Analise Instrumental, Notas de estudo de Química

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA - UFPB CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA NATUREZA - CCEN DEPARTAMENTO DE QUÍMICA - DQ Análise Química Instrumental DISCIPLINA: Química Analítica III PROF.: Edvan Cirino da Silva João Pessoa - 2008 1 INTRODUÇÃO AOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS DE ANÁLISE Classificação: ⇒ Métodos Quantitativos ♦ Métodos Espectroanalíticos ♦ “ Eletroanalíticos ♦ “ Radioanalíticos ♦ “ Termoanalíticos ♦ “ Cromatográficos ⇒ Métodos Qualitativos, de Identificação ou Caracterização ♦ Espectrometria no Infravermelho ♦ “ de Ressonância Magnética Nuclear ♦ “ de Massa ♦ “ de Raio X ♦ “ de Ressonância de Spin Eletrônico ⇒ Métodos Espectroanalíticos São aqueles baseados em medidas da absorção e da emissão da radiação UV-Visível por espécies químicas atômicas ou moleculares. ♦ Espectrometria de Absorção Molecular ♦ “ “ “ e Emissão Atômica ♦ “ de Emissão de Fluorescência Atômica e Molecular ♦ Espectrografia de Emissão. ⇒ Métodos Eletroanalíticos São aqueles baseados em medidas de propriedades elétricas (corrente, tensão e resistência) das espécies químicas. ♦ Potenciometria ♦ Coulometria ♦ Voltametria ♦ Condutometria ♦ Eletrogravimetria ⇒ Métodos Radioanalíticos São os que se baseiam em medidas das radioatividades emitidas por espécies químicas. ♦ Análise por Ativação Neutrônica ♦ Análise por Diluição Isotópica ⇒ Métodos Termoanalíticos Baseiam-se em medidas de calor emitido ou absorvido por espécies químicas. ♦ Termogravimetria ♦ Calorimetria Diferencial Exploratória ⇒ Métodos Cromatográficos 4 É importante ressaltar que, exceto na gravimetria e coulometria, toda análise química quantitativa requer a realização de uma calibração, por meio da qual encontra-se uma relação funcional entre o sinal analítico e a concentração do analito. Este processo encontra-se descrito adiante. Análise Química Composição química de amostras Método Qualitativo Método Quantitativo Identifica espécies químicas Atômicas Moleculares Análise Elementar Elucidação Estrutural Determinação do teor do analito, etc. Atômica Identificação de compostos Moleculares Determinação de elementos Determinação de compostos 5 DOMÍNIO DE DADOS Um conceito relevante no contexto dos métodos instrumentais é o de domínio de dados. De fato, para entender como os instrumentos analíticos operam, é fundamental compreender como a informação é codificada. Nesse sentido, pode-se definir domínio de dados como sendo as várias maneiras de codificar a informação eletricamente, ou seja, como voltagem, corrente, carga ou variações dessas grandezas. Os domínios de dados podem ser classificados como: (i) domínios não-elétricos; (ii) domínios elétricos. Esses tipos de domínios de dados são exemplificados no mapa da figura abaixo. Conversões entre domínios de dados durante uma medida analítica Como ressaltado anteriormente, a medida analítica está associada a um fenômeno (absorção, emissão, potencial elétrico, etc) envolvendo o analito. Todavia, a informação analítica (qualitativa ou quantitativa) reside, em última Métodos Analíticos Gravimétricos Titulométricos Métodos Clássicos Métodos Instrumentais Veja a seguir! 6 análise, em um número que aparece no mostrador do instrumento ou em um gráfico (espectro) que é mostrado, por exemplo, na tela do microcomputador acoplado ao instrumento. Na realidade, qualquer processo de medida analítica pode ser representado por uma série de conversões entre domínios, tal como o ilustrado na figura abaixo. Nesse caso, o exemplo consiste na medida do sinal de fluorescência molecular de uma amostra de água tônica que contém quinino (substância fluorescente). O objetivo é determinar a concentração de quinino a partir da medida de fluorescência quando moléculas de quinino são excitadas com radiação eletromagnética oriunda de um laser. MEDIDA ANALÍTICA - SINAL E RUÍDO Sabe-se que toda medida analítica é constituída de dois componentes: o sinal e o ruído. O primeiro contém informação sobre o analito e o ruído é a parte indesejada, pois é constituída de informação espúria. Esta pode degradar a exatidão e a precisão de um método, bem como prejudicar o limite inferior da quantidade do analito que pode ser detectada (o limite de detecção). Na figura a seguir (parte a), mostra-se o efeito do ruído sobre um sinal de uma corrente contínua pequena de aproximadamente 10-15 A. Na parte b, mostra- se um gráfico teórico da mesma corrente na ausência de ruído. Note que a diferença entre os dois gráficos corresponde ao ruído, cuja presença parece ser inevitável nas medidas experimentais. De fato, dados livres de ruídos nunca podem obtidos experimentalmente, pois alguns tipos de ruídos se originam de efeitos quânticos e termodinâmicos cuja manifestação é impossível de ser evitada. 9 ♦ Shot - Ocorre quando elétrons ou outras partículas carregadas atravessam uma junção pn em circuitos eletrônicos (fotodiodo) ou um espaço evacuado entre o anodo e o catodo em fototubos. ♦ Flicker ou 1/f - De origem desconhecida, porém caracteriza-se por apresentar uma magnitude inversamente proporcional à freqüência (f) do sinal observado. Por isso, é também chamado de ruído 1 / f (um sobre f). CALIBRAÇÃO EM ANÁLISE QUÍMICA INSTRUMENTAL Calibração é o processo que busca relacionar o sinal analítico medido com a concentração do analito. A relação funcional (matemática) constitui o modelo de calibração e a representação gráfica do modelo de calibração é denominada curva analítica. Em uma análise química instrumental, quando se deseja construir uma curva analítica necessária para determinar a concentração da amostra, é natural imaginar que a curva deve passar o mais próximo possível dos pontos experimentais. O procedimento mais utilizado a fim de obter esta máxima proximidade é conhecido como método dos mínimos quadrados. Para ilustrar o fundamento do método dos mínimos quadrados, considere a curva de calibração mostrada na figura a seguir: onde: x1, x2, x3, x4 = concentração das soluções-padrão y1, y2, y3, y4 = leitura instrumental de cada solução padrão yA = leitura da amostra (A) xA = concentração da amostra (A) encontrada através da curva analítica ei = yi - (ye)i = yi – b0 – b1 xi (resíduo) No método dos mínimos quadrados, os valores de b0 e b1 são estimados minimizando-se a soma quadrática dos resíduos (ei) dada por: Soma quadrática dos resíduos (SQr) = ∑ ⋅−− 2i10i )xbby( 10 Para minimizar a SQr deriva-se (cálculo de 3o grau) a função acima em relação a b1 e b0 e iguala-se as derivadas a zero. Isto leva às seguintes expressões para o cálculo de b1 e b0: ( )∑ ∑ ∑ ∑ ∑ −⋅ ⋅−⋅⋅ = 2 i 2 i iiii 1 x)x(n yxyxn b e n xby b i1i0 ∑ ∑⋅−= onde n = no total de medidas OBS: Para avaliar a qualidade do ajuste linear, pode-se tomar como base o valor calculado do “coeficiente de correlação, r(ye,y), entre os valores das leituras instrumentais, yi, e os valores estimados pela equação da reta, (ye)i, dado pela expressão: ( ) 2/12i2eie ieie ]yy[]y)y[( ]yy[]y)y[( r ∑ ∑ ∑ −⋅− −⋅− = onde -1 ≤ r ≤ 1, porém em análise química baseada em curva analítica, r só pode apresentar valores compreendidos no intervalo 0 ≤ r ≤ 1. Para o ajuste linear pode-se também utilizar, de maneira equivalente, a seguinte expressão para o cálculo do coeficiente de correlação, r (x,y), entre os valores de x (concentração dos padrões) e os valores das leituras instrumentais, y: { } 2/12i2i ii ])yy([])xx([ )]yy()xx[( r ∑ ∑ ∑ −⋅− −⋅− = Quanto mais próximo de 1 estiver o valor de r, calculado usando as expressões apresentas acima, maior é a evidência de que o ajuste linear está sendo eficiente. Por outro lado, um coeficiente de correlação zero (ou próximo de zero) indica que x e y não são linearmente relacionados. Entretanto, é importante salientar que o valor de r fornece apenas uma idéia da eficiência do ajuste aos dados experimentais, porém não deve ser utilizado para avaliar, com rigor, a qualidade do ajuste. Para isso, deve-se usar o teste F (teste estatístico) da falta de ajuste. Para maiores detalhes sobre esse teste estatístico consultar a referência bibliográfica citada abaixo (∗). Embora o valor de r não possa ser tomado como um critério para avaliação rigorosa da qualidade do ajuste aos dados experimentais, pode-se considerar que o ajuste é aceitável quando r ≥ 0,999. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- (∗) Pimentel, M.F. e Neto, B.B. – “Calibração: Uma Revisão para Químicos Analíticos“, Quím. Nova, 19 (1996) 268. MÉTODO ANALÍTICO - Figuras de MéritoFiguras de mérito são critérios (ou características) numérico(a)s para avaliar a eficiência de um instrumento ou método analítico.A tabela abaixo mostra as figuras de mérito fundamentais que podem ser usadas na escolha de um método analítico. 11 Critério Figura de Mérito 1. Precisão Desvios-padrão absoluto e relativo, coeficiente de variação, variância 2. Tendência Erros sistemáticos absoluto e relativo 3. Sensibilidade Sensibilidades de calibração e analítica 4. Limite de detecção Branco mais três vezes o desvio-padrão dos sinais do branco 5. Faixa dinâmica Limite de quantificação até o limite de linearidade 6. Seletividade Coeficiente de seletividade SENSIBILIDADE Segundo a IUPAC a sensibilidade de calibração é dada pela inclinação (b1) da curva analítica (y = b0 + b1 x), mas essa definição falha por não considerar a precisão das medidas individuais. Para resolver esse problema, Mandel e Stiehler propuseram a sensibilidade analítica , g, definida por γ= b1 / s onde s é o desvio-padrão da medida e b1 representa a inclinação da curva analítica. Sensibilidade Analítica x Sensibilidade de Calibração Como vantagens da sensibilidade analítica destacam-se: • menor susceptibilidade aos fatores de amplificação do sinal • seu valor independe das unidades de medida de s. E como desvantagem temos: • dependência da concentração (C), pois s pode variar com CLimite de DetecçãoO sinal mínimo distinguível, Sm, do branco é dado por: Sm = SMbr + k sbr (k = 3 com 95% de confiança*) onde SMbr e sbr são o sinal médio e o desvio-padrão das medidas do branco, respectivamente. 14 O que é radiação eletromagnética? ⇒ “É uma forma de energia que se propaga de um ponto a outro em um meio material e pode apresentar características ondulatórias ou corpusculares ” - Características Ondulatórias - Interferência, reflexão, refração e polarização. - Características Corpusculares - Absorção e emissão da REM por espécies químicas. Propriedades Ondulatórias da REM. Como onda, a REM compõe-se de um vetor elétrico, E, e um vetor magnético, H que oscilam senoidalmente em planos perpendiculares entre si, e também à direção de propagação da onda. Veja a figura mostrada a seguir: Propagação da Radiação Eletromagnética Parâmetros Ondulatórios. O movimento ondulatório é caracterizado pelos seguintes parâmetros: - comprimento de onda (λ) – distância linear entre dois pontos consecutivos em fase (por exemplo, dois máximos ou dois mínimos da onda); - período (p) – é o intervalo de tempo, em segundos, requerido para dar passagem a dois pontos consecutivos em fase (dois máximos, por exemplo) através de um ponto fixo no espaço; - freqüência (ν) – número de ondas que passam por um ponto fixo no espaço por segundo (ν = 1 / p e tem como unidade o s-1, ciclos por segundo ou hertz (Hz)); 15 - velocidade da onda (vi ) – produto da freqüência pelo comprimento de onda: vi = ν⋅λi (i = meio material qualquer). No vácuo a velocidade de uma onda independe de ν e alcança o seu valor máximo (c = 3 x 108 m/s); - índice de refração (ni) - é o fator segundo o qual a velocidade da luz é reduzida quando ela se propaga no vácuo e passa a se propagar em um meio material i. Além disso, ni = c / vi de modo que nsólidos > nlíquidos > ngases - amplitude (A) – é a altura máxima da onda; - potência radiante (P) – é a energia que alcança uma dada área do detector por segundo. P pode ser relacionado ao quadrado de A. Propriedades Corpusculares da REM. Para explicar certas interações da REM com o meio material, tais como: ♦ absorção e emissão de radiação por espécies químicas (princípio dos métodos espectroanalíticos); ♦ o efeito fotoelétrico; passou-se a tratar a REM como constituída de partículas, denominadas de fótons. A energia de um fóton é dado pela equação de Planck: E = hν onde: ♦ h é a constante de Planck (h = 6,6256 x 10-34 J•s) ♦ ν é freqüência de radiação (em s-1 ou Hz) Se a REM se propaga no vácuo, temos: E = h c/λ onde: ♦ c é a velocidade de propagação da REM no vácuo; ♦ λ é o comprimento de onda (1 nm = 10-9 m = 103 pm) OBS: Para as radiações no visível, ultravioleta e infravermelho, a velocidade de propagação no ar varia de ± 0,1% da velocidade no vácuo. Assim, pode-se usar a equação E = h ν = h c/λ para interrelacionar ν, λ e c com a energia de um fóton. INTERFERÊNCIAS ENTRE ONDAS ELETROMAGNÉTICAS As interferências que podem ocorrer entre as ondas eletromagnéticas podem ser: ♦ Construtivas ⇒ quando aumenta amplitude (caso a). ♦ Destrutivas ⇒ quando diminui a amplitude (caso b). OBS: Se ocorrer um cancelamento, a interferência destrutiva é total (caso c). 16 O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO O que é o espectro eletromagnético? É o arranjo ordenado das REM em relação a seus comprimentos de onda ou suas freqüências. A tabela mostrada a seguir apresenta as faixas para cada região com algumas subdivisões e também as transições atômicas ou moleculares estudadas nestas faixas. FAIXAS RADIAÇÃO λ ν TRANSIÇÕES Unidade Usual Metro Hertz Raio-X 10-2 - 102 Ao 10-12 - 10-8 1020 - 1016 - elétrons de orbitais internos (1s, 2s, etc.) U. V. Afastado 10 - 200 ηm 10-8 - 2x10-7 1016 - 1015 - elétrons das camadas intermediárias U. V. próximo 200 - 400 ηm 2x10-7 - 4x10-7 1015 - 7,5x1014 - elétrons de valência Visível 400 - 750 ηm 4x10-7 - 7,5x10-7 7,5x1014 - 4x1014 - elétrons de valência I.V. Próximo 0,75 - 2,5 µm 7,5x10-7- 2,5x10-6 4x1014 - 1,2x1014 - vibrações moleculares I.V.Intermediá rio 2,5 - 50 µm 2,5x10-6 - 5x10-5 1,2x1014 - 6x1012 - vibrações moleculares I.V. Afastado 50 - 1000 µm 5x10-5 - 1x10-3 6x1012 - 1011 - rotações moleculares e vibrações fracas Microondas 0,1 - 100 cm 1x10-3 - 1 1011 - 108 - rotações moleculares 19 ESPECTROMETRIA ATÔMICA ÓPTICA Baseia-se na propriedade dos átomos ou íons monoatômicos de absorverem ou emitirem radiação eletromagnética UV-Vis quando excitados.“O registro gráfico do resultado desse fenômeno é denominado “espectro” ♦ Espectrometria de emissão atômica; ♦ Espectrometria de fluorescência atômica; ♦ Espectrometria de absorção atômica;TIPOS DE ESPECTROS♦ Espectro de raias (ou linhas)*-produzidos por átomos ou íons monoatômicos gasosos♦ Espectro de bandas - gerados por moléculas neutras, íons moléculas e radicais· ♦ Espectro contínuo - produzidos pelos sistemas condensados (ex. sólido incandescente) (*) Espectro de raias ⇒ de interesse da espectrometria atômica.ORIGEM DOS ESPECTROS ATÔMICOS A figura abaixo mostra uma ilustração do espectro de emissão dos metais alcalinos. Para uma melhor compreensão de como se originam os espectros acima considere, por exemplo, o caso do sódio cujo diagrama de energias dos orbitais atômicos é mostrado na figura a seguir. Os átomos gasosos são excitados (térmica ou eletricamente) levando o(s) seu(s) elétron(s) mais externo(s) a níveis energéticos superiores. Quando retornam aos estados de mais baixa energia emitem radiações na região UV-VIS. A Figura a seguir mostra um diagrama dos níveis energéticos para o Na e as possíveis transições. A emissão de uma raia, por exemplo, é o resultado da transição de um elétron de um nível de energia mais alto para um mais baixo. Além disso, cada raia envolve dois termos espectroscópicos, um do nível energético mais baixo e outro mais alto. Assim, as raias D (dupleto) do sódio são originadas pelas transições: 3 2S1/2 ← 3 2P1/2 (589,6 nm) 3 2S1/2 ← 3 2P3/2 (589,0 nm) A razão para a formação da raia D do sódio será explicada mais adiante por ocasião da discussão sobre o acoplamento spin-órbita. 20 Diagramas de níveis de energia - (a) sódio atômico (b) íon magnésio Os espectros de raias dos metais alcalinos contêm um número de linhas pequeno (sobretudo quando Z é pequeno) na região UV-Vis, pois o átomo possui apenas um elétron de valência. Entretanto, o mesmo não se pode dizer dos elementos mais pesados, como metais de transição, que possuem vários elétrons de valência. Com efeito, a excitação de átomos com número atômico (Z) alto e/ou contendo muitos elétrons de valência produz espectros com uma quantidade de linhas muito maior que a dos metais alcalinos (veja o quadro abaixo). Elementos Números de Linhas Lítio 30 Césio 645 Magnésio 173 Cálcio 662 Bário 472 Crômio 2277 Ferro 4757 Cério 5755 Por outro lado, o espectro de átomo ionizado é completamente diferente do átomo neutro que o originou como se pode observar na figura abaixo, a qual mostra o diagrama de energias 21 Se a ionização se deu por perda de um só elétron, o espectro produzido pelo íon assemelha-se muito ao do átomo neutro com Z inferior em uma unidade, porém apresenta as linhas em λ’s menores, a exemplo do Mg+ e Na discutido a seguir. Diagrama de energias do Mg no estado singlete. Os espectros dos átomos e íons com mesma configuração eletrônica (isoeletrônicos) são semelhantes, porém as raias aparecem em comprimentos de ondas diferentes. De fato, ao compararmos os diagramas de energias das espécies isoeletrônicas Na (Z=11) e Mg+ (Z=12), verificamos que a energia necessária para promover a transição eletrônica 3s → 3p no Mg+ é cerca de duas vezes a requerida no caso do Na. Embora as espécies tenham a mesma estrutura eletrônica (e assim o mesmo no de elétrons no cerne responsáveis pela blindagem da carga nuclear), o núcleo de Mg+ exerce uma maior atração sobre os elétrons em virtude de sua maior carga nuclear. Conseqüentemente, isso torna mais difícil a transição do elétron do orbital 3s para o 3p, necessitando de uma maior energia (menor λ). RAIA DE RESSONÂNCIA A raia de ressonância corresponde à raia de absorção ou de emissão mais intensa associada à transição de um elétron de valência para a um nível energético imediatamente superior que apresente uma maior probabilidade de transição. 24 relacionadas com os problemas de auto-absorção e auto-reversão discutidos mais adiante. A partir da avaliação dos comprimentos de onda das radiações emitidas (observados nas raias do espectro) é possível descobrir a identidade dos átomos emissores (análise qualitativa elementar). As medidas da intensidade das radiações emitidas (usadas na calibração) fornecem informações para a análise quantitativa elementar. ESPECTROMETRIA DE EMISSÃO ATÔMICA Fundamentos teóricos Este método baseia-se na introdução de uma amostra em solução em uma chama ou plasma na forma de um aerossol.A chama ou plasma induz a amostra a emitir radiação eletromagnética na região UV-VIS; a intensidade da luz emitida é proporcional à concentração desta espécie química de interesse, ou seja: I = k C onde ♦ C ⇒ concentração do analito nas soluções-padrão (ou amostra) ♦ k ⇒ coeficiente de proporcionalidade que depende da: - estrutura eletrônica do átomo do analito; - probabilidade de transição associada à raia analítica; - temperatura da fonte de atomização e excitação; - eficiência da atomização; - fatores instrumentais de amplificação. Na medida da intensidade de uma determinado analito tem-se os seguintes processos representados diagramaticamente na figura abaixo: Efeito da Temperatura da Chama na Emissão Atômica A temperatura da chama ou plasma exerce um papel fundamental na relação entre o número de espécies excitadas e não excitadas. A magnitude deste efeito pode ser derivada a partir da equação de Boltzmann, que é escrita na seguinte forma: 25       ∆−= kT E exp. P P N N ee 00 onde: ♦ Ne e N0 são os números de espécies no estado excitado e no estado fundamental; ♦ Pe e P0 são os fatores estatísticos que são determinados pelo número de orbitais em cada nível; ♦ ∆E é a diferença de energia entre os níveis; ♦ k é a constante de Boltzmann (1,38 x 10-23 Joules/Kelvin); ♦ T é a temperatura em Kelvin. A tabela abaixo apresenta os valores da relação Ne / N0 para as raias de ressonância de alguns elementos a diferentes temperaturas. Nj/No Raia de Ressonância gj/g0 2000k 3000k 4000k Cs 852,1 ηm 2 4,44.10-4 7,24.10-3 2,98.10-2 Na 589,0ηm 2 9,86.10-6 5,88.10-4 4,44.10-3 Ca 422,7ηm 3 1,21.10-7 3,69.10-5 6,03.10-4 Zn 213,9ηm 3 7,20.10-15 5,58.10-10 1,48.10-7 Verifica-se que a população de átomos excitados é muito pequena em relação ao número de átomos no estado fundamental (apenas 0,0001% dos átomos de sódio presentes na amostra são excitados a temperatura de 2000K). Entretanto, esta população aumenta significativamente com um pequeno aumento da temperatura (0,06% à 3000K e 0,4% a 4000K). Um aumento de 10 Kelvins (2500 para 2510K) na temperatura de emissão relacionada à linha de ressonância do sódio produz um aumento de 4% no número de átomos de sódio excitados. Portanto, os métodos analíticos baseados nas medidas da emissão atômica requerem um controle rigoroso da temperatura de excitação. A CHAMA OU PLASMA A chama ou plasma exerce um papel muito importante na espectrofotometria ou fotometria de emissão atômica. Elas são responsáveis pelas seguintes funções: dessolvatar, vaporizar, atomizar e excitar eletronicamente o átomo em análise. Para cumprir as funções acima a chama ou o plasma deve atingir uma temperatura apropriada, por exemplo, chamas frias (como ar-gás de cozinha, por exemplo) só excitam os alcalinos e alcalinos terrosos. A CHAMA É uma fonte de excitação mais fraca do que o plasma e, normalmente, poucas raias de cada elemento são excitados. A figura abaixo mostra, diagramaticamente, a estrutura de uma chama: 26 Emergindo da região A, a mistura combustível e comburente dão formação as seguintes regiões da chama: a região de pré-aquecimento (B), região redutora (C), região oxidante (D) e a região do cone externo (E). A região de pré-aquecimento é quente devido o calor irradiado das regiões C e D e tem uma espessura de cerca de 1,0 mm. A região redutora é rica em radicais como, OH, CN, H, O, etc., e nela não se obtém um equilíbrio térmico. A região oxidante é onde se obtém um equilíbrio térmico e uma diminuição das concentrações de radicais e é ela a escolhida para se fazer medidas na fotometria e na espectrometria de emissão. Na região do cone externo, tem-se uma combustão completa ajudada pelo ar circundante. Temperaturas, Combustível e Comburente em uma Chama A temperatura é o parâmetro mais importante de uma chama. O valor exato dessa temperatura depende da relação combustível/comburente e é, em geral, máximo para mistura estequiométrica. A tabela abaixo mostra as faixas de temperaturas máximas das chamas obtidas com algumas misturas gasosas do combustível e comburente. TEMPERATURAS, ºC COMBURENTE COMBUSTÍVEL AR OXIGÊNIO ÓXIDO NITROSO GÁS NATURAL 1700-1900 2700-2800 - HIDROGÊNIO 2000-2100 2550-2700 - ACETILENO 2100-2400 3050-3150 2600-2800 CIANOGÊNIO - 4.550 - A chama de gás natural/ar comprimido é apropriada para análise de metais de baixa energia de excitação como alcalinos e alcalinos terrosos. Todavia ela não excita a maioria dos metais como a chama acetileno/ar comprimido. Chamas muito quentes não são necessariamente uma vantagem, pois a ionização pode reduzir a população de átomos disponíveis para emitir radiação. 29 ● um baixo sinal de radiação de fundo, o que permite uma maior relação sinal/ruído e um baixo limite de detecção (na faixa de ppb). O plasma tem também uma radiação de fundo correspondente às raias do argônio, bandas OH e bandas fracas de NO, NH, CN e C2. Todavia, existe uma zona de 1 a 3 cm acima da bobina de indução, onde o plasma é levemente transparente. Esta é a zona de observação analítica. Para muitos elementos a linha iônica é muito mais intensa do que a linha atômica. Para o cálcio a linha de ressonância atômica (422,7ηm) tem no plasma intensidade praticamente desprezível em relação às linhas iônicas 394,4 e 396,2ηm. Este fenômeno é também observado em outros elementos como Ba, Be, Fe, Mg, Mn, Sr, Ti e V, onde as linhas iônicas fornecem um melhor limite de detecção. INSTRUMENTOS PARA MEDIDAS DE EMISSÃO EM CHAMA Eles apresentam os seguintes componentes essenciais: ♦ Reguladores de pressão e fluxômetros para controle da pressão e vazão dos gases que alimentam a chama; ♦ Nebulizador-Combustor-Atomizador para introduzir a amostra na chama em forma de aerossol (nebulizar), dessolvatar, sublimar, atomizar e excitar eletronicamente o átomo ou íon atômico em análise; ♦ Sistema óptico a base de filtro ou monocromador para isolar a radiação desejada; ♦ Detector associado a algum tipo de medidor ou amplificador eletrônico. A figura abaixo mostra esquematicamente, os componentes básicos de um espectrofotômetro de emissão em chama. NEBULIZADORES-COMBUSTORES-ATOMIZADORES Na espectrofotometria de emissão atômica são conhecidos comumente dois tipos de nebulizador-queimador-atomizador: ♦ mistura prévia ♦ consumo total. Nebulizador-Queimador-Atomizador de Mistura Prévia 30 Eles são caracterizados pela produção do aerossol em uma câmara de condensação para reter as gotículas maiores. A figura a seguir ilustra um nebulizador-queimador-atomizador de mistura prévia de fluxo concêntrico. Uma corrente de gás oxidante aspira por ação pneumática (efeito Bernoulli) a amostra e esta é nebulizada numa câmara, onde, então, se mistura com o gás combustível; as gotículas maiores são recolhidas no fundo da câmara e descartada pelo dreno; somente as partículas menores alcançam a chama. Isto faz com que apenas 5 a 10% da amostra nebulizada atinjam a chama. Nebulizador-Queimador-Atomizador de Consumo Total É caracterizado pela introdução do aerossol diretamente na chama. No nebulizador-queimador-atomizador de consumo total o aerossol é formado diretamente na chama que é produzida pelos gases combustível e oxidante conduzidos através de canais concêntricos, um em torno do capilar de acesso da solução, para o oxidante e o outro mais externo para o combustível. A corrente do oxidante, ao passar pelo orifício de saída do canal interno, cria uma sucção suficiente para forçar a solução a emergir pelo capilar interno na chama. A figura abaixo mostra um nebulizador-queimador-atomizador de consumo total. 31 Neste dispositivo toda a amostra atinge a chama, porém gotículas maiores atravessam a chama sem serem dessolvatadas. Além do mais ele produz uma chama turbulenta e instável e um sinal analítico muito ruidoso. SISTEMA ÓPTICO Qual a função do sistema óptico? Sua função é recolher a luz emitida pela chama, isolar a parte interessada (radiação de emissão do analito) e focar esta última sobre o detector. FOTÔMETROS DE EMISSÃO EM CHAMA Os fotômetros de chama têm suas limitações: usam normalmente chama de baixa temperatura como fonte de excitação. São instrumentos relativamente simples, construídos quase sempre para determinação de Li, Na, K, Ca e Mg. INTERFERÊNCIAS NA ESPECTROFOTOMETRIA DE EMISSÃO EM CHAMA São problemas que, de alguma maneira, prejudicam as medidas dos sinais de emissão do analito e podem ser classificadas em três categorias: ♦ espectrais; ♦ químicas; ♦ físicas. INTERFERÊNCIAS ESPECTRAIS Essas interferências encontram-se relacionadas com as radiações de outros componentes que se inserem na faixa de comprimentos de onda isolada pelo instrumento para o elemento de interesse (analito). Podem ocorrer principalmente os seguintes tipos de interferência espectral: ♦ sobreposição espectral direta de raias ou bandas;♦ sobreposição por emissão de radiação contínua;♦ espalhamento de luz;♦ auto-absorção;♦ emissão de radiação de fundo (auto-emissão)Sopreposição Espectral Direta de Raias ou Bandas 34 Interferência matricial ou efeito de matriz É a influência das propriedades da matriz da amostra (viscosidade, tensão superficial, pressão de vapor, etc) sobre o processo envolvido na medida do sinal analítico. Como ocorre? Para ilustrarmos como ocorre o efeito de matriz em análise quantitativa por fotometria de emissão em chama, considere o exemplo abaixo: Suponha uma determinação de Na em uma amostra de MEL DE ABELHA, usando uma curva de calibração construída com soluções-padrão de Na preparadas em água. COMO RESULTADO DA ANÁLISE, TERÍAMOS: ♦ Um menor valor de concentração de Na que o real seria obtido. Isto ocorre porque o Na no mel encontra-se numa matriz muito mais viscosa que o Na das soluções-padrão de calibração, o que diminuirá a taxa de aspiração no aparelho. ♦ A diminuição taxa de aspiração faz como que a leitura do Na da amostra de mel seja menor que a de uma solução padrão de mesma concentração, causando um problema conhecido como EFEITO DE MATRIZ. ANÁLISE QUANTITATIVA Os seguintes métodos podem ser utilizados na análise quantitativa por emissão atômica: ♦ Método por curva analítica; ♦ Método do padrão interno; ♦ Método por adições de padrão. 35 Uma vez que o método por curva analítica já foi discutido anteriormente, discutiremos aqui o método do padrão interno e o método por adições de padrão. Método do padrão interno No método do padrão interno uma quantidade conhecida de uma espécie de referência (o padrão interno) é adicionada nas amostras, nas soluções-padrão e no branco. A curva analítica é construída lançando: ♦ nas ordenadas a razão entre sinal do analito e o sinal do padrão interno; ♦ e nas abcissas a concentração das soluções-padrão do analito. OBSERVAÇÃO: O padrão interno escolhido deve obedecer as seguintes condições: ♦ deve apresentar propriedades físicas, químicas e espectrais semelhantes ao analito, de modo que ambos sejam igualmente afetados por flutuações da fonte de excitação (chama); ♦ não deve apresentar interferências químicas e espectrais entre si e com os demais componentes da amostra; ♦ não deve estar presente na amostra e no branco; ♦ a sua concentração nas amostras e nas soluções padrão deve ser da mesma ordem de grandeza e deve estar na faixa linear de concentração; ♦ Os sinais do analito e do padrão interno nas amostras e nas soluções padrão devem ser medidos, preferencialmente, em um espectrofotômetro ou fotômetro de emissão em chama multicanal; ♦ Se o padrão interno for escolhido de modo a ter propriedades físicas, químicas e espectroscópicas similares ao analito, ambos os sinais variam proporcionalmente com a variação das condições experimentais e a utilização da relação dos sinais permite corrigir os erros aleatórios. A figura a seguir mostra como isto é possível. 36 O método do padrão interno apresenta as seguintes desvantagens: ● se a amostra tiver, já originalmente, um quantidade significativa do padrão interno isto resultará em um erro sistemático; ● as emissividades da raia do padrão interno e da raia analítica são, comumente, afetadas diferentemente por variações da temperatura da fonte de excitação, no que se refere à excitação e à ionização; ● a escolha de um padrão interno livre de interferências dos componentes da amostra e que atenda a todas as condições é muito difícil na prática. O método por adições de padrão (MAP) A interferência de matriz pode ser contornada preparando-se as soluções- padrão no mesmo ambiente, ou seja, numa matriz semelhante à da amostra (matrizes casadas), e análise pode ser feita usando ou o método direto ou o método da curva analítica, porém isto é muito difícil na prática. Quando o efeito de matriz não é desprezível e não é possível utilizar o procedimento das matrizes casadas (entre padrões e amostras), deve-se recorrer ao MAP para contornar a interferência ou efeito de matriz. O método das adições de padrão pode ser realizado a partir de dois procedimentos: ♦ Adições-padrão por partição da amostra (mais usado); ♦ Adições-padrão sem partição da amostra. O Procedimento das Adições-Padrão por Partição da Amostra Em que consiste este processo? 39 analítica, cuja curva tenha sido construída a partir de soluções-padrão que não tenham sido preparadas na mesma matriz da amostra, um maior (efeito de matriz positivo) ou um menor (efeito de matriz negativo) valor de C0 seria obtido. ESPECTROMETRIA DE ABSORÇÃO ATÔMICA Baseia-se na absorção de radiação UV-VIS por átomos neutros gasosos no estado fundamental, os quais podem ser produzidos por meio das técnicas: Técnicas de atomização: ♦ por Chama♦ Eletrotérmica- Forno de Grafite- Filamento de Tungstênio♦ Geração de Hidretos Medidas de Absorção AtômicaConsidere a interação da luz com os átomos da amostra descrita abaixo.Fisicamente, ¨ Transmitância (T) - radiação emergente¨ Absorbância (A) - radiação absorvidaOBS.: Na prática, mede-se T.Descrição Quantitativa Transmitância: T = P / Po ou %T = P / Po x 100 onde: ♦ P = potência radiante emergente♦ Po = potência radiante incidenteAbsorbância: A = - log T Pode ser demonstrado que: T = exp[- k(l) × l × N] ou A = - log T = 0,43 k(l) × l × N ♦ N = no total de átomos livres no volume de absorção; ♦ l = comprimento da camada de átomos absorventes; ♦ k(l) = coeficiente de absorção atômica espectral, que depende basicamente: 40 - da estrutura atômica (sobretudo a eletrônica) do analito - da probabilidade de transição; - comprimento de onda da radiação absorvida (l)Contudo, na prática: A = K C, onde : ♦ K = definido pela inclinação da curva analítica e depende de: k(l), l, variáveis do processo de atomização, etc. ♦ C = concentração do analito nas soluções-padrão. Como veremos, os princípios são fundamentalmente os mesmos que os da absorção molecular UV-VIS pela amostra em solução e, portanto, a absorção atômica também é regida pela lei de Beer. Esta técnica apresenta uma boa obediência à lei de Beer, uma vez que as raias da absorção atômica são muito mais estreitas do que as bandas de absorção molecular. Nenhum monocromador consegue separar radiações com largura tão estreita e energia suficientes para excitar átomos e medir a sua absorção. Por este motivo a absorção atômica requer uma fonte de radiação UV-Visível muito mais potente. Além do mais, curvas analíticas não-lineares são inevitáveis quando as medidas de absorbância atômica são feitas com um equipamento de absorção molecular. Como resolver este problema? A dificuldade foi resolvida com uma fonte capaz de emitir o espectro de emissão do elemento de interesse. Por exemplo, uma lâmpada de vapor de sódio para análise de sódio. Qual é a vantagem da fonte que emite o espectro do elemento de interesse? Uma fonte de excitação apropriada emite raias com larguras muito menores do que as das raias de absorção o que permite uma maior linearidade da lei de Beer. A figura a seguir mostra a relação entre o espectro emitido pela fonte, o de absorção e o espectro da emissão após passagem pelo monocromador. 41 Não é necessário usar um monocromador com resolução muito alta para medir a absorção. O requisito é que ele separe a raia analítica (geralmente a raia de ressonância) das outras raias emitidas. INSTRUMENTAÇÃO Os componentes básicos de um espectrofotômetro de absorção atômica são: ♦ uma fonte de radiação UV-visível de raias de ressonância; ♦ um sistema modulador do feixe de radiação (chopper) ♦ um sistema atomizador (chama ou forno de grafite); ♦ um monocromador para isolar a raia analítica; ♦ um detector de radiação; ♦ um sistema apropriado para monitorar o sinal (hoje em dia um microcomputador). A figura a seguir mostra um desenho esquemático de um espectrofotômetro de absorção atômica com os componentes acima. 44 O queimador mais usual possui apenas uma fenda com um comprimento de 5 a 10 cm., porém o queimador construído com três fendas paralelas muito próximas, conforme mostra a figura acima, apresenta a vantagem de que a chama produzida na fenda central é protegida da difusão perturbadora do ar pelas cortinas periféricas produzidas pelas fendas externas. Para um caminho ótico menor, o queimador pode normalmente ser girado em um ângulo de 900. Eles também podem movimentar-se em todas as direções do espaço de forma a se encontrar a melhor posição em que feixe ótico irá atravessar a chama. Na absorção atômica quase sempre utiliza-se as chamas acetileno-ar e acetileno-óxido nitroso. O queimador usado para chamas de acetileno-ar comprimido é feito de material diferente do material usado no queimador para chamas de acetileno-óxido nitroso. Normalmente, o primeiro queimador utiliza fendas de 10 cm, enquanto o segundo utiliza fendas de 5 cm. Toda tubulação envolvida no transporte do gás acetileno não deve ser de cobre devido a perigos de explosão. Utiliza-se normalmente aço inoxidável. Devido a problemas relacionados com a energia de ignição, a chama N20- C2H2 não é acesa diretamente. Primeiro, acende-se uma chama de AR-C2H2, em seguida, simultaneamente, aumenta-se o fluxo de N2O e diminui-se o fluxo de AR até a zero, obtendo-se apenas a chama N20-C2H2. Para apagar a chama o processo inverso deve ser utilizado. ATOMIZADORES ELETROTÉRMICOS Um atomizador eletrotérmico típico, mais conhecido como forno de grafite, foi proposto por L’vov no ínicio da década de 1960 e começou a ser comercializado no início da década de 1970. As figuras, mostradas a seguir, ilustram desenhos esquemáticos de dois tipos de atomizadores eletrotérmicos em diferentes planos no espaço. A amostra é atomizada em um cilindro oco de grafite, denominado de forno de grafite, com 1 a 5 cm de comprimento e 0,3 a 1,0 cm de diâmetro. Este cilindro contém no seu interior uma plataforma, conhecida comumente como plataforma de L’vov, onde é colocada a amostra. A plataforma de L’vov é colocada em uma posição tal que o calor irradia das paredes do forno e a amostra é aquecida por resistividade a uma temperatura uniforme. O forno de grafite possui uma janela de quartzo para a passagem do feixe óptico. O tubo é colocado em uma câmara através do qual flui uma lenta corrente de argônio ou nitrogênio (gás de arraste), para evitar incineração do forno e oxidação dos átomos atomizados, e para arrastar os gases desejados ou não-desejados do centro do atomizador. Para evitar deterioração do forno, as vezes o metano é misturado aos gases N2 e Ar de arraste. O forno é colocado em uma câmara metálica por onde circula água de refrigeração para permitir rápido retorno do forno a temperatura ambiente, após cada amostra ter sido atomizada e o seu sinal analítico requerido ter sido registrado. As amostras líquidas ou em solução são introduzidas na plataforma de L’vov usando uma seringa. As amostras sólidas podem ser pesadas em minúsculas panelas (como as panelas usadas em termogravimetria) e depois 45 colocadas na plataforma de L’vov, ou podem ser adicionadas diretamente na plataforma usando uma microespátula especial de cabo alongado. A tampa por onde são introduzidas as amostras são removíveis. Hoje em dia, o carbono grafite vem sendo substituído (ou revestido) pelo carbono pirolítico, que elimina a perda de amostra devido à difusão através das paredes porosas do carbono grafite e diminui a formação de carbetos. Outros materiais de alto ponto de fusão, como W, Ta e Pt, têm sido também utilizados. Programas de Temperatura dos Atomizadores Eletrotérmicos O forno de grafite opera em três programas de temperatura para três diferentes etapas de atomização: 1o) - Etapa de secagem ou evaporação do solvente, na qual a corrente do forno é ajustada de modo a fornecer uma temperatura moderada para evaporar a umidade ou o solvente (cerca de 110 oC para soluções aquosas); 2o) - Etapa de incineração, na qual a corrente do forno é aumentada a fim de fornecer uma temperatura mais elevada (350 à 1200 oC) para incinerar matéria orgânica e, quando necessário, evaporar compostos inorgânicos voláteis; 46 3o) - Etapa de atomização, na qual a corrente do forno é aumentada ainda mais de modo a fornecer uma maior temperatura (2000 à 3000 oC) para atomizar a amostra. Algumas vezes uma quarta etapa de limpeza, envolvendo uma altíssima corrente e temperatura do forno, é empregada após a atomização para remover qualquer resíduo de amostra remanescente. A temperatura do forno e a duração em cada etapa devem ser otimizadas para cada tipo de átomo (analito) e para cada tipo e quantidade de amostra em análise. Tipicamente, leva-se de 45 a 90 segundos para realizar as três etapas, sendo 10 - 30s para a etapa de secagem, 30 a 60s para incineração e 3 a 10s para atomização. Nos instrumentos comerciais, a taxa de aquecimento do forno é acima de 1000 oC/s. Fornos de tungstênio têm permitido atingir taxas de aquecimento de 6000 oC/s. Nos instrumentos mais modernos, os parâmetros do forno como, os programas de temperatura, os fluxos dos gases, a refrigeração, etc., são controlados por microcomputador. O fluxo do gás inerte assegura que os componentes da matriz, vaporizados durante a etapa de incineração, sejam rapidamente removidos do forno e que nada seja depositado nas paredes do forno onde na subseqüente etapa de atomização não possa ser produzido um grande sinal na linha de base. Os sinais obtidos na espectrometria de absorção atômica com um atomizador eletrotérmico apresentam-se na forma de picos e tanto a altura como a área do pico podem ser utilizados para determinar a concentração do analito. A figura a seguir mostra os sinais obtidos na calibração e na análise de uma amostra. 49 Espectrofotômetro de Feixe Simples A figura a seguir mostra o diagrama ótico de um instrumento de feixe simples. Como se pode verificar na figura, ele consiste de uma lâmpada de catodo oco, um interruptor (chopper), um atomizador, um monocromador (no caso acima uma montagem Ebert) e um detector. As análises são feitas da mesma maneira que no espectrofotômetro de absorção molecular. O 0% de transmitância é obtido com o interruptor no caminho ótico, o 100% é obtido com o branco na chama e o sinal de absorbância das soluções-padrão e da amostra são obtidos com as soluções introduzidas na chama. Em alguns instrumentos uma fonte de alimentação pulsada ou modulada para a lâmpada é utilizada, o que dispensa a necessidade do interruptor. Os espectrofotômetros de feixe simples estão sujeitos as flutuações da emissão da fonte e da sensibilidade do detector. É preciso um certo tempo de espera para a emissão tornar-se estável, devendo calibrar-se o instrumento periodicamente, à medida que as amostras vão sendo analisadas. Estes problemas têm sido contornados usando espectrofotômetros de duplo feixe. Espectrofotômetro de Feixe Duplo A figura a seguir mostra o diagrama ótico de um instrumento de feixe duplo. Neste instrumento o feixe proveniente da lâmpada é desdobrado pelo interruptor rotatório espelhado e transparente de forma semi-circular. Um feixe passa pelo atomizador e o outro circunda o atomizador e ambos os feixes são direcionados para um monocromador (no caso acima uma montagem Czerney- Turner) usando um interruptor rotatório idêntico. 50 O sistema eletrônico mede a relação das intensidades dos dois feixes. As flutuações da emissão da lâmpada e da sensibilidade do detector aparecem tanto no numerador como no denominador e, desta forma, são canceladas. Assim, o instrumento produz uma linha de base constante quase imediatamente com pouca ou nenhuma espera para o aquecimento da lâmpada. Espectrofotômetro de Feixe Duplo com Correção de Background Usando Fonte Contínua Para correção de background (absorção pela chama) utiliza-se uma lâmpada de deutério que produz uma radiação contínua que passa, simultaneamente, pelos mesmos dois caminhos do feixe de emissão da fonte, ou seja, um feixe passa pelo atomizador e o outro o circunda. A figura a seguir mostra o diagrama óptico de um instrumento de feixe duplo com correção de background usando uma fonte contínua. A absorbância corrigida do analito é dada por: Acorrigida (analito) = ALCO - ALD onde, ALCO é a absorbância total relacionada ao feixe da lâmpada de cátodo oco e ALD é a absorbância total relacionada ao feixe da lâmpada de deutério. Uma vez que ALCO = ALCO(analito) + ALCO (chama) e ALD = ALD(analito) + ALD (chama), tem-se que: Acorr(analito) = [ALCO(analito) + ALCO (chama)] - [ALD(analito) + ALD (chama)] Se ALCO (chama) = ALD (chama) e ALD(analito) ≅ 0 (porque o perfil de absorção para o analito é muito estreito comparado com a banda passante da fonte de radiação contínua), obtém-se finalmente que: Acorr(analito) = ALCO(analito) 51 Apesar do sucesso do sistema de correção de background (ou fundo) com a lâmpada de deutério, existem algumas limitações: - o ambiente gasoso quente é altamente não-homogêneo de modo que erros negativos ou positivos poderão ocorrer se ambos os feixes não estiverem igualmente alinhados e se outros elementos, presentes na matriz da amostra, absorverem radiações da larga banda passante da fonte contínua. - não se podem fazer correções de fundo para radiações acima de 350nm devido à fraca emissão da lâmpada de deutério acima desse comprimento de onda. Correção de Background Baseada na Auto-Reversão de uma Lâmpada Pulsada Surgiu recentemente na literatura um sistema simples, barato e mais vantajoso do que a correção de background com efeito Zeeman. Chamado de correção de background de Smith-Hieftje, este sistema é baseado no fenômeno da auto-reversão que é produzida quando uma alta corrente é fornecida a lâmpada de catodo oco comum. A lâmpada é alimentada por uma corrente pulsada em períodos de 9,7 ms para corrente normal (6 a 20 mA) e de 0,3ms para uma alta corrente (100 a 500 mA). No período de corrente baixa mede-se a absorbância do analito mais a do background e no período de alta corrente é medida uma pequena absorbância do analito (desprezível) mais a absorbância do background, conforme ilustrado na figura mostrada a seguir. A diferença entre as duas medidas é a absorbância que é registrada pelo instrumento. Se a absorção de background é constante nos dois períodos, tem-se que a diferença de absorbância registrada pelo instrumento é devido apenas ao elemento. Para uma melhor constância, essa diferença pode ser medida por vários ciclos e seu valor médio é a diferença registrada. 54 FONTES DE EXCITAÇÃO Como a potência de fluorescência é função da intensidade da radiação excitadora, é desejável que as fontes sejam de alta intensidade. As lâmpadas de cátodo oco comuns são de baixa intensidade, todavia as que usam eletrodos auxiliares emitem uma radiação mais intensa, mas não são comercialmente disponíveis para muitos elementos. As lâmpadas de descarga sem eletrodos são mais usadas em virtude da alta intensidade das raias emitidas, todavia as lâmpadas de arco de xenônio são fontes intensas que oferecem a vantagem de operação com uma única fonte. CONSIDERAÇÕES ANALÍTICAS Por ser a fluorescência atômica uma função da fonte de excitação, ela é capaz de uma maior sensibilidade do que a espectroscopia de absorção atômica. Ela é mais apropriada para análise multielementar com canais múltiplos, o que é difícil na absorção atômica devido o alinhamento das várias fontes individuais. 55 ESPECTROMETRIA DE ABSORÇÃO MOLECULAR UV-Vis Considerações Gerais A espectroscopia de absorção UV-Vis utiliza radiação eletromagnética cujos comprimentos (λ) se encontram na faixa de 200 a 780 nm. Quando estimulada com esse tipo radiação, a molécula do composto pode sofrer transições eletrônicas por ocasião da absorção de energia quantizada. O registro gráfico da resposta do sistema ao estímulo denomina-se espectro eletrônico de absorção. A absorção de energia UV-Vis produz modificação na estrutura eletrônica da molécula em conseqüência de transições eletrônicas envolvendo geralmente elétrons π e n (não ligantes) envolvidos em ligações. Isto requer que a molécula contenha pelos menos um grupo funcional insaturado (C=C, C=O, por exemplo) para fornecer os orbitais moleculares π e n. Tal centro de absorção é chamado cromóforo, sendo responsável principalmente pelas transições *ππ → e * πn → . Estas resultam da absorção de radiações eletromagnéticas que se enquadram em uma região espectral experimentalmente conveniente, ao contrário das transições *σn→ e *σσ → que requerem geralmente radiações mais energéticas (λ < 200 nm). As bandas de absorção podem ser caracterizadas por dois parâmetros fundamentais: a posição e a intensidade. A posição corresponde normalmente ao “λ” da radiação eletromagnética responsável pela transição eletrônica, enquanto a intensidade depende, entre outros fatores, da energia dos orbitais moleculares e probabilidade de transição. É importante ressaltar que a energia necessária para as transições eletrônicas envolvendo a absorção de radiação UV-Vis depende primariamente do tipo de ligação (ou seja, da presença de cromóforo) e, por último, da estrutura molecular. Todavia, é possível ocorrerem mudanças significativas na posição e intensidade das bandas em decorrência de, por exemplo, uma conjugação entre ligações duplas ou quando o cromóforo C=C encontra-se conjugado com um grupo C=O na estrutura da molécula e vice-versa. Os espectros de absorção UV-Vis apresentam geralmente bandas largas resultantes da sobreposição dos sinais provenientes de transições vibracionais e rotacionais ao(s) sinal(ais) associado(s) à(s) transição(ões) eletrônica(s). Adicionalmente, quando os espectros são obtidos com a amostra em fase condensada a estrutura espectral fina é removida dando lugar a bandas com perfil liso, tornando os espectros carentes de detalhes e com baixa resolução. Observam-se também alterações tanto na posição como na intensidade das bandas originadas de interações entre suas moléculas e as do solvente. De fato, um aumento na polaridade do solvente promove usualmente deslocamentos da banda para comprimentos de onda maiores (efeito batocrómico) se a transição associada é do tipo ππ → *. Contudo, um deslocamento contrário (efeito hipsocrômico) é observado quando o cromóforo sofre uma transição do tipo π→n * devido ao aumento da energia entre os dois orbitais moleculares envolvidos Efeitos envolvendo um aumento (hipercrômico) ou uma diminuição 56 (efeito hipocrômico) na intensidade da banda de absorção também podem ser observados como resultado dessas interações. A absorção molecular constitui um dos mais amplos caminhos usados pelos químicos analíticos para determinação de espécies moleculares em solução. A grande maioria dos elementos da tabela periódica pode ser determinada usando uma técnica apropriada de absorção molecular. Fundamentos teóricos A energia associada às bandas normalmente observadas nos espectros UV- Vis de uma molécula poliatômica compreende: Emolécula = Eeletrônica + Evibracional + Erotacional onde a: ♦ energia eletrônica ⇒ associada à distribuição dos elétrons em torno dos núcleos atômicos ♦ energia vibracional ⇒ relaciona-se com a vibração dos átomos ou grupos de átomos em torno das posições de equilíbrio nas ligações ♦ energia rotacional ⇒ encontra-se associada à rotação da molécula em torno do seu centro de gravidade As três formas de energia são quantizadas como se pode observar no diagrama da figura abaixo: 59 Transições σ → σ*. Ocorrem nos hidrocarbonetos que possuem apenas ligações σ e elétrons ligantes. Ex.: Propano ( λmáx 135 ηm). Transições n → σ:. Compostos orgânicos saturados contendo átomos com elétrons não-ligantes. Ex. cloreto de metila (λmáx = 173 ηm) e o metanol (λmáx. = 183 ηm). Transições n → π* e π → π*. São as transições mais importantes para espectroscopia UV-VIS dos compostos orgânicos, sendo que: • n → π* ⇒ compostos contendo orbitais π e heteroátomo com elétrons não-ligados para fornecer os orbitais n (εmáx = 5 a 100 l.cm-1.mol-1);lkl • π → π* ⇒ compostos contendo grupo funcional não-saturado (εmáx 100 a 1000 vezes maior) É importante definir agora alguns termos importantes na discussão dos espectros eletrônicos. Cromóforos São grupos insaturados covalentes responsáveis pela absorção eletrônica (ex. C=C, C=O, NO2, etc) ⇒ Deslocamentos Batocrômico e Hipsocrômico • batocrômico ⇒ bandas de absorção π → π* deslocam-se para λmáx. maior; • hipsocrômico ⇒ deslocamento das bandas de absorção (n → π*) para λmáx. mais curto; ⇒ Efeitos Hipercrômico e Hipocrômico • Efeito hipercrômico ⇒ aumento da intensidade da absorção; • Efeito hipocrômico ⇒ diminuição da intensidade da absorção. ⇒ AUXOCRÔMICOS Grupos saturados que, quando ligados a um cromóforo, modificam o comprimento e a intensidade da absorção. Ex.: OH, NH2, Cl, etc). Este efeito pode ser verificado quando tais grupos substituem átomos de hidrogênio no anel benzênico conforme mostra a tabela abaixo: CROMÓFORO GRUPO AUXOCROMO SOLVENTE λmáx. (ηm) ε Benzeno -H Ciclohexano 204 7900 Tolueno -CH3 Ciclohexano 207 7000 Clorobenzeno -Cl Etanol 210 7600 Fenol -OH Água 211 6200 Anilina -NH2 Água 230 8600 Tiofenol -SH Hexano 236 103 60 Absorção por multicromóforos não conjugados e conjugados • Não conjugados ⇒ cromóforos separados por mais de uma ligação simples. Ex. CH2=CHCH2CH2CH=CH2 (λmáx em 185 ηm e εmax = 20000) • Conjugados ⇒ Cromóforos se acham separados por uma ligação simples. Ex. H2C=CH–CH=CH2 (λmáx. em 217 nm e εmax = 21000) Absorção por sistemas aromáticos • Sistemas aromáticos ⇒ espectro com três bandas originadas das transições π → π*. Ex. benzeno: uma banda forte em 184 ηm (εmax = 60000) e duas mais fracas, uma em 204 ηm (εmax = 7900) e outra em 256 ηm (εmax = 200). Absorção por espécies inorgânicas Os compostos inorgânicos dos elementos do bloco s e p apresentem bandas de absorção na região UV relacionados a transições n → π*. Ex.: nitrato (λmáx=313ηm), carbonato (λmáx =217ηm), etc. Absorção por complexos de transferência de carga Muitos complexos devem sua capacidade absorvente a um processo de transferência de carga. Nos complexos de transferência de carga, um dos componentes deve ter a propriedade de doador de elétron e o outro de receptor. A absorção se acha relacionada com a transição de um elétron do doador a um orbital de maior energia do receptor. Assim, o estado excitado é o produto de um espécie de oxi-redução interna. A título de exemplo, consideres os complexos abaixo: [I3] - Iodo molecular (I2) com Iodeto (I -) [Fe(SCN)6] 3- Ferro(III) com Tiocianato (SCN-) [Fe(CN)6] 3- Ferro(III) com Cianeto (CN-) → Azul da Prússia [Fe(fen)3] 2+ Ferro(II) com 1,10 - Fenantrolina No complexo [Fe(SCN)6] 3-, por exemplo, a absorção se relaciona com a transição de um elétron do íon Tiocianato a um orbital do íon Fe(III). Assim, o complexo resultante é uma espécie excitada com predominância de Fe(II) e o radical SCN. O elétron retorna a seu estado original após um breve período. A maioria dos complexos que apresenta bandas de transferência de carga associadas a um íon metálico que atua com aceptor de elétrons. Uma exceção é o complexo de ferro(II) com o-fenantrolina, onde o ligante é o aceptor e íon metálico é o doador. Alguns complexos orgânicos também podem exibir fortes bandas por transferência de carga como, por exemplo, os complexos de I2 com aminas. 61 A absorção por transferência de carga se caracteriza por absortividades molares muita altas para os máximos de absorção (εmáx. > 10.000). Absorção por compostos de metais de transição “d” De acordo com as teorias do campo cristalino e do campo ligante, os orbitais d quebram a degenerescência quando formam complexos (veja a figura a seguir). O valor da diferença de energias dos orbitais “d”, ∆, depende da: ♦ natureza dos ligantes (tamanho, forma, etc) ♦ sua interação com o íon metálico. Com base no estudo do espectro de absorção foi possível colocar alguns ligantes em uma ordem crescente de valores de ∆, ou seja: I-<Br-<Cl-<F-<OH-<H2O<SCN-<NH3<etilenodiamina<o-fenantrolina<NO2-<CN- Como os valores de ∆ estão aumentando na ordem acima, os valores λmáx de um complexo com CN- (exemplo, [Fe(CN)6] ≡) aparecem em um λmáx menor do que de um complexo com Cl- (exemplo, [Fe(Cl)6] ≡). Absorção por compostos de metais de transição “f” Os espectros consistem de bandas estreitas e bem definidas, como se pode observar na figura abaixo. 64 Podemos destacar as seguintes características dos espectros (a) e (b): ♦ o espectro (a) assemelha-se bastante ao do composto (b) que tem estruturas mais complexas, ao contrário do que ocorreria se comparássemos os espectros de IV, RMN dos compostos (a) e (b). ♦ ambos os espectros apresentam bandas muito alargadas e carentes de detalhes. Embora a espectroscopia UV-VIS seja limitada para fins de análise qualitativa, ela pode ser útil para detectar a presença de grupos funcionais. ESPECTROS DERIVATIVOS 65 Os espectros são obtidos por plotar a primeira (dA/dλ ) ou a segunda derivada (d2A/dλ2 ) da absorbância com relação os comprimentos de onda. A figura abaixo mostra um espectro normal (A x λ) e os espectros derivativos (dA/dλ x λ e d2A/dλ2 x λ) da albumina bovina na região UV. INFLUÊNCIA DO SOLVENTE NO ESPECTRO Os solventes empregados no estudo do espectro de absorção devem ser escolhidos do ponto de vista de sua TRANSPARÊNCIA e possíveis INTERAÇÕES com as espécies absorventes. Na tabela seguinte indicam-se alguns solventes mais usuais e o comprimento de onda abaixo do qual não podem ser usados. SOLVENTE λmín. que pode ser usado SOLVENTE λmín. que pode ser usado Água 180 ηm Benzeno 285 ηm Metanol 210 ηm Tolueno 285 ηm Etanol 220 ηm Hexano 200 ηm i - Propanol 210 ηm Ciclohexano 200 ηm Butanol 210 ηm ClCH2CH2Cl 235 ηm Acetona 330 ηm Diclorometano 253 ηm Clorofórmio 245 ηm Nitrometano 380 ηm CCl4 260 ηm Éter Etílico 210 ηm CS2 300 ηm Acetonitrila 210 ηm Dioxano 320 ηm Piridina 305 ηm DMF 270 ηm CH3COOH 270 ηm Análise Quantitativa 66 A espectrofotometria de absorção UV-VIS é uma ferramenta muito útil para análise quantitativa. As aplicações são numerosas e cobrem os mais variados tipos de materiais. Estima-se, por exemplo, que 95% das análises quantitativas no campo da saúde (3 milhões por dia) são realizadas usando essa técnica instrumental. Estima-se que quase todos os elementos da tabela periódica podem ser determinados por essa técnica usando uma metodologia adequada. Muitas espécies orgânicas e inorgânicas são absorventes e, portanto, susceptíveis de determinação direta. As espécies que não são absorventes podem ser quantificadas após conversão em espécies absorventes por reagentes apropriados. Para espécies inorgânicas são particularmente importantes os reagentes quelantes que formam complexos corados, estáveis com cátions metálicos. Muitas espécies absorventes apresentam absortividades molares de 10.000 a 40.000 L.cm-1.mol-1, tornando comum a determinação de concentrações na faixa de 10-4 a 10-5 mol L-1, podendo muitas vezes ser estendida, com técnicas apropriadas, até 10-6 ou mesmo 10-7 mol L-1. Os métodos espectrofotométricos quantitativos estão sujeitos a erros relativos de 1 a 3% e possuem seletividade desde moderada a elevada. Todavia, esta seletividade está condicionada a vários fatores experimentais tais como: - escolha do instrumento adequado; - especificidade dos reagentes; - escolha adequada do comprimento de onda para a medida da absorbância. A LEI FUNDAMENTAL DA ESPECTROFOTOMETRIA DE ABSORÇÃO UV-Vis Os métodos espectrofotométricos são baseados nas medidas da transmitância ou absorbância de uma radiação monocromática que atravessa uma solução contendo uma espécie absorvente e a relação entre estas medidas e a concentração da espécie absorvente. A relação matemática entre a transmitância ou absorbância e a concentração é conhecida como Lei de Lambert - Beer ou simplesmente Lei de Beer. Transmitância - T Quando um feixe de radiação monocromática atravessa uma solução que contém uma espécie absorvente, uma parte da energia radiante é absorvida e a outra é transmitida. A razão da potência radiante do feixe transmitido, P, pela potência radiante do feixe incidente, Po, é conhecida como transmitância, T. Assim: T = P/Po É também, usual expressar a transmitância percentualmente: P %T =  x 100 Po 69 DESVIOS REAIS À medida que se aumenta a concentração da espécie absorvente, dois fatores que limitam a Lei de Beer podem acarretar desvio da linearidade: ♦ Interações entre Centros Absorventes. ♦ Variação do Índice de Refração. Interações entre Centros Absorventes A derivação da Lei de Beer pressupõe que os centros absorventes atuam independentemente uns dos outros, isto é, que eles não manifestam interações recíprocas ou com outros íons ou moléculas presentes. A rigor, a lei se aplica a soluções diluídas (concentração menor que 10-2 mol/L). Para soluções mais concentradas, a distância média entre os centros absorventes diminui a tal ponto que as interações entre eles afetam a energia necessária para a excitação, alterando a capacidade absorvente e ocasionando um desvio da linearidade. Variação do Índice de Refração. Quando variações da concentração afetam o índice de refração, observa-se desvio da Lei de Beer, pois a absortividade molar depende do índice de refração. ( )       +η ηε=ε 22 2 ' , OBS: Para concentrações menores que 10-2 mol/L, η é praticamente constante. Desvios Instrumentais São desvios que estão relacionados com os limites dos instrumentos usados na medida da absorbância. Dentre as principais limitações temos: ♦ a largura do feixe de radiação; ♦ a não-linearidade do detector; ♦ a instabilidade da fonte. Nos instrumentos de melhor qualidade, estas deficiências têm sido amplamente resolvidas. Todavia merece uma atenção particular o problema relacionado a largura do feixe de radiação. LEI DE BEER E LARGURA DO FEIXE DE RADIAÇÃO A Lei de Beer é derivada supondo um feixe de radiação monocromática. Como nos instrumentos de menor qualidade os feixes apresentam faixas de comprimento de onda, isto pode causar desvios. Uma ilustração deste fato é mostrada nas figuras a seguir: Na faixa A, ε não varia significativamente e o desvio é desprezível (curva A). Na faixa B tem-se uma variação considerável de ε, que determina um desvio apreciável (curva B). 70 Quanto maior a inclinação da curva de absorbância - comprimento de onda, na faixa considerada, maior será o desvio da linearidade. É de se esperar que o desvio se manifestará tanto mais facilmente quanto mais larga a faixa de comprimento de onda. Assim, quanto mais estreita a largura do feixe (mais monocromático o feixe), maior será a linearidade obtida pelo instrumento. DESVIOS QUÍMICOS Ocorrem quando o sistema em análise compreende um equilíbrio facilmente afetado pela variação da concentração de um componente do equilíbrio químico. A lei de Beer estabelece que a absorbância é diretamente proporcional à concentração REAL da espécie absorvente, mas não necessariamente à concentração ANALÍTICA de um componente. Exemplo: Equilíbrio dicromato-cromato. Cr2O7 = + H2O ⇔ 2H+ + 2CrO4= ↑ ↑ λmax = 350ηm λmax = 375ηm Este equilíbrio é afetado pela concentração de íons H+ (pH), com Cr2O7 = predominando em solução ácida e CrO4 = em solução básica. Em soluções tamponadas, o equilíbrio é deslocado na direção de Cr2O7 = em tampão ácido ou na direção de CrO4 = em tampão básico. Nestes casos, a relação de concentração de Cr(VI) como Cr2O7 = ou como CrO4 = não é afetada por diluição. Em soluções não- tamponadas a concentração de H+ varia com a diluição, deslocando o equilíbrio e variando a relação de Cr(VI) como Cr2O7 =ou CrO4 =. Variações da absorbância com as concentrações de Cr(VI) como Cr2O7 = e como CrO4 =, nos seus comprimentos de onda de absorção, em soluções tamponadas (linhas tracejadas) e não-tamponadas (linhas cheias) são mostradas nas figuras a seguir. 71 Observa-se desvios da linearidade quando as soluções não são tamponadas. Poderia-se observar uma relação linear para as soluções não- tamponadas, se as medidas fossem realizadas no ponto ISOABSORTIVO ou ISOSBÉSTICO do par Cr2O7 = - CrO4 = (εdicromato = εcromato) confome mostra a figura abaixo. MEDIDAS DE ABSORBÂNCIAS As medidas de absorbância são realizadas em recipientes transparentes (de vidro ou quartzo) denominados de cubetas. Algumas observações devem ser levadas em conta, pois a equação A = log(Po/P) = εbC não é diretamente aplicável, tendo em vista que as quantidades Po e P não podem ser facilmente medidas por problemas conforme procura ilustrar a figura abaixo: Além da desejada absorção parcial da energia radiante pela espécie absorvente na solução, ocorrem interações inevitáveis entre a radiação e as paredes do recipiente, com perdas de potência em cada interface, como resultado da reflexão ou mesmo absorção pelas paredes. Na região ultravioleta não se pode efetuar medidas com cubetas de vidro e sim de quartzo, pois o vidro absorve intensamente a radiação U.V. Um outro problema que ocorre durante a passagem da radiação através da solução é a perda por espalhamento provocada por grandes partículas em solução. Para evitar este problema, as soluções devem ser límpidas, transparentes e não coloidais. Devido a esses fenômenos a perda de potência 74 absorvendo preferencialmente radiações dos demais comprimentos de onda. Eles possuem larguras efetivas de 30 a 50ηm e transmitância máximas que variam de 5 a 30 %; ♦filtro de interferência - o princípio destes filtros está baseado na interferência construtiva e destrutiva que ocorre durante a passagem de um feixe policromático pelo filtro. Os filtros de interferência permitem isolar bandas com larguras efetivas de 10 a 20ηm e transmitâncias máximas de 35 a 75 %. Portanto, pode-se observar que as características espectrais dos filtros de absorção são inferiores às dos filtros de interferência. De fato, os filtros de interferência possuem maior transmitância máxima e menor largura efetiva de banda. Monocromadores Os monocromadores servem para separar uma radiação policromática em linhas ou bandas espectrais muito estreitas. O sistema monocromador consiste nos seguintes componentes básicos: ♦ Uma Fenda de Entrada, que recebe a radiação contínua da fonte e fornece uma estreita imagem ótica; ♦ Uma Lente Colimadora, que torna paralelos os raios propagados através da fenda de entrada; ♦ Um Elemento de Dispersão (prisma ou rede de difração), que desdobra a radiação contínua; ♦ Uma Lente de Focagem, para focalizar a radiação desdobrada em uma fenda de saída; ♦ Uma Fenda de Saída, que isola a linha ou banda espectral de interesse. Monocromador à Base de Prisma ⇒ A figura a seguir representa, esquematicamente, um monocromador à base de prisma, mostrando os cinco (5) componentes básicos. A banda espectral desejada é isolada pela fenda de saída mediante conveniente rotação do prisma. Monocromador de Bunsen 75 Monocromador à Base de Rede de Difração Redes de Difração A rede de difração é um dispositivo constituído de uma série de ranhuras muito próximas, paralelas e equidistantes, traçadas sobre uma placa de vidro (rede de transmissão) ou uma placa metálica polida (rede de reflexão). A figura abaixo mostra a seção transversal muito aumentada de uma rede: A dispersão em uma rede de difração é um processo que resulta da DIFRAÇÃO e subseqüente INTERFERÊNCIA. Uma rede típica para as regiões UV e visível tem 1000 a 2000 ranhuras por milímetro. A figura abaixo mostra uma montagem de um monocromador à base de rede de difração (reflexão). Monocromador de Fastie-Ebert As redes de difração requerem aparelhos de alta precisão para a sua manufatura e são, por isso, muito caras quando original. Presentemente, usam- se réplicas mais baratas. A matriz de uma rede de transmissão é usada como molde para produzir réplicas com material plástico. 76 FENDAS As fendas cumprem um papel importante na determinação da qualidade do monocromador. Cada fenda consiste em duas peças de metal com extremidades aguçadas conforme mostra a figura abaixo: As extremidades das fendas devem ser rigorosamente paralelas uma à outra e situar-se no mesmo plano. Em alguns instrumentos as aberturas das fendas são fixas, em outros, a abertura é ajustável. A fim de um monocromador separar eficientemente os comprimentos de onda, as fendas devem ser tão estreitas quanto possível. Há, porém, uma abertura ótima para uma fenda, que se fosse tentado estreitá-la ainda mais não se obteria um melhor resultado e, o que é pior, redundaria em redução da potência de radiação, devido a problemas de difração. A largura efetiva da banda de um monocromador depende da dispersão do prisma ou da rede, bem como das aberturas das fendas de entrada e saída. Como a dispersão em um prisma não é uniforme, para se isolar uma dada largura efetiva de banda em um monocromador com prisma, é necessário usar fendas muito mais estreitas no lado dos comprimentos de onda mais longos, do que no lado dos mais curtos. Os monocromadores com rede têm a vantagem de isolar com uma abertura fina, radiação com uma largura efetiva aproximadamente constante para toda a faixa espectral de operação. RECIPIENTES PARA AMOSTRA Os recipientes usados nas medidas espectrofotométricas são denominados de cubetas. Os instrumentos mais simples (fotômetros ou colorímetros) utilizam cubetas cilíndricas, que são mais baratas. Os espectrofotômetros utilizam normalmente cubetas retangulares com percurso óptico de 1cm. Todavia, encontra-se, comercialmente, cubetas com espessuras de 0,1cm até 10 cm. As cubetas são construídas de material transparente que deixa passar livremente a radiação na região espectral interessada. As cubetas de quartzo são usadas principalmente para medidas na região UV (abaixo de 350ηm), embora elas possam ser usadas também na região visível e no I.V (até 3µm). As cubetas de vidro são usadas apenas na região visível e no I.V. até 2µm. As cubetas devem ser alojadas em direções perpendiculares à direção do feixe, a fim de reduzir as perdas por reflexão. As cubetas devem se encontrar perfeitamente limpas, pois as impressões digitais, manchas de gordura e qualquer material sobre as paredes da cubeta afetam de maneira acentuada as medidas. 79 O primeiro dinodo é mantido a um potencial de 90V mais positivo que o cátodo e a mesma diferença de potencial é aplicada entre os dinodos sucessivos até o ânodo. Os elétrons primários emitidos pelo cátodo são acelerados em direção ao primeiro dinodo. Os impactos dos elétrons acelerados contra o dinodo causam a emissão de 2 a 5 elétrons secundários que são acelerados contra o segundo dinodo e assim por diante. Em cada estágio, o número de elétrons é multiplicado por 4, 5 ou mais. A multiplicação final pode ser maior que 108. A fotocorrente resultante pode ainda ser amplificada, conforme mostra a figura abaixo: Os tubos Fotomultiplicadores cobrem a região UV visível (200 - 700 ηm). Eles podem medir potências radiantes 200 vezes mais fracas do que as mensuráveis com fototubos comuns. Eles são usados, somente, com potências radiantes fracas, pois mesmos níveis de radiação moderados podem causar variações irreversíveis nas superfícies dos eletrodos. FOTODIODO O fotodiodo é um diodo semicondutor com junção PN cuja característica é operar em polarização inversa na junção. Na polarização inversa a corrente é praticamente nula, porém, se o cristal for devidamente dopado, o número de portadores aumenta tremendamente sob luz incidente, pois esse fornece energia sob forma de fótons que aumenta o número de portadores minoritários (responsáveis pela condução em polarização reversa). As figuras (1) e (2) abaixo mostram as características e detalhes da construção do fotodiodo. O símbolo está em (3). A curva mostra que a corrente aumenta com o aumento de intensidade luminosa e é praticamente nula sob ausência de luz. A aplicação do fotodiodo se verifica também em leitura de cartões, circuitos digitais, acopladores ópticos, etc. FOTOTRANSISTOR O fototransistor é similar ao fotodiodo, mas permite amplificar da corrente. Cada curva na figura encontra-se relacionada a uma intensidade luminosa. IB é a corrente de base gerada pela intensidade luminosa. 80 INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE POR ABSORÇÃO UV-VIS Os instrumentos podem ser classificados em dois grandes grupos: os instrumentos não-fotoelétricos (colorímetros ou comparadores visuais) e os fotoelétricos (espectrofotômetros, fotocolorímetros, fotômetros ou colorímetros). INSTRUMENTOS NÃO-FOTOELÉTRICOS Comparadores visuais Antes de aparecer os instrumentos fotoelétricos, as análises colorimétricas eram feitas por processos de simples comparação visual. Muitos desses sistemas ainda prevalecem devido ao aparelho ser barato e de precisão conveniente para muitas finalidades. A precisão fica em torno de ± 5-10 %, podendo ser melhorada por cuidadosa atenção dos detalhes. O princípio básico da maioria dos comparadores visuais consiste na comparação, sob condições definidas, da cor produzida pela substância em quantidade desconhecida com a mesma cor produzida por soluções de concentração conhecida da mesma substância (soluções padrão). Dentre os comparadores visuais podemos exemplificar: - os Tubos de NESSLER - o Comparador de DUBOSCQ - Os Papéis Indicadores de pH, etc Tubos de Nessler São tubos cilíndricos de vidro com uma marca gravada onde uma série de soluções-padrão é colocada até a altura exata da marca. A amostra preparada nas mesmas condições é colocada em outro tubo e comparada com os padrões olhando-se através das soluções na direção de uma fonte de luz difusa uniforme. Comparador de Duboscq O procedimento visual envolve uma variação da profundidade do líquido através do qual a luz deve passar para alcançar o olho, de modo que a intensidade da cor se igualará à do padrão. Nesse instrumento, mostrado na figura abaixo, as soluções da amostra e do padrão são colocadas em celas de fundo de vidro montadas em um suporte que permite movê-los verticalmente por um dispositivo de coroa e pinhão, munido de uma escala milimétrica. Os Cilindros de vidro fixos com extremidades polidas 81 penetram nas celas por cima. A luz de baixo passa através do fundo das celas atravessa os líquidos e os cilindros. A profundidade dos cilindros é ajustada até que as duas cores se igualem. Comparador de Duboscq A partir da posição das escalas de profundidade (igual aqui ao comprimento do percurso ótico) e da concentração da solução do padrão, a concentração da amostra pode ser obtida, se a Lei de Beer é obedecida, por: AA = AP ⇒ εAbAcA = εBbBcB como εA = εB ⇒ bAcA = bBcB Deve-se destacar que a relação é obedecida com mais exatidão se o feixe de luz monocromática (obtida com um filtro de cor adequada) for usado, e não a luz branca. OS INSTRUMENTOS FOTOELÉTRICOS Uma classificação dos instrumentos fotoelétricos considera o tipo de dispositivo usado para selecionar a radiação eletromagnética para as medidas de transmitância ou absorbância. Assim: 84 A radiação é selecionada através do giro adequado do came (peça giratória que faz a rede se movimentar). O filtro suplementar é usado para reduzir radiação estranha. ESPECTROFOTÔMETRO DE FEIXE DUPLO Nestes instrumentos o feixe de radiação proveniente da fonte é dividido em dois: um passa pela cubeta das soluções-padrão ou amostra e o outro pela cubeta que contém o solvente. Nos instrumentos de feixe duplo (espectrofotômetros e fotômetros), as possíveis flutuações da fonte e do detector podem ser corrigidas, pois as medidas de P (radiação que passa pela cubeta da amostra) e P0 (cubeta do branco) são efetuadas simultaneamente. ESPECTROFOTÔMETRO DE VARREDURA São espectrofotômetros de duplo feixe usados particularmente para traçar os espectros de absorção dos sistemas analíticos. Para isso, eles possuem um mecanismo que faz variar o comprimento de onda do feixe a partir de rotação do prisma ou da rede, como se pode ver na figura mostrada a seguir. ESPECTROFOTÔMETRO COM ARRANJO DE FOTODIODOS A figura a seguir mostra um diagrama esquemático deste instrumento: O arranjo de fotodiodos é um conjunto de mais de 300 fotodiodos montados em uma pastilha (“CHIP”) semicondutora com 2mm x 18mm de tamanho. Cada fotodiodo é responsável pelo sinal de um comprimento de onda. O feixe colimado passa na amostra, colocada num compartimento aberto e antes de atingir o arranjo de fotodiodos (“photodiode array”), passa por uma rede de difração holográfica onde é dispersado. Isto permite acesso simultâneo a todos os λ (190 a 820 ηm) e uma grande diminuição do tempo de varredura (0,1s) do espectro. Para melhorar a relação sinal/ruído os espectros são varridos durante 1s ou mais e são estocados no microcomputador, calculando depois a média. A utilização de poucos componentes óticos permite que uma única lâmpada de deutério tenha potência suficiente para servir para a região UV e Visível. 85 Diagrama de um Espectrofotômetro com Arranjo de Fotodiodos Escolha do comprimento de onda para análise quantitativa Quando se dispõe apenas de um fotômetro e não se tem o espectro da amostra, o filtro mais apropriado é, em geral, aquele com cor complementar à da solução em estudo. Por outro lado, quando se dispõe de um espectrofotômetro de varredura, o comprimento de onda é sempre escolhido com base no exame dos espectros de absorção do sistema analítico. Veja a figura mostrada a seguir. Nem sempre a escolha do comprimento de onda é feita onde a absorbância é máxima, pois deve-se levar em conta a possibilidade da presença de outras substâncias absorventes (interferentes). Observa-se que o reagente absorve fortemente na região do máximo (λmax = 470 ηm) da espécie absorvente. Assim, este não deve ser comprimento de onda analítico escolhido. 86 O comprimento de onda deve ser escolhido, preferencialmente, em uma região não inclinada do espectro, de modo a permitir uma melhor linearidade da Lei de Beer. Portanto, o λ escolhido para a determinação do cobalto deve ser aquele próximo a 520 ηm, onde existe um ombro e o reagente não absorve. Métodos de Análise Quantitativa Existem os seguintes métodos que podem ser usados para a determinação da concentração de uma espécie absorvente na amostra: - Método da curva analítica; - Método direto por cálculo; - Método por titulação fotométrica ou espectrofotométrica; - Análise multicomponente. OBS.: O método da curva analítica já foi descrito na introdução. Método direto por cálculo ⇒ A concentração da amostra pode ser calculada pela medida de sua absorbância e de uma solução padrão sob condições idênticas. Aa = εa ba ca e Ap = εp bp cp Como ba = bp e εa = εp, tem-se que: aaa p p a p a p a pppp aaaa f.A C A. A C C C C A A C..bA C..b=A =⇒=⇒=⇒ ε= ε onde f é conhecido como fator de calibração. 89 • Como é necessário o monitoramente de uma única espécie absorvente, que pode ser a espécie titulada, o titulante ou produto da reação entre ambos ou ainda o produto entre uma dessas espécies e uma substância indicadora, a titulação fotométrica se aplica à determinação de muitas substâncias não- absorventes. • A localização do ponto final, à base de uma série de medidas requeridas para traçar a curva de titulação implica em uma precisão maior do que a de uma medida isolada. De fato, é possível alcançar uma precisão de 0,5% ou melhor nas titulações fotométricas. O método é particularmente aplicável quando a variação da cor do indicador, em uma titulação convencional não é nítida em virtude, provavelmente, das reações de titulação não serem completas nas vizinhanças do ponto de equivalência, ou ainda, quando se encontram presentes na amostra substâncias coradas. Dispositivos para titulação fotométrica Além dos componentes dos fotômetros ou dos espectrofotômetros, na realização de uma titulação fotométrica necessita-se de alguns dispositivos extras, tais como: - um recipiente para a titulação com capacidade de 5 a 100 ml; - um agitador magnético ou outro meio apropriado para a agitação da solução - uma bureta ou outro dispositivo automático de adição de volumes. Vale salientar que estes dispositivos não são vendidos juntos com os fotômetros ou espectrofotômetros. Análise multicomponente Este tipo de análise ocorre quando se deseja determinar simultaneamente a concentração individual de dois ou mais componentes absorventes que possuem espectros de absorção sobrepostos. O caso mais simples é o de um sistema contendo duas espécies absorventes, ou seja, dois analitos. Na figura a seguir são mostrados os espectros de absorção de dois componentes, L e M, bem como o espectro da mistura entre ambos. 90 Como as curvas de absorção dos dois componentes se sobrepõem em toda a extensão da faixa espectral considerada, a absorbância total, para qualquer comprimento de onda, é a soma das absorbâncias dos componentes L e M. Se as medidas são realizadas em condições que a lei de Beer está sendo obedecida tem-se que para dois comprimentos de onda λ’ e λ” qualquer que: A’ = εL’bcL + εM’bcM A” = εL”bcL + εM”bcM Uma vez que as quatro absortividades molares εL`, εM`, εL” e εM” podem ser obtidas, experimentalmente, com soluções padrões individuais dos componentes L e M; as absorbâncias da mistura A’e A”, para os comprimentos λ’ e λ”, são também medidas experimentalmente e b pode ser constante quando todas as medidas forem realizadas com a mesma cubeta, então, o sistema de equações acima pode ser resolvido de modo a permitir encontrar a concentração CL e CM de cada componente. Para b=1cm, tem-se que: e C A A M L M L M M L = − − ( ' . " . ' ) ( ' . " ' . " ) ε ε ε ε ε ε Para um uma melhor exatidão nos valores de CL e CM, as medidas das absorbâncias totais A’ e A”, devem ser realizadas em dois comprimentos de onda onde se tenha grandes diferenças de absortividades molares dos dois componentes. Misturas com mais de dois componentes se interferindo podem, em princípio, ser realizado fazendo medidas em tantos comprimentos de ondas quanto forem o número de componentes. Todavia, as soluções do sistema de equações não têm permitido, normalmente, obter bons resultados. C A A L L M L M M L = − − ( " . ' ' . " ) ( ' . " ' " ) ε ε ε ε ε ε 91 Erro fotométrico É importante saber de que maneira a incerteza na medida da transmitância se reflete como incerteza na concentração, pois em virtude da relação logarítmica entre a transmitância e a concentração, esta incerteza não é de evidência imediata e é intrínseca do próprio instrumento. Pode ser demonstrado a partir da lei de Beer que a função de erro de concentração é dada por: ∆c / c = [(0,4343) / T logT] ∆T A incerteza ∆T (erro fotométrico), que é uma quantidade constante para um instrumento particular, se situa entre 0,002 e 0,01 (0,2 e 1,0%) na escala total dos instrumentos comerciais. Em geral, toma-se ∆T como igual a duas vezes o valor do desvio médio obtido, medindo-se repetidamente T para uma mesma solução. Sendo assim, a incerteza ∆T = 0,2% pode ser considerada como o limite do erro fotométrico para os melhores instrumentos. A tabela abaixo relaciona os valores que assume o erro relativo percentual da concentração para diferentes valores de T e incertezas constantes ∆T = ±0,01 (±1,0%) e ±0,005 (±0,5%). Transmitância Absorbância (∆c / c).100 para (T) (A) ∆T = 0,01 (1,0%) ∆T = 0,005 (0,5%) 1,00 0 ∞ ∞ 0,95 0,022 ±20,5 10,2± 0,90 0,046 ±10,6 ±5,30 0,80 0,097 ±5,60 ±2,80 0,70 0,155 ±4,00 ±2,00 0,60 0,222 ±3,26 ±1,63 0,50 0,301 ±2,88 ±1,44 0,40 0,399 ±2,72 ±1,36 0,30 0,523 ±2,77 ±1,38 0,20 0,699 ±3,11 ±1,55 0,10 1,000 ±4,34 ±2,17 0,05 1,301 ±6,70 ±3,35 0,01 2,000 ±21,7 ±10,8 A figura abaixo representa o erro relativo em concentração em função de T ∆T = 0,01 (1%). 94 ζ = k’ C onde, k’é uma constante que depende dos mesmos fatores de k acima, além de depender também da potência do feixe incidente. Faixas de Concentração Versus Turbidimetria e Nefelometria A medida nefelométrica não é indicada para altas concentrações em virtude da interferência entre partículas. Todavia, como a fluorometria, ela apresenta alta sensibilidade para baixas concentrações e a sensibilidade pode ser aumentada com o aumento da potência do feixe incidente. É difícil detectar pequenas atenuações da radiação incidente, causadas por baixas concentrações, ou seja, a turbimetria não é adequada para medidas de turvações muito fracas (transmitâncias superiores a 90 %). Nestes casos, o método nefelométrico é o mais conveniente. Portanto, nas análises de amostras em suspensão a nefelometria e a turbidimetria se completam com relação as faixas de concentração. A nefelometria é indicada para baixas concentrações, podendo determinar concentrações a nível de ppm, enquanto a turbidimetria é indicada para concentrações mais altas. INSTRUMENTAÇÃO Em princípio, qualquer fotocolorímetro ou espectrofotômetro permite realizar medidas trubidimétricas. Comparadores visuais são também utilizados para medidas de turbidez das águas potáveis. As medidas nefelométricas podem ser realizadas em fluorômetros ou espectrofluorômetros. Turbidímetros e nefelômetros têm sido desenvolvidos usando fonte de luz policromáticas, tal como uma lâmpada de tungstênio. Todavia, para se obter melhores resultados é recomendado usar radiações monocromáticas. Quanto menor o λ da radiação maior é a intensidade do espalhamento. Assim, para se obter uma maior sensibilidade num fotocolorímetro, as medidas devem ser realizadas de preferência com um filtro azul. ANÁLISE QUANTITATIVA Antes de tudo, é importante ressaltar que o precipitado necessita ser pouco solúvel e que ele se forme rapidamente. A adição de colóides protetores, como gelatina, ágar, goma-arábica ou albumina é, às vezes, utilizada para tornar mais estável a suspensão em concentrações muito baixas. Curva Analítica Na nefelometria e na turbidimetria as amostras são analisadas usando, geralmente, curva analítica. A exata reprodução das condições de precipitação é o aspecto mais crítico nessas análises. Todas as variáveis que podem influir no tamanho das partículas, no momento de sua formação, devem ser cuidadosamente controladas a fim de reproduzir as mesmas condições de fomação da suspensão, tanto para os padrões, como para as amostras. 95 Titulações Turbidimétricas ou Nefelométricas As medidas turbidimétricas e nefelométricas também podem ser empregadas para sinalizar o ponto final em titulações de precipitação. APLICAÇÕES DA TURBIDIMETRIA E NEFELOMETRIA A nefelometria e a turbidimetria se aplicam à determinação de numerosas espécies iônicas mediante a precipitação com reagentes apropriados, em condições que assegurem a formação de uma suspensão estável e reprodutível. A tabela a seguir relaciona algumas das mais importantes aplicações. ESPÉCIE REAGENTE SUSPENSÃO MÉTODO Ag NaCl AgCl nefelometria turbidimetria As Te NaH2PO2 NaH2PO2 As Te nefelometria turbidimetria Se Au SnCl2 SnCl2 Se Au nefelometria turbidimetria Cl AgNO3 AgCl nefelometria turbidimetria K Na3Co(NO2)6 K2NaCo(NO2)6 turbidimetria Na Zn(OAc)2 e UO2(OAc)2 NaZn(OAc2)3(OAc)9 nefelometria turbidimetria Ca H2C2O4 CaC2O4 turbidimetria SO4 -2 BaCl2 BaSO4 nefelometria turbidimetria A aplicação mais largamente empregada da nefelometria e turbidimetria é a determinação do sulfato ou enxofre. Elas são as técnicas preferidas devido, principalmente, às dificuldades de se encontrar um método instrumental simples e barato para análise quantitativa exata desta importante espécie química. A medida da limpidez de águas, bebidas ou medicamentos constitui um exemplo típico de um método simples de determinação nefelométrica ou turbidimétrica. MÉTODOS ELETROANALÍTICOS Os métodos eletroanalíticos apresentam algumas vantagens sobre os outros métodos de análise quantitativa instrumental. ♦ as medidas são geralmente particular para um determinado estado de oxidação do elemento. É possível determinar através de um dos métodos eletroanalíticos a concentração de por exemplo Fe(II) e Fe(III), enquanto que os métodos espectroscópicos determinam normalmente a concentração do ferro total na amostra. ♦ os instrumentos são relativamente baratos. Custam de $4000 a $5000 com o mais sofisticado custando no máximo $25000, enquanto os espectrofotômetros custam normalmente mais de $25000. ♦ eles fornecem informação sobre atividades das espécies que em estudos fisico- químico e fisiológicos são mais importante do que as suas concentrações. 96 A figura a seguir mostra um diagrama dos métodos eletroanalíticos mais comumente utilizados: Os métodos eletroanalíticos englobam um grupo de métodos de análise quantitativa instrumental que estão baseados nas propriedades elétricas da solução do analito quando esta faz parte de uma célula eletroquímica. Os aspectos teóricos e práticos de uma célula eletroquímica são discutidos a seguir. PRINCÍPIOS DE ELETROQUÍMICA Células Eletroquímicas As células eletroquímicas consistem de dois eletrodos, denominados anodos e catodos, mergulhados em uma solução eletrolítica. As células eletroquímicas podem ser classificadas em células galvânicas (ou pilha) e células eletrolíticas. As células galvânicas são aquelas que após a sua montagem, elas entram em funcionamento produzindo energia elétrica espontaneamente e as células eletrolíticas são aquelas que só entram em funcionamento após ter sido fornecido a ela energia elétrica. A figura a seguir mostra uma célula galvânica com os seus componentes básicos.