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Cromatografia_Gasosa HORMÔNIOS SEXUAIS
w w w . c h e m
Cromatografa a Gás: Curso em Diapositivos Fábio Augusto *
[email protected]
Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química
Informações do Artigo H i s t ó r i c od oA r t i g o
Criado em Julho de 2000
Resumo
A separação e análise de misturas de substâncias voláteis po por meio da Cromatograa Cromatograa Gasosa Ga sosa (CG). (CG). O uso desta técnica cuidados, dentre eles a escolha correta da ase estacionária (F móvel (FM). A temperatura deve ser também controlada, par reprodutibilidade das análises. Estes e outros pontos pontos críticos Cromatograa Cromat ograa Gasosa G asosa serão abordados neste artigo.
P a l a v r a s C h a v e s
Cromatograa Cromatograa gasosa Coluna cromat cromatográca ográca Colunas tubulares Colunas empacotadas Fase estacionária Detectores
Chemkeys. Licenciado sob Creative Comm
Introdução
A Cromatograa Gasosa (CG) é uma técnica para separação e análise de misturas de substâncias voláteis. A amostra é vaporizada e introduzida em um uxo de um gás adequado denominado de ase móvel (FM) ou gás de
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governam a separação dos constituintes de uma amostra são: • •
a solubilidade na FE: quanto maior a solubilidade de um constituinte na FE, mais lentamente ele caminha pela coluna. a volatilidade: quanto mais volátil a substância (ou, em outros termos, quanto maior a pressão de vapor), maior a sua tendência de permanecer vaporizada e mais rapidamente caminha pelo sistema.
gás de arraste independe da amostra a se parâmetro mais importante é a sua com com o detector (alguns detectores traba quando se usam determinados gases). O empregados são H2, He e N2 e a vaz arraste, que deve ser controlada, é const a análise. •
Sistema de Introdução de Amostra . Na
do cromatógrao gasoso onde é eita a i amostra é o injetor (ou vaporizador). Na simples, trata-se de um bloco de met As substâncias separadas saem da coluna dissolvidas no gás à coluna cromatográca e à aliment de arraste e passam por um detector; dispositivo que gera de arraste. Este bloco contém um ori um sinal elétrico proporcional à quantidade de material septo, geralmente de borracha de silico eluido. O registro deste sinal em unção do tempo é o amostras líquidas ou gasosas podem cromatograma, sendo que as substâncias aparecem nele com microseringas hipodérmicas. Amo como picos com área proporcional à sua massa, o que podem ser dissolvidas em um solven possibilita a análise quantitativa ( Figura 2). O injetor deve estar aquecido a uma 1 acima do ponto de ebulição dos com amostra, para que a amostra se volatiliz 1. N2 2. CH4 instantaneamente e seja carregada para 3. CO2 a temperatura or excessivamente alta, 4. n-C2 decomposição da amostra. A amostra d 5. NH3 You're Reading a Preview coluna na orma de um segmento estreit 6. n-C3 alargamento dos picos. 7. i-C4 8.
Unlock full access with a free trial.
n-C4
2 6
3 4 5 7
0
A quantidade de amostra injetada depen Download With Free Trial e do detector empregado. Para colunas volumes de 0,1 µl a 3,0 µl de amostr típicos. Volumes altos prejudicam a injeção (alargamento dos picos) ou satu cromatográca. Para a cromatograa g resolução (CGAR), os volumes de inje ser da ordem de nanolitros. Entretant meio simples de se medir um volume tão a precisão necessária. Assim, osinjetores 8 up to vote on this title sãoSign dotados de “divisão de amostra”, d Useful Notdouseful apenas uma ração volume injetado entre 1/10 e 1/300) chega à coluna, sen 6 min descartado.
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Se a temperatura da coluna or excessivamente baixa, todos os constituintes da amostra terão pressões de vapor muito baixas e carão quase que todo o tempo dissolvidos na FE, azendo com que a sua migração pela coluna será muito lenta. O resultado pode ser um tempo excessivo de análise e picos muito largos e baixos (quanto mais tempo a substância passa na coluna, mais ela se espalha). Eventualmente, o composto pode nem sair da coluna. Por outro lado, uma temperatura muito alta implica pressões de vapor também muito grandes e os compostos quase não passam tempo nenhum dissolvido na FE, saindo muito rapidamente da coluna sem serem separados. Assim, a temperatura da coluna é uma condição que deve ser ajustada para se obter uma determinada separação. Além de considerações sobre a separação, a temperatura empregada deve ser compatível com a FE empregada, pois as FE líquidas se volatilizam ou se degradam com temperaturas excessivas. A temperatura da coluna deve ser rigorosamente controlada, para assegurar a reprodutibilidade das análises.
retenção é o tempo de retenção, t . E como o tempo transcorrido entre a injeçã e o máximo do pico cromatográco. Po que a substância não interagisse de o com a FE, o seu tempo de retenção nã pois transcorreria algum tempo entre a s sua passagem pelo detector. Este tempo ao tempo que o gás de arraste demora pa coluna, e é denominado tempo de retenção não retido (ou tempo morto), t . O pa realmente reete as características ísico retenção de um determinado composto retenção descontado do tempo morto, tempo de retenção ajustado, : r
m
A seletividade, capacidade de um sistem dois compostos, é denida por:
No caso de amostras contendo constituintes com sendo uma característica que, na CG, é m You're Reading a Preview pressões de vapor muito dierentes, se a temperatura à coluna cromatográca. or ajustada para separação adequada dosUnlock compostos full access with a free trial. • Efciência . Na CG, a eciência é e menos voláteis (temperaturas altas), os voláteis serão muito pouco retidos e não serão separados. Por outro número de pratos teóricos, que é calc Download With Free lado, se o acerto or eito para separar os voláteis umTrial parâmetro de retenção (o t ) e a lar (temperaturas baixas), os constituintes pesados se cromatográco - no caso, a largura de b apresentarão sob a orma de picos excessivamente largos e baixos ou carão retidos na coluna. Este problema pode ser contornado usando a programação linear de temperatura (PLT), através da qual a temperatura da coluna vai sendo aumentada gradualmente durante A altura equivalente a um prato teóric a análise. A PLT permite separações de amostras por: muito complexas (petróleo, óleos essenciais, etc.), Sign up to vote on this title não analisáveis com temperatura de coluna constante Useful Not useful (CG Isotérmica). sendo L o comprimento da coluna crom Detector . O último bloco de um CG é o detector, dependência de h com a velocidade da F r
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ou, se as larguras dos picos orem próximas,
dos grupos metila na cadeia por outros grupos triuoropropil, etc.) orneceFE compolaridad Deste modo, eles podem ser empregados na misturas das mais diversas polaridades. Com são disponíveis sob diversas denominações, praticamente equivalentes. SE-30, OV-1 e nomes comerciais para polidimetilsiloxano d dierentes.
Fases estacionárias
Outra classe de FE importante é a dos po polímeros de etilenoglicol e epóxido, pre dierentes tamanhos de cadeia poliméri moderadamente polares, adequadas para álcoois, aldeídos, éteres, etc. A denominaç “Carbowax” designa a série de poliglicóis ma (p.ex., Carbowax 20M é polietilenoglicol molar média de 20.000.000 g/mol).
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Na CG existe um grande número de ases estacionárias líquidas e sólidas disponíveis comercialmente, de modo que a natureza da FE é a variável mais importante na otimização da seletividade.
Um terceiro grupo importante de FE é o do São obtidos por condensação de diácidos São ases altamente polares. As ases mais c categoria são o succinato de dietilenoglicol adipato de dietilenoglicol (DEGA).
As FE líquidas são as mais empregadas em CG. FE sólidas (carvão ativo, sílica, peneiras moleculares e polímeros porosos) são aplicadas para separação de gases e compostos de baixo massa molar. Em princípio, para um líquido ser usado como FE em CG ele deveYou're ser pouco Reading a Preview volátil (pressão de vapor até 0,1 mmHg ou 13,332 Pa na Unlock full access with a free trial. temperatura de trabalho) e termicamente estável. Para esta ase ser empregada em uma separação em particular, o l uTrial nas empacotadas ela precisa: Download WithCFree •
ser um bom solvente para os componentes da amostra, caso contrário o eeito será o mesmo de temperaturas de coluna excessivamente altas (os compostos carão quase que o tempo todo no gás de arraste, sendo eluidos muito rapidamente e sem separação);
•
ser um bom solvente dierencial, isto é, além de dissolver bem todos os constituintes da amostra, azê-lo com solubilidades sucientemente dierentes para que eles possam ser separados; e
•
ser quimicamente inerte em relação à amostra.
A coluna cromatográca é o local onde ocor entre a amostra e a FE. Existem duas geometr colunas para CG: as colunas empacotadas (o e as colunas tubulares abertas (ou capilares).
Nas colunas empacotadas, a FE líquida é dep orma de um lme no e uniorme sobre par up to vote this titledeve ser um s suporteSign adequado. Oonsuporte com grande área supercial, Useful Not usefulinerte e de bo mecânica. O tamanho das partículas e dos p o mais uniorme possível. O material mai
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usados para os tubos de colunas são o aço inox e o vidro, sendo o primeiro preerido pelo manuseio mais ácil. Se o material de enchimento não or colocado na coluna de orma compacta e uniorme, os espaços vazios resultantes uncionarão como câmaras de diluição para a amostra. O resultado serão picos mais largos e menor eciência. O tamanho da coluna é variável. Tipicamente são usadas colunas com diâmetros internos de 1 mm a 4 mm e 1 m a 3 m de comprimento. Quanto maior a coluna, maior a eciência; entretanto, também aumenta o tempo de análise. Colunas muito longas oerecem uma resistência muito alta à passagem de gás, exigindo pressões excessivamente altas.
pelo ato de serem tubos abertos, podem ser capilares de grandes comprimentos. Como, o comprimento, mais pratos teóricos contém maior a sua eciência), colunas capilares sã ecientes que as empacotadas. Normalmente se colunas de 5 m até 100 m, embora j abricada uma coluna com 2175 m. Podem tubos metálicos, de vidro ou de sílica undi últimos atualmente os preeridos pela sua inércia química.
Nas colunas empacotadas, o desempenho é diâmetro e uniormidade das partículas do r carga de FE. Nas colunas capilares, são im diâmetro interno da coluna e a espessura do Além da natureza da FE e da qualidade do empacotamento, Quanto mais na or a coluna, mais ecie existem duas variáveis importantes que inuem no Entretanto, colunas muito estreitas suporta desempenho de uma coluna empacotada: o que diminui a sua seletividade. Tipicame colunas com diâmetros internos entre 0,1 m • A percentagem de FE no material de enchimento. A A espessura do lme de FE equivale à per percentagem de FE sobre o suporte é um parâmetro FE das colunas empacotadas, de modo que que deve ser rigidamente controlado. Se a quantidade espesso or o lme, maior a retenção e a de FE or muito baixa, partes da superície do suporte Filmes excessivamente espessos causam carão expostas à amostra, que poderá ser adsorvida. dos picos e grandes tempos de análise. N Readingempregam-se a Preview lmes de 0,1 µm a 3,0 µm. O resultado é o alargamento ou deormaçãoYou're dos picos. Quanto mais FE, maior a retenção. A seletividade Unlock full access with a free trial. também aumenta, porém às custas de aumento As FE são as mesmas usadas para colunas e do tempo de análise e diminuição da eciência. Muitas vezes, para minimizar as perdas Download With Free Trial durante o uso, a FE é xada à Atualmente, colunas contendo de 2 % a 10 % de FE volatilização são as mais usadas. Dicilmente são empregadas tubo por algum meio. Pode-se polimerizar colunas com mais de 30 % de carga. a ase após a deposição (ases imobilizadas) o la quimicamente às paredes (ase ligada). • O diâmetro das partículas do suporte. Quanto menor o diâmetro das partículas do suporte, maior A capacidade de processamento de a a eciência da coluna. A uniormidade das partículas colunas capilares é menor que aquela das e também é importante. Recheios com partículas cuja Dependendo da coluna, ela pode ser s distribuição de tamanho seja muito grande serão pouco quantidades tão pequenas quanto 0,001 µl Sign up to vote on this title ecientes. Normalmente, empregam-se suportes com Como a injeção direta de volumes de amostra useful Useful Notdeve-se 80-100 mesh (149 µm a 177 µm de diâmetro) ou 100de grandeza é inviável, recorrer ao 120 mesh (125 µm a 149 µm). Se or usado suporte divisão de amostra na injeção. Porém, o uso com partículas excessivamente nas, a resistência à amostra apresenta alguns inconvenientes. É
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ambiental (poluentes em águas e ar, por exemplo), é quase que obrigatório o seu uso. A tendência atual é que a maioria das análises seja eita com o uso de colunas capilares. Isto não signica que as colunas empacotadas estão sendo abandonadas, porém o seu uso deve car restrito à aplicações especícas.
Detectores: características básicas
O detector é um dispositivo que indica e quantica os componentes separados pela coluna. Um grande número de detectores têm sido descritos e usados em CG. Existem, entretanto, algumas características básicas comuns para descrever seu desempenho: •
•
•
maior o ator de resposta, mais coná quantitativa. •
Faixa Linear Dinâmica. É a razão entr
maior massa entre as quais o ator de re detector para um soluto é constante, is curva de calibração é linear.
Os dois detectores mais signicativos em Detector por Condutividade Térmica (DC por Ionização em Chama (DIC).
O d e t e c t o r p o r c o n d u t i v i da d térm ica (DCT )
Seletividade. Alguns detectores apresentam resposta
O uncionamento do DCT é baseado no para qualquer substância dierente do gás de arraste velocidade de perda de calor de um corpo qu que passe por ele. Estes são os chamados detectores corpo mais rio é proporcional, dentre out universais. Por outro lado, existem detectores que condutividade térmica do gás que separa este respondem somente a compostos que contenham um lamento metálico muito no (de W, Au ou determinado elemento químico em suaYou're estrutura, Reading a Preview aquecido pela passagem de uma corrente elétr que são os detectores especícos. Entre estes dois Este lamento ca montado dentro de um o full access with a free trial. extremos, alguns detectores respondemUnlock a certas bloco metálico (cela), aquecido à uma temp classes de compostos (detectores seletivos). Download Withbaixa Freeque Trialaquela do lamento, por onde o g proveniente da coluna passa continuamente Ruído. São os desvios e oscilações na linha de base (sinal do detector quando só passa o gás de arraste). Pode ser causado por problemas eletrônicos, impurezas e sujeiras nos gases e no detector, etc. Por melhor que seja o uncionamento do sistema, sempre existe ruído. Tipo de Resposta. Alguns detectores apresentam
um sinal que é proporcional à concentração do soluto no gás de arraste; em outros, o sinal é proporcional à taxa de entrada de massa do soluto no detector. Isto depende do mecanismo de uncionamento de cada
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Figura 3. Cela de um detector de condutividade térm
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uma variação na sua resistência elétrica e a resistividade de um metal aumenta com a temperatura. O lamento é montado em um circuito de ponte de Wheatstone, que converte a variação na resistência elétrica do lamento numa variação de voltagem, que é coletada em um registrador gerando o cromatograma. O DCT é um detector universal, sensível à concentração do soluto no gás de arraste. Geralmente, quando se usa DCT, o gás de arraste é He ou H 2. Pelo ato destes gases terem condutividades térmicas altíssimas, as misturas gás de arraste mais o soluto sempre terão condutividades térmicas menores que a do gás de arraste puro, o que impede sinais negativos, além de se obter maiores atores de resposta. Entretanto, ele é considerado um detector pouco sensível. A QMD de um modelo moderno, para propano, é de 400 pg/ml de gás de arraste, com aixa linear de 10 6. Apesar disso, o ato de ser universal, barato e de operação simples, o az extremamente útil para análises que não necessitem de alta sensibilidade.
entre 10 pg e 400 pg, com aixa linear dinâ Provavelmente é o detector mais usado em C
Figura 4. Cela de um detector por ionização de cham composto orgânico elui, ele também é queimado. Com são ormados íons, a chama passa a conduzir corre
Análise quantitativa
CG é uma You're ReadingAa Preview
técnica eminentemente qu princípio básico da quanticação é que a ár Unlock full access with a free trial. registradas no cromatograma é proporcio do composto injetada. Assim, é undam O detector por ionização em chama Download Withconabilidade Free Trial da análise que a área dos pico (DIC) o mais exata e reprodutível possível. Existem de se medir a área de um pico cromatográc Durante a queima de um composto orgânico, são ormados diversos íons e como consequência, a chama resultante • Técnicas Manuais. Quando o crom torna-se condutora de eletricidade. O uncionamento coletado por um registrador analógico do DIC baseia-se neste enômeno. O gás de arraste a área dos picos é medida manu saindo da coluna cromatográca é misturado com H 2 e procedimento mais empregado consiste queimado com ar ou O2. A chama resultante ca contida o pico cromatográco se aproxima de entre dois eletrodos, polarizados por uma voltagem Sign up to vote on this title isósceles. Mede-se a altura do pico ( h constante (Figura 4). Como a chama de H 2 orma poucos Useful useful debase (w ) ou Not à meia-altura (w ), e íons, ela é um mau condutor elétrico e quase nenhuma área pelas órmulas usadas para cálcul corrente passa entre os eletrodos. Ao eluir um composto triângulo: orgânico, ele é queimado e são ormados íons na chama, b
h
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a presença de picos e calculam a sua área. Integradores são muito mais precisos e rápidos que qualquer método manual de medida, desde que empregados convenientemente. Embora sejam dispositivos caros, quando é necessária rapidez na produção de resultados, o seu uso é quase mandatório.
Sheet Music
•
Computadores. O integrador pode ser substituído por
um computador, desde que este tenha um dispositivo para converter o sinal elétrico em números que possam ser guardados em memória (conversor analógicodigital), e se disponha de programas adequados para azer a análise do cromatograma digitalizado. O custo de um computador com os acessórios necessários para coletar e analisar cromatogramas é, via de regra, inerior ao de um bom integrador. Além disso, com um sotware e operação adequada, pode ornecer resultados mais conáveis que este último.
Arquivos para download (disponível no resumo do artigo)
Este texto sobre cromatograa gasosa é a de um conjunto de 120 diapositivos (transp ilustram a matéria e acrescenta elementos q considerados pelo leitor para uturos usos e e diapositivos estão compactados em 21 arq utilizá-los, deve-se:
1. Salvá-los em um diretório do seu compu 2. Descompactá-los usando um programa tal como o EasyZip 2000 (versão 4.6 como “reeware” nesta página, ou o seu WinZip (versão 12.1 ou superior), disp “shareware” em [www.winzip.com], e 3. Abrir os arquivos com o programa Powe do pacote Microsot Ofce) ou o seu eq pacote StarOfce, disponível em [w starofce].
Qualquer que seja o modo usado para medir a área dos picos, o procedimento geral de uma análise quantitativa por CG envolve a obtenção do cromatograma da amostra, Cada pacote de arquivo [zip] contém de 4 a medida da área dos picos de interesse e o cálculo da massa e estão apresentados abaixo. correspondente a cada um dos picos. Este cálculo deve ser You're Reading a Preview Tabela 1. Conteúdo dos arquivos para down eito empregando uma curva de calibração: um gráco correlacionando a área do pico com a massa doUnlock composto. EasyZip Programa para livre uso (“reeware”) pa full access with a free trial. A curva de calibração é obtida cromatograando-se 2000 propósitos. padrões contendo massas conhecidas dos compostos a CG01 Histórico Download serem quanticados. Para cada substância, deve ser eita With Free TrialPrincípio Básico Modalidades e Classicação uma curva de calibração própria, já que cada composto Cromatograa Gasosa: Histórico responde de maneira dierente ao detector. O esquema geral proposto acima é chamado de padronização externa. Como é muito diícil conseguir boa reprodutibilidade entre injeções dierentes, ele é muitas vezes sujeito à grande imprecisão e inexatidão. Para contornar este problema, pode-se usar a chamada padronização interna, onde a cada solução a ser injetada adiciona-se uma quantidade exatamente igual de um composto que seja separável dos componentes da amostra, e que não exista nela (padrão interno). Como para todas
Cromatograa Gasosa: Aplicabilidade O Cromatógrao a Gás CG02 Instrumentação: Gás de Arraste Instrumentação: Gás de Arraste Instrumentação: Alimentação de Gás d Instrumentação: Dispositivosde Injeçã SignInstrumentação: up to vote on this title“on-column” C Injetor Instrumentação: useful “on-column” d Useful NotInjetor CG03 Instrumentação: Parâmetros de Inje Instrumentação: Microsseringas para In
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Teoria Básica: Tempo de Retenção Ajustado, tR ’ CG14 Detectores: Características Operaci Teoria Básica: Tempo de Retenção Ajustado, V R ’ Detectores: Características Operaciona Teoria Básica: Constante de Distribuição, K C Detectores: Características Operaciona Teoria Básica: Fator de Retenção, k Detectores: Características Operaciona Teoria Básica: Razão de Fases, β Detectores: DCT: Aplicações Teoria Básica: Relações entre V R ’, K C’ e β CG15 Detectores: Detector por Ionização Teoria Básica: Eciência de Sistemas Detectores: Detector por Ionização em Cromatográcos Detectores: Detector por Ionização em Teoria Básica: Quanticação da Eciência Detectores: Características Operaciona Teoria Básica: Quanticação da Eciência Detectores: Características Operaciona Teoria Básica: Otimização da Eciência Detectores: Características Operaciona Fases Estacionárias: Conceitos Gerais Detectores: Características Operaciona Fases Estacionárias: Características de uma FE ideal CG16 Detectores: Detector de Nitrogênio Fases Estacionárias: Características de uma FE ideal Detectores: Detector por Captura de E Fases Estacionárias: FE Sólidas: Adsorção Detectores: Detector por Captura de E Fases Estacionárias: FE Sólidas Detectores: Detector por Captura de E Fases Estacionárias: FE Líquidas: Adsorção CG17 Detectores: Características Operaci Fases Estacionárias: Famílias de FE Líquidas Detectores: Características Operaciona Fases Estacionárias: Famílias de FE Líquidas Detectores: Características Operaciona Fases Estacionárias: Famílias de FE Líquidas Detectores: Características Operaciona Fases Estacionárias: Famílias de FE Líquidas Detectores: Características Operaciona Fases Estacionárias: Famílias de FE Líquidas Detectores: DCE: Aplicações Fases Estacionárias: Famílias de FE Líquidas CG18 Análise Qualitativa: Conceitos Gera Fases Estacionárias: Famílias de FE Líquidas Análise Qualitativa: Tempos de Retenç Análise Qualitativa: Tempos de Retenç Fases Estacionárias: FE Quirais You're Reading a Preview Análise Qualitativa: Tempos de Retenç Fases Estacionárias: FE Quirais Análise Qualitativa: Índice de Retençã Fases Estacionárias: FE Quirais Unlock full access with a free trial. Análise Qualitativa: Índice de Retençã Fases Estacionárias: FE Quirais: Aplicações Análise Qualitativa: Índice de Retençã Fases Estacionárias: FE Quirais: Aplicações Download With CG19 Free TrialAnálise Qualitativa: Retention Time Fases Estacionárias: FE Quirais: Aplicações (RTL) Colunas Empacotadas: Denições Básicas Análise Qualitativa: Métodos de Detec Colunas Empacotadas: FE Líquidas: Suporte Qualitativos Colunas Empacotadas: FE Líquidas: Suporte Análise Qualitativa: Espectrometria de Colunas Empacotadas: FE Líquidas: Carga de FE Análise Qualitativa: Espectrômetro de Colunas Capilares: Denições Básicas Análise Qualitativa: Espectro de Mass Colunas Capilares: Diâmetro Interno CG20 Análise Qualitativa: Acoplamento CG Colunas Capilares: “Fast GC”: Colunas Capilares Análise Qualitativa: Acoplamento CG Finas Qualitativa: CG – EM: Geraç Colunas Capilares: Colunas Capilares: Injeção SignAnálise up to vote on this title Cromatograma Colunas Capilares: Large Volume Injection (LVI) Useful Not useful Análise Qualitativa: Acoplamento CG Colunas Capilares: Large Volume Injection (LVI) x SIM Colunas Capilares: Colunas Multicapilares Análise Qualitativa: Identicação de E
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Referências Bibliográficas Sheet Music
Basic Gas Chromatography; John Wiley & Sons, New York, 1997.
1. McNair,
H.M.;
Miller,
J.M.,
2. Scott, R.P.W.; Perry, J.A. , Introduction to Analytical
Gas Chromatography. 2ª Ed., Marcel Dekker, New York, 1995.
3. Bonato, P.S., Cromatograa Gasosa In: Introdução a Métodos Cromatográcos, Collins, C.H.; Bonato, P.S.; Braga, G.L. (Editores) , 6ª edição, Editora da
Unicamp, Campinas, 1995.
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