Cromatografia gasosa 2019 1

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ANÁLISE ORGÂNICA INSTRUMENTAL 
Profª Maria Letícia Murta Valle 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
ESCOLA DE QUÍMICA
Cromatografia Gasosa
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CROMATOGRAFIA GASOSA
 Cromatografia gasosa é um método dinâmico de separação e detecção de compostos orgânicos voláteis e gases inorgânicos contidos em uma mistura
 Foi iniciada em 1950 e tem um amplo espectro de aplicações
Separação de misturas por interação diferencial dos seus componentes entre uma FASE ESTACIONÁRIA (líquido ou sólido) e uma FASE MÓVEL (gás)
PRINCÍPIO BÁSICO
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3
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ESQUEMA DE UM CROMATÓGRAFO TÍPICO 
APLICABILIDADE DA CG
DE FORMA GERAL: 
a CG é aplicável para separação e análise de misturas cujos constituintes tenham PONTOS DE EBULIÇÃO de até 300 oC e que sejam termicamente estáveis.
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O Cromatógrafo a Gás
1
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6
5
1 - Reservatório de Gás e Controles de Vazão / Pressão.
2 - Injetor (Vaporizador) de Amostra.
3 - Coluna Cromatográfica e Forno da Coluna.
4 - Detector.
5 - Eletrônica de Tratamento (Amplificação) de Sinal.
6 - Registro de Sinal (Registrador ou Computador).
Observação: as seções sinalizadas em vermelho são as que possuem a temperatura controlada.
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Gás de Arraste
É a Fase Móvel em CG: NÃO interage com a amostra - apenas a carrega através da coluna. 
Requisitos:
1 - INERTE: Não deve reagir com a amostra, fase estacionária ou superfícies do instrumento.
2 - PURO: Deve ser isento de impurezas que possam degradar a fase estacionária.
Impurezas típicas em gases e seus efeitos:
oxida / hidroliza algumas FE
incompatíveis com DCE
H2O, O2
hidrocarbonetos
ruído no sinal de DIC
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Gás de Arraste
Requisitos:
3 – CUSTO: Gases de altíssima pureza podem ser muito caros.
CUSTO
PUREZA
A
B
C
A = 99,995 % (4.5)
B = 99,999 % (5.0)
C = 99,9999 % (6.0)
4 - COMPATÍVEL COM DETECTOR: Cada detector demanda um gás de 
arraste específico para melhor funcionamento.
Seleção de Gases de Arraste em Função do Detector:
He , H2
DCT
DIC
N2 , H2
DCE
N2 (SS), Ar + 5% CH4
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Gases Típicos de um CG com Detetor FID
Hidrogênio 
Ar Sintético 
Nitrogênio
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Distribuição dos Gases: montagem das válvulas
Pressão no sistema: 20 a 100 psi, como a pressão dos cilindros varia entre 2000 psi a 2500 psi são necessários redutores de pressão. 
Umidade: para a redução da umidade são usados traps de sílica e/ou penerira molecular
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Injetor “on-column” Convencional
1
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3
4
1 - Septo (silicone)
2 - Alimentação de gás de arraste)
3 - Bloco metálico aquecido
4 - Ponta da coluna cromatográfica
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Injeção “on-column” de líquidos
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2
3
Capacidades típicas das seringas:
LÍQUIDOS: 1 L, 5 L e 10 L
GASES: 1mL a 10 mL
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Injetor “on-column” Convencional
êmbolo
corpo (pirex)
agulha (inox 316)
Microseringa de 10  L:
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Injetor: Parâmetros de Injeção
A- TEMPERATURA DO INJETOR Deve ser suficientemente elevada para que a amostra se vaporize imediatamente, sem decomposição
Regra Geral: Tinj = 50oC acima da temperatura de ebulição do componente menos volátil
B - VOLUME INJETADO Depende do tipo de coluna e do estado físico da amostra
COLUNA
Amostras
Gasosas
Amostras
Líquidas
empacotada
 = 3,2 mm (1/4”)
0,1 ml ... 50 mL
0,2 L ... 20 L
capilar
 = 0,25 mm
0,001 ml ... 0,1 mL
0,01 L ... 3 L
Sólidos: dissolve –se em um solvente adequado e injeta-se a solução
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Colunas: Definições Básicas
EMPACOTADA
 = 3 a 6 mm
L = 0,5 m a 5 m
Recheada com sólido pulverizado (FE sólida ou FE líquida depositada sobre as partículas do recheio)
CAPILAR
 = 0,1 a 0,5 mm
L = 5 m a 100 m
Paredes internas recobertas com um filme fino (fração de  m) de FE líquida ou sólida
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Injeção da Amostra
O injetor pode trabalhar na forma “splitless”: toda a amostra é passa pela coluna ou da forma “split” onde parte da amostra vai para o vent. 
RS = (fluxo da amostra para o vent + fluxo da coluna)/ fluxo na coluna 
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Injetores com divisão (“splitters”)
1
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1 - Septo;
2 - Entrada de gás de arraste;
3 - “Liner” (misturador);
4 - Coluna Capilar
5 - Purga de gás de arraste;
6 - Válvula de controle de purga.
Sistema pneumático despreza fração da amostra injetada
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Temperatura da Coluna
O CONTROLE DA TEMPERATURA DA COLUNA É ESSENCIAL PARA UMA BOA SEPARAÇÃO
TEMPERATURA DA COLUNA
O forno da coluna deve possuir:
AMPLA FAIXA DE TEMPERATURA DE USO
TEMPERATURA INDEPENDENTE DOS
 DEMAIS MÓDULOS
TEMPERATURA UNIFORME EM SEU INTERIOR
AQUECIMENTO E ESFRIAMENTO RÁPIDO
TEMPERATURA ESTÁVEL E REPRODUTÍVEL
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Vista do Forno 
Coluna 
Capilar 
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Programação Linear de Temperatura
Misturas complexas (constituintes com volatilidades muito diferentes) separadas ISOTERMICAMENTE:
TCOL BAIXA:
Componentes mais voláteis são separados
Componentes menos voláteis demoram a eluir, saindo como picos mal definidos
TCOL ALTA:
Componentes mais voláteis não são separados
Componentes menos volá-teis eluem mais rapidamente
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Programação Linear de Temperatura
A temperatura do forno pode ser variada linearmente durante a separação:
Consegue-se boa separação dos componentes da amostra em menor tempo
Parâmetros de uma programação de temperatura:
TINI Temperatura Inicial
TFIM Temperatura Final
tINI Tempo Isotérmico Inicial
tFIM Tempo Final do Programa
R Velocidade de Aquecimento
TEMPO
TEMPERATURA
tINI
tFIM
TINI
TFIM
R
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Detectores
Dispositivos que examinam continuamente o material eluido, gerando sinal quando da passagem de substâncias que não o gás de arraste
Gráfico Sinal x Tempo = CROMATOGRAMA 
Idealmente: cada substância separada aparece como um PICO no cromatograma.
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Detectores
Os detetores mais importantes são:
DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA (DCT OU TCD) Variação da condutividade térmica do gás de arraste.
DETECTOR POR IONIZAÇÃO EM CHAMA (DIC OU FID) Íons gerados durante a queima dos eluatos em uma chama de H2 + ar.
DETECTOR POR CAPTURA DE ELÉTRONS (DCE OU ECD) Supressão de corrente causada pela absorção de elétrons por eluatos altamente eletrofílicos.
REGISTRO
DE
SINAL
DIGITAL
Integradores
Computadores
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Tempo de Retenção
tR
tM
tR’ = tR - tM
TEMPO
SINAL
tR = Tempo de Retenção (tempo decorrido entre a injeção e o ápice do pico cromatográfico)
tM = Tempo de Retenção do Composto Não-Retido (tempo mínimo para um composto que não interaja com a FE atravesse a coluna)
tR’ = Tempo de Retenção Ajustado (tempo médio que as moléculas do analito passam sorvidas na FE)
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Eficiência de Sistemas Cromatográficos
EFICIÊNCIA: Capacidade de eluição com o mínimo de dispersão do analito.
Efeitos do alargamento excessivo de picos:
Separação deficiente de analitos com retenções próximas.
Picos mais largos e menos intensos = menor detectabilidade
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Colunas: fases estacionárias
LÍQUIDOS Depositados sobre a superfície de: sólidos porosos inertes (colunas empacotadas) ou de tubos finos de materiais inertes (colunas capilares)
FE
líquida
SUPORTE
Sólido inerte poroso
Tubo capilar de material inerte
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Colunas: fases estacionárias
Para minimizar a perda de FE líquida por volatilização, normalmente ela é:
Entrecruzada: as cadeias poliméricas são quimicamente ligadas entre si
Quimicamente ligadas: as cadeias poliméricas são “presas” ao suporte por ligações químicas
SÓLIDOS Colunas recheadas com material finamente granulado (empacotadas) ou depositado sobre a superfície interna do tubo (capilar)
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Colunas: fases estacionárias
A fase estacionária deve ser SELETIVA ou seja interagir diferentemente com os componentes da amostra.
FE Seletiva: separação adequada dos constituintes da amostra
FE pouco Seletiva: má resolução mesmo com coluna de boa eficiência
 AMPLA FAIXA DE TEMPERATURAS
 DE USO
 BOA ESTABILIDADE QUÍMICA E 
 TÉRMICA 
 BAIXA VISCOSIDADE
 DISPONÍVEL EM ELEVADO GRAU
 DE PUREZA
Outras características:
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Colunas: fases estacionárias
Fase estacionária Líquida:
A retenção é baseada na diferença de solubilidade
Existem fasespolares e não polares
As fases mais comuns são metil e fenilpolisiloxanos
Fase estacionária Sólida:
A retenção é baseada na diferença de adsorção entre o sorvato (componente da mistura) e o solvente (sólido) 
A seletividade depende da natureza química e estrutura dos poros do solvente e do peso molecular, estrutura eletrônica e geometria dos sorvato
Fases mais comuns são peneiras moleculares, óxido de alumínio e polímeors porosos
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Fase estacionária sólida: aplicação
Principais Aplicações:
- Separação de gases fixos
- Compostos leves
- Séries homólogas
GASES DE REFINARIA
Coluna:Carboxen-1000 60-80 
mesh; 15’ x 1/8”
TCOL: 35oC a 225oC / 20oC. min-1
Gás de Arraste: He @ 30 ml.min-1
Detector: TCD
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Fase estacionária líquida: aplicação
Maior parte das aplicações em CG moderna
ÉSTERES METÍLICOS DE ÁCIDOS GRAXOS
Coluna:5%DEGS-PS s/ Supel-coport 100/120 mesh; 6’ x 1/8”
TCOL: 200oC (isotérmico)
Gás de Arraste: N2 @ 20 ml.min-1
Detector: FID
Amostra: 0,5 mL de solução em clorofórmio contendo 0,5 mg de cada éster
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FASES ESTACIONÁRIAS: Famílias de FE Líquidas
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COLUNAS EMPACOTADAS: Definições Básicas
Tubo de material inerte recheado com FE sólida granulada ou FE líquida depositada sobre suporte sólido.
MATERIAL
DO
TUBO
ø = 3 mm a 6 mm
L = 0,5 m a 5 m
aço inox
vidro pirex
níquel
TEFLON
Granulometria
do
recheio
80 - 100 mesh
149 - 177 mm
100 - 120 mesh
125 - 149 mm
60 - 80 mesh
177 - 250 mm
MESH
dp
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COLUNAS EMPACOTADAS
FE Líquidas: Suporte
Ordem crescente
de inércia
Tratamentos especiais:
AW Lavado com ácido, para remoção de metais
HP ou DMCS ou HDMS Silanizados (menor adsorção)
NAW Sem lavagem com ácido
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COLUNAS CAPILARES
Tubo fino de material inerte com FE líquida ou sólida depositada sobre as paredes internas
MATERIAL
DO
TUBO
ø = 0,1 mm
a 0,5 mm
L = 5 m
a 100 m
sílica fundida
vidro pirex
aço inox
Nylon
Silcosteel
Colunas de sílica são revestidas externamente com camada de polímero (poliimida) para aumentar resistência mecânica e química
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COLUNAS CAPILARES
Colunas Capilares x Empacotadas:
CAPILARES
 L =  N Colunas mais eficientes
FC = 1 ... 10 mL.min-1 Controle de vazão mais difícil
 Vi Dispositivos especiais de injeção
Famílias de Colunas Capilares :
PLOT (Porous layer open tube) Camada de FE sólida presa às paredes internas
SCOT (Support coated open tube) Predes internas revestidas com material de recheio similar ao das colunas empacotadas
WCOT (Wall coated open tube) FE liquida deposida (ligada // entrecruzada) sobre as paredes internas.
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DETECTORES: Definições Gerais
Dispositivos que geram um sinal elétrico proporcional à quantidade eluida de um analito
4 respondem pela maior parte das aplicações
DCT TCD
Detector por
Condutividade
Térmica
DIC FID
Detector por
Ionização em
Chama
DCE ECD
Detector por
Captura de
Eletrons
EM MS
Detector Es-pectrométrico de Massas
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DETECTORES:
Fatores que precisam ser considerados na escolha de um detetor:
Seletividade: capacidade de reconhecer e responder ao componente de interesse. Nem todos os detetores respondem a todos os componentes.
Sensibidade: é o nível de concentração que pode se detectado, ou seja, é a mudança na resposta em função da quantidade detetavel. 
o mesmo incremento de massa causa um maior incremento de área
Sensibilidade
S
Na ausência de erros determinados:
A = área do pico cromatográfico
m = massa do analito
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DETECTORES: Classificação
UNIVERSAIS:
Geram sinal para qualquer
substância eluida.
SELETIVOS:
Detectam apenas substâncias
com determinada propriedade
físico-química.
ESPECÍFICOS:
Detectam substâncias que
possuam determinado elemento
ou grupo funcional em suas
estruturas
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Detector por Condutividade Térmica
PRINCÍPIO Variação na condutividade térmica do gás quando da eluição de um analito.
A taxa de transferência de calor entre um corpo quente e um corpo frio depende da condutividade térmica do gás no espaço que separa os corpos
Se a condutividade térmica do gás diminui, a quantidade de calor transferido também diminui - o corpo quente se aquece.
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Detector por Condutividade Térmica
Cela de Detecção do DCT:
1
2
3
5
4
i
1 Bloco metálico (aço)
2 Entrada de gás de arraste
3 Saída de gás de arraste
4 Filamento metálico (liga W-Re) aquecido
5 Alimentação de corrente elétrica para aquecimento do filamento
FATORES DE RESPOSTA Quanto menor a condutividade térmica do analito, maior o sinal.
Quantidades iguais de substâncias diferentes geram picos cromatográficos com áreas diferentes 
Os fatores de resposta dependem da condutividade térmica do analito
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Detector por Condutividade Térmica
V Fonte de CC / Bateria (18 V a 36 V, típico)
F Ajuste da corrente nos filamentos
I Medida da corrente nos filamentos (100 mA - 200 mA, típico)
B1 B2 Balanceamento / ajuste de zero
R1 R2 Filamentos das celas de referência
A1 A2 Filamentos das celas de amostra
Os filamentos do DCT são montados numa ponte de Wheatstone
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DETECTORES DCT: Aplicações
1 Separação e quantificação de compostos que não geram sinal em outros detectores (gases nobres, gases fixos)
Coluna: CP Sil 5CB
(50 m x 0.32 mm x 5 µm)
Gás de Arraste: He @ 3 ml.min-1
TCOL: 40°C
Detector: DCT
1 N2		2 CH4
3 CO2		4 n-C2
5 NH3		6 n-C3
7 i-C4		8 n-C4
Separação de Gases Fixos e Hidrocarbonetos:
2 Por ser um detector não-destrutivo, pode ser usado em CG preparativa ou detecção sequencial com dois detectores.
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DETECTORES: Detector por Ionização em Chama
PRINCÍPIO Formação de íons quando um composto é queimado em uma chama de hidrogênio e oxigênioCC
COLETOR
FLAME TIP
BLOCO
AR
H2
COLUNA
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DETECTORES: Detector por Ionização em Chama
O ar e o H2 difundem para o interior do coletor, onde se misturam ao efluente da coluna e queimam:
Uma diferença de potencial elétrico é aplicada entre o flame tip e o coletor - quando se formam íons na chama, flue uma corrente elétrica:
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Vista do detector FID
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Características Operacionais do DIC
SELETIVIDADE Seletivo para substâncias que contém ligações C-H em sua estrutura química.
Compostos que NÃO produzem resposta no DIC:
Gases nobres
H2, O2, N2
CO, CO2, CS2
CCl4, peralogenados
NH3, NxOy
SiX4 (X = halogênio)
H2O
HCOOH, HCHO *
SENSIBILIDADE / LINEARIDADE Dependendo da configuração particular e do analito: QMD = 0,4 ng a 1 ng com linearidade de 104 (ng - dezenas de ug)
DIC
DCT
N2
CH4
CO2
O2
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Características Operacionais do DIC
VAZÕES DE GASES Além do gás de arraste, as vazões de alimentação de ar (comburente) e hidrogênio (combustível) devem ser otimizadas.
Gráficos Sinal x Vazão de Gases típicos:
SINAL
150
300
450
600
15
30
45
60
AR
H2
FATORES DE RESPOSTA O fator de resposta de um determinado composto é aproximadamente proporcional ao número átomos de carbono. Presença de heteroelementos diminui o fator de resposta.
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Fator de resposta: FID
C2H6  NEC = 2,00 
C2H5OH  NEC = 1,40 
CH3CHO  NEC = 1,00 
Mistura com quantidades equimolares de:
Número Efetivo de Carbonos (NEC) Prevê com ~20% de aproximação o fator de resposta de um composto.
(X = Contribuição de cada átomo ao NEC)
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ANÁLISE QUALITATIVA:Tempos de Retenção
t’R = f
Interações analito / FE
Pressão de vapor do analito
Condições operacionais (TCOL, FC ...)
Fixas as condições operacionais, o tempo de retenção ajustado de um analito é uma constante
AMOSTRA
PADRÃO
Comparação de cromatogramas da amostra e de uma solução padrão do analito suspeito
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ANÁLISE QUALITATIVA:Tempos de Retenção
Comparação de t’R usando dopagem (“spiking”) da amostra com o analito suspeito: aumento da confiabilidade de identificação.
Amostra complexa: incerteza nos t’R medidos pode levar a identificação errônea
Comparação com cromatograma da amostra dopada permite identificação mais confiável do desconhecido
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ANÁLISE QUANTITATIVA 
50
ANÁLISE QUANTITATIVA
% a partir das áreas
Misturas padrões 
% do componenteC14
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Questões : CG
 1. Quais são as vantagens e desvantagens das colunas de CG empacotadas e capilares?
2. Por que as colunas capilares fornecem maior resolução do que as colunas empacotadas?
3. Explique brevemente como a programação da temperatura melhora a eficiência de separação em cromatografia gasosa.
4. Que tipo de moléculas são detectáveis usando um detector de ionização de chama?
5. Qual é a função da fase móvel em cromatografia gasosa?
DETECTORES
DCE: Aplicações
Contaminantes em ar atmosférico - detecção paralela DIC + DCE
1, 2, 3 - Hidrocarbonetos aromáticos 4, 5, 6 - Hidrocarbonetos clorados
Coluna: HP-1 (10 m x 0.10 mm x 0.40 μm)
TCOL: 35°C / 40°C min-1 / 0,75 min A 310°C
Gás de Arraste: He @ 90 ml.min-1 Detector: FID
Destilação simulada de óleo diesel:
COLUNAS CAPILARES
“Fast GC”: Colunas Capilares Finas
Substituintes
Nomes Comerciais
Observações
-
-
SE-30 OV-1 OV-101 SP-2100
mais apolares da série
pouco seletivas
carborano ?
-
Dexsil 300GC
similar a PDMS
estável até > 400oC
fenil 5 %
-
SE-52 SE-54 OV-3 OV-5 OV-73
pouco polar
cianopropil 7%
fenil 7%
OV-1701 SPB-7 CP-Sil 19CB
moderadamente polar
fenil 50 %
-
OV-17 SP-2250 HP-50+ SPB-50
moderadamente polar
retém aromáticos
trifluoropropil 50%
-
OV-210 QF-1
moderadamente polar
retém compostos carbonílicos
cianopropil 50%
fenil 50%
OV-225 SP-2300 CP-Sil 43CB
polar
retem doadores de elétrons
cianopropil 100%
-
SP-2340 SP-2330 Silar-9 CP
altamente polar
Plan1
	
	
	
	
	
	
		Área Superficial	Densidade Aparente	Tamanho de Poro	% Máx. de FE
	NOME
	Chromosorb P	4,0	0,47	0,4 - 2	30
	Chromosorb W	1,0	0,24	8 - 9	15
	Chromosorb G	0,5	0,58	-	5
Plan2
	
Plan3
	
Átomo
X
C alifático
+1,00
C aromático
+1,00
C olefiníco
+0,95
C carbonila
+0,00
O álcool prim.
-0,60
Cl alifático
-0,12