UNED PRESENTA:
CROMATOGRAFÍA DE EXCLUSIÓN POR TAMAÑO.
Plástico.
Esta palabra nos hace pensar en muchos objetos cotidianos.
Abarcan tanto la bolsa de basura
como las más intrincadas formas de un automóvil.
Una gran variedad de colores y formas, resistencia al agua y al fuego.
Desde lo más innovador a lo más cercano.
Cualquier necesidad tiene respuesta con este material.
Plástico es la denominación de materiales comerciales
compuestos por una base de polímeros a la que se añaden aditivos y cargas.
Los polímeros dan los rasgos dominantes del plástico
y, según la naturaleza y proporción relativa
de los aditivos y cargas, se conseguirá el ajuste definitivo
de las propiedades para el uso al que se destina el plástico.
¿Qué hace tan especiales a los polímeros?
Una de los principales rasgos
es el gran tamaño de las moléculas de las que están compuestos.
Si imagináramos que una molécula de agua
tuviera el tamaño de una naranja,
una de las moléculas de polímero que forman una bolsa de plástico
sería aproximadamente como un camión que las transportara.
Como son tan grandes, se las conoce como macromoléculas.
¿Cómo consiguen estos enormes tamaños?
Los polímeros se forman por reacciones químicas consecutivas
entre moléculas pequeñas en el proceso de la 'síntesis'.
Son como cadenas en que cada eslabón se une a otro para formar un conjunto.
Cuando se sintetizan polímeros, es normal que las cadenas creadas
tengan distinta longitud.
Las hay de distintos tamaños según el núm. de moléculas
que hayan reaccionado en una misma cadena.
Al final se obtiene un conjunto de distintos tamaños
al que llamamos 'distribución'.
¿Cómo conocer esta distribución?
Una de las técnicas utilizadas
es la cromatografía de exclusión por tamaños,
conocida por su acrónimo en inglés SEC.
Simplifcando, podemos imaginarla como una filtración de macromoléculas
que están disueltas.
Una macromolécula se disolverá
cuando, al contactar con las moléculas del líquido,
las interacciones sean tales que las acerquen.
Las moléculas de disolvente
rodean e independizan a las macromoléculas: las disuelven.
El volumen que ocupa cada una
puede ser distinto en función del disolvente,
la naturaleza del polímero y la temperatura.
¿Dónde se separan las macromoléculas?
Esta operación se hace dentro de las columnas.
Las columnas son tubos de acero
con unas partículas inmersas en el mismo disolvente
en que lo está la muestra.
Estas partículas se llaman geles
y están formadas por la unión química covalente
de cadenas de otras macromoléculas.
Estas uniones forman una red que, en contacto con el líquido
que disuelve al polímero, se hincha,
abriendo cavidades entre los puntos de unión
cuyo tamaño podemos controlar a voluntad.
Son como esponjas
en cuyo interior circulan las macromoléculas
aprovechando el volumen que les dejan.
Para cuantificar la separación,
se desglosa al volumen disponible en tres contribuciones:
el volumen de las partículas del gel,
el contenido de cada partícula y el volumen que queda entre ellas.
El primero es el 'volumen muerto',
pues solo lo ocupan las partículas del gel.
El segundo es el 'volumen de poro' y el tercero, 'volumen intersticial.
Estos dos últimos son responsables de la separación.
¿Qué ocurre cuando la muestra disuelta de polímero atraviesa la columna?
Podemos hacer una analogía entre este proceso
y el tráfico de vehículos que atraviesa una ciudad.
Un autobús solo se mueve por avenidas y calles anchas.
Su tamaño no le permite entrar en las calles pequeñas.
En cambio, un automóvil recorre mayor número de calles
dentro de la ciudad.
Para una moto cualquier lugar le es accesible por estrecho que sea.
Las macromoléculas se comportan como esos vehículos de distinto tamaño
y las calles son como las partículas de gel.
Si disolvemos la muestra de polímero, que tiene macromoléculas
de varios tamaños,
y las hacemos pasar por una columna,
las más grandes solo se moverán
usando los huecos entre las partículas de gel,
ya que no pueden entrar dentro de los poros de estas.
A medida que su tamaño mengua,
pueden entrar y moverse por mayor número de canales.
Para las más pequeñas todo el volumen es accesible.
Si somos capaces de saber cuándo salen de la columna
y medimos cuánto tardan las macromoléculas en atravesarla,
veríamos que las más grandes salen primero,
pues tienen menos volumen que recorrer,
y progresivamente el resto, conforme el tamaño molecular mengua.
Separamos nuestra muestra según el tamaño de sus macromoléculas.
Algo aparentemente simple como un chicle
responde a esa distribución de tamaños.
Aparece una primera señal que corresponde al polímero
y después la de las sustancias más pequeñas:
suavizantes, estabilizantes y aromatizantes.
¿Cómo se mide experimentalmente?
Las medidas se realizan en el cromatógrafo.
Consta de una bomba que empuja el líquido
con un caudal continuo a través del sistema.
La muestra en disolución, diluida y filtrada,
se inyecta en este torrente libre de gases
con el inyector que la lleva a las columnas,
donde se produce la separación por tamaños a temperatura controlada.
La salida de macromoléculas se revela por uno o varios detectores.
Esta información se recoge en una estación informatizada.
Mientras que el líquido que sale o eluye no lleva nada disuelto,
los detectores dan una línea plana
que cambia conforme se detectan moléculas.
La señal es proporcional a la cantidad de ellas que salen.
Al final obtenemos el cromatograma,
que indica el valor de la señal detectada a cada momento.
Si conocemos el peso molecular de las macromoléculas introducidas,
representamos el tiempo al que surge cada pico
y el peso molecular correspondiente,
ya que sabemos que las eluirán en orden inverso de tamaños.
En el intervalo donde se da la separación por tamaños,
las relación es casi lineal
si representamos el logaritmo del peso molecular frente al tiempo.
¿Y si no conocemos el valor del peso molecular?
Esto se debe a que SEC no es una técnica absoluta.
No sabemos a priori qué peso molecular sale a un determinado tiempo.
Para determinarlo, hay que calibrar previamente
los patrones del mismo polímero,
de los que conocemos perfectamente su peso molecular.
Sabiendo el peso molecular y cuándo salen,
podemos construir una recta de calibrado
en que representar el logaritmo del peso molecular
frente al tiempo para cada patrón.
¿Cómo se sabe el peso molecular de una muestra desconocida?
El tratamiento de un cromatograma de una muestra-problema
se hace trazando una línea base entre dos puntos
antes y después de la señal en los que no salieran macromoléculas.
Después se divide la señal en rodajas cuya área se calcula.
Gracias al calibrado previo, se asigna a cada rodaja
un peso molecular en función del tiempo en que aparecieron.
Con estos pares de valores área-peso molecular,
se procede a calcular los distintos promedios.
Los más importantes
son el peso molecular promedio en número, Mn,
y el peso molecular promedio en peso, Mw.
¿Un polímero de distinta naturaleza del calibrado se comportará igual?
La respuesta es no, ya que SEC separa por tamaños.
Supongamos dos polímeros distintos con el mismo peso molecular.
Como el tamaño en disolución depende de la naturaleza del polímero,
estos dos no tendrán el mismo volumen en disolución necesariamente.
Tenemos que para la misma representación
y del peso molecular frente al tiempo,
distintos polímeros aparecen en distinta posición,
aunque tengan el mismo peso molecular.
Como nos interesa el tamaño en disolución,
podemos multiplicar el peso molecular por la viscosidad intrínseca
definiendo el volumen hidrodinámico.
Si representamos esta magnitud,
todos los polímeros se sitúan en la misma recta,
llamándose este calibrado como universal.
Como SEC separa por tamaño,
dos muestras, aun de distinto polímero,
que eluyeran al mismo tiempo tendrían igual volumen hidrodinámico.
Si conociéramos la viscosidad propia de cada una,
sería posible fijar el peso molecular respectivo.
¿Por qué importa saber la distribución del peso molecular?
Una distribución puede diferenciarse,
además de en el tiempo en que aparece el máximo,
en la forma más o menos ancha que se obtenga.
Así, si usamos polímero con una distribución apenas distinta
para construir una bandeja, obtendríamos una pieza inservible
por muy poco que se diferencien.
A principios de siglo, cuando no estaba clara
la naturaleza de estas sustancias,
los químicos se referían a ellas
como el país de las dimensiones despreciables.
Hoy en día, pensar en nuestro entorno sin ellas
es renunciar a numerosas comodidades
sin las que nuestra vida sería más complicada.
SEC permite fotografiar la distribución de tamaños
de una muestra de polímero
y tener información útil del comportamiento
para el procesado posterior de estos materiales.