cromatografía de intercambio iónico

Cromatografía de
Intercambio Iónico
Química Analítica III
Bibliografía
• “Principios
de
Análisis
Instrumental”, D.A. Skoog, F.J.
Holler, T.A. Nieman, 5ª Ed., McGraw
Hill (2001)
• “Introduction to Modern Liquid
Chromatography”, L. R. Snyder, J. J.
Kirkland, 2nd Ed., John Wiley & Sons,
Inc. (1979)
• “Ion Chromatography”, J. Weiss, 2nd
Ed., VCH Publishers, Inc., New York,
NY (USA) (1995)
• “Ion Chromatography”, J.S. Fritz, D.T.
Gjerde, 3rd Ed., WILEY-VCH (2000)
CROMATOGRAFíA DE
INTERCAMBIO IÓNICO
Modalidad de cromatografía
líquido-sólido.
Mecanismo de separación:
Intercambio iónico.
Sustitución de una especie
iónica por otra, sin cambio
significativo en la estructura
del sistema
Tipos de compuestos a los que se aplica:
Compuestos iónicos
Solubles en agua
Se utiliza también para separar ácidos (HA)
y bases (B) orgánicos que se encuentren
ionizados en condiciones apropiadas de pH
El grado de ionización se controla variando
el pH de la fase móvil.
Un aumento del pH aumenta la ionización
de los ácidos y disminuye la ionización de
las bases.
El aumento en la ionización trae aparejado
un aumento en la retención cromatográfica
INTERCAMBIO IÓNICO
Fundamentos
 Los intercambiadores iónicos son redes
tridimensionales de macromoléculas con un
determinado número de cargas electrostáticas
fijas por unidad estructural.
 El proceso de intercambio se puede
representar con las siguientes ecuaciones:
R− − A+ + B + ⇔ R− − B + + A+
R + − A− + B − ⇔ R + − B − + A−
Con R simbolizamos la macromolécula insoluble en agua
y A y B son los contraiones móviles.
 El proceso de intercambio es: reversible en la
mayor parte de los casos, las reacciones se
llevan a cabo de acuerdo al principio de
electroneutralidad, en muchos casos el equilibrio
se alcanza sólo muy lentamente.
 Se puede llevar a cabo en forma estática (en
“batch”) o dinámica (CII).
CROMATOGRAFíA DE
INTERCAMBIO IÓNICO
Se basa en el equilibrio de los
iones de soluto entre el
solvente y los sitios cargados en
la FE.
La FE consta de una matriz (R)
con grupos funcionales
cargados y contraiones de carga
opuesta (M), susceptibles de
intercambiarse con especies de
la misma carga contenidas en la
FM (X)
R–A– M+ + X+ ↔ R–A–X+ + M+ (intercambio catiónico)
R–A+M– + Y– ↔ R–A+Y– + M– (intercambio aniónico)
INTERCAMBIO IÓNICO
Clasificación de los intercambiadores
Según su constitución
química
Inorgánicos
Orgánicos
 Entre
los intercambiadores inorgánicos se
encuentran zeolitas naturales y sintéticas, hidróxidos de
Cr (III) y de zirconilo (IV), fosfato de zirconio, sales de
heteropoliácidos, etc.. Se los emplea principalmente en
procesos relacionados con la energía nuclear, ya que son
estables a la radiactividad.
 Los
intercambiadores
naturales o sintéticos.
orgánicos
pueden
ser
 Los naturales son derivados de polisacáridos, poseen
tamaños de poro grandes y menor densidad de grupos
cargados. Entre ellos se encuentran la celulosa y el
dextrano. Por sulfonación u oxidación parcial de
sustancias celulósicas, se obtienen intecambiadores
catiónicos con grupos –OH, -COOH, -SO3H. Otros
intercambiadores macroporosos son los basados en la
agarosa y en la poliacrilamida.
 Las resinas sintéticas son los intercambiadores
más empleados y serán los que trataremos.
SÍNTESIS DE RESINAS
INTERCAMBIADORAS
 Se obtienen por copolimerización de estireno
y divinilbenceno.
 El contenido de DVB varía entre 1 y 16% para
aumentar la cantidad de enlaces cruzados y formar
una red tridimensional insoluble
Si se usa ácido metacrílico (en vez de estireno) se
obtiene un polímero con grupos carboxílicos
SÍNTESIS DE RESINAS
INTERCAMBIADORAS
Los anillos pueden modificarse para
producir una resina de intercambio
catiónico (-SO3H) o o una resina de
intercambio aniónico, con grupos
amonio (-NR+3)
Resinas de
intercambio iónico
Efecto del pH sobre la capacidad de resinas de intercambio
iónico
Tomado de C. D. Scott, en Modern Practice of Liquid
Chromatography, J. J. Kirkland, ed., Wiley-Interscience, New
York, 1971.
RESINAS DE INTERCAMBIO
IÓNICO
Propiedades
 Deben tener tamaño controlable y uniforme de
grano
 Resistencia química y física
 Estructura de gel hidrofílico (hinchable)
 Alta capacidad de intercambio
 Mantener estas características en el tiempo
Características físicas:
 El color de las perlas oscila desde el marrón al
casi
blanco,
dependiendo
entrecruzamiento.
del
grado
de
 Su densidad varía entre 1,2 y 1,4 g/mL cuando
están secas, y entre 1,1 y 1,3 g/mL cuando tienen un
50% de agua retenida.
 En la tabla se muestran los tamaños de grano más
comunes para las diferentes aplicaciones:
Aplicación
No cromatográfica
Cromatografía clásica
HPLC
Diámetro de partícula (mm)
0.3-0.15
0.15-0.075
0.075-0.04
0.01-0.001
Fases estacionarias
Peliculares
Perlas de vidrio o polímero, no porosas y
esféricas.
Sobre su superficie se deposita una capa
delgada y porosa de sílice, alúmina y una
resina de intercambio iónico
Micro-partículas
de sílice
Partículas de
sílice (tamaño
de poro, 10 nm)
RESINAS DE INTERCAMBIO
IÓNICO
Estabilidad
Se ven afectadas por la temperatura, pudiendo perder
entrecruzamiento o grupos ionogénicos
 Corrosión química: son estables a la acción de ácidos
y bases fuertes, pero son atacadas por agentes redox
potentes (como MnO4-)
 Las resinas de poliestireno son rápidamente
deterioradas por la radiactividad (no pueden usarse para
desionizar el agua de regrigeración de reactores
nucleares)
 Sufren desgaste mecánico por efecto de las altas
presiones en el modo HPLC
Capacidad
 Es el número de grupos ionogénicos por una cantidad
específica del intercambiador y puede definirse en peso o
en volumen
 La capacidad en peso (Qw) es el número de
miliequivalentes por gramo de resina seca, oscila entre
0.5 y 10 mEq/g para copolímeros estireno-DVB
 La capacidad en volumen (QV) es el número de
miliequivalentes por mililitro de resina húmeda
Capacidad de
intercambio
 Es el número de
grupos
ionogénicos
por
una
cantidad
específica
del
intercambiador y
puede definirse en
peso o en volumen
 La capacidad en
peso (Qw) es el
número de mEq/g
de resina seca
 La capacidad en
volumen (QV) es el
número
de
mEq/mL de resina
húmeda
Tipo de Capacidad
partículas
Peliculares 5-50 µEq/g
Microporosas
100-1000
µEq/g
Resinas
poliméricas
103-104
µEq/g
Las partículas
peliculares permiten
obtener valores de k´
menores y requieren
tamaños de muestra
menores
RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO
Determinación experimental de la capacidad
 Se realiza mediante una titulación
 Supongamos el caso de una resina
catiónica, inicialmente en estado protónico
R - - H + + Na + ⇔ R - - Na + + H +
RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO
Grado de entrecruzamiento
※ Está determinado por el %DVB en la copolimerización.
El %DVB se encuentra generalmente entre 6 y 8%
※ Notable influencia sobre las propiedades físicas
(porosidad, hinchamiento, resistencia mecánica) y de
intercambio (capacidad, selectividad)
※ Si el grado de entrecruzamiento es pequeño, la resina
se hincha considerablemente en agua (puede llegar a
disolverse)
※ Si el %DVB es alto, la resina es más sólida y de mayor
resistencia, presenta alta selectividad, tiene baja
porosidad, no se hincha con facilidad y tiene una menor
capacidad en peso
Porosidad
⊕ Parámetro muy importante para establecer la
capacidad, ya tanto los grupos externos como los
internos toman parte en el proceso de intercambio
⊕ El tamaño de los poros influye sobre la selectividad de
la resina, ya que si son demasiado pequeños habrá iones
que no puedan acceder a los sitios de intercambio dentro
de ellos (efecto tamiz)
⊕ Las resinas con mayor %DVB se hinchan menos y
tienen poros más pequeños, por lo cual son más
selectivas
RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO
Hinchamiento
 Las resinas cambian de volumen tomando
o cediendo solvente. Su estructura de gel
elástico les da una gran capacidad de
hinchamiento
 Dada la alta presión iónica dentro del
intercambiador, existe una presión osmótica
considerable. Esta presión osmótica, que
tiende a disminuir la concentración iónica
interna tomando solvente e hinchando la
resina, está en equilibrio con las fuerzas de
flexibilidad de la resina
 El grado de hinchamiento es inversamente
proporcional al grado de entrecruzamiento y
aumenta con la capacidad de la resina
Fundamentos de la
separación cromatográfica
+
+
+
R−H +M ⇔ R−M +H
+
La constante de equilibrio, llamada COEFICIENTE
DE SELECTIVIDAD viene expresada por:
[
]
[
]
M
H
R
M
EH = + +
[M ][H ]R
+
+
El coeficiente de selectividad representa la afinidad de la resina por los
iones M+, respecto a los iones H+
Cuanto mayor sea el valor de E, mayor será la tendencia a retener los
iones M+.
Reordenando:
+]
+]
[
[
M R
R
M H
EH
=
[H + ]ac [M + ]ac
CS
= KD
=
CM
Durante la elución, [H+]ac >> [M+]ac
La FE tiene una cantidad de sitios de
intercambio muy grande con relación al
número de iones M+ que interaccionan,
de modo que [H+]R >> [M+]R
Las concentraciones [H+]ac y [H+]R
permanecen prácticamente constantes
Coeficiente de
Selectividad
• El valor de E indica la afinidad de un
ion respecto a una resina en una
forma determinada
• Para facilitar la comparación entre
coeficientes de selectividad, se
tabulan estos datos referidos a H+
(para el intercambio de cationes) y a
Cl- (para el intercambio de aniones):
E cation
H
E anion
Cl
COEFICIENTES DE
SELECTIVIDAD
⋙ Dependen de: los iones intercambiados, el
tipo de intercambiador y la composición de la
solución.
⋙ Para un intercambiador dado, cuanto mayor
es la carga del ión, más retenido será. Para una
resina catiónica, el orden de retención será:
Na+ < Ca+2 < Al+3 <Th+4
Y para un intercambiador aniónico
Cl- < SO4-2 < PO4-3
⋙ Cuanto mayor sea el tamaño del ión, y por
lo tanto, esté menos hidratado, mayor será la
retención. En una resina sulfónica el orden de
afinidad será:
Li+ < H+ < Na+ < K+ = NH4+ < Rb+ < Cs+ < Tl+ < Ag+
Y para una resina aniónica Dowex 1:
OH- < F- < CH3COOH- < Cl- < HSO3- < Br- < NO3- < I-
EQUILIBRIO DEL INTERCAMBIO
IÓNICO
Coeficiente de Selectividad para resinas
catiónicas fuertes
M+
M+2
M+3
Ión metálico 4% DVB 8% DVB 16% DVB
0.68
Li
0.76
0.79
H
1.00
1.00
1.00
Na
1.20
1.56
1.61
NH4
1.44
2.01
2.27
K
1.72
2.28
3.06
Rb
1.86
2.49
3.14
Cs
2.02
2.56
3.17
Ag
3.58
6.70
15.60
UO2
0.79
0.85
1.05
Mg
0.99
1.15
1.10
Zn
1.05
1.21
1.18
Co
1.08
1.31
1.19
Cu
1.35
1.10
1.40
Cd
1.13
1.36
1.55
Ni
1.16
1.37
1.27
Mn
1.15
1.43
1.54
Ca
1.39
1.80
2.28
Sr
1.57
2.27
3.16
Pb
2.20
3.46
5.65
Ba
2.50
4.02
6.52
Cr
1.60
2.00
2.50
Ce
1.90
2.80
4.10
La
1.90
2.80
4.10
Afinidad de los cationes
• Aumenta con la carga
• A igualdad de carga, la afinidad es inversamente
proporcional al radio del ión hidratado
Li+(ac) < H+(ac) < Na+(ac)
< NH4+(ac) < K+(ac) <
Rb+(ac) < Cs+(ac) <
Ag+(ac) < Tl+(ac)
Mg2+(ac) < Ca2+(ac) <
Sr2+(ac) < Ba2+(ac)
Eluyente H2SO4 15.5
mM.
Picos:
1 = Li+ (0.05 mg/L)
2 = Na+ (2 mg/L)
3 = NH4+ (2.5 mg/L)
4 = K+ (5 mg/L)
5 = Mg+2 (2.5 mg/L)
6 = Ca+2 (5 mg/L)
EQUILIBRIO DEL INTERCAMBIO
IÓNICO
Coeficiente de Selectividad EaniónCl para
resinas aniónicas fuertes
Anión
Dowex 1 Dowex 2
OH0.09
0.65
F
0.09
0.13
NH2-CH2-COO0.10
0.10
CH3-COO
0.17
0.18
HCOO0.22
0.22
H2PO4
0.25
0.34
HCO30.32
0.53
Cl1.00
1.00
HSO31.30
1.30
CN1.60
1.30
Br
2.80
2.30
NO33.80
3.30
C6H5SO3
----4.00
HSO44.10
6.10
I
8.70
7.30
SCN---18.50
ClO4
---32.00
OH-C6H4-COO- 32.20
28.00
Afinidad de los aniones
F–< OH–< Cl– < CN– < Br– < NO3– < I– << SO42–
Depende de su grado de polarización.
En general, los aniones polivalentes tienen mayor
afinidad que los monovalentes
Entre aniones de la misma carga, los de mayor
tamaño presentan mayor afinidad.
COEFICIENTES DE SELECTIVIDAD
▩ El grado de entrecruzamiento afecta fuertemente la
selectividad, aumentándolo. Cuanto más alto el
%DVB más importante se vuelve el “efecto tamiz”, ya
que los iones grandes no podrán penetrar en los
poros.
▩ Las características del grupo intercambiador pueden
afectar las afinidades. Por ejemplo, en resinas ácidas
débiles, el protón es mucho más retenido que lo que
se predice por consideraciones de tamaño y se
observa: Na+ < Li+ < Mg+2 < Ca+2 < H+
▩ El efecto de la presencia de iones complejantes en la
solución externa es fundamental para que los mismos
puedan ser separados por CII en la mayor parte de los
casos. Para el caso de una resina intercambiadora de
aniones:
- n)M n + + xL− ⇔ ML(x
x
- n)- ⇔ R
−
(x - n)R - L + ML(x
ML
+
−
(
x
n
)
L
x
x
(x - n)
( x − n )−   −  x − n
ML x
 L 
 s
 
 r
E == 
( x − n )−   −  x − n

 L 
 ML
x
 r
 

 s






Procedimiento
cromatográfico
Una pequeña cantidad de solución de iones M+ se siembra en la
resina, todos los iones M+ reemplazarán a los iones H+ y quedarán
fijados en la parte superior de la columna formando una banda
adsorbida sobre la fase estacionaria.
Si E es grande, la banda será estrecha y concentrada.
Para desplazar la banda de iones M+ adsorbidos a lo largo de la
columna, puede utilizarse un ácido o una solución que contenga otro
catión.
La velocidad a la que se desplazará la banda de iones M+ depende del
pH del eluyente y del valor de E.
Dos iones con diferentes afinidades para la resina (diferentes valores
de E) se desplazarán a diferente velocidad y podrá tener lugar la
separación correspondiente.
La ecuación de van
Deemter en CI
H vs u para
una columna
aniónica
(IonPac AS4).
Analito:
SO42-
H vs u para
una columna
catiónica
(IonPac CS1).
Analito: K+
Instrumentación
Detectores de
conductividad
Tienen el inconveniente de
que requieren una elevada
concentración de electrolito
en la FM para eluir al analito
La conductividad de la FM
enmascara a la de los
analitos
Una solución: COLUMNAS
SUPRESORAS
inmediatamente después
de la columna analítica.
Relleno de resina de
intercambio iónico que
convierte los iones del
disolvente en especies
moleculares poco ionizadas
CI: Separación de aniones con columna
supresora
Los aniones se separan en una columna
rellena con una resina aniónica.
El eluyente puede ser una solución de
una base como NaOH o NaHCO3.
A continuación de la columna
“separadora” se coloca la columna
“supresora”, que convierte al eluyente en
un electrolito débil (agua o ácido
carbónico) de baja conductividad.
Los contraiones de la muestra pasarán a
ser protones en lugar de potasio.
El eluato es conducido a una celda de
conductividad
Los supresores actuales son membranas
intercambiadoras que pueden ser
regeneradas continuamente
CROMATOGRAFÍA DE
INTERCAMBIO IÓNICO
Aplicaciones
 Deionización del agua: las impurezas iónicas del
agua se pueden remover pasando el líquido a
través de una resina aniónica en su forma OH- y
una resina catiónica en su forma H+
2 R − H + + Cu 2 + →  R −  Cu 2 + + 2 H +
2

R´ + OH − + NO − → R´ + NO − + OH −
3
3
H2O
 Interconversión de sales:
intercambi ador
en forma OH




 CH CH CH  N + − I       → CH CH CH  N + − OH
3
2
2 4
3
2
2 4


 Concentración de trazas: a veces es necesario
concentrar un componente para poder hacer su
determinación. Por ejemplo, si se hace pasar un
gran volumen de agua a través de una resina
catiónica en su estado H+, se podrán concentrar
iones metálicos presentes en el agua.