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8/3/2019 Aula Pratica de GC

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Quim. Nova, Vol. 31, No. 8, 2190-2193, 2008

Ed

ucao

*e-mail: [email protected]

ExpErimEnto didtico sobrE cromatograia gasosa: uma abordagEm analtica EambiEntal

J c p. pee*, de mhe e Je c. mInstituto de Qumica, Universidade de So Paulo, CP 26077, 05513-970 So Paulo - SP, Brasil

Recebido em 16/10/07; aceito em 16/4/08; publicado na web em 3/10/08

DIDACTIC EXPERIMENT ON GAS CHROMATOGRAPHY: AN ENVIRONMENTAL AND ANALYTICAL APPROACH. Thispaper describes an experiment to teach the principles o gas chromatography exploring the boiling points and polarities to explainthe elution order o a series o alcohols, benzene and n-propanone, as well as to teach the response actor concept and the internalstandard addition method. Retention times and response actors are used or qualitative identication and quantitative analysis o ahypothetical contamination source in a simulated water sample. The internal standard n-propanol is urther used or quantication obenzene and n-butanol in the water sample. This experiment has been taught in the instrumental analysis course oered to chemistryand oceanography students.

Keywords: benzene; internal standard; contamination.

introduo

Entre os mtodos de separao, a cromatograa tem grandeaplicabilidade em reas to diversas como ambiental, armacutica,anlises clnicas, medicina legal e outras. A cromatograa permiteseparar e quanticar componentes com caractersticas sico-qumicasmuito semelhantes, tais como dioxinas e uranos,1 em misturascomplexas. O limite de deteco obtido pela cromatograa podeser cerca de 100 a 1000 vezes menor que aquele obtido por outrosmtodos de separao.2

O processo de separao ocorre atravs da distribuio dos com-ponentes da amostra entre duas ases: uma ase xa de grande reasupercial (ase estacionria), que percolada por um fuido (asemvel) em uma direo denida.3 A ase mvel pode ser um gsinerte, um lquido ou um fuido supercrtico, dependendo do tipo decromatograa utilizada. A ase estacionria deve ser imiscvel coma ase mvel, podendo ser colocada numa coluna ou depositada emuma supercie plana. As ases mvel e estacionria so escolhidasde modo que os componentes da amostra se distribuam entre elas demodo distinto. Os analitos ortemente retidos pela ase estacionriamovem-se mais lentamente na ase mvel e, conseqentemente, soeludos posteriormente aos componentes com baixa interao com aase estacionria. Essa reteno seletiva dos componentes da amostra

pela ase estacionria uma importante caracterstica e resulta emmigraes dierenciadas dos compostos de interesse. De acordo com oestado sico da ase mvel utilizada, a cromatograa em coluna podeser classicada em cromatograa gasosa (gs inerte), cromatograalquida4 (lquido) ou cromatograa com fuido supercrtico (fuidono estado supercrtico).3,5

Com mais de um sculo de existncia, a cromatograa, iniciadapor Michael S. Tswett,6 participou direta ou indiretamente de pesqui-sas que oram laureadas com 12 prmios Nobel (1937 a 1972).3

cf

A cromatograa gasosa8,9 uma das mais importantes tcnicasanalticas disponveis atualmente. Em curto espao de tempo tornou-

se a principal tcnica para separao e determinao de compostosvolteis e/ou volatilizveis. O poder de resoluo excelente alcan-ado permite a determinao de dezenas de compostos dierentesem matrizes complexas.10 Outro dierencial da tcnica vem a ser suagrande sensibilidade e elevada detectabilidade. Por exemplo, o limitede deteco para o pesticida halogenado Lindane pode atingir valoresto baixos quanto 10-16 mol mL-1 empregando-se o detector de capturade eltrons.11 A cromatograa gasosa pode ser aplicada em amostrasgasosas, lquidas ou slidas, desde que os analitos sejam volteis oupossam ser volatilizados sem sorer decomposio trmica.

A cromatograa gasosa classica-se, de acordo com a natureza daase estacionria, em cromatograa gs-slido (CGS) e cromatograags-lquido (CGL). A ase estacionria pode ser um slido (CGS) ouum lquido imobilizado sobre um suporte inerte (CGL), sendo que aCGL a mais verstil e seletiva orma de cromatograa a gs, devido grande diversidade de ases lquidas disponveis.

Em linhas gerais, os principais componentes de um cromatgraoa gs so: cilindro de gs, injetor, orno, coluna, detector, sistema decontrole do instrumento e aquisio de dados.

Inicialmente a amostra introduzida no injetor aquecido (com oauxlio de uma micro-seringa), onde vaporizada e transerida como auxlio do gs de arraste para a coluna cromatogrca colocadadentro de um orno pr-aquecido. Os componentes da amostras so

eludos e conduzidos para o detector conectado na sada da coluna.O detector emite um sinal eltrico que registrado gracamente soba orma de picos.

Trabalhos didticos envolvendo cromatograa gasosa redigidosem lngua portuguesa tm sido pouco explorados neste peridico.Com o intuito de colaborar com a divulgao e ensino da cromato-graa, apresentamos uma proposta de experimento para a disciplinade anlise instrumental com enoque na introduo cromatograagasosa para alunos de graduao em Qumica e reas correlatas. Esteexperimento explora a investigao da contaminao por solventesorgnicos em guas. Para isso, os alunos devero investigar quatroontes de contaminao em duas amostras de gua. Entre os solventesadicionados destaca-se o benzeno, uma substncia reconhecidamentecarcinognica, considerada a quinta substncia de maior risco, se-

gundo os critrios do programa das Naes Unidas.7


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Experimento didtico sobre cromatograa gasosa 2191Vol. 31, No. 8

partE ExpErimEntal

ie

Foi utilizado o cromatgrao a gs modelo Varian GC-3800(Palo Alto, CA, USA) com detector de ionizao em chama (250C), injetor (250 C) com diviso de fuxo na razo 1:25, coluna

capilar HP-Innowax (30 m x 0,25 mm x 0,25 m) (J&W, USA)empregando N2

como gs de arraste, com fuxo constante de 1 mLmin-1. A temperatura inicial oi de 80 C (1 min), seguida por taxa deaquecimento de 10 C min-1 at 120 C, com tempo total de corridade 6 min. O volume de injeo oi igual a 1,0 L. A aquisio e oprocessamento de dados oram eitos com o programa Star Advancedverso 4.52 da Varian.

reee e e

Todos os reagentes utilizados (isobutanol, n-propanol,n-propano-na, benzeno, n-pentanol) oram procedentes da Merck Brasil (Rio deJaneiro, RJ, Brasil) com teores maiores que 98%. A gua desionizadaoi obtida pelo sistema Milli-Q, apresentando resistividade maior que

18 M cm-1. Foram preparadas as seguintes misturas de soluesde reerncia, conorme mostrado na Tabela 1: A isobutanol (500mg L-1) e n-pentanol (500 mg L-1); B n-propanona (500 mg L-1) en-pentanol (500 mg L-1); C - benzeno (350 mg L-1 ) e n-butanol (81mg L-1); D - benzeno (88 mg L -1) e n-butanol (324 mg L-1); padrointerno (PI) n-propanol (500 mg L-1) e as amostras W - benzeno(175 mg L-1) e n-butanol (40 mg L-1) e H - benzeno (44 mg L -1) en-butanol (162 mg L-1).

pee

Este experimento se compe das etapas qualitativa e quantitati-va, sendo que a primeira se baseia na identicao dos compostosutilizando o tempo de reteno, enquanto a segunda etapa consistena determinao da concentrao dos analitos a partir das reas de

pico.

Etapa qualitativa

Foram injetadas, seqencialmente, 1,0 L das solues A, B, C,D, W e H diludas na razo de 1:10 em gua desionizada. A seguiroram atribudos os picos observados nos cromatogramas de cadasoluo. A identicao de cada componente oi realizada pelos seusrespectivos tempos de reteno (t

r), que representam o tempo gasto

desde o momento da injeo at a sada do ponto mximo do pico.

Etapa quantitativa

Com auxlio de uma pipeta volumtrica transeriu-se 1,00 mL dasoluo C e 1,00 mL da soluo de PI (500 mg L-1) para um balo

volumtrico de 10 mL, completando o volume com gua desioni-zada. O mesmo procedimento oi repetido para as solues D, W e

H. Um volume de 1,0 L de cada uma destas solues oi injetadoseqencialmente no cromatgrao a gs para a determinao dasreas de pico correspondentes a cada um dos analitos, previamenteidenticados pelos respectivos tempos de reteno.

rEsultados E discusso

E qvOs resultados de tempo de reteno mdios obtidos na etapa

qualitativa so apresentados na Tabela 1 em comparao com acomposio das solues, bem como com os pontos de ebulio econstantes dieltricas dos componentes das misturas. Observa-seque a cromatograa gasosa uma tcnica com grande aplicao nadeterminao simultnea de compostos volteis e semi-volteis, taiscomo lcoois,12 cetonas e hidrocarbonetos. A separao cromato-grca das dierentes amlias de compostos orgnicos oi possveldevido s caractersticas sico-qumicas dos analitos, tais como pontode ebulio e constante dieltrica,13 parmetro este que relacionadocom a polaridade das substncias e que determina a anidade pelaase estacionria (polar, no presente experimento). Entre todos os

componentes, a n-propanona o primeiro componente a ser eludoapesar de apresentar a constante dieltrica mais elevada. Este atoocorre devido principalmente a sua alta volatilidade (56,05 C). Osegundo componente o benzeno, que, entre os compostos estudados, o mais apolar ( 2,28). Essa caracterstica az com que tenha baixaanidade pela ase estacionria (polar), sendo eludo rapidamente.A partir do benzeno, temos o grupo dos alcois com 3 a 5 tomosde carbono na cadeia principal. Esses alcois tm caractersticaspolares ( 15,13 20,8), sorendo uma maior interao com a aseestacionria. Entretanto, para estes alcois, o ponto de ebulio vemser a caracterstica dominante na ordem de eluio.

Na soluo A (isobutanol e n-pentanol), o primeiro componente aser eludo o isobutanol. O isobutanol apresenta maior constante die-

ltrica que o n-pentanol, de modo que, baseando-se apenas nos dadosde polaridade, se esperaria que o isobutanol osse o ltimo compostoa ser eludo da coluna. Entretanto, o ponto de ebulio do isobutanol cerca de 30 oC menor que o n-pentanol, de modo que para compostoscuja dierena de polaridade no seja elevada, a volatilidade se torna oprincipal parmetro que dene a ordem de eluio. No caso da soluoB (n-propanona e n-pentanol), a n- propanona o primeiro componentea ser eludo, seguido pelo n-pentanol. Com base apenas na polaridade,a n-propanona deveria ser eluda por ltimo, pois apresenta uma cons-tante dieltrica maior que o n-pentanol e, portanto, possui uma maioranidade com a ase estacionria. No entanto, eluda primeiro, poisseu ponto de ebulio cerca de trs vezes menor que o do n-pentanol.Em relao s solues C, D, W e H (benzeno e n-butanol), o benzeno eludo antes do n-butanol. Nesse caso os valores de constante dieltrica

e ponto de ebulio justicam a ordem de eluio, pois o benzeno menos polar e tem ponto de ebulio menor que o n-butanol.

O princpio do uncionamento do detector de ionizao de chama(DIC) baseia-se na combusto dos compostos na chama. Os compostosno suscetveis combusto, como gua, CO

2e compostos inorgnicos

em geral, no apresentam sinal mensurvel neste detetor.3O sinal eltricoenviado pelo detector registrado gracamente sob a orma de pico, cujarea proporcional concentrao do analito. O perl cromatogrcoda soluo C e da amostra W, bem como da soluo D e amostra H sosemelhantes (Figura 1). Na Figura 1a, o pico com maior intensidade vema ser o benzeno (soluo C e amostra W), enquanto que na Figura 1bisso ocorre com o n-butanol (soluo D e amostra H). Essa observaopode ser constatada numericamente naTabela 2, onde esto descritos os

resultados das reas obtidas nos cromatogramas e as relaes de reasentre benzeno e n-butanol para as solues C e D e as amostras W e H.

te 1. Tempos de reteno (tr), pontos de ebulio13 (PE) e

constante dieltrica () dos analitos presentes nas solues A, B,C, D, W e H

Analitos tr(min) PE (C) A B C D W H

n-propanona 2,319 56,05 21,01 xbenzeno 2,734 80,09 2,28 x x x x

n-propanol 3,147 97,20 20,80

isobutanol 3,562 107,89 17,93 x

n-butanol 4,089 117,73 17,84 x x x x

n- pentanol 5,449 137,98 15,13 x x


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Penteado et al.2192 Quim. Nova

Uma vez que a relao de rea entre o benzeno e o n-butanol da soluoC 7,49, pode-se inerir que esta a onte de contaminao da amostraW, para a qual a relao de rea destes dois compostos de 7,53. De

modo similar, pode se inerir que a soluo D (relao 0,47) a ontede contaminao da amostra H (relao 0,40).

E qv

A quanticao dos analitos oi eita pelo mtodo de adio depadro interno, que consiste em adicionar uma quantidade conhecidade uma substncia (padro interno) na amostra a ser analisada e nopadro, relacionando ento as duas reas obtidas.14 O padro internoaumenta a preciso dos resultados ao minimizar as incertezas intro-duzidas especialmente pela injeo da amostra, mas tambm porvariaes de vazo e das condies da coluna.15-17 Neste experimentoo padro interno selecionado oi o n-propanol cujo tempo de retenoest depois do benzeno e n-butanol.

A Tabela 2 mostra os resultados obtidos dos atores de respostados analitos benzeno e n-butanol para os padres C e D e as concen-traes calculadas para as amostras W e H.

Concentraes nas amostras W e H

A determinao das concentraes de benzeno e n-butanol oieita a partir da adio de padro interno, no caso n-propanol, naconcentrao de 500 mg L-1. Para isso, a primeira etapa envolve aobteno do chamado ator de resposta (F) do detector para os doisanalitos, o qual denido como:18

(1)

onde AP

e CPso a rea de pico e concentrao de um padro do

analito (benzeno ou n-butanol), obtidos com os cromatogramas dassolues C ou D, enquantoA

PIe C

PIso a rea de pico e concentrao

do padro interno (n-propanol 500 mg L-1), respectivamente. De possedo ator de resposta, e reescrevendo a Equao 1, a concentrao doanalito na amostra pode ser calculada a partir da Equao 2:

(2)

onde Cx

a concentrao do analito X na amostra desconhecida, FX

o ator de resposta para este analito e AX

a sua respectiva rea depico, obtida dos cromatogramas das solues W ou H.

Embora teoricamente os atores de respostas obtidos nas soluespadres C e D devessem ser os mesmos, na prtica houve uma die-rena para o benzeno e n-butanol (Tabela 2). Essa variao ocorreuprovavelmente devido a dierenas entre as concentraes dos analitosnas solues C e D. Assim, o clculo das concentraes dos analitosnas solues das amostras W e H oi eito empregando os atores deresposta das solues de reerncia C e D, respectivamente.

As concentraes obtidas de benzeno e n-butanol nas amostras We H oram prximas aos dos valores esperados, conorme mostradona Tabela 2, indicando que o mtodo de padronizao interna oieciente na quanticao dos analitos. As concentraes de benzenoencontradas neste experimento so elevadas quando comparadas comalguns valores reportados na literatura.20 Porm, recentemente oramdivulgados acidentes desastrosos no Rio Songhua (China), onde ocorre-ram vazamentos de enormes quantidades de benzeno e nitrobenzeno.21Este acidente aetou o abastecimento de milhes de habitantes tendoum custo estimado de remediao de US$ 3,8 bilhes.22

conclusEs

O experimento proposto pode ser acilmente implementado em

laboratrios de ensino de graduao em Qumica e reas correlatas.Os pontos discutidos ornecem ao docente fexibilidade na aborda-gem didtica e despertam o interesse dos alunos na aplicabilidade

Figura 1. Cromatogramas obtidos da amostra W em comparao com a

soluo de reerncia C (1a) e amostra da amostra H em comparao com

a soluo de reerncia D (1b)

te 2. Resultados de reas e suas relaes, bem como as concentraes obtidas dos analitos benzeno e n-butanol

Soluoreas Relao

benzeno/n-butanolFator de Resposta

Concentrao das amostrasa

(mg L-1)

benzeno n-butanol PI benzeno n- butanol benzeno n- butanol

C 3328 444 241 7,49 19,7273 11,3724

W 1429 190 210 7,53 172,5 0,2 39,7 0,1

D 649 1377 196 0,47 18,8138 10,8418

H 304 741 191 0,40 42,3 0,3 178,9 0,5aAs concentraes esperadas de benzeno e n-butanol eram, respectivamente, 175 e 39,7 mg L -1 na amostra W e 44 e 162 mg L-1 na amostra H.


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da cromatograa gasosa. Neste experimento oi eita uma simulaode contaminao de benzeno em gua, pois em condies reais aconcentrao mxima de benzeno em gua potvel permitida pelalegislao de 5 g L-1 (CETESB).19

agradEcimEntos

Os autores agradecem FAPESP pelo apoio nanceiro.

rEErncias

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