Kromatografi gas

MAKALAH KROMATOGRAFI

GC

Oleh:

Hafidz Husni Saepudin/080234

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA

CILEGON

2009

Pendahuluan

Pemisahan komponen menjadi komponen-komponennya adalah penting dalam semua cabang ilmu kimia dan tidak lebih kurang halnya dalam banyak bidang yang lain, yang telah mempergunakan teknik-teknik kimia untuk memecahkan berbagai permasalahan yang luas. Dalam hubungan ini, arti kromatografi hamper tidak dilebih-lebihkan. Dengan cara kromatografik, pemisahan dalam banyak keadaan dilakukan lebih cepat dan efektif daripada sebelumnya dan banyak pemisahan secara rutin dapat berhasil yang kiranya tidak akan dapat diusahakan dengan teknik-teknik lain.

Pendobrakan-pendobrakan yang dilakukan dengan cara-cara kromatografik antara lain, dalam mendapatkan pengertian tentang strktur dan fungsi enzim dan protein-protein yang lain dalam bidang penelitian biologik. Penilaian pencemaran udara dan air, penentuan sisa-sisa pembasmi hama pada buah-buahan dan sayur-sayuran, pengenalan dan pengelompokan bakteri, pengawasan terhadap gas-gas pernafasan selama pembiusan, dan lain-lain. Dari semua studi demikian yang berdasarkan kromatografi akan merupakan daftar yang pasti berkepanjangan.

kromatografi gas digunakan untuk memisahkan senyawa kimia dalm campuran kimia. Cairan dan padatan yang dapat diubah menjadi keadaan gas, juga dapat dipisahkan dengan menggunakan metode ini. Bensin adalah contoh cairan yang bisa dipisahkan menjadi komponennya menggunakan kromatografi gas.

Definisi

Secara etimologi, Kromatografi berasal dari bahasa yunani yang berarti ‘warna’ dan ‘tulis’.

kromatografi gas (GC), merupakan jenis kromatografi yang digunakan dalam kimia organik untuk pemisahan dan analisis, Oleh karena itu, senyawa-senyawa kimia yang akan dipisahkan haruslah dalam bentuk gas pula. GC dapat digunakan untuk menguji kemurnian dari bahan tertentu, atau memisahkan berbagai komponen dari campuran. Kromatologi gas memisahkan suatu campuran berdasarkan kecepatan migrasinya di dalam fasa diam yang dibawa oleh fasa gerak. Sedangkan perbedaan migrasi ini disebabkan oleh adanya perbedaan interaksi diantara senyawa-senyawa kimia tersebut (di dalam campuran) dengan fasa diam dan fasa geraknya. Interaksi ini adalah adsorbsi, partisi, penukar ion dan jel permiasi.

Kromatografi gas ini banyak digunkan untuk senyawa-senyawa yang mudah dirubah ke dalam bentuk gas atau yang mempunyai titik didih rendah. Misalnya senyawa-senyawa monoterpen, diterpen, fraksi minyak bumi dan sebagainya. Yang penting senyawa tersebut mudah dirubah ke dalam bentuk gas dan tidak rusak selama dalam bentuk gasnya. Dalam beberapa situasi, GC dapat membantu dalam mengidentifikasi sebuah kompleks.

Menurut keulemans Kromatografi adalah suatu metode pemisahan fisik, dimana komponen-komponen yang dipisahkan di distribusikan di antara dua fasa, lapisan stasioner dan cairan yang merembes pada lapisan tersebut

Peralatan Dasar untuk GC

Gambar 1.1 Peralatan Dasar Kromatografi

Gas dalam silinder baja bertekanan tinggi dialirkan melalui kolom yang berisi fasa diam. Cuplikan yang berisi campuran yang akan dipisahkan disuntikkan ke dalam aliran gas tersebut. Kemudian cuplikan dbawa oleh gas ke dalm kolom dan dilam kolom terjadi proses pemsahan. Komponen-komponen campuran yang telah terpisahkan satu persatu meninggalkan kolom. Suatu detector diletakkan di ujung kolom untuk mendeteks jenis maupun jumlah tiap komponen dalam campran. Hasl pendektesian direkam dengan rekorder dan dinamakan kromatogram yang terdiri dari beberapa peak. Jumlah peak yang dihasilkan menyatakan jumlah senyawa yang terdapat dalam campuran.

Teori

Faktor Kapasitas

Faktor kapasitas merupakan suatu ukuran interaksi suatu senyawa dengan fasa diam

yang diformulasikan sebagai berikut:

K’ : faktor kapasitas

t_{r :} waktu retensi yaitu waktu yang diperlukan oleh suatu senyawa yang berinteraksi dengan fasa diam untuk meninggalkan kolom

t_{0 :} waktu yang dibutuhkan oleh senyawa ynag tidak berinterksi dengan fasa diam untuk meninggalkan kolom

Senyawa-senyawa yang mempunyai harga factor kapasitas tinggi menunjukan

senyawa tersebut berinteraksi dengan fasa diam secara kuat. Sebaliknya senyawa-senyawa

yang mempunyai harga factor kapasitas rendah menunjukan senyawa yang berinteraksi

secara lemah.

Selektivitas

Secara umum, selektivitas dapat diartikan sebagai ukuran keterpilihan yang diformulasikan sebagai berikut:

Α adalah selektivitas k’₁ dan k’₂ adalah masing-masing factor kapasitas senyawa 1 dan senyawa 2. Harga selektivitas dapat sama dengan satu atau lebih besar dari satu. Bila harga

α = 1 berarti senyawa 1 dan 2 keluar bersama-sama. Dengan kata lain senyawa 1 tidak dapat dipisahkan dari senyawa 2. Sebaliknya bila harga α > 1maka senyawa 1 keluar lebih cepat dari pada senyawa 2. Semakin besar harga α semakin baik proses pemisahannya.

Dalam kromatografi gas, persamaan 1.2 dapat dikembangkan lebih lanjut dengan mempertimbangkan sifat-sifat gas sehingga selektivitas dapat difomulasikankembali sebagai berikut:

Untuk fasa diam cair maka

[L]₁ menyatakan konsentras zat cair dan [G]₁ menyatakan konsentrasi gas sementara ; X1 menyatakan faksi mol, ns menyatakan solute dan Vl menyatakan volume fasa diam. Berdasarkan hokum gas PV = nRT maka ; n adalah jumlah mol, V adalah volume, P adalah tekanan, R tetapan gas, dan T suhu dalam derajat Kelvin. Berdasarkan Roult: P = γP^oX Dengan catatan P adalah tekanan parsial , γ adalah koefisien aktifitas, Po adalah tekanan uap murni, X adlah frksi mol maka selanjutnya

Berdasarkan uraian di atas maka persamaan 1.4 dapat dituliskan dengan cara lain sebagai berikut:

Dengan cara serupa data diperoleh

Dengan mendistribusikan persamaan 1.5 dan 1.6 ke dalam persamaan 1.3 maka dapat diperoleh formula selektivvitas dalam bntuk lain sebagai berikut :

Berdasarkan persamaan 1.57 terlihat bahwa selektivitas dipengaruhi oleh koefisien aktifitas (γ) dan tekanan uap (P^o). Koefisien aktifitas menggambarkan interaksi solute dengan fasa diam. Sedangkan tekanan uap berhubungan dengan suhu sehingga dalam prakteknyasuhu eksperimen dapat divariasikan untuk mendapatkan selektivitas yang tinggi. Jadi selektivitaspemisahan dengan kromatografi gas dapat dioptimalkandengan mengontrol fasa diam dan fasa suhu.

Efisiensi

Tingkat efisiensi pemisahan dengan kromatografi gas tercermin pada peak –peak kromatogram yang dihasilkan. Semakin lebar suatu peak kromatogram maka dapat dikatakan pemisahan semakin kurang efisien. Secara kuantitatif , efisiensi ini dapat dijelaskan dengan teori plat, bayangkanlah bahwa dalam proses kromatografi terjadi kesetimbangan distribusi diantara fasa gerak dan fasa diam ketika solute bergerak melalui kolom. Dengan kata lain, kromatografi merupakan proses ekstraksi yang berkesinambungan. Masih ingatkah proses ekstraksi? Semakin banyak proses ekstraksi dilakukan maka semakin sempurna pemisahan. Teori plat dapat diartikan bahwa sepanjang kolom terjadi proses ekstraksi sebanyak N kali. Perhitungan harga N didasarkanpadaa asumsi bahwa peak kromatogram berbentuk kurva Gaussian seperti terlihat pada gambar 1.2

Gambar 1.2 kromatogram ideal bentuk Gaussian

Dengan mengukur waktu retensi dan lebar peak maka jumlah plat teoritik dapat dihitung dengan persamaan berikut:

Tr adalah waktu retensi dan σ adalah standar deviasi. Secara praktis, standar deviasi (σ) dapat diganti dengan lebar peak (w)

Efisiensi pemisahan dapat juga dinyatakan dalam bentuk parameter lain HETP (height equivalent teoritical plate) yang difomulasikan sebagai berikut:

L menyatakan panjang kolom . kebalikan dari harga N, semakn kecil harga HETPN semakin efisien. Oleh karena pemisahan terjadi di dalam kolom maka efisiensi pemisahan berarti menggambarkan baik atau jeleknya suatu kolom.

Efisiensi pemisahan erat hubungannya dengan mekanisme perjalanan solute –solut yang mempengaruhi efisiensi. Pertama, untuk keluar dari kolom solute-solut dapat mengambil, jalan atau celah yang berbeda di dalam fasa diam. Sebagian solut mengambil jalan terpendek dan sebagian solute mengambil jalan berbelok-belok sehingga sebagian solute sampai tujuan lebih cepat dari yang lain. Akibat perbedaan waktu kedatngan di detector menyebabkan peak kromatogram melebar atau kurang efisien. Mkanisme ini dinamakan difusi Eddy (Eddy diffusion). Kedua, solut-solut berkecenderungan untuk berdifusi ke segala arah. Semakin lama solute berada dalam kolom maka semakin besar pula kecenderungan berdifusi dan hal ini mengakibatkan melebarnya peak kromatogarm Mekanisme yang kedua ini dinamakan difusi longitudinal (longitudinal diffusion) . Difusi longitudinal terutama terjadi pada kromatografi gas karena difusi dalam gas 10⁴ lebih cepat dari pada dalam zat cair. Ketiga,sebagian solute berada dalam fasa gerak dan sebagian lafi berada dalam fasa diam. Bila fasa gerak mengalir secara cepat sementara solute tidak dapat keluar dari fasa diam secara cepat maka sebagian solute tertinggal saat mencapai detector . Hal ini mengakibatkan melebarnya peak kromatogram. Sekaligus membuat pemisahan tidak efisien. Mekanismeketiga ini dinamakan transfer masa (mass transfer).

Resolusi

Tujuan utama dari kromatografi adalah mendapatkan pemisahan yang sempurna. Derajat pemisahan (R_s ) dalam kromatografi dinyatakan dengan istilah resolusi yang diformulasikan sebagai berikut:

Berdasarkan persamaan 1.10 terlihat bahwa resolusi dipengaruhi oleh tiga factor yaitu efisiensi (N), selektivitas (α), dan retensi (k’).

Segi-Segi Kromatologi Gas

Gas-Pembawa

Bermacam-macam gas telah digunakan dalam KGC, misalnya, hydrogen, helium, helium, memungkinkan difusi yang lebih longitudinal dari solute, yang cenderung menurunkan efisiensi kolom, terutama pada laju arus yang lebih rendah. Maka nitrogen mungkin merupkan suatu pilihan yang lebih baik untuk gas-pembawa agar dapat dilakukan suatu pemisahan yang benar-benar sukar. Tambahan pula nitrogen lebih mueah dari pada helium dan lebih aman dalam laboratorium dari pada hydrogen. Akan tetapi ada perimbangan lain, yaitu cirri-ciri detectornya. Jelas layak bahwa tanggapan terhadap gas-pembawa yang selalu ada.

Pengambilan Bahan

Sejumlah kecil sampel yang akan dianalisis diinjeksikan pada mesin menggunakan semprit kecil. Jarum semprit menembus lempengan karet tebal (Lempengan karet ini disebut septum) yang mana akan mengubah bentuknya kembali secara otomatis ketika semprit ditarik keluar dari lempengan karet tersebut.

Injektor berada dalam oven yang mana temperaturnya dapat dikontrol. Oven tersebut cukup panas sehingga sampel dapat mendidih dan diangkut ke kolom oleh gas pembawa misalnya helium atau gas lainnya.

Ada dua tipe utama kolom dalam kromatografi gas-cair. Tipe pertama, tube panjang dan tipis berisi material padatan; Tipe kedua, lebih tipis dan memiliki fase diam yang berikatan dengan pada bagian terdalam permukaannya.

Untuk menyederhanakan, kita akan melihat pada kolom terpadatkan. Kolom biasanya dibuat dari baja tak berkarat dengan panjang antara 1 sampai 4 meter, dengan diameter internal sampai 4 mm. Kolom digulung sehingga dapat disesuakan dengan oven yang terkontrol secara termostatis. Kolom dipadatkan dengan tanah diatomae, yang merupakan batu yang sangat berpori. Tanah ini dilapisis dengan cairan bertitik didih tinggi, biasanya polimer lilin.

Temperatur kolom

Temperatur kolom dapat bervariasi antara 50^oC sampai 250^oC. Temperatur kolom lebih rendah daripada gerbang injeksi pada oven, sehingga beberapa komponen campuran dapat berkondensasi pada awal kolom

Dalam beberapa kasus, seperti yang anda akan lihat pada bagian bawah, kolom memulai pada temperatur rendah dan kemudian terus menerus menjadi lebih panas dibawah pengawasan komputer saat analisis berlangsung.

Ada tiga hal yang dapat berlangsung pada molekul tertentu dalam campuran yang diinjeksikan pada kolom:

· Molekul dapat berkondensasi pada fase diam.

· Molekul dapat larut dalam cairan pada permukaan fase diam

· Molekul dapat tetap pada fase gas

Dari ketiga kemungkinan itu, tak satupun yang bersifat permanen.

Senyawa yang mempunyai titik didih yang lebih tinggi dari temperatur kolom secara jelas cenderung akan berkondensasi pada bagian awal kolom. Namun, beberapa bagian dari senyawa tersebut akan menguap kembali dengan dengan jalan yang sama seperti air yang menguap saat udara panas, meskipun temperatur dibawah 100^oC. Peluangnya akan berkondensasi lebih sedikit selama berada didalam kolom.

Sama halnya untuk beberapa molekul dapat larut dalam fase diam cair. Beberapa senyawa akan lebih mudah larut dalam cairan dibanding yang lainnya. Senyawa yang lebih mudah larut akan menghabiskan waktunya untuk diserap pada fase diam: sedangkan senyawa yang suka larut akan menghabiskan waktunya lebih banyak dalam fase gas.

Proses dimana zat membagi dirinya menjadi dua pelarut yang tidak bercampurkan karena perbedaan kelarutan, dimana kelarutan dalam satu pelarut satu lebih mudah dibanding dengan pelarut lainnya disebut sebagai partisi. Sekarang, anda bisa beralasan untuk memperdebatkan bahwa gas seperti helium tidak dapat dijelaskan sebagai “pelarut�. Tetapi, istilah partisi masih dapat digunakan dalam kromatografi gas-cair.

Anda dapat mengatakan bahwa substansi antara fase diam cair dan gas. Beberapa molekul dalam substansi menghabiskan waktu untuk larut dalam cairan dan beberapa lainnya menghabiskan waktu untuk bergerak bersama-sama dengan gas.

Detektor

Ada beberapa tipe detektor yang biasa digunakan. Detektor ionisasi nyala dijelaskan pada bagian bawah penjelasan ini, merupakan detektor yang umum dan lebih mudah untuk dijelaskan daripada detektor alternatif lainnya.

Detektor ionisasi nyala

Dalam mekanisme reaksi, pembakaran senyawa organik merupakan hal yang sangat kompleks. Selama proses, sejumlah ion-ion dan elektron-elektron dihasilkan dalam nyala. Kehadiran ion dan elektron dapat dideteksi.

Seluruh detektor ditutup dalam oven yang lebih panas dibanding dengan temperatur kolom. Hal itu menghentikan kondensasi dalam detektor.

Gambar 1.3 detektor ionisasi nyala

Jika tidak terdapat senyawa organik datang dari kolom, anda hanya memiliki nyala hidrogen yang terbakar dalam air. Sekarang, anggaplah bahwa satu senyawa dalam campuran anda analisa mulai masuk ke dalam detektor.

Ketika dibakar, itu akan menghasilkan sejumlah ion-ion dan elektron-elektron dalam nyala. Ion positif akan beratraksi pada katoda silinder. Ion-ion negatif dan elektron-elektron akan beratraksi pancarannya masing-masing yang mana merupakan anoda.

Hal ini serupa dengan apa yang terjadi selama elektrolisis normal.

Pada katoda, ion positif akan mendatangi elektron-elektron dari katoda dan menjadi netral. Pada anoda, beberapa elektron dalam nyala akan dipindahkan pada elektroda positif; ion-ion negatif akan memberikan elektron-elektronnya pada elektroda dan menjadi netral.

Kehilangam elektron-elektron dari satu elektroda dan perolehan dari elektroda lain, akan menghasilkan aliran elektron-elektron dalam sirkuit eksternal dari anoda ke katoda. Dengan kata lain, anda akan memperoleh arus listrik.

Arus yang diperoleh tidak besar, tetapi dapat diperkuat. Jika senyawa-senyawa organik lebih banyak dalam nyala, maka akan banyak juga dihasilkan ion-ion, dan dengan demikian akan terjadi arus listrik yang lebih kuat. Ini adalah pendekatan yang beralasan, khususnya jka anda berbicara tentang senyawa-senyawa yang serupa, arus yang anda ukur sebanding dengan jumlah senyawa dalam nyala.

Kekurangan detektor ionisasi nyala

Kekurangan utama dari detektor ini adalah pengrusakan setiap hasil yang keluar dari kolom sebagaimana yang terdeteksi. Jika anda akan mengrimkan hasil ke spektrometer massa, misalnya untuk analisa lanjut, anda tidak dapat menggunakan detektor tipe ini.

Penerjemahan hasil dari detektor

Hasil akan direkam sebagai urutan puncak-puncak; setiap puncak mewakili satu senyawa dalam campuran yang melalui detektor. Sepanjang anda mengontrol secara hati-hati kondisi dalam kolom, anda dapat menggunakan waktu retensi untuk membantu mengidentifikasi senyawa yang tampak-tentu saja anda atau seseorang lain telah menganalisa senyawa murni dari berbagai senyawa pada kondisi yang sama.

Gambar 1.4 Hasil Kromatogram

Area dibawah puncak sebanding dengan jumlah setiap senyawa yang telah melewati detektor, dan area ini dapat dihitung secara otomatis melalui komputer yang dihubungkan dengan monitor. Area yang akan diukur tampak sebagai bagian yang berwarna hijau dalam gambar yang disederhanakan.

Perlu dicatat bahwa tinggi puncak tidak merupakan masalah, tetapi total area dibawah puncak. Dalam beberapa contoh tertentu, bagian kiri gambar adalah puncak tertinggi dan memiliki area yang paling luas. Hal ini tidak selalu merupakan hal seharusnya..

Mungkin saja sejumlah besar satu senyawa dapat tampak, tetapi dapat terbukti dari kolom dalam jumlah relatif sedikit melalui jumlah yang lama. Pengukuran area selain tinggi puncak dapat dipergunakan dalam hal ini.

Kegunaan Kromatografi Gas

Pembatasan utama pada GC ini adalah yang mengenai mudahnya menguap. Contohnya harus memiliki tekanan uap cukup pada suhu kolom, memiliki titik didih rendah, dan tidak rusak dalam bentuk gasnya.

Kebanyakan contoh anorganik tidak cukup menguap untuk memperkenankan penggunaan GC secara langsung, meskipun beberapa penelitian telah dilakukan pada suhu-suhu sangat tinggi dengan menggunakan garam-garam leburan atau campuran eutektik sebagai fasa cair stasioner. Helida dari beberapa unsur seperti timah, titanium, arsen, dan antimony cukup mudah menguap, dan telah di pisahkan dengan GC. Sejumlah logam seperti berilium, alumunium, tembaga, besi, krom, dan kobal telah dapat di GC kan dalam bentuk senyawa-senyawa khelat yang cukup mudah menguap dengan asitelaseton dan turunan yang difluorinasikan. Misalnya aluminium, besi, dan tembaga telah ditentukan dalam logam-campur dengan melarutkan contoh diikuti dengan ekstraksi logam-logamnya ke dalam larutan klorofom dari trifuoroasetilaseton yang kemudian di klamotografikan. Kesalahan-kesalahan relative setingkat 0,2 hingga 3% telah dilaporkan.

Dalam dunia industri alat-alat analisa dapat dipakai untuk memantau atau menganalisa bahan baku, proses dan produk. Contohnya alat kromatografi gas dipakai untuk menganalisa produk dari unit pabrik kimia (chemical plant). Chemical plant ini memproduksi gas nitrogen, oksigen dan hidrogen serta gas mulia dengan bahan baku udara, Produk yang dihasilkan dianalisa bisa menggunakan metode Orsat atau yg canggih pakai kramatografi ini. GC ini juga dipakai untuk analisis kandungan senyawa,material atau komponen dari produk yang bermasalah/reject (biasanya untuk mengetahui adanya kontaminasi atau tidak.

Gc menampilkan diri sebagai terkemuka dalam usahanya untuk mengamati dan mengendalikan disrtibusi zat pencemaran dalam lingkungan.