Métodos clássicos de
Métodos clássicos de
separação
separação
Fernando Antonio Simas Vaz
Doutorando
1 Introdução:
1. Introdução:
Na grande maioria dos problemas analíticos reais,
devemos identificar e quantificar um ou mais
t
d
i t
l
componentes de uma mistura complexa.
O principal interesse na separação de espécies
químicas surge quando estas apresentam
propriedades semelhantes frente a uma análise
propriedades semelhantes frente a uma análise
qualquer, e por outro lado, possuem funções
distintas num ambiente ou organismo.
1. Introdução:
Finalidades: Finalidades:
2. Classificação das técnicas de separação
Base da técnica Técnicas de separação
Tamanho - Filtração
Tamanho Filtração
- Diálise
- Cromatografia por exclusão de tamanho Massa e densidade - Centrifugação
Formação de complexo - Mascaramento Mudança no estado físico - Destilação
- Sublimação - Recristalização - Recristalização Mudança no estado químico - Precipitação - Eletrodeposição - Troca iônica
2.1- Separação baseada no tamanho
A propriedade física mais simples que pode ser explorada em uma separação é o tamanho. A separação é realizada através de um meio poroso, no qual somente o analito ou o interferente pode passar.
2.1.1 – Filtração
Processo de separação onde a gravidade, sucção ou g pressão é usado para passar
a amostra por um filtro poroso. É a mais comum poroso. É a mais comum
técnica de separação utilizada baseada no
tamanho tamanho.
2.1- Separação baseada no tamanho
2.1.2 - Diálise
Uma membrana semi-permeável é usada para separar o analitop p p do interferente. Membranas de diálise são usualmente feitas de celulose, com porosidade de 1-5 nm. A amostra é colocada dentro de uma bolsa ou tubo construído com a membrana A membrana de diálise uma bolsa ou tubo construído com a membrana. A membrana de diálise contendo a amostra é colocada em um container preenchido com solução, a qual a composição difere da composição da amostra.
2.1- Separação baseada no tamanho
2.1.3 – Cromatografia por exclusão de tamanho
P ã l
Permeação em gel ou
cromatografia por exclusão molecular.
Uma coluna é preenchida com partículas porosas de ~10 µm,
formadas por ligação
formadas por ligação
intercruzada de dextrina ou
poliacrilamida.
Quanto maior o grau de ligação intercruzada menor é o tamanho dos poros
2.2 - Separação baseada na massa ou densidade:
Centrifugação
U d d há dif d d id d t lit
Usada quando há diferença de massa ou densidade entre analito e interferente.
• Partículas mais “pesadas” experimentam grandes forças • Partículas mais pesadas experimentam grandes forças centrífugas (inércia) Î alta taxa de sedimentação e são acumuladas no fundo do tubo de centrifugação.
• Para partículas de densidades iguais, a separação é baseada na massa;
1 Centrifugação diferencial
2.2
2.2 –– Centrifugação
Centrifugação
1. Centrifugação diferencial. A separação é obtida A separação é obtida principalmente com base no tamanho das partículas. Este tipo de separação é geralmente tipo de separação é geralmente utilizado para obtenção parcialmente pura de organelas subcelulares e macromoléculas.Condições para a separação de componentes celulares por Centrifugação.
Componentes Força centrífuga (x g) Tempo (min)
Células eucarióticas 1000 5
Membranas celulares núcleos 4000 10 Membranas celulares, núcleos 4000 10 Mitocôndrias, células bacterianas 15000 20 Lisossomos, membranas bacterianas 30000 30
2 C t if ã di t d d id d
2.2
2.2 –– Centrifugação
Centrifugação
2. Centrifugação por gradiente de densidade:
É o método preferido para purificar organelas subcelulares e É o método preferido para purificar organelas subcelulares e
macromoléculas.
Os gradientes de densidade podem ser gerados: 1) ao aplicar camada após camada do meio gradiente, tal como a sacarose ou 2) durante a centrifugação.
A amostra a ser separada é posta sobre a camada da solução ou ép p ç misturada e então centrifugada.
2.3 - Separação baseada em reações de
p
ç
ç
complexação (“mascaramento”)
• Técnica amplamente utilizada para prevenir a interferência nap p p determinação do analito.
• Consiste na formação de um complexo solúvel entre o interferente e um agente mascarante
agente mascarante.
• Mascaramento pode ser considerado como pseudo-separação.
• Uma ampla variedade de íons e moléculas têm sido utilizados comoUma ampla variedade de íons e moléculas têm sido utilizados como agentes mascarantes, dependendo da aplicação.
Agente mascarante Espécies que podem ser mascaradas
CN- Ag, Au, Cd, Co, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Pd, Pt, Zn
SCN- Ag, Cd, Co, Cu, Fe, Ni, Pd, Pt, Zn
NH33 Ag, Co, Cu, Fe, Pd, Ptg, , , , , F- Al, Co, Cr, Mg, Mn, Sn, Zn
2.3 - Separação baseada em reações de
complexação (“mascaramento”)
Exemplo:
Sugira um agente mascarante para análise de Al na presença de Fe.
2.4 - Separação baseada na mudança de estado
2.4 Separação baseada na mudança de estado
U lit i t f t l t tã
Uma vez que analito e interferente usualmente estão na mesma fase, a separação pode ser efetuada pela indução da mudança de estados físico ou químico de um deles.
• Mudanças no estado físico têm propósitos de separação que envolvem transições líquido-gás ou sólido-gás.
2.4
2.4 -- Separação baseada na mudança de estado
Separação baseada na mudança de estado
2 4 1 Mudança no estado físico
2.4.1. Mudança no estado físico
A) Amostra líquida:
Quando o analito e o interferente são líquidos
miscíveis, a separação baseada na destilação pode ser
possível se os pontos de ebulição são
possível se os pontos de ebulição são
2 4 1 Mudança no estado físico
2.4
2.4 -- Separação baseada na mudança de estado
Separação baseada na mudança de estado
2.4.1. Mudança no estado físico
A) Amostra líquida:
Destilação Simples
• Não produz separação
muito eficiente;
• É útil somente para
separação de líquidos
lát i
i t
d
voláteis misturados com
não-voláteis ou para
separações de líquidos com
separações de líquidos com
pontos de ebulição que
2.4
2.4 -- Separação baseada na mudança de estado
Separação baseada na mudança de estado
2 4 1 Mudança no estado físico 2.4.1. Mudança no estado físico
A) Amostra líquida:
Destilação Fracionada
• Destilação mais eficiente;
A
l
d
d til ã
é
• A coluna de destilação é
preenchida com materiais
de
grandes
áreas
de
grandes
áreas
superficiais (esponja de aço
ou gota de vidro).
• Com isso, o líquido de
maior PE terá dificuldade
para atravessar a coluna,
resultando na separação.
2.4
2.4 -- Separação baseada na mudança de estado
Separação baseada na mudança de estado
2.4
2.4 -- Separação baseada na mudança de estado
Separação baseada na mudança de estado
2 4 1 Mudança no estado físico 2.4.1. Mudança no estado físico
B) Amostra sólida:
Sublimação:
A
t
é
id
t
d t
t
ã
A amostra é aquecida em torno da temperatura e pressão
abaixo do ponto triplo.
O ólid
i
l
d lí id
O sólido vaporiza sem passar pelo estado líquido.
O vapor é então condensado para recuperar o sólido
purificado.
2.4
2.4 -- Separação baseada na mudança de estado
Separação baseada na mudança de estado
2 4 1 Mudança no estado físico 2.4.1. Mudança no estado físico
Liofilização ou criodessecação:
Liofilização ou criodessecação:
•É um processo de desidratação (remoção de água, por sublimação) usado para preservar a integridade de alimentos perecíveis (frutas,
) i í i ti b té i d õ líti
ovos, carnes), princípios ativos, bactérias, padrões analíticos.
•A amostra contendo água é congelada, a pressão do sistema é diminuída (vácuo) e a temperatura é gradativamente elevada
diminuída (vácuo) e a temperatura é gradativamente elevada. •A água é retirada, restando apenas amostra seca.
2.4
2.4 -- Separação baseada na mudança de estado
Separação baseada na mudança de estado
2 4 1 Mudança no estado físico 2.4.1. Mudança no estado físico
B) Amostra sólida:
Recristalização:
A amostra é dissolvida gradativamente em um mínimo volume de A amostra é dissolvida gradativamente em um mínimo volume de solvente.
O analito deve ser solúvel no solvente aquecido e minimamente solúvel no solvente frio.
2.4
2.4 -- Separação baseada na mudança de estado
Separação baseada na mudança de estado
2.4.2. Mudança no estado químico
A reatividade química pode ser usada como meio de
A reatividade química pode ser usada como meio de
separação através do efeito de mudança de estado
químico do analito ou interferente.
Precipitação
Eletrodeposição
Troca iônica
2.4
2.4 -- Separação baseada na mudança de estado
Separação baseada na mudança de estado
Precipitação
2.4.2. Mudança no estado químico
Precipitação:
Separações por precipitação requerem grandes diferenças de solubilidade entre analito e interferentes
solubilidade entre analito e interferentes.
Controle do pH: utilizam-se ácidos e bases fortes ou tampões. Íons metálicos.
Adição de precipitantes inorgânicos (sulfetos, hidróxidos, fosfatos, carbonatos, oxalatos, cloretos e sulfatos) e precipitantes orgânicos (dimetilglioxima, 8-hidroxiquinolina).
2.4
2.4 -- Separação baseada na mudança de estado
Separação baseada na mudança de estado
El t d
i ã
2.4.2. Mudança no estado químico
Eletrodeposição:
Método altamente útil para separações de metais.
A espécie reduzida mais facilmente (analito ou interferente) é isolada como fase separada, precipitada no mercúrio. fase separada, precipitada no mercúrio. As separações se tornam efetivas
quando se controla o potencial do eletrodo de trabalho.
2.4
2.4 -- Separação baseada na mudança de estado
Separação baseada na mudança de estado
T
iô i
2.4.2. Mudança no estado químico
Troca iônica:
Particularmente efetiva
quando as cargas do analito e do(s) interferente(s) são e do(s) interferente(s) são opostas.
Também utilizada para concentração.
2.5 - Separação baseada na partição entre fases
p
ç
p
ç
Extração
A mais importante classe de técnicas de separação é baseada na partição seletiva do analito ou interferente entre duas fases
imiscíveis. Quando a fase contendo o soluto S é mantida em contato com uma segunda fase, o soluto particiona entre as duas fases.g p
S
fase1S
fase2A constante de equilíbrio para a reação: A constante de equilíbrio para a reação:
[ ]
[ ]
2 1 fase fase D S S K =é chamada constante de distribuição ou coeficiente de partição.
S K é d ã l d f 1 f 2
[ ]
fase2Se KD é grande, então o soluto se move da fase 1 para a fase 2 com facilidade.
Se uma fase contendo dois solutos é colocada em contato com uma Se uma fase contendo dois solutos é colocada em contato com uma
2.5
2.5 -- Extração
Extração
A) Extração em fase sólida
A) Extração em fase sólida
A amostra passa através de um cartucho contendo um material adsorvente. Para amostras líquidas o sólido adsorvente é isolado ou entre adsorvente. Para amostras líquidas o sólido adsorvente é isolado ou entre um cartucho em forma de disco ou cartucho em forma de coluna. A escolha do adsorvente depende das propriedades do analito e da matriz.
Adsorventes para Extração em Fase-Sólida de amostras líquidas. Adsorvente Estrutura da
superfície
Propriedades e usos superfície
Sílica Retém espécies de polaridade baixa
a moderada de matrizes orgânicas. Vitaminas lipossolúveis e esteróides.
Al i R é é i hid fíli d
Alumina Retém espécies hidrofílicas de
matrizes orgânicas.
Cianopropil Pesticidas e peptídeos hidrofóbicos.
Diol Proteínas peptídeos e fungicidas
Diol Proteínas, peptídeos e fungicidas.
Octadecil (C-18)
Retém espécies hidrofóbicas de matrizes aquosas.
2.5
2.5 -- Extração
Extração
B) Extração sólido-gás
A amostra gasosa é passada por um compartimento contendo um adsorvente sólido
adsorvente sólido.
Exemplo:p
Análise de compostos orgânicos. A amostra é queimada em um fluxo de O2, e os gases produzidos pela combustão são passados através de uma série de adsorventes de fase sólida que removem através de uma série de adsorventes de fase sólida que removem
2.5
2.5 -- Extração
Extração
C) Extrações exaustivas ou contínuas
C 1) Extrator de Soxhlet (extração líquido sólido) C.1) Extrator de Soxhlet (extração líquido-sólido)
A extração exaustiva permite a A extração exaustiva permite a separação de componentes de uma mistura que tem razão de distribuição mistura que tem razão de distribuição relativamente desfavorável (<1).
Utiliza-se um sistema no qual o solvente q orgânico é automaticamente destilado,
condensado e forçado a passar ç p continuamente pela amostra.
2.5
2.5 -- Extração
Extração
C) Extrações exaustivas ou contínuas
C 2) Extração líquido gás C.2) Extração líquido-gás
• Esta técnica é utilizada para separar analitos voláteis de amostras líquidas nas quais os analitos serão subsequentemente líquidas, nas quais os analitos serão subsequentemente “aprisionados” em um adsorvente sólido.
•
Compostos orgânicos voláteis podem ser quantitativamentep g p q removidos de amostras líquidas mediante extração líquido-gás.2.5
2.5 -- Extração
Extração
C) Extrações exaustivas ou contínuas
C 3) Extração com fluido supercrítico C.3) Extração com fluido supercrítico
Quando uma substância é aquecida acima da temperatura e pressão crítica se forma um fluido supercrítico com propriedades intermediárias ao gás e ao líquido. Fluidos supercríticos são melhores solventes que os gases, tornando-se melhores reagentes para solventes que os gases, tornando se melhores reagentes para extrações. Adicionalmente, a viscosidade do fluido é significativamente menor que a do solvente líquido, permitindo maior contato com as partículas da amostra
2.5
2.5 -- Extração
Extração
D) Extrações Líquido-Líquido
A extração líquido-líquido é uma das mais importantes técnicas de separação usada em laboratórios ambientais, clínicos e industriais.
Em uma extração líquido-líquido simples o soluto é particionado entreç q q p p 2 fases imiscíveis. Na maioria dos casos uma fase é aquosa e a outra fase é um solvente orgânico.
A fase de maior densidade fica embaixo. O soluto, inicialmente presente na fase aquosa, após a extração estará presente nas duas fases.
2.5
2.5 -- Extração
Extração
A fi iê i d ELL é d t
i d
t t d
D) Extrações Líquido-Líquido
A eficiência da ELL é determinada por uma constante de
equilíbrio do soluto entre as fases. A eficiência também é
influenciada por reações secundárias envolvendo o soluto
influenciada por reações secundárias envolvendo o soluto,
como por exemplo: reações ácido-base e equilíbrio de
complexação.Î
p
ç
2.5
2.5 -- Extração
Extração
D) Extrações Líquido-Líquido
Coeficiente de distribuição (K
D) e Razão de distribuição (D)
S
(aq)S
(org)[ ]
[ ]
aq org DS
S
K
=
Quanto
MAIOR
K
Dextração do soluto
Mais favorável a
q
ç
2.5
2.5 -- Extração
Extração
Para uma avaliação da eficiência de extração, deve ser considerada a
t ã TOTAL ( líti ) d l t d f D fi R ã
D) Extrações Líquido-Líquido
concentração TOTAL (analítica) do soluto em cada fase. Define-se Razão
de distribuição, D, como:
[ ]
SQuando o soluto existe em somente uma forma em cada fase:
[ ]
[ ]
S orgaq TotalTotal SD
− −
=
Quando o soluto existe em somente uma forma em cada fase:
D
K D =
Se, no entanto, o soluto existe em mais de uma forma em uma das fases, então D e KD possuem valores diferentes:
[ ]
S2.5
2.5 -- Extração
Extração
D.1) Extrações Líquido-Líquido - Sem reação secundária
[ ]
S[ ]
S[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
D aq org Total aq Total org K S S S S D = = = − − 1 ) ( 1 ) ( 0 ) (aq n aq n org n = + (1) (2) ) ( 1 ) ( ] [ aq aq aq V n S = = = ) ( 1 ) ( ] [ org org org V n S ) ( 1 ) ( 0 ) ( org aq aq V n n − (3) (4) Substituindo (3) e (4) em (1): ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( ) ( 0 ) ( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 0 ) ( ] [ ] [ ] [ org aq aq aq aq aq aq aq org aq aq aq org V n V n V n V n V n n S S D = = − = − (5) ] [DV V n V n + = (aq)1 (aq)( )
q V n = = (7) Rearranjando, ] [( )
q (7)2.5
2.5 -- Extração
Extração
E
U
l
S
K
á
l
fó
i i
l 5 U
D.1) Extrações Líquido-Líquido - Sem reação secundária
Ex.: Um soluto S, tem K
Dpara água e clorofórmio igual a 5. Uma
porção de 50,00 mL de solução aquosa a 0,05M é extraída com
15 00 mL de clorofórmio
15,00 mL de clorofórmio.
A) Qual a eficiência da separação? (60%)
B) Qual a concentração final do soluto em cada fase?
) Q
ç
([S]aq = 0,02 M; [S]org = 0,1 M)
C) Qual o volume de clorofórmio é necessário para uma extração
de 99,9% do soluto? (9990 mL =
~10 L
)
2.5
2.5 -- Extração
Extração
D.2) Extrações sucessivas Líquido-Líquido -
Sem reação secundária( )
n(aq)1 V(aq) q = =( )
) ( ) ( 0 ) ( 1 aq org aq aq V DV n q + = =( )
n( ) V( )( )
) ( ) ( ) ( 1 ) ( 2 ) ( 2 aq org aq aq aq aq V DV V n n q + = =( )
( ) ( )
1 2 0 ) ( 2 ) ( 2 aq aq aq aq aq q q n n Q = = ⋅( )
2 ) ( ) ( ) ( 2 + = aq aq V DV V Q ) ( ) ( DV org +V aq( )
V n 60% 40% 16%( )
2.5
2.5 -- Extração
Extração
Ex : Para o exemplo descrito anteriormente determine:
D.2) Extrações sucessivas Líquido-Líquido -
Sem reação secundáriaEx.: Para o exemplo descrito anteriormente, determine:
a) A eficiência de extração para 2 extrações. (84%)
b) A eficiência de extração para 3 extrações. (93,6%)
c) O número de extrações requerida para uma eficiência de
)
ç
q
p
99,9% de extração do soluto. (mínimo = 8 Î 120,0 mL)
2.5
2.5 -- Extração
Extração
D.3) Extrações Líquido-Líquido - Envolvendo equilíbrio ácido - base
Se o soluto participa de uma reação de equilíbrio na
Se o soluto participa de uma reação de equilíbrio na
fase aquosa, então a razão de distribuição, D, e o
coeficiente de partição, K
D, não são iguais:
Fase aquosa Fase orgânica
2.5
2.5 -- Extração
Extração
D.3) Extrações Líquido-Líquido - Envolvendo equilíbrio ácido - base
[ ]
HA[ ]
HA[ ]
HA[ ]
[ ]
aq org D K HA HA =[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
[ ]
aq aq org Total aq Total org D -A HA HA HA HA + = = − − (1) (2)[ ]
aq aq aq aq aq aq K K ] O H HA ] A HA ] A ] O H 3 a -3 a + + = ⇒ = [ [ ] [ [ [ (3) Substituindo 3 em 2, temos:[ ]
HA =[ ]
org D HA[ ]
org D HA[ ]
[ ]
aq aq aq org K D ] [ ] [ + + = O H HA HA HA 3 a[ ]
+ = + aq aq K D ] [ 1 O H HA 3 a[ ]
[ ]
+ = + aq aq org K D ] [ 1 O H HA 3 a O H K K [ +]2.5
2.5 -- Extração
Extração
D.3) Extrações Líquido-Líquido - Envolvendo equilíbrio ácido - base
Ex.: Um soluto ácido, HA, tem Ka = 1,00 . 10-5 e um coeficiente de partição (K D)
entre água e benzeno igual a 3,00. Calcule a eficiência da extração quandog g ç q 50,00 mL a 0,025M de solução aquosa de HA é extraída com 50,00 mL de benzeno em:
a) pH 3,00 (75%) b) pH 5 00 (60%) b) pH 5,00 (60%) c) pH 7,00 (3%)
2.5
2.5 -- Extração
Extração
D.3) Extrações Líquido-Líquido - Envolvendo equilíbrio ácido - base
Dever de casa:
Prove que para bases, temos:
Onde: Ka é a constante de dissociação do ácido conjugado da base.
Fase Orgânica Fase Aquosa
2.5
2.5 -- Extração
Extração
D.4) Extrações Líquido-Líquido - Envolvendo complexação
Os compostos iônicos são dificilmente extraídos de soluções aquosas por solventes orgânicos em virtude da grande energia eletrostática de solvatação envolvida
solvatação envolvida.
A forma mais comum de se extrair uma espécie iônica da água é neutralizando a sua carga, através da formação de um complexo metálico neutralizando a sua carga, através da formação de um complexo metálico neutro.
Quanto maior e mais hidrofóbico for a espécie molecular resultante, melhor será a extração.
2.5
2.5 -- Extração
Extração
D.4) Extrações Líquido-Líquido - Envolvendo complexação
HQ = ligante não dissociado Q- = base conjugada do ligante
Fase Orgânica 2HQ MQ2 j g g Mn+ = metal MQn = complexo metal-ligante 2HQ KD1 KD2 Fase Aquosa 2HQ Ka K 2H+ + 2Q- + M2+ MQ 2 Kf
2.5
2.5 -- Extração
Extração
D.4) Extrações Líquido-Líquido - Envolvendo complexação
HQ(aq) HQ(org)
[ ]
[ ]
(1) aq org D K HQ HQ = 1 HQ(aq) + H2O H+ (aq) + Q-(aq)[ ]
(2) aq aq a K HQ ] [Q ] [H+ -= Mn+ ( ) + nQ-( ) MQ ( ) (3)[ ]
HQ aq n] [MQ aq f K =M (aq) + nQ (aq) MQn(aq) n - n (3)
] [Q ] [M aq aq f K + ] [MQ MQn(aq) MQn (org) (4) aq org D K ] [MQ ] [MQ n n = 2
2.5
2.5 -- Extração
Extração
Q Q
D.4) Extrações Líquido-Líquido - Envolvendo complexação
aq org aq aq org aq org C C D ] [M ] [MQ ] [MQ ] [M ] [MQ n n n n n + + + ≈ = = (5) Rearranjando as equações (2) e (3): (2) n n- n ] [Q ] [MQ ] [M aq f aq aq K = +
[ ]
aq aq a aq K ] [H HQ ] [Q -+ ⋅ =[ ]
n aq n aq n a n aq K ] [H HQ ] [Q -+ ⋅ = (3) substituindo q f aq aq n ] [H ] [MQ ] [MQ +2.5
2.5 -- Extração
Extração
D.4) Extrações Líquido-Líquido - Envolvendo complexação
[ ]
n[ ]
nnorg aq K HQ HQ = (1) (4) [MQn]org = KD2[MQn]aq Rearranjando as equações (1) e (4): Substituindo (4) e (6) em (5):[ ]
n D aq K 1 g q[ ]
n aq n aq n a f D n aq aq aq D aq org K K K K D ] [H HQ ] [H ] [MQ ] [MQ ] [M ] [MQ n n n n + + + = = ⋅ ⋅ ⋅ ≈ 2 2 (7)[ ]
n aq n a f K K ⋅ ⋅ HQ S b tit i d (1) (7)[ ]
n n K K K ⋅ ⋅ HQ Substituindo (1) em (7):[ ]
K K K HQ2.5
2.5 -- Extração
Extração
Para a escolha do solvente de extração adequado:
• Razão de distribuição elevada para os solutos e baixa para as impurezas;
impurezas;
• Fases orgânica e aquosa imiscíveis; • Viscosidade suficientemente baixa; • Viscosidade suficientemente baixa;
• Diferença de densidade em relação à fase aquosa, a fim de evitar formação de emulsões;ç ;
• Toxidez e inflamabilidade baixas;
• Facilidade de recuperação do soluto no solvente para oFacilidade de recuperação do soluto no solvente para o processamento analítico subseqüente.