ANÁLISIS DE METANOL, ETANOL Y PROPANOL EN AGUARDIENTE POR CG. Jhon David Cueltan Solarte, Cristian Arlenson Delacruz Laboratorios de química analítica III, Química analítica III, Departamento de Química, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Nariño. Marco teórico. 1. Criterios cromatograficos que se deben tener en cuenta para que la separación de metanol, etanol y propanol por cromatografía sea confiable. Principalmente existen dos criterios, uno es la diferencia de tiempos de elución de los respectivos picos cuando más distantes sean mejor será la separación, el otro factor es la anchura de los picos cuando más anchos sean los picos peor es la separación. Para analizar más profundamente esto se utilizan los siguientes parámetros. Resolución (R o Rs): Es un parámetro que expresa el grado de separación que se puede obtener en un sistema cromatográfico para dos componentes dados, se define como: Donde Rs es la resolución, tRA y tRB son los tiempos de retención de los componentes A y B, y aA y aB son las anchuras de los picos del cromatograma de los anteriores componentes. La resolución puede observarse directamente sobre el cromatograma. Se tendrá una buena resolución si los picos no se solapan, y está perfectamente delimitado cada pico, sin que coincida el final de uno con el principio del siguiente. Si el valor de la resolución está próximo a 0,7 se obtendrá una mala resolución quedando los picos solapados, de forma que se distinguen las crestas, pero no la base, y si el valor de la resolución está próximo a 1,5 se obtendrán unos picos bien delimitados por lo que se obtendrá una buena resolución. Una pobre resolución es debida principalmente a: • Hay demasiada muestra en la columna. • La columna o placa es corta. • La fase móvil no discrimina entre los componentes. • La columna es demasiado gruesa. Teniendo en cuenta los anteriores criterios, se medirá los tiempos de retención y las anchuras de las bandas, medida entre los cortes de las tangentes trazadas entre las porciones de mayor pendiente de la curva, se calculara los tres resoluciones entre los tres alcoholes. Difusión (D) Teóricamente una banda infinitamente estrecha en la entrada de la columna sale de ella en forma de una gaussiana, en situaciones menos ideales la banda se hace asimétrica a medida que sale. Una causa de esto es la difusión que es una medida del ensanchamiento de la banda y se define como: 𝐜= 𝐦 √𝟒𝛑𝐃𝐭 −𝐱 𝟐 𝐞 𝟒𝐃𝐭 Donde C (mol/m3) es el ensanchamiento de la banda cromatográfica por difusión, t es el tiempo y X es la distancia a lo largo de la columna a partir del centro actual de la banda (el centro de la banda es siempre X=0), D es el coeficiente de difusión y depende del disolvente y el soluto, m, son las moles. Desviación estándar de la banda, del ensanchamiento por difusión viene dado por: 𝞼 = √𝟐𝐃𝐭 Retención relativa o Factor de selectividad (α): Es la relación entre los tiempos de retención ajustados de dos componentes: Donde α es el factor de selectividad, t Ry y tRx son los tiempos de retención de los componentes x e y, y K x y Ky son los coeficientes de distribución de los componentes. Dependiendo del valor de α se tiene una idea aproximada de cómo será la separación cromatográfica: si α > 2 se obtiene una mala separación ya que son necesarios periodos muy largos para realizarla, en cambio sí 1< α <2 se obtiene una buena separación cromatográfica. Factor de capacidad (k´): Para cada pico de un cromatograma se define el factor de capacidad, el factor de capacidad relaciona volúmenes o tiempos de retención de un componente respecto a la fase móvil. El factor de capacidad es el cociente entre las probabilidades de encontrar una molécula determinada de soluto en la fase estacionaria o en la fase móvil, entre mayor sea el factor de capacidad mayor es el tiempo que retiene una columna un componente. A mayor factor de retención o factor de capacidad más buena es la separación pero también se incrementa el tiempo de elución y el ancho de la banda, una buena práctica es medir constantemente el factor de capacidad a un patrón y la eficacia (el número de platos teóricos) de la columna, donde cualquier cambio en estos indican una degradación de la columna. 2. procedimientos que se deben llevar acabo para evaluar la eficiencia de una columna cromatográfica: La altura del plato es una medida de la eficiencia de la columna. Si un soluto ha recorrido una distancia X, a una velocidad de flujo lineal Vx, el tiempo que ha estado en la columna es t=X/Vx 𝞼 = √𝟐𝐃𝐭 𝞼2 = 𝟐𝑫𝒕 𝒙 𝞼2 = 𝟐𝑫 𝞼 2 𝒗𝒙 𝑫 =𝟐 𝒙 𝒗𝒙 2D vx (H ) = m2 t m t2 𝞼2 = 𝑯𝒙 =m=𝐻 Esta expresión 𝞼2 𝒙 =𝑯 X es la distancia recorrida a representa la altura del plato través de la columna teórico Se considera a la altura del plato teórico como un término que relaciona la anchura de la banda con la distancia que ha recorrido atravez de la columna, cuando más pequeña es la altura del plato más estrecha es la banda. La capacidad de una columna para separar componentes de una mezcla mejora al disminuir la altura del plato. Se dice que una columna eficaz tiene más platos teóricos que una columna ineficaz. Los distintos solutos que pasan a través de una misma columna tienen diferentes alturas de plato teórico porque cada soluto tiene un coeficiente de difusión único. Para un soluto que sale que sale de una columna de longitud (L), el número de platos teóricos (N) en toda la columna es: 𝑁= 𝐿 𝐿 𝐿𝑋 𝐿2 16𝐿2 16𝑡𝑟 2 𝑡𝑟 2 = 2 = 2= 2= 2 = = 2 𝐻 𝜎 𝜎 𝜎 𝑤 𝑤2 𝜎 𝑋 Donde X=L y 𝜎 2 = 𝑤/4, donde w es la anchura de la base, medida entre los cortes de las tangentes trazadas entre las porciones de mayor pendiente de la curva. Según las unidades involucradas se tiene que el número de platos teóricos que tiene una columna es adimensional. A partir de esto y suponiendo que el pico de nuestra banda es simétrico, para medir la eficiencia de la columna en la separación de cada alcohol se propone medir los platos teóricos de cada alcohol utilizando los tiempos de retención o la longitud de la columna, la anchura de la base de la columna o la desviación estándar de la anchura de la columna calculada a partir del tiempo de retención y el coeficiente de difusión (𝞼 3. = √𝟐𝐃𝐭 ). Metodología para determinar metanol, etanol y propanol en aguardiente. Se va ha utilizar cromatografía de gases (GC), principalmente el método especifico es gas-liquido, mediante un Cromatógrafo de gases; el cual lo forman una serie de elementos, es un aparato sencillo. Consiste en una corriente de gas, que debe ser inerte, el Helio (He) o por economía nitrógeno como fase móvil. La salida del gas a unas 150-180 atm requiere de una serie de mano-reductores para controlar la presión, 2 o 3, en todos casos suficientes para que la presión no supere las 4 o 5 atm al llegar a la siguiente pieza, el inyector. Este es el encargado de introducir la muestra en la columna. Hay que reseñar que el volumen muerto del inyector debe ser el menor posible, con el fin de compactar lo más posible la muestra gaseosa y hacer que entre en la columna lo más junta posible, para así lograr una separación mucho más exacta. La columna puede ser de vidrio, pero se confecciona más habitualmente de otros materiales (cobre, aluminio, acero inoxidable) con un recubrimiento interno, el cual posee la fase estacionaria necesaria para realizar la separación de la mezcla; en nuestro caso se quiere utilizar un recubrimiento que puede ser de poli etilenglicol o de (5% fenil)-metilpolisiloxano, el cual es una película polimérica en la que el 5% de los átomos de silicio se encuentran enlazados con un anillo fenilo, obteniéndose una fase no polar que separa por interacciones de London. La columna se encuentra dentro de un horno, cuya función consiste en mantener la temperatura deseada, que depende del programa, a nosotros nos interesa utilizar una rampa de temperatura teniendo en cuenta que el punto de ebullición del metanos es de 64.7 °C, etanol 78.37 °C y propanol 97°C. A la salida de la columna se encuentra el detector, que es el encargado de mostrarnos la salida de los componentes, normalmente en gráficas en forma de picos conformando el cromatograma. El detector usado fue un detector FID (detector de ionización en llama) usado principalmente para compuestos orgánicos, el cual mezcla la muestra con hidrógeno y aire para luego quemar la composición y producir iones que se separan por una diferencia de potencial, detectando el número de átomos de carbono por unidad de tiempo. Materiales y reactivos Cromatógrafo de gases Fase estacionaria de poli etilenglicol o de (5% fenil)-metilpolisiloxano Gas inerte (nitrógeno, helio, hidrogeno) Metanol puro Etanol puro Propanol puro Butanol puro MTBE 15 balones aforados de 25 ml 2 balones aforados de 50 ml 2 balones aforados de 100ml 1 frasco lavador 3 pipetas graduadas de 10 ml 2 pipetas graduadas de 1 ml 3 vasos de precipitado de 100 ml Procedimiento curva de calibración. Se va a utilizar como patrón interno (1-butanol), se prepararan cinco estándares para realizar la curva de calibración, de la siguiente manera, se utilizaran patrones de cada alcohol a analizar, lo siguiente se realizara para cada alcohol. Para determinar metanol, se utilizaran cinco soluciones estándar preparadas así: (0.4, 0.8, 1.2, 1.6, 2) %v/v de metanol y 1-butanol aforando con agua en balones aforados de 25 ml, se realiza la respectiva medición en el Cromatógrafo para luego obtener las áreas de cada pico. Obtenido esto se realiza la gráfica, relación área metanol-butano en función de la concentración de metanol-butanol como se indica en el gráfico. Esto se realizara con cada alcohol a determinar con las mismas concentraciones utilizadas anteriormente utilizando el mismo estándar interno, de la misma forma se construirán las respectivas gráficas. Determinación de la concentración de alcoholes en aguardiente por el método del estándar interno. Después de esto se tomaran 12,5 ml de muestra a analizar y se aforaran a 25 ml con el estándar interno (1butanol). Se mide en el Cromatógrafo de gases y después se determinan las áreas de picos esto se realiza por duplicado. Después con ayuda de la ecuación de la curva de calibración y con los valores de las áreas obtenidas por el cromatograma se determina la concentración de metanol en aguardiente. A continuación se indican las ecuaciones involucradas. En su orden, ecuación de la curva de calibración, ecuación para encontrar la masa de analito y la ecuación para la concentración del analito en la muestra Preguntas a desarrollar 1. Determine la resolución, retención relativa o Factor de selectividad (α) y factor de capacidad. 2. Determine los platos teóricos en cada proceso y diga que columna es más eficiente 3. Encuentre las áreas de los picos para cada alcohol y construya la curva de calibración. 4. Que concentraciones se encontraron para cada alcohol.
