Supercritical fluid in analytical chemistry. I. Supercritical fluid chromatography: thermodynamic definitions

Quimica nova

Lanças, Fernando M.¹  Tavares, Maria Cecília H.¹  Carrilho, Emanuel¹ 

[1] Universidade de São Paulo, São Carlos

关键词: supercritical fluid;    supercritical fluid chromatography;    thermodynamic definitions.  ;     ;    INTRODUÇÃO Apesar da descoberta do grande poder de solubilização dos fluidos supercríticos ter ocorrido no final do século XIX1;    seu uso em química;    e particularmente em química analítica;    somente se verificou quase um século depois;    no final do século XX2. Ainda assim;    o uso de fluidos supercríticos em química analítica tem sido extremamente modesto no Brasil;    fato não justificado considerando-se o enorme potencial de aplicação dos mesmos em várias técnicas;    destacando-se a cromatografia com fluido supercrítico (SFC;    do inglês supercritical fluid chromatography) e a extração com fluido supercrítico (SFE;    do inglês supercritical fluid extraction). Nesta série de artigos pretende-se discutir a evolução histórica;    principais características;    instrumentação;    potencial e limitações do uso de fluidos supercríticos em química analítica;    principalmente as técnicas de cromatografia e extração com fluido supercrítico. Quando um composto é confinado em um espaço determinado;    gás e líquido estão em equilíbrio entre si. Aquecendo-se o sistema;    as propriedades intrínsecas de ambos convergem para um mesmo ponto até serem idênticas (por exemplo;    densidade;    viscosidade;    índice de refração;    condutividade térmica;    etc.). Este ponto é denominado ponto crítico3;    e nele acaba-se a interface gás/líquido;    pois a partir deste ponto encontra-se uma única fase supercrítica. Fluido supercrítico é portanto toda substância que se encontrar em condições de pressão e temperatura superiores aos seus parâmetros críticos. Essa região é melhor visualizada no diagrama de fases da Figura 1. ;    Hannay e Hogarth1 foram os primeiros a descobrir o grande poder de solvatação dos fluidos supercríticos quando estudaram a solubilidade de cloretos metálicos em etanol supercrítico. Apenas 10 anos após o advento da cromatografia gasosa por James e Martin4 em 1952;    a utilização de fluidos no estado supercrítico foi postulada e demonstrada por Klesper;    Corwin e Turner5. Sob o ponto de vista cromatográfico;    as propriedades físico-químicas de um fluido supercrítico são intermediárias àquelas dos gases ou dos líquidos e;    muitas vezes;    se aproximam às melhores características de cada um como;    por exemplo;    o alto poder de solvatação de um líquido e a baixa viscosidade de um gás. As definições termodinâmicas e principais características físico-químicas de um fluido supercrítico serão discutidas a seguir.  ;    EVOLUÇÃO HISTÓRICA O desenvolvimento e a consolidação da cromatografia com fluido supercrítico tem sido precedida de vários desenvolvimentos maiores na tecnologia de separação. Em 1952;    James e Martin4 introduziram a cromatografia gás-líquido. Pouco depois;    Golay6 introduziu o uso de colunas de tubo aberto (capilares) em cromatografia gasosa;    re-escrevendo algumas equações clássicas em cromatografia. Devido à baixa viscosidade da fase móvel gasosa e à baixa resistência ao fluxo apresentadas pelas colunas tubulares abertas;    uma pequena queda de pressão foi observada através de toda extensão da coluna capilar. Então;    colunas de grande comprimento puderam ser utilizadas;    gerando um elevado número de pratos teóricos;    o que passou a permitir a análise de amostras mais complexas. Desde sua introdução nos anos 50 a cromatografia gasosa (GC;    do inglês gas chromatography) teve grande aceitação para análises de compostos orgânicos voláteis. A busca de fases móveis líquidas para análise de compostos não voláteis e polares em cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE;    mais conhecida como HPLC;    do inglês high performance liquid chromatography) começou em meados de 1960. Com base nos princípios de partição líquido-líquido descritos por Martin e Synge7 e na cromatografia de adsorção desenvolvida por Tswett8;    a HPLC apresenta a vantagem do aumento da força de solvatação na separação de compostos antes não separáveis por GC. Os aspectos básicos em separações envolvendo HPLC podem ser encontrados na obra clássica de Snyder e Kirkland9. A principal diferença entre cromatografia gasosa (GC) e cromatografia líquida (LC) provém da dissimilaridade existente na densidade dos gases e líquidos;    respectivamente empregados como fase móvel. A baixa densidade dos gases;    em contraste com a alta densidade dos líquidos;    resulta em um maior coeficiente de difusão;    conduzindo a uma maior eficiência e a análises mais rápidas. Por outro lado;    os gases possuem poder de solvatação limitado devido a sua baixa densidade;    não podendo ser usados em análises de compostos não voláteis10. Admitindo a necessidade de uma fase móvel com características fisico-químicas intermediárias entre gases e líquidos;    Klesper;    Corwin e Turner5 postularam e demonstraram a praticabilidade do uso de fluido supercrítico como fase móvel. Sie e Rijnders11-14 desenvolveram extensa pesquisa sobre a nova técnica;    onde avaliaram alguns parâmetros cromatográficos em diferentes sistemas. Em 1981 Lee e Novotny2 introduziram as colunas capilares em SFC. Isto desenvolveu a técnica de colunas recobertas com filme imobilizado;    visto que um dos primeiros problemas encontrados pelos pioneiros foi a extração do filme líquido do suporte estacionário em colunas empacotadas (ou recheadas). Outra vantagem mostrada pelos autores foi a utilização da programação de pressão/densidade em sistemas de colunas de tubo aberto;    pois este não apresenta o efeito adverso da queda de pressão observado em colunas empacotadas. A combinação destes e outros avanços em cromatografia;    em conjunto com o aprimoramento da instrumentação e de sistemas de alta pressão;    tornaram viável a SFC.  ;    ASPECTOS TEÓRICOS E TERMODINÂMICOS As propriedades termodinâmicas de um gás podem ser representadas por uma equação de estado a qual fornece o volume em função da temperatura e da pressão. O comportamento volumétrico real de gases a altas pressões é algo complexo;    B' o segundo coeficiente de Virial e assim por diante;    onde cada coeficiente é função da temperatura. Outra maneira de expressar a equação (1) é na forma de uma série positiva de potências de pressão (P);    que é mais conveniente para nossos propósitos;    o primeiro coeficiente de Virial (A) é justamente o termo correspondente a lei dos gases perfeitos. Assim;    o termo entre colchetes representa o segundo coeficiente de Virial;    o termo B na equação (2). Continuidade entre as fases gás/líquido: o ";    Ponto Crítico";    A descoberta do fenômeno do ponto crítico e suas implicações contribuíram muito para o entendimento da relação entre um líquido e o seu vapor. Andrews16 encontrou que a condensação ordinária de um vapor ou a evaporação de um líquido envolve uma descontinuidade entre as duas fases;    todavia é possível passar de líquido a vapor;    ou do vapor para o líquido;    por um processo no qual a substância permanece perfeitamente homogênea. Assim;    se um líquido sob alta pressão é aquecido acima de seu ponto crítico;    e a pressão for reduzida isotermicamente até um valor baixo;    a substância passará por imperceptíveis etapas do líquido para o vapor. Na Figura 2 é mostrado um diagrama Pressão/Volume;    onde cada curva representa uma isoterma. Na temperatura mais adequada (curva mais distante dos eixos) o gás é praticamente perfeito e a curva aproxima-se de uma hipérbole regular. A medida em que diminui-se a temperatura;    os desvios da lei dos gases perfeitos tornam-se cada vez mais pronunciados até alcançar-se o ponto C;    no qual a inclinação assume valor zero;    uma vez que dP/dV = 0. Este é o denominado ponto crítico (por exemplo;    para o CO2 Tc = 31;    3oC e Pc = 72;    9 atm). Abaixo deste ponto;    são encontradas duas fases capazes de coexistência e duas curvas separadas são determinadas experimentalmente;    na mesma temperatura: uma pela mudança do volume do líquido com a pressão e a outra pela mudança do volume do gás com a pressão3. ;    Efeito da Pressão sobre o Coeficiente de Partição (K). O coeficiente de partição em cromatografia gás/líquido (K) é definido como sendo a relação entre a quantidade de soluto por unidade de volume de fase estacionária pela quantidade de soluto por unidade de volume da fase móvel;    ou seja;    2) Efeito da pressão ";    mecânica";    sobre a fase estacionária;    3) Solubilização do fluido de arraste no filme líquido;    alterando sua natureza. A medida do desvio do comportamento de gás perfeito para o sistema binário fluido de arraste/soluto é o segundo coeficiente de virial;    Bnm;    B11 e B22 (coeficientes de dois gases puros) são funções somente de temperatura e forças entre os pares de moléculas 1;    1 e 2;    2;    e B12 é uma função idêntica para forças entre 1;    2. A interação entre gás de arraste e soluto pode ser descrita pelo segundo coeficiente de virial através de B12. Para uma fase gasosa não ideal;    o relacionamento entre volume (Vg);    número de moles (ng);    Sie e Rijnders11;    através de aproximações e rearranjos;    de escolha arbitrária (por exemplo 1 atm);    na qual pode-se considerar o gás como perfeito;    P é uma determinada pressão de trabalho e V2 o volume molar do soluto no líquido. O termo B12 não é disponível experimentalmente;    mas pode ser obtido através do princípio da correspondência dos estados;    V* e T* são o volume e a pressão característicos para os quais geralmente são adotados os valores críticos. Para uma mistura binária;    é possível calcular o segundo coeficiente de Virial e estimar com boa precisão o volume de fluido em função da temperatura e pressão.  ;    PARÂMETROS DE OPERAÇÃO Propriedades de um Fluido Supercrítico Quando um composto é confinado em um espaço determinado;    a fase líquida e o seu vapor coexistem em equilíbrio. Aquecendo-se o sistema;    as propriedades intensivas convergem até serem idênticas no ponto crítico (p.ex.;    densidade;    viscosidade;    condutividade térmica;    índice de refração e outros). O ponto crítico marca a temperatura mais alta de coexistência de duas fases. Novo aquecimento resultará numa fase supercrítica. Na Tabela 1 são listados os parâmetros críticos de alguns fluidos e na Tabela 2 é mostrada uma comparação entre as propriedades fisico-quimicas de maior interesse cromatográfico;    para melhor visualização da potencialidade da técnica10. ;    A densidade de um fluido supercrítico é maior que a dos gases e muito próxima a dos líquidos. Existe um relacionamento direto entre a densidade de um fluido supercrítico e seu poder de solvatação a qual;    devido à sua alta compressibilidade;    é extremamente dependente da pressão. Por exemplo a variação de 1 mmHg é suficiente;    sob certas condições;    para causar um aumento de 10% na densidade17. Consequentemente;    a programação de pressão é uma ferramenta importantíssima para auxiliar na separação de misturas complexas. A viscosidade do fluido supercrítico é muito similar a dos gases;    com isso a queda de pressão através da coluna é diminuída em relação à observada em LC. Os coeficientes de difusão dos solutos são maiores em fluidos supercríticos que nos líquidos;    porém é menor que nos gases. Então;    a transferência de massa é mais rápida em fluidos supercríticos que em fases móveis líquidas. Isto significa uma maior eficiência por unidade de tempo;    velocidade linear ótima mais rápida (mot);    e tempos de análises menores em SFC que em LC. Qualquer composto termicamente estável pode ser submetido às suas condições supercríticas e;    portanto;    servir como fase móvel. Na prática;    são feitas outras considerações tais como poder de solvatação;    seletividade;    estabilidade térmica do solvente e do soluto nas condições supercríticas;    além de problemas mecânicos com o aumento demasiado da pressão. Por exemplo;    o uso de álcool como eluente sobre uma fase estacionária de sílica pode causar uma desidratação parcial do mesmo;    resultando na olefina correspondente18. Solubilidade do Soluto na Fase Móvel As primeiras pesquisas com SFC;    ainda sob o título de Cromatografia Gasosa de Alta Pressão;    surgiram com a separação de quelatos metálicos por GC;    que na maioria dos casos eram termicamente instáveis e apresentavam baixa volatilidade nos sistemas disponíveis. Klesper et al.5 mostraram que porfirinatos de níquel podiam ser separados em sistemas de alta pressão utilizando diferentes gases freons como fase móvel;    cada gás apresentou suas próprias condições de separação. Karayannis et al.19 compararam a baixa volatilidade de alguns quelatos metálicos em sistema convencional de GC e;    posteriormente;    mostraram a eluição dos mesmos em sistema de alta pressão em termos de retenção relativa dos compostos. Este trabalho confirmou as conclusões do trabalho anterior5 onde os efeitos obtidos sobre a volatilidade foram causados pela ação do solvente e não somente pela pressão;    pois muitos gases altamente pressurizados não conseguiram obter a volatilização alcançada pelo diclorodifluorocarbono. Baseados nos parâmetros de solubilidade de Hildebrand (d);    Giddings et al.20 descreveram o poder de solvatação de gases sob alta pressão (e não volatilização de espécies como descrito por Klesper) mostrando que d;    a principal variável do ";    efeito de estado";    Pc em atm;    e rr(liq.);    a densidade reduzida dos líquidos. O ";    efeito de estado";    pode ser identificado pelo termo [rr/rr(liq.)] enquanto que o fator 1;    25Pc1/2 pode ser associado ao ";    efeito químico";    . Giddings et al.20 mostraram ainda alguns valores de pressão nos quais vários compostos de elevada massa molecular não apresentavam migração na coluna até que se atingisse determinada ";    pressão limite";    . Para se ter uma idéia de como a densidade influencia no poder de solvatação (ou o d);    o CO2;    o qual em condições normais de T e P é um gás apolar;    sob altas pressões apresenta um d igual ao da piridina;    que é dos mais elevados entre os solventes líquidos. Na Figura 3 é mostrado o efeito da pressão e da temperatura de um fluido supercrítico sobre a solubilidade. Nota-se que à baixas pressões;    a solubilidade diminui com o aumento da temperatura. ;    Seletividade A seletividade em SFC é o parâmetro cromatográfico que permite as maiores possibilidades de alteração para que seja possível a eluição e separação das espécies a serem analisadas. Alguns itens que podem modificar a seletividade são: fase móvel;    fase estacionária;    temperatura;    pressão de trabalho;    programação de pressão durante a eluição;    e adição de modificadores tanto de modo programado como isocrático. Um dos estudos mais detalhados sobre a seletividade com diferentes combinações de fase móvel/estacionária foi feito por Sie e Rijnders11-14;    onde foi observada a alteração da sequência de eluição de alguns compostos em função destes parâmetros. Com a adição de modificadores de fase móvel;    pode-se conseguir mudar totalmente as características do fluido supercrítico;    e os novos parâmetros críticos podem ser determinados;    com boa aproximação;    Ta e Tb suas temperaturas criticas e Pa e Pb suas pressões críticas21;    dos solventes a e b;    respectivamente. Razão de Fluxo Em um sistema de HPLC normal costuma-se controlar o fluxo da fase móvel tornando a pressão do sistema uma variável dependente. Em SFC invertem-se estes parâmetros. Com o controle da pressão o fluxo varia proporcionalmente afetando a separação de diferentes maneiras. Schmitz e Klesper22 afirmaram que a fluxos baixos (£ 1;    0 mL/min);    a função de resolução;    Q;    era praticamente constante e a fluxos maiores decrescia rapidamente. Gouw e Jentoft18;    23 citaram uma observação feita por Giddings24 onde o mínimo da curva de van Deemter;    a qual relaciona a altura equivalente a um prato (AEP ou H) em função da velocidade linear média;    m;    DM = coeficiente de difusão;    dp = diâmetro médio do material de empacotamento (recheio) Neste estudo23;    compararam-se diferentes tamanhos de partículas;    avaliando-se a variação H e a queda de pressão (DP) através da coluna em função do fluxo. A queda de pressão é um efeito indesejável em qualquer modalidade de cromatografia;    ainda mais em SFC onde a base da separação cromatográfica está no controle da pressão. Se o aumento de pressão causa uma melhor solvatação;    pode causar também uma grande queda de pressão através da coluna e;    com isso;    diminuir a densidade. O aumento da pressão aumenta a velocidade linear a qual;    por sua vez;    faz com que H aumente (perda de resolução)25 . Procurando sanar o problema da queda de pressão com o aumento do fluxo;    Hirata e Nakata26 apresentaram um bom sistema dotado de duas bombas de pressurização;    uma antes e outra depois do sistema injetor/coluna/detector. Neste sistema foi possível uma programação de pressão sem aumento do fluxo ou da queda de pressão. Temperatura O efeito da influência da temperatura sobre o comportamento cromatográfico pode ser analisado sob duas condições: uma a pressão constante e outra sob densidade constante. À densidade constante;    e R é a constante dos gases. À pressão constante;    a influência da temperatura não pode ser tratada de uma maneira tão simples. Em um de seus trabalhos;    Sie e Rjinders13 fizeram uma extensa investigação sobre este assunto. Para a maioria dos solventes;    partindo-se da temperatura ambiente;    observa-se um decréscimo de k com o aumento de temperatura;    devido ao aumento da solubilidade do soluto. Depois da passagem da temperatura crítica;    ocorre um aumento considerável de k. Esse aumento é mais pronunciado para pressões próximas ao ponto critico e para compostos de elevada massa molecular. A pressões mais elevadas;    a curva passa por um máximo;    a partir do qual retorna aos níveis observados em temperaturas menores. Qualitativamente isto pode ser explicado pelo aumento do volume livre da fase móvel a qual leva uma redução na solubilidade e um desvio na partição em favor da fase estacionária28. Com aumento da temperatura;    a pressão de vapor e a solubilidade do soluto aumentam e a concentração na fase estacionária decresce;    sendo transferida para a fase móvel (reduzindo;    assim;    o valor de k). A combinação destes efeitos pode levar a situações curiosas como mostrado na Figura 4;    onde uma mudança na ordem de eluição foi observada. Esse tipo de comportamento pode ser explorado para resolução de problemas analíticos;    mas a dependência de pressão/temperatura/densidade estão totalmente relacionadas entre si;    e a escolha na faixa de operação é crítica;    como pode ser visto na Figura 5. ;    Como mencionado;    gráficos de fator de retenção (k) contra temperatura em SFC são caracteristicamente formados com um pronunciado máximo acima da temperatura crítica. A variação de log (k) com 1/T para uma série homóloga é mostrada na Figura 6;    onde a distância entre as curvas em determinado valor de 1/T representa a seletividade (a);    e mostra que uma pequena variação na seletividade entre homólogos é possível com uma pequena mudança na temperatura29. Para compostos diferentes o cruzamento de curvas é possível e demonstra uma reversão na ordem de eluição (como ilustrado na Figura 4). ;    Chester e Innis30 explicaram termodinamicamente a variação de log (k) com 1/T em SFC. Na Figura 7;    a região de inclinação positiva corresponde a um comportamento tipo cromatografia gasosa;    enquanto que a região de inclinação negativa tem como mecanismo predominante o do tipo cromatografia líquida;    respectivamente;    o calor molar parcial de solução do soluto na fase estacionária e fase móvel;    DHm é função da densidade da fase móvel e b é a razão de fases da coluna. A interpretação da equação (18) pode levar a concluir-se que a entalpia muda na remoção do soluto da fase estacionária para a fase móvel sob condições de cromatografia gasosa (vaporização);    sendo reduzida pela entalpia de solvatação através da fase móvel.  ;    Pressão/Densidade;   

DOI  :  10.1590/S0100-40422001000400012

学科分类：化学（综合）

来源: Sociedade Brasileira de Quimica

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