Fundamentos da Cromatografia Gasosa by Editora Átomo

fundamentos da

cromatografia gasosa Fernando M. Lanรงas

DIRETOR GERAL Wilon Mazalla Jr. COORDENAÇÃO EDITORIAL Willian F. Mighton COORDENAÇÃO DE REVISÃO E COPYDESK Catarina C. Costa REVISÃO DE TEXTOS Paola Maria Felipe dos Anjos EDITORAÇÃO ELETRÔNICA Fabio Diego da Silva Tatiane de Lima CAPA Patrícia Lagoeiro Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Lanças, Fernando M. Fundamentos da cromatografia gasosa / Fernando M. Lanças. -- Campinas, SP : Editora Átomo, 2017. Bibliografia. 1. Cromatografia gasosa 2. Química analítica qualitativa 3. Química analítica quantitativa I. Título. 17-02461

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Grupo Átomo e Alínea Rua Tiradentes, 1053 - Guanabara - Campinas-SP CEP 13023-191 - PABX: (19) 3232.9340 e 3232.0047 www.atomoealinea.com.br Impresso no Brasil

CONSELHO EDITORIAL Área | Química Aécio Pereira Chagas Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Célio Pasquini Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Flávio Leite T & E Analítica

José de Alencar Simoni Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Mário Sérgio Galhiane Universidade Estadual Paulista – UNESP

Pedro Faria Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Robson Fernandes de Farias Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN

Sumário

Introdução.....................................................................................................................9 Capítulo 1 Cromatografia Gasosa (GC ou CG)............................................................................15 A Cromatografia Gasosa de Alta Resolução (HRGC)..........................................15 Classificação dos métodos cromatográficos.........................................................17 O processo de separação.......................................................................................19 A literatura básica da Cromatografia Gasosa........................................................21 Capítulo 2 Teoria..........................................................................................................................27 Introdução..............................................................................................................27 Posição do pico......................................................................................................30 Retenção relativa...................................................................................................32 Eficiência da coluna..............................................................................................33 Resolução..............................................................................................................36 Terminologia.........................................................................................................38 Conclusões............................................................................................................44 Capítulo 3 Instrumentação............................................................................................................47 Introdução..............................................................................................................47 Instrumentação......................................................................................................48 Capítulo 4 Detectores...................................................................................................................65 Introdução..............................................................................................................65 Detectores..............................................................................................................66 Conclusões............................................................................................................91

Capítulo 5 Seleção da Coluna.......................................................................................................97 Introdução..............................................................................................................97 Seleção da coluna em cromatografia gás-sólido (adsorção).................................99 Seleção da coluna em cromatografia gás-líquido (partição)...............................107 Colunas capilares.................................................................................................130 Capítulo 6 Análise Qualitativa....................................................................................................141 Introdução............................................................................................................141 Identificação com uso de tempos de retenção.....................................................142 Identificação com uso de métodos gráficos........................................................144 Identificação com uso de métodos analíticos auxiliares.....................................146 Capítulo 7 Análise Quantitativa..................................................................................................153 Introdução............................................................................................................153 Exatidão e precisão..............................................................................................153 Desvio padrão (DP) e desvio padrão relativo (DPR)..........................................155 Procedimento quantitativo em cromatografia gasosa..........................................157 Capítulo 8 Efeitos da Temperatura da Coluna............................................................................173 Introdução............................................................................................................173 Programação de temperatura em Cromatografia Gasosa....................................174 Escolha da programação ideal para PTCG..........................................................176 Requisitos necessários para a PTCG...................................................................179 Capítulo 9 Derivatização............................................................................................................183 Introdução............................................................................................................183 Esterificação........................................................................................................185 Sililação...............................................................................................................189 Acetilação............................................................................................................191 Outras reações.....................................................................................................192 Aplicações...........................................................................................................195 Capítulo 10 Otimização da Coluna...............................................................................................203

Capítulo 11 Aplicações.................................................................................................................207 Citrus...................................................................................................................208 Pesticidas.............................................................................................................209 Glicóis.................................................................................................................210 Gases...................................................................................................................211 Solventes.............................................................................................................212 Padrões................................................................................................................213 Alimentos............................................................................................................214 Pirazinas..............................................................................................................215 Aromas................................................................................................................216 Aminoácidos........................................................................................................217 Colesterol............................................................................................................218 Hidrocarbonetos aromáticos................................................................................219 Álcoois................................................................................................................220 Sulfurados...........................................................................................................221 Halogenados........................................................................................................222 Gases leves..........................................................................................................223 Vinho...................................................................................................................224 Keep Cooler.........................................................................................................225 Cerveja................................................................................................................226 Capítulo 12 Constantes de McReynolds.......................................................................................227

Introdução

Dentre os modernos métodos de análise química, a cromatografia ocupa, sem dúvida, um lugar de merecido destaque no que concerne à separação, identificação e quantificação de espécies químicas. Cromatografia é uma técnica de separação, na qual os componentes a serem separados são distribuídos entre duas fases: uma fase fixa de grande área superficial denominada fase estacionária e outra, um fluido que percola através dela, chamada de fase móvel. A descoberta da cromatografia como uma técnica analítica é, geralmente, atribuída ao botânico russo M. Tswett o qual, no início do século Mikhail Semenovich Tswett XX, conseguiu separar pigmentos de cloroplastos (1872-1919) contidos em folhas verdes de plantas utilizando um tubo de vidro cheio com carbonato de cálcio1-4. Embora, na mesma época, D. T. Day tenha separado frações de petróleo aplicando essa técnica5-7, Tswett foi o primeiro a compreender e interpretar o processo cromatográfico como hoje é aceito, empregando o termo cromatografia para descrever as zonas coloridas que se separavam dentro da coluna de vidro. David Talbot Day nasceu em Rockport – atualmente Lakewood, Ohio, USA – em 10 de David Talbot Day (1859-1925) Setembro de 1859 e faleceu em Washington, D.C.,

INTRODUçãO

USA, em 15 de Abril de 1925. Graduado em Química, dedicou a maior parte de sua vida científica à Geologia e Engenharia de Minas. Dentre suas principais contribuições como autor, está o seu Handbook da Indústria do Petróleo (Figura 1), além de haver elaborado, durante anos, um detalhado registro estatístico da produção mineral nos Estados Unidos. Foi também especialista na área de xisto. Tswett é considerado o precursor da cromatografia na Europa, ao passo que os estudos pioneiros de Day, nos Estados Unidos, do mesmo período, foram reconhecidos muitos anos depois.

Figura 1. Livro Handbook of the Petroleum Industry, compilado por David T. Day e impresso em 1922.

FUNDAMENTOS DA CROMATOGRAFIA GASOSA

Considera-se um de seus mais importantes trabalhos, pela originalidade das ideias, aquele no qual descreve um estudo da origem do petróleo da Pensilvânia, USA5. Naquele tempo, utilizou a técnica que denominou difusão fracionada, para descrever as frações do petróleo similares às obtidas por destilação. Prosseguindo os trabalhos de Day, e sob sua orientação, Gilpin, entre 1908 e 1913, aprofundou as ideias de fracionamento do petróleo pela técnica posteriormente chamada de cromatografia8-10. Gilpin conseguiu, na época, fracionar petróleo em colunas grandes, de acordo com a seguinte sequência do topo para baixo: hidrocarbonetos saturados, substâncias aromáticas e insaturadas e, finalmente, uma fração que continha nitrogenados e sulfurados, o que indica que o processo é governado pelo fenômeno da adsorção seletiva. Esse fracionamento ainda é atualmente empregado, com alguns refinamentos, pela indústria petroquímica internacional. Mikhail Semenovich Tswett, considerado o ‘pai’ da cromatografia, nasceu durante uma viagem de seus pais (ele russo e ela italiana) à Itália. A base de sua formação científica (1891-1896) foi desenvolvida na Universidade de Genebra, Suíça, onde obteve, em 1896, o título de Doutor em Ciências. A partir de então, mudou para Varsóvia (Polônia, naquela fase ocupada pela Rússia) e, depois, para a Rússia, onde faleceu com a idade de 47 anos. Os estudos iniciais de Tswett concentraram-se nos pigmentos dos cloroplastos, compostos de clorofilas (verdes) e carotenoides (amarelos). Trabalhando com folhas verdes secas e pulverizadas, verificou que o éter de petróleo removia os carotenoides, mas não as clorofilas, apesar do fato de elas serem solúveis nesse solvente. Entretanto, ao serem adicionadas pequenas porções de álcool ao éter de petróleo, as clorofilas eram removidas. Essa foi a base da técnica que o próprio cientista denominou cromatografia. Ele foi um pesquisador altamente produtivo, publicou mais de cinquenta trabalhos na área, deixando como obra-prima um livro datado de 1910 sobre as clorofilas no reino vegetal e animal (Figura 2). Infelizmente, a projeção desse magnífico trabalho foi pequena, especialmente pelo fato de haver sido escrito em Russo, idioma restrito mesmo no meio acadêmico da época.