Cromatografía

Química. Cromatograma. Clasificaciones. Técnicas cromatográficas. Cromatografías: tipos

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INTRODUCCION

En esta practica se pretenden identificar los componentes de una disolución. Esta puede estar formada por tres compuestos, naftaleno, veratrol o acetanilida, siendo las cantidades de cada compuesto desconocidas para nosotros siendo la mezcla completamente aleatoria. Para ello el método a utilizar será la cromatografía. Con este método experimental podremos separar los componentes de una disolución desconocida para luego compararlos con diferentes disoluciones patrón. La técnica a utilizar no se corresponde de manera especifica con su nombre, puesto que no apreciaremos ninguna diferencia de color entre los diferentes componentes. El nombre de la técnica deriva de los primeros ensayos en los que se separaron pigmentos de plantas como la clorofila, los cuales tienen colores definidos. Estos primeros pasos los dio el botánico ruso de origen italiano Mijail Tswett cuando separo diversos pigmentos de las plantas.

La técnica se basa en la velocidad de desplazamiento diferencial de los solutos al ser arrastrados por una fase móvil sobre una estacionaria que puede ser sólida o liquida. Esta diferencia será la que nos permita tanto identificar cuantos componentes tiene una disolución como separarlos.

FUNDAMENTO TEORICO

La cromatografía es la técnica que separa una mezcla de solutos basada en la velocidad de desplazamiento diferencial de los mismos que se establece al ser arrastrados por una fase móvil (liquida o gaseosa) a través de un lecho cromatográfico que contiene la fase estacionaria, la cual puede ser sólida o líquida.

Hay que indicar que el nombre de la técnica es incorrecto, ya que no consiste en escribir con colores. Este nombre proviene de la primera experiencia cromatográfica realizada, la cual se utilizo para separar pigmentos coloreados de plantas. La cromatografía fue descubierta por el botánico ruso de origen italiano Mijail Tswett en 1903. Tswett separo los pigmentos de las plantas (clorofila) vertiendo extracto de hojas verde en éter de petróleo sobre una columna de carbonato de calcio en polvo en el interior de una probeta. No obstante, no existen datos sobre la utilización de esta técnica hasta 1930 cuando khun y Lederer separaron también pigmentos de las plantas usando como adsorbentes alúmina y carbonato de calcio. Fue a partir de ahí cuando se inicio el verdadero desarrollo de la cromatografia .

Para explicar el fenómeno cromatorgafico es necesario establecer dos tipos de fundamento, uno remoto y otro próximo

Fundamento remoto: Este fundamento se encuentra en alguna o algunas propiedades físicas o físico químicas de los analitos: solubilidad, adsorción (tendencia a ser retenidos en sólidos finamente divididos), volatilidad, tamaño, carga, reactividad química o bioquímica, etc. La mezcla de sustancias a separar se coloca en una situación experimental dinámica donde exhiben dos de estas propiedades, o bien una de ellas pero por duplicado tal como la solubilidad en dos líquidos diferentes como ocurre en cromatografía liquido - liquido. Deben cumplirse las condiciones siguientes:

- Los componentes de los sistemas empleados deben estar en intimo contacto entre si.

- El equilibrio establecido entre esos componentes debe ser lo mas completo posible.

Fundamento próximo: Se encuentra en el hecho de que es muy improbable que dos especies presenten cuantitativamente el mismo par de propiedades físicas o físico - químicas frente a un sistema cromatográfico dado. Por tanto, en estas diferencias, que pueden ser muy pequeñas, se basa la separación cromatográfica.

Si se transforma la idea del equilibrio estático establecido entra las dos fases en un equilibrio dinámico, se tiene la realidad del fenómeno cromatográfico. Como se ha indicado anteriormente, una de las fases, denominada fase móvil, fluye a través de la otra, a la que se denomina fase estacionaria, que permanece inmóvil, y que, al menos en una extensión esta en equilibrio con la fase móvil.

Las propiedades de los componentes de una mezcla determinan so “movilidad” entre si y con respecto a la fase móvil. Se eligen las condiciones experimentales y las fases cromatográficas para que los componentes de la mezcla se muevan a distinta velocidad. La base de la separación cromatográfica será, por tanto, la diferencia en la velocidad de migración de los mismos.

La cromatografía es probablemente la más versátil de las técnicas de separación: es aplicable a cualquier mezcla soluble o volátil. De hecho las técnicas de separación suelen dividirse en dos grandes grupos: cromatograficas y no cromatograficas. La elección de una técnica cromatográfica concreta dependerá de la naturaleza y cantidad de la muestra, del objetivo de la separación y de las limitaciones del tiempo y equipo asequible

Puede hacerse una primera distinción entra las técnicas cromatográficas atendiendo a la integración continua o no del sistema de detección. Así, la cromatografia no conlleva a un sistema de detección, mientras que cualquier cromatógrafo de líquidos o gases lleva incorporado dicho sistema siendo, por tanto, auténticos instrumentos.

Clasificaciones:

Para clasificar globalmente los procesos cromatográficos es necesario atender a dos criterios básicos:

  • Fundamento del proceso cromatográfico, lo que conduce a los tipos de cromatografias

  • Forma de realizar el proceso cromatográfico, es decir, lo que constituye las distintas técnicas cromatográficas

  • Tipos de cromatografias:

    Si es un sólido, cabe distinguir entre:

    Cromatografía de adsorción: El sólido adsorbe al componente que inicialmente estaba en fase móvil (liquida o gaseosa) (Fuerzas de Van der Waals)

    Cromatografia de cambio iónico: el sólido es un cambiador de iones (fuerzas electrostáticas)

    Cromatografia de exclusión (o de geles), el sólido es un gel formado por polímeros no iónicos porosos que retienen a las moléculas de soluto según su tamaño.

    Cromatografia de afinidad: es un tipo especial de cromatografia de adsorcion, utilizadaespecialmente en bioquímica, en la que un sólido tiene enlazado un llamado ligando de afinidad que puede ser por ejemplo, un indicador enzimático o un anticuerpo

    Si es un liquido que se encuentra soportado en un sólido inerte, se trata de la Cromatografia de partición. El soluto se reparte entra la fase móvil (liquido o gas) y la fase estacionaria.

    Según la naturaleza de la fase móvil, la técnica cromatográfica correspondiente recibe el nombre de dicha fase móvil:

    Si es un líquido, cromatografía liquida, cabe distinguir:

    • Cromatografía liquido-liquido (CLL) en la que ambas fases son liquidas y, por tanto, se trata de una cromatografía de partición.

    • Cromatografía liquido-sólido (CLS) en la que la fase estacionaria es sólida (adsorción, cambio iónica, exclusión, afinidad).

    Si es un gas, cromatografía de gases, puede ser:

    • Cromatografía gas-liquido (CGL), que es una cromatografía de partición.

    • Cromatografía gas-sólido (CGS), que es una cromatografía de adsorción.

    Si es un fluido supercrítico, (fluido calentado a una temperatura superior a la temperatura critica, pero simultáneamente comprimido a una presión mayor que su presión critica), se trata de la cromatografía de fluidos supercríticos (CFS), que puede ser de partición o de adsorción.

    Técnicas cromatográficas:

    Según la forma de llevar a cabo la separación cromatográfica, es decir, según el dispositivo utilizado para conseguir entre la fase móvil y la estacionaria, cabe distinguir dos tipos de técnicas cromatogrÁficas: en columna y plana.

    Cromatografía en columna: Se utiliza un tubo cilíndrico, en cuyo interior se coloca la fase estacionaria y a su través se hace pasar la fase móvil. El flujo de la fase móvil (liquido o gas) a través de la estacionaria se consigue: 1)por presión, 2)por capilaridad, 3) por gravedad.

    Es de destacar que en la actualidad, aunque incorrectamente, el término de cromatografia en columna suele aplicarse a la cromatografia liquida para distinguirla de la cromatografia plana ya que, obviamente la cromatografia de gases solo puede realizarse en columna.

    Cromatografia plana: La fase estacionaria esta colocada en una superficie plana que en realidad es tridimensional, aunque una de sus dimensiones es muy reducida, por lo que puede considerarse bidimendional. Se divide en dos tipos generales:

    • Cromatografia en papel: en la que el papel actúa como soporte de la fase estacionaria (cromatografia de partición).

    • Cromatografia en capa fina: en la que un sólido actúa como fase estacionaria (cromatografia de partición), se extiende en una capa delgada sobre una placa, generalmente de vidrio.

    El flujo de la fase móvil puede conseguirse de dos formas: 1) por capilaridad (cromatografia horizontal y ascendente) y 2) por capilaridad y gravedad (cromatografia descendente). En la cromatografia plana queda excluido el uso de un gas como fase móvil, por lo que ésta siempre es líquida.

    Cromatografia plana:

    La cromatografia plana es un tipo de cromatografia liquida en la que la fase estacionaria esta extendida sobre la superficie de un plano y la fase móvil fluye a través de ella. La fase móvil siempre es un liquido, mientras que la fase estacionaria puede ser un liquidosoportedo en un sólido (cromatografia de particion) o un sólido sorbente (cromatografia de adsorción, cambio ionico o exclusión). El flujo de la fase móvil se produce:

  • Por capilaridad (cromatografia horizontal y ascendente)

  • Por capilaridad y gravedad (cromatografia descendente)

  • Esta clase de cromatografia es considerada la más simple de todas las técnicas cromatograficas. La diferencia principal con la cromatografia en columna es de tipo técnico, es decir, difieren en la forma de soportar la fase estacionaria. En lo que se refiere al fenómeno en que se fundamenta la separación, es el mismo para ambas técnicas

    En la cromatografía plana, la disolución de la muestra a separar se sitúa sobre el plano que contiene la fase estacionaria en forma de mancha, o a veces de banda, a corta distancia de uno de los extremos de dicho plano. Una vez seca la mancha o banda, el extremo del plano próximo a la misma se pone en contacto con la fase móvil, manteniendo todo el sistema cromatográfico en una cámara cerrada. La separación se produce por migración diferencial de los componentes de la muestra en la dirección en que se mueve la fase móvil.

    Generalmente, a diferencia de la cromatografía en columna, en cromatografía plana el analito no abandona el lecho cromatográfico, de forma que el proceso se detiene cuando la fase movil ha alcanzado una determinada zona del plano.

    Cabe distinguir dos tipos de cromatografia plana: En papel (CP) y en capa fina (CCF).

    La cromatografía en papel tuvo su máximo desarrollo en, os años cincuenta per en la actualidad se encuentra practicamante eclipsada debido a la mayor rapidez, eficacia y versatilidad de la cromatografía en capa fina. Aproximadamente solo el 4% de las publicaciones sobre las distintas técnicas cromatográficas se dedican a la cromatografía en papel. En esta técnica, la celulosa actúa como soporte de la fase estacionaria que suele ser agua (cromatografia de partición). No obstante, también existen en el comercio papeles impregnados (v.i. como gel de sílice o alúmina, con silicona para separaciones en fase invertida, con cambiadores ionicos) o tratadas químicamente (v.i. grupos cambiadores incorporados al esqueleto polimérico de la celulosa), que amplían la aplicabilidad de esta técnica.

    En cromatografía en capa fina, un sólido, sorbente o soporte de la fase estacionaria, se extiende en forma de capa sobre el plano de una superficie rígida, normalmente una capa de vidrio o polietileno, de forma que la fase móvil fluye a través del mismo. Dependiendo de las características del sólido utilizado, la cromatografía será de partición, adsorción, cambio ionico o exclusión.

    Hasta hace relativamente poco tiempo, la (CCF) era considerada una técnica cualitativa simple y rápida, para separar mezclas no demasiado complejas, pero su aplicabilidad cuantitativa resultaba una pobre alternativa frente a otras técnicas cromatográficas como la CLAR. Sin embargo, actualmente, debido a los cambios introducidos en esta técnica, en lo que se refiere a la calidad de los sorbentes, equipos para aplicar y la muestra y sistemas de detección, el interés por la CCF ha vuelto a renacer, siendo considerada una técnica útil para separar y determinar cualitativa y cuantitativamente mezclas complejas a nivel de trazas. Estos cambios han llevado a modificar el nombre de la técnica, denominada cromatografia en capa fina de alta resolución (CCFAR o HPTLC en la bibliografía inglesa), al igual que ocurrió cuando se mejoro la capacidad de resolución de la cromatografia liquida en columna, pasando a denominarla cromatografia liquida de alta resolución (CLAR o HPLC)

    Diferencias entre cromatografia plana y en columna:

    Aunque con algunas modificaciones, los principios teóricos de la cromatografia en columna pueden ser aplicados, en general, a la cromatografía plana. Las diferencias entre estas técnicas hay buscarlas en la distinta configuración de ambos sistemas cromatográficos ya que la cromatografia plana se realiza en un sistema de lecho abierto, mientras que la cromatografia en columna es un sistema de lecho cerrado. Sobre esta base pueden indicarse las diferencias siguientes

  • En la cromatografía plana la separación se realiza por distancias mientras que en columna se hace por tiempos ( o volúmenes ).

  • En cromatografia plana la velocidad de la fase móvil solo puede controlarse indirectamente ya que esta gobernada por fuerzas capilares que son las que permiten el paso de dicha fase a través del lecho cromatográfico. Por el contrario, en cromatografía en columna la velocidad de la fase móvil puede controlarse fácilmente, dependiendo del gradiente de presión mantenido a través de la columna.

  • El tiempo que dura la separación esta determinado por el tiempo necesario para que el frente del disolvente llegue a una zona determinada del lecho cromatográfico y es independiente del camino recorrido por los componentes de la muestra. En cromatografía en columna, cada soluto debe atravesar completamente la longitud de la columna, por lo que el tiempo que dura la separación esta determinado por el tiempo que tarda el componente mas lento en llegar al detector.

  • En lo que se refiere a la forma de llevar a cabo el proceso de separación, en cromatográfia en columna la separación de varias muestras, se realiza de forma secuencial, es decir, cada una de ellas debe someterse individualmente al mismo proceso de introducción en la columna, separación y detección, además de proceder a reequilibrar la columna antes de introducir la siguiente muestra. En cromatografía plan por el contrario, la separación de varias muestras se realiza de forma simultanea, siendo todas ellas sometidas al mismo tiempo al proceso separativo. Esto supone un ahorro de tiempo considerable ya que en cromatigrafía en columna la duración de separación de varias muestras será la suma de los tiempos parciales necesarios para cada separación individual.

  • La elección de la fase móvil en cromatografía plana se realiza dé forma que de la separación requerida, no importando que algunos componentes de la muestra queden en el origen, ya que las placas se desechan después de cada separación. En cromatografia en columna, la fase móvil debe elegirse de forma que eluya todos los componentes de la muestra para que no se produzca el “envenenamiento” de la columna. Este envenenamiento puede suponer una perdida de tiempo considerable hasta que se logra eluir completamente aquellos componentes que hayan podido quedar acumulados al comienzo de la columna. Si es irreversible, el aspecto económico puede ser de gran importancia.

  • Otra diferencia básica entre ambas técnicas se encuentra en la forma de llevar a cabo la detección. Mientras que en cromatografía en columna este es un proceso dinámico, pasando cada soluto eluido por el detector, en cromatografía plana es un proceso estatico. Esta diferencia da lugar a que la detección en la cromatografia plana sea mas difícil de automatizar que en columna, pero también, que sea un proceso más flexible y variable. Así, en lo que se refiere a los disolventes utilizados como fase móvil, la pureza o propiedades (Absorbentes, ácido base, etc.) de los mismos no son tan críticos como en columna, ya que estos se evaporan completamente entre el desarrollo y la medida. Por ejemplo, si en columna se utiliza un detector U.V., la fase móvil no debe contener disolventes o impurezas que absorban en esta zona del espectro, mientras que esto no supone un problema en cromatografía plana. Por otra parte, en esta técnica, es posible aumentar la sensibilidad del proceso de detección mediante una selección adecuada de las reacciones utilizadas para mejorar la señal medida. El sistema de detección estático permite, por ejemplo, registrar espectros de cada soluto por separado y seleccionar la longitud de onda de máxima respuesta de cada uno de ellos.

  • En general, los solutos mas retenidos en cromatografía plana forman manchas compactas, por lo que se detectan con mayor sensibilidad. Por el contrario, los solutos mas retenidos en la columna son los que dan picos más anchos menos resueltos y sensibles

  • Aunque normalmente se considera que la cromatografía plana es una técnica más simple que la de columna, no es posible en la actualidad proceder a un desarrollo profundo de este proceso separativo al igual que el realizado en cromatografía en columna. El motivo de ello es que en cromatografía plana tanto la fase móvil como la estacionaria no están bien definidas y se encuentran en un estado dinámico con la fase de vapor que rodea el sistema cromatográfico. Las condiciones experimentales optimas para realizar la separación son, por tanto, difíciles de controlar experimentalmente. Se producen los cambios siguientes

  • La fase estacionaria puede modificar sus propiedades antes y durante el proceso cromatográfico adsorbiendo la fase de vapor antes de ser mojada por la fase móvil, o evaporándose si dicha fase estacionaria es liquida.

  • Si la fases móvil y de vapor no están equilibradas, la evaporación puede producir una alteración en la composición de la fase móvil.

  • La porosidad de la fase estacionaria no es uniforme, por lo que la velocidad de la fase móvil no es constante. Así, las fuerzas capilares son mas fuertes en las zonas interparticulares mas estrechas, produciéndose en las mismas un flujo mas rápido de la fase móvil

  • PARTE EXPERIMENTAL

    Los reactivos y materiales a utilizar son estos:

    MATERIALES REACTIVOS

    Capilares Naranja de metilo

    Cubeta Azul de metileno

    Placas de silicagel Etanol

    Lamparas ultravioleta Naftaleno

    Acetanilida

    Veratrol

    Hexano

    Diclorometano

    Material:

    Placas de silicagel: La función de este material es el soporte de agua puesto que puede almacenar hasta un 50%de humedad cuando esta seco. Esta propiedad la utilizaremos para que la fase móvil avance por la placa.

    Cubeta: Pieza de vidrio en la cual colocaremos tanto la fase móvil como la estacionaria. Después de que estas estén dentro se coloca una tapa para que la fase móvil no se evapore

    Capilares: Las usaremos para depositar una mínima cantidad de compuestos sobre la fase estacionaria

    Lamparas ultravioleta: Como los compuestos a identificar son incoloros la luz U.V. mostrara una mancha en el lugar en el que se encuentre el compuesto

    Reactivos:

    Naranja de metilo: Indicador

    Azul de metileno: Indicador

    Etanol: Alcohol utilizado mayormente en medicina como desinfectante para las heridas. También aparecen en bebidas que si se consumen en exceso pueden producir graves problemas de salud

    Naftaleno: Se utiliza como fuerza motriz en sustitución de aceites pesados del petróleo y aun de la gasolina. Se emplea como expectorante en enfermedades bronco pulmonares y como desinfectante en las intestinales de origen infectivo. De uso tópico para afecciones de la piel como la Psoriasis

    Acetanilida: Se emplea en medicina con el nombre de antifibrina para combatir la fiebre. La acetanilida cristaliza en forma de laminillas o tablas rómbicas brillante, incoloras, inodoras de sabor cáustico. Funden a 113 o 114 grado. Se disuelve fácilmente en alcohol, éter

    Veratrol: Eter dimetilico de la pirocatequina. Se forma calentando ácido veratrico con barita cáustica, así como por la acción del yoduro de metilo sobre el guyacol potasico . Es un líquido oleoso, aromático, que hierve a 205 C. Es inmiscible en alcohol, éter y aceites, insoluble en agua y glicerina. Se emplea en medicina como expectorante.

    Hexano: Usado como disolvente orgánico. Funde a -93,5 C y hierve a 69 C

    Diclorometano: Hierve a 41 C y es utilizado como disolvente orgánico.

    Procedimiento:

    En esta práctica utilizaremos una placa de aluminio cubierta, por una de sus caras con silicagel. En dicha placa trazaremos dos líneas a 0,5 mm de distancia tanto de la parte superior como de la inferior. La franja inferior será nuestra zona de aplicación. En esta colocaremos nuestros patrones primarios y la muestra a analizar. Esto lo haremos con la ayuda de un capilar, aplicando en forma de mancha una pequeña cantidad en dicha franja. Los compuestos a analizar serán azul de metileno, naranja de metileno y una mezcla de las dos.

    Una vez aplicados se insertara la placa dentro de la cubeta, la cual contiene etanol 96%. La cantidad de etanol no puede ser cualquiera, el volumen de este no puede sobrepasar la franja de aplicación. Desde el momento en que la fase estacionaria es introducida en la cubeta podemos observar como la fase móvil asciende por la estacionaria debido a la capilaridad de la segunda. Una vez el frente de la fase móvil ha llegado a la franja superior impuesta por nosotros procederemos a la extracción de la fase estacionaria y la dejaremos secar. Cuando la placa este seca observaremos los diferentes compuestos. En el caso de que sean incoloros lo haremos mediante luz ultravioleta. Se marcara la zona exacta en la que ha quedado cada compuesto y se medirá la distancia recorrida.

    El cociente de la distancia recorrida por los compuestos y la distancia recorrida por la fase móvil desde el punto de aplicación hasta el limite superior establecido por nosotros nos dará el valor Rf

    Rf = Distancia recorrida por el soluto / Distancia recorrida por la fase móvil

    El etanol será nuestra fase móvil que ira ascendiendo por la placa de silicagel e ira arrastrando los compuestos que hemos aplicado. Cuando el frente haya ascendido hasta la franja superior pararemos el experimento y observaremos los resultados.

    Comprobamos que el azul de metileno ha ascendido pero que el naranja de metilo a ascendido 3,5 cm. Paralelamente en la muestra problema vemos que la mezcla se ha separado, logrando unos punto a la misma distancia.

    Azul de metileno X= 0 cm. Rf = 0

    Naranja de metilo X= 3,5 cm. Rf = 0,875

    Mezcla X= 3,5 cm. Rf = 0,875

    A continuación, después de haber hecho el primer análisis, se procederá a analizar la muestra problema. Para esto repetiremos el apartado anterior, a diferencia de en el anterior en esta pondremos acetanilida, naftaleno y veratrol. Repetimos la prueba y los resultados son estos:

    Rf en C6H14 Rf en CH2Cl2

    Naftaleno 3 cm. Rf =0,666 4,2 cm. Rf = 0,913

    Veratrol 0.1 cm. Rf = 0,02 3,27 cm. Rf = 0,71

    Acetanilida 0 cm. Rf = 0 0,25 cm. Rf = 0,054

    Una vez terminado este proceso, se analizara la muestra problema. Aplicaremos otra vez los patrones primarios y al lado de estos aplicaremos una pequeña cantidad de muestra problema. Repetimos el experimento y obtenemos estos valores:

    R en C6H14 y =4,5 cm. R en CH2Cl2 y = 4,5 cm.

    Naftaleno X = 3 cm. R = 0,6 X = 4,2 cm. R = 0,913

    Veratrol X = 0,1 cm. R = 0,02 X = 3,27 cm R =0,71

    Acetanilida X = 0 cm. R = 0 X = 0,25 cm. R = 0,054

    Muestra problema Valores idénticos Valores idénticos

    Al proyectar luz ultravioleta sobre las placas, se abserva que de forma paralela a los patrones primarios, han aparecido otras manchas en las dos pruebas, tanto en hexano como en diclorometano

    Cromatografía

    1 Naftaleno

    2 Veratrol

    3 Acetanilida

    4 Muestra problema

    Utilizando hexano como eluyente no llegamos a precisar la composición exacta de la muestra, pero podemos asegurar que contiene naftaleno. Después de repetir la prueba con diclorometano apreciamos claramente tres puntos, cada uno a la misma altura que uno de los patrones.

    Conclusión: La muestra problema, en nuestro caso la 26 esta compuesta de:

    Naftaleno

    Veratrol

    Acetanilida

    CUESTIONES

    1 Si se analiza por cromatografía una mezcla constituida por cuatro sustancias, ¿Cuántos valores de Rf se obtendrán?

    Se obtendrán cuatro valores

    • Explicar por que el Rf de las sustancias estudiadas es mayor en diclorometano que en hexano.

    La polaridad del diclorometano será lo que genere un resultado mayor. Al ser las sustancias menos polares, creara una repulsión mayor, avanzando más que en hexano.