16 ¨ R ¸ = 8 ln (2) ¨¨ R
©w¹
© b 0,5
2
·
t
¸ = §¨ R ·¸
¸
V ¹
©
¹
2
(7)
Ao invés do número de pratos teóricos, a Altura Equivalente ao Prato Teórico (HETP) pode
também ser usada para descrever a eficiência da separação.
(8)
Das Equações 5 a 8, pode ser visto que uma fase estacionária com um grande número de pratos
teóricos pode ainda separar duas substâncias, mesmo que seus fatores de retenção não sejam tão
diferentes. As equações também permitem o cálculo do número de pratos teóricos, os quais são
necessários para resolver um problema de separação.
O modelo de estágios teóricos de separação pode ser usado para explicar a ocorrência de sinais
Gaussianos na cromatografia se for assumido que, devido aos processos de fluxo e difusão, apenas
um equilíbrio incompleto e finitamente rápido é alcançado entre as fases estacionária e móvel. Isto
resulta em um processo de alargamento do pico, visto que uma zona estreita contendo a substância,
no início do caminho de migração, torna-se, claramente, mais larga com o aumento do tempo de
residência na fase estacionária.
O cálculo do número dos pratos teóricos, de acordo com a Equação 7, assume que a forma do pico é
ideal; entretanto, isto raramente ocorre na realidade. Com picos de formas assimétricas, o cálculo
deve ser realizado de acordo com o método momentâneo [13]. A Equação 9 inclui o fator de
assimetria T e produz valores aproximados.
2
ª tR º
«
»
¬ b 0,5 ¼
N = 41,7
T + 1,25
(9)
Um número de pratos efetivos n, que representa a real eficácia de separação mais precisamente do
que o número de pratos teóricos N é corrigido pelo fator de retenção k’ e é obtido de:
§ k' ·
n =N¨
¸
© k'+1 ¹
2
(10)
A teoria dinâmica (teoria de Van Deemter)
A decisiva fragilidade do modelo de estágios teóricos de separação é que a destilação e a
cromatografia são baseadas em dois processos físico-químicos fundamentalmente diferentes. Além
disso, nenhuma hipótese foi feita sobre a influência de parâmetros importantes, que sejam
experimentalmente acessíveis e que não afetam o tipo ou qualidade da fase estacionária em si
[14,15]. Estes poderiam ser:
x
x
x
12
Vazão da fase móvel
Diâmetro das partículas da fase estacionária
Espessura dos filmes superficiais no material de empacotamento.
Monografia Metrohm
Além disso, quantidades tais como os coeficientes de difusão nas fases estacionária e móvel, a
temperatura ou o volume do detector na cromatografia líquida são muito importantes para a eficiência
da separação.
A teoria dinâmica desenvolvida por van Deemter é, em princípio, uma extensão do modelo de
estágios teóricos de separação, a qual não leva em consideração as condições limitantes não-ideais
[16]. As seguintes suposições são feitas:
x
x
x
x
x
não há alcance espontâneo ou desimpedido de equilíbrio
há transporte de massa atrasado nas fases estacionária e móvel
não há vazão homogênea da fase móvel sobre a completa seção cruzada da coluna
há ocorrência de difusão de espalhamento e formação de canais na fase estacionária
há difusão longitudinal independente da velocidade da fase móvel e diretamente proporcional
ao tempo de retenção no caminho
A relação entre os efeitos dinâmicos mencionados acima e a altura equivalente a um prato teórico é
dada pela equação de van Deemter.
HETP
A B
C u
u
(11)
Os três termos A, B e C dependem, de diferentes maneiras, da vazão u da fase móvel. Os termos A
e B descrevem o completo transporte de massa através da fase estacionária; o termo C é
determinado pela interferência no alcance do equilíbrio entre as fases estacionária e móvel.
O Termo A descreve a difusão circular em contra-fluxo, a qual pode ser considerada como sendo
uma causa do alargamento do pico devido a um efeito multi-vias. Este termo é também conhecido
como o fator de empacotamento e, é independente da vazão linear u da fase móvel, pelo menos em
uma primeira aproximação. A seguinte relação se aplica ao termo A:
A
2 O dp
(12)
Na Equação (12), dP é o diâmetro médio de partículas na fase estacionária, O descreve a
irregularidade estatística do empacotamento; este deveria ser o mais homogêneo possível e consistir
de partículas uniformes.
13
O Termo B descreve a difusão longitudinal a favor ou contra a direção do fluxo da fase móvel. É de
particular interesse quando colunas capilares são usadas em cromatografia gasosa (CG), uma vez
que os coeficientes de difusão em gases são maiores em 4 a 5 potências de dez do que em líquidos.
B é calculado como sendo o produto do coeficiente de difusão na fase móvel DM e o fator labirinto J, o
qual descreve a porosidade da fase estacionária.
B 2 J DM
(13)
Como a importância da difusão diminui com o aumento da vazão da fase móvel, isto significa que B é
inversamente proporcional a u.
O Termo C é conhecido como o termo de transferência de massa. O atraso na transferência de
massa entre as fases estacionária e móvel, geralmente, tem a maior influência sobre o alargamento
do pico. A interferência no alcance do equilíbrio entre as fases estacionária e móvel aumenta com o
aumento de u, e é por isso que há uma proporcionalidade direta para com a vazão linear. Atrasos na
transferência de massa resultam de um coeficiente de difusão DS muito pequeno na fase estacionária
em comparação com a fase móvel. O termo C pode ser consideravelmente reduzido por caminhos de
difusão curtos e processos de transferência rápidos. Isto pode, principalmente, ser alcançado pela
localização dos poros na superfície, para que apenas um pouco se estenda para o interior da fase
estacionária. O termo C de transferência de massa é calculado como segue:
C=
16 k' dp 2

S 1 + k' D S
(14)
A representação gráfica da equação de van Deemter mostra uma curva hiperbólica, da qual o valor
mínimo de vazão u para a mínima altura de prato (número máximo de pratos) pode ser determinada
(Figura 4).
Termo C
Termo A
Termo B
Vazão u
Figura 4
Representação dos termos individuais da teoria de van Deemter com a curva
mostrando o valor ótimo de vazão.
Mesmo a teoria dinâmica é baseada em aspectos ideais. Na realidade, os três termos A, B e C só
são independentes um do outro em uma primeira aproximação, havendo uma influência adicional da
vazão u na difusão circular em contra-fluxo (Termo A). O termo C pode ser diferenciado pela
utilização dos termos CM e CS, os quais descrevem a transferência de massa na fase móvel (CM) e da
fase estacionária (CS). É por isso que a equação original de van Deemter tem sido modificada por
numerosas aplicações em CLAE, CG e camada delgada [17,18].
Cromatografia líquida moderna
A cromatografia líquida (CL) deve ser considerada como o termo genérico para muitos métodos
modernos de separação usando componentes no estado líquido. Ela pode ser usada para uma
grande variedade de substâncias diferentes e é caracterizada por sua excelente performance
analítica. A CL também inclui a cromatografia de íons (CI), que é provavelmente o mais importante
método de separação usado em química analítica moderna [3].
A CLAE é um desenvolvimento subseqüentemente lógico da cromatografia líquida clássica (CL). Na
CL clássica, introduzida por Tswett em 1906, colunas de vidro com diâmetro de 1 a 5 cm e
14
Monografia Metrohm
comprimento de até 500 cm foram usadas; estas eram preenchidas com fases de separação
contendo partículas medindo de 150 a 200 μm. Mesmo as separações de substâncias em misturas
simples freqüentemente duravam horas com uma eficácia média de separação. Como resultado da
compreensão do processo cromatográfico, o qual foi posteriormente desenvolvido (vide Equação 11),
tornou-se claro que o aumento na eficácia só poderia ser alcançado pela redução do diâmetro das
partículas da fase estacionária; entretanto, isto implicou em exigências completamente novas para os
equipamentos usados em cromatografia.
Desde aproximadamente 1970, uma tecnologia especial e poderosa de instrumentos tornou-se
disponível, a qual é capaz de ultrapassar uma alta contra-pressão de 10 a 50 MPa que ocorre quando
materiais de empacotamento com partículas de diâmetro de 3 a 10 μm e colunas de separação de
125 a 250 mm de comprimento por 4 mm de diâmetro interno são usadas.
Como resultado da miniaturização, a CLAE desenvolveu-se como um método de separação
puramente analítico; em contraste, a CL clássica atualmente é utilizada praticamente apenas para
fins preparativos. As vantagens da CLAE em comparação à CL clássica são principalmente:
x
x
x
x
x
x
excelente eficiência cromatográfica
processo de trabalho contínuo
detecção “on-line” das substâncias separadas
alta sensibilidade e reprodutibilidade
utilização do tempo de retenção para identificação qualitativa das substâncias
menor tempo de análise
Independente de sua área de aplicação, um sistema CLAE consiste principalmente dos componentes
mostrados na Figura 5: a bomba de alta eficiência com estoque da fase móvel (eluente), injetor (para
introdução da amostra), coluna de separação e sistema de detecção (incluindo derivatização,
aquisição e tratamento dos dados):
Reator póscoluna/
derivatização
Coluna de Separação
“Loop” de
Amostra
Vál vula de injeção
Condutividade
UV – VIS
Amperometria
Espectrometria
atômica
Amostra
Eluente
Bomba CLAE
Detector
Figura 5
Unidade de CLAE ou CI montada com os componentes mais importantes.
Com exceção da coluna de separação, a bomba é o coração de qualquer sistema CLAE. Ela deve
transferir (bombear) o eluente tão uniformemente e livre de pulsação quanto possível, mesmo em
presença de alta contra-pressão. Isto significa que é também necessário usar um injetor com “loop”
especial para a introdução da amostra. Uma válvula de seis vias é normalmente usada; ela é capaz
de receber um volume definido da amostra na alça “loop” em pressão padrão e transferir para o
sistema CLAE operando em alta pressão. A composição da fase móvel e o tipo de coluna de
separação devem ser adaptados ao problema analítico a ser resolvido. Isto também se aplica à
seleção do sistema de detecção. Hoje, a aquisição e o tratamento de todos os dados são realizados
por computador. Esta montagem básica de um sistema CLAE pode ser estendida conforme
necessário para resolver um problema analítico particular.
Princípios de separação em CL
A CLAE pode ser diferenciada de acordo com diferentes interações físico-químicas entre as
substâncias da amostra e da fase estacionária. Embora, na realidade existam vários mecanismos
diferentes responsáveis pela separação eficiente [9], uma classificação geral de acordo com os
seguintes mecanismos de separação é possível:
15
x
x
x
x
x
x
x
adsorção
distribuição
exclusão por tamanho
afinidade
troca iônica
formação de par iônico
exclusão iônica
Cromatografia de adsorção é definida por reações interfaciais, nas quais substâncias líquidas ou
gasosas são enriquecidas em uma fase sólida. Vários modelos estão disponíveis fornecendo uma
descrição qualitativa e quantitativa dos processos de adsorção; aqui, nós apenas nos referimos à
relevante literatura físico-química [19]. Duas técnicas diferentes são usadas. Em cromatografia de
fase normal, a fase estacionária é geralmente a sílica gel e, portanto, consideravelmente mais polar
do que a fase móvel (hidrocarbonetos). Em cromatografia de fase reversa CFR (ou RPC, em Inglês),
as condições são exatamente opostas. Por razões práticas, principalmente quando se refere ao
manuseio do eluente, a CFR é mais utilizada atualmente [3,9].
Na cromatografia de distribuição, a fase estacionária é um líquido, o qual é imiscível com a fase
móvel. A separação é baseada nas diferentes solubilidades dos analitos nas duas fases. Em um caso
ideal, é aplicada a lei de distribuição de Nernst. Este mecanismo de separação tem um importante
papel, particularmente em cromatografia gasosa quando capilares recobertos com líquidos de
separação são usados como fase estacionária. A cromatografia de distribuição também pode ocorrer
em CLAE se a sílica gel modificada com hidrocarbonetos não-polares, ou seja, as chamadas fases
com grupo octadecil (ou octil) forem usadas como material de separação.
Cromatografia por exclusão de tamanho (SEC, em Inglês) permite a separação de acordo com o
tamanho molecular como resultado de efeitos de seleção de partículas. Sílica gel ou resinas de
polímero orgânico, com uma estrutura de poro definida, são usadas como fase estacionária. Analitos
menores podem se difundir nos poros e são retardados. Com o aumento do tamanho da molécula,
torna-se menor qualquer interação com os poros, até que com um certo tamanho, as moléculas são
completamente excluídas e praticamente eluem no volume morto. Este tipo de cromatografia é muito
utilizado na análise de polímeros e bioanálise.
Cromatografia de afinidade permite a separação de misturas de substâncias pela seletividade ou
por forças de interação específicas. Interações altamente específicas podem ser observadas entre
antígenos e anticorpos (princípio chave-fechadura), bem como entre enzimas e seus substratos
particulares. Na prática, enzimas ou anticorpos são quimicamente imobilizados na fase estacionária.
Se houver um substrato ou antígeno correspondente na amostra, então ocorre seu retardo com
extrema seletividade. É por isso que a cromatografia de bioafinidade é indispensável para o setor de
análise de princípios ativos (farmacologia).
Cromatografia de troca iônica (CI) juntamente com as cromatografias por exclusão iônica e de par
iônico estão descritas em detalhes na seção seguinte.
3.3. Princípios básicos da cromatografia de íons (CI)
3.3.1. Terminologia e classificação em CL
Cromatografia de troca iônica ou cromatografia de íons (CI) é uma subdivisão da CLAE. De acordo
com a IUPAC, a cromatografia de troca iônica é definida como segue [7,8]:
“Na cromatografia de troca iônica, a separação é baseada nas diferenças das afinidades de troca
iônica dos analitos individuais. Se íons inorgânicos são separados e podem ser detectados por
detectores de condutividade ou por detecção por ultravioleta (UV) indireta, então, esta também é
chamada de cromatografia de íons”.
Por várias razões, esta definição é uma escolha infeliz. A técnica de detecção deveria ser
considerada separadamente do mecanismo de separação existente. Além disso, uma limitação do
termo “cromatografia de íons” para íons inorgânicos é difícil de ser entendida, visto que na prática,
tanto os íons orgânicos como os inorgânicos podem ser separados e identificados simultaneamente
em qualquer sistema.
Uma definição antiga e mais geral é mais adequada para definir a cromatografia de íons [20]:
16
Monografia Metrohm
«Cromatografia de íons inclui qualquer separação cromatográfica líquida rápida de íons em
colunas acopladas “on-line” com detecção e quantificação em um detector em fluxo.»
Esta definição caracteriza a cromatografia de íons independente do mecanismo de separação e do
método de detecção, ao mesmo tempo em que a distingue da troca iônica clássica. Os seguintes
princípios de separação aplicam-se na cromatografia de íons:
x
x
x
troca iônica
formação de par iônico
exclusão iônica
Os métodos cromatográficos são definidos pelo principal mecanismo de separação utilizado. Hoje, a
cromatografia de troca iônica é simplesmente conhecida como cromatografia de íons (CI), enquanto a
cromatografia de par iônico e a cromatografia por exclusão iônica são consideradas como sendo
aplicações mais específicas.
3.3.2. Troca iônica
A cromatografia de troca iônica (CI) é baseada em uma reação química estequiométrica entre os íons
de uma solução e uma substância sólida contendo os grupos funcionais, que podem fixar íons como
resultado de forças eletrostáticas. No caso mais simples em cromatografia de cátions, são grupos de
ácido sulfônico; em cromatografia de ânions, são grupos de amônio quaternário. Teoricamente, íons
com mesma carga podem ser completa e reversivelmente trocados entre as duas fases. O processo
de troca iônica leva a uma condição de equilíbrio. O lado em que ocorre o equilíbrio depende da
afinidade dos íons participantes em relação aos grupos funcionais da fase estacionária. A Figura 6 é
um diagrama esquemático mostrando os processos de troca para cátions e ânions. Os íons do analito
são chamados A, os íons do eluente competindo com eles para a troca são marcados com E.
A: íons do analito
E: íons do eluente
Fase Móvel
Vazão
Troca Catiônica
Troca Aniônica
Fase Estacionária
Figura 6
Diagrama esquemático mostrando o processo de troca iônica em cromatografia de
íons. Esquerda: troca catiônica. Direita: troca aniônica.
Aspectos termodinâmicos do processo de troca iônica
Trocadores de íons normalmente consistem de fases sólidas em cuja superfície são fixados os
grupos iônicos. Por causa da condição de eletroneutralidade, há sempre um contra-íon de carga
oposta nas proximidades do grupo funcional. O contra-íon geralmente se origina da fase móvel e é,
portanto, também conhecido como íon do eluente.
Se uma amostra for adicionada contendo dois íons A- e B-, então estes brevemente substituem os
íons do eluente E- e são retidos na carga fixa antes que sejam de volta trocados pelo íon do eluente.
Para a cromatografia de ânions isto resulta nos seguintes equilíbrios reversíveis:
resina - N+R3 E– + A–
+
–
resina - N R3 E + B
–
resina - N+R3 A– + E–
+
–
resina - N R3 B + E
–
(15)
(16)
As diferentes afinidades de A- e B- para com os grupos funcionais significam que a separação é
possível. A constante de equilíbrio K é também conhecida como o coeficiente de seletividade e é
calculada, como se segue, para o ânion A-:
(17)
17
Pode-se assumir que a concentração dos íons do eluente é normalmente maior do que a dos íons do
analito por várias potências de dez, então [E-] pode ser considerada como sendo uma constante nas
fases estacionária e móvel. Isto significa que o coeficiente de distribuição DA (Equação 1) e o fator de
retenção K’A (Equação 4) podem ser calculados. Estritamente falando, tais cálculos apenas são
permissíveis se as concentrações na Equação 17 corresponderem às atividades; entretanto, este só
é o caso para uma diluição infinita [19]. A princípio, as atividades dos íons na fase estacionária são
inacessíveis [4]. Para os trocadores de íons de baixa capacidade mais freqüentemente usados, os
quais só podem ser usados como fase móvel com eletrólitos bastante diluídos, as atividades são
simplesmente desconsideradas. Tais estimativas tão grosseiras não são mais válidas para materiais
de empacotamento de alta capacidade (>200 mmol/g) e eluentes concentrados; isto mostra variações
claras do comportamento ideal.
3.3.3. Formação de par iônico
Com o auxílio da cromatografia de par iônico é possível separar os mesmos analitos da mesma forma
que na cromatografia por exclusão iônica, mas o mecanismo de separação é completamente
diferente. As fases estacionárias usadas são materiais de fase reversa como as que são usadas na
cromatografia de distribuição. O chamado reagente de par iônico é adicionado aos eluentes e este
consiste de surfactantes catiônicos ou aniônicos, tais como sais de tetraalquilamônio ou ácidos nalquilsulfônicos. Juntamente com os íons do analito de carga oposta, os reagentes do par iônico
formam um par de íons não carregado, o qual pode ser retardado na fase estacionária por interações
hidrofóbicas. A separação é possível devido às constantes de formação dos pares iônicos e seus
diferentes graus de adsorção. A Figura 7 mostra um modelo simplificado de troca iônica estática, no
qual é assumido que interações com os analitos só ocorrem após a adsorção do reagente do par
iônico na fase estacionária.
Fase Móvel
Vazão
Íon do A nalito
Íon do E lu ente
Reagent e do par iônico
Fase Estacionária
Figura 7
Diagrama esquemático mostrando o modelo de troca iônica estática em
cromatografia de par iônico. O princípio de separação aplica-se tanto para ânions como para cátions.
3.3.4. Exclusão de íons
A cromatografia por exclusão de íons é principalmente usada para a separação de ácidos ou bases
fracas [2,4]. Sua maior importância é a determinação de ácidos fracos, tais como ácidos carboxílicos,
carboidratos, fenóis ou aminoácidos. A Figura 8 mostra o princípio de separação, usando um ácido
carboxílico R–COOH como exemplo.
Membrana de Donnan
Fase Móvel
Fas e
Estacionária
R – COO H (Analito)
Fluxo
+
-
H Cl (Eluent e)
Figura 8
de íons.
18
Exclusão de Donnan como o princípio de separação em cromatografia por exclusão
Monografia Metrohm
Na cromatografia por exclusão iônica, um trocador de cátions completamente sulfonado, cujos grupos
de ácidos sulfônicos são eletricamente neutralizados com prótons como contra-íons, é
freqüentemente usado como material de empacotamento. Em eluentes aquosos, os grupos funcionais
são hidratados. A camada de hidrato é limitada por uma membrana (imaginária) carregada
negativamente (membrana de Donnan). Ela só é atravessada por moléculas não-dissociadas e não
carregadas como a água. Ácidos carboxílicos orgânicos podem ser separados se ácidos minerais
fortes, por exemplo, o ácido sulfúrico, forem usados como fase móvel. Devido às constantes baixas
de ácido (valores pKA) dos ácidos carboxílicos, eles estão presentes em forma completamente nãodissociada em eluentes fortemente ácidos. Eles podem passar através da membrana de Donnan e
serem adsorvidos na fase estacionária, enquanto os íons sulfato do ácido sulfúrico completamente
dissociado são excluídos.
Força do Ácido / pKA
A Figura 9 mostra a dependência típica do volume de eluição de um ácido em seu valor pKA para
separação por exclusão de íons. Adsorção sobreposta (ácidos carboxílicos de cadeia longa, H2S) e
os limites da faixa de trabalho prático podem ser claramente reconhecidos. Em última instância,
ácidos carboxílicos são separados por causa de seus diferentes valores de pKA.
Volume de Eluição
Figura 9
Dependência do volume de eluição sobre o valor pKA particular de ácidos em
cromatografia por exclusão de íons.
3.4. Modelos de retenção em cromatografia de íons
Em uma situação ideal, a retenção de um analito em cromatografia de íons só poderia ser
determinada por sua afinidade aos grupos funcionais do trocador de íons. Esta afinidade pode ser
descrita pela formulação de uma reação química, a reação de troca iônica, e pode ser explicada pelo
uso da lei da ação das massas.
Os modelos de retenção descritos abaixo tentam predizer sobre o comportamento de retenção dos
analitos participantes sob condições cromatográficas particulares, baseadas na lei da ação das
massas. Se os modelos resultantes são aptos a explicar observações macroscópicas, então, com sua
ajuda é possível, por exemplo, otimizar um sistema de eluição para um problema de separação
particular.
3.4.1. Modelos de retenção em cromatografia de ânions
As seguintes observações envolvem, inicialmente, apenas a eluição por deslocamento isotônico
como o mais simples mecanismo de eluição em cromatografia de íons. O exemplo real refere-se à
cromatografia de ânions, mas as mesmas considerações aplicam-se similarmente à cromatografia de
cátions. Só quando agentes complexantes são adicionados aos eluentes, é necessário estender o
modelo de retenção; isto é descrito na seção «Modelo de retenção para eluição em presença de
agentes complexantes» (capítulo 3.4.2.).
Modelo de retenção para eluentes com um ânion
Se a eletroneutralidade for assumida, então o mais simples enfoque para um modelo de retenção
para deslocamento isotônico é aquele em que um único íon eluente Ey– compete com um ânion de
19
analito Ax– em relação aos grupos funcionais da fase estacionária [4]. A concentração dos ânions do
eluente Ey– permanece constante com o tempo (eluição isocrática).
Os sítios de troca em uma coluna de separação com uma capacidade Q são ocupados por ânions do
eluente Ey– no início do processo cromatográfico. Se uma amostra contendo o íon do analito Ax– for
adicionada, então o seguinte equilíbrio se estabelece entre a fase estacionária (índice S) e a fase
móvel (índice M):
y · AMx– + x · ESy–
y · ASx– + x · EMy–
(18)
De acordo com a lei da ação das massas, este equilíbrio pode ser descrito por uma constante de
equilíbrio termodinâmico. Se as atividades dos íons participantes foram consideradas, então a
seguinte constante de equilíbrio termodinâmico é obtida:
K A,E
y
x
[A Sx ] y [E My ] x Ȗ A Sx Ȗ EMy y
x y
y x
[A M ] [E S ] Ȗ A x Ȗ Ex y M
(19)
S
Visto que as atividades dos íons participantes não podem ser determinadas nas fases estacionária e
móvel, a atividade na fase estacionária é ignorada e assumida como 1.
Se para o ânion do analito Ax– duas quantidades, o coeficiente de distribuição DA e o fator de retenção
K’A, são agora introduzidas (capítulo 3.2.1.),
DA
[A] S
[A] M
com k'
A
DA
(20)
VS
VM
então, incluindo estas quantidades e desprezando as atividades, a Equação 19 pode ser convertida
para:
K A,E
§
V ·
¨¨ k' A M ¸¸
VS ¹
©
y
§ [E My ] ·
¨ y ¸
¨ [E ] ¸
© S ¹
x
(21)
Como a concentração dos íons do eluente E é normalmente maior do que a dos ânions do analito Ax–
por várias potências de dez, uma boa estimativa pode ser obtida assumindo-se que todos os grupos
funcionais são ocupados por Ey–. Sob esta hipótese, a concentração não-determinável de Ey– na fase
estacionária pode ser substituída pelos parâmetros mais facilmente acessíveis de capacidade de
troca Q e carga do ânion do eluente y:
Q
y
[E Sy ]
(22)
Isto significa que a Equação 21 pode ser convertida para:
y
K A,E
x
§ ' VM · § Q ·
¨¨ k A
¸ ¨ ¸ [E My ]
VS ¸¹ ¨© y ¸¹
©
(23)
x
O fator de retenção K’A do ânion do analito Ax– pode facilmente ser obtido de um cromatograma. A
Equação 23 é, portanto, resolvida para esta quantidade.
1
k 'A
VS
(K A,E ) y
VM
x
x
§ Q · y y y
¨¨ ¸¸ [E M ]
©y¹
(24)
Esta equação é de suma importância para cromatografia de ânions, uma vez que ela fornece uma
relação quantitativa entre o fator de retenção K’A e vários parâmetros, experimentalmente acessíveis
tais como a concentração do eluente e a capacidade de troca. Na prática, uma versão logarítmica da
Equação 24 é usada por razões de clareza.
log k' A
1
x
Q
x
log K A,E log
log ) log [E My ] para )
y
y
y
y
VS
VM
(25)
Da Equação 25 pode ser visto que:
20
x
Aumentando a concentração do eluente [Ey–], a eluição se acelera,
o maiores fatores de retenção resultam de maiores constantes de equilíbrio KA,E, maior
capacidade de troca Q e maior proporção fase-volume ).
x
Analitos multivalentes Anx– são retardados mais fortemente do que monovalentes Ax–,
Monografia Metrohm
o
pelo menos enquanto a concentração do eluente [Ey–] for relativamente baixa. Isto é
também conhecido como eletro-seletividade.
Eluentes multivalentes Eny– têm uma capacidade de eluição maior do que monovalentes Ey–,
o a eluição de analitos multivalentes Anx– é mais fortemente influenciada por
concentrações elevadas de íons eluentes monovalentes Ey– do que daquela de
analitos monovalentes Ax–.
Como uma primeira aproximação, pode-se assumir que coeficientes de seletividade são
independentes de Q quando ) é constante; isto resulta na seguinte proporcionalidade:
x
(26)
Da Equação 26 pode ser visto que se a capacidade de troca Q for aumentada, então a concentração
do eluente [Ey–] deve ser aumentada proporcionalmente a fim de se obter fatores de retenção
constantes. É por isso que fases de separação de baixa capacidade são, normalmente, usadas em
cromatografia de íons, uma vez que altas concentrações de eletrólitos tornariam o uso do mais
importante método de detecção em cromatografia de íons, detecção por condutividade, praticamente
impossível.
A fim de otimizar os problemas de separação, a concentração do eluente [Ey–] é freqüentemente
variada. Se todos os outros parâmetros presentes na Equação 25 permanecerem constantes, então
isto pode ser simplificado para:
x
(27)
log k'
C log [E y ]
A
1
y
M
Uma apresentação gráfica da Equação 27 origina uma linha reta com uma inclinação m = –x/y e uma
interseção no eixo C1, que contém as quantidades Q, ) e KA,E. Se um eluente aniônico monovalente
for usado, então m é também conhecido como a carga efetiva. A Figura 10 mostra o resultado da
Equação 27 para várias combinações de ânions do analito e de eluente diferentemente carregados.
Figura 10
Apresentação gráfica da Equação 27 para várias combinações de ânions do analito e
de eluentes diferentemente carregados [4].
A Equação 27 tem sido confirmada por numerosas publicações; entretanto, sob a hipótese de que
materiais de separação de baixa capacidade e eluentes diluídos têm sido usados.
Se a capacidade de troca Q variar enquanto os outros parâmetros permanecerem constantes, então
a Equação 25 pode ser simplificada para:
log k' A
C Q
x
log
y
y
(28)
A representação gráfica desta equação é similar à Figura 10, mas com uma inclinação positiva.
Investigações cromatográficas sobre a variação de Q foram realizadas em apenas uma ocasião, até
hoje, para a separação de cátions bivalentes. Isto tem mostrado que, em contraste às hipóteses
prévias, o fator de retenção e os coeficientes de seletividade não podem ser considerados como
sendo independentes da capacidade de troca. Para a otimização dos problemas de separação, está
claro que além da concentração do eluente [Ey–], a capacidade de troca Q é também uma quantidade
importante.
21
As considerações acima só se aplicam para um ânion analito. Se dois ânions diferentes Ax– e Bz–
estão competindo por grupos funcionais, então o seguinte se aplica para os coeficientes de
seletividade KA,B:
K A,B
[A Sx ] z [B Mz ] x
[A Mx ] z [A Sz ] x
(29)
Considerando-se a Equação 20, a seletividade D é primeiramente obtida
[A Sx ] [B Mz ]
k' A
Į A,B
k' B
[A Mx ] [B Sz ]
(30)
e depois, converte-se nas Equações 31 a e b,
log Į A.B
§ k' V
1
xz
log K A,B log ¨¨ B M
z
z
© VS
·
¸¸
¹
(31a)
log Į A.B
§ k' V
1
xz
log K A,B log ¨¨ A M
x
z
© VS
·
¸¸
¹
(31b)
as quais podem ser simplificadas para analitos com mesma carga (x = z):
log Į A,B
1
log K A,B
z
(32)
ou
log Į A,B
1
log K A,B
x
(33)
Para a seletividade entre dois ânions analitos similarmente carregados, isto significa que:
x
x
é apenas uma função dos coeficientes de seletividade KA,B e das cargas z e x,
com KA,B constante, a seletividade não depende da concentração [Ey–] nem da constituição
química do ânion eluente
Se A e B têm cargas diferentes, então:
x
x
DA,B depende do fator de retenção de um dos dois analitos,
os dois fatores de retenção K’A e K’B não são independentes um do outro
Nas Equações 31 a 33, é particularmente interessante que as seletividades de dois ânions,
inicialmente, não dependem da constituição química nem da carga do ânion eluente, fazendo com
que a proporção fase-volume e o coeficiente de seletividade sejam constantes. Entretanto, na prática,
uma alteração em DA,B pode ser alcançada pela variação de [Ey–], uma vez que dois analitos com a
mesma carga podem ter, todavia, propriedades químicas diferentes, por exemplo, polarizabilidade e
hidratação; isto pode resultar em diferentes afinidades para com a fase estacionária. Entretanto, estas
interações não são consideradas na derivatização clássica.
Modelos de retenção para eluentes com vários ânions
As observações prévias referem-se aos sistemas de eluição com apenas um ânion eluente. Na
prática, geralmente estão presentes várias espécies eluentes, por exemplo, em tampões
carbonato/hidrogenocarbonato ou em ácidos polipróticos tais como ácido fosfórico, cuja dissociação
e, conseqüentemente a distribuição de espécies, dependem fortemente do pH.
Mesmo em casos simples, nos quais nenhum dos ânions eluentes participantes está envolvido no
equilíbrio ácido-base, a relação entre o fator de retenção K’ e a concentração do eluente [E–] não
pode ser representada na forma de uma simples relação log-log, de acordo com a Equação 28. Isto
só seria possível se a concentração ou o poder de eluição dos outros ânions eluentes fossem
ignorados; isto então corresponderia ao modelo de retenção para eluentes monovalentes.
Na literatura, vários modelos sobre eluentes polivalentes são descritos; estes estão brevemente
discutidos abaixo:
x
x
x
22
modelo do equilíbrio dominante [21]
modelo da carga efetiva [22-24]
modelo do eluente de múltiplas espécies [25, 26]
Monografia Metrohm
Se um eluente baseado em fosfato com H2PO4–, HPO42– e PO43–, (ou H2P–, HP2– e P3–) e o íon
analisado monovalente A– forem considerados, então os seguintes equilíbrios são formados:
A M H 2 PS
A M A
M
1
2
A S H 2 PM
S
HPS2 1
3
P
A 3
S
A S 1
2
1
3
2
M
HP
PM3 ;
x1
(34)
;
x2
(35)
;
x3
(36)
Aqui, as quantidades x1….3 correspondem às contribuições de uma dada reação na retenção, é por
isso que:
x1 + x2 + x3 = 1
(37)
Ambos os modelos, do equilíbrio dominante e da carga efetiva, postulam uma carga particular para o
ânion eluente, mesmo que várias espécies estejam presentes; isto significa que o modelo de retenção
para eluentes aniônicos monovalentes (vide acima) pode ser usado.
O modelo do equilíbrio dominante assume que o equilíbrio na Equação 36 está completamente do
lado direito, uma vez que P3– está ligado muito mais fortemente à fase estacionária do que H2P– e
HP2–, como um resultado de sua maior carga. Isto significa que P3– sozinho é decisivo para a eluição
sendo que a carga do ânion eluente é –3. Entretanto, na prática este modelo só alcança uma boa
concordância com analitos multivalentes [4].
No modelo da carga efetiva, uma carga efetiva é calculada, levando-se em consideração o valor do
pH, a partir das frações molares das espécies possíveis H2P–, HP2– e P3– [22]. Utilizando-se estes
juntamente com as concentrações das espécies eluentes, uma relação análoga à Equação 27 pode
ser obtida. Entretanto, um pré-requisito para este tipo de cálculo é que as seletividades das espécies
eluentes não sejam muito diferentes em relação às dos íons analitos A–. O modelo de carga efetiva é
principalmente adequado para uso com analitos monovalentes [4].
Na realidade, o modelo do eluente de múltiplas espécies é o mais adequado para a descrição de
eluentes cujos componentes são quimicamente derivados uns dos outros. As observações seguintes
são baseadas no modelo de Mongay [27], que é um desenvolvimento posterior do trabalho de Jenke
e Pagenkopf [25].
As Equações 34 a 36 podem ser usadas para expressar o equilíbrio global na coluna de separação
(Equação 38). Considerando-se a Equação 37, as constantes de equilíbrio KA,P podem ser definidas
para o processo de troca se as atividades forem ignoradas (Equação 39).
(38)
K A,P
[A S ] [H 2PM ] X1/1 [HPM2 ] X2 /2 [HPM3 ] X3 /3
[A M ] [H2PS ] X1/1 [HPS2 ] X2 /2 [HPS3 ] X3 /3
(39)
O posterior tratamento matemático é realizado voltado para a derivação do modelo de retenção para
eluentes aniônicos monovalentes. O que se segue deve ser considerado:
x
x
x
a (possível) dissociação do ânion analito A–
a concentração total das espécies eluentes: CP= [H3P] + [H2P–] + [HP2–] + [P3–]
a extensão das interações entre as espécies do eluente e os grupos funcionais
A introdução dos fatores de retenção k’A (Equação 20) e a capacidade Q (Equação 22) supre, após
posterior conversão matemática, uma expressão complicada para k’A [28]; a qual é dada aqui apenas
em sua forma logarítmica e, posteriormente, simplificada:
log k' A
§x
x ·
x
C 3 ¨¨ 1 2 3 ¸ log c P
2
3 ¹
© 1
(40)
C3 é uma constante que, similarmente à Equação 27, contém quantidades tais como a proporção
fase-volume, a capacidade e a constante de equilíbrio; CP é a soma das concentrações das espécies
do eluente. Da Equação 40, pode-se deduzir que inclinações das linhas retas em um gráfico
bilogarítmico devem ser sempre menores do que aquelas obtidas com o modelo de retenção simples
para eluentes aniônicos monovalentes (Equação 27), uma vez que o total entre parênteses é sempre
23
menor que um. Está claro também que o valor do pH tem uma influência decisiva na extensão para a
qual a relação log-log é influenciada.
Para as espécies do eluente que não são quimicamente derivadas umas das outras, Janoš (et al.)
desenvolvou um modelo para descrever eluentes contendo tampão fosfato e perclorato
adicionalmente [29]. Este modelo foi derivado de acordo com considerações similares às descritas
acima, porém, um equilíbrio de troca deve ser considerado para um posterior íon eluente
monovalente. Os cálculos fornecem expressões muito complicadas para o fator de retenção; eles
podem ser dramaticamente simplificados para eluentes ácidos ou neutros. Se, apenas uma adicional
espécie monovalente do eluente estiver presente, além do perclorato, então a Equação 41 é obtida
onde x e y representam as contribuições das reações de equilíbrio correspondentes (x: tampão
fosfato, y: perclorato) à retenção. Assim como em outros modelos, C é uma constante, enquanto o
fator a, tão precisamente definido, deve mostrar o quanto mais fortemente o íon perclorato está ligado
à fase estacionária do que as espécies de fosfato envolvidas.
(41)
Como na Equação 41, os termos entre parênteses são sempre menores que um, a inclinação da
plotagem log-log é sempre menor do que seria esperado do modelo de retenção simples. Em
aplicações reais, o modelo fornece boa concordância com os dados experimentais. Entretanto, a
forma descrita acima não pode ser usada para sistemas alcalinos de eluição.
3.4.2. Modelos de retenção em cromatografia de cátions
A cromatografia de cátions deve ser dividida em dois grupos de modelos de retenção. Um grupo está
relacionado com cátions metais alcalinos e alcalino-terrosos como analitos e só requerem um sistema
de eluição baseado em deslocamento isotônico. Neste caso, a fase estacionária tem grupos ácidocarboxílicos como grupos funcionais. Na separação de íons metálicos com duas ou mais cargas, o
uso de um agente complexante é essencial; sua influência na retenção é descrita abaixo.
Modelo de retenção para eluentes com um cátion
As explicações dadas na seção «Modelo de retenção para eluentes com um ânion» aplicam-se de
forma análoga para cromatografia de cátions com eluição por deslocamento isotônico. Na prática, isto
é relevante para a determinação de metais alcalinos e alcalino-terrosos, amônio e aminas de cadeia
curta. Além de H+, cátions orgânicos tais como o ácido 2,3-diaminopropiônico (DAP), são usados
como cátions eluentes em combinação com ácido clorídrico diluído. Dependendo do pH do eluente,
DAP está presente nas formas iônicas (1) e (2) (Figura 11). Após supressão, a forma zwitteriônica (3)
é obtida, a qual não tem condutividade própria.
Figura 11
Espécies iônicas do ácido diaminopropiônico.
Modelo de retenção para eluição na presença de agentes complexantes
Em cromatografia de cátions, eluentes contendo um agente complexante além do cátion eluente En+
são usados para separação de íons de metais pesados, alcalino-terrosos e de transição. Os agentes
complexantes usados são principalmente os ácidos dicarboxílicos H2L tais como os ácidos tartárico,
oxálico, cítrico e também o piridinodicarboxílico. Os analitos formam complexos de diferentes
estabilidades com os ânions dos agentes complexantes HL– e L2–; suas estequiometrias também
podem diferir. Como resultado do processo de complexação, a carga efetiva, ou seja, a carga do
analito presente sob um período de tempo médio é reduzida. Isto ocorre de acordo com a cinética da
formação do complexo e as constantes de estabilidade dos complexos, as diferenças na seletividade
aumentam e a separação torna-se possível, mesmo sendo de analitos similares. Além da troca iônica,
a formação de complexo é decisiva para a separação de íons metálicos com altas cargas.
24
Monografia Metrohm
(42)
(43)
(44)
Levando-se em consideração a influência do agente complexante na separação por cromatografia de
íons, o modelo de retenção para deslocamento isotônico (vide seção «Modelo de retenção para
eluentes com um ânion», capítulo 3.4.1.) é ampliado. O valor DM é introduzido como quantidade
influente que descreve o grau de formação de complexo do analito. A fração DM dos íons analitos
livres na fase móvel é dada como:
>Me @
>Me @
>Me @ >MeHL @ >MeL @ >MeL @ >Me'@
x
ĮM
x
x
x 1
x 2
x 4
2
(45)
sendo [Me’] a concentração total dos íons metálicos. O valor DM pode ser calculado a partir das
constantes de formação de complexos, da constante de dissociação dos ácidos carboxílicos e do pH
do eluente. Considerando-se a formação de complexos, a seguinte equação é obtida para o
coeficiente de distribuição DMe:
D Me
>MeR x @
>Me'@
ĮM
>MeR x @
>Me @
x
(46)
Assumindo-se que apenas os íons analitos livres Mex+ interagem com o ácido carboxílico ou com os
grupos de ácido sulfônico e que c(Ez+) >> c(H+), então, obtém-se o seguinte para a Equação 23:
y
K Me, E
§ k' Me · § Q ·
¨¨
¸¸ ¨¨ ¸¸
© ĮM ĭ ¹ © y ¹
x
>E @
y x
(47)
De maneira similar à Equação 25, a forma logarítmica da Equação 47 é obtida como:
log k' Me
log Į M 1
x
Q
x
y
log K Me, E log log ) log [E M
]
y
y
y
y
(48)
Se várias espécies metálicas catiônicas estiverem juntas, isto é, Mex+ e MeHL(x–1)+ , então
normalmente um único pico é obtido no cromatograma para os analitos envolvidos. O número de
picos obtidos depende da cinética dos equilíbrios de complexação e de descomplexação na fase
móvel. Apenas um pico é obtido se os equilíbrios dos complexos são alcançados mais rapidamente
na fase móvel em comparação ao tempo de residência do complexo na fase estacionária. Por outro
lado, se o processo de complexação ocorre lentamente, então, picos assimétricos ou múltiplos podem
surgir.
Assumindo-se que todas as espécies metálicas presentes na fase móvel podem interagir com a fase
estacionária, então, obtém-se o seguinte para o fator de capacidade k’exp do analito,
experimentalmente determinado:
(49)
Consideração da dependência do fator de capacidade sobre as quantidades influentes Q, [Ey+], bem
como DM requer que a relação apresentada na Equação 48 seja usada como base, uma vez que
analitos bivalentes formam, principalmente, complexos aniônicos ou neutros com fortes agentes
complexantes.
Cálculos dos valores DM
De acordo com a Equação 45, o valor DM é definido como a razão entre a concentração dos íons
metálicos livres e a concentração total dos íons metálicos. As concentrações das espécies metálicas
presentes na fase móvel podem ser calculadas a partir das constantes de formação de complexos e
constantes de dissociação dos ácidos carboxílicos usados.
Se for usado ácido tartárico como agente complexante em eluentes, então, complexos MeL 1:1
neutros serão, principalmente, formados com metais pesados, alcalino-terrosos e de transição
25
juntamente com uma quantidade menor do complexo hidrogenotartarato MeHL+. Para eluentes
contendo ácido tartárico, o seguinte é obtido para o cálculo do valor DM:
>Me @
>Me @ >MeL @ >MeHL @
2
ĮM
2
1
1 K MeL Į L c L K MeHL Į HL c L
(50)
onde cL é a concentração total de ácido tartárico e DHL e DL são as frações molares dos ânions ácidos
HL– e L2–.
Além dos complexos 1:1, alguns íons metálicos também formam complexos estáveis MeL22– com
ácido oxálico e/ou ácido piridinodicarboxílico, sendo que DM pode ser calculado como segue:
>Me @
2
ĮM
1
>Me @ >MeL @ >MeL @
2
2
2
(51)
2
1 K MeL Į L c L K MeL K MeL 2 Į L c L
2
Cálculo da dissociação de ácidos
O pH e a concentração do agente complexante na fase móvel determina a concentração de ligante e,
portanto, o quanto do analito está complexado. Um ácido com dois prótons se dissocia em dois
estágios:
(52)
(53)
com as constantes de ácidos KS1 e KS2. As frações molares DH2L, DHL e DL, usadas para calcular o
valor DM, são obtidas das leis da ação das massas dos estágios individuais de desprotonação:
Į H2L
>H @
>H @ K
>H2L@
2
>H2L@ >HL @ >L @ >H @
2
2
>HL @
>H L@ >HL @ >L @ >H @
2
>L @
2
ĮL
2
2
K S2
> @
> @
(55)
K S1 H K S1 K S2
K S1 K S2
>H2L@ >HL @ >L2 @ >H @2 K S >H @ K S
1
26
S1
K S1 H Į HL
(54)
K S1
1
(56)
K S2
Monografia Metrohm
3.5. Sistemas de detecção em cromatografia de íons
Diferentes métodos são usados para a detecção de substâncias em CLAE. A seleção do detector
adequado deve sempre estar em concordância com os problemas analíticos a serem resolvidos. Os
requisitos de um detector podem ser sumarizados como se segue:
x
x
x
x
x
alta sensibilidade de medição e curto tempo de resposta;
sinal de medição proporcional à concentração do analito (faixa linear larga);
pequenas mudanças na linha de base;
baixo ruído de fundo (background);
o menor volume possível para reduzir o alargamento do pico.
Uma diferenciação geral é feita entre detectores seletivos e não-seletivos. Enquanto um detector
seletivo responde diretamente a uma propriedade do analito, detectores não-seletivos reagem a uma
alteração de uma das propriedades físicas do completo sistema de eluição causada pelo analito.
Como os detectores usados em cromatografia de íons não diferem, a princípio, daqueles usados em
CLAE “convencional”, os sistemas de detecção mais importantes serão, pelo menos, mencionados
nesta seção. O detector universal e mais freqüentemente usado em CI é o detector de condutividade.
3.5.1. Métodos de detecção eletroquímica
Detecção de condutividade
Detecção de condutividade, também conhecida como detecção condutométrica, tem uma
participação de mercado de aproximadamente 55% no setor de cromatografia de íons [4]. Se for
considerado o número de cromatógrafos de íons vendidos, então, esta participação é provavelmente
muito maior hoje em dia. Detecção de condutividade é um princípio de detecção não-seletiva; assim,
ambas as determinações com detecção direta e indireta são possíveis. Uma vez que eletrólitos
aquosos são freqüentemente usados como fase móvel em cromatografia de íons, o detector deve ser
capaz de responder às mudanças relativamente pequenas na condutividade total do eluente causada
pelos íons analisados. Pelo uso das chamadas técnicas de supressão, a condutividade de fundo de
alguns eluentes pode ser drasticamente reduzida; no caso de ânions de ácido forte, é possível
melhorar consideravelmente a sensibilidade.
A condutividade N é determinada como a recíproca da resistência R que um líquido produz entre dois
eletrodos com uma área A em uma distância L.
N = L / (A*R)
(57)
A condutividade equivalente ȁ de uma solução pode ser determinada como:
/=N/c
(58)
A condutividade limite /f e a variação da condutividade com a concentração pode ser determinada
pela Equação 59. As constantes A e B são constantes empíricas das substâncias.
/ = /f – (A + B /f)
c
(59)
-–
+
A condutividade de um eletrólito é obtida pela adição das condutividades iônicas / Ânion e / Cation
-–
+
N = c (/ Ânion + / Cation)
(60)
27
Distância L
Área A
Figura 12 Construção de uma célula de condutividade.
De acordo com a lei de Kohlrausch, a condutividade de uma solução diluída é proporcional à soma
das condutividades de todos os íons multiplicada por suas concentrações,
N
¦/
i
ci
(61)
1000
onde N é a condutividade em S cm–1, ȁ é a condutividade limitante em S cm2 (z mol)–1 e c é a
concentração em z mol L–1 (z corresponde à carga no íon). O fator 1000 surge do fato de que 1 litro é
igual a 1000 cm3.
A mudança na condutividade causada pelo analito é proporcional à sua concentração no eluato,
ǻN
ȁ S ȁ E c S
(62)
1000
onde S e E correspondem ao íon analisado e íon eluente, respectivamente. Sabemos que na
detecção de condutividade a alteração (variação) desta é medida, assim, na cromatografia de ânions,
eluentes com altas condutividades de fundo ocasionam pequenas alterações na condutividade devido
à passagem do analito. Isto significa que é vantajoso manter a condutividade de fundo o mais baixo
possível, conforme o exemplo abaixo:
K
Condutividade
eluente 2
(alto)
K
analito 1
K
eluente 1
(baixo)
Figura 13
Mudanças na condutividade do eluato durante a separação de uma mistura de
múltiplas substâncias por cromatografia de íons. Os cromatogramas mostram o desempenho de um
eluente com condutividade alta (vermelho) e baixa (azul).
Em cromatografia de íons, a condutividade de um eluato pode ser determinada diretamente ou após a
passagem por um supressor. Estas versões são conhecidas como técnicas de coluna simples e
supressora. A melhor versão a ser adotada pode ser determinada realizando-se um cálculo simples.
Se a detecção por condutividade direta for usada em cromatografia de ânions, então, a sensibilidade
NPico da medida depende da diferença das condutividades equivalentes entre os ânions analisados e
28
Monografia Metrohm
eluentes; tendo o cloreto como analito e o carbonato como ânion eluente, as seguintes equações são
obtidas:
-–
-–
NPico | cAnalito (/ Cl– – / CO32–)

NPico | cAnalito (76 – 72)
NPico | cAnalito • 4
Se o eluente estiver adaptado aos requisitos da detecção de condutividade direta, então, a seguinte
sensibilidade é obtida pela substituição do eluente carbonato pelo eluente ftalato:
-–
-–
NPico | cAnalito (/ Cl– – / Ftalato)

Se, por outro lado, a condutividade do eluente for quimicamente suprimida (troca dos cátions eluentes
por H+), a sensibilidade dependerá da soma das condutividades equivalentes do ânion analisado e do
íon H+; o seguinte então se aplica para Cl– como ânion analisado:
-–
+
NPico | cAnalito(/ Cl– + / H+)

NPico | cAnalito (76 + 350)
A partir deste cálculo estimado pode ser observado que, para ânions, a detecção por condutividade
direta é menos sensível por um fator de 10 em relação à detecção por condutividade após supressão
química.
Similarmente, o seguinte cálculo simples pode ser feito para cromatografia de cátions, com Na+ como
o cátion analisado e H+ como o cátion eluente. No caso de detecção de condutividade direta
(NaCl/HCl) as seguintes equações são obtidas para a sensibilidade NPico da medida:
+
+
NPico | cAnalito (/ Na+ – / H+)

NPico | cAnalito • (–300)
Se, por outro lado, a condutividade do eluente for suprimida quimicamente (troca dos ânions eluentes
Cl– por OH–), o seguinte se aplica:
+
-–
NPico | cAnalito (/ Na+ + / OH–)

NPico | cAnalito (50 + 198)
Isto significa que a sensibilidade é melhor para a detecção por condutividade direta do que para
detecção por condutividade após supressão química.
29
Tabela 2 Condutividade equivalente /f de vários íons
Cátions
+
ȁ ҙҏ(S cm2 eq–1)ҏ
Ânions
–
ҟҏ
ȁ (S
cm2 eq–1)
350
OH
Li+
39
F–
54
Na+
50
Cl–
76
K+
74
Br–
78
NH4+
73
I–
77
½ Mg2+
53
NO2–
72
71
H
198
60
NO3–
½ Sr2+
59
HCO3–
45
½ Ba2+
64
½ CO32–
72
½ Zn2+
52
H2PO4–
33
½ Hg2+
53
½ HPO42–
57
½ Cu2+
55
1
/3 PO43–
69
½ Pb2+
71
½ SO42–
80
½ Co2+
53
CN–
82
1
/3 Fe3+
70
SCN–
66
+
33
Acetato
41
½ Ftalato
38
Propionato
36
Benzoato
32
Salicilato
30
½ Oxalato
74
½ Ca
2+
N(Et)4
Os supressores químicos para cromatografia de íons podem ser classificados quanto a sua
composição: com resina catiônica (trabalho descontínuo), ou com membrana permeavel a cátions
(trabalho contínuo). O supressor tipo “packed-bed” na versão “revolver” usada pela Metrohm (Figura
14) possui três unidades supressoras idênticas; enquanto uma unidade age como supressora a
segunda é regenerada e a terceira é lavada com água. Após a realização de uma análise o “revolver”
é girado por 120o e o canal, recentemente lavado, é usado como supressor. Isto possibilita um
trabalho praticamente contínuo.
Descarte
Eluato
Água
Detector
Descarte
Figura 14
Construção esquemática de um supressor químico tipo “packed-bed” para trabalho
praticamente contínuo.
A membrana supressora mostrada na Figura 15 permite trabalho contínuo, porém, como resultado do
uso de membranas trocadoras de íons, está suscetível à ocupação (processos de adsorção) da
30
Monografia Metrohm
superfície da membrana; isto reduz a capacidade de supressão e finalmente faz com que o supressor
pare de funcionar.
Figura 15
Construção esquemática de uma membrana supressora de trabalho contínuo.
Detecção amperométrica
Em princípio, detectores voltamétricos podem ser usados para todos os compostos com grupos
funcionais que possam ser reduzidos ou oxidados. O detector amperométrico é a versão mais
importante. Neste detector, um determinado potencial é aplicado entre um eletrodo de trabalho e um
eletrodo de referência. Se um analito eletroquimicamente ativo, cujo potencial de meia-onda é tal que
o potencial aplicado causa sua redução ou oxidação, passar entre os eletrodos então a corrente fluirá
e esta representará o sinal de medida. A amperometria é muito sensível; sua taxa de conversão é de
aproximadamente 10%. Com exceção de uns poucos cátions (Fe3+, Co2+), são principalmente os
ânions tais como nitrito, nitrato, tiossulfato bem como haletos e pseudohaletos que podem ser
determinados em análise de íons. As aplicações mais importantes consistem, entretanto, na análise
de açúcares por cromatografia de ânions e em análises clínicas. Devido ao seu princípio de trabalho
diferente, o detector coulométrico provê um resultado quantitativo sem, entretanto, haver qualquer
aumento da sensibilidade.
Detecção potenciométrica
Na detecção potenciométrica, eletrodos íon-seletivos são usados, alguns dos quais têm uma alta
seletividade. Apesar de sua necessidade de alto grau de miniaturização, os sensores devem
funcionar com segurança; isto ainda causa problemas na prática. É por isso que até agora, a
detecção potenciométrica, em cromatografia de íons, está limitada a poucas aplicações especiais.
3.5.2. Métodos espectroscópicos de detecção
Detecção fotométrica
Devido à sua área de aplicação extremamente ampla, a detecção fotométrica ou UV/VIS é o mais
importante método de detecção usado em CLAE, já que praticamente todas as moléculas orgânicas
possuem grupos cromóforos, os quais são capazes de absorver na região do visível ou do ultravioleta
do espectro. Um requisito é que o eluente usado não absorva nos comprimentos de onda usados.
Com detecção direta na absorção máxima de um analito, a detecção UV/VIS é praticamente seletiva.
Substâncias que possuem apenas uma absorção limitada ou que não possuem absorção em uma
determinada faixa de comprimento de onda podem ser determinadas indiretamente, medindo-se a
absorção máxima do sistema de eluição. Na área de análise de íons inorgânicos, a detecção UV/VIS
tem um papel menor. Ânions comuns tais como nitrato, brometo e iodeto absorvem radiação UV,
porém outros analitos importantes tais como fluoreto, sulfato ou fosfato só podem ser medidos
indiretamente [4]. Muitos cátions não absorvem, mas, particularmente metais de transição e
multivalentes podem ser convertidos em uma derivatização pós-coluna, com formadores de quelatos
tais como 4-(2-piridilazo)-resorcinol (PAR) ou Tiron, para formar complexos coloridos. Analitos redoxativos tais como bromato e outros íons oxi-haletos podem ser analisados por detecção UV/VIS após
sofrerem uma reação pós-coluna com um indicador eletroquimicamente ativo.
31
Detecção por fluorescência
Detecção por fluorescência é muito sensível, desde que os analitos possam ser estimulados a
fluorescer; é principalmente o caso de compostos orgânicos com sistemas de elétrons-S conjugados.
Isto significa que aplicações típicas são encontradas nas áreas de análises clínicas e orgânicas.
Conectada à cromatografia de íons, a detecção por fluorescência é usada em poucos casos
especiais, visto que apenas determinados íons tais como Ce3+ estão diretamente acessíveis e íons
não fluorescentes só podem ser detectados após derivatização. É extremamente difícil desenvolver
sistemas de eluição para este método de detecção devido à sua grande susceptibilidade às
interferências por contaminantes. Além disso, a taxa linear do método é relativamente pequena
(freqüentemente menor que 100 vezes) devido aos seus efeitos de absorção.
Técnicas de acoplamento
As chamadas técnicas de acoplamento representam a estreita ligação, ou “link-up” de um sistema
cromatográfico com um método analítico independente, geralmente a espectrometria [3].
Recentemente, estes métodos têm adquirido uma importância crescente. Embora o acoplamento de
uma cromatografia gasosa com um espectrômetro de massa (GC-MS, em Inglês) esteja bem
estabelecido, o acoplamento da CLAE com métodos espectrométricos gera alguns problemas
técnicos. Na CLAE clássica, ou seja, a análise de compostos orgânicos, acoplamentos com um
espectrômetro de massa, espectrômetro de infravermelho e espectrômetro de ressonância magnética
nuclear estão disponíveis [3]. Em particular, poderosos detectores de espectrometria atômica são
usados em cromatografia de íons. Como exemplo há espectrometria de massa e emissão atômica
com plasma indutivamente acoplado e o resultado de sua sensibilidade e especificidade de cada
elemento, este acoplamento proporciona excelentes resultados. É por isso que, apesar do alto custo,
tais sistemas são usados para especiação e em análises de ultratraços de elementos.
Refratometria
Refratometria diferencial é um outro método de detecção baseado em método óptico. Este detector
é também chamado de detector RI (do Inglês Refractive Index = índice de refração). Ele não é
específico, pois a unidade de medida é a mudança (variação) no índice de refração do eluente puro
causado pelo analito. Entretanto, a grande sensibilidade de temperatura deste parâmetro significa
que o método é muito susceptível a interferências. Assegurando-se que a temperatura seja
absolutamente estável, o método tem uma faixa linear de três potencias de dez. Uma vez que íons
inorgânicos possuem um índice de refração extremamente baixo, eles só podem ser determinados
indiretamente com o uso de eluentes aos quais foram adicionados compostos com alto índice de
refração.
3.6. Fases estacionárias em cromatografia de íons
A cromatografia de íons eficiente requer materiais de empacotamento, sendo estes feitos de
partículas muito pequenas as mais esféricas possíveis e que tenham uma taxa de distribuição
reduzida do tamanho de partícula. Partículas com diâmetros de 2 a 10 μm são usadas. Além disso, o
material de empacotamento deve apresentar cinéticas de troca iônica o mais rápido possível. Com
exceção das partículas, isto também determina a eficiência dos trocadores de íons.
3.6.1. Visão geral das fases estacionárias comuns
Um grande número de materiais orgânicos e inorgânicos diferentes é apropriado para o uso em
cromatografia de íons. O que todos têm em comum é que suas superfícies carregam grupos
funcionais que podem trocar íons. As seguintes classes de substâncias podem ser usadas [4]:
x
x
x
x
x
x
x
Resinas de polímeros orgânicos modificadas;
Sílica gel modificada;
Sais inorgânicos (por exemplo, polifosfatos);
Vidros;
Zeólitas;
Óxidos metálicos (por exemplo, Al2O3);
Derivados de celulose.
Fora estes, os sistemas com uma constituição muito complexa são também possíveis, tais como os
trocadores de ânions com grupos funcionais consistindo de íons metálicos alcalinos ligados a uma
32
Monografia Metrohm
fase estacionária por éteres coroa. Na prática, os representantes mais importantes são baseados em
resinas de polímero orgânico modificadas e sílica gel. A Figura 16 fornece uma visão geral dos
materiais de separação usados na CI:
Ligação
eletrostática
Figura 16. Fases estacionárias comumente usadas em cromatografia de íons [4].
Todas as fases estacionárias podem posteriormente ser diferenciadas de acordo com seu tipo de
aplicação (cromatografia de ânions ou de cátions) ou a estrutura do grupo funcional. Os materiais de
empacotamento baseados em sílica gel foram originalmente usados para cromatografia de íons.
Embora tenham uma eficácia de separação muito boa e sejam mecanicamente muito estáveis, sua
estabilidade química não é muito grande, tanto que podem somente ser usados em pH = 2 a 7.
A partir dos anos 80, os trocadores de íons tornaram-se disponíveis, os quais eram baseados em
polímeros orgânicos e podiam ser usados em cromatografia de íons; estes eram manufaturados
modificando-se as resinas adsorventes comercialmente disponíveis. Hoje, os materiais de
empacotamento usados são normalmente baseados nos copolímeros do poliestireno-divinilbenzeno
(PS-DVB) ou polímeros metacrilato (MMA).
Estes dois tipos básicos de copolímero diferem principalmente em sua polaridade. Os copolímeros do
PS-DVB são completamente não-polares e representam fases reversas enquanto os polímeros MMA
são relativamente polares. Esta situação é uma vantagem em CI visto que as fases de separação
mais polares têm uma menor tendência às interações secundárias tais como a adsorção.
A maior vantagem das resinas orgânicas poliméricas é sua grande estabilidade química em toda a
escala de pH. Depois que problemas iniciais são superados, sua eficiência cromatográfica é similar
àquela da sílica gel. Entretanto, as fases de MMA podem ter uma estabilidade mecânica limitada, isto
poderia limitar o comprimento da coluna de separação usada ou da vazão máxima possível do
eluente.
Na cromatografia de íons, dois tipos de fases estacionárias são usados hoje, os quais diferem no
princípio; trocadores de íons de superfície funcional e trocadores de íons peliculares. No primeiro tipo,
os grupos funcionais estão localizados diretamente na superfície do polímero ou nos poros; os
materiais peliculares têm partículas muito pequenas (também de superfície funcional) que estão
ligadas às partículas centrais maiores [4]. A ligação pode ser mecânica ou resultar das interações
hidrofóbicas ou eletrostáticas. A Figura 17 mostra o arranjo dos dois tipos de material de
empacotamento usando trocadores de ânions como exemplos.
33
Figura 17. Estrutura de trocadores de ânions de superfície funcional (a) e peliculares com ligação
mecânica (b).
Os materiais de empacotamento do tipo pelicular têm uma maior eficiência cromatográfica, pois as
vias de difusão são mantidas muito curtas devido à grande distância dos grupos funcionais para com
o material de base; isto resulta em excelente transferência de massa. Entretanto, a estabilidade
química destas fases de separação é consideravelmente menor do que a dos materiais de superfície
funcionalizada.
3.6.2. Fases estacionárias para cromatografia de ânions
O grupo funcional usado em cromatografia de ânions é produzido normalmente pela conversão de um
grupo âncora com uma amina apropriada. Isto produz íons amônio que são fixados na superfície do
polímero. Os grupos funcionais baseados em nitrogênio são praticamente os únicos usados para a
separação de ânions por CI. Isto é baseado principalmente em sua estabilidade química e no número
quase ilimitado de substituintes possíveis no átomo do nitrogênio.
Grupos amônio são gerados na superfície do polímero pela conversão de um grupo âncora com uma
amina.
Os resíduos alquilas no nitrogênio positivamente carregado podem ser enormemente variados. No
caso mais simples, R=H e um íon amônio primário são formados. Entretanto, isto pode ser
desprotonado em pH elevado e perder sua carga. Com este tipo de material de empacotamento a
capacidade de troca depende do pH do eluente, é por isso que eles devem ser fracamente alcalinos.
Se os átomos do hidrogênio forem agora substituídos sucessivamente por grupos alquilas, então,
primeiramente os grupos amônio secundários e depois os terciários são formados; estes podem
também ser desprotonados. Somente quando todos os resíduos R consistirem de grupos alquilas, a
capacidade ou a carga, independente do pH do eluente, e um trocador de ânions quaternário
fortemente básico são obtidos. Em cromatografia, uma capacidade independente de pH é
normalmente o esperado para que somente as resinas completamente alquiladas sejam usadas. Para
aplicações especiais tais como técnicas de pré-concentração ou análise de proteínas, materiais
fracamente básicos são também usados.
Os dois grupos funcionais mais importantes em cromatografia de ânions são derivados de
trimetilamina (TMA) e dimetiletanolamina (2-dimetilaminoetanol, DMEA). Praticamente todos os
materiais de separação comercialmente disponíveis usam um destes dois grupos. Os grupos TMA
são também conhecidos na literatura como os grupos do Tipo I, e os grupos DMEA como do Tipo II.
Outros grupos funcionais, estreitamente relacionados aos mencionados acima, são mostrados na
Figura 18:
Figura 18. Visão geral dos grupos funcionais mais importantes mencionados neste trabalho
TMA: trimetilamina (Tipo I); DEMA: Dietanolmetilamina; EDMA: Etildimetilamina;
TEA: Trietanolamina; DMEA: Dimetiletanolamina (Tipo II).
Em materiais comerciais, que são derivados geralmente do tipo I ou II, o arranjo exato dos grupos
funcionais é altamente secreto [4].
34
Monografia Metrohm
3.6.3. Fases estacionárias em cromatografia de cátions
Em cromatografia de cátions, tanto os materiais baseados em sílica gel como os materiais baseados
em polímero estão em uso. Em contraste à cromatografia de ânions com seus eluentes alcalinos
usuais, as condições para a cromatografia de cátions permitem também o uso de sílica gel.
3.6.4. Trocadores de cátions baseados em sílica gel
Com os trocadores de cátions baseados em sílica gel uma diferenciação é feita entre os materiais
diretamente funcionais e aqueles que são revestidos por um polímero.
Praticamente todos os trabalhos a respeito dos materiais funcionais indicam o uso de trocadores
fortemente ácidos, possuindo um grupo ácido sulfônico [2,4]. Estes têm uma boa eficiência
cromatográfica, mas são inadequados para a determinação simultânea de metais alcalinos e alcalinoterrosos devido às grandes diferenças em afinidade.
Com a sílica gel revestida de polímeros, as chamadas fases de Schomburg, a superfície de silicato é
revestida por um “pré-polímero” que é então imobilizado por ligação cruzada (cross-linking). Pela
subseqüente funcionalização, vários tipos diferentes de trocadores podem ser produzidos. A fim de se
obter trocadores de cátions fracamente ácidos, o ácido polibutadienomaleico (PBDMA) é usado,
proporcionando ligação cruzada (cross-linked) in-situ [30]. Em conseqüência da camada fina de
polímero de aproximadamente 1 a 5 nm [31], as vias de difusão do analito são pequenas visando um
elevado grau de eficiência cromatográfica
Existe um grande número de aplicações para trocadores de íons baseados em sílica gel. A separação
simultânea de metais alcalinos e alcalino-terrosos é uma das mais freqüentes aplicações; a
separação de íons de metal pesado e de transição também é possível. Entretanto, várias
desvantagens impedem o uso universal dos trocadores de íons baseados em sílica gel:
x
Em pH < 2, a ligação entre a matriz de silicone e o grupo funcional torna-se muito mais fraca;
isto leva a uma erosão gradual dos grupos funcionais e uma perda da capacidade;
x
Em pH > 7, a solubilidade da sílica gel aumenta consideravelmente; isto resulta em uma
redução da estabilidade mecânica do empacotamento, quebra da partícula e um volume
morto no início da coluna.
3.6.5. Trocadores de cátions baseados em polímeros orgânicos
As resinas produzidas por co-polimerização estireno-divinilbenzeno são usadas principalmente como
matrizes. As limitações mencionadas para trocadores sílica gel não ocorrem aqui; elas podem ser
usadas em toda a escala de pH, de 0 –14, e são também inertes ao fluoreto. Embora sua resistência
de pressão seja menor do que a de sílica gel, ainda é geralmente adequada, com exceção de
algumas resinas metacrilato.
A maioria dos trocadores de cátions comercialmente disponíveis usa grupos de ácido sulfônico como
grupos funcionais. Estes podem ser ligados ao sistema aromático diretamente ou através de um
espaçador cujo comprimento seja variável. Os trocadores de ácido sulfônico com espaçadores têm
uma eficiência cromatográfica consideravelmente melhor; o comprimento do espaçador é de
importância secundária. Eles não são apropriados para a determinação simultânea de metais
alcalinos e alcalino-terrosos devido às grandes diferenças em afinidade.
3.6.6. Trocadores de cátions peliculares
Assim como as resinas diretamente funcionalizadas, os trocadores peliculares estão também
disponíveis. Eles têm um arranjo de camada dupla não sendo possível apresentar uma partícula de
substrato completamente aminada. É por isso que uma partícula substrato inteiramente sulfonada é
primeiramente cercada por uma camada de partículas de látex aminadas e então por uma camada de
partículas de látex sulfonadas. A fixação ocorre através das interações eletrostáticas e de van der
Waals. O diâmetro relativamente grande das partículas do substrato (10 a 30 μm) resulta em uma
contra-pressão comparativamente baixa. Os diâmetros pequenos (20 a 250 nm) das partículas de
látex permitem vias curtas de difusão com processos de troca rápidos e, conseqüentemente, uma alta
eficiência da coluna de separação. A desvantagem destes materiais peliculares é sua sensibilidade
aos solventes orgânicos [32] e às fases móveis com uma força iônica elevada, visto que neste caso
as partículas de látex são gradualmente removidas.
A determinação simultânea de metais alcalinos e alcalino-terrosos é possível usando-se uma versão
modificada na qual a camada aminada é ligada covalentemente. Entretanto, as diferenças na
35
seletividade entre potássio, magnésio e cálcio são desnecessariamente grandes, proporcionando
tempos de análise relativamente longos. Isto pode ser justificado pela presença de grupos ácido
sulfônico fortemente ácidos que são usados.
3.6.7. Fases estacionárias em cromatografia de exclusão iônica
A escolha das fases estacionárias para este tipo de separação é muito limitada. A formação da
membrana de Donnan por grupos funcionais dissociados é importante para o processo da separação.
Além disso, o material de empacotamento deve prevenir o máximo possível a adsorção do analito na
fase estacionária e, como os analitos são principalmente dos grupos ácido carboxílico e açúcar, uma
superfície tão polar quanto possível é o esperado para uma fase estacionária em cromatografia de
exclusão iônica. Praticamente nenhuma demanda é requerida nas cinéticas da reação de troca
iônica, uma vez que a separação é baseada em um mecanismo de exclusão. Os polímeros de baixa
ligação cruzada a base de PS/DVB são quase que os únicos usados e estes devem ser
completamente sulfonados.
3.6.8. O significado da capacidade dos trocadores de íons
Além do tipo de matriz e do tipo do grupo funcional, a capacidade de troca Q é a quantidade decisiva
para caracterizar trocadores de íons. Ela fornece informação sobre o número de sítios ativos
disponíveis para a troca iônica.
A capacidade de troca é expressa normalmente em gramas do material seco de empacotamento, em
microequivalentes (μeq/g) ou micromols (μmol/g) [2]. Outras informações também são normalmente
dadas [33]. Para finalidades analíticas, trocadores de íons podem ser grosseiramente divididos de
acordo com sua capacidade em:
x
x
x
Materiais de baixa-capacidade:
Q < 100 μmol/g;
Materiais de média capacidade: 100 < Q < 200 μmol/g;
Materiais de alta capacidade:
Q > 200 μmol/g.
As fases da separação usadas em trocadores clássicos de íons são todos tipos de alta capacidade
com 3 a 5 mmol/g [4].
A definição de capacidade acima é baseada em um equilíbrio completo alcançado entre as fases
estacionária e móvel, por isso, também é conhecida como capacidade estática. Em contraste, a
capacidade dinâmica (eficaz) é conhecida como sendo o número dos grupos funcionais que estão
realmente disponíveis durante um processo cromatográfico. É sempre menor do que a capacidade
estática [2,4].
A capacidade de troca pode ser determinada de maneiras diferentes [33]:
x
x
x
Volumetricamente ou titrimetricamente;
pela análise elementar;
pela determinação dos tempos de retenção.
Todos os métodos fornecem valores diferentes para Q para o mesmo material. Os métodos
volumétricos são os mais freqüentemente usados na prática. Para trocadores de ânions, uma coluna
de separação empacotada ou uma quantidade definida de resina são carregadas, por exemplo, com
solução de cloreto. Após a lavagem do cloreto residual, a coluna ou a resina pode ser eluída com
nitrato. A quantidade de cloreto eluído, que corresponde à capacidade de troca estática sob
condições de equilíbrio, pode ser titulada contra uma solução de AgNO3 e quantificada.
A dependência do pH pelos trocadores de íons pode geralmente ser desprezada. Com trocadores de
cátions, a capacidade dos grupos ácido carboxílico fracamente ácidos (R-OOH) é dada apenas em
valores elevados de pH (desprotonação), enquanto que grupos de ácido sulfônico fortemente ácidos
(R-SO3H) sempre estão completamente desprotonados e fornecem uma capacidade independente do
pH.
Em combinação com os modelos de retenção (capítulo 3.4), a importância de Q para a seleção dos
sistemas de eluição e detecção torna-se óbvia. A detecção universal de condutividade era
praticamente impossível de ser realizada com eluentes com uma força iônica elevada, independente
de qual técnica especial fosse usada. Esta é a razão pela qual, desde a introdução da cromatografia
de íons em 1975, muitas colunas de separação de baixa capacidade têm sido usadas. Até agora,
trocadores de íons de alta capacidade têm sido descritos geralmente para aplicações da CI em
36
Monografia Metrohm
combinação com as técnicas de detecção que não são tão limitadas pelo sistema de eluição, tais
como a detecção UV/VIS [2,4].
Enquanto os materiais de separação de baixa capacidade são muito apropriados para a análise de
amostras com uma força iônica baixa e, conseqüentemente, para uma matriz de carga baixa, em
forças iônicas mais elevadas eles alcançam rapidamente seus limites. Os efeitos da sobrecarga
ocorrem por causa de seu baixo número de grupos funcionais; estes resultam em picos deformados e
em uma queda drástica na eficiência. Os problemas ocorrem também se os analitos estiverem
presentes em concentrações muito diferentes; isto é quase sempre o caso em análise de ultratraços.
3.7. Eluentes em cromatografia de íons
Como em todas as separações por cromatografia líquida, a fase móvel é também o parâmetro mais
fácil de se alterar na cromatografia de íons a fim de influenciar a separação enquanto que a coluna de
separação e o sistema de detecção são, na maioria dos casos, pré-definidos.
A escolha de um sistema de eluição adequado pode ser feita usando-se uma grande variedade de
critérios. Em cromatografia de ânions, os seguintes parâmetros, entre outros, devem ser
considerados [4]:
x
x
x
x
x
Compatibilidade com o método de detecção;
Natureza química e concentração do íon eluente;
pH;
Capacidade de tamponamento;
Conteúdo de solvente orgânico (modificadores);
Na literatura [2,4,5], a discussão sobre as fases móveis ocorre principalmente sobre a adequação
referentes às técnicas com ou sem supressão. Este será também o caso abaixo, mesmo que o foco
do assunto deste trabalho seja a capacidade de troca Q da coluna de separação. Primeiramente, será
feita uma breve explanação sobre os termos “técnica de coluna simples” (sem supressão) e “técnica
de supressão”. Como na seção anterior, as observações limitam-se principalmente à cromatografia de
ânions.
3.7.1. Cromatografia de ânions
Técnica da coluna simples
Na técnica de coluna simples, que foi estabelecida na cromatografia de íons por Gjerde em 1979 [33],
a saída de uma coluna de separação é conectada diretamente a um detector; isto corresponde ao
arranjo clássico de um equipamento da CLAE. Para distinguí-la da segunda versão principal da CI,
esta técnica é também conhecida como “cromatografia de íons não suprimida”. O eluente contendo
os analitos sai da coluna de separação e não é alterado quimicamente. O número de sistemas
possíveis de eluição com características químicas diferentes é quase ilimitado. Exceto para a própria
questão da separação, na qual somente uma compatibilidade do eluente com o detector deve ser
considerada. Por exemplo, se a detecção UV direta for usada, então o eluente não deve absorver na
faixa de espectro relevante. Na técnica de coluna simples, nenhuma limitação é colocada no sistema
de detecção de modo que, em princípio, todos os detectores usuais de CLAE podem ser usados.
Para trocadores de ânions da baixa capacidade (Q < 100 μmol/coluna de separação), uma grande
variedade de eluentes com diferentes características químicas está disponível para a técnica de
coluna simples. A concentração dos eluentes corresponde normalmente a uma faixa de mmol/kg ou
menor. As classes de substâncias mencionadas abaixo podem ser usadas [4], sendo que em casos
especiais, também podem ser usados agentes complexantes como o EDTA ou complexos boratomanitol.
x
x
x
x
x
Ácidos carboxílicos aromáticos;
Ácidos carboxílicos alifáticos;
Ácidos sulfônicos;
Hidróxidos alcalinos;
Ácidos inorgânicos tais como H2SO4, HCl ou H3PO4.
A classe mais importante de compostos é a dos ácidos carboxílicos aromáticos e seus sais. Os
representantes mais freqüentemente usados são mostrados na Figura 19.
37
Figura 19. Estruturas dos ácidos carboxílicos aromáticos mais importantes usados com técnica de
coluna simples.
Esta classe de substâncias é usada tão freqüentemente porque as soluções de ácidos e seus sais
têm uma elevada força de eluição combinada com uma condutividade de fundo relativamente
pequena, de modo que possam ser usadas para a detecção direta de condutividade. Com ácidos
polipróticos a carga e conseqüentemente a força de eluição podem ser controladas através do pH.
Entretanto, isto deve ser mantido de forma muito precisa. Os ácidos carboxílicos aromáticos têm uma
absorção elevada no espectro UV de modo que podem ser usados vantajosamente em detecção
indireta UV/VIS.
Para ácidos sulfônicos aromáticos, tais como o ácido p-toluenossulfônico, aplicam-se, em princípio,
as mesmas indicações; estes estão sempre presentes em um estado desprotonado e não possuem
conseqüentemente capacidade tamponante. Sua força de eluição pode somente ser controlada
através da concentração.
Os ácidos carboxílicos alifáticos, tais como o ácido oxálico e o ácido cítrico, têm uma alta
condutividade de fundo, mas são “transparentes” em UV, podendo ser usados para a detecção direta
UV/VIS. Isto também se aplica aos ácidos sulfônicos alifáticos, dos quais o ácido metanossulfônico é
um dos mais freqüentemente usados. Compostos similares de ambas as classes, com suas cadeias
carbônicas maiores, os quais estão associados a baixas condutividades equivalentes, oferecem a
possibilidade de serem usados para a detecção direta da condutividade [2, 4].
Os hidróxidos alcalinos têm um uso muito limitado na técnica de coluna simples, pois os íons OH– têm
a mais baixa afinidade aos grupos amônio quaternário de todos os ânions eluentes possíveis. Em
conseqüência, concentrações altas do eluente são requeridas mesmo em capacidades baixas, sendo
que na melhor das hipóteses, somente a detecção indireta de condutividade possa ser usada. Em
contraste, a detecção UV/VIS é facilmente possível, embora os íons hidróxido basicamente
“transparentes” em UV tenham uma absorção característica abaixo de 220 nm em concentrações
mais altas.
Ácidos inorgânicos ou seus sais parcialmente ou totalmente dissociados apresentam alta
condutividade. Isto significa que somente detectores fotométricos podem ser usados. Por exemplo, se
o ácido fosfórico ou fosfatos forem usados, então, a capacidade tampão e a força de eluição podem
ser controladas através do pH do eluente.
A maioria dos eluentes mencionados aqui permite também o uso de outros sistemas de detecção tais
como técnicas de amperometria, fluorimetria ou de acoplamento. Se você deseja usar os sistemas de
eluição mencionados acima com estes detectores, por favor, consulte uma literatura mais detalhada
[2,4,5].
Técnica de supressão
A técnica de supressão utilizada desde os princípios da CI [1] é caracterizada principalmente pelo uso
do detector de condutividade na maioria das vezes, diferindo da técnica da “coluna simples”. Na
técnica de supressão, o chamado supressor é inserido entre a coluna de separação e o detector‚ e é
por isso que esta técnica também é conhecida como “cromatografia de íons suprimida” [2, 4]. Tanto
os eluentes quanto os analitos são modificados quimicamente no supressor, isto é de particular
importância em relação à subseqüente detecção de condutividade. O supressor tem a tarefa de
reduzir a condutividade de fundo do eluente e, se possível, aumentar a detectabilidade dos analitos.
A supressão é realizada com um trocador de cátion na forma H+ fortemente ácida. Se utilizarmos um
eluente NaHCO3 e a amostra contendo o íon cloreto, teremos as seguintes reações 63 e 64
R-SO3– H+ + Na+ + HCO3–
R-SO3– H+ + Na+ + Cl–
R-SO3– Na+ + H2O + CO2
R-SO3– Na+ + H+ + Cl–
(63)
(64)
No caso mais simples, a unidade supressora consiste em uma coluna inserida após a coluna de
separação, de onde se origina o antigo termo “técnica de dupla coluna”. O eluente bicarbonato de
38
Monografia Metrohm
sódio é neutralizado de acordo com a Equação 63, uma vez que os íons de sódio são substituídos
por prótons, diminuindo drasticamente a condutividade de fundo do eluente. O analito Cl– não é
alterado (Equação 64), mas seu contra-íon Na+ é trocado por H+, que tem uma condutividade
equivalente consideravelmente maior [19]. Uma vez que o detector se sensibiliza com a soma das
condutividades do analito e do contra-íon como o sinal, as duas reações que ocorrem resultam em
uma sensibilidade claramente maior.
As colunas com trocadores de cátions na forma H+, originalmente usadas como supressoras,
contribuíram consideravelmente para o alargamento dos picos. Além disso, elas só podiam ser
operadas descontinuamente, visto que o trocador de cátion tinha que ser regenerado. É por isso que,
supressores com regeneração paralela ou de membrana operando continuamente são principalmente
usados hoje; nestes, o agente regenerante geralmente é o ácido sulfúrico diluído[6].
Apesar de suas vantagens, a técnica de supressão tem também algumas desvantagens. Na prática,
somente os eluentes que são baseados, principalmente, em hidróxidos alcalinos ou carbonatos
podem ser suprimidos com sucesso na cromatografia de ânions. Os ânions de ácidos mais fracos, por
exemplo, acetato ou propionato, são quase completamente protonados após a reação de supressão,
sendo que sua detectabilidade torna-se menor quando comparada com a técnica de coluna simples.
Como já vimos, a separação e quantificação de ânions podem ser realizadas com técnica de
supressão ou pela detecção direta de condutividade [2, 4]. Esta última técnica é menos utilizada em
cromatografia de ânions, principalmente porque em muitos casos ela é menos sensível. Um dos
fatores é a condutividade de fundo: para os eluentes clássicos da técnica de coluna simples (por
exemplo, 2 mmol/kg de ftalato, pH = 8) este valor é de aproximadamente 200 μS/cm e para eluentes
capazes de serem suprimidos, ela é geralmente menor em pelo menos dez vezes após o processo da
supressão.
A supressão química da condutividade de fundo é possível somente para alguns eluentes. Estes são
soluções de [4]:
x
x
x
x
Hidróxidos alcalinos;
Carbonatos alcalinos e bicarbonatos;
Boratos (por exemplo, B4O72–);
Aminoácidos.
Na prática, dos eluentes mencionados acima somente os hidróxidos alcalinos e os tampões
carbonatos são de grande importância, significando que a escolha das potenciais fases móveis é
limitada.
O íon hidróxido é um íon eluente extremamente fraco, de modo que mesmo com materiais de
separação com baixa capacidade, o trabalho deve ser realizado em altas concentrações, acima de 50
mmol/kg. Se, grupos funcionais muito polares estiverem presentes na resina trocadora, então, a força
de retenção relativa do íon OH– pode ser consideravelmente aumentada utilizando-se a seletividade
do hidróxido. Com eluentes OH–, a manipulação dos tempos de retenção ou das seletividades pode
somente ser realizada através da concentração.
O uso de carbonatos ou bicarbonatos alcalinos permite trabalho com sistemas de eluição
consideravelmente mais flexíveis. Ambas as espécies, HCO3– e CO32–, estão presentes como ácido
carbônico H2CO3 após a supressão e só dissociam uma fração muito pequena. E quanto a força de
eluição, o bicarbonato é ligeiramente mais forte do que o hidróxido, visto que o carbonato é um
eluente relativamente mais forte. Ambos os ânions são normalmente usados juntos; isto resulta em
um eluente com um efeito tampão cuja força de eluição pode ser facilmente controlada através das
concentrações dos dois componentes e da proporção de suas concentrações. Por causa das cargas
nas espécies eluentes, a seletividade para analitos monovalentes e divalentes pode ser influenciada
muito seletivamente. A proporção de concentração dos dois íons eluentes pode também ser ajustada
com precisão através do pH, é por isso que a faixa de pH usada para os eluentes HCO3–/CO32– está
entre 8 e 11. Assim como para eluentes OH–, a eluição pode ser acelerada pelo uso de fases
estacionárias com grupos polares funcionais.
Ambos os sistemas de eluição podem apenas ser usados com sucesso com trocadores aniônicos de
superfície funcionalizada quando a matriz (co-polímeros de metacrilato) ou o grupo funcional tiver
uma polaridade elevada. Para colunas de separação baseadas em PS-DVB, picos com simetria
menor e longos tempos de retenção têm sido observados para analitos fracos (nitrato, brometo)
mesmo quando grupos funcionais polares são usados. Com materiais peliculares, estes efeitos não
são tão marcantes, o que explica o uso excepcionalmente grande difundido da técnica de supressão
[2, 4].
39
3.7.2. Cromatografia de cátions
3.7.2.1. Cromatografia de cátions de íons alcalinos, alcalino-terrosos e amônio com detecção
de condutividade
Na separação de íons metálicos alcalinos e amônio, assim como aminas alifáticas de cadeia curta em
fases sulfonadas de separação pela cromatografia de íons, os ácidos minerais tais como HCl ou
HNO3 são muito usados como eluente [4]. A concentração ácida do eluente depende do tipo e da
capacidade do trocador de cátion usado, mas são necessários alguns mmol/L. Cátions divalentes tais
como os alcalino-terrosos não podem ser eluídos somente com ácidos minerais, pois eles têm uma
afinidade distintamente maior para com a fase estacionária e, um aumento excessivo na
concentração ácida tornaria a detecção muito insensível, ou seja, cátions monovalentes coeluindo e a
pobre separação entre os cátions divalentes. Como uma alternativa, uma base orgânica tal como a
etilenodiamina pode também ser usada para a separação de íons alcalino-terrosos. Em baixos
valores de pH, ela é protonada e está presente como um cátion divalente.
A análise simultânea de cátions alcalinos e alcalino-terrosos em trocadores de cátions fortemente
ácidos é realizada principalmente com eluentes que contêm o ácido clorídrico e o ácido 2,3diaminopropiônico [2]. Variando-se o pH é possível alterar o grau de protonação dos grupos aminas e
conseqüentemente da força de eluição do ácido 2,3-diaminopropiônico (veja o item “Modelo de
retenção para eluentes com um cátion”, capítulo 3.4.2).
Em sistemas de cromatografia de íons sem supressão, ácidos orgânicos fracos podem também ser
usados como eluentes, além dos ácidos minerais. Os ácidos orgânicos usados são, por exemplo,
ácido oxálico, ácido cítrico e ácido tartárico. Os agentes complexantes tais como o ácido 2,6piridinodicarboxílico (PDCA) e o éter coroa 18 Crown-6 são usados para influenciar seletivamente os
tempos de análise de cátions individuais.
Há dois tipos diferentes de detecção de condutividade. Se a condutividade de fundo dos eluentes for
elevada, por exemplo, com ácidos minerais diluídos por causa da alta condutividade dos íons
H+altamente dissociados, então a detecção direta de condutividade é possível com os analitos que
têm uma condutividade evidentemente mais baixa do que a do eluente. Isto significa que picos
negativos são produzidos, entretanto, eles podem ser convertidos em um cromatograma normal pela
reversão da polaridade do detector. Se a qualidade do detector de condutividade não permite medida
sensível da condutividade em um nível elevado, então, a supressão é também usada para a
cromatografia de cátions. A construção de supressores para a cromatografia de cátions é bem mais
difícil do que para a cromatografia de ânions e eles também têm um tempo de vida útil menor devido
a precipitação de hidróxidos de metais de transição.
3.7.2.2. Cromatografia de cátions para determinação de metais de transição e de íons alcalinoterrosos com detecção pela derivatização pós-coluna e fotométrica
Cátions monovalentes tais como H+ ou Na+ são inadequados para o uso como um eluente para a
separação de íons de metais pesados e de transição porque os coeficientes de seletividade dos
analitos raramente diferem em um mesmo número da carga. Entretanto, a separação pode ser
realizada pela introdução de um equilíbrio secundário. Isto é feito usando-se ácidos carboxílicos
formadores de complexos (vide Figura 20) tais como o ácido cítrico, o ácido oxálico e o ácido tartárico
como eluente. Junto com os íons do metal, eles formam complexos neutros ou aniônicos (vide
capítulo 3.4).
Figura 20. Vários ácidos carboxílicos como eluentes em cromatografia de cátions
Complexando-se cátions de metal, a densidade da carga efetiva dos analisados é reduzida. Além
disso, constantes formando diferentes complexos dos íons individuais de metal aumenta a
seletividade da separação. O mecanismo de eluição é um resultado da remoção isoiônica pelo
contra-íon (efeito de “empurrar”) e pela formação de complexos (efeito de “puxar”) pelos ligantes
formadores de complexos [4].
40
Monografia Metrohm
A Figura 21 mostra os equilíbrios entre os analisados M2+, o agente complexante L2– e os contra-íons
E+, os quais participam do mecanismo de eluição.
Figura 21 Diagrama esquemático dos participantes no equilíbrio em um processo de troca catiônica
[4].
A extensão da remoção isoiônica pelos contra-íons E+ é determinada pela afinidade do cátion à fase
estacionária. Com contra-íons monovalentes, o cátion possuindo uma maior afinidade à fase
estacionária tem um efeito eluente mais forte. A influência do agente complexante pode ser variada
alterando-se o pH e a concentração do eluente. Além disso, a força de eluição pode ser influenciada
pelo uso de diversos agentes complexantes, bem como pelo uso de um cátion divalente como contraíon.
Enquanto os dois tipos de detecção de condutividade são apropriados para a detecção de metais
alcalinos e alcalino-terrosos, íons de transição e de metal pesado só podem ser determinados pela
medida direta da condutividade sem supressão. Se a técnica de supressão fosse usada, então, estes
metais seriam convertidos (a maioria) em hidróxidos insolúveis pela reação de supressão. A detecção
direta de condutividade só é possível quando eluentes com uma baixa condutividade de fundo são
usados junto com trocadores de cátions de baixa capacidade.
É por isso que a derivatização pós-coluna, com a formação de complexos de metais
fotometricamente detectáveis, é usada principalmente para a detecção de íons de transição e de
metais pesados. Após sair da coluna de separação, o eluato é misturado com um reagente
colorimétrico em um reator pós-coluna. Este reage com os analitos para formar complexos coloridos
do metal que podem ser detectados fotometricamente. Uma variedade grande de azo-corantes pode
ser usada como agentes de coloração [2,4]. Metais de transição e lantanídeos reagem com o 4-(2piridilazo)-resorcinol (PAR) (Figura 22) para formar complexos coloridos. Lantanídeos e actinídeos
podem ser detectados usando-se o ácido 2,7-bis(2-arsenofenilazo)-1,8-dihidroxinaftaleno-3,6dissulfônico (Arsenazo III). O ácido pirocatecol-3,5-dissulfônico (Tiron) é apropriado para a
derivatização pós-coluna do alumínio.
Figura 22 Estrutura do indicador de metal PAR
PAR é usado principalmente para a detecção de íons de transição e de metal pesado. Como o Fe,
Co, Ni, Cu, Zn, Mn, Pb e Cd, o PAR forma complexos coloridos; estes absorvem em comprimento de
ondas de 490 a 520 nm com coeficientes de absorção de até 104 L mol–1 cm–1 e podem ser
detectados fotometricamente. A sensibilidade do método é baseada no fato de que os coeficientes de
41
extinção dos complexos de metal-PAR são grandes comparados com o coeficiente de absorção do
reagente no comprimento de ondas usado.
3.7.2.3. Cromatografia de exclusão de íons
Na cromatografia por exclusão iônica, a escolha do agente de eluição, como a seleção do material de
empacotamento, não permite muitas variações. A faixa se estende da água pura até ácidos minerais
diluídos. Ao selecionar o sistema mais apropriado é também necessário considerar o sistema de
detecção. Os métodos de detecção mais freqüentemente usados são detecção fotométrica e de
condutividade. Com detecção fotométrica, o ácido sulfúrico ou perclórico diluídos são freqüentemente
usados por causa de sua absoluta “transparência” em UV. Ao aplicar a detecção da condutividade, o
ácido sulfúrico diluído é o eluente de escolha porque ele produz bons cromatogramas com um
mínimo de equipamento, com ou sem supressor.
A concentração de ácido no eluente determina o grau de dissociação dos analitos e
conseqüentemente também a sua retenção. Em geral, a retenção diminui enquanto a concentração
ácida aumenta. A forma do pico é influenciada também pela concentração ácida. Para ácidos
orgânicos, a água pura não é geralmente apropriada devido à sua elevada adsorção, embora produza
excelentes resultados para o carbonato e borato.
42
Monografia Metrohm
4. Seção prática
A seção prática desta monografia apresenta experimentos que fornecem uma introdução detalhada
da cromatografia de íons. Inicialmente, os experimentos abrangem os conceitos da cromatografia de
íons (capítulo 4.2); a segunda parte (capítulo 4.3) continua com a determinação de ânions, e a
terceira e última parte (capítulo 4.4) trata da determinação de cátions orgânicos e inorgânicos.
Em princípio, os experimentos podem ser realizados em qualquer cromatógrafo de íons. Entretanto, o
instrumento deve satisfazer os seguintes requisitos:
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Bomba de duplo pistão e baixa pulsação, se possível, operando sem suprimento externo de
nitrogênio ou hélio;
Controle de fluxo de acordo com os requisitos da coluna;
Válvula elétrica de injeção;
Possibilidade de trocar vários “loops” de amostra e colunas de pré-concentração;
Supressão eletrônica para cátions e ânions;
Supressão química para ânions;
Detector de condutividade estabilizado termicamente, se possível, melhor que ±0,01°C;
Gabinete do instrumento isolado térmica e eletronicamente;
Operação de ânions e cátions;
Controle por PC é recomendado;
Todos os sistemas modulares ou compactos de CI da Metrohm satisfazem os requisitos acima.
Entretanto, o CI básico 792 é especialmente projetado para treinamento e ensino, sendo assim,
recomendado para realizar os experimentos descritos abaixo.
Figura 23. CI básico 792 da Metrohm: desenvolvido especialmente para treinamento e ensino.
4.1. Informações sobre a parte prática
Crescimento bacteriano
A fim de prevenir o crescimento bacteriano, o eluente, as soluções de lavagem e as de regeneração
devem ser sempre preparados no momento do uso, e não devem ser usados por um período de
tempo longo. Para impedir o crescimento de bactérias ou algas, pode-se adicionar 5% de metanol ou
acetona ao eluente. Isto não pode ser feito se forem usados supressores de membrana, pois estes
serão destruídos pelos solventes orgânicos. Entretanto, o módulo supressor da Metrohm «MSM» é
100% resistente a solventes.
Análise de cátions
Em cada análise realizada, a amostra pode ser acidificada (pH 2,5 a 3,5) com ácido nítrico
(aproximadamente 100 μL de HNO3 a 2 mol/L para 100 mL de amostra). Caso contrário, a análise de
cátions bivalentes poderá não apresentar resultados reprodutíveis.
43
Grau químico
Todos os produtos químicos usados devem ter pelo menos grau p.a. (grau analítico) ou puríssimo
(extra-puro). Quaisquer padrões usados devem ser especialmente adequados para a cromatografia
de íons; por exemplo, sais sódicos devem ser dissolvidos em água, não em ácido.
Fontes de contaminação
Todas as soluções, as amostras, as soluções de regeneração, a água e os eluentes usados devem
estar livres de partículas, pois estas poderão bloquear as colunas de separação ou capilares no
decorrer do tempo (aumento da pressão da coluna). Isto é especialmente importante no momento da
preparação de eluentes, visto que estes fluem pela coluna continuamente (500 a 1000 mL por dia de
operação, enquanto a amostra injetada é de aproximadamente 0,5 mL).
Degaseificação de eluentes
A fim de evitar a formação de bolhas, é recomendado que a água usada para a preparação de
eluente seja degaseificada antes de serem adicionados os reagentes. Isto pode ser feito aplicando-se
vácuo proveniente de trompa d’água ou bomba de vácuo por 10 minutos ou utilizando-se um banho
ultrassônico.
Proteção ambiental
Uma das grandes vantagens da cromatografia de íons é que, geralmente, meios aquosos são
usados. Por isso, os produtos químicos usados em cromatografia de íons são praticamente atóxicos e
não poluem o ambiente. Entretanto, se ácidos, bases, solventes orgânicos ou metais pesados forem
usados, deve-se tomar o cuidado de descartá-los apropriadamente após o uso.
Desligando o instrumento
Se o cromatógrafo de íons não for usado por um longo período de tempo (>1 semana), então, a
coluna de separação deve ser removida e a solução metanol/água (1:4) deve ser bombeada através
do cromatógrafo. Deve-se tomar o cuidado para que todos os três canais de supressores sejam
lavados.
Informações de segurança
Óculos de segurança, roupa apropriada e, se necessário, luvas protetoras devem ser usadas na
realização de qualquer experimento. Observe as informações de segurança especificadas para os
produtos químicos.
Selecionando uma coluna
A maioria dos experimentos descritos é realizada com colunas de baixo custo – “Metrosep Anion Dual
1” para ânions e “Metrosep C2” para cátions. Estas colunas promovem a separação adequada para
todos os experimentos descritos. Naturalmente, o conjunto de produtos Metrosep inclui colunas de
separação que têm uma eficiência consideravelmente melhor, porém são de custo mais altos.
44
Monografia Metrohm
Armazenamento das colunas de separação
x
Coluna para ânions “Metrosep A Supp 4” (6.1006.430)
A coluna é armazenada no eluente.
Figura 24. Coluna para ânions “Metrosep A Supp 4” (6.1006.430)
x
Coluna para ânions “Metrosep A Supp 5” (6.1006.530)
A coluna é armazenada no eluente.
x
Coluna para cátions “Metrosep C2” (6.1010.210)
A coluna é armazenada no eluente num refrigerador (4 °C). É essencial que a coluna não
permaneça seca.
Figura 25. Coluna de cátion “Metrosep C2” (6.1010.210).
x
Coluna para cátions “Nucleosil 5SA” (6.1007.000)
Para armazenagem a curto-prazo (dias), a coluna é mantida em eluente, e para longo-prazo
(semanas), em metanol/água (1:4).
x
Coluna “Metrosep Organic Acids” (6.1005.200)
Para armazenagem a curto-prazo (dias), a coluna é mantida em eluente, para longo-prazo
(semanas), em água deionizada.
45
x
Colunas de separação de outros fabricantes
Favor seguir as instruções do fabricante.
Qualidade da água
Em cromatógrafos de íons são usados, principalmente, meios aquosos. É por isso que a qualidade da
água é crucial para bons resultados cromatográficos. Se a qualidade da água for insatisfatória, então,
certamente os resultados serão insatisfatórios. Além disso, há o perigo de danificar o aparelho e a
coluna de separação. Portanto a água deionizada usada deve atender a classificação Tipo I da
ASTM, ou seja, ter uma resistência maior que 18 M e ser livre de partículas. É recomendado que a
água seja filtrada em filtro de 0,45 μm.
46
Monografia Metrohm
4.2.
Experimentos abrangendo a teoria da cromatografia de íons
4.2.1. Experimento 1 – Cromatografia de íons com e sem supressão
A condutividade equivalente /f é sempre obtida pela soma das condutividades equivalentes de todos
os ânions /f– e cátions /f+ na solução:
/f = /f+ + /f–
Em princípio, a condutividade aumenta com o aumento da concentração dos eletrólitos ou íons. Uma
relação linear entre concentração e condutividade só existe para soluções diluídas, visto que /
depende da concentração (lei de Kohlrausch). Os valores encontrados nas tabelas (vide seção
“Detecção de Condutividade”) aplicam-se para /f - condutividade equivalente em soluções de
concentrações infinitas.
A medida da condutividade equivalente depende, em grande parte, da temperatura (r2% / °C). Em
particular, para medidas sem supressão química, ou seja, principalmente contra uma alta
condutividade de fundo, erros causados por uma mudança na temperatura são extremamente
aparentes. É por isso que oscilações na temperatura dentro do detector não devem ser maiores que
0,01 °C.
Em cromatografia de íons sem supressão química, na qual o sinal de fundo é suprimido
eletronicamente, o eluente deve ter uma condutividade tão baixa quanto possível. Os sais de ácidos
fracos tais como ácido ftálico, ácido salicílico e ácido benzóico são freqüentemente usados aqui. Um
valor medido sem supressão química depende da diferença das condutividades equivalentes do íon
da amostra e dos íons do eluente.
'/ ~ (/P – /E)
Picos negativos ocorrem sempre que a condutividade do íon da amostra for menor do que a dos íons
eluente. Um exemplo disto é o ânion fosfato. Em pH = 5, ele está presente principalmente como
H2PO4–. Como a condutividade equivalente /f do H2PO4– de 33 S*cm2/mol é menor do que a
condutividade equivalente /f do ftalato com 38 S*cm2/mol, um pequeno pico negativo é obtido. Isto
pode ser corrigido selecionando-se um pH maior, no qual o fosfato estará presente como HPO42– com
condutividade equivalente /f de 57 S*cm2/mol.
Cromatografia de íons com supressão química significa que a condutividade de fundo é reduzida
quimicamente. Um eluente com uma alta condutividade é convertido, em uma reação pós-coluna –
reação de supressão –, em um eluente com uma baixa condutividade.
Em análise de ânions, isto é realizado com o uso de sais de ácidos fracos, ou seja, HCO3–, CO32– e
BO33–, no eluente. Todos os cátions no eluente e na amostra são trocados por H+ no supressor.
Ácidos fracamente dissociados são formados a partir do eluente de acordo com a seguinte reação:
Na+ + HCO3–
H2CO3
O ácido carbônico resultante está presente como CO2 + H2O. Em conseqüência, a condutividade
residual é muito baixa. Como os contra-íons dos ânions a serem determinados são também trocados
por H+ no supressor, a seguinte equação pode ser formulada:
Na+ + Cl–
H+ + Cl–
Ao invés de Na+ e Cl–, que estavam originalmente presentes na amostra, a condutividade equivalente
consideravelmente maior de H+ e Cl– é agora medida também contra uma baixa condutividade de
fundo. Teoricamente, o sinal com supressão química esperado deverá ser dez vezes maior do que
sem supressão química. Entretanto, na prática, a sensibilidade aumenta de 2 a 4 vezes.
Em contraste à função de calibração linear obtida quando operando sem supressão química, uma
função de calibração quadrática será obtida quando a supressão química for usada; isto significa que
uma calibração multi-pontos é necessária para o cálculo. A região de operação linear é
consideravelmente menor (aproximadamente 1/20 a 1/50) do que para CI sem supressão química.
47
Conteúdo do aprendizado
x
Princípios de montagem de um sistema CI;
x
Diferenças entre operação com e sem supressão química;
x
Determinação da diferença de sensibilidade entre os dois métodos.
Experimento 1a – Análise sem supressão química
Tabela 3
Parâmetros – Experimento 1a
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Polaridade
6.1006.430 Metrosep A Supp 4
Ácido ftálico a 5 mmol/L, 2% acetona; pH = 4,4 (TRIS)
Condutividade, aproximadamente 324 μS/cm
Padrão (fluoreto, cloreto, nitrito, brometo, nitrato, fosfato, sulfato)
exp_01_n_e2.mtw
anonsupp.smt
1,0 mL/min
5,5 MPa
33 min
20 μL
-
Preparação do eluente
Dissolver 830 mg de ácido ftálico em 20 mL de acetona e um pouco de água, e completar até 1 L.
Ajustar o pH para 4,4 adicionando aproximadamente 1 g de TRIS (sólido). Antes de adicionar os
reagentes, retire o gás da água utilizada aplicando uma bomba de vácuo por 10 min ou utilizando um
banho ultrassônico sob o frasco de eluente sob agitação.
Cromatograma 1
48
Solução padrão – sem supressão química
Monografia Metrohm
Tabela 4
Pico
21
32
43
54
65
Componentes – Experimento 1a
Componente
Cloreto
Nitrito
Brometo
Nitrato
Sulfato
tR [min]
9,45
12,30
17,06
20,96
26,06
Conc. [mg/L]
25
25
25
25
25
No de pratos
4834
4709
4272
4174
2636
Área [μS/cm*s]
61,48
43,67
29,83
33,44
52,62
Experimento 1b – Análise com supressão química
Tabela 5
Parâmetros – Experimento 1b
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Supressor
Polaridade
Na2CO3 a 1,8 mmol/L / NaHCO3 a 1,7 mmol/L + acetona 2%
Condutividade após supressão química aprox. 14 μS/cm
exp_01_s_e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
3 MPa
18 min
20 μL
Agentes de regeneração: H2SO4 a 50 mmol/L e água ultrapura alimentados
continuamente com mudança automática dos canais de supressão, regeneração
e lavagem
+
Dissolver 191 mg de carbonato de sódio (anidro) e 143 mg de hidrogenocarbonato de sódio em 980
mL de água ultrapura e, então, adicionar 20 mL de acetona.
Cromatograma2
Solução padrão – com supressão química
49
Tabela 6
Pico
1
2
3
4
5
6
7
8
50
Componentes – Experimento 1b
Componente
Fluoreto
Cloreto
Nitrito
Brometo
Nitrato
Pico do sistema
Fosfato
Sulfato
tR [min]
4,05
5,65
6,56
7,90
8,83
10,50
13,50
15,62
Conc. [mg/L]
5
5
5
5
5
No de pratos
5605
8573
8013
7963
7653
Área [μS/cm*s]
66,28
43,59
27,43
17,70
22,26
5
5
6477
7922
11,66
29,28
Monografia Metrohm
4.2.2. Experimento 2 – Capacidade das colunas de separação
Picos cortados, picos em forma de “barbatana de tubarão”, tempos de retenção alterados para os
mesmos íons, picos com cauda ou deformação frontal – todos estes podem ter uma causa em
comum: sobrecarga da coluna.
Cada coluna tem um número finito de sítios de troca iônica. Antes da injeção da amostra, eles estão
completamente ocupados pelos íons do eluente. Quando a amostra é injetada, inicia-se a troca
iônica: íons do eluente são trocados por íons da amostra e, então, íons da amostra são trocados por
íons do eluente. Como as espécies de íons diferem em suas constantes de ligação, eles eluem da
coluna em velocidades diferentes. O resultado obtido é a separação das substâncias da mistura e,
em seguida, o cromatograma.
Este processo só funciona perfeitamente se o número dos sítios de troca for substancialmente maior
do que o número dos pontos de ligação requeridos pela amostra. Por exemplo, uma coluna com
capacidade de troca de 1 meq (miliequivalente) pode ligar no máximo 1 mmol de íons monovalentes.
Um segundo efeito com uma influência negativa na separação é o fato de que, em princípio, cada íon
pode agir como um íon eluente. Se a coluna estiver sobrecarregada, então muitos íons eluentes são
substituídos pelos íons da amostra. Isto resulta em alterações incalculáveis no equilíbrio da coluna e
a separação se torna ruim.
A capacidade de uma coluna pode ser determinada pela sua ocupação completa com íons cloreto.
Após a etapa de lavagem com água deionizada, os íons cloreto são eluídos com eluente carbonato e
então quantificados por cromatografia de íons ou titulação argentométrica.
No experimento seguinte, a concentração de cloreto é elevada até que a coluna esteja
sobrecarregada. Alguns efeitos associados com a sobrecarga da coluna são descritos abaixo:
ĺ os tempos de retenção dos íons seguintes tornam-se mais curtos;
ĺ o pico do íon dominante é cortado;
ĺ o pico do íon dominante forma cauda;
ĺ o número de pratos teóricos (PT) torna-se menor;
ĺ a proporção área/altura torna-se pior (em área constante, a altura do pico diminui);
ĺ a simetria do pico torna-se deficiente.
A simetria do pico também se torna deficiente com o bloqueio dos discos de vedação “frits”, formação
de elevados volumes mortos como resultado dos efeitos de absorção no material da coluna.
x
Esclarecimentos sobre os seguintes parâmetros cromatográficos: tempo de retenção,
resolução, área, número de pratos, simetria e proporção área/altura;
x
Influência de um componente dominante principal sobre os componentes com uma
concentração muito menor: alterações nos parâmetros acima mencionados.
51
Tabela 7
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de
análise
Loop
Supressor
Polaridade
Parâmetros – Experimento 2
Na2CO3 a 1,8 mmol/L / NaHCO3 a 1,7 mmol/L / + 2% acetona
Padrão (fluoreto, cloreto, nitrito, brometo, nitrato, fosfato, sulfato) + NaCl (aprox. 5%;
m:v)
exp_02_s_e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
5,5 MPa
20 min
20 μL
Agentes de regeneração H2SO4 a 50 mmol/L e água ultrapura alimentados
continuamente com mudança automática dos canais de supressão, regeneração e
lavagem
+
Cromatograma 3
52
Solução padrão com uma concentração muito elevada de cloreto.
Monografia Metrohm
Cromatograma 4
Solução padrão com uma concentração de cloreto muito alta; parte ampliada
do cromatograma 3
Observações
O cloreto de sódio sólido foi pesado e dissolvido na solução-padrão dos outros ânions. Os tempos de
retenção dos picos, bem como os valores para o número de pratos e a área podem variar
dependendo da quantidade do NaCl pesada.
O enorme pico do cloreto interfere na avaliação dos picos seguintes. A identificação correta de picos
individuais apenas é possível através da adição de padrão na amostra dos respectivos ânions,
visando o aumento da altura dos picos.
53
4.2.3. Experimento 3 – Seletividade das colunas de separação
Se a força iônica do eluente for plotada contra o logaritmo dos tempos de retenção dos íons mono e
divalentes, então uma linha reta é obtida. A inclinação desta linha é maior para os íons divalentes do
que para os monovalentes. O aumento na força de eluição do eluente, portanto, tem uma maior
influência no tempo de retenção dos íons divalentes do que no tempo de retenção dos íons
monovalentes.
A influência pode ser observada no íon sulfato. Com o aumento da concentração do eluente, a
eluição do sulfato é acelerada mais do que a dos íons monovalentes.
Em geral, os íons bivalentes são eluentes mais efetivos do que os monovalentes, uma vez que
podem formar duas ligações com a fase estacionária e, conseqüentemente, realizar interações mais
fortes com a mesma.
Em uma mesma concentração molar, o hidróxido de sódio tem um pH maior do que o
carbonato/hidrogenocarbonato. O poder de eluição do íon OH– é menor quando comparado com a do
HCO3–, uma vez que os íons hidróxidos não interagem tão fortemente com a fase estacionária.
O tempo de retenção do íon fosfato depende fortemente do valor do pH. Em valores altos, o equilíbrio
é deslocado de HPO42– para PO43–. Se for adicionado hidróxido de sódio a um eluente carbonato de
sódio, isto resulta em um aumento no tempo de retenção do fosfato, enquanto os tempos de retenção
de todos os outros íons são diminuídos.
x
x
x
Comparação dos eluentes com ânions mono e divalentes;
Comparação de eluentes hidróxido de sódio e carbonato/hidrogenocarbonato;
Influência do pH do eluente na retenção do fosfato.
Tabela 8
Parâmetros – Experimentos 3a a 3d
Coluna
Eluente
a)
Na2CO3 a 0,5 mmol/L / NaHCO3 a 11 mmol/L
b)
Na2CO3 a 1,8 mmol/L / NaHCO3 a 1,7 mmol/L
c)
Na2CO3 a 1 mmol/L / NaHCO3 a 4 mmol/L
d)
Na2CO3 a 4 mmol/L / NaOH a 1 mmol/L
e)
Na2CO3 a 1 mmol/L / NaOH a 4 mmol/L
Amostra
Método
exp_03_s_e2.mtw
Sistema
asupp.smt
Fluxo
1,0 mL/min
Pressão
5,5 MPa
Tempo de análise a)
18 min
b)
16 min
c)
20 min
d)
10 min
e)
25 min
Loop
20 μL
Supressor
e lavagem
Polaridade
+
54
Monografia Metrohm
Experimento 3a – Eluente: Na2CO3 a 0,5 mmol/L / NaHCO3 a 11 mmol/L
Dissolver 53,0 mg de carbonato de sódio (anidro) e 924,4 mg de hidrogenocarbonato de sódio em 1 L
de água ultrapura.
Cromatograma 5 Solução padrão – Eluente: Na2CO3 a 0,5 mmol/L / NaHCO3 a 11 mmol/L.
Tabela 9
Pico
1
2
3
4
5
6
Componentes – Experimento 3ª
Componente
Fluoreto
Cloreto
Brometo
Nitrato
Fosfato
Sulfato
tR [min]
4,12
6,07
9,07
10,41
12,19
14,71
Conc. [mg/L]
10
10
10
10
10
10
No de pratos
5936
7548
6711
6318
5104
5061
Área [μS/cm*s]
128,6
86,9
36,3
44,8
23,1
61,4
55
Experimento 3b – Eluente: Na2CO3 a 1,8 mmol/L / NaHCO3 a 1,7 mmol/L
Dissolver 191 mg de carbonato de sódio (anidro) e 143 mg de hidrogenocarbonato de sódio em 1 L
de água ultrapura.
Cromatograma 6
Tabela 10
Pico
1
2
3
4
5
6
56
Solução padrão – Eluente: Na2CO3 a 1,8 mmol/L / NaHCO3 a 1,7 mmol/L.
Componente
Fluoreto
Cloreto
Brometo
Fosfato
Nitrato
Sulfato
tR [min]
3,51
4,88
6,89
7,71
10,81
12,41
Conc. [mg/L]
10
10
10
10
10
10
No de pratos
5109
6664
6083
5500
4651
5837
Área [μS/cm*s]
134,7
82,5
32,9
40,3
21,2
56,6
Monografia Metrohm
Experimento 3c – Eluente: Na2CO3 a 1 mmol/L / NaHCO3 a 4 mmol/L
Dissolver 106 mg de carbonato de sódio (anidro) e 336,2 mg de hidrogenocarbonato de sódio em 1 L
de água ultrapura.
Cromatograma 7
Tabela 11
Pico
1
2
3
4
5
6
Solução padrão – Eluente: Na2CO3 a 1 mmol/L / NaHCO3 a 4 mmol/L.
Componentes – Experimento 3c
Componente
Fluoreto
Cloreto
Brometo
Nitrato
Fosfato
Sulfato
tR [min]
4,00
5,91
8,76
9,95
15,40
18,46
Conc. [mg/L]
10
10
10
10
10
10
No de pratos
5542
6889
6069
5280
5099
6408
Área [μS/cm*s]
128,5
78,9
32,4
39,5
20,1
55,4
57
Experimento 3d – Eluente: Na2CO3 a 4 mmol/L / NaOH a 1 mmol/L
Preparação do Eluente
Dissolver 424 mg de carbonato de sódio (anidro) e 100 μL NaOH 30% em 1 L de água ultrapura.
Cromatograma 8
Tabela 12
Pico
1
2
3
4
5
58
Solução padrão – Eluente: Na2CO3 a 4 mmol/L / NaOH a 1 mmol/L.
Componentes – Experimento 3d
Componente
Fluoreto
Cloreto
Brometo
Nitrato
Fosfato + Sulfato
tR [min]
3,67
4,65
6,04
6,61
7,94
Conc. [mg/L]
10
10
10
10
10 + 10
No de pratos
4662
6672
7201
6902
4889
Área [μS/cm*s]
123,5
79,5
32,3
41,4
81,8
Monografia Metrohm
Experimento 3e – Eluente: Na2CO3 a 1 mmol/L / NaOH a 4 mmol/L
Dissolver 106 mg de carbonato de sódio (anidro) e 400 μL NaOH 30% em 1 L de água ultrapura.
Cromatograma 9
Tabela 13
Pico
1
2
3
4
5
6
Solução padrão – Eluente: Na2CO3 a 1 mmol/L / NaOH a 4 mmol/L.
Componentes – Experimento 3e
Componente
Fluoreto
Cloreto
Brometo
Nitrato
Sulfato
Fosfato
tR [min]
4,36
5,6
7,31
7,98
14,29
22,84
Conc. [mg/L]
10
10
10
10
10
10
No de pratos
4654
7884
8307
8204
7676
6477
Área [μS/cm*s]
127,8
80,7
33,1
42,8
55,4
21,8
59
4.2.4. Experimento 4 – Limites de calibração, detecção e determinação na cromatografia de
íons
Os parâmetros importantes para métodos de determinação analítica são a faixa linear, limite de
detecção e limite de determinação. Os métodos matemáticos para eles baseiam-se em métodos
padrões, por exemplo, em DIN 32645.
Se os cromatogramas são registrados com um detector de condutividade, a área do pico é,
geralmente, usada para avaliação. A área do pico é proporcional à quantidade de substância. Se a
área do pico for plotada contra a concentração, então a função calibração é obtida. Ela é linear para
medidas sem supressão química. Como uma primeira aproximação, ela é uma função quadrática
para medidas com supressão química. Programas de avaliação calculam as funções de calibração
automaticamente.
A avaliação utilizando a altura do pico é usada, preferencialmente, para picos com significativa cauda
ou para picos insuficientemente separados, com grandes diferenças na relação área/altura, visto que
nestes casos, a avaliação baseada na área prporciona grandes erros.
O limite de detecção é a concentração mínima de um analito que pode ser detectada com uma
conhecida certeza estatística. A menor concentração teórica, que pode ser distinta de um valor do
“branco”, deve ser calculada.
Há dois métodos para calcular o limite de detecção:
Método do valor branco:
A amostra “branco” deve ser uma amostra que não contém o íon a ser determinado, mas que produz
um sinal na mesma posição que o íon da amostra. Medidas repetidas de uma amostra “branco”
geram para uma concentração «0» (valor x) valores medidos (valores y) cujo modo (freqüência média
máxima) é conhecido como o valor branco. Utilizando-se uma curva de calibração, o valor y máximo é
associado com o valor de concentração no eixo x; isto é o limite de detecção.
Método da curva de calibração:
Este método é usado quando não é possível determinar o valor do branco, devido ao fato de que o
íon analisado não pode ser detectado na amostra. No método da curva de calibração, múltiplas
medidas são realizadas em diferentes concentrações do íon. Uma faixa de confiança é obtida a partir
do desvio padrão. Desta forma, a concentração «0» corresponde a um intervalo y particular. A função
calibração é usada para associar o intervalo y a um intervalo de concentração cujo valor máximo é o
limite de detecção.
A relação sinal/ruído é freqüentemente usada para determinar o limite de detecção. Por exemplo, o
limite de detecção é definido como sendo a concentração do analito na qual o sinal de medida é 3, 5
ou 7 vezes o ruído da linha de base.
O limite de quantificação é considerado como o menor valor que possa ser quantificado com uma
determinada confiança. Este valor deve ser sempre maior que o limite de detecção e, como
estimativa, pode ser dito que o limite de quantificação é maior por um fator de três.
60
x
O que significa calibração?
x
Comparação de uma calibração de ponto único e de pontos múltiplos – estimativa de erros;
x
Determinação de ruído do sistema;
x
Estimativa do limite de detecção.
Monografia Metrohm
Experimento 4a – Determinação de ânions com supressão química
Tabela 14
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Supressor
Polaridade
Na2CO3 a 1,8 mmol/L NaHCO3 a 1,7 mmol/L / + 2% acetona
exp_04_s_e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
5,5 MPa
18 min
20 μL
continuamente com mudança automática dos canais de supressão,
regeneração e lavagem
+
Cromatograma 10
Sobreposição de cromatogramas – Soluções padrão com concentrações
diferentes – com supressão química
61
Tabela 15
Pico
Componente
tR [min]
1
2
3
4
5
6
7
Fluoreto
Cloreto
Nitrito
Brometo
Nitrato
Fosfato
Sulfato
4,04
5,66
6,58
7,95
8,89
13,49
15,62
Conc. [mg/L]
Nível 1
1
1
1
1
1
1
1
Nível 2
5
5
5
5
5
5
5
Nível 3
25
25
25
25
25
25
25
Nível 4
50
50
50
50
50
50
50
Experimento 4b – Determinação de ânions sem supressão química
Tabela 16
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Polaridade
Ácido ftálico a 5 mmol/L, 2% acetona; pH = 4,4 (TRIS)
Condutividade aprox. 324 μS/cm
exp_04_n_e2.mtw
anonsupp.smt
1,0 mL/min
5,5 MPa
33 min
20 μL
–
Dissolver 830 mg de ácido ftálico em 20 mL de acetona e um pouco de água e completar para 1 L.
Ajustar o pH para 4,4 adicionando aprox. 0,6 g de TRIS (sólido).
Cromatograma 11
Sobreposição de cromatogramas – Soluções padrão com concentrações
diferentes – sem supressão química
62
Monografia Metrohm
Tabela 17
Pico
Componente
tR [min]
1
2
3
4
5
Cloreto
Nitrito
Brometo
Nitrato
Sulfato
9,45
12,30
17,06
20,96
26,06
Conc. [mg/L]
Nível 1
Nível 2
1
5
1
5
1
5
1
5
1
5
Nível 3
25
25
25
25
25
Nível 4
50
50
50
50
50
63
4.2.5. Experimento 5 – Alteração da seletividade com o auxílio de éteres coroa (18 Crown-6)
Os tempos de retenção de cátions podem ser alterados pela adição de agentes complexantes aos
eluentes. O agente complexante age como um ligante, o cátion analisado é incluso como o íon
metálico central. Quanto mais seletivo for um ligante em relação ao íon metálico central, mais forte a
influência no tempo de retenção. Em um caso ideal, os tempos de retenção dos outros cátions só
serão alterados levemente.
Os agentes complexantes são usados para obter uma melhor separação de íons de metais alcalinos.
A adição de éter coroa 18 Crown-6 ao eluente proporciona uma melhor separação de Na+, NH4+ e K+.
Por exemplo, o éter coroa pode ser adicionado ao eluente para melhorar a separação entre Na+ e
NH4+ quando traços de NH4+ têm que ser determinados em águas naturais. O aumento no tempo de
retenção do K+ é muito acentuado. Isto pode ser explicado pela formação do complexo K+ e o éter 18Crown-6. O K+ se ajusta perfeitamente no “espaço central” do éter. Ele é complexado através de
pares de elétrons dos átomos de oxigênio. Após a complexação, uma molécula consideravelmente
maior, com a mesma carga, é separada. Isto significa que o tempo de retenção do potássio é
aumentado como resultado de impedimento estérico.
Figura 26
Complexo Potássio-18 Crown-6
O nome 18 Crown-6 indica que um sistema de anel consiste de 18 átomos dos quais 6 são átomos de
oxigênio. Os éteres coroa não só têm um papel importante na cromatografia de íons, como também
são usados como fase de seleção de íons em eletrodos de potássio.
x
Efeito de um agente complexante muito seletivo nos tempos de retenção
x
Esclarecimentos sobre o efeito em comparação com o Experimento 6
Tabela 18
Parâmetros – Experimentos 5a e 5b
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Polaridade
64
6.1010.210 Metrosep C2 (4 x 100 mm)
a) ácido tartárico a 4 mmol/L / ácido dipicolínico a 0,75 mmol/L
b) ácido tartárico a 4 mmol/L / ácido dipicolínico a 0,75 mmol/L + éter coroa a
0,75 mmol/L
Padrão (lítio, sódio, amônia, potássio, cálcio, magnésio + HNO3 a 2 mmol/L)
exp_05_c.mtw
cátion.smt
1 mL/min
8 MPa
a)
15 min
b)
20 min
20 μL
–
Monografia Metrohm
Experimento 5a – Eluente sem éter coroa
Dissolver, sob aquecimento, 600 mg de ácido tartárico e 125 mg de ácido dipicolínico em 100 mL de
água ultrapura e, então, completar para 1 L com água ultrapura.
Cromatograma 12
Tabela 19
Pico
1
2
3
4
5
6
Solução padrão – Eluente sem éter coroa.
Componente
Lítio
Sódio
Amônio
Potássio
Cálcio
Magnésio
tR [min]
2,7
3,5
3,9
5,3
9,7
12,5
Conc. [mg/L]
1
5
5
10
10
10
No de pratos
2584
3203
2919
2675
3168
2298
Área [μS/cm*s]
22
30
33
28
26
53
65
Experimento 5b – Eluente com éter coroa
Dissolver, sob aquecimento, 600 mg ácido tartárico e 125 mg de ácido dipicolínico em 100 mL de
água ultrapura, adicionar 200 mg de éter coroa e completar para 1 L com água ultrapura.
Cromatograma 13
Tabela 20
Pico
1
2
3
4
5
6
66
Solução padrão – Eluente com éter coroa.
Componente
Lítio
Sódio
Amônia
Cálcio
Magnésio
Potássio
tR [min]
2,7
3,8
4,9
10,7
12,2
14,9
Conc. [mg/L]
1
5
5
10
10
10
No de pratos
2653
3108
2207
2914
2378
1889
Área [μS/cm*s]
22
30
32
27
53
26
Monografia Metrohm
4.2.6. Experimento 6 – Alteração da seletividade pela utilização de agentes complexantes
Na análise dos íons magnésio, sódio e potássio na presença dos íons zinco e cálcio, a habilidade
destes em formar complexos com o ácido dipicolínico (DPA, ácido 2,6-piridinodicarboxílico) é
utilizada.
O
C
N
O
Me
O
C
2+
H
O
H
Figura 27
Complexo Me2+ ácido dipicolínico
A constante que resulta da formação de complexo
Me2+ + (DPA) ļ [Me(DPA)]2+
é diferente para cada metal.
Dependendo do pH, os seguintes complexos podem ser formados (aumento da remoção de H+ com o
aumento de pH):
condições ácidas
condições fracamente ácidas
condições alcalinas
Isto significa que, dependendo do pH, o complexo formado tem uma dupla carga positiva ou uma
única carga positiva ou é neutro.
O critério primário de separação em uma coluna trocadora de cátion é a carga positiva dos íons a
serem separados. Os complexos neutros não são retardados enquanto os complexos com três
cargas positivas são ligados muito fortemente. Como resultado da constante de formação de
complexo e do pH do eluente, o complexo tem uma carga média devido ao equilíbrio. Esta carga de
equilíbrio determina o tempo de retenção. É por isso que íons metálicos bivalentes podem ser
acelerados pela adição de ácido dipicolínico em uma determinada faixa de pH.
Não há influência nos tempos de retenção dos íons metálicos monovalentes, os quais não formam
um complexo com o ácido dipicolínico.
x
Influência da constante de formação de complexo no tempo de retenção – comparação de
zinco e cálcio;
x
Comportamento de outros íons de metais de transição;
x
Influência do valor do pH na carga total do complexo;
x
Explicação sobre os efeitos em comparação ao Experimento 5.
67
Tabela 21
Parâmetros – Experimentos 6a a 6d
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Polaridade
6.1010.210 Metrosep C2 (4 x 100 mm)
a)
ácido tartárico a 4 mmol/L
b)
ácido tartárico a 4 mmol/L + ácido dipicolínico a 0,1 mmol/L
c)
d)
Padrão (sódio, zinco, potássio, cálcio, magnésio + HNO3 a 2 mmol/L)
exp_06_c.mtw
Cátion.smt
1 mL/min
7 MPa
a)
23 min
b)
20 min
c)
16 min
d)
13 min
10 μL
–
Experimento 6a – Eluente: ácido tartárico a 4 mmol/L
Dissolver 600 mg de ácido tartárico em 1L de água ultrapura.
Cromatograma 14
68
Solução padrão – Eluente: ácido tartárico a 4 mmol/L.
Monografia Metrohm
Tabela 21
Pico
1
2
3
4
5
Componente
Sódio
Potássio
Zinco
Magnésio
Cálcio
tR [min]
4,3
7,8
11,2
14,4
19,5
Conc. [mg/L]
5
10
5
10
10
No de pratos
4450
2330
2330
2010
2640
Área [μS/cm*s]
17
16
11
63
34
Experimento 6b – Eluente: ácido tartárico a 4 mmol/L + ácido dipicolínico a 0,1 mmol/L
água ultrapura e completar para 1L.
Cromatograma 15
0,1 mmol/L.
Solução padrão – Eluente: ácido tartárico a 4 mmol/L + ácido dipicolínico a
Tabela 23. Componentes – Experimento 6b
Pico
1
2
3
4
5
Componente
Zinco
Sódio
Potássio
Magnésio
Cálcio
tR [min]
1,9
4,4
7,6
14,8
17,9
Conc. [mg/L]
5
5
10
10
10
No de pratos
554
4390
2750
2100
2720
Área [μS/cm*s]
6.7
17
16
64
33
69
Experimento 6c – Eluente: ácido tartárico a 4 mmol/L + ácido dipicolínico a 0,25 mmol/L
Cromatograma 16
0,25 mmol/L.
Tabela 24. Componentes – Experimento 6c
Pico
–
1
2
3
70
Componente
Zinco
Sódio
Potássio
Cálcio + Magnésio
tR [min]
a1,1
4,3
7,8
14,4
Conc. [mg/L]
5
5
10
10 + 10
No de pratos
Área [PS/cm*s]
4450
2330
2010
18
17
98
Monografia Metrohm
Experimento 6d – Eluente: ácido tartárico a 4 mmol/L + ácido dipicolínico a 0,75 mmol/L
Cromatograma 17
0,75 mmol/L.
Tabela 25
Pico
–
1
2
3
4
Componentes – Experimento 6d
Componente
Zinco
Sódio
Potássio
Cálcio
Magnésio
tR [min]
a1,1
3,8
6,4
8,5
10,5
Conc. [mg/L]
5
5
10
10
10
No de pratos
Área [μS/cm*s]
4540
2900
2630
2190
17
17
33
67
Observações:
Todas as soluções devem ser estocadas em recipientes plásticos. Para uma correta determinação de
sódio, deve-se evitar qualquer contato com vidro. O pH da solução padrão e da amostra deve estar
entre 2,5 e 3,5.
Após a troca do eluente, deixar o sistema em funcionamento até que a linha de base se apresente
constante.
Cromatogramas 14 e 15: o zinco é complexado pelo ácido dipicolínico e elui no pico de injeção.
71
4.2.7. Experimento 7 – Técnica de pré-concentração
Na cromatografia de íons, a injeção da amostra é realizada com o auxílio de um “loop” de amostra
integrado com a válvula de injeção. Em condições padronizadas, o volume do “loop” de amostra é de
20 μL para ânions e 10 μL para cátions. Com um sistema CI simples, “loops” de amostra deste
tamanho cobrem limites de detecção de 100 μg/L ou 100 ppb sem qualquer problema.
Aumentando o “loop” de amostra, ou seja, para 100 μL, por exemplo, os limites de detecção podem
ser diminuídos dez vezes, aproximadamente. Entretanto, um volume maior de amostra produz um
pico de água, “volume morto”, substancialmente maior, o que afeta a avaliação dos picos que eluem
no inicio do cromatograma. Além disso, o formato dos picos assimétricos torna-se pior.
Um método simples para diminuir os limites de detecção em vários níveis de magnitude é a préconcentração da amostra. Uma coluna de pré-concentração é montada ao invés do “loop” de
amostra. Um volume elevado de amostra – 5 mL no nosso exemplo – é passado através da coluna de
pré-concentração. A princípio, esta coluna é preenchida com o mesmo material que é usado na
própria coluna de separação. Isto assegura que todos os ânions ou cátions da amostra a ser
analisada sejam completamente retidos durante muito tempo, enquanto nenhum íon do eluente atual
esteja presente. Entretanto, a pré-concentração só funciona se a amostra em si não contiver íons
(analitos) em altas concentrações.
A capacidade da coluna de pré-concentração é significantemente menor do que a da coluna de
separação. Para eluir os íons pré-concentrados em um volume menor possível, a extração é
realizada pelo eluente em contracorrente, ou seja, a direção da vazão durante a pré-concentração é
oposta àquela durante a eluição.
Figura 28
«injetar».
Técnica de pré-concentração: à esquerda posição «alimentar», à direita posição
A técnica de pré-concentração permite amostras com concentrações menores que ȝg/L, ou ppb,
sejam determinadas mesmo em um sistema de cromatografia simples.
x
O que é preparação da amostra?
x
Onde é a interface entre a cromatografia de íons e a preparação da amostra?
x
Qual é a vantagem da pré-concentração da amostra?
x
Quais são os limites do método?
x
Qual é o efeito de carbonato/CO2 na amostra?
72
Monografia Metrohm
Tabela 26
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Coluna de pré-concentração
Volume da amostra
Supressor
Polaridade
Na2CO3 a 1,8 mmol/L / NaHCO3 a 1,7 mmol/L / + 2% acetona
exp_07_s_e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
5,5 MPa
18 min
6.1006.300 Metrosep Anion
5 mL em coluna de pré-concentração
Agentes de regeneração H2SO4 a 50 mmol/L e água ultrapura
alimentados continuamente com mudança automática dos canais
de supressão, regeneração e lavagem
+
Cromatograma 18
Solução padrão (1 ppb de cada ânion) para análise de água ultrapura
73
Tabela 27
Pico
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Componentes – Experimento 7 – Padrão
Componente
Fluoreto
Acetato
Cloreto
Nitrito
Brometo
Nitrato
Pico do sistema
Fosfato
Sulfato
Cromatograma 19
Tabela 28
Pico
1
2
3
tR [min]
3.81
4.35
5.22
6.01
7.23
8.02
9.88
11.79
13.28
Conc. [μg/L]
1
n.d.
1
1
1
1
No de pratos
3196
Área [μS/cm*s]
0.36
4919
5545
5307
5900
0.32
0.18
0.12
0.14
1
1
10497
7033
0.10
0.33
Água ultrapura
Componentes – Experimento 7- Água Ultrapura
Componente
Acetato
Pico do sistema
Sulfato
tR [min]
4.37
9.89
13.33
Conc. [μg/L]
n.d.
No de pratos
4945
Área [μS/cm*s]
0.139
n.d.
8154
0.231
Observações:
Lavar com muito cuidado e por várias vezes todos os recipientes, seringas e o sistema; utilize
recipientes plásticos.
74
Monografia Metrohm
4.3.
Experimentos para a determinação de ânions
4.3.1. Experimento 8 – Ânions em água potável
A água potável é o nosso mais importante tipo de alimento. Ela é obtida principalmente de água
subterrânea e água de superfície. Águas de superfície incluem águas de lagos e reservatórios, água
subterrânea enriquecida com águas de superfície e água de rios.
De acordo com a DIN 2000, a água potável deve satisfazer os seguintes requisitos:
x
x
x
Deve ser incolor, clara, fria e livre de odor
e sabor estranho;
Se possível, deve ser naturalmente livre
de patógenos e substâncias consideradas
de risco para a saúde;
Não
deve
conter
muitos
sais,
particularmente componentes sólidos,
ferro, manganês, bem como substâncias
orgânicas (lodo e substâncias húmicas);
x
Não deve causar corrosão;
x
A quantidade disponível deve ser
suficiente para suprir todas as
necessidades da população que a utiliza.
75
Dependendo do grau de poluição, vários métodos são usados para o tratamento da água potável.
Triagem, remove solo grosso e partículas grandes.
Filtro de areia, para filtração; processo de biodegradação também ocorre na areia e ajuda na
purificação.
Filtro de carvão ativo absorve substâncias orgânicas dissolvidas, por exemplo, pesticidas.
Remoção de ferro e manganês pela oxidação de Fe(II) e Mn(II); este processo ocorreria, por outro
lado, em aqueduto de água potável e resultaria em turbidez marrom ou flocos na água potável.
Desinfecção é sempre necessária quando a água não está livre de patógenos. Cloro, ozônio, dióxido
de cloro e irradiação UV são usados.
Cloração preventiva antes da liberação na tubulação de água potável, a fim de impedir o
crescimento de microrganismos na água que chega ao consumidor.
Figura 29
Tratamento de água potável – diagrama feito por Thomas Seilnacht, Tuttling.
x
Investigação do nosso alimento “Número 1”;
x
Conferindo as informações fornecidas nas garrafas de água mineral.
Tabela 29
Fluoreto
Nitrato
Nitrito
Cloreto
Sulfato
Tabela 30
Coluna
Eluente
Amostra
76
Valores limitantes para água potável (Alemanha)
1,5
50
0,1
250
250
mg/L como F–
mg/L como NO3–
mg/L como NO2–
mg/L
mg/L
NaHCO3 a 1,8 mmol/L / Na2CO3 a 1,7 mmol/L + 2% acetona
Água potável (água de torneira, água mineral)
Monografia Metrohm
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Supressor
Polaridade
exp_08_s_e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
5,5 MPa
18 min
20 μL
+
Cromatograma 20
Água de torneira de Herisau, Suíça.
Tabela 31
Componentes –Exeprimento 8 – Padrão
Pico
1
2
3
4
5
Componente
Fluoreto
Cloreto
Nitrato
Pico do Sistema
Sulfato
tR [min]
3.99
5.65
8.96
10.64
15.40
Conc. [mg/L]
0.03
10.66
11.16
No de pratos
4916
7984
5398
Área [μS/cm*s]
0.69
96.39
47.43
6.07
7546
34.29
77
Cromatograma 21
Tabela 32
Pico
1
2
5
3
6
Água mineral sem dióxido de carbono.
Componentes – Exeprimento 8 – Água mineral sem dióxido de carbono
Componente
Fluoreto
Cloreto
Nitrato
Pico do sistema
Sulfato
tR [min]
3.93
5.76
8.75
11.15
15.55
Conc. [mg/L]
0.18
46.24
0.23
No de pratos
1789
2456
4659
Área [μS/cm*s]
7.77
468.9
0.94
95.61
4400
637.1
Observações
A água mineral contendo dióxido de carbono deve ser desgaseificada antes da medição – por quê?
78
Monografia Metrohm
4.3.2. Experimento 9 – Ânions em etanol e destilados (licores)
A determinação de ânions em solventes orgânicos é possível, embora ocorra a presença de picos
marcantes nos cromatogramas no início do sistema. Análises de rum, vodca e etanol são usadas
como exemplos.
Para se obter limites de detecção menores, a técnica de pré-concentração pode ser aplicada (vide
capítulo 4.2.7). Em alguns casos, entretanto, a matriz da amostra (por exemplo, etanol) pode interferir
principalmente com a determinação, levando a picos com formatos irregulares que não podem ser
avaliados (vide Cromatograma 26). É, então, necessário remover a matriz pela lavagem da coluna de
pré-concentração com água ultrapura (eliminação da matriz). Desta forma, são obtidos bons
cromatogramas (vide Cromatograma 25).
A técnica de eliminação da matriz pode ser usada para analisar solventes polares e até mesmo nãopolares.
Um método alternativo para remover matéria orgânica de soluções aquosas é usar uma coluna de
preparação da amostra RP (Fase Reversa)
x
Análise de alimentos;
x
Influência da matriz na cromatografia;
x
Preparação da amostra;
x
Pré-concentração da amostra e eliminação da matriz.
Tabela 33
Parâmetros – Experimentos 9a a 9c
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Supressor
Polaridade
a) Rum
b) Vodca
exp_09_s e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
5,5 MPa
a) 20 min
b) 19 min
a) 100 μL
b) 100 μL
+
79
Experimento 9a – Determinação de ânions em rum
Cromatograma 22
Tabela 34
Pico
1
2
3
4
80
Solução padrão para análise de rum.
Componentes – Experimento 9a – Padrão
Componente
Cloreto
Nitrato
Sulfato
Oxalato
tR [min]
5.51
8.65
14.91
16.51
Conc. [mg/L]
5.011
0.248
5.005
0.250
No de pratos
5759
4834
5925
4732
Área [μS/cm*s]
225.321
5.110
143.508
5.411
Monografia Metrohm
Cromatograma 23. Análise de rum.
Tabela 35
Pico
1
2
3
4
5
6
Componentes – Experimento 9a – Rum
Componente
n.d.
n.d.
Cloreto
Nitrato
Sulfato
Oxalato
tR [min]
4.15
4.43
5.32
8.32
14.17
15.76
Conc. [mg/L]
n.d.
n.d.
0.837
0.059
0.580
0.233
No de pratos
1535
3358
5456
5554
4624
5268
Área [μS/cm*s]
54.68
41.49
35.44
1.46
15.90
5.05
81
Experimento 9b – Determinação de ânions em vodca
Cromatograma 24
Tabela 36
Pico
1
2
3
4
5
6
Análise de vodca
Componentes – Experimento 9b – Vodca
Componente
n.d.
n.d.
Cloreto
Nitrato
Sulfato
Oxalato
tR [min]
3.89
4.50
5.39
8.32
14.23
15.78
Conc. [mg/L]
No de pratos
3.04
0.26
2.87
0.57
4942
4991
3100
3530
Área [μS/cm*s]
50.52
38.89
132.57
5.33
80.17
11.95
Observações:
Os picos 1 e 2 não foram avaliados.
82
Monografia Metrohm
Experimento 9c – Determinação de ânions em etanol com pré-concentração e eliminação da
matriz
Tabela 37
Coluna
Eluente
Parâmetros – Experimento 9c
Na2CO3 a 1,8 mmol/L / NaHCO3 a 1,7 mmol/L + 2% acetona
Amostra
Etanol
Método
exp_09_me e2.mtw
Sistema
asupp.smt
Fluxo
1,0 mL/min
Pressão
5,5 MPa
Tempo de análise
16 min
Loop
2 mL na coluna de pré-concentração Metrosep Ânion 6.1006.300; enxágüe
com 2 mL de água ultra-pura para eliminação de matriz
Supressor
Polaridade
+
Cromatograma 25
Tabela 38
Pico
1
2
3
4
5
6
Determinação de ânions em etanol com eliminação da matriz.
Componentes – Experimento 9c – Etanol sem eliminação da matriz
Componente
tR [min]
Conc. [mg/L]
No de pratos
Área [μS/cm*s]
Cloreto
Nitrito
Nitrato
Pico do sistema
Sulfato
Oxalato
5.2
6.03
8.08
9.93
13.34
14.77
1.82
0.42
1.83
5416
2658
3887
1.81
0.41
1.17
2.61
0.99
5440
6025
3.89
1.11
83
Cromatograma 26
Tabela 39
Pico
84
Determinação de ânions em etanol sem eliminação da matriz.
Componentes – Experimento 9c – Etanol sem eliminação da matriz
Componente
n.d
tR [min]
Conc. [mg/L]
No de pratos
Área [μS/cm*s]
Monografia Metrohm
4.3.3. Experimento 10 – Ânions em alface
Os nitratos entram no corpo humano não só através da água potável, mas também pela ingestão de
vegetais, saladas etc. A OMS (Organização Mundial da Saúde) recomenda que o consumo diário de
nitrato não exceda 220 mg por pessoa. Na Alemanha, o consumo médio diário de nitrato é de
aproximadamente 130 mg por pessoa. Aproximadamente 5% desta quantidade origina-se de carnes
e lingüiças; o restante é dividido em quase meio a meio entre a água potável e os vegetais.
O nitrato pode causar efeitos adversos na saúde humana por diferentes formas. O nitrato em si é
relativamente atóxico. Porém, o consumo de grandes quantidades pode levar à inflamação do trato
gastrintestinal. Entretanto, sob certas condições, particularmente em presença de bactérias da região
bucal humana, o nitrato é reduzido a nitrito pela enzima nitrato-redutase:
NO3–
NO2–
O nitrito é capaz de converter a hemoglobina, a coloração vermelha do sangue, em metemoglobina
(Fe2+ é oxidado a Fe3+). Ao contrário da hemoglobina, a metemoglobina não pode transportar o
oxigênio no sangue. Em seres humanos adultos, este dano pode ser sanado por reações
metabólicas. Entretanto, o metabolismo de bebês até os 5 meses de idade ainda não é capaz de
realizar tais reações com eficiência. Isto resulta em falta de oxigênio no sangue dos bebês e a pele se
torna azulada. Esta cianose ou metemoglobinemia pode, às vezes, resultar em morte.
Nas proximidades ácidas do estômago, o nitrito pode reagir com várias aminas secundárias (dois
átomos de H da molécula amônia são substituídos por grupos alquilas), que entram no corpo humano
através de medicamentos e alimentos, para formar as nitrosaminas.
Figura 30
Formação de nitrosaminas a partir de nitrito e aminas secundárias
As nitrosaminas estão entre as substâncias mais carcinogênicas conhecidas. Elas são formadas
dentro do organismo a partir de compostos não-carcinogênicos.
x
x
Controle dos alimentos, particularmente, em relação ao nitrito e nitrato.
Tabela 40
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Supressor
Polaridade
Alface
exp_10_s_e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
5,5 MPa
20 min
20 μL
+
85
Preparação da amostra
Picar a alface, espalhar, adicionar água ultrapura (proporção 1:100) e filtrar.
Cromatograma 27
86
Solução padrão para a análise de alface.
Monografia Metrohm
Tabela 41
Pico
1
2
3
4
5
Componente
Cloreto
Nitrato
Fosfato
Sulfato
Oxalato
Cromatograma 28
Tabela 42
Pico
1
2
4
5
6
tR [min]
6.53
8.96
19.68
22.40
24.35
Conc. [mg/L]
1.00
10.0
1.0
3.0
1.0
No de pratos
4994
4789
3328
3946
4395
Área [μS/cm*s]
7.30
39.98
2.29
3.99
5.63
No de pratos
5223
4659
3697
3345
3926
Área [μS/cm*s]
12.13
54.04
2.06
4.68
5.93
Análise de alface (diluição 1:100).
Componentes – Experimento 10 – Alface
Componente
Cloreto
Nitrato
Fosfato
Sulfato
Oxalato
tR [min]
6.51
8.91
19.72
22.40
24.33
Conc. [mg/L]
172
1346
88
351
103
87
4.3.4. Experimento 11 – Ácido fosfórico em refrigerantes tipo “cola”
A Coca-Cola é uma bebida não-alcoólica que contém dióxido de carbono e cafeína. Ela foi produzida
pela primeira vez em 1885, pelo farmacêutico americano Pemberton. Entre os seus ingredientes
estão os extratos de noz de cola, laranjas amargas, essência de gengibre, açúcar, ácido fosfórico (pH
= 2,7), corante caramelo, dióxido de carbono e cafeína.
Muitos refrigerantes tipo “cola” estão disponíveis em supermercados (Pepsi Cola, Club Cola, River
Cola, Afri Cola, Baré Cola, Dolly Cola etc.); a composição destes pode diferir da composição da CocaCola.
A determinação do conteúdo de ácido fosfórico em refrigerantes tipo “cola” é de especial importância,
uma vez que os engarrafadores locais deste refrigerante adquirem o concentrado e o engarrafamento
é controlado através do conteúdo de fosfato, requerendo uma determinação altamente precisa.
O ácido fosfórico é um ácido tribásico (pKA1= 2,161; pKA2= 7,207; pKA3= 12,325). As quantidades das
diferentes espécies variam com o pH, como pode ser visto no seguinte diagrama:
Figura 31
Efeito tampão do ácido fosfórico em uma escala de pH de 6 a 8.
Uma mistura do fosfato primário e secundário é freqüentemente usada como uma solução tampão em
pH de 6 a 8 (90% de H2PO4– + 10% de HPO42– até 10% de H2PO4– + 90% de HPO42–).
Veja também a equação de Henderson-Hasselbalch (equação de tampão):
pH
pK S lg
c( A )
c( HA)
88
x
Análise de bebidas;
x
Química do ácido fosfórico;
x
Influência do pH na separação cromatográfica;
x
Estatística: reprodutibilidade.
Monografia Metrohm
Tabela 42
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Supressor
Polaridade
Refrigerantes cola
exp_11_s_e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
5,5 MPa
18 min para Coca-Cola, 30 min para Coca-Cola de baixa caloria
20 μL
+
Cromatograma 29
Tabela 44
Pico
1
2
3
4
5
Solução padrão para a análise de refrigerante tipo “cola”.
Componentes – Experimentos 11a e 11b – Solução Padrão
Componente
Cloreto
Ciclamato
Nitrato
Fosfato
Sulfato
tR [min]
5.29
6.60
8.31
12.07
13.79
Conc. [mg/L]
0.5
5
0.5
40
1
No de pratos
4883
2663
5109
4744
5583
Área [μS/cm*s]
5.85
2.91
1.64
64.97
4.26
89
Experimento 11a – Análise de Coca-Cola
Cromatograma 30
Tabela 45
Pico
1
2
3
4
5
6
90
Análise de Coca-Cola (diluição 1:10).
Componente
n.d.
n.d.
Cloreto
Nitrato
Fosfato
Sulfato
tR [min]
Conc. [mg/L]
No de pratos
Área [μS/cm*s]
5.57
8.71
13.55
15.42
1.83
4.39
26.47
7.77
7547
7408
6409
7150
6.25
3.96
136.26
9.39
Monografia Metrohm
Experimento 11b – Análise de Coca-Cola de baixa caloria
Cromatograma 31
Tabela 46
Pico
1
2
3
4
5
6
7
Análise de Coca-Cola de baixa caloria (diluição 1:10).
Componente
n.d.
n.d.
Cloreto
Ciclamato
Nitrato
Fosfato
Sulfato
tR [min]
Conc. [mg/L]
No de pratos
Área [μS/cm*s]
5.56
7.07
8.69
13.54
15.41
3.23
360.76
2.69
247.96
9.33
8140
3670
4290
1850
1630
1.84
46.02
2.27
102.58
6.03
Observações:
Os picos 1 e 2 não foram avaliados.
91
Experimento 11c – Reprodutibilidade das medidas de fosfato em Coca-Cola
Cromatograma 32
Tabela 47
Sobreposição de cromatogramas: 8 medidas (amostra não diluída).
Reprodutibilidade das medidas
Cromatograma
1
2
3
4
5
6
7
8
Área do fosfato [μS/cm*s]
3627
3629
3626
3626
3636
3638
3639
3638
conc. do fosfato [mg/L]
519
520
519
519
521
521
521
521
Desvio padrão: inferior a 0,2%
Observações:
Os refrigerantes tipo “cola” devem ser degaseificados. Em refrigerante tipo “cola” de baixa caloria, o
adoçante ciclamato elui próximo do pico do fosfato.
92
Monografia Metrohm
4.3.5. Experimento 12 – Ácidos orgânicos em vinho
De acordo com a lei alemã de vinhos, o vinho é um produto que só pode ser obtido através de uma
fermentação alcoólica, parcial ou completa, de uvas frescas ou amassadas, ou do suco de uvas. O
suco de uvas contém de 12 a 25% de carboidratos (glicose, frutose) e 0,9 a 1,5% de ácidos; os mais
importantes são o ácido L-(+) tartárico (2R, 3R) e o ácido málico, mas o ácido cítrico, o ácido
cetoglutárico, o ácido succínico e o ácido lático podem também estar presentes.
Um critério importante para analisar o suco de uva é o grau Oechsle (Oe°); quanto maior for o grau,
mais açúcar o suco contém. Isto indica o número de gramas pelo qual 1 L de suco a 20 °C é mais
pesado do que 1 L de água destilada. Por exemplo, um suco com uma densidade de 1,115 kg/L (115
g a mais que em 1 L de água) tem 115 Oe°. A partir de graus Oechsle, um cálculo simples permite a
determinação do conteúdo de açúcar e álcool. 1,7 g de açúcar produz 1 mL (0,794 g) de etanol. Em
uma fração de 12 a 15% do volume de álcool a fermentação se paralisa, uma vez que as leveduras
são mortas pelo álcool que elas produziram.
O aroma do vinho é constituído de 600 a 800 componentes: hidrocarbonetos, álcoois, aldeídos,
cetonas, ácidos, ésteres, lactonas, éteres, fenóis, entre outros.
De interesse analítico são os (2R, 3R)-ácidos tartárico, ácido málico, ácido cítrico, ácido lático e ácido
succínico. O conteúdo total de ácido (calculado como ácido tartárico) está, geralmente, entre 5,5 e 8,5
g/L. O ácido acético, ácido propiônico, ácidos graxos maiores e quantidades anormais de ácido lático
ocorrem em vinhos “estragados” e são, principalmente, produzidos por microrganismos.
COOH
2
H C OH
3
HO C H
COOH
Figura 32
Ácido L-(+) tartárico, forma (2R, 3R)
A fermentação alcoólica ocorre de acordo com a seguinte equação:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 P
2 C2H5OH + 2 CO2 + 2ATP
Abreviações: ADP = difosfato de adenosina, ATP = trifosfato de adenosina, P = fosfato
Os ácidos orgânicos fracos podem ser determinados por cromatografia de exclusão de íons (vide
capítulos 3.3.4, 3.6.7 e 3.7.2.3).
93
2
94
Monografia Metrohm
± QmRGHWHFWiYHO
WUDoRV
9491
13,0
260,1
31,9
1,9
1,9
1,3
2364
62,6
r
r
5080
994
53,7
27,5
150,2
1,0
29,8
45,7
357,2
3,4
11,7
9,0
Vinho Tinto
Português
6349
11,0
205,8
24,6
4,5
+
+
319,8
50,1
r
r
3850
1428
63,0
18,2
241,1
+
17,8
38,6
54,5
±
3,8
14,1
13,7
Kabinett
6302
45,8
282,1
28,3
2,6
5,5
+
159,8
39,5
r
r
3871
1431
18,6
24,5
222,8
+
12,4
36,8
95,9
±
5,8
19,7
10,1
Spätlese
6474
16,0
230,2
20,8
2,3
4,9
1,4
151,0
59,0
r
r
4235
817
46,8
28,4
298,6
4,0
16,8
55,7
452,1
4,1
7,9
22,0
9,8
Auslese
Riesling (uva branca alemã)
r SUHVHQWHHPWUDoRVDSUR[PJ/QmRDYDOLDGR
0'+%6 iFLGRPHWLOGLLGUR[LEXWtULFR
7977
Ácidos totais
Observações
15,7
194,0
44,2
3,7
2,1
1,8
1789
43,5
r
r
3971
1586
94,5
24,9
138,9
+
20,6
41,1
59,0
±
2,1
11,1
12,9
Ácido oxálico
Ácido succínico
Ácido fumárico
Ácido glutárico
Ácido c- ou t- aconítico
Ácido glicólico
Ácido D- + L- lático
Ácido anglicérico
Ácido triglicérico
3-M-2,3-DHBS
Ácido málico
Ácido tartárico
Ácido citramálico
Ácido D-hidroxiglutárico
Ácido cítrico
Ácido glioxílico
Ácido pirúvico
Ácido D-cetoglutárico
Ácido glucônico
ÈFLGRP~FLFR
Ácido glicurônico
Ácido galacturônico
Ácido L-ascórbico
Vinho típico de alta
qualidade
6744
21,7
149,2
36,0
7,0
6,4
6,9
2141
53,0
r
r
2251
1251
48,2
20,6
287,3
6,1
8,6
35,6
337,2
20,4
14,5
43,4
9,6
Beerenaus-lese, Eiswein
5685
16,7
243,8
20,9
2,6
1,4
3,7
793
49,6
r
r
2893
1280
31,3
18,8
200,7
2,9
17,6
41,0
53,9
±
1,7
10,0
12,0
Silvaner
Kabinett
Tabela 47. Conteúdo de ácido (mg/L) em vinhos alemães (valor médio de 4 ou 2 análises individuais; as denominações alemães foram mantidas)
5284
40,9
215,1
51,8
2,2
2,5
3,4
221,0
87,0
r
r
3163
1014
33,8
15,3
221,7
1,8
22,7
33,7
131,1
+
6,0
17,3
10,4
Spätlese
5565
15,4
264,9
27,0
1,9
1,6
1,7
208,1
68,8
r
r
3410
805
24,2
26,9
240,2
1,1
18,6
40,3
373,9
4,5
7,6
23,2
9,7
Auslese
Müller-Thurgau
7333
19,5
269,2
40,6
6,2
4,5
5,8
2096
49,9
r
r
2897
887
41,0
22,2
335,1
3,1
33,0
27,5
540
11,2
10,2
34,3
8,5
Beerenauslese
x
x
Cromatografia de exclusão de íons;
x
Quais íons podem ser determinados por cromatografia de exclusão de íons?
Tabela 49
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Polaridade
6.1005.200 Metrosep Organic Acids (7.8 x 250 mm)
H2SO4 a 0,5 mmol/L / acetona (85:15)
Vinho branco e vinho tinto
exp_12_o.mtw
orgacids.smt
0,5 mL/min
3 MPa
20 min
20 μL
+
Misturar H2SO4 a 0,5 mmol (850 mL) e acetona (150 mL).
Diluir a amostra de vinho 1:100 e filtrar em membrana com poros de 0,45 μm.
Cromatograma 33
Solução padrão para a determinação de ácidos orgânicos em vinho.
95
Tabela 50
Pico
1
2
3
4
5
6
Componentes – Experimentos 12a e 12b – Solução Padrão
Componente
Citrato
Tartarato
Malato
Succinato
Lactato
Acetato
Pico do sistema
tR [min]
7,2
7,5
8,3
9,9
10,8
13,1
15,9
Conc. [mg/L]
5
20
5
5
20
10
No de pratos
26200
7990
9210
7140
8830
11500
Área [μS/cm*s]
1,1
31
4,5
1,2
11
1,2
Experimento 12a – Determinação de ácidos orgânicos em vinho branco
Cromatograma 33. Determinação de ácidos orgânicos em vinho branco (diluição 1:100).
Tabela 51
Pico
1
2
4
7
8
9
Componente
Citrato
Tartarato
Malato
Succinato
Lactato
Acetato
Pico do sistema
tR [min]
7,2
7,5
8,2
9,8
10,7
13,0
15,8
Conc. [mg/L]
No de pratos
Área [μS/cm*s]
1210
8430
19
350
2190
710
5660
8820
5200
0,8
13
0,8
Observações:
Os picos 3, 5 e 6 não foram avaliados.
96
Monografia Metrohm
Experimento 12b – Determinação de ácidos orgânicos em vinho tinto
Cromatograma 35
Tabela 52
Pico
1
2
4
7
8
9
Determinação de ácidos orgânicos em vinho tinto (diluição 1:100).
Componente
Citrato
Tartarato
Malato
Succinato
Lactato
Acetato
Pico do sistema
tR [min]
7,2
7,5
8,2
9,9
10,8
13,1
15,9
Conc. [mg/L]
No de pratos
Área [μS/cm*s]
2230
8300
34
410
1560
1010
10500
9570
7950
1,0
8,9
1,1
Observações:
Os picos 3, 5 e 6 não foram avaliados; o citrato e o malato não puderam ser quantificados
corretamente.
97
4.3.6. Experimento 13 – Contaminantes em borato – determinação de cloretos e sulfatos em
soluções de bórax
O bórax (tetraborato dissódico, Na2B4O7·10 H2O, Na2[B4O5(OH)4]·8H2O) tem a seguinte estrutura:
OH
O
HO
B
O
B
O
B
O
B
2 Na
OH
8 H2O
O
OH
Figura 33
«Bórax» (tetraborato dissódico, Na2B4O7·10 H2O, Na2[B4O5(OH)4]·8H2O)
Ao se fundir, o bórax pode dissolver muitos óxidos metálicos com a formação de cores
características. Estas “pérolas de bórax” são muito conhecidas em prática de química inorgânica. O
bórax é também usado na produção de vidro, cerâmica vitrificada, porcelana e como um fundente em
solda. A 100°C, o bórax perde 5 moléculas de água e se torna o pentaidrato “pedra bórax”. Se um
metal fundente for adicionado a ele, os contaminantes de superfície – principalmente camadas de
óxido – serão destruídos. Estes, por outro lado, afetariam a formação de uma liga entre a solda (uma
liga de prata, cobre e estanho) e o material básico.
As soluções de tetraborato de sódio (bórax) são usadas em circuito interno de resfriamento de usinas
nucleares como absorvedores de nêutrons. A pureza do material é extremamente importante, uma
vez que traços de cloreto e sulfato causam corrosão na tubulação, o que deve ser evitado de todas as
maneiras.
O ácido bórico H3BO3 ou B(OH)3 é um ácido monobásico muito fraco, cujo valor de pKA corresponde
a 9,25, aproximadamente, ao do HCN. O ácido bórico não é um doador de H+ (definição de ácido
segundo Bronsted), mas sim um aceptor de OH– (definição de ácido segundo Lewis).
B(OH)3 + HOH
+
-
H + B(OH)4
A cromatografia de íons sem supressão química usa um eluente ácido com pH = 4,1 para a
determinação de contaminantes em borato. Neste pH, o borato está presente quase que totalmente
como ácido bórico B(OH)3. Ao contrário dos ânions carregados negativamente, o ácido bórico não
interage com a fase estacionária da coluna de separação. Isto significa que ele elui no volume morto.
Entretanto, com supressão química é usado o eluente carbonato/hidrogenocarbonato fracamente
alcalino. Embora seja possível separar o borato como um ânion, a detecção não funciona. A causa
disto pode estar no supressor, que troca todos os íons Na+ por íons H+. Em conseqüência, é formado
o ácido bórico fraco.
A grande quantidade de ácido bórico promove distorções no cromatograma, tornando quase
impossível a determinação dos ânions. A eliminação da matriz (vide capítulo 4.3.2) é a melhor
maneira de resolver o problema.
Em usinas de energia, traços de ânions devem, freqüentemente, ser determinados em amostras de
água contendo 2 a 4% de ácido bórico. Nestes casos, aplica-se a técnica de eliminação da matriz
com pré-concentração da amostra (vide Cromatograma 39).
98
x
Ácidos fortes e fracos;
x
x
Pré-concentração da amostra e eliminação da matriz.
Monografia Metrohm
Determinação de traços de ânions em ácido bórico com pré-concentração e eliminação de
matriz
Experimento 13a – Medição sem supressão química (com supressão eletrônica)
Tabela 53. Parâmetros – Experimento 13a
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Polaridade
ácido ftálico a 5 mmol/L, acetona a 2%; pH = 4,1
0,8% de ácido bórico em solução aquosa, com adição de padrão (2 ppm de
cloreto e nitrato)
exp_13_ne2.mtw
anonsupp.smt
1,0 mL/min
5,0 MPa
38 min
100 μL
–
Dissolver 821 mg de ácido ftálico em 20 mL de acetona e um pouco de água, adicionar a solução à
água degaseificada e completar para 1 L. Ajustar o pH para 4,1 pela adição de aprox. 0,5 g de TRIS
(sólido).
Cromatograma 36
supressão química.
Adição de padrão em ácido bórico (2 ppm de cloreto e nitrato) – sem
Tabela 54. Componentes – Experimento 13a
Pico
1
2
Componente
Cloreto
Nitrato
tR [min]
10.79
27.25
Conc. [mg/L]
2.0
2.0
No de pratos
4327
1669
Área [μS/cm*s]
14.23
7.48
99
Experimento 13b – Medições com supressão química
Tabela 55
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Supressor
Polaridade
0,8% de ácido bórico em solução aquosa com adição de padrão (2 ppm de
cloreto e nitrato)
exp_13_s_e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
5,0 MPa
20 min
100 μL
+
Cromatograma 37
Adição de padrão em ácido bórico (2 ppm de cloreto e nitrato) – com
supressão química.
Tabela 56
Pico
1
2
100
Componente
Cloreto
Nitrato
tR [min]
7.95
14.17
Conc. [mg/L]
2
2
No de pratos
2714
85005
Área [μS/cm*s]
70.7
57.8
Monografia Metrohm
Experimento 13c – Determinação, com supressão química, de traços de ânions em ácido
bórico com pré-concentração e eliminação de matriz
Tabela 57
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Introdução da
amostra
Supressor
Polaridade
Na2CO3 a 1,8 mmol/L / NaHCO3 a 1,7 mmol/L + 2% de acetona
Solução aquosa de ácido bórico a 0,2%
exp_13_me_e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
5,5 MPa
20 min
2 mL da amostra são passados pela coluna de pré-concentração onde os
traços de ânions a serem determinados são retidos. Posteriormente, a coluna
de pré-concentração é lavada com água ultrapura para remover o ácido
bórico (eliminação da matriz) e, então, é injetada. Os traços de ânions retidos
são re-eluídos, transportados para a coluna Metrosep A Supp 4 e lá
separados.
+
Cromatograma 38
Determinação de traços de ânions em padrão com pré-concentração
101
Tabela 58
Pico
1
2
3
4
5
6
Componente
Cloreto
Nitrito
Nitrato
Pico do sistema
Sulfato
Oxalato
Cromatograma 39
Tabela 59
Pico
1
2
3
4
5
6
102
tR [min]
5.35
6.19
8.58
10.09
13.54
15.00
Conc. [μg/L]
1.5
5
1
No de pratos
4421
3455
5324
Área [μS/cm*s]
3.48
2.42
0.24
5
5
5441
4855
3.19
3.19
Determinação de traços de ânions em 0,2% de ácido bórico com préconcentração e eliminação de matriz
Componente
Cloreto
Nitrito
Nitrato
Pico do sistema
Sulfato
Oxalato
tR [min]
5.37
6.20
8.36
9.94
13.51
14.98
Conc. [μg/L]
2.8
4.8
n.d.
No de pratos
4833
4452
Área [μS/cm*s]
5.65
2.36
n.d.
7.0
3.5
5269
5293
4.30
2.25
Monografia Metrohm
Cromatograma 40
Sobreposição de um branco (cromatograma inferior) e solução de ácido
bórico a 0,2% (cromatograma superior) com pré-concentração e eliminação
de matriz idênticas.
Observações:
A sobreposição dos dois cromatogramas mostra claramente que a maioria dos ânions determinados é
proveniente do ácido bórico e não da água ultrapura utilizada para diluir o ácido bórico.
103
4.3.7. Experimento 14 – Determinação de Ânions em água efluente
Em estações de tratamento biológico, o efluente é purificado, principalmente, com o auxílio de
bactérias. As substâncias orgânicas são oxidadas com o consumo de oxigênio.
CO2 + H2O + massa celular
Substâncias orgânicas + O2
Além da oxidação de substâncias orgânicas, a amônia também pode ser oxidada para nitrato
(nitrificação) em estações adequadamente projetadas.
NH4+ + 2 O2
NO3– + H2O + 2 H+
Em processos com ausência de oxigênio, as bactérias utilizam o oxigênio do nitrato para a oxidação
de substâncias orgânicas (desnitrificação).
Substâncias orgânicas + 2 NO3–
2 CO2 + 2 OH– + 2 H2O + N2n
O fosfato – um nutriente para plantas, assim como NH4+ e NO3– - pode ser precipitado, por exemplo,
pela adição de soluções de sal de Fe3+. Além dos chamados parâmetros de fechamento – demanda
bioquímica de oxigênio (DBO), demanda química de oxigênio (DQO), carbono orgânico total (TOC) –
que são uma medida da carga orgânica do efluente ou água em geral, a análise de NH4+, NO3– e
PO43– é também importante. Cl– e SO42– são normalmente apenas analisados sob circunstâncias
especiais.
Em estações de tratamento comunitárias com mais de 100.000 dos chamados “equivalentes de
população” (1 equivalente de população é o fluxo de esgoto por pessoa), os seguintes limites são
estabelecidos na Alemanha:
DBO
DQO
NH4-N
Ntot
PO4-Ptot
*
15
75
10
18
1
mg/L
mg/L
mg/L*
mg/L* (soma de NH4-N, NO2-N, NO3-N)
mg/L
Só se aplica a uma temperatura de água efluente t12 °C, uma vez que a nitrificação é fortemente
influenciada pela temperatura.
NH4-N, NO2-N, NO3-N significa que os valores se referem ao nitrogênio contido nos respectivos íons;
o mesmo se aplica para PO4-P.
104
x
Análise ambiental;
x
Técnicas de preparação da amostra;
x
Análise de mistura de substâncias com grandes diferenças em concentração – taxa da
concentração dinâmica.
Monografia Metrohm
Tabela 60
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Supressor
Polaridade
Condutividade a supressão química aprox. 13 μS/cm
Água potável municipal (de Herisau, Suíça)
exp_14_n_e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
5,5 MPa
20 min
20 μL
e lavagem
+
A filtração das amostras é essencial. Usar membrana com poros de 0,45 μm ou menor. Mesmo as
soluções aparentemente limpas podem conter partículas muito finas que danificam a coluna.
Experimento 14a – Influxo em estação de tratamento
Cromatograma 41
Cromatograma padrão para a análise do influxo em estação de tratamento.
105
Tabela 61
Pico
1
2
3
4
5
6
7
Componentes – Experimento 14a – Padrão
Cromatograma 42
Tabela 62
Pico
1
2
3
4
5
6
7
8
9
106
tR [min]
3.68
5.24
5.99
7.26
8.07
12.01
13.94
Componente
Fluoreto
Cloreto
Nitrito
Brometo
Nitrato
Fosfato
Sulfato
Conc. [mg/L]
0.08
150.97
0.49
0.49
4.95
4.99
50.30
No de pratos
3545
5416
5510
5228
4949
4440
5886
Área [μS/cm*s]
0.9
1354.2
1.8
1.2
15.9
8.3
249.8
Análise do influxo em estação de tratamento.
Componentes – Experimento 14a – Influxo em estação de tratamento
Componente
Fluoreto
n.d.
Cloreto
Nitrito
Brometo
Nitrato
Pico do sistema
Fosfato
Sulfato
tR [min]
3.68
4.25
5.20
6.03
7.35
8.23
9.78
12.05
13.90
Conc. [mg/L]
0.15
No de pratos
1454
Área [μS/cm*s]
1.77
72.86
1.13
0.37
8.40
5581
4562
2898
4244
1880.47
0.89
2.16
40.97
3.85
27.21
3381
5981
7.01
492.44
Monografia Metrohm
Experimento 14b – Efluxo em estação de tratamento
Cromatograma 43
Tabela 63
Pico
1
2
3
4
5
6
7
8
Cromatograma padrão para a análise do efluxo em estação de tratamento.
Componentes – Experimento 14b – Efluxo em estação de tratamento
Componente
Fluoreto
n.d.
Cloreto
Nitrito
Nitrato
Pico do sistema
Fosfato
Sulfato
tR [min]
3.68
4.23
5.19
6.00
8.09
9.76
12.06
13.89
Conc. [mg/L]
0.06
No de pratos
3163
Área [μS/cm*s]
0.8
56.54
0.27
27.73
5782
2252
3882
473.1
0.6
94.9
1.12
23.95
4318
5827
1.9
113.3
107
4.3.8. Experimento 15 – Fluoreto em creme dental
Os cremes dentais são constituídos por diferentes ingredientes:
x Água - 30 a 40%;
x Substâncias assépticas – são substâncias inorgânicas insolúveis que intensificam a ação de
limpeza da escovação dental. Elas possuem partículas com tamanho < 15 μm. As substâncias
assépticas comumente usadas são silicato de alumínio e sódio, Al2O3, CaCO3, CaHPO4·2H2O,
SiO2·H2O;
x Fluoreto – aumenta a resistência do esmalte dos dentes contra o ataque dos ácidos originados
por placas bacterianas. Os fluoretos tornam também possível a mineralização do esmalte dos
dentes (a parte inorgânica do esmalte dos dentes consiste principalmente de fosfato de cálcio,
hidroxiapatita, carbonato de cálcio, fosfato de magnésio, fluoreto de cálcio e cloreto de cálcio). Isto
significa que o fluoreto é importante na prevenção de cáries. Os compostos fluorados mais
freqüentemente usados são o fluoreto de sódio, monofluorfosfato de sódio e fluoretos de amônio
quaternária, os quais também contêm íons fluoreto livres. Em alguns países, o fluoreto é
adicionado na água potável.
Figura 34
Monofluorfosfato de sódio
x Surfactantes (por exemplo, lauril sulfato de sódio) – reduz a tensão da superficial e ajuda a
distribuir homogeneamente o creme dental. Eles aumentam os efeitos de limpeza, particularmente
em locais difíceis de se alcançar com a escova dental.
Outros ingredientes de cremes dentais são:
x Umectantes (por exemplo, glicerol, sorbitol, polietilenoglicol) – melhoram a estabilidade a baixas
temperaturas e impedem o ressecamento;
x Ligantes e espessantes (por exemplo, carboximetilcelulose de sódio) – impedem a separação
em fases líquida e sólida;
x Edulcorantes (por exemplo, sacarina sódica) – melhora o sabor do creme dental;
x Conservantes (por exemplo, ácido 4-hidroxibenzóico) – são usados para proteger o creme dental
contra a decomposição bacteriana;
x Substâncias aromáticas – são adicionadas para aumentar tanto a aceitação do creme dental
como também a sensação de higiene. Estes incluem óleo de hortelã, mentol, óleo de semente de
anis, óleo de eucalipto, óleos aromáticos, óleos cítricos;
A análise de creme dental por cromatografia de íons determina o fluoreto proveniente de fluoreto de
sódio juntamente com o monofluorfosfato de sódio.
Observações
O citrato elui da coluna Metrosep Anion Dual 1 (3 x 150 mm) só após aprox. 90 min.
A fim de checar se o citrato está presente no creme dental, o Experimento 15b usa o cartucho
(6.1006.030) da pré-coluna Metrosep Anion Dual 1 ao invés da coluna de separação Metrosep Anion
Dual 1.
108
x
Controle de qualidade;
x
Preparação da amostra.
Monografia Metrohm
Experimento 15a – Creme dental
Tabela 64
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Supressor
Polaridade
NaCO3 a 1,8 mmol/L / Na2HCO3 a 1,7 mmol/L + 2% acetona
Creme dental
exp_15_s_e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
5,5 MPa
37 min
20 μL
+
Dissolver 1 g de creme dental em 20 mL de água ultrapura e, então, filtrar esta solução em
membrana com poros de 0,45 μm.
Cromatograma 44
Padrão para análise de creme dental
109
Tabela 65
Pico
1
2
3
4
5
Componentes – Experimento 15a - Padrão
Componente
Fluoreto
Cloreto
Nitrato
Sulfato
Sacarina
Cromatograma 45
Tabela 66
Pico
1
2
3
4
5
6
110
tR [min]
3.91
5.27
8.25
13.91
30.63
Conc. [mg/L]
2.50
0.50
0.01
5.04
0.25
No de pratos
2714
5447
4889
5456
2044
Área [μS/cm*s]
684.38
85.02
1.05
689.44
5.84
Creme dental (diluição 1:20)
Componentes – Experimento 15
Componente
Fluoreto
n.d.
Cloreto
Nitrato
Sulfato
Sacarina
tR [min]
3.9
4.36
5.25
8.22
13.95
29.70
Conc. [mg/L]
76.38
No de pratos
2063
6.18
0.70
155.16
183.92
5066
4890
4545
2262
Área [μS/cm*s]
1022.00
2.93
51.25
2.77
1115.672
116.15
Monografia Metrohm
4.3.9. Experimento 16 – Ânions em açúcar refinado branco e mascavo
Os açúcares são compostos orgânicos com vários grupos hidroxilas. Usualmente, o termo “açúcar” se
refere à sacarose (dissacarídeo).
Figura 35
Estrutura da sacarose (dissacarídeo).
Na produção de açúcar a partir de beterraba, estas são inicialmente lavadas e repicadas, então,
extraídas com água chamadas unidades de difusão em contra-fluxo. Os constituintes solúveis, por
exemplo, açúcar, sais, ácidos, proteínas e pectinas, são dissolvidos. A maioria dos constituintes que
não são açúcares é precipitada com a adição de cal viva (CaO). O dióxido de carbono (CO2) é, então,
usado para precipitar o excesso de hidróxido de cálcio como CaCO3. Após a filtração, a solução de
açúcar é concentrada em evaporadores multi-estágios para formar um “xarope”, é filtrado novamente
e concentrado, posteriormente, até que o açúcar se separe como uma “massa branca”. O açúcar é
separado em centrífugas e, após a purificação (recristalização), obtém-se o açúcar cristal branco com
uma pureza de 99,95%. O líquido da centrífuga no último estágio corresponde ao xarope de cor
marrom – melaço.
O açúcar mascavo é purificado com menor intensidade e pode ser colorido pela adição de melaço.
Além de contaminantes orgânicos, contém íons de metais alcalinos e alcalino-terrosos, bem como
ânions; também tem um sabor diferente em relação ao açúcar cristal branco.
Os contaminantes orgânicos podem ser separados com uma coluna RP (Fase Reversa) antes que os
ânions sejam determinados.
x
x
Controle do processo;
x
Controle de alimentos contendo grande quantidade de açúcar, por exemplo, o mel.
111
Tabela 67
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Supressor
Polaridade
NaCO3 a 1,0 mmol/L / Na2HCO3 a 4,0 mmol/L + 25% acetona
a) Açúcar branco
b) Açúcar mascavo
exp_16_s_e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
4,4 MPa
24 min
20 μL
e lavagem
+
Dissolver o açúcar em água ultrapura (diluição 1:10) e filtrar em membrana com poros de 0,45 μm.
Experimento 16a – Açúcar branco
Cromatograma 46
112
Solução padrão para a análise de açúcar branco e mascavo
Monografia Metrohm
Tabela 68
Pico
1
2
3
4
5
6
Componentes – Experimentos 16a e 16b – Solução padrão
tR [min]
5.86
7.72
16.95
18.75
20.32
21.62
Componente
Cloreto
Nitrato
Fosfato
Malato
Sulfato
Oxalato
Conc. [mg/L]
10
0.5
10
5
1
1
No de pratos
7341
4531
3035
5150
6114
6330
Área [μS/cm*s]
77.26
2.16
18.58
5.88
5.31
2.75
Experimento 16a – Açúcar branco
Cromatograma 47
Tabela 69
Pico
1
2
3
4
5
6
Análise de açúcar branco (diluição 1:10).
Componentes – Experimento 16a – Açúcar branco
Componente
Cloreto
Nitrato
n.d.
Malato
Sulfato
Oxalato
tR [min]
5.93
7.84
8.84
19.13
20.64
22.01
Conc. [mg/L]
8.83
1.37
No de pratos
6484
4802
Área [μS/cm*s]
7.27
0.64
0.11
2.18
2.57
3819
4595
5163
0.38
1.39
0.54
113
Experimento 16b – Açúcar mascavo
Cromatograma 48
Tabela 70
Pico
1
2
3
4
5
6
7
Análise de açúcar mascavo (diluição 1:10)
Componentes – Experimento 16b – Açúcar mascavo
Componente
Cloreto
Nitrato
n.d.
Fosfato
Malato
Sulfato
Oxalato
tR [min]
5.81
7.66
12.75
16.61
18.54
20.38
21.45
Conc. [mg/L]
232.60
1.58
No de pratos
7502
983
Área [μS/cm*s]
209.60
0.74
16.49
30.35
200.92
10.05
4952
5389
5843
6986
3.09
3.56
96.95
2.82
Observações
Com o açúcar mascavo, os contaminantes podem eluir em tempos de retenção retardados; isto pode
interferir com os cromatogramas seguintes se o tempo de corrida for muito curto. É por isso que o
açúcar branco deve ser medido primeiro, e em seguida, o mascavo.
114
Monografia Metrohm
4.3.10. Experimento 17 – Contaminantes em peróxido de hidrogênio
O peróxido de hidrogênio puro (H2O2) se funde a 0,4°C e entra em ebulição a 150°C. O peróxido de
hidrogênio puro só pode ser preparado por cristalização fracionada sob condições restritas de
segurança. O H2O2 comercial está disponível como uma solução aquosa com concentrações de 35,
50, 60 ou 70%. Estas soluções são purificadas através de trocadores iônicos ou por destilação. A
decomposição fortemente exotérmica de H2O2 em H2O e O2 não ocorre espontaneamente, porém
metais pesados agem como catalisadores.
2 H2O2 ===> 2 H2O + O2 + 196.2 kJ
Íons de metais pesados são ligados pela adição de estabilizadores tais como polifosfatos, EDTA,
estanato etc. Isto inibe a decomposição. A propriedade característica do H2O2 é seu efeito oxidante.
O potencial padrão (E0) é +1,8 V em pH = 0 e +0,78 V em pH = 14.
O peróxido de hidrogênio é um dos produtos mais importantes no setor de química básica com uma
produção anual de 2,7 milhões de toneladas. É produzido industrialmente pela conversão de
hidroquinona com O2 atmosférico. Isto produz o correspondente antraquinona e H2O2. A antraquinona
é reduzida novamente a hidroquinona por hidrogênio natural e um catalisador de paládio, retornando
ao sistema.
Um dos processos que mais utiliza o H2O2 é o alvejamento de papel e celulose. Em muitos países,
alvejantes clorados (Cl2 ou ClO2), com os quais formam subprodutos organo-clorados dificilmente
biodegradáveis no efluente, têm sido parcial ou totalmente substituídos por outros métodos. Isto
significa que o H2O2 tem se tornado muito importante.
Outras áreas de aplicação são:
x
Remoção de ferro e manganês de água potável;
x
Descontaminação de efluentes contendo cianetos (CN– ĺ CNO–), por exemplo, efluente de
banhos galvânicos, pela ação do H2O2 puro ou pela mistura H2O2/H2SO4;
x
A combinação de H2O2 e radiação UV provê radicais OH (radicais hidroxilas), os quais são
oxidantes extremamente fortes (E0 = +2.8 V). Estes são de interesse para a purificação de
tipos especiais de efluente;
x
O desenvolvimento de um método muito promissor para a produção de óxido de propileno a
partir de propeno e H2O2 (catalisador de titânio), ao invés do método da cloridrina que gera
poluentes;
x
Entre os produtos secundários de H2O2, o perborato de sódio e o percarbonato de sódio são
os mais importantes; estes são usados como alvejantes em sabão em pó;
x
H2O2 é usado na indústria eletrônica para limpar camadas de silício e circuitos impressos.
A determinação de contaminantes em H2O2 é de grande importância, principalmente na indústria
eletrônica mencionada acima. Mesmo em menor quantidade de íons não identificados (ng/L ou ppt)
diminui significantemente o rendimento das camadas como, por exemplo, o fosfato e o nitrato causam
n-desarranjos cristalinos no cristal de silício.
Em concentrações elevadas, o peróxido de hidrogênio afeta tanto a coluna de separação como o
equilíbrio de carbonato do eluente (vide Cromatograma 49). É por isso que a eliminação de matriz
(vide capítulo 4.3.2) é aplicada na análise de traços com as seguintes vantagens: Primeiro, as
soluções concentradas podem ser analisadas sem diluição; segundo, volumes maiores de amostra
podem ser usados (pré-concentração).
x
Controle do processo;
x
x
Pré-concentração da amostra e eliminação da matriz;
x
Seletividade de colunas diferentes.
115
Tabela 71
Coluna
Eluente
Peróxido de hidrogênio 30%, ultrapuro, diluição 1:30
exp_17_s_e2.mtw
asupp.smt
1,0 mL/min
6,6 MPa
20 min
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Coluna de
pré-concentração
Introdução da amostra 2 mL da amostra em coluna de pré-concentração; para eliminação da matriz,
lavar com 4 mL de água ultrapura
Supressor
Polaridade
+
Introdução da amostra
Lavar com muito cuidado e por várias vezes com água ultrapura. Passar 2 mL da amostra através da
coluna de pré-concentração e lavar com 4 mL de água ultrapura.
Cromatograma 49
116
Solução padrão para a determinação de ânions em peróxido de hidrogênio.
Monografia Metrohm
Tabela 72
Pico
1
2
3
4
Componentes – Experimentos 17a e 17b – Solução padrão
Componente
Pico do sistema
Fosfato
Sulfato
Oxalato
tR [min]
11.25
13.58
15.85
16.97
Conc. [μg/L]
No de pratos
Área [μS/cm*s]
200
20
10
4989
5694
4755
24.09
7.11
2.45
Experimento 17a – Análise de peróxido de hidrogênio sem eliminação da matriz
Cromatograma 50
Análise de peróxido de hidrogênio (1%) sem eliminação da matriz.
117
Experimento 17b – Análise de peróxido de hidrogênio com eliminação da matriz
Cromatograma 51
Tabela 73
Pico
1
2
4
5
Análise de peróxido de hidrogênio (1%) com eliminação da matriz.
Componente
Pico do sistema
Fosfato
Sulfato
Oxalato
tR [min]
11.31
13.60
15.91
17.01
Conc. [μg/L]
No de pratos
Área [μS/cm*s]
112.2
17.2
5.6
4253
3767
3724
12.69
6.48
1.39
Observações
Lavar com muito cuidado e por várias vezes os recipientes, seringas e o sistema. Usar recipientes
plásticos. Óculos de proteção devem ser usados! O pico 3 não foi avaliado.
118
Monografia Metrohm
Experimento 17c – Análise de peróxido de hidrogênio com eliminação da matriz em uma
coluna de alta eficiência
Tabela 75
Coluna
Eluente
6.1006.530 Metrosep A Supp 5 (4 x 250 mm)
NaHCO3 a 1 mmol/L / Na2CO3 a 3,2 mmol/L
Peróxido de hidrogênio 30%, ultrapuro
exp_17c_s.mtw
asupp5.smt
1,0 mL/min
11 MPa
30 min
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Coluna de
pré-concentração
Introdução da amostra 1 mL da amostra na coluna de pré-concentração; para eliminação da matriz,
lavar com 1 mL de água ultrapura
Supressor
Polaridade
+
Dissolver 339 mg de carbonato de sódio (anidro) e 84 mg de hidrogenocarbonato de sódio em 1 L de
água ultrapura.
Introdução da amostra
Lavar o sistema com muito cuidado com água ultrapura, então, passar 1 mL da amostra através da
coluna de pré-concentração e lavar com 1 mL de água ultrapura.
Cromatograma 52
Análise de peróxido de hidrogênio (30%) com eliminação da matriz em coluna
Metrosep A Supp 5.
119
Tabela 76
Pico
3
4
6
7
8
10
13
Componente
Acetato
Formiato
Cloreto
Pico do sistema
Nitrato
Sulfato
Oxalato
tR [min]
6,3
6,7
8,9
13,0
16,4
23,3
27,0
Conc. [μg/L]
6,8
0,77
0,78
No de pratos
2850
8740
17810
Área [μS/cm*s]
219
123
380
0,15
0,35
0,04
19100
16640
12100
37
86
7,7
Observações
Os picos 1, 2, 5, 9, 10, 11 e 12 não foram avaliados.
120
Monografia Metrohm
4.4.
Experimentos para a determinação de cátions
4.4.1. Experimento 18 – Metais alcalinos e metais alcalino-terrosos em água potável
Além dos gases dissolvidos O2, N2 e CO2, a água na natureza também contém sais que são retirados
principalmente do solo e rochas que esta água penetra. Outros tipos de ingredientes da água são os
compostos orgânicos polares que se originam, por exemplo, das camadas de húmus no solo. A
contaminação por efluente é também uma possível fonte de vários sais e compostos orgânicos. Os
sais mais importantes são os cloretos, sulfatos e hidrogenocarbonatos de sódio, cálcio e magnésio.
Um parâmetro importante da água potável, tanto para o seu uso como um alimento, assim como para
o uso em processos de lavagem ou processos industriais é a chamada dureza da água.
A dureza total da água é entendida como sendo a soma das concentrações molares (mmol/L) dos
íons cálcio e magnésio. A dureza que pode ser removida pelo aquecimento é conhecida como dureza
carbonato (anteriormente, dureza temporária). A dureza residual é causada pelos íons sulfato e
cloreto, cujos sais de Ca e Mg não podem ser precipitados pelo aquecimento.
Nos sabões clássicos – sais sódicos de ácidos graxos – os íons cálcio e magnésio formam
compostos insolúveis dos respectivos íons. Os dois são ineficazes em lavagem e são também
depositados nos tecidos como «metal cinzento». Modernos agentes para lavagem contêm alquilsulfatos que não formam compostos insolúveis de cálcio e magnésio. As zeólitas, que são também
adicionadas a estes agentes, funcionam como trocadores iônicos e ligam os íons Ca2+ e Mg2+. Isto
efetivamente impede a precipitação de CaCO3 insolúvel e de carbonato básico de magnésio sob
aquecimento.
Normas sobre qualidade da água potável, as quais são implementações das diretivas da CE para
água potável (80/778/EEC), estipulam os seguintes valores para cátions:
NH4+
Na+
K+
Mg2+
Ca2+
0.5
150
12
50
400
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
Uma ingestão elevada de íons sódio pelos seres humanos causa pressão alta, entre outras
alterações. A necessidade diária para uma pessoa é de 1 g de Na+, atualmente verificamos que o
consumo, em média, é maior (de 3 a 7g).
Em todas as análises realizadas, as amostras foram acidificadas com ácido nítrico (pH 2,5 a 3,5),
caso contrário, alguns resultados poderão não se reproduzir, para cátions bivalentes.
x
Controle do alimento “Número 1”;
x
Checando as informações contidas nas garrafas de água mineral;
x
Por que é necessário acidificar as amostras?
121
Tabela 76
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Polaridade
6.1010.210 Metrosep C2 (4 x 100 mm)
Ácido tartárico a 4 mmol/L / ácido dipicolínico a 0,75 mmol/L
– Água potável, acidificada a pH = 2,5 a 3,5 (+ aprox. 100 μL de HNO3 a 2 mol/L
para 100 mL da amostra)
– Água mineral, acidificada a pH = 2,5 a 3,5 (+ aprox. 100 μL de HNO3 a 2
mol/L para 100 mL da amostra)
exp_18_c.mtw
cátion.smt
1 mL/min
7 MPa
12 min
10 μL
–
água ultrapura e completar para 1 L com água ultrapura.
Cromatograma 53
122
Solução padrão para determinação de cátions em água potável
Monografia Metrohm
Tabela 77
Pico
1
2
3
4
tR [min]
3,8
6,5
8,4
11,0
Componente
Sódio
Potássio
Cálcio
Magnésio
Cromatograma 54
Conc. [mg/L]
0,5
0,2
20
5
No de pratos
4200
3090
1960
2700
Área [μS/cm*s]
1,5
0,9
66
34
Água de torneira (Herisau, Suíça, diluição 1:10).
Tabela 79. Componentes – Experimento 18 – Água de torneira
Pico
1
2
3
Componente
Sódio
Cálcio
Magnésio
tR [min]
3,8
8,7
11,2
Conc. [mg/L]
5
85
19
No de pratos
4840
2640
3520
Área [μS/cm*s]
1,4
29
13
123
Cromatograma 55
Tabela 79
Pico
1
2
3
4
Água mineral (diluição 1:10)
Componentes – Experimento 18 – Água mineral
Componente
Sódio
Potássio
Cálcio
Magnésio
tR [min]
3,7
6,4
8,3
10,9
Conc. [mg/L]
4,3
0,8
344
62
No de pratos
4190
6350
1520
2550
Área [μS/cm*s]
1,3
0,3
113
43
Observações
Todas as soluções devem ser mantidas em recipientes de plástico. Para uma correta determinação
do sódio, qualquer contato com vidro deve ser evitado. Os valores do pH da solução padrão e da
amostra devem estar entre 2,5 e 3,5.
124
Monografia Metrohm
4.4.2. Experimento 19 – Determinação de metais de transição
Agentes complexantes são adicionados à fase móvel a fim de separar íons de metais de transição.
Eles reduzem a densidade da carga e melhoram a seletividade da separação, a qual é relativamente
baixa para íons de metais de transição com a mesma carga. Além do equilíbrio entre a resina
trocadora e o íon analito, o agente complexante que foi adicionado promoverá um equilíbrio adicional,
isto é, entre o íon metálico e este complexante. Este último equilíbrio é também influenciado pelo pH
da solução, se várias etapas da dissociação do agente complexante forem possíveis ou se os íons
metálicos formarem hidróxi-complexos.
Os ácidos orgânicos fracos são freqüentemente usados como agentes complexantes, por exemplo,
ácido tartárico, ácido cítrico, ácido oxálico, ácido 2,6-piridinodicarboxílico (ácido dipicolínico – vide
capítulo 4.2.6 – Experimento 6 – Alteração da seletividade pelo uso de agentes complexantes). O
número de ligantes L ao redor do íon metálico central (Me) pode variar, por exemplo, MeL, MeL2,
MeL3. A carga resultante pode também diferir. Dependendo da carga do íon metálico, dos ligantes e
sua quantidade, podem estar presentes complexos aniônicos, neutros ou catiônicos. Isto significa
que, dependendo de suas cargas, os complexos podem ser separados em trocadores catiônicos ou
trocadores aniônicos. Teoricamente é possível o uso de trocadores contendo os dois grupos de
trocadores, catiônicos e aniônicos.
A separação pode ser influenciada e otimizada pela variação do pH e agentes complexantes – dois
ou mais agentes complexantes diferentes podem ser adicionados à fase móvel. Em parte, as
influências são contrárias e difíceis de serem previstas. Algumas informações gerais são dadas
abaixo:
x
Estabilidades diferentes (constantes de formação do complexo) influenciam na separação.
x
A adição de um solvente orgânico, por exemplo, a acetona, ao eluente também influencia na
separação. Os íons lipofílicos eluem mais rapidamente após a adição.
x
Em cromatografia de troca catiônica, a etilenodiamina tem se mostrado um bom eluente. Sob
condições normais, ele está presente como um cátion carregando dois prótons.
x
Um aumento no pH resulta em uma redução do tempo de retenção pela redução da carga total.
x
Um aumento na concentração de ligante na fase móvel, além de remover o equilíbrio do
complexante, também aumenta a concentração do contra-íon H+ ou Na+ e acelera a remoção do
complexo dos sítios de troca negativamente carregados, ou seja, o tempo de analise é reduzido.
A detecção dos complexos pode ser realizada através da condutividade ou fotometricamente
(derivatização pós-coluna)
Para detecção de condutividade, apenas a detecção sem supressão química pode ser usada, uma
vez que hidróxidos insolúveis seriam formados pela reação supressora e os únicos ânions eluentes
disponíveis seriam carbonato ou hidróxido.
A detecção fotométrica requer derivatização pós-coluna, na qual, um agente complexante
cromóforo adicional remove o complexo com o eluente (por exemplo, ácido tartárico, ácido oxálico
etc.). Este complexo recentemente formado, que absorve radiação UV ou VIS, é detectado caso a
máxima absorção dos ligantes livres não ultrapasse o valor do máximo do complexo. Assim como,
para a maioria dos corantes complexantes, a máxima absorção dos complexos de metais de
transição individuais ocorre em regiões de diferentes comprimentos de onda, o que acarreta limites
de detecção de metais individuais bem diferentes.
x
Influência do eluente na seletividade;
x
Complexantes de íons de metais de transição;
x
Agentes complexantes para a detecção fotométrica;
x
Fotometria.
125
Tabela 80
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Polaridade
6.1007.000 Nucleosil 5SA (4 x 125 mm)
a) ácido tartárico a 4 mmol/L, ácido cítrico a 0,5 mmol/L, etilenodiamina a 3
mmol/L, 5% acetona
b) ácido oxálico a 3,5 mmol/L, 5% acetona, pH = 4 (aprox. 120 μL de
etilenodiamina)
Água de torneira
exp_19_c.mtw
nucleosil.smt
1,5 mL/min
13 MPa
a) 12 min
b) 13 min
100 μL
–
Experimento 19a – Determinação de metais de transição com um eluente contendo ácido
tartárico, ácido cítrico, etilenodiamina e acetona
Dissolver 600 mg de ácido tartárico e 105 mg de ácido cítrico em água ultrapura. Adicionar 200 μL de
etilenodiamina e 50 mL de acetona e completar para 1L com água ultrapura.
Cromatograma 56
126
Solução padrão 1 para determinação de metais de transição.
Monografia Metrohm
Tabela 81
Pico
1
2
3
4
5
6
Componentes – Experimento 19a – Solução padrão 1
tR [min]
3,4
4,4
5,6
8,1
9,8
10,8
Componente
Níquel
Zinco
Cobalto
Ferro(II)
Cálcio
Magnésio
Cromatograma 57
Conc. [mg/L]
5
5
5
10
5
5
No de pratos
1020
5640
4370
6150
6340
6390
Área [μS/cm*s]
40
36
34
30
29
39
Solução padrão 2 para determinação de metais de transição
127
Tabela 82
Pico
1
2
3
4
5
6
Componentes – Experimento 19a – Solução padrão 2
Componente
Chumbo
Níquel
Zinco
Cobalto
Cádmio
Manganês
Cromatograma 58
Tabela 83
Pico
1
2
3
128
tR [min]
2,9
3,4
4,3
5,6
8,6
9,9
Conc. [mg/L]
5
5
5
5
5
10
No de pratos
2680
930
5510
4310
6600
6270
Área [μS/cm*s]
8.6
43
37
34
15
45
Análise de água de torneira.
Componentes – Experimento 19a – Água de torneira
Componente
Zinco
Cálcio
Magnésio
tR [min]
4.2
9.8
10.6
Conc. [mg/L]
1.2
89
19
No de pratos
6360
5750
7460
Área [μS/cm*s]
0.9
53
15
Monografia Metrohm
Experimento 19b – Determinação de metais de transição com um eluente contendo ácido
oxálico, etilenodiamina e acetona
Dissolver 315 mg de ácido oxálico em água ultrapura, adicionar 50 mL de acetona e completar para 1
L com água ultrapura. Ajustar para pH = 4 com a solução de etilenodiamina a 3 mmol/L
(aproximadamente 120 μL).
Cromatograma 59
Tabela 84
Pico
1
2
3
4
Solução padrão para determinação de metais de transição
Componentes – Experimento 19b – Padrão
Componente
Ferro
Manganês
Magnésio
Cálcio
tR [min]
2,2
4,0
7,5
12,3
Conc. [mg/L]
10
10
5
5
No de pratos
2110
1830
3110
6000
Área [μS/cm*s]
50
110
98
45
129
Cromatograma 60
Tabela 85
Pico
1
2
Análise de água de torneira
Componentes – Experimento 19b – Água de torneira
Componente
Magnésio
Cálcio
tR [min]
7.3
12.4
Conc. [mg/L]
21
91
No de pratos
4690
4780
Área [μS/cm*s]
41
83
Observações
O cálcio e o manganês coeluem se o eluente a for usado. Com o eluente b, o cálcio e o manganês
são separados; o níquel, o zinco e o cobalto estão fortemente complexados e eluem no pico da água.
130
Monografia Metrohm
4.4.3. Experimento 20 – Contaminantes em sílica gel – determinação de íons cálcio e magnésio
A sílica gel é produzida, por exemplo, pela hidrólise de silicato de sódio e pela remoção quase
completa da água; ela tem a seguinte estrutura:
O
O
Si
O
Si
OH
Si
O
O
Si
Figura 36
O
O
Si
OH
OH
Estrutura da sílica gel
Além de seu uso como um agente técnico de absorção, a sílica gel é usada tanto em cromatografia a
gás como em cromatografia líquida de alta pressão.
Em cromatografia gasosa, originalmente, apenas colunas empacotadas eram usadas – estas ainda
são usadas atualmente, em uma menor proporção. Uma fase líquida, por exemplo, óleo de silicone, é
aplicada para um arraste particulado como a sílica gel. O número de pratos teóricos de tais colunas é
baixo em comparação ao das colunas capilares usadas atualmente.
Em cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE), a sílica gel é usada como uma fase
estacionária ou material de arraste para adsorção, fase reversa (RP), fase normal e cromatografia de
íons. Para algumas destas aplicações, a superfície da sílica gel deve ser modificada com grupos
funcionais (por exemplo, C18 ou grupos trocadores iônicos).
Em cromatografia de adsorção, a sílica gel também é usada como fase estacionária ou juntamente
com Al2O3. A separação cromatográfica é baseada em ligações dipolo, dipolo-dipolo, ligações de
hidrogênio e ligações S-complexos. A cromatografia de adsorção é usada para a separação de
substâncias não polares que são difíceis de dissolver em água.
Em cromatografia fase reversa, os grupos silanóis livres da sílica gel são hidrofobizados pelas
ligações químicas de longas cadeias alquilas (por exemplo, grupos octila ou octadecila):
Figura 37
Reação de sílica gel com clorosilano (R = C8H17 to C18H37).
Nesta conversão, os grupos silano residuais permanecem; estes podem adsorver compostos polares
e originar picos com caudas. Estes grupos silano residuais podem ser desativados por
trimetilclorosilano.
Em cromatografia de fase normal, os resíduos polares são quimicamente ligados aos grupos
silanos, por exemplo:
(CH2)n C
N ou
(CH2)n NH2
Uma fase móvel menos polar ou não-polar é usada com esta fase estacionária polar para separação
cromatográfica. Na cromatografia de fase reversa, usada em quase 75% de todas as aplicações de
HPLC, as polaridades são reversas e uma fase estacionária não-polar é usada com a fase móvel
polar. Isto significa que o nome fase reversa tem uma base histórica, visto que este método foi
desenvolvido posteriormente.
Em cromatografia de íons, a sílica gel, na qual foram ligados grupos de ácidos sulfônicos, é usada
como um trocador catiônico para a análise de íons alcalinos.
A contaminação da sílica gel por íons metálicos é importante em cromatografia, uma vez que podem
causar interações não específicas ou valores nulos. Um trocador catiônico fortemente ácido é usado
para a determinação destes contaminantes; cátions monovalentes eluem no volume morto e só os
131
cátions bivalentes são separados. Fe(III) deve ser reduzido a Fe(II) com ácido ascórbico antes da
análise.
x
x
x
Controle de qualidade;
Experimento adicional: adição de padrão ao extrato com Fe(III); determinação com e sem a
adição de ácido ascórbico (vitamina C);
Colunas de separação para CLAE baseadas em sílica gel.
Tabela 86
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Polaridade
6.1007.000 Nucleosil 5SA (4 x 125 mm)
Ácido tartárico a 4 mmol/L, ácido cítrico a 0,5 mmol/L, etilenodiamina a 3
mmol/L, 5% acetona
Sílica gel (5% solução)
exp_20_c.mtw
nucleosil.smt
1,5 mL/min
13 MPa
12 min
100 μL
–
Dissolver 600 mg de ácido tartárico e 105 mg de ácido cítrico em água ultrapura. Adicionar 200 μL de
etilenodiamina e 50 mL de acetona e completar para 1 L com água ultrapura.
Cromatograma 61
132
Solução padrão para a determinação de cátions em sílica gel.
Monografia Metrohm
Tabela 87
Pico
1
2
Componentes – Experimento 20 – Solução padrão
Cromatograma 62
Tabela 88
Pico
1
2
tR [min]
9,6
10,5
Componente
Cálcio
Magnésio
Conc. [mg/L]
0,5
0,1
No de pratos
6990
7260
Área [μS/cm*s]
3,1
0,7
Determinação de cátions em sílica gel.
Componentes – Experimento 20 – Sílica gel
Componente
Ferro
Cálcio
Magnésio
tR [min]
8,1
9,7
10,6
Conc. [mg/L]
n.d.
9,4
1,4
No de pratos
–
6850
10100
Área [μS/cm*s]
–
2,9
0,4
133
4.4.4. Experimento 21 – Cosméticos e proteção contra corrosão: determinação de
etanolaminas e metais alcalinos
As três etanolaminas seguintes, cujos nomes sistemáticos são aminoetanol, iminodietanol e
nitrilotrietanol, são produzidas pela reação de amônia com óxido de etileno.
CH2
CH2
H2N
CH2
CH2
OH
H
OH
N
HO
CH2
Figura 38. Aminoetanol
CH2
CH2
OH
Figura 39. Iminodietanol
CH2
CH2
CH2
OH
CH2
CH2
OH
N
Figura 40. Nitrilotrietanol
As três substâncias são usadas para remover CO2 e H2S de misturas de gases, por exemplo, para a
remoção de dióxido de carbono de gás síntese e na síntese de amônia, bem como para a remoção
de sulfeto de hidrogênio em gases de refinarias.
+
NR3 + H2O + CO2
T
HNR3 + HCO3
-
Em temperaturas maiores, o CO2 é novamente liberado e a etanolamina NR3 retorna ao processo de
absorção.
2NR3 + H2S
T
(HNR3)2S
O H2S novamente liberado em elevada temperatura é oxidado para enxofre líquido em “unidades de
Claus”; esta é, então, convertida para ácido sulfúrico via SO2 e SO3.
A monoetanolamina (MAK = concentração máxima permitida em ambiente de trabalho = 3 ppm) é
usada em surfactantes como um éster de ácido graxo. A dietanolamina é usada em produtos de
proteção de móveis e pisos, graxas de sapatos e lubrificantes.
A trietanolamina é empregada em sabões com ácidos graxos, por exemplo, com o ácido esteárico
C17H35COOH. Estes são facilmente solúveis em água e em óleos minerais e são, portanto, usados
como emulsificantes. Eles podem também estar contidos em preparações cosméticas (por exemplo,
espuma de barbear).
A monoetanolamina é usada como inibidor de corrosão em usinas hidrelétricas, uma vez que ele
mantém um pH fracamente alcalino e arrasta o excesso de íons H+.
Para serem determinados por cromatografia de íons, as etanolaminas são protonadas pela adição de
ácido e, então, podem ser determinados na forma de seus derivados de amônio.
134
x
Determinação de cátions inorgânicos e orgânicos;
x
Mudança na seletividade pela adição de agentes complexantes;
x
Determinação de aminas por cromatografia de íons.
Monografia Metrohm
Tabela 89
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Polaridade
6.1010.210 Metrosep C2 (4 x 100 mm)
a) ácido tartárico a 4 mmol/L / ácido dipicolínico a 0,75 mmol/L
b) ácido tartárico a 4 mmol/L / ácido dipicolínico a 0,5 mmol/L Condutividade
aprox. 570 μS/cm
Etanolamina, trietanolamina + padrões catiônicos
exp_21_c.mtw
cátion.smt
1 mL/min
6 MPa
a) 13 min
b) 14 min
10 μL
–
a)
Dissolver, sob aquecimento, 600 mg de ácido tartárico e 125 mg de ácido dipicolínico em 100
mL de água ultrapura, então, completar para 1 L com água ultrapura.
b)
Dissolver, sob aquecimento, 600 mg de ácido tartárico e 84 mg de ácido dipicolínico em 100
mL de água ultrapura, então, completar para 1 L com água ultrapura.
Cromatograma 63
Padrão 1 – Eluente a
135
Tabela 90
Pico
1
2
3
4
5
Componentes – Experimento 21 – Padrão 1 (Eluente a)
Componente
Sódio
Amônio
Monoetanolamina
Potássio
Trietanolamina
Cromatograma 64
136
tR [min]
3,8
4,3
4,9
6,4
9,0
Conc. [mg/L]
2
2
7
5
20
No de pratos
4520
4340
4120
3070
2230
Área [μS/cm*s]
6,8
6,8
10,8
7,9
6,9
Padrão 2 – Eluente a.
Monografia Metrohm
Tabela 91
Pico
1
2
3
4
5
6
Componentes – Experimento 21 – Padrão 2 (eluente a)
Componente
Sódio
Amônio
Monoetanolamina
Potássio
Cálcio + trietanolamina
Magnésio
Cromatograma 65
Tabela 92
Pico
1
2
3
4
5
6
7
tR [min]
3,7
4,3
4,9
6,4
8,7
11,0
Conc. [mg/L]
2
2
7
5
5 + 20
5
No de pratos
4500
4190
4380
2930
2070
2970
Área [μS/cm*s]
7,2
7,0
9,8
8,6
24
32
Padrão 2 – Eluente b.
Componentes – Experimento 21 – Padrão 2 (eluente b)
Componente
Sódio
Amônio
Monoetanolamina
Potássio
Trietanolamina
Cálcio
Magnésio
tR [min]
3,9
4,5
5,1
6,6
9,3
10,8
12,2
Conc. [mg/L]
2
2
7
5
20
5
5
No de pratos
4700
4110
4400
2920
2400
3240
2820
Área [μS/cm*s]
7,2
7,0
9,6
8,4
7,3
16
32
Observações
Se o eluente a for usado, então o cálcio e a monoetanolamina coeluem.
Todas as soluções devem ser mantidas em recipientes plásticos para uma correta determinação do
sódio, qualquer contato com vidro deve ser evitado.
137
4.4.5. Experimento 22 – Metais alcalinos e metais alcalino-terrosos em vinho
As substâncias minerais presentes no suco de uva são, principalmente, fosfatos de cálcio, magnésio
e potássio. As concentrações destes compostos variam entre 3 e 5 g/L. O conteúdo mineral, também
conhecido como “cinzas” do vinho, é menor do que o do suco, uma vez que parte dos minerais é
consumida pelas leveduras durante seu metabolismo. O conteúdo mineral é também reduzido pela
separação de tartaratos. Isto significa que o vinho contém só 1,8 a 2,5 g/L de “cinzas”. Importantes
constituintes catiônicos são dados como óxidos, tais como: K2O (aprox. 40%), MgO (aprox. 6%), CaO
(aprox. 4%) e Na2O (aprox. 2%).
(vide Experimento 12)
x
Análise alimentícia;
x
Análise do processo – checando a precipitação do tartarato.
Tabela 93
Coluna
Eluente
Amostra
Método
Sistema
Fluxo
Pressão
Tempo de análise
Loop
Polaridade
6.1010.210 Metrosep C2 (4 x 100 mm)
Ácido tartárico a 4 mmol/L / ácido dipicolínico a 0,75 mmol/L
Vinho tinto (Pinot Noir, Suíça), Vinho branco (Fechy, Suíça)
exp_22_c.mtw
cátion.smt
1 mL/min
6 MPa
20 min
10 μL
–
água ultrapura, então, completar o volume para 1 L com água ultrapura.
Filtrar e diluir a amostra (1:10).
138
Monografia Metrohm
Cromatograma 66
Tabela 94
Pico
1
2
3
4
Solução padrão para determinação de cátions em vinho
Componente
Sódio
Potássio
Cálcio
Magnésio
tR [min]
3,7
5,9
8,6
10,8
Conc. [mg/L]
1
100
5
10
No de pratos
4360
1480
2950
2150
Área [μS/cm*s]
3,5
180
16
66
Observações
Todas as soluções devem ser mantidas em recipientes plásticos. Para uma correta determinação do
sódio, qualquer contato com vidro deve ser evitado. O pH da solução padrão e da amostra deve estar
entre 2,5 e 3,5.
139
Cromatograma 67
Tabela 95
Pico
1
5
6
8
Determinação de cátions em vinho branco (diluição 1:10)
Componentes – Experimento 22 – Vinho branco
Componente
Sódio
Potássio
Cálcio
Magnésio
tR [min]
3,7
6,0
8,6
11,0
Conc. [mg/L]
24
590
72
59
No de pratos
4220
1860
2920
2880
Área [μS/cm*s]
8,4
106
23
39
Observações
Os picos 2, 3, 4 e 7 não foram avaliados.
140
Monografia Metrohm
Cromatograma 68
Tabela 96
Pico
1
6
8
10
Determinação de cátions em vinho tinto (diluição 1:10).
Componentes – Experimento 22 – Vinho tinto
Componente
Sódio
Potássio
Cálcio
Magnésio
tR [min]
3,7
5,8
8,6
10,8
Conc. [mg/L]
10
1380
50
80
No de pratos
2000
1300
3030
2520
Área [μS/cm*s]
3,6
248
16
53
Observações
Os picos 2, 3, 4, 5, 7, e 9 não foram avaliados.
141
5. Literatura citada
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
142
H. Small, T. S. Stevens, W. C. Bauman, Anal. Chem. 47 (1975) 1801.
J. Weiss, Ionenchromatographie, 2. Aufl. (1991), Verlag Chemie, Weinheim.
J. M. Mermet, M. Otto, H. M. Widmer, Analytical Chemistry, 1. Aufl. (1998), Wiley-VCH,
Weinheim, New York.
P. R. Haddad, P. E. Jackson, Ion Chromatography – Principles and Applications, 1st ed.
(1990), J. Chromatogr. Library Vol. 46, Elsevier Verlag, Amsterdam.
J. S. Fritz, D. T. Gjerde, Ion Chromatography, 3rd ed., Wiley-VCH, Weinheim, 2000.
G. Schwedt, Chromatographische Methoden in der Anorganischen Analytik, 1. Aufl. (1980),
Dr. Alfred Hüthig Verlag, Heidelberg.
International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), Pure & Appl. Chem. 65 (1993),
819.
H. Engelhardt, L. Rohrschneider, Deutsche chromatograpische Grundbegriffe zur IUPACNomenklatur (1998), Universität Saarbrücken.
G. Schwedt, Chromatographische Trennmethoden, 3. Aufl. (1994), Thieme Verlag, Stuttgart.
V. R. Meyer, Praxis der Hochleistungsflüssigchromatographie, 5. Aufl. (1988), Diesterweg
Verlag, Frankfurt/Main.
A. J. P Martin, R. L. M. Synge, Biochem. J. 35 (1941) 1358.
B. A. Bindlingmeyer, F. V. Warren, Anal. Chem. 56 (1984) 1583.
J. P. Foley, J. G. Dorsey, Anal. Chem. 55 (1983) 730.
E. Grushka, L. R. Snyder, J. H. Knox, J. Chrom. Sci. 13 (1975) 25.
E. Katz, K. L. Ogan, R. P. W. Scott, J. Chromatogr. A 270 (1983) 51.
J. J. van Deemter, F. J. Zuiderweg, A. J. Klinkenberg, Chem. Eng. Sci. 5 (1956) 271.
J. H. Knox, H. P. Scott, J. Chromatogr. A 282 (1983) 297.
A. Berthold, F. Chartier, J. L. Rocca, J. Chromatogr. A 469 (1989) 53.
G. Wedler, Lehrbuch der physikalischen Chemie, 3. Aufl. (1987), Verlag Chemie, Weinheim.
G. Schwedt, Fresenius Z. Anal. Chem. 320 (1985) 423.
M. J. van Os, J. Slania, C. L. de Ligny, W. E. Hammers, J. Agterdendos, Anal. Chim. Acta 144
(1982) 73.
P. R. Haddad, C. E. Cowie, J. Chromatogr. A 303 (1984) 321.
A. Diop, A. Jardy, M. Caude, R. Roset, Analusis 14 (1986) 67.
A. Jardy, M. Caude, A. Diop, C. Curvale, R. Roset, J. Chromatogr. A 439 (1988) 137.
D. R. Jenke, G. K. Pagenkopf, Anal. Chem. 56 (1984) 85 and 88.
T. B. Hoover, Sep. Sci. Tech. 17 (1982) 295.
P. R. Haddad, P. E. Jackson, A. L. Heckenberg, J. Chromatogr. A 346 (1985) 139.
P. Janoš, J. Chromatogr. A 789 (1/2) (1997) 3.
P. Janoš, P. Aczel, J. Chromatogr. A 749 (1996) 115.
P. Kolla, J. Köhler, G. Schomburg, Chromatographia 23 (1987) 465.
C. A. Pohl, J. R. Stillian, P. E. Jackson, J. Chrom. A 789 (1997) 29.
K. Dorfner (Ed.), Ion Exchangers, 4th ed. (1991), Walter de Gruyter Verlag, Berlin.
D. T. Gjerde, J. S. Fritz, G. Schmuckler, J. Chromatogr. A 186 (1979) 509.
Monografia Metrohm