Espectroscopia, Notas de estudo de Engenharia Química

Baixe Espectroscopia e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Química, somente na Docsity! OBJETIVO • Treinar o manuseio básico do espectrofotômetro e observar a propriedade de absorção do permanganato de potássio; • Determinar a concentração do ferro em uma amostra, para exemplificar a espectrometria de molecular e a influência de alguns parâmetros nas análises. INTRODUÇÃO Os métodos espectroscópicos de análise são baseados na quantidade de radiação emitida ou absorvida por moléculas ou espécies atômicas de interesse, ou seja, empregam as interações da radiação eletromagnética com a matéria para que sejam obtidas informações sobre uma determinada amostra. Na espectroscopia de absorção, mede-se a quantidade de luz absorvida em função do comprimento de onda desta radiação incidente. Desta forma é possível se obter informações tanto quantitativas quanto qualitativas sobre a amostra. Inicialmente o analito deve estar em seu estado fundamental, predominantemente. Ao receber um estímulo de radiação P0, algumas espécies sofrem transições eletrônicas para um estado excitado. Em seguida, retornam para o estado fundamental, liberando parte dessa energia P. Então é possível determinar a fração de radiação incidente transmitida por uma solução do analito, isto é, a Transmitância T desta solução: T = P/ P0. A partir da Transmitância, defini-se também a Absorbância A de uma solução, sendo dada por: A = - log T. A Lei de Beer-Lambert permite-nos encontrar a Absorbância A de uma solução, estabelecendo que a intensidade de um feixe de luz monocromática, que passa por um caminho óptico de comprimento b, diminui exponencialmente quando a concentração c da substância absorvente aumenta aritmeticamente. Matematicamente tem-se que: A = abc, onde a é uma constante chamada de absortividade. Um espectrofotômetro óptico é um instrumento que possui um sistema óptico que dispersa a radiação eletromagnética e permite a medida da quantidade de radiação transmitida em determinados comprimentos de onda selecionados da faixa espectral. No entanto, antes que a amostra seja analisada, é comum que ela seja previamente preparada, pois há variáveis que podem influenciar na absorbância de certos compostos. Algumas delas são: natureza do solvente, pH da solução, temperatura, altas concentrações de eletrólito e presença de substâncias interferentes. Os efeitos dessas variações devem ser conhecidos e as condições para análise devem ser escolhidas de maneira que as pequenas variações em suas grandezas não afetem de forma significativa a absorbância. Outra maneira de se determinar a Absorbância de uma solução é construindo-se uma curva de calibração. Usa-se soluções padrões do analito para determinar suas absorbâncias e então constrói-se o gráfico de absorbância versus concentração, que deve ser uma reta. Mediante uma interpolação, é possível determinar a concentração do analito na solução. É importante ressaltar que os padrões de calibração devem ser os mais semelhantes possíveis em relação à composição global das amostras verdadeiras e devem abranger uma faixa razoável de concentração do analito. O branco, constituído por água destilada ou por uma solução de composição semelhante à solução-teste sem o componente a ser determinado, deve ser primordialmente fornecido ao aparelho, representando o zero de absorbância. Na segunda parte do procedimento experimental, para que fosse possível determinar a concentração de ferro em amostra de medicamento, foi necessário, inicialmente, promover a formação de um complexo colorido com este metal, já que o ferro não apresenta uma absorbância considerável na faixa do visível. A hidroxilamina foi adicionada para reduzir o Fe3+ a Fe2+ e o citrato de sódio foi necessário para se obter um pH que possibilitasse a estabilidade do complexo formado. O agente complexante utilizado foi a ortofenantrolina e o complexo cor laranja que se formou com o Fe2+ foi a ferroína. Finalmente, é possível também obter a concentração de determinada espécie calculando-se o fator de calibração Fc = Cp/Acp. Usa-se primeiro os valores de uma solução padrão do analito para determinar esse fator, determina-se a absorbância da solução do analito, sendo então possível determinar sua concentração. PARTE EXPERIMENTAL REAGENTES a. Ajuste de pH Transferiu-se 5,0 mL de uma solução estoque de ferro (100mg Fe(II)/ L) para um béquer de 50 mL. Adicionou-se uma gota de azul de bromofenol e o citrato de sódio (25%) até que houvesse a mudança de coloração. Anotou-se o volume de citrato de sódio necessário para esta mudança de coloração, que foi de 2,5 mL, para ser usado na etapa de preparação dos padrões e da amostra. b. Preparo dos padrões Seis balões volumétricos de 100 mL foram enumerados, conforme a tabela 3. Em cinco deles adicionou-se um determinado volume da solução estoque de ferro (ver tabela 3), e acrescentou-se 1,0mL de hidroxilamina (10%) para garantir que todo o ferro estará na forma de Fe2+, 2,5 mL de citrato de sódio e 2,0mL de ortofenantrolina (0,3%), o qual formará o complexo [Fe(Fen)3]2+ com o Fe2+. Após 15 minutos completou-se os balões até a marca com água destilada. O sexto balão volumétrico foi utilizado para o preparo do branco, o qual foi composto com todos os reagentes citados anteriormente, exceto a solução estoque de ferro. c. Preparo das amostras Utilizando-se uma pipeta de 2,00mL, tomou-se uma alíquota da amostra do medicamento Novofer, e transferiu-a para um balão volumétrico de 500 mL. Adicionou-se a este balão 5,0 mL de ácido sulfúrico (5mol/l), para que este evitasse a reação de oxidação do íon ferroso. Preencheu-se o balão volumétrico com água a te a marca e agitou-se balão até a homogeneização da solução. Transferiu-se cerca de 40 mL desta solução para um béquer de 100 mL, e tomou-se três alíquotas de 10,00 mL da solução amostra, para 3 balões de 100,00mL. Seguiram-se os mesmos procedimentos para o preparo dos padrões. d. Medidas das absorvâncias Realizou-se a leitura das absorvâncias dos padrões e das amostras, com um par de cubetas selecionadas, no comprimento de onda fixo em 510nm. Uma das cubetas foi preenchida com o branco para fazer os ajustes das medidas espectrofotométricas, e a outra para as soluções absorventes. Os dados obtidos encontram na tabela 3. Fluxograma II RESULTADOS E DISCUSSÃO EXPERIMENTO I A alíquota de 5 mL da solução estoque de permanganato de potássio 500 mg/L foi diluída em balão volumétrico de 100 mL. Logo, a solução de KMnO4 utilizada para as medições no espectrofotômetro possui uma concentração de 25mg/L e dessa forma podemos considerar que não há desvios significativos na Lei de Beer . A partir da realização do experimento obteve-se a Tabela1 de dados referentes à transmitância e absorvância da solução de permanganato de potássio 25mg/L para diferentes comprimentos de onda na faixa do visível. Na tabela1 também se encontra os valores calculados para a absorvância a partir dos valores de transmitância medidos utilizando-se a relação: A= -log(T). Tabela 1. Espectro de Absorção do KMnO4 Comprimento de onda (nm) Transmitância (T%) Absorvância (A) Absorvância calculada (A’) 400 95,5 0,020 0,020 410 97,3 0,012 0,012 420 97,7 0,062 0,010 430 97,2 0,012 0,012 440 95,5 0,020 0,020 450 93,2 0,031 0,031 460 90,1 0,046 0,045 470 83,8 0,076 0,077 480 77,3 0,112 0,112 490 69,4 0,158 0,159 500 60,5 0,218 0,218 510 56,2 0,250 0,250 520 50,0 0,301 0,301 530 49,7 0,304 0,304 540 49,8 0,303 0,303 550 51,1 0,291 0,292 560 64,1 0,193 0,193 570 67,2 0,173 0,173 580 83,0 0,081 0,081 590 89,9 0,047 0,046 600 92,2 0,035 0,035 610 93,0 0,031 0,032 620 93,6 0,029 0,029 630 94,3 0,025 0,025 640 94,6 0,025 0,024 650 95,2 0,022 0,021 660 95,9 0,018 0,018 670 96,5 0,016 0,015 680 96,9 0,014 0,014 690 97,5 0,011 0,011 700 98,1 0,008 0,008 Fazendo-se o gráfico de Absorvância versus comprimento de onda, podemos construir o espectro de absorção do KMnO4, podemos visualizar a região do espectro visível pra o qual a absorvância é máxima. Gráfico1.: Espectro de absorção do permanganato de potássio Para os valores de absorvância calculados, temos o gráfico abaixo. Gráfico 2: Espectro de absorção do permanganato de potássio (valores calculados) A partir desses gráficos, pode-se perceber que os valores de absorvância indicados pelo espectrofotômetro não apresentam grandes variações em relação aos valores calculados, apresentando apenas um ponto (420; 0,062) com grande diferença do valor teórico (420; 0,010). Assim, o equipamento utilizado respondeu satisfatoriamente as medições realizadas. A partir do gráfico 1, tem-se que o comprimento de onda que a solução de permanganato de potássio mais absorve a radiação é 530nm. Fazendo-se novas medições para um intervalo próximo a esse valor (510 a 535nm) com variação do comprimento de onda de 5 em 5nm, podemos determinar com maior exatidão o λ para a absorvância máxima. Os resultados obtidos encontram-se na tabela 2. Tabela 2: Medições para o intervalo de 510 a 535nm Comprimento de onda (nm) Transmitância (T%) Absorvância (A) Absorvância calculada (A’) O fator de diluição (FD) é dado por 250 multiplicado por 10, que representa as duas diluições feitas do medicamento nesta parte do experimento. [Fe(II)] = [Fe(II)]* . FD [Fe(II)] = 1,828 . 2500 = 4569 mg/L = 4,569 mg/mL Cálculo da concentração a partir de a2 A = 0,209.[Fe(II)] + 0,008 0,394 = 0,209.[Fe(II)] + 0,008 [Fe(II)]* = 1,847 mg/L [Fe(II)] = 1,847 . 2500 = 4617 mg/L = 4,617 mg/mL Cálculo da concentração a partir de a3 A = 0,209.[Fe(II)] + 0,008 0,392 = 0,209.[Fe(II)] + 0,008 [Fe(II)]* = 1,837 mg/L [Fe(II)] = 1,837 . 2500 = 4593 mg/L = 4,593 mg/mL Média das Concentrações [Fe(II)] = 4,569 + 4,9617 + 4,953 = 4,593 mg/mL 3 Cálculo do Desvio Padrão Cálculo do Coeficiente de Variação CV = s . 100% = 0,024. 100 = 0,52 x 4,593 Cálculo do Intervalo de Confiança IC = x + t.s/√n t (95%) = 4,30 IC = 4,593 + 4,30 . 0,024 = 4,593 + 0,059 √ 3 Cálculo do desvio relativo (I) Como a concentração de Fe(II) no remédio é de 5,000 mg/mL, temos: ∆[Fe(II)] = . 100 = 8,1% Foi escolhido o balão volumétrico a3 para base do cálculo do fator de calibração (FC), calculado abaixo: FC = Cp/Acp FC = 3,00/0,624 = 4,80 mg/L Com o valor de FC, podemos calcular a concentração de Fe(II) na amostra, utilizando a absorvância média na cubeta: FC = Cp/Acp 4,80 = [Fe(II)]*/[(0,390+0,394+0,392)/3] [Fe(II)]* = 1,885 mg/L Valor que, considerando as dissoluções feitas nas amostras corresponderia a: [Fe(II)] = 1,885 . 2500 /1000 = 4,711 mg/mL Cálculo do desvio relativo (II) Como a concentração de Fe(II) no remédio é de 5,000 mg/mL, temos: ∆[Fe(II)] = . 100 = 5,8% A curva de calibração detém maior linearidade até uma determinada concentração, que neste experimento foi a do balão 3. Neste ponto de concentração máxima (ainda na linearidade), foi determinado o fator de calibração. O valor do erro relativo utilizando o método do fator de calibração foi menor do que o que utilizou a equação da reta da curva analítica. O método da curva analítica tem a vantagem de utilizar diversos pontos diferentes encontrados no laboratório para a obtenção da concentração. Isso minimiza possíveis erros aleatórios, porém, ao mesmo tempo, maximiza os erros sistemáticos. Isto acontece porque a reta é traçada de modo que represente a melhor regressão linear dos pontos, anulando a maioria dos erros aleatórios. Contudo, o coeficiente angular e linear da reta sofrem fortes influencias de erros sistemáticos. No método do fator de calibração, só é utilizado um dos pontos do gráfico, sendo a escolha deste crucial para a precisão do resultado. Se fosse escolhido qualquer um dos outros pontos da reta, o resultado deste método se afastaria mais do real do que a partir curva de calibração. Como os dois erros foram relativamente grandes e o resultado a partir os dois métodos deram inferiores ao esperado, houve a provável presença de erros sistemáticos. Estes devem ter sidos causados por alguma reação que consumiu parte do Fe(II) da amostra. Como o remédio estava guardado em um recipiente escuro (vidro âmbar), provavelmente sua composição sofre alguma decomposição na presença de luz, o que pode ter interferido na discrepância dos resultados. Quanto maior a diluição da solução utilizada para o preparo das soluções padrão da curva de calibração, maior a incerteza associada a ela, se tratando de uma diluição volumétrica. Outras fontes de erro foram: o erro nas medidas que dependiam da percepção visual, como a leitura da proveta e da pipeta e determinação do ponto de viragem do indicador de pH; erro da concentração da solução de Fe(II) utilizada na curva de calibração; erro embutido do espectrofotômetro entre outros. COMPLEXO FERRO-ORTOFENANTROLINA Este complexo vermelho-alaranjado, de fórmula [(C12H8N2)3Fe]2+, é formado para que sua cor seja utilizada na determinação da concentração de Fe(II) na amostra, já que este íon em solução é incolor. O complexo é formado pela reação entre Fe(II) e a ortofenantrolina (base fraca) de acordo com a equação abaixo: Esta reação é um pouco lenta, e deve, preferencialmente, ser realizada em meio ácido (pH 3,5) para prevenir eventuais precipitações de sais de ferro, este aumento da acidez foi conseguido no experimento através do acréscimo de uma solução de ácido sulfúrico. Já o excesso de hidroxilamina foi necessário para agir como agente redutor, mantendo o ferro no estado de oxidação +2. CONCLUSÃO A realização dos procedimentos experimentais possibilitou, dentre outras coisas, o treinamento do manuseio básico do espectrofotômetro. A construção do espectro de