Análise Instrumental, Notas de estudo de Química

Baixe Análise Instrumental e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity! Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 1 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa - CEFET E CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MATO GROSSO — UNED BELA VISTA COORDENAÇÃO DE QUIMICA CURSO TECNICO MODULAR EM QUIMICA Apostila: Análise Instrumental PROFº ELAINE DE ARRUDA OLIVEIRA CORINGA Bacharel e Licenciada em Química - UFMT Especialista em Processamento e Controle de Qualidade de Alimentos — UFLA/MG Especialista em Planejamento Educacional - UNIVERSO/RJ Mestre em Agricultura Tropical — Química do Solo - UFMT CUIABÁ-MT 2006 SUMÁRIO 1.Física Aplicada — óptica e ondulatória Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 2 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa 2. Introdução os métodos instrumentais 3.Fundamentos da Espectrofotometria 4.Colorimetria e Espectrofotometria de Absorção no ultravioleta e visível 5.Espectrofotometria de absorção no infravermelho 6. Turbidimetria e Nefelometria 7. Introdução aos métodos espectroquímicos de chama 8.Espectrofotometria de Absorção Atômica 9.Espectrofotometria de Emissão de Chama 10. Introdução aos métodos cromatográficos 11.Cromatografia Gasosa (CG) 12.Cromatografia líquida da alta eficiência (HPLC) 13.Potenciometria 14.Condutimetria Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 5 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa Métodos instrumentais de emálise química: Neste caso são utilizados equipamentos eletrônicos mais sofisticados. Apesar de mais utilizado em relação aos convencionais, podem ter seu uso limitado em função dos seguintes motivos: 1. Alto custo dos equipamentos eletrônicos: 2. Não existência de um equipamento disponível para determinada análise; 3. Existência de requerimento de um método convencional sob o aspecto legal, por se tratar de um método oficial; 4. Em casos raros, os métodos convencionais podem apresentar resultados melhores que os instrumentais. Exatidêio dos resultados endlíticos: Os métodos gravimétricos e volumétricos podem alcançar uma exatidão de até 99,9%, quando o composto analisado se encontra em mais de 10% na amostra. Para componentes presentes em quantidades menores que 10%, a exatidão cai bastante, e então a escolha do método apropriado deve recair em métodos mais sofisticados e exatos como métodos instrumentais. Quantidade relativa do componente analisado. Os componentes podem ser classificados em maiores (mais de 1%), menores (0,01 — 1%), micros (menores de 0,01%) e traços (ppm e ppb) em relação ao peso total da amostra. Para os componentes maiores, são perfeitamente aplicáveis os métodos gravimétricos e volumétricos. Para os componentes menores e micro, é geralmente necessário o emprego de técnicas mais sofisticadas e altamente sensíveis, como métodos instrumentais. 1.2 A CIÊNCIA DA INSTRUMENTAÇÃO: 1.2.1 O método instrumental: Os métodos que dependem da medição de propriedades elétricas, e os que estão baseados na determinação da absorção da radiação, ou na medida da intensidade de radiação emitida, exigem o emprego de um instrumento (por exemplo, espectrofotômetro, condutivímetro, etc.) e, por isso são denominados métodos instrumentais. Os sistemas instrumentais aplicados à análise e controle químicos, são amplamente aceitos como métodos rápidos, requerem menos separações químicas e são seguros e sensíveis, e são amplamente aplicados na indústria. A vantagem que se tem sobre os métodos de análise por “via úmida” é de que determinam a composição química através da medição das propriedades fisicas, tais como: índice de refração, cor. susceptibilidade magnética, condutividade elétrica, grau de acidez e muitas outras. Apesar das vantagens oferecidas pelos métodos instrumentais, a sua generalizada adoção não tornou obsoletos os métodos puramente químicos ou clássicos porque: a) A aparelhagem necessária para os procedimentos clássicos é barata e encontra-se com facilidade em todos os laboratórios; muitos instrumentos, no entanto, são caros e a sua adoção só se justifica quando são muitas as amostras a analisar, ou quando se trata da determinação de substâncias em quantidades diminutas (análise de traços). b) Nos métodos instrumentais é necessário efetuar uma operação de calibração, em que se usa amostra do material com a composição conhecida como substância de referência. c) Enquanto um método instrumental é o ideal para a execução de um grande número de determinações de rotina, no caso de uma análise episódica, fora da rotina, é muitas vezes mais simples usar um método clássico do que Ter o trabalho de preparar os padrões indispensáveis e calibrar o instrumento. 1.2.2 A natureza de uma medição; O instrumento para a análise química converte a informação armazenada nas características físicas e químicas da substância em um tipo de informação que pode ser manipulada e interpretada pelo homem Para conseguir esta informação, é necessário fornecer um ESTIMULO (na forma de energia elétrica, mecânica, nuclear, eletromagnética), para se obter a RESPOSTA do sistema em estudo. Por exemplo: a passagem de um feixe de luz visível de uma estreita faixa de comprimentos de onda através da amostras para medir o quanto foi absorvido pela substância. Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 6 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa O processo de medição é básico em um método instrumental. Portanto, é importante conhecer os diversos passos envolvidos em qualquer determinação, tais como: a) b) o d) e) Geração de Sinal: a maioria das medições físicas são registros da resposta de uma substância a um sinal imposto. Exemplo: uma determinação da condutividade requer uma corrente elétrica e uma medição da absorção requer um feixe de luz. Quase sempre, os sinais ópticos se originam em uma fonte, e os elétricos em um gerador. Detecção e Tradução: geralmente, a informação é detectada e transformada em uma forma de saída útil através de um só componente. Por exemplo, um tubo fotoelétrico não somente detecta sinais de luzes como as transforma em correntes elétricas. Se substituir por um tubo fotoelétrico multiplicador, este proporcionará 3 tipos de ações: detecta a luz; transforma em corrente; a amplifica 10” vezes. Amplificação: geralmente os detectores que respondem transformando a informação original em um sinal elétrico, seja corrente ou voltagem, são preferidos devidos à possibilidade de amplificação através do uso da eletrônica. Computação: sua função é a conversão do sinal a uma forma útil de apresentação. Por exemplo, nos espectrofotômetros de leitura direta, as concentrações são calculadas automaticamente, usando os dados brutos dos sinais. Apresentação ou Saída: representada por valores impressos em papel ou mostrados em visores, indicador de deflexão de um medidor, etc. 1.2.3 Tipos de métodos instrumentais: a) b) o Os principais métodos empregados na análise quantitativa estão baseados: No desempenho quantitativo de reações químicas apropriadas, seja pela medição do reagente necessário para completar a reação (análise volumétrica), seja pela determinação da quantidade de produto obtido na reação (análise gravimétrica). Em medições elétricas apropriadas (por exemplo, potenciometria). Na medição de certas propriedades ópticas (por exemplo, espectrofotometria de absorção). Assim, temos: MÉTODOS INSTRUMENTAIS ELÉTRICOS: envolvem a medição de corrente, de voltagem (tensão), ou de resistência, em função da concentração de uma certa espécie em solução. As técnicas que podem se incluídas nessa categoria são: Potenciometria (medida do potencial de um eletrodo em equilíbrio com um íon a ser determinado); Condutimetria (medida da condutividade elétrica de uma solução); Eletrogravimetria (pesagem do depósito sólido de um eletrodo decorrente da eletrólise da solução). MÉTODOS INSTRUMENTAIS ÓTICOS: dependem ou da medição da quantidade de energia radiante de um certo comprimento de onda que é absorvida pela amostra (métodos de absorção), ou da emissão de energia radiante e da medição da quantidade emitida com um certo comprimento de onda (métodos de emissão). Podem ser divididos em: a) Métodos óticos de absorção de luz: - Espectrofotometria no visível (colorimetria); - Espectrofotometria no ultravioleta - Espectrofotometria no infravermelho. - Espectroscopia de absorção atômica: envolve atomização da amostra (pulverização de uma solução da amostra numa chama) seguida pela determinação da quantidade de luz absorvida. - — Turbidimetria: determina a quantidade de luz absorvida por uma suspensão. b) Métodos óticos de emissão de luz: envolvem o tratamento da amostra pelo calor ou pela eletricidade, de modo que os átomos são promovidos a estados excitados que proporcionam Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 7 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa a emissão de energia; mede-se a intensidade desta energia emitida. As técnicas usuais da excitação são: - Espectroscopia de emissão, na qual a amostra é sujeita a um arco elétrico ou a uma centelha e examina-se a luz emitida; - Fotometria de chama, na qual uma solução da amostra é injetada numa chama; - Fluorimetria, em que uma substância conveniente em solução (comumente um complexo de reagente fluorescente com um metal) é excitada pela irradiação com luz visível ou ultravioleta. e MÉTODOS INSTRUMENTAIS DE SEPARAÇÃO: a Cromatografia é um processo de separação empregado para separar as substâncias de um mistura, amplamente utilizada para identificar componentes de um mistura e determiná-los quantitativamente. Aplica-se a técnica de separação em que os componentes da solução passam através de uma coluna em velocidades diferentes. A coluna está cheia de um recheio de sólido finamente dividido (usa-se pó de celulose, sílica-gel e alumina) ou de um liquido. Introduzindo-se a solução amostra na coluna junto com um solvente apropriado, os componentes da amostra podem ser separados por adsorção ou partição, em tempos diferentes. Esta técnica pode ser realizada por via úmida (método clássico) ou por via instrumental (automatizada). TABELA 2 - Propriedades físicas e químicas empregadas em métodos instrumentais Propriedades características Métodos instrumentais Emissão da radiação Espectroscopia de emissão (raios X, UV, Vis): fluorescência, fosforescência Absorção da radiação Espectrofotometria e fotometria (UV, Vis, raios X, IV, RMN) Espalhamento da radiação Turbidimetria, nefelometria, RAMAN Refração da radiação Refratometria Difração da radiação Difração de raios X Rotação da radiação Polarimetria Potencial elétrico Potenciometria Carga elétrica Coulometria Corrente elétrica Amperometria, polarografia Resistência elétrica Condutimetria 1.3 INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE: Um instrumento para análise química converte a informação armazenada nas características físicas e químicas do analito em um determinado tipo de informação, que pode ser manipulada ou interpretada pelo homem. Geralmente, os instrumentos para análise química compreendem alguns componentes básicos, como os da tabela 3. TABELA 3 - Alguns exemplos de componentes instrumentais Tnstrumento Fonte de energia | Informação Transdutor de Dominiode | Processadorda | Dispositivo (estimulo) analítica entrada dados da informação | de leiturade informação saida Fotômetro Lâmpada de W, | Feixe de luz | Fotocélula ou | Corrente Escala Medidor de filtro de vidro atenuado fototubo elétrica corrente Espectro? de | Chama Radiação Válvula Potencial Amplificador, — | Unidade absorção UVouVis | fotomultiplicadora | elétrico monocromador | digital atômica pHmetro Amostraleleirodo | Atividade do | Eletrodos — vidro- | Potencial Amplificador Unidade de vidro íon H calomelanos elétrico digital Comparador Luz do sol Cor Olho Sinal no | Cérebro Resposta de cores nervo ótico. visual à cor 1.4 SELEÇÃO DO MÉTODO ANALÍTICO: Como as técnicas apresentadas têm diferentes graus de complicação, sensibilidade, seletividade, custo e tempo, é importante escolher a melhor técnica para realizar uma determinação analítica. Para isso, é necessário levar em consideração: a) Tipo de análise: elementar ou molecular, rotineira ou episódica. b) Problemas decorrentes da natureza do material investigado: substâncias corrosivas, radioativas, afetadas pela água, calor, etc. Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 10 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa Leitura amostra original > L;= (Vix Cj) /Vr Leitura amostrat+padrão > L,=[(V,xC)/Vr]+[(VpxCp)/ Vi] Ca=L,xCpxVp (LoL) x Va 1.7 MATEMÁTICA PARA LABORATÓRIO: 1.7.1 | Unidades do Sistema Internacional (SI): O sistema SI é composto por unidades de medida básicas das quais outras se derivam. Padrões de comprimento, massa e tempo são o metro (m), o quilograma (Kg) e o segundo (s), respectivamente. A temperatura é medida em kelvins (K), a quantidade de substancia em mols (mol), a corrente elétrica em ampére (A). Quadro 2 — Unidades SI de base [UNIDADES SI DE BASE] GRANDEZA NOME SÍMBOLO comprimento metro m massa quilograma kg tempo segundo s corrente elétrica ampére A temperatura termodinâmica Kelvin K quantidade de matéria mol mol intensidade luminosa candela cd As unidades derivadas são unidades que podem ser expressas a partir das unidades de base, utilizando símbolos matemáticos de multiplicação e de divisão. Dentre essas unidades derivadas, diversas receberam nome especial e símbolo particular, que podem ser utilizados, por sua vez, com os símbolos de outras unidades de base ou derivadas para expressar unidades de outras grandezas. O Quadro 3 fornece alguns exemplos de unidades derivadas expressas diretamente a partir de unidades de base. As unidades derivadas são obtidas por multiplicação e divisão das unidades de base. Quadro 3 - Exemplos de unidades SI derivadas, expressas a partir das unidades de base. [UNIDADE SI] GRANDEZA NOME SÍMBOLO superfície metro quadrado mo volume metro cúbico m velocidade metro por segundo m/s aceleração metro por segundo ao quadrado | m/s” múmero de ondas metro clevado à potência mr” menos um (1 por metro) massa específica quilograma por metro cúbico gm volume específico metro cúbico por quilosrama mkg densidade de corrente ampére por metro quadrado Alm campo magnético ampére por meiro Alm concentração mol por meiro cúbico mol/m (de quantidade de matéria) luminância candela por metro quadrado cd indice de refração (o número) um * Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa Por questões de comodidade, certas unidades derivadas, que são mencionadas no Quadro 4, receberam nome especial e símbolo particular. Esses nomes e símbolos podem ser utilizados, por sua vez, para expressar outras unidades derivadas. Quadro 4 - Unidades SI derivadas possuidoras de nomes especiais e símbolos particulares. GRANDEZA UNIDADE SI DERIVADA NOME SÍMBOLO EXPRESSÃO EM OUTRAS DERIVADA UNIDADES SI ângulo plano Tadiano (2) rad frequência hertz Hz força newton N pressão, esforço pascal Pa N/m2 energia, trabalho, joule T Nm quantidade de calor watt W T/s potência, fluxo de energia coulomb c quantidade de eletricidade, carga elétrica diferença de potencial elétrico, volt v WIA força eletromotriz capacidade elétrica farad F Civ resistência elétrica ohm Q V/A condutância elétrica siemens s AIV fluxo de indução magnética weber Wb V.s indução magnética tesla T Wb/m” indutância henry H Wb/A temperatura Celsius grau Celsius (d) Cc Q fluxo luminoso Túmen Im cd. sr iluminamento lux x Im/m? Múltiplos e submúltiplos decimais das unidades do SI: Quadro 5 - Prefixos SI FATOR | PREFIXO | SÍMBOLO | FATOR | PREFIXO | SÍMBOLO 10% otta Y deci d 10? zetta A centi c Ig 10 exa E mili m 10! peta P 109 micro m E o 10 tera T 10 nano n 10º giga G 1012 pico Pp 10º mega M 1018 femto f 10º quilo K 1018 atto a 10? hecto H 10?! zepto z 107 107 deca Da yocto y Certas unidades que não fazem parte do Sistema Internacional, porém estão amplamente difundidas, desempenham papel tão importante que é necessário conservá-las para uso geral com o Sistema Internacional de Unidades. Elas figuram no Quadro 6 a seguir. Quadro 6 - Unidades fora do Sistema Internacional, em uso com o Sistema Internacional NOME | SÍMBOLO | VALOR EM UNIDADE SI Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 12 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa Minuto | min 1 min = 60s hora(a) |h 1h=60min=3.600s dia d 1d=24h=86.400s grau(b) |º 1º=(m/180) rad minuto | * 1º = (1/60) = (x/ 10 800) rad segundo | º 1" =(1/60)' = (m/ 648 000) rad litro LL 1IL=1 dm'=10ºm” tonelada | t t=10'kg Do mesmo modo é necessário admitir algumas outras unidades não pertencentes ao Sistema Internacional, cujo uso é útil em domínios especializados da pesquisa científica, pois seu valor (a ser expresso em unidades SI) tem de ser obtido experimentalmente, portanto não é exatamente conhecido (Quadro 7). Quadro 7- Unidades fora do SI, em uso com o Sistema Internacional, cujo valor em Unidades SI é obtido experimentalmente. x VALOR EM NOME SÍMBOLO DEFINIÇÃO UNIDADES SI 1 eleironvolt é a energia cinética adquirida por um elétron =1602 eletronvolt ev atravessando uma diferença de potencial de 1 volt no vácuo: 1 &V= EM i qu 17 1,602 19x 10-19 , aproximadamente. x unidade A unidade unificada de massa atômica é igual à fração 1/12 da massa - 402 de massa de um átomo do nuclídio 12C. 1u = 1,660 57 x 10-27kg, Lu= 1,660 540 2 de miss ú aproximadamente x 107k unidade A unidade astronômica é unidade de comprimento; seu valor é, 1ua=1,495 978 astronômica ua aproximadamente, igual à distância média entre a Terra e o Sol 70691 x 101! O Quadro 8 menciona outras unidades fora do SI utilizadas de maneira corrente e com o SI, a fim de satisfazer às necessidades no campo comercial ou jurídico, ou a interesses científicos particulares. Quadro 8 - Outras unidades fora do SI em uso com o Sistema Internacional NOME SÍMBOLO VALOR EM UNIDADE SI Milha marítima” 1 milha marítima = 1 852m nó 1 milha marítima por hora = (1 852/3 600)m/s angstrôm à 1Ã=01nm=10""m are? a la=lIdam=10?m? hectare” ha lha= lhm'=104m? a) A milha é uma unidade especial utilizada na navegação maritima e arca para expressar distâncias. b) Estas unidades e seus simbolos são empregados para exprimir superfícies agrárias. O Quadro 9 fornece as relações entre as unidade CGS e as unidades SI. O quadro menciona as unidades CGS com nomes especiais. No campo da mecânica, o sistema de unidades CGS se baseava em 3 grandezas de base e suas unidades: o centímetro, o grama e o segundo. No campo da eletricidade e magnetismo, as unidades foram também expressas em função dessas três unidades de base. Como essas unidades podiam ser expressas de várias maneiras, vários sistemas foram estabelecidos, como, por exemplo, o Sistema CGS Eletrostático, o Sistema CGS Eletromagnético e o Sistema CGS de Gauss. Nesses três últimos sistemas, o sistema de grandezas e o sistema de equações correspondentes são diferentes daqueles que se utilizam com as unidades SI. Quadro 9 - Unidades CGS derivadas dotadas de nomes particulares NOME | SÍMBOLO | VALOR EM UNIDADE SI erg erg dina | dm poise |P Stokes | St causs | G Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 15 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa Diversas pessoas lendo a absorbância ou transmitância de um espectrofotômetro descreveriam uma faixa de valores. Uma pessoa lendo o mesmo instrumento diversas vezes provavelmente também obterá diversas leituras diferentes. Pode resultar do ruído de um instrumento elétrico (instabilidade que gera flutuações positivas ou negativas e não são completamente eliminadas). 1.7.5 Precisão e exatidão: Precisão é uma medida da reprodutibilidade de um resultado. Se você medir uma quantidade várias vezes e os valores forem muito próximos uns dos outros, sua medida é precisa. Se os valores variarem muito, sua medida não é precisa. Exatidão se refere a quão próximo um valor de uma medida está do valor verdadeiro. Se um padrão conhecido estiver disponível, exatidão é o seu valor mais próximo do valor conhecido. O resultado de um experimento pode ser completamente reprodutível, porém errado. Por exemplo, se você comete um erro na preparação de uma solução para uma titulação qualquer, tal solução não deverá ter a concentração desejada. Você pode, então, fazer uma série de titulações altamente reprodutíveis, mas com resultados incorretos, porque a concentração do titulante não era a que você esperava. Em cada caso, podemos dizer que a precisão dos resultados é excelente, mas a exatidão é pequena. Ao contrário, é possível realizar uma série de medidas pouco reprodutíveis agrupadas em tono de um valor correto. Nesse caso, a precisão é pequena mas a exatidão é alta. Um procedimento ideal proporciona tanto precisão como exatidão. Exercícios: 1- Os seguintes dados de calibração foram obtidos por um método instrumental para determinação da substância X em solução aquosa: Concentração do padrão X (ppm) | Leitura instrumental o 0,031 2 0,173 6 0,422 10 0,702 14 0,956 18 1,248 Construa a curva de calibração para a substância X. Duas amostras dessa substância obtiveram leituras iguais a 0,85 e 0,520, respectivamente. Encontre a concentração de X nas duas amostras pela curva de calibração. 2- Uma amostra de 25 mL contendo Cu'? obteve uma leitura instrumental igual a 23,6 unidades (corrigida pelo branco). Quando foi adicionado à essa solução exatamente 0,5 mL de Cu(NO3) a 0,0287 M, a leitura instrumental aumentou até 37,9 unidades. Calcule a concentração de Cu” amostra, assumindo que o sinal analítico é diretamente proporcional à concentração do analito. 3- A forma reduzida do dinucleotídeo da nicotinamida adenina (NADH) é uma coenzima fluorescente. Essa substância foi determinada em uma amostra a partir da sua curva de calibração, onde os padrões foram: Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 16 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa Concentração de NADH no padrão (umol/L) | Intensidade de Fluorescência 0,1 2,24 0,2 4,52 0,3 6,63 04 9,01 0,5 10,M, 0,6 13,71 0,7 15,49 0,8 17,91 Calcule a concentração de NADH em uma amostra cuja intensidade de fluorescência foi de 12,16. 4- Os volumes indicados na tabela abaixo foram pipetados de uma solução padrão contendo 1,10 ppm de Zn'?. Cada uma dessas soluções sofreu 3 extrações com 5 mL de CCI, e um excesso de 8- hidroxiquinolina e diluídas a 25 mL com água. A leitura instrumental dessas soluções foi obtida de um aparelho colorimétrico e os resultados foram: mL de solução padrão de Zn? | Leitura instrumental (2%) o 6,12 4 11,16 8 15,68 12 20,64 A partir da curva de calibração do Zn, encontre a concentração de Zn”? em uma amostra cuja leitura foi igual a 10,46%. 5- Qual a concentração em mol/Lde NaCl quando dissolvemos 32 g do sal em água e diluímos a 0,5 L? 6- Quantos gramas de metanol (CH;0H) estão contidos em 0,1 L de uma solução aquosa a 1,71 mol/L de metanol? 7- Uma solução diluída tem densidade próxima de 1 g/mL. Suponha que a solução contém 1 ppm de soluto. Expresse a concentração do soluto em g/L, ug/L, ug/mL e mg/L. 8- A concentração de CH, na chuva de inverno é de 0,2 ppb. Presumindo que a densidade da chuva é próxima de 1 g/'mL calcule a concentração molar deste composto. 9- Converta as unidades: a) 155 ppmemgL d)3,9x 10º mg/L em g/L 81,5% em g/L b) 34 mg'mL em g/L e) 2,35 gL em % h)5,6ppm em % o) 9,0x 10% gL emmg/dL f) 7,8 g/dL em ugimL Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 17 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa 2. FÍSICA APLICADA: 2.1 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA 2.1.1 Natureza da luz - o que é a luz? a) Teoria corpuscular: = Em 1672, o físico inglês Isaac Newton apresentou uma teoria conhecida como modelo corpuscular da luz. Nesta teoria, a luz era considerada como um feixe de partículas emitidas por uma fonte de luz que atingia o olho estimulando a visão e por isso foi chamada de teoria ou modelo corpuscular da luz. b) Teoria ondulatória: = No século XIX, o cientista francês L. Foucault, medindo a velocidade da luz em diferentes meios (ar/água), verificou que a velocidade da luz era maior no ar do que na água, contradizendo a teoria corpuscular que considerava que a velocidade da luz na água deveria ser maior que no ar (Newton não tinha condições, na época, de medir a velocidade da luz). = Na segunda metade do século XIX, James Clerk Maxwell, através da sua teoria de ondas eletromagnéticas, provou que a velocidade com que a onda eletromagnética se propagava no espaço era igual à velocidade da luz, cujo valor é, aproximadamente: c=3x 10º m/s =300 000 km/s. Assim, Maxwell estabeleceu teoricamente que: A luz é uma modalidade de energia radiante que se propaga através de ondas eletromagnéticas. = Quinze anos após a descoberta de Maxwell, Hertz comprovou experimentalmente a teoria ondulatória. c) Dualidade onda/partícula: = O modelo ondulatório falha na explicação de fenômenos associados com a absorção e a emissão de luz pela matéria. Para entender esses processos, é necessário recorrer a um modelo de partícula, onde a luz é encarada como um feixe de partículas discretas ou pacotes de ondas de energia, chamados FÓTONS. Essas duas formas de visão da luz como partícula e como onda não são mutuamente excludentes, mas sim complementares. = Einstein mostrou que a energia de um feixe de luz era concentrada em pequenos pacotes de energia, denominados fótons. A natureza corpuscular da luz foi confirmada por Compton (1911). = Atualmente se aceita o fato de que a luz tem caráter dual: os fenômenos de reflexão, refração, interferência, difração e polarização da luz podem ser explicados pela teoria ondulatória e os de emissão e absorção da luz podem ser explicados pela teoria corpuscular. 2.1.2 Definição: » A RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA (REM) é uma forma de energia que se propaga no espaço a enormes velocidades, e que apresenta características ondulatórias (se comporta como uma onda) e corpusculares (se comporta como uma partícula de energia). Radiação eletromagnética - A luz, como verificou Maxwell, é formada por ondas eletromagnéticas, que são campos elétricos e magnéticos paralelos se propagando no espaço. As ondas eletromagnéticas tem velocidade c = If, onde c é a velocidade da luz, 1 o comprimento de onda, que é a distância entre os picos, efé a frequência (o inverso do período de uma oscilação). a) Por que vemos um objeto? = Segundo o filósofo grego Platão, nossos olhos emitiam pequenas partículas que tornavam os objetos visíveis ao atingi-los. = Atualmente, acredita-se que o objeto é que envia luz para os nossos olhos. Por isso, temos dois tipos de objetos: Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 20 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa conhecidas como arco-íris. A imagem da luz decomposta é chamada ESPECTRO obtido ou sobre uma tela branca ou sobre uma chapa fotográfica. ”» O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO é o arranjo ordenado das radiações conforme seus comprimentos de onda. O espectro total abrange comprimentos de onda que se estendem desde trilionésimos de milímetro até milhares de quilômetros. O espectro eletromagnético foi dividido em várias regiões de acordo com a origem das radiações. = Todas as radiações, quando absorvidas pela matéria, produzem calor. Como as radiações com comprimentos de onda maiores que 3 x 10? mm podem ser detectadas pelo calor, elas são denominadas ONDAS DE CALOR, e abrangem a região do espectro eletromagnético chamada INFRAVERMELHO. = As radiações com comprimentos de onda de 7,5 x 10% mm até 4 x 104 mm são detectadas pelo olho humano, e abrangem a região do VISÍVEL, e todas as radiações dessa faixa juntas são chamadas de luz branca, que corresponde às mais variadas cores, e é utilizada na determinação de substâncias que formam soluções coloridas. = A região ULTRAVIOLETA abrange comprimentos de onda menores que 4 x 10“ mm, ou seja, mais curtos que os da luz visível e mais longo que os dos raios X. É invisível para o olho humano, e dividida em regiões denominadas UV próximo (400-300 nm), UV afastado (300-200 nm) e UV no vácuo (200-4 nm); estes últimos são prejudiciais, pois são absorvidos pela camada de ozônio da Terra. 2.5.1 Tipos de radiações eletromagnéticas (luz): = Raios gama — é uma forma de radiação altamente energética, emitida a partir do núcleo de elementos radioativos. = Raios X- radiação de alta energia que tem a capacidade de penetrar nos organismos, atravessando os tecidos de menor densidade e sendo absorvidos pelas partes densas do corpo, com dentes e ossos. ---- = Ultravioleta (UV) — é um tipo de radiação proveniente do Sol, retida em parte pela camada de ozônio. = Radiação visível (VIS) — é a faixa de radiação que nos permite enxergar o mundo que nos cerca. A decomposição da radiação visível nos mostra que ela é constituída por sete cores: violeta, anil, azul, verde, amarelo, alaranjado e vermelho. = Raios infravermelhos (IV) — esse tipo de radiação é emitida por objetos quentes. As chamadas lâmpadas infravermelho são utilizadas para ativar a circulação sanguínea e para diminuir processos inflamatórios. = Raios hertezianos — essa forma de radiação apresenta baixa energia e sua recepção e transmissão são feitas por antenas. Estão incluídas as ondas de rádio AM e FM, e as ondas de TV. Quadro 1- Características do espectro eletromagnético Escala de Comprimento | Raios | Raios | Ultravioleta | Visível | Infravermelho | Microondas | Ondas de de onda gama x radio Angstrom (4) 1 10 1.800 3.800 7.800 - Nanômeiro (nm) - - 180 380 780 - - Micrômeiro (un) - - - - 0,7 400 - Centimetro (cm) - - - - - 0,04 35 2.6 PROPRIEDADES CORPUSCULARES DA LUZ: A luz é constituída por partículas ou pacotes de energia, chamadas FÓTONS. A energia de um fóton depende da frequência (f) da radiação, e é dada por: E=hxf (equação 2) Onde: E = energia absorvida/emitida (erg ou Joule) Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 21 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa f= frequência da luz incidente/emitente (Hz =") h= constante denominada Constante de Planck que tem o valor igual a 6,624x 107 erg/s ou 6,624 x 10! Joule/s Se: f=c/A (equação 3) Onde: A= comprimento de onda (cm, m, km, mm, nm, Á, um) c= velocidade da luz no vácuo (3.10º m/s =3.10!º em/s) . Relacionando as propriedades ondulatórias e corpusculares da radiação, temos: E=hxc (equação 4) A e Um fóton de alta frequência (f) e curto comprimento de onda (A) é mais energético do que um com baixa frequência e longo comprimento de onda. Daí deduz-se que as ondas eletromagnéticas transportam energia e quanto maior for a frequência da onda, maior será a energia transportada por ela. = Por exemplo: como a quantidade de energia por fóton varia de um tipo de radiação a outro, cada fóton está relacionado a um determinado comprimento de onda; como o comprimento de onda é inversamente proporcional à energia, um fóton de luz UV, de comprimento de onda pequeno, possui maior energia que um fóton de luz infravermelha, de comprimento de onda maior. Exercícios: 2. Calcule a energia de: a. umfóton de raios X de 5,3 À b. um fóton de radiação visível de 530 nm 3. Calcule a freqiiência em hertz, a energia em joules de um fóton de raios X que tem comprimento de onda de 2,70 À. 4. Calcule a fregiiência em hertz e a energia em joules associada à banda de absorção vibracional de 5,715 um de uma cetona alifática. 5. Calcule o comprimento de onda e a energia em joules associados a um sinal de RMN de 220 MHz. 6. Calcule a velocidade, a fregiiência e o comprimento de onda da linha do sódio (). = 589 nm) quando esta luz atravessa um material com índice de refração de 1,43. 7. Qual o comprimento de onda de um fóton que tem três vezes mais energia que a de um fóton cujo comprimento de onda é igual a 500 nm? 8. O iodeto de prata tem energia de ligação aproximadamente igual a 255 KJ/mol (Agl é um dos componentes dos óculos de sol). Qual é o comprimento de onda mais longo da luz que é capaz de quebrar as ligações do iodeto de prata? 9. Calcule o comprimento de onda de: a. linha de sódio a 589 nm em uma solução aquosa den = 1,35 b. radiação de saída de um laser de 694,3 nm que atravessa um pedaço de quartzo com n = 1,55 10. Supondo os seguintes níveis de energia para um átomo X: nE, =0 nE,=10,2J nE;=12,5J Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 22 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa nE,=154J Calcule a Energia do fóton, o comprimento de onda emitido/absorvido e a freqiiência associada às transições: nE, > nE,; enE, 5 nE, 10. Calcule a fregiiência da radiação de 2.537 À emitida pelo Hg no vácuo. A que cor do espectro eletromagnético corresponde esta radiação? CONVERSÃO DE UNIDADES: 1ângstrom=1 À = 10º m= 10º em 1 nanômetro = 1 nm = 10º m= 107 cm 1 micrômetro = 1 um 0“m=10“em 1 elétron-volt=1 eV =1,602x 10º 3 1Heriz=1Hz=1s" Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 25 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa Temos dois tipos de espectros de emissão: a) ESPECTRO DE LINHAS OU ATÔMICO: É composto por uma série de linhas estreitas paralelas correspondentes a cada comprimento de onda emitido, geradas pela excitação de átomos individuais do elemento químico, na fase gasosa. São emissões de REM na região do Visível e UV e é tanto mais cheio de linhas quanto maior for o numero de transições eletrônicas que o átomo pode realizar. Por isso, é característico (específico) para cada elemento, e serve para identificá-lo. b) ESPECTRO CONTÍNUO OU MOLECULAR: É composto por uma faixa de comprimentos de onda emitidos, formando uma banda sem diferenciação entre uma faixa e outra. São emissões de REM provocadas por um sólido incandescente (filamento de uma lâmpada, por exemplo), nas regiões do UV, Visível e infravermelho. 3.1.4. Aplicabilidade analítica da absorção / emissão da radiação: a) Métodos de Absorção - baseados na medida dos comprimentos de onda ou das intensidades da REM absorvidas pela amostra: na análise quantitativa, o nº de fótons absorvidos é função da concentração ou nº de átomos, íons ou moléculas das espécies absorventes; na análise qualitativa, os comprimentos de onda absorvidos são característicos dos átomos, íons ou moléculas que os absorvem. FONTE DE SELECIONADOR DETECTOR ENERGIA DO TC. AMOSTRA "| COMPRIMENTO DE ONDA Fig. 1- Diagrama dos componentes usados em métodos analíticos baseados na absorção de energia radiante. b) Métodos de Emisséio - baseados na emissão da energia radiante emitida por átomos, íons ou moléculas excitados. Na análise qualitativa, se baseia na medição dos comprimentos de onda de radiação e na análise quantitativa, se mede a intensidade da radiação emitida. FONTE DE ENERGIA RADIANTE ONDE ESTÁ INCLUIDA A AMOSTRA SELECIONADOR DE COMPRIMENTO DE ONDA DETECTOR Fig. 2- Diagrama dos componentes usados nos métodos cmalíticos baseados na emissão da energia radiante. Os métodos espectrométricos abrangem um grupo de métodos analíticos baseados na espectroscopia atômica e molecular. Espectroscopia é um termo geral para a ciência que estuda a interação de diferentes tipos de radiação com a matéria. Os métodos espectrométricos ou fotométricos mais amplamente utilizados fazem uso da radiação eletromagnética, que é um tipo de energia que toma diferentes formas, sendo a luz visível e o calor radiante as mais facilmente reconhecíveis. As interações mais sofisticadas incluem os raios gama € raios X, bem como a radiação ultravioleta, microondas e radiofrequência. Os diferentes métodos espectrométricos empregados pelos químicos para identificação e determinação dos elementos presentes nas varias formas de matéria incluem: Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 26 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa Tipo de espectroscopia Intervalo de comprimento de Tipo de transição quântica onda de trabalho Emissão de raios gama 0,005 a 1,4 À Nuclear Absorção, emissão, | 0,1 a 100 À Elétrons internos fluorescência e difração de raios x Absorção, emissão e | 180-780 nm Elétrons de ligação fluorescência ultravioleta e visível Absorção infravermelha e | 0,78 a 300 um Rotação / vibração de moléculas Raman Absorção de microondas 0,75 a 3,75 mm Rotação de moléculas Ressonância magnética nuclear 0,6a 10m Spin dos núcleos em um campo magnético Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 27 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa 4. COLORIMETRIA E ESPECTROFOTOMETRIA DE ABSORÇÃO NO ULTRAVIOLETA E VISÍVEL: 4.1. INTRODUÇÃO: Desde que a cor foi reconhecida como uma característica de certos materiais, ela tem sido utilizada como um meio de identificação. Porém, as análises qualitativas baseadas na coloração são limitadas tanto em precisão como em alcance, já que se baseia no olho humano como detector da energia radiante. A construção de outros detectores de radiação junto com o avanço da instrumentação tem produzido uma grande extensão das técnicas neste campo, que cobrem todo o espectro eletromagnético desde a região do infravermelho até o ultravioleta. As técnicas fotométricas estão baseadas na capacidade que as substâncias têm de interagir com frequências de radiação características. Como cada espécie isolada de íon, átomo ou molécula exibirá um conjunto de níveis de energia definidos, absorverá somente as frequências eletromagnéticas que correspondem à excitação de um nível ao outro. Trataremos dos métodos analíticos baseados na absorção da REM. A luz tem radiações para as quais a vista humana é sensível, e as ondas de comprimentos de onda diversos provocam cores diferentes. A percepção visual das cores é provocada pela absorção seletiva, por um objeto corado, de certos comprimentos de onda da luz incidente. Os outros comprimentos de onda são refletidos ou transmitidos, e são percebidos como a cor do objeto. Se um corpo sólido opaco tem aparência de branco, todos os comprimentos de onda são refletidos; se o corpo parece negro, a reflexão da luz de qualquer comprimento de onda é mínima; se um corpo parece azul, são refletidos os comprimentos de onda que correspondem à cor azul, e assim sucessivamente. A variação da cor de um sistema com a modificação da concentração de um certo componente é a base da ANÁLISE COLORIMÉTRICA. A cor é provocada pela formação de um composto corado, resultante da adição de um reagente apropriado, ou pode ser intrínseca do constituinte analisado. A COLORIMETRIA visa a determinação da concentração de uma substância pela medida da absorção relativa da luz, tomando como referência a absorção da substância numa concentração conhecida. = Na COLORIMETRIA VISUAL usa-se como fonte a luz branca natural ou artificial. As determinações são feitas num instrumento chamado COLORÍMETRO OU COMPARADOR DE CORES. = Quando a vista é substituída por uma célula fotoelétrica (dispositivo detector de radiação) a técnica é chamada de COLORIMETRIA FOTOELÉTRICA e o instrumento é o FOTOCOLORÍMETRO. Neste instrumento, usa-se a luz que está numa banda estreita de comprimentos de onda, que se consegue pela passagem da luz através de filtros (dispositivo selecionador de comprimento de onda), que são materiais coloridos na forma de placas de vidro, gelatina, etc. , que só transmitem a luz numa região espectral limitada. = Na ESPECTROFOTOMETRIA a fonte de radiação emite da região visível até a região UV (160 a 780 nm) do EEM, o que necessita de um instrumento mais complicado, e por isso, mais caro — o ESPECTROFOTÔMETRO. A principal vantagem dos métodos colorimétricos e espectrofotométricos é a de proporcionarem um meio simples de determinar quantidades diminutas de substâncias. Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 30 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa c) da concentração da espécie absorvente ( C) Estas relações podem ser expressas pela equação: logL/L=A=K.b.C a) Onde: To = intensidade da luz incidente na amostra I, = intensidade da luz transmitida pela amostra A = absorbância, representa a quantidade de luz absorvida pelo soluto da amostra, naquele comprimento de onda selecionado. É adimensional. k = constante característica do soluto (absortividade molar ou específica). b = espessura do recipiente que contém a solução, e representa o comprimento do caminho ótico através da amostra. Expressa em cm. C = concentração do soluto, em gramas/Litro ou em moles/Litro. A equação (1) também conhecida como a expressão matemática da Lei de Beer-Lambert e é o coração da espectrofotometria aplicada à análise química . 4 Quando a concentração é expressa em gL e o comprimento do caminho ótico (b) em cm, a expressão acimatoma-se: A =a.b. Cg/L, onde k = a = absortividade específica. 4 Quando a concentração é expressa em mol/L e o comprimento do caminho ótico (b) em cm, a expressão acima torna-se: A =€.b. Cmol/L, ondek = E =absotividade molar. 4 Essas duas constantes se relacionam entre si por: € = à x PM, onde PM = peso molecular. 432- Relação entre absorbância (A) e transmitância (T): A relação entre a luz transmitida (It) e a luz incidente (10) chama-se TRANSMITÂNCIA e o valor máximo que pode assumir é 100%: T=It/Io Se determinada solução não absorve energia, então It e Io têm o mesmo valor (100%) e, consequentemente, T = 1. Como se usa a transmitância percentual para evitar operações com números decimais, T fica entre O e 100%. A lei de Beer — Lambert estabelece a relação entre Transmitância (T) e Absorbância (A): A=-log T/100 Por esta expressão, entende-se que um valor em porcentagem de transmitância lido na escala do fotocolorímetro pode ser facilmente transformado em absorbância. Por ex., 20% de transmitância correspondem a uma absorção de 0,699. TABELA 7 — Termos e símbolos usados na equação da Lei de Beer. Termo Símbolo Equação Absorbância A A=-logT e A=k.b.C Transmitância T T=(102)x 100 Comprimento da trajetória (espessura da b b=A/k.C cela) Absortividade molar (coeficiente de E E-aPM o €=A. Cmol/L absorção molar) Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 31 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa Absortividade específica a a=E/PM ou a=A/b. CL e Exemplo: Encontre a absorbância e a transmitância de uma solução 0,00240 M de uma substância com coeficiente de absortividade molar de 313 M4 cm! numa célula com 2 cm de caminho óptico. 4.4. CURVA DE CALIBRAÇÃO: Uma curva de calibração mostra a resposta de um método analítico para quantidades conhecidas de constituinte. e Soluções contendo concentrações conhecidas de uma substância são chamadas soluções-padrão. e Soluções contendo todos os reagentes e solventes usados na análise, mas sem a adição da substância de interesse, são chamadas soluções branco. O “branco” mede a resposta do procedimento analítico para impurezas ou espécies interferentes nos reagentes. A relação entre Absorbância de uma solução e a sua concentração é proporcional, de maneira que é possível utilizar tais valores para construir curvas de calibração ou analíticas. Os instrumentos atuais estão calibrados para fazer leituras seja em % de Transmitância, em Absorbância ou em ambas. A figura abaixo ilustra graficamente as relações existentes entre transmitância, absorbância e concentração, em um determinado comprimento de onda. Os valores de absorbância plotados em papel milimetrado, quando a Lei de Beer é obedecida, formam uma reta perfeita, o que não ocorre nas curvas feitas com %T. Uma relação linear (reta) em qualquer um dos gráficos indica que a substância em solução obedece a Lei de Beer, nas condições da análise, e pode servir de curva de calibração para a determinação da concentração de soluções de mesma natureza. Quando há uma resposta linear o sinal emalítico corrigido ( = sinal da amostra — sinal do branco) é proporcional à quantidade de constituinte. Atualmente, a maioria dos equipamentos dispõe de programas (sofiwares) que expressa os resultados da análise e constrói sua curva de calibração, armazenando-as para quando forem necessárias em outras determinações. 4.4.1- Procedimento para construção da curva de calibração no espectrofotômetr 1. Prepara-se uma série de soluções padrão contendo a espécie em estudo, a diferentes concentrações perfeitamente conhecidas, cobrindo uma faixa conveniente de concentração; 2. A resposta do fotocolorímetro é ajustada em 100% de T ao inserir-se a solução de referência (branco); se o fotocolorímetro apresenta A no lugar de %T, a leitura do branco estaria fixada em O (zero). 3. Determina-se a absorbância (ou %T) de cada uma dessas soluções padrão e constrói-se o gráfico de A (absorbância) em função de C (concentrações das soluções padrão), em papel milimetrado. 4. Pode ser usado o aplicativo Excel para tabular as leituras e concentrações das soluções padrão. O ajuste da reta é feito pelo método dos mínimos quadrados, e uma equação da reta é apresentada, facilitando o cálculo da concentração da amostra pela equação (ver capitulo 2) 4.42- Desvios da lei de Beer-Lambert: Esses desvios podem ser classificados como positivos ou negativos, e ocorrem quando algumas das seguintes condições ideais para as determinações não são respeitadas: - — comprimento de onda determinado para a espécie absorvente em questão - meio homogêneo (sem turbidez) Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 32 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa - ausência de reações indesejáveis entre moléculas do soluto e solvente Alguns destes desvios podem ocorrer como consequência da maneira como as medidas de absorbância foram feitas ou como resultado de mudanças químicas associadas com variações de concentração. A lei de Beer é bem sucedida ao descrever o comportamento da absorção de soluções com concentrações relativamente baixas (usualmente < 0,01 M). Os desvios podem ser divididos em dois grupos: desvios químicos e desvios devido ao instrumento: Desvios químicos: - — interação química do soluto com reagentes de análise ou impurezas - alta concentração da solução (maior que 0,01 mol/L) - variações no pH - — pureza e estabilidade dos reagentes - — tempo de leitura (estabilidade química) - — temperatura na qual desenvolve-se a cor Desvios devido ao instrumento: - desgaste nos fotodetectores - — troca de lâmpada por outra não correspondente - | pó sobre a ampola da lâmpada - uso de filtros de outros aparelhos. Cada vez que se troca um filtro, o instrumento deverá ser recalibrado. - Uso detubos de vidro comum ao invés de cubetas especialmente fabricadas para o aparelho - Perda de calibração do comprimento de onda - Flutuações na fonte de radiação. 4.5. A CURVA DE ABSORÇÃO: Para se encontrar a máxima absorção de uma substância devemos saber qual o cor ato de onda de luz adequado para que ela absorva mais intensamente. Quando esse comprimento de onda que deverá estar calibrado o aparelho para aquel e não for disponível, deve-se construir uma Curva de Absorção para aquela substância que se quer inar a sua concentração, da seguinte forma: 1. Prepara-se uma solução padrão da substância a analisar 2. Determina-se a absorbância dessa solução padrão em vários comprimentos de onda, du 2 uma escala por ex. de 400 a 700 nm, onde a cada 50 nm determina-se uma absorbância. 3. Plota-se os valores obtidos de absorbância nas ordenadas e de comprimento de onda na abscissa. No valor de máxima absorção (pico) seus comprimentos de onda correspondente será o ótimo para realizar a análise daquela substância. Espectro de absorção = gráfico que mostra a variação de A com comprimento de onda 4.6. DETERMINAÇÃO NUMÉRICA DA CONCENTRAÇÃO DE UMA SOLUÇÃO: Requisitos: > a espécie a ser analisada deve absorver luz em à conhecido > À de absorção deve ser diferenciado de outras substâncias presentes na amostra. > Preparo de um “branco”: solução que contém todos os reagentes presentes na solução da espécie a ser analisada (amostra), menos a espécie a ser analisada. Subtrai-se Absorbância do branco da Absorbância da amostra antes de realizar os cálculos. Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 35 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa O desempenho fotométrico de um espectrofotômetro é grandemente relacionado ao desenho do sistema ótico. O sistema ótico do instrumento deve: a) Acoplar eficientemente a luz proveniente da lâmpada. b) As fendas de entrada e saída devem permitir que os feixes de luz possam passar sem ocorrer em perda de luz. c) Focalizar os feixes na amostra. d) Coletar a luz da amostra e direcioná-la ao detetor, sem causar instabilidade. 4.7.2 Seletor de comprimento de onda: Os aparelhos que podem ser usados para selecionar regiões particulares de comprimento de onda na região visível e ultravioleta do espectro eletromagnético incluem o uso de: a) Filtros Ópticos - são usados nos colorímetros fotoelétricos, e permitem somente a transmissão de regiões de comprimento de onda limitado, absorvendo a maior parte da radiação de outros comprimentos de onda. A cor da luz absorvida pelo filtro é o complemento da cor da própria solução: um líquido parece vermelho, por exemplo, porque transmite a porção vermelha do espectro eletromagnético, mas absorve a verde. É a intensidade da radiação verde que varia com a concentração: um filtro verde, portanto, deveria ser usado. Assim, em geral, o filtro mais apropriado para uma análise fotométrica será a cor complementar da solução que está sendo analisada. Consistem em películas delgadas de gelatina com diferentes corantes, ou em lâminas de vidro colorido, onde os fabricantes informam as várias faixas de transmissão para os vários filtros. Nos dias de hoje, são raramente usados; no entanto, têm a vantagem de serem mais baratos e muito satisfatórios para medidas que não exigem muita precisão. b) Monocromadores: permite isolar uma banda de comprimentos de onda mais estreita que a obtida por um filtro, empregados para se Ter uma resolução maior do espectro, não só no visível, mas também na região UV. Um monocromador desdobra a radiação policromática nos comprimentos de onda que a formam, e separa estes comprimentos de onda em bandas. É constituído por: - — uma fenda de entrada por onde penetra a radiação policromática da fonte de luz (lâmpada): - — um espelho ou lente, para colimar (estreitar) o feixe admitido; - um elemento dispersor da radiação, como um prisma ou uma rede de difração, que desdobra a radiação nos comprimentos de onda componentes (separa a luz nos seus vários comprimentos de onda); - uma lente ou espelho para focar (direcionar) a radiação dispersa; - uma fenda de saída, que seleciona o comprimento de onda da radiação que irá incidir sobre a amostra. > Tipos de elemento de dispersão do monocromador: Prismas: os prismas são elementos dispersantes convenientes entre o UV próximo e as regiões do infravermelho médio. A dispersão depende do índice de refração do material do prisma variar com o comprimento de onda. Os prismas de vidro podem ser empregados na região visível, entre 400 e 1000 nm, uma vez que o vidro absorve no ultravioleta. Abaixo de 400 nm (UV) são usados prismas de quartzo ou sílica, fundidos. Redes de Difração: observou-se que um feixe de radiação monocromática, ao passar por uma placa transparente que possui um grande número de linhas paralelas bem finas riscadas sobre ela, origina vários feixes. As redes consistem numa placa fina de vidro ou plástico, com várias riscas, que difrata a luz, dispersando os diferentes comprimentos de onda. Nos espectrofotômetros para o UV e visível, as redes tem entre 10.000 e 30.000 linhas/cm, que proporcionam uma dispersão mais elevada que a obtida pelos prismas; uma única rede pode cobrir a região do espectro entre 200 e 900 nm. A forma com que a radiação eletromagnética sofre difração através de uma grade está baseada na lei de difração de Bragg. A finalidade deste componente é a de difratar a luz de modo que diferentes Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 36 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa comprimentos de onda irão incidir sobre a amostra permitindo que se determine sua absorbância em cada um destes comprimentos. Este conjunto de dados resulta no que se chama espectro de absorção. Uma grade de difração é um componente óptico que contém uma série de ranhuras, que são justamente os elementos responsáveis pela difração. Dependendo do número de ranhuras por milímetro, haverá uma maior ou menor resolução dos espectros. Instrumentos com melhor resolução espectral terão grades de difração com maior número de ranhuras por milímetro, e, consequentemente, este é um (mas não o único) parâmetro a ser avaliado na seleção de um instrumento. Em épocas passadas as ranhuras eram feitas mecanicamente, porém atualmente estas são feitas através de processos denominados holográficos. Neste caso é feito um depósito de uma camada muito fina de um material sobre um substrato de vidro ou de quartzo, que é, posteriormente, corroído em certas regiões definidas por uma figura de interferência gerando sobre este material um conjunto de vales e topos denominados ranhuras. A qualidade de uma grade de difração é controlada pelo número de ranhuras por unidade de área e pela precisão com que estas foram feitas. 4.7.3- Recipientes para a amostra: Chama-se cubeta, feita de material transparente à radiação na região espectral de trabalho. Têm a forma retangular, com uma largura óptica de 1 cm. Para o uso de soluções aquosas existem células baratas de poliestireno. As células padrão são feitas em vidro, para operar nos comprimentos de onda de 340 a 1.000 nm (visível), mas para operar em comprimentos de onda mais baixos (até 185 nm, UV), as células devem ser feitas de sílica ou de quartzo. As espessuras das células variam de 1 a 10 cm. As células de absorção devem manter-se rigorosamente limpas, pois tanto as impressões digitais como restos de amostras anteriores podem ser causas de erros consideráveis nas determinações quantitativas. > Acessórios de multi-cubetas O acessório de multi-cubeta ambiente ou termostatizável consiste de dois conjuntos de seis cubetas que se movem através do transportador de amostra posicionado no interior do compartimento de amostras. O multi-cubetas possui as seguintes possibilidades: - Utilizar campos de rotação magnética para promover agitação das cubetas. - Utilizar aquecimento. - Utilizar um canal de água para controle de temperatura. Quando conectado ao acessório controlador de temperatura, a bomba de aquecimento pode ser usada para transferir calor das cubetas para a água circulante, ou transferir aquecimento da água para a cubeta. Usando este sistema é possível ajustar a temperatura de —10 a 100 graus Celsius. 4.7.4- Detectores de radiação: O outro conjunto importante de elementos que compõe um espectrofotômetro é o tipo de detector que emprega. Assumindo-se que se está tratando de sistemas que empregam como elemento de difração da radiação uma grade, o tipo de detector irá definir todo o conjunto de elementos ópticos adicionais. Duas grandes classes de espectrofotômetros estão disponíveis: os que utilizam como sistema de detecção um tubo fotomultiplicador e os que utilizam arranjo de diodos. Já um colorímetro fotoelétrico utiliza-se da célula fotoelétrica para detectar a radiação transmitida. a) Célula fotoelétrica: usadas na região do visível e ultravioleta. Constituída por um bulbo de vidro que tem parte da sua superfície interna revestida por uma camada delgada, sensível, de um material com óxido de césio ou de potássio, com óxido de prata (material que emite elétrons quando iluminado); uma parte da superficie do bulbo é transparente à luz. A camada sensível é o cátodo e no centro do tubo. Quando a luz entra no bulbo e atinge a camada sensível (cátodo), há emissão de elétrons que provocam a circulação de uma corrente no circuito extemo, e é uma medida da quantidade de luz. Usada nos fotocolorímetros. Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 37 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa b) Tubo fotomultiplicador: é formado por um tubo de vidro ou de quartzo sob vácuo, no qual existe um conjunto de placas metálicas interligadas. Quando a radiação incide sobre estas placas metálicas elas induzem uma corrente elétrica, de acordo com o que é descrito pelo efeito fotoelétrico proposto por Einstein. Em função do fato destas placas estarem interligadas e de uma diferença de potencial elétrico estar sendo aplicada entre elas, esta fotocorrente é amplificada por um circuito eletrônico adequado, de modo que um sinal muito baixo de corrente elétrica pode ser detectado e registrado. Pode ser considerado um tipo de célula fotoelétrica amplificada (da ordem de 10º vezes), usada nos espectrofotômetros. É mais sensível, mede intensidades 200 vezes mais fracas do que as medidas por uma célula fotoelétrica. Um instrumento que se utiliza deste detector deve fazer com que comprimentos de onda individuais o atinja, de modo que para cada um deles seja detectado um sinal de corrente, que será transformado, segundo uma certa escala, em um sinal de absorbância. Deve ter ainda algum tipo de sistema que permita eliminar o sinal de fundo, comumente chamado de background. c) Arranjo de diodos (ou detectores do tipo fotodiodo): de modo simplificado, um arranjo de diodos consiste em uma série de detectores fotodiodo posicionado lado a lado em um cristal de silício, de modo que cada comprimento de onda difratado pela grade atinge um ponto deste arranjo, e consequentemente um detector. Cada diodo tem um capacitor dedicado e está conectado por um interruptor tipo transistor para uma linha de saída comum a todos. Deste modo, a radiação que atravessa a amostra é integral e instantaneamente analisada determinando-se, portanto, a absorbância em todos os comprimentos de onda é determinada de modo simultâneo. Este tipo de instrumento é bastante simplificado na sua óptica, se comparado aos instrumentos com fotomultiplicadoras como detectores, e os espectros são obtidos mais rapidamente, mas é um instrumento com menor sensibilidade. Assim: 4 Qualquer tipo de detector absorve a energia dos fótons que chocam contra ele e a converte em uma quantidade mensurável, como a impressão em chapa fotográfica, uma corrente elétrica ou variações térmicas. 4 Qualquer tipo de detector deve gerar um sinal que está quantitativamente relacionado com a radiação recebida. Todo detector deve obedecer aos seguintes critérios: - alta sensibilidade; - — curto tempo de resposta; estabilidade a longo prazo para assegurar a exatidão das respostas quantitativas; sinal eletrônico facilmente amplificável por qualquer instrumento de leitura; 4.7.5. Tipos de instrumentos: a) Feixe simples: Shutter Photo- | | Reference detector Readout cell Source : ty Filter or monoehromator Sample cell Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 40 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa tungstênio e hidrogênio ou deutério, tubos fotomultiplicadores e redes de difração, leitura digital. Seu preço varia de U$ 2.000 a US$ 8.000. e Espectrofotômetros computadorizados: operam na região de 190 a 800 nm de À, com varredura de À. As amostras são lidas e as absorbâncias calculadas com a ajuda de softwares. Possui várias opções de tratamento dos dados e apresentação, como absorbância, transmitância, derivadas, espectros de absorção, cálculos de concentração, etc. Mecanismo de funcionamento: a luz emitida da lâmpada (2) é purificada nos filtros (3) e condensada sobre a fenda de entrada (4). O feixe de luz atravessa a fenda de entrada , é refletido pelo espelho plano, sendo condensado pelo espelho colimador sobre a rede de difração (5), que obtém-se a varredura dos comprimentos de onda. O feixe de luz que passa pela fenda de saída atravessa o compartimento de amostras (7) — cubeta — e atinge o detector (8). e Diferença entre colorimetro e espectrofotômetr O termo colorímetro é geralmente restrito aos instrumentos visuais e fotoelétricos mais simples para a região visível. O termo espectrofotômetro usa bandas de comprimentos de onda mais estreitos, produzidas por um monocromador. Todas as formas devem ter certas características e componentes em comum; alguns dos instrumentos mais simples podem omitir um ou mais itens, e a sequência na qual a radiação passa de um item para o outro não é a mesma: 4.9 Manuseio da amostra no UV/Vis: A amostra é lida em solução ou vapor. Existem no mercado células de quartzo para a determinação de amostras em fase vapor, no ultravioleta. Estas células são providas de uma entrada e saída para o gás, e algumas pemitem circulação de um liquido que mantém constante a temperatura no interior da célula. Para analisar amostras em solução, retira-se alíquotas e dilui sucessivamente, conforme procedimento recomendado pelo método. É de máxima importância que as cubetas estejam limpas, e costuma-se enxaguá-las várias vezes entre uma leitura e outra. Pode ser necessário limpar as células com detergente ou ácido nítrico a quente para remoção de traços de amostras anteriores. Muitos solventes são usados na região do UV-Vis: ciclohexano, etanol 95% e 1,4-dioxano, desde que corretamente purificados. Outros solventes de pureza espectroscópica adequados para o UV encontram-se atualmente no mercado. Estes solventes são classificados como de “grau espectroscópico” e encontram-se livres da absorção devido a interferentes. 4.10 Aplicação na análise qualitativa: A absorção de radiação no UV por muitos compostos ocorre numa faixa muito reduzida de comprimentos de onda, o que faz com que suas curvas se sobreponham, quase que impossibilitando sua identificação. Como consequência, a absorção no UV oferece menos possibilidades para a identificação de grupos funcionais que outros métodos espectroscópicos, tais como o IV (infravermelho) e o RMN (ressonância magnética nuclear). Mesmo assim, a espectroscopia UV é muito utilizada na identificação dos constituintes de diversas plantas e na determinação de impurezas em amostras orgânicas. 4.11 Aplicação na análise quantitativa: A espectroscopia UV-Vis é regida pela Lei de Beer, onde a maior parte dos equipamentos registra diretamente a leitura em absorbância, onde posteriormente será construída a curva de calibração para a determinação da concentração das amostras. A espectrofotometria VIS determina quantidades de compostos inorgânicos (metais e ânions inorgânicos tais como fosfato, sulfato, cromato, etc.) em amostras liquidas (água, solução de solo, alimentos, tintas, combustíveis, bebidas, etc.). Algumas aplicações da espectrofotometria UV são as determinações de: Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 41 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa - compostos aromáticos - — produtos naturais como esteróides e clorofila - — corantes e vitaminas - — estabilizantes e antioxidantes. Exercícios: 1- Considere uma solução padrão contendo 0,5 mg de Me” / mL com transmitância igual 62%. Uma amostra dessa substância obteve uma transmitância igual a 70%, medida nas mesmas condições (b = 1 cm). Calcule a concentração do metal Me" na amostra. 2- Você está usando um colorimetro fotoelétrico e obteve os seguintes dados: Leitura do padrão = 25% Leitura da amostra = 18% Concentração do padrão = 200 mg/100 ml. Calcule a concentração da amostra. 3- Usando um colorímetro fotoelétrico, a leitura da Absorbância do padrão é 0,42 e a leitura da amostra é 0,21. Sabendo que a concentração do padrão é 150 mg/100 ml, calcule a concentração da amostra (em g/L). 4- Qual é a absorbância de uma solução tendo uma transmitância de 85% ? 5- A absorbância de uma amostra é 0,17, e a do padrão é 0,13. A concentração do padrão é 100 ug/100 ml. Qual é a concentração da amostra, em g/L? 6- Converta em absorbância: Converta em percentagem de transmitância: T(%)=25,5-56,7-32,8-3,58- A=0,0510- 0,918 —- 0,379 — 0,261 — 0,485 7- Em uma determinação de cobre, se mede uma absorbância de 0,65. Sabe-se que existe uma concentração aproximada de 10! moles/L de um interferente com absortividade molar de 100 L/moles.cm Sabendo que a cubeta tem uma espessura de 1 cm, calcule a absorbância devida somente ao cobre. 8- A absorbância de uma solução de concentração igual a 2,31 x 10 M de X é de 0,822, numa cubeta de 1 cm. Calcule a absortividade molar de X. 9- A porcentagem de transmissão de uma solução desconhecida é 48%. Qual é a concentração desta solução se uma solução padrão de 100 mg/dL desta substância tem uma leitura de T de 75%? 10. Uma solução de 15 ug/dL de nitrogênio de amônia tem uma Absorbância de 0,14. A Absorbância de uma amostra desconhecida de sangue é 0,12. Qual é a concentração da amostra de sangue? q Um colorímetro portátil registrou uma transmitância de 73,6% com uma solução do branco no caminho óptico. A substituição do branco por uma solução absorvente forneceu uma transmitância de 24,9%. Calcule: a) A absorbância do branco e da solução absorvente b) A transmitância esperada para uma solução na qual a concentração do absorvente seja 1/3 da solução da amostra original c) A absorbância esperada para uma solução que apresenta duas vezes a concentração da solução na amostra. 12- Uma amostra de solução colorida que segue a Lei de Beer mostra 80% de T quando medida numa cela de 1 em de comprimento. a) Calcular a %T para a solução de concentração 2 vezes maior na mesma cubeta. b) Calcular a %T da solução original quando contida numa cubeta de 0,5 cm de comprimento. c) Sea concentração original for de 0,005% p/v qual o valor da absortividade específica? 13- Várias soluções padrão de Y se empregam para traçar uma curva de calibração com os seguintes dados: Concentração (ppm) | Absorbância 1,00 0,26 2,00 0,44 Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 42 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa 3,00 0,54 4,00 0,61 Se uma solução problema tem uma absorbância de 0,50 nas mesmas condições, qual a concentração de Y em moles/], sabendo que seu peso molecular é 156 g/mol ? 14- Os seguintes valores de absorbância foram obtidos e anotados para um procedimento de determinação de concentração de glicose: Reagente branco: 0,1 amostra desconhecida: 0,2 solução padrão: 0,3 O valor conhecido para a solução padrão é de 250 mg/100 ml. Que concentração de glicose, em g/L, deve ser apresentada por esta amostra? 15- Na construção da curva de calibração para uma análise com um colorímetro fotoelétrico, obtiveram-se os seguintes dados: Padrão nº| Concentração, mg/L | %T| Branco 0,00] 98,0 1 1,00] 712 2 2.00 63,5 3 3.00 50,0 4 4,00] 413 5 5.00 33,5] 6 6.00 219 7 7,00 BA 8 8.00 203 Padrão nº | Concentração, mg/L | %T 9 9.00 181 10 10,00 164 a) Construir a curva de calibração %T x C. b) Calcular as absorbâncias e colocá-las num gráfico em função da concentração. Esses valores indicam um desvio positivo, negativo ou nenhum? 16- Uma solução de KMnO,, 1,28x10“ M tem uma T = 0,500 a 525 nm, em uma cela de 1 cm. a) Que absorbância tem essa solução? b) Sea concentração fosse reduzida à metade, qual seria a absorbância e a transmitância? ce) Que concentração, em g/I, corresponderia a uma Transmitância de 0,750 nesta mesma cela ? (Dados: Massa Atômica: K = 39; Mn=55;, 0=16) 17- Descreva as diferenças entre os seguintes itens e liste as vantagens particulares de um sobre o outro: a) lâmpada de hidrogênio e deutério como fontes de radiação ultravioleta b) filtros e monocromadores como seletores de comprimento de onda c) células fotovoltaicas e células fotomultiplicadoras d) espectrofotômetros e colorímetros 18- O Zn (II) e o ligante L formam um complexo que absorve fortemente a 600 nm. Uma solução deste complexo a 1,60 x 10! M tem absorbância de 0,464 em uma célula de 1 cm a 600 nm. Calcule: a) a porcentagem de transmitância desta solução b) a porcentagem de transmitância desta solução em uma célula de 2,5 cm c) a absortividade molar do complexo. 19- Um procedimento comum para determinação de proteína é o ensaio de ligação de corante de Bradforf. Neste método, o corante liga-se à proteína, e a sua cor muda de marrom para azul. A intensidade da cor azul medida pela absorbância da luz a um comprimento de onda de 595 nm, é proporcional à quantidade de proteina presente: Proteina (ug): 0,00 9,36 18,72 28,08 37,44 Absorbância a 595 nm: 0,466 0,676 0,883 1,086 1,280 a) Faça a curva de calibração da proteína. b) Uma amostra desconhecida de proteína forneceu uma absorbância de 0,973. calcule quantos micro gramas de proteína estão presentes na amostra. Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 45 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa 2.2 INSTRUMENTAÇÃO: Componentes do aparelho - Os espectrofotômetros de feixe duplo utilizados na determinação de espectros de IV (figura 1) consistem de cinco seções principais: fonte de radiação, área de amostras, fotômetro, monocromador e detector. 3 A io RR entrada Se emu 4 54 espelho Fig. 18- Esquema de um Espectrofotômetro IV (I-fonte; 2- espelho rotativo; 3- padrão; 4- amostra; 5- redes de difração; 6- detector) a) Fonte de radiação: a radiação IV é produzida por uma fonte aquecida eletricamente, usualmente um filamento de Nernst ou um “globar”. Em grande parte das vezes, a fonte é constituída de óxidos de terras raras moldados em forma adequada, que emitem radiações na região do IV quando aquecidos a altas temperaturas, alcançando entre 1.000 oC e 1.800 oC. O filamento de Nernst é fabricado a partir de um adesivo de óxidos de zircônio, tório e cério, enquanto o “globar” é um pequeno bastão de carbeto de silício. A máxima radiação emitida, no caso do “globar”, ocorre na região de 1,8 mm a 2,0 mm, reduzindo-se por um fator de aproximadamente 600, a medida em que se aproxima da região de 16,7 mm. O filamento de Nernst fornece energia máxima de radiação a aproximadamente 1,4 mm, e reduz-se de um fator de aproximadamente 1.000 nas regiões de baixa frequência. b) Área de amostras: o feixe de radiação produzido pela fonte é dividido por dois espelhos. Em seguida, cada um dos feixes é focalizado na área de amostras, com o auxílio de outros dois espelhos. No compartimento, os feixes atravessam células, uma correspondendo a um material de referência, e outra à amostra desconhecida. Obturadores montados no compartimento da fonte permitem bloquear um ou outro feixe, independentemente. A área de amostras de um espectrofotômetro permite acomodar uma grande variedade de acessórios para a medida de gases, líquidos e sólidos, que incluem desde células de gás de grande caminho ótico até microcélulas. c) Fotômetro: após incidir na referência e na amostra, a fração de radiação transmitida é comparada no fotômetro, a parte do aparelho responsável por indicar a diferença de energia entre amostra e referência, através da radiação pulsante. No fotômetro também são equalizadas as energias dos dois feixes, através da cunha óptica. Quando os dois feixes são de mesma intensidade, o instrumento está no zero ótico. A pena do registrador está neste momento a 100% de transmitância, desde que não haja amostra no feixe correspondente. Um pente no feixe da amostra permite que se obtenha um balanceamento adequado. O atenuador desloca-se para dentro e para fora do feixe de referência, em resposta ao sinal criado no detector pelo feixe da amostra. Assim, quando o feixe é absorvido pela amostra, o atenuador é dirigido para dentro do feixe de referência até que sua intensidade seja a mesma do feixe da amostra. Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 46 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa d) Monocromador: a maior parte das análises espectroscópicas deve utilizar radiação composta por um pequeno conjunto de comprimentos de onda, de modo a conferir ao método instrumental a sensibilidade e a seletividade necessárias, entre outras propriedades. Para isso, o equipamento utiliza um monocromador, que dispersa a luz proveniente da fonte em diferentes comprimentos de onda. O dispositivo permite isolar bandas de comprimento de onda geralmente muito mais estreitas que as obtida por filtros, sendo formado por um elemento de dispersão, que pode ser um prisma ou uma rede de difração, junto com duas fendas estreitas que servem como aberturas de entrada e de saída de radiação. Quanto menor a largura das fendas, maior será a resolução obtida. Na maior parte dos instrumentos, a largura das fendas é programada de modo a aumentar quando a energia emitida pela fonte diminui, mantendo a energia do feixe de referência constante. Obtém-se um máximo de resolução usando-se as redes apenas em suas faixas de maior poder de dispersão; nos instrumentos modemos de alta resolução, é costume a utilização de duas ou mais redes. O monocromador também tem como funções principais dispersar a radiação em seus comprimentos de onda, selecionar o comprimento de onda particular da radiação a ser transmitida ao detector, e manter aproximadamente constante a energia no detector para todos os comprimentos de onda. Durante a varredura, filtros são inseridos automaticamente no caminho da radiação, para eliminar toda radiação indesejável, inclusive as harmônicas da frequência medida, provenientes da rede. e) Detector: a medição da energia radiante é feita através do detector, que utiliza o efeito térmico da radiação para quantificá-la. Após deixar a fenda de saída do monocromador, o feixe é refletido por um espelho plano para um espelho elipsoidal, cujos focos estão na fenda de saída e no detector. Os detectores podem ser divididos em duas classes gerais: seletivos e não seletivos. Os seletivos respondem em função do comprimento de onda da radiação incidente (placas fotográficas, fotocélulas e celas de fotocondutividade), os não seletivos, mais adequados para trabalhos espectroscópicos, respondem em função da energia da radiação incidente. Os dois tipos comuns de detectores não seletivos são o termopar e o bolômetro. No caso dos termopares, a energia radiante aquece uma das duas junções bimetálicas do dispositivo, produzindo uma força eletromotriz proporcional ao aquecimento. Os bolômetros baseiam-se na medida da variação da resistência com o aquecimento. O detector é montado como um dos braços de uma ponte, de modo que a mudança de temperatura provoca um desequilíbrio no sinal através do circuito, que pode ser amplificado e registrado ou, ainda, utilizado para ativar um servomecanismo para restabelecer o balanço. Como o detector recebe alternadamente o feixe de referência e o da amostra, qualquer mudança na intensidade da radiação devida à absorção de energia é detectada como um sinal diferente de zero. O sinal assim obtido é amplificado, e usado para posicionar o atenuador óptico de modo que a radiação dos feixes de referência e de amostra mantenham-se na mesma intensidade. A quantidade de atenuação necessária é uma medida direta da absorção pela amostra — o movimento do atenuador é registrado, então, pela pena do instrumento. 3.3 A FORMAÇÃO DO ESPECTRO: As fontes utilizadas em equipamentos comerciais emitem radiações com comprimentos de onda variando entre 2,5x10“ cm até 1,5x10* cm, ou seja, com número de onda desde 4.000 cm” a 200 cm”. Suponhamos que uma amostra possa absorver energias correspondentes aos números de onda 3.100 cm”, 1.550 em! 1.080 cm”! e 610 cm'!. A amostra, após o preparo, é colocada na posição adequada e inicia-se a análise. A fonte começa a irradiar a amostra e a referência, simultaneamente, com fótons de 4.000 a 200 em”. Porém, nem todos esses números de onda chegam simultaneamente ao detector, pois caso isso ocorresse, a análise ficaria prejudicada. Essa é justamente a função da rede de difração. A rede de difração é responsável pela separação da radiação (fótons) de acordo com o seu comprimento de onda, e sua função pode ser representada esquematicamente como na figura 2, onde se observa que apenas fótons com 4.000 cm”! chegam ao detector. Curso: Técnico Químico Análise Instrumental Página: 47 Elaborado por: Profº Msc. Elaine de Arruda Oliveira Coringa Por meio de um movimento circular, a rede de difração focaliza no detector, um a um, todos os comprimentos de onda separadamente (4.000 cm'!, 3.999 cm”, 3.998 em! e 3.997 cm'!), e assim sucessivamente até completar a varredura. No detector, só incidem os fótons de 4.000 cm”! vindos da referência e da amostra. Como estas não absorvem nenhum fóton em 4.000 em”! — aliás, a referência não absorve nenhum fóton na faixa 4.000 em”! - 200 em! -, não ocorrerá diferença de potencial no detector, nem tampouco movimento no servomecanismo que aciona a pena do registrador. Assim, tem-se um ponto que corresponde a O de absorbância, ou 100% de transmitância. A amostra nada absorve, transmitindo toda a radiação, como se vê na figura 4. As redes de difração movimentam-se continuamente. O mesmo fenômeno descrito anteriormente acontece nos números de onda 3.999 cm”, 3.998 cm'!,..., 3.101 cm”, porém, quando as redes de difração focalizam no detector 3.100 cm”! por exemplo, algo diferente acontece, pois a amostra absorveu parte dos fótons deste número de onda. Deste modo, a intensidade de fótons que passa a amostra em 3.100 cm”! é menor que a intensidade que passa pela referência, o que gera uma corrente no detector que aciona o servomecanismo, e a pena no registrador registra um pico que nada mais é que o registro da parte da energia absorvida pela amostra (figura 5). Pode-se ver que 80% da energia com número de onda igual a 3.100 cm”! foi absorvida. Com a continuação do movimento de rotação das redes de difração, chega-se novamente em números de onda que não puderam ser absorvidos pela amostra. Neste ponto, a corrente no detector volta a ser nula, e retoma-se à linha base do aparelho (0% de absorção). Isto se dá abaixo de 3.100 cm”. No espectrograma da figura 6, o fenômeno é retratado como um pico em 3.100 cm'!, pois a amostra absorve este número de onda. Continuando o movimento de rotação das redes de difração até o número de onda 200 cm”, o espectro final da molécula será semelhante ao da figura 7. Picos aparecem nos valores 1.550 cm'!, 1.080 em”! e 610 cm'!, onde a molécula absorve a radiação. 5.4 OS TIPOS DE VIBRAÇÃO: Basicamente, o termo espectroscopia tem sido utilizado para designar métodos analíticos em que se estuda a interação de radiações eletromagnéticas com moléculas ou partículas. Tanto radiações, como moléculas, porém, possuem energias características, cuja consequência é a propriedade de uma molécula absorver energia proveniente de uma radiação. O fenômeno, no entanto, não ocorre em todos os casos, mas somente naqueles onde a energia do fóton (outra forma de se chamar radiação) for compatível com a energia da vibração molecular. Deste modo, se um feixe de fótons com intensidade L, incidir sobre uma amostra com moléculas que apresentam energia de vibração incompatível com a energia dos fótons, nenhuma energia será absorvida e todos os fótons passarão pela amostra, isto é, o feixe I, que emerge da amostra, tem a mesma intensidade que o feixe Io (L, = 1). Por outro lado, se a energia dos fótons for compatível com a energia vibracional, cada molécula absorverá um fóton, aumentando seu movimento vibracional. Como consequência, a intensidade dos fótons que deixa a amostra será menor do que a intensidade incidente (Lo > 1), pois parte dos fótons foi absorvido. Depreende-se que, quanto maior for o número de moléculas presente na amostra, menor será a intensidade final, pois maior será a chance dos fótons serem absorvidos. 5.5 PROBLEMAS NOS ESPECTROFOTÔMETROS IV: Espectrofotômetros de IV dispersivos são amplamente utilizados há mais de quarenta anos. À medida que as pesquisas na tecnologia de IV progrediram, melhoramentos foram feitos, como, por exemplo, a substituição dos prismas pelas redes de difração, como elemento dispersivo. Esses progressos