63503816 Quimica Analitica Instrumental

Profª Drª Glaucia Maria F. Pinto 1

Química Analítica Instrumental

PROFª. Drª. GLAUCIA MARIA F. PINTO

1º sem 2006

.



.......

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Este é um sumário para leigos da Licença Jurídica.

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1º sem 2006


Índice:

Introdução -------------------------------------------------------------------------- 3Métodos Eletroanalíticos ------------------------------------------------------ 13Potenciometria -------------------------------------------------------------------- 30Voltametria ------------------------------------------------------------------------- 69 Cromatografia -------------------------------------------------------------------- 127Técnicas Espectroscópicas ------------------------------------------------- 251 Análise por Injeção em Fluxo ----------------------------------------------- 309Análise Térmica ------------------------------------------------------------------ 319


QUÍMICA ANALÍTICA

Química Analítica

Qualitativa (Qual?)

Quantitativa (Quanto?)

Química Analítica Quantitativa

Clássica

Instrumental


Eletroanalítica

Espectroanalítica

Separação


QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL

Química analítica instrumental: tem um desenvolvimento recente (ao redor de 1930)

Vantagens: Rapidez, exatidão, possibilidade de automação, bom desempenho e facilidade de operação.

Desvantagens: necessidade de treinamento, custo elevado

Quem é o químico analítico?

Um verdadeiro analista apresenta muitas características. Ele conhece os métodos e os instrumentos; ele entende os princípios da análise, a ponto de modificar o método para resolver um problema particular, se necessário; freqüentemente ele é um pesquisador que estuda a teoria dos processos analíticos e ou desenvolve completamente novos métodos de análise. Ele está longe de ser um técnico que aperta botões e segue um “livro de receitas”.



Métodos instrumentais de análise: propriedades físico-químicas do elemento é medida, através de uma medida de sinal gerado por um equipamento ou instrumento.

Os sinais analíticos mais comuns são: óticos e elétricos

Os instrumentos transformam um sinal analítico que usualmente não é diretamente detectável ou entendido pelo ser humano em um sinal que pode ser medido

Quais os tipos de métodos?

A tabela 1 apresenta os principais sinais analíticos medidos e os respectivos métodos instrumentais que podem ser usados



Condutividade térmicaPropriedades térmicas

Espectrometria de massaRazão massa-carga

CondutometriaResistência elétrica

Polarografia, amperometriaCorrente elétrica

CoulometriaCarga elétrica

potenciometriaPotencial elétrico

Espectrometria e fotometria: raio-X, UV, visível, IR; RMN

Absorção de radiação

Espectroscopia de emissão: raio-X, UV, visível; fluorescência; fosforescência; luminescência

Emissão de radiação

MÉTODO INSTRUMENTALSINAL

Tabela 1



La naturaleza de la señal da nombre al método:

• O método instrumental mede um sinal instrumental (S) que se relaciona com a concentração do analito (C):

S = f(C)analito

• A medida do sinal se fundamenta em uma propriedade físico-química que se relaciona diretamente com a concentração do analito

• A natureza do sinal fornece o nome ao método instrumental:

•Método eletroanalítico: sinal medido é elétrico

• Método espectroanalítico ou ótico: sinal medido é do tipo ótico (relacionado ao espectro eletromagnético)

• Métodos de separação modernos, acoplados a detectores=> cromatografia



Propriedades, características e classificação:

• As técnicas instrumentais precisam de calibração

• Requerem o uso de padrões

• Idealmente, a relação sinal X conc. deve ser linear

• A seletividade depende da natureza do sinal e está relacionada com a propriedade do analito que está sendo medida

• A sensibilidade se relaciona com a inclinação da reta de calibração

•O limite de detecção depende do ruído instrumental

• Existe uma faixa de concentração na qual a relação pode ser linear entre o sinal analítico e a concentração



Curva de calibração: y= ax+b ou sinal= a. conc. (analito) + b

•

a= coeficiente angular (inclinação)

b= coeficiente linear (intercepto)



Seletividade: capacidade de diferenciar (seleccionar) dois oumais componentes de uma amostra



Sensibilidade: quanto mais inclinada a curva de calibração maissensível é o método (diferença de sinal é maior com menores diferenças de concentração)

maior sinal

menor sinal



Faixa linear: região da curva de calibração na qual o sinal possui uma relação linear com a concentração


Potenciometria

MedidasPotenciométricas

Condutimetria

Medidas Condutimétricas

Voltamperometria

Columbimetria

Eletrogravimetria

Métodos emsolução

Métodos estáticos(I = 0)

Métodos dinâmicos(I > 0)

Métodos eminterface

Métodos Electroanalíticos


MÉTODOS ELETROANALÍTICOS

Baseiam-se na relação da eletricidade com a matéria, que éproporcional a concentração e a espécie envolvida

Envolvem reações de óxido-redução

Eles baseiam-se em propriedades elétricas da solução de analito, quando ele faz parte de uma célula eletroquímica, ou emfenômenos de interfaces

Vantagens:

permitem diferenciar elementos em estados diferentes de oxidação (cério III e cério IV)

instrumentação não muito cara (equipamentosespectroscópicos são várias vezes mais caros)

permitem obter informações de atividade


REAÇÕES DE ÓXIDO-REDUÇÃO

• São reações químicas que ocorrem com transferência de elétrons e portanto com alteração no nº de oxidação dos elementos

• Redução: o elemento ganha elétrons (nº de oxidação diminui) => agente oxidante

• Oxidação: o elemento perde elétrons (nº de oxidação aumenta) => agente redutor

• Exemplo:

• A equação final é balanceada em massa e carga.

semi reações


REAÇÕES DE ÓXIDO-REDUÇÃO

Para O= -2 e para H= +1 (geralmente)

Exemplos:Exemplos:

2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(liq)

Mg(s) + 2 HCl(aq) MgCl2(aq) + H2(g)

2 Al(s) + 3 Cu2+(aq) 2 Al3+(aq) + 3 Cu(s)

Fe2O3(s) + 2 Al(s) 2 Fe(s) + Al2O3(s)

Cu(s) + 2 Ag+(aq) Cu2+(aq) + 2 Ag(s)

2 Al(s) + 3 Cu2+(aq) 2 Al3+(aq) + 3 Cu(s)2 Al + 3 Br2 Al2Br6

NÚMEROS DE OXIDAÇÃONNÚÚMEROS DE OXIDAMEROS DE OXIDAÇÇÃOÃO

é um número relativo que indica a quantidade de elétrons que um

determinado elemento perde ou ganha em uma reação.

éé um num núúmero relativo que indica a mero relativo que indica a quantidade de elquantidade de eléétrons que um trons que um

determinado elemento perde ou ganha determinado elemento perde ou ganha em uma reaem uma reaççãoão..



Célula eletroquímica: consiste de dois condutores chamados de eletrodos, imersos em uma solução eletrólitica, sendo que cada eletrodo e sua solução são separados fisicamente

Quando os eletrodos e seus eletrólitos precisam ser separados para que não reajam as células eletroquímicasformadas possuem uma ponte salina para permitir o fluxo de elétrons necessário

O fluxo de elétrons se estabelece entre o agente oxidante (espécie que sofre redução) e o agente redutor (espécie que sofre oxidação)

O eletrodo no qual ocorre a redução é chamado de cátodo

O eletrodo no qual ocorre a oxidação é chamado de ânodo



Oxidação

ânodo

Redução

cátodo


POTENCIOMETRIA

e- e-

K+

K+Cl-

Cl-

e-e-

e-

e-

e-

Cu2+

Cu2+

Cu2+

SO42-

SO42-

-Ag+

Ag+

NO3

NO3

NO3

e-

e-

e-

e-

e-

e-

Oxidação

Interface Eletrodo/solução Interface Eletrodo/solução

Redução

AgNO3CuSO4



Quando a célula eletroquímica formada possui uma reaçãode oxido-redução espontânea e armazena energia elétrica ela échamada de célula galvânica ou voltaica.

Exemplo: baterias

Quando a célula eletroquímica formada possui uma reaçãode oxido-redução não espontânea e só funciona com a aplicação de uma energia elétrica externa ela é chamada de célula eletrolítica.

Exemplo: eletrodeposição


POTENCIOMETRIA

Métodos potenciométricos de análise baseiam-se na medida do potencial de células eletroquímicas

São utilizados a mais de um século

Aplicações mais antigas foram para detectar ponto final de titulações

Aplicações mais recentes: determinação de concentração de espécies iônicas (medidas diretas com eletrodos), pH, gases dissolvidos, determinação de constantes de equilíbrio

Vantagens: equipamentos simples e baratos (eletrodo de referência, eletrodo indicador e dispositivo para medida de potencial), métodos seletivos, métodos rápidos, métodos não destrutíveis e de fácil operação.


POTENCIOMETRIA

Os potenciais absolutos de cada meia célula não pode ser determinado experimentalmente, somente os potenciaisrelativos podem ser medidos.

Para que dados de potencial relativo de eletrodos sejamamplamente aplicáveis precisa-se de uma meia-célula de referência, contra a qual as outras possam ser comparadas

Características do eletrodo de referência: fácil construção, reversível, comportamento reprodutível => eletrodo padrão de hidrogênio (EPH)

EPH é um eletrodo gasoso, construido com platina


POTENCIOMETRIA

EPH


POTENCIOMETRIA

EPH:

possui um pedaço de platina recoberto com platina finamente dividida (platinizado com negro de platina), que aumenta suaárea superficial

O eletrodo é imerso em uma solução aquosa ácida, contendo íons hidrogênio com atividade constante e conhecida

A solução é mantida saturada em hidrogênio borbulhando-se o gás, em pressão constante

Semi-reação: 2H+ (aq) + 2e- H2 (g)

representação: Pt, H2 (p=1,00 atm) | ([H+] = x molL-1)||

por convenção, o potencial do eletrodo do EPH é 0,000V, emqualquer temperatura


POTENCIOMETRIA

O potencial de eletrodo (E): potencial medido em uma célula naqual no lado direito tem-se um eletrodo qualquer e no lado esquerdo tem-se o eletrodo de hidrogênio.

o E é medido relativamente com o EPH


POTENCIOMETRIA

Como o potencial do EPH é 0,000V o potencial medido comesta célula é igual ao potencial do eletrodo do lado direito

Ecélula= Edireita – Eesquerda

Exemplo:

célula 1: Ecélula= 0,340V= ECu – 0,000 => ECu= 0,340V

célula 2: Ecélula= -0,763V= EZn – 0,000 => EZn= -0,763V

O potencial padrão do eletrodo (E°) de uma semi-reação é o potencial do eletrodo quando reagentes e produtos possuematividade igual 1. E°Cu= 0,340V, E°Zn= -0,763V


POTENCIOMETRIA

Melhores oxidantes

Sofrem redução

Melhores redutores

Sofrem oxidação


POTENCIOMETRIA

• Potencial padrão de redução

• Elemento com maior E0 reduz => direção espontânea da pilha

• Neste caso Cu2+ reduz a Cu

Poder oxidante

2

E o (V)

Cu 2+ + 2e- Cu +0.34

2 H + + 2e- H 0.00

Zn 2+ + 2e- Zn -0.76

do íon

Poder redutordo elemento


POTENCIOMETRIA

• Reação redox completa (cálculo do potencial da pilha):

EE°°total = Etotal = E°°catodo catodo -- EE°°anodoanodo

• Et°= E° (cátodo) - E° (ânodo) = 0,34 – (-0,76)= 1,10 V

• Sentido correto para descrever a pilha

• Ânodo/Solução do ânodo//Solução do cátodo/Cátodo (IUPAC)

• Zn/Zn2+ // Cu2+/Cu

Zn(s) ---> Zn2+(aq) + 2e-Cu2+(aq) + 2e- ---> Cu(s)--------------------------------------------Cu2+(aq) + Zn(s) ---> Zn2+(aq) + Cu(s)

Zn(s) Zn(s) ------> Zn> Zn2+2+(aq) + 2e(aq) + 2e--CuCu2+2+(aq) + 2e(aq) + 2e-- ------> Cu(s)> Cu(s)----------------------------------------------------------------------------------------CuCu2+2+(aq) + Zn(s) (aq) + Zn(s) ------> Zn> Zn2+2+(aq) + Cu(s)(aq) + Cu(s)

E°= 0,34 VE°= - 0,76 V

Er°= 1,10 V


POTENCIOMETRIA

O E° é uma grandeza relativa (eletrodo de referência de hidrogênio é a referência)

E° refere-se exclusivamente a reação doeletrodo no sentido da redução

E° mede a força relativa da tendência de uma reação do eletrodode atingir o equilíbrio, em relação ao EPH

O E° do eletrodo é independente do nº de mols de reagentes e produtos mostrado na semi-reação balanceada.

Exemplo: Fe3+ + e- Fe2+ => E°= +0,771V

5 Fe3+ + 5 e- 5 Fe2+ => E°= +0,771V

um E° positivo indica que a semi-reação é espontânea emrelação à semi-reação do EPH. Sinal negativo indica o contrário.

E° depende da temperatura


POTENCIOMETRIA

• A diferença de potencial que se desenvolve entre os eletrodos da célula é uma medida da tendência da reação até atingir o equilíbrio.

• O potencial da célula (E) está relacionado à energia livre da reação (∆G) através da equação:

∆∆G = G = -- n F E = n F E = --RT RT lnKlnKeqeq

(onde F= constante de (onde F= constante de FaradayFaraday, R= constante dos gases), R= constante dos gases)

•• Para uma reaPara uma reaçção ão produtoproduto--favorecidafavorecidaReagentes Reagentes ProdutosProdutos∆∆GG < 0 e portanto E< 0 e portanto E > 0> 0E E éé positivopositivo

•• Para uma reaPara uma reaçção ão reagentereagente--favorecidafavorecidaReagentes Reagentes ProdutosProdutos∆∆GG > 0 e portanto E> 0 e portanto E < 0< 0E E éé negativonegativo


POTENCIOMETRIA

Considerando uma reação de óxido-redução reversível :

aA + bB+…+ ne- cC+ dD+ …

O potencial do eletrodo deste processo será

E= E°-

Substituindo

E=E° -

T=25°C

Rigorosamente os valores entre [ ] são as atividades, mas naprática utiliza-se a concentração das soluções

Equação de Nernst é utilizada para calcular E em codições nãopadrão

ba

dc

[B][A]

[D][C]ln

nF

RT

ba

dc

[B][A]

[D][C]log

n

0,0592 Equação de Nernst


POTENCIOMETRIA

•• EquaEquaçção de ão de NernstNernst::

E = E0 - ln RTnF

aredaox

Constante dos gases

R= 8,3145 J mol-1 K-1Temperatura

Absoluta(º Kelvin)

Atividade daespécie reduzida

Atividade daespécie oxidada

Constante de Faraday

(F=96485 C mol-1)

n = número deelétrons

Potencial padrão


POTENCIOMETRIA

Uma célula eletroquímica em uma medida potenciométrica pode ser representada:

Eletrodo de referência| ponte salina| solução do analito| eletrodo indicador

Eref= potencial conhecido, pode ser EPH. Sempre fica na esquerda

Eind= é imerso na solução que contém o analito, desenvolve umpotencial que depende da atividade do analito

ponte salina possui um potencial de junção (Ej)

Ej deve ser o mais próximo de zero possível

Boa solução de ponte salina é KCl pois as mobilidades de K+ e Cl-

são praticamente iguais

Eref Ej Eind


POTENCIOMETRIA

Em nossas medidas:

Ecélula= Eind – Eref + Ej

Eind é o que nos interessa pois permite calcular a concentraçãodo analito

para obter Eind o potencial medido (Ecélula) deverá ser corrigidocom Eref e Ej

O potencial está relacionado a atividade, é necessáriocalibração para obter a concentração do analito


POTENCIOMETRIA

Eletrodos de referência de calomelano:

Hg | Hg2Cl2(saturado), KCl(xmolL-1)

Normalmente KCl pode ser 0,1; 1,0 mol/L ou saturado (4,6 mol/L)

O eletrodo de calomelano saturado (ECS) é o mais empregado

desvantagem é dependência com a temperatura

Eecs = 0,2444V a 25°C

Hg2Cl2 (s) +2e- 2Hg (l) + Cl- (aq)

O eletrodo comercial possui uma pasta de mercúrio/cloreto de mercúrio (I) e cloreto de potássio em um tubo interno conectado com uma solução de cloreto de potássio presente em um tubo externo


POTENCIOMETRIA

Eletrodos de

referência de

calomelano:


POTENCIOMETRIA

Eletrodos de referência de prata/cloreto de prata:

Ag | AgCl(saturado), KCl(saturado)

Eecs = 0,199V a 25°C

AgCl (s) + e- Ag (s) + Cl- (aq)

pode ser de KCl saturado ou 3,5 mol/L

O eletrodo comercial possui uma pasta de mercúrio/cloreto de mercúrio (I) e cloreto de potássio em um tubo interno conectado com uma solução de cloreto de potássio presente em um tubo externo


POTENCIOMETRIA

Eletrodos

de referência

de prata/cloreto

de prata:


POTENCIOMETRIA

Potencial de junção líquida

• ponte salina diminui o potencial pois mobilidade é semelhante

• concentração elevada na ponte salina


POTENCIOMETRIA

Eletrodos indicadores:

Devem ter resposta rápida

ser reprodutíveis

já existem eletrodos específicos

Existem de três tipos diferentes:

metálicos

de membrana

de transistores de efeito de campo seletivos a íons


POTENCIOMETRIA

Eletrodos indicadores metálicos:

Possuem potencial é proporcional a concentração do analito

podem ser de primeiro tipo, segundo tipo e eletrodos redoxinertes

Eletrodos de primeiro tipo

possui um metal puro em equilíbrio direto com o seu cátionem solução

Desvantagens: não são muito seletivos; respondem a todos os cátions facilmente redutíveis; poem ser usados emsoluções neutras e alcalinos (dissolvem-se em ácidos); devidoa oxidação fácil de certos metais debe-se eliminar oxigênio; não fornecem potenciais reprodutíveis


POTENCIOMETRIA

Eletrodos de segundo tipo

possui um metal que se relaciona com íons com os quaisformam precipitados

por exemplo: prata/cloreto de prata e calomelano

podem envolver complexações (Exemplo EDTA)

Eletrodos redox inertes

envolvem condutores inertes. Exemplo: platina, ouro, carbono

podem ser usados em sistemas redox

não é seletivo/específico


POTENCIOMETRIA

Eletrodos de primeiro tipo

Eletrodos de segundo tipo


POTENCIOMETRIA

Eletrodos de membrana:

potencial medido através de uma membrana

eletrodos de vidro,

eletrodo íon-seletivo

também chamados de eletrodos p-íon, pois fornecemresultados como funções p (pH, pCa, pNO3)

Podem ser: de VidroMembrana líquidaMembrana cristalinaSonda de Gases


POTENCIOMETRIA


*A generação de potencial é muito diferente da dos eletrodosmetálicos: os metálicos transferem eletrons e as membranas íons.•O desenho também é muito distinto.•Se denominam eletrodos seletivos de íons.•Sua resposta se relaciona como função px (pH, PCa..etc).•Historicamente o eletrodo de pH foi o primero.

Classificação:As membranas podem ser cristalinas e não cristalinas.As não cristalinas podem ser de vidro (eletrodo de pH),ou líquidas ( eletrodo de cálcio).


POTENCIOMETRIA


Propriedades de membranas íon-seletivas:

i) Mínima solubilidade – solubilidade da membrana na solução da espécie a ser analisada deve ser praticamente zero;

ii) Condutividade elétrica – membrana deve apresentar um mínimo de condutividade elétrica

iii) Reatividade seletiva com a espécie a ser determinada – a membrana deve ser capaz de ligar-se seletivamente ao íon que pretende-se determinar (troca-iônica, complexação, cristalização)


POTENCIOMETRIA

pH-metro

ESC

eletrodode vidro

agitadormagnético

fio de prata

HCl O,1 Msaturado c/AgCl

solução de pH desconhecido

Fina membrana de vidro(responsável pela resposta ao pH)

Eletrodo de vidro para medida de pH


Eletrodos de membrana

Eletrodo combinadode pH.

O eletrodo de referênciaexterno se incorpora dentro dodispositivo.

POTENCIOMETRIA


Eletrodo de vidro (pH) Eletrodo seletivo de H3O+

Fundamento: os íons H3O+ se fixam parcialmente sobre a paredeexterna e interna da membrana de SiO2 e a diferença deconcentrações gera um potencial elétrico (de membrana EM).

A composição do vidro fixaseletivamente um tipo de íon. No casodo eletrodo de pH: H+

A membrana deve estar parcialmente hidratada para que se regenere os silicatos. Os prótons trocam de lugar com íons sódio em ambas as paredes da membrana, gerando um potencial diferente de cada lado da membrana (E)m

Quando as concentrações externas e internas são iguais, o potencial nemsempre vale zero (potencial de assimetria)

POTENCIOMETRIA


POTENCIOMETRIA

H+ + Na+Vd- Na+ + H+Vd-

Sol. Vidro sol. vidro


Potencial de membranaparede externa parede interna

(E)1

(H+)1 (H+)2 = cte(E)2

EM= E1- E2=0,059log (H+)1

(H+)2

= L`+ 0,059log(H+)analito= L´-0,059 pH

L´= - 0,059 log(H+)2

Eind. = EM + EAg/AgCl + E *asim.potencial indicador:

Emedido = Ecélula = Eind. –Eref(externo) = L –0,059pHpotencial medido:

*potencial deorigem desconhecida

POTENCIOMETRIA


POTENCIOMETRIA

ECS⏐⏐H3O+⏐membrana de vidro⏐H3O+, Cl-, AgCl (sat) ⏐Ag

Eletrodo de vidroSolução ?

E1 E2 (referência interna)ErefEi = E1-E2

H+ + Vd- H+Vd-

Sol1 vidro1 vidro1

H+Vd- H+ + Vd-

vidro2 sol.2 vidro2

1. Interface vidro/solução a ser analisada2. Interface vidro/solução interna do eletrodo

Condutividade da membrana

Movimentos de H+


Potencial de Interface (Ei)

amostraa1

vidro refer. in-terna a2

Interfaces

EE1

E2

Ei

a1 = 10 a2

Ei = E1-E2 = 0,0592 log a1a2

⇓a2 é sempre constante

⇓Ei = -0,0592 log a2 + 0,0592 log a1

⇓

Ei = -0,0592 log a2 – 0,0592 pH

Potencial do eletrodo de vidroE = Ei + Eref + Eassim.

E1 = L1- 0,0592 log a1’n a2

E2 = L1 – 0,0592 log a2’n a2

ai’ e a2’ são as atividades H+ nas superfícies externas e interna da membrana de vidro

POTENCIOMETRIA


POTENCIOMETRIA

ERROS QUE AFETAM A MEDIDA DE pH

• Erro alcalino: o eletrodo de vidro torna-se sensível a metais alcalinos e fornece leituras menores em pH > 9

• Erro ácido: o eletrodo de vidro fornece resultados maiores que o real quando pH < 0,5

• Desidratação: a membrana de vidro precisa estar hidratada para ser corretamente sensível ao H+

• Erros devido a baixa força iônica: causa falta de reprodutibilidade no potencial de junção. Hoje já existem junções livres de difusão

• Variações no potencial de junção: causada por diferenças na composição das soluções padrões e de amostra

• Erro no pH da solução padrão do tampão: problemas no preparo dos padrões ou alterações posteriores prejudicam o pH medido


Coeficiente de selectividade*indicam o quanto um eletrodo seletivo varia também na presença de outrasespécies (M). Os coeficientes de seletividades (kH,M) variam de zero (seminterferência de M) a valores maiores que um.

•Deve-se incluir o coeficiente de seletividade na equação geral

Equação corrigida

Em = L + 0.059log ([H+] +kHM[M])

Exemplo: o eletrodo de vidro em meios fortemente alcalinos, responde tanto aos prótons como aos íons sódio (erro alcalino)

POTENCIOMETRIA


Eletrodos de membrana líquidaUtilizam como membrana um polímero orgânico saturado com umtrocador iônico líquidoA interação com íons de um e outro lado da membrana, geraum potencial que pode ser medido.

POTENCIOMETRIA

Solução interna possui AgCl+ CaCl2saturado


Electrodos de membrana líquida

O trocador líquido formacomplexos com o analito.

Na interface ocorre a troca:[(RO)2POO]2Ca 2(RO)2POO- + Ca 2+

orgânico orgânico aquosoA diferença de concentraçãodos dois lados da membrana gera um potencial

Exemplos

Ion intervaloresposta interferências

POTENCIOMETRIA


Eletrodos sólidos

Eletrodos de membrana cristalina

Eletrodo seletivo de flúor*Utiliza como membrana um cristal de LaF3 dopado con Eu (II), quefacilita sua conductividade.*A membrana se situa entre umeletrodo de referência interna e a solução que se vai medir.*Responde seletivamente a F- no intervalo de 100 a 10-6 M(OH- interfere significantemente)

Electrodo de Cl-

Existem diferentes modelos comerciais que permitemrespostas a diferentes tipos de ânions e cátions.

POTENCIOMETRIA


POTENCIOMETRIA

Transistores de efeito de campo íons-seletivo (ISFETS)

• São pequenos dispositivos semicondutores de estado sólido que são sensíveis seletivamente a íons

• Vantagesn sobre os eletrodos de membrana:

• robustez, pequeno tamanho, são inertes em ambientes agressivos, resposta rápida, baixa impedância elétrica, não precisam de hidratação

• Desvantagem: difícil garantir a estabilidade e eliminar flutuações na sua resposta


Sensores potenciométricos de gases

Fundamento:São sondas constituidas por uma solução eletrolítica específica, um eletrodo seletivo de íons adequados e outro de referência.Uma membrana porosa envolve a solução e é permeável ao gás.O gás provoca uma alteração no equilibrio, facilmente detectável, medindo a mudançade potencial com o eletrodo seletivo (indicador) mais apropiado em cada caso.

soluçãoeletrolítica

Exemplos: Sensor de CO2

POTENCIOMETRIA


POTENCIOMETRIA

Sensores potenciométricos de gases

Ecélula= L´+ 0,0592log[CO2(aq)]ext-Eref


Aplicações analíticas

1. Potenciometria direta: Consiste em relacionar diretamente opotencial de uma célula com a concentração do analito.(equação de Nernst)

Problemas:•Pressupõe comportamento ideal do eletrodo.•Eletrodo indicador debe ter resposta fixa e constante.•Sempre existem erros• Usar padrões

Ecel. = K – 0.059/n pX (aniones) Ecel. = K + 0.059/n pC (cationes)

POTENCIOMETRIA


ELETRODOS SELETIVOS

Vantagens

Resposta rápida

Não importa cor da amostra

Desvantagens

Ensaio não destrutivo

Possibilidade de desenhos adaptáveis

Contaminação do eletrodo

Interferências

Vida útil limitada


APLICAÇÕES DE ELETRODOS SELETIVOS

AGRICULTURA: Nitrato, potássio, cálcio e cloro em solo

ALIMENTOS:Nitrato e nitrito em alimentos a base de carnes.Determinação de cloretos.Fluoretos em água, bebidas etc.Cálcio em leitePotássio em suco de frutas.

ANÁLISES CLÍNICASCálcio, potássio, cloro em soro, plasmaFluor em estudos dentários

AMBIENTE: Controle analítico de cianeto, fluor, enxofre em efluentes,águas naturais, etc


Ag+(0.100 M) → Ag+(sal)

Ag|Ag+(sal AgI)||Ag+(0.10 M)|Ag(s)

Ag+(0.100 M) + e- → Ag(s)

Ag(s) → Ag+(sal) + e-

DETERMINAÇÃO POTENCIOMÉTRICA DE CONSTANTES DE EQUILÍBRIO (Kps)


Usar uma célula galvânica para determinar Kps de um sal poucosolúvel

Exemplo: Ksp de AgI.

AgI(s) → Ag+(aq) + I-(aq)

Substituir [Ag+] de AgI por x:

Ag+(0.100 M) → Ag+(sal)

Ecell = Ecell° - log Q = n

0.0592 VEcell° - log

n

0.0592 V

[Ag+]0.10 M soln

[Ag+] AgI



Ecell = Ecell° - log n

0.0592 V[Ag+]0.10 M soln

[Ag+] AgI

Ecell = Ecell° - log n

0.0592 V

0.100

x

0.417 = 0 - (log x – log 0.100) 1

0.0592 V

0.417log 0.100 -

0.0592log x = = -1 – 7.04 = -8.04

x = 10-8.04 = 9.1x10-9 Ksp = x2 = 8.3 x 10-17



Potenciometria

MedidasPotenciométricas

Condutimetria

Medidas Condutimétricas

Voltamperometria

Columbimetria

Eletrogravimetria

Métodos emsolução

Métodos estáticos(I = 0)

Métodos dinâmicos(I > 0)

Métodos eminterface

Métodos Electroanalíticos


VOLTAMETRIA

A voltametria é uma técnica eletroquímica na qual as informações qualitativas e quantitativas de uma espécie química são obtidas a partir do registro de curvas corrente-potencial, feitas durante a eletrólise da espécie em uma célula eletroquímica

A célula eletroquímica envolvida é constituída de dois eletrodos: um microeletrodo de trabalho e um eletrodo de referência; ou de três eletrodos, sendo um o auxiliar.

Um potencial é aplicado, portanto a célula é eletrolítica

O potencial é aplicado entre dois eletrodos em forma de varredura, isto é, sendo variado a uma velocidade constante em função do tempo

Gera-se uma corrente que é medida e plotada contra o potencial aplicado => gráfico obtido é o voltamograma


VOLTAMETRIA

Como a área dos eletrodos utilizados são diferentes o microeletrodo (eletrodo de trabalho) se polarizará

Polarizar é adquirir o mesmo potencial que o potencial aplicado

Como o eletrodo de referência apresenta grande área não se polarizará e manterá seu potencial constante.

O microeletrodo é geralmente feito de material inerte: ouro, platina, carbono, mercúrio

Quando o microeletrodo é constituído de um eletrodo gotejante de mercúrio a técnica é chamada de polarografiaA polarografia foi a primeira técnica voltamétrica desenvolvida em 1922, por Jaroslav Heyrovsky, que ganhou mais tarde o Nobel Prize.


Comparação de voltametria e outros métodos eletroquímicos

• Voltametria: método eletroquímico no qual as informações a respeito de um analito são obtidas pela medida de corrente (i) em função do potencial aplicado

- somente uma pequena quantidade de amostra é usada

Instrumentação – 3 eletrodos na solução que contem o analito

Eletrodo de Trabalho: microeletrodo no qual potencial é variado com o tempo

Eletrodo de referência : potencial permanece constante (eletrodo Ag/AgCl ou calomelano)

Eletrodo de Suporte ou auxiliar : Hg ou Pt que completa o circuito, conduz e- da fonte através da solução para o eletrodo de trabalho

Eletrólito de Suporte : eletrólito não reativo (metal alcalino) para conduzir corrente, colocado em excesso

VOLTAMETRIA


Potencial Linear com tempo é aplicado

Mudanças na corrente com potencial aplicado são observadas

Diferenças em relação a outros métodos eletroquímicosa) Potenciometria: medidas de potencial de uma amostra ou sistema com

corrente zero (ou aproximadamente zero)voltametria – medida de corrente com mudança de potencial

b) Coulometria: usa todo o analito no processo de medida em corrente ou potencial fixo

voltametria – usa somente pequena quantidade de analito enquanto o potencial varia


VOLTAMETRIA

SINAIS DE EXCITASINAIS DE EXCITAÇÇÃOÃO


VOLTAMETRIA

Sinais de excitação: são as diferentes formas de variar a voltagem em função do tempo (para medir a corrente).

Varredura linear: sinal de excitação mais simples, no qual o potencial do eletrodo de trabalho varia linearmente com o tempo. Geralmente faixa de voltagem varia de 1 a 2V.

Tipo pulso: pode ser de onda quadrada ou pulso diferencial. O potencial é aplicado na forma de pulso e a corrente é medida em vários instantes durante o pulso

Função de onda triangular: o potencial aplicado varia linearmente entre um valor máximo e mínimo, sendo este processo repetido várias vezes


VOLTAMETRIA

Sinais de excitação e tipo de voltametria


VOLTAMETRIA

ELETRODOSELETRODOS


VOLTAMETRIA

ELETRODOSELETRODOS

Eletrodo de trabalho: potencial varia com o Eletrodo de trabalho: potencial varia com o tempo (tempo (microeletrodomicroeletrodo polarizado)polarizado)

Eletrodo de referência: potencial constante Eletrodo de referência: potencial constante => calomelano=> calomelano

Eletrodo auxiliar (ou de suporte): constituEletrodo auxiliar (ou de suporte): constituíído do por um fio de platina sobre mercpor um fio de platina sobre mercúúrio, conduz rio, conduz eletricidade da fonte ateletricidade da fonte atéé microeletrodomicroeletrodo


VOLTAMETRIA


VOLTAMETRIA

• O sistema potenciostático de três eletrodos é constituído por:

• fonte: sinal cc variável, bateria ligada em série com resistor variável R

• eletrodo de trabalho, eletrodo de referência e eletrodo de suporte

• eletrólito de suporte

• voltímetro digital resistência elevada (>1011 Ω) – não deixa passar corrente pelo medidor e eletrodo de referência

• A corrente flui entre eletrodo de trabalho e eletrodo de suporte

• Sinal de corrente resultante é medido em função do potencial aplicado entre eletrodo de trabalho e de referência


VOLTAMETRIA

ELETRODO DE TRABALHO - MICROELETRODO

• Pequeno disco achatado colocado em material inerte (teflon ou Kel-F)

• O condutor pode ser:

• metal inerte (platina ou ouro),

• grafite pirolítico ou carbono vítreo,

• semicondutor (óxido de estanho ou índio)

• metal recoberto com filme de mercúrio


VOLTAMETRIA

Microeletrodode disco

Microeletrodode gota pendente de mercúrio


VOLTAMETRIA

ELETRODO DE TRABALHO - MICROELETRODO

• O potencial gerado varia de acordo com o eletrodo, material e solução

• Os limites superiores de potencial positivo ocorrem devido a corrente alta devido a oxidação da água (gera oxigênio molecular)

• Os limites negativos ocorrem devido a redução da água que gera hidrogênio.

• Microeletrodos de mercúrio: toleram potencial bem negativos; superfície renovável; muitos metais são reduzidos reversivelmente na superfície do mercúrio. Uso em polarografia

• Variável independente das medidas é a diferença de potencial entre eletrodo de referência e microeletrodo


VOLTAMETRIA

VOLTAMETRIA LINEAR

- Hidrodinâmica

- Polarografia


VOLTAMETRIA LINEAR

VOLTAMOGRAMA


VOLTAMETRIA LINEAR

VOLTAMOGRAMA

• Figura ilustra um voltamograma de escaneamentolinear obtido para uma eletrólise envolvendo a redução de uma espécie A dando um produto P em um microeletrodo de filme de mercúrio.

• O microeletrodo é conectado ao terminal negativo do gerador de varredura linear e o potencial apresenta um sinal negativo

• Por convenção correntes catódicas são sempre positivas e correntes anódicas são negativas


VOLTAMETRIA LINEAR

VOLTAMOGRAMA

• Na situação apresentada a solução de A tem 10-4 M a concentração inicial de P é 0,0M e deve-se ter solução de KCl 0,1M (eletrólito de suporte)

• Semi-reação (reversível) no eletrodo de trabalho:

A + n e- = P E°= -0,26V

• Por conveniência as cargas foram omitidas em A e P e assumiu-se potencial padrão de -0,26V


VOLTAMETRIA LINEAR

VOLTAMOGRAMA

• A curva gerada por voltametria de escaneamentolinear é chamada de onda voltamétrica (sigmoidal)

• il= corrente limite gerada pela velocidade na qual reagente encontra superfície do eletrodo devido a processos de transporte de massa

• il= kCA , isto é, a corrente limite é proporcional a concentração do reagente => análise quantitativa


VOLTAMETRIA LINEAR

VOLTAMOGRAMA

• E1/2= potencial de meia onda= potencial no qual a corrente é igual à metade da corrente limite

• O E1/2 relaciona-se com o Eº, mas não necessariamente são iguais

• E1/2 muitas vezes permite a identificação do componente da solução => análise qualitativa


VOLTAMETRIA LINEAR

VOLTAMOGRAMA

• Para que il seja reprodutível é necessário:

• solução e eletrodo precisam estar em movimento reprodutível e constante => voltametria hidrodinâmica

ou

• um eletrodo de mercúrio gotejante deve ser usado => polarografia


VOLTAMETRIA LINEAR HIDRODINÂMICA

PERFIL DE CONCENTRAÇÃO

• Considerando a situação apresentada: A+ ne- = P

Eapl= EAº - 0,0592/n log Cpº/CAº -Eref

• Eapl= diferença de potencial entre eletrodo de trabalho e eletrodo de referência

• EAº = potencial padrão de eletrodo para a semi-reação

• Cpº e CAº são as conc. molares iniciais de A e P em uma camada fina próxima ao eletrodo


PERFIL DE CONCENTRAÇÃO

• como eletrodo é muito pequeno as concentrações em solução não mudam significativamente devido`a eletrólise

• as correntes voltamétricas dependem do gradiente de concentração que é estabelecido muito próximo do eletrodo durante a eletrólise

• Camada de difusão de Nernst: camada fina de solução que fica estagnada próxima ao eletrodo => conc. variam em função da distância



Três mecanismos de transporte:

a) migração- devido a cargas

b) convecção - devido a agitação

c) difusão - devido a gradiente de concentração



⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛dx

dCA



CORRENTES VOLTAMÉTRICAS

• A corrente é gerada por combinação de:

• velocidade de transporte de massa de A para o limite de camada de difusão de Nernst por convecção

• velocidade de transporte de A da parte externa da camada de difusão para a superfície do eletrodo

• Como as conc. são mantidas constantes na solução devido a convecção a corrente resultante é estacionária e é determinada pelo potencial aplicado.




• Para um eletrodo planar a corrente é dada por:

i= nFADA

• i= corrente em amperes

• n= nº de elétrons

• F= const. Faraday

• A= área superficial do eletrodo em cm2

• DA= coeficiente de difusão de A em cm2/s

• dCA/dx ~ (CA- CAº) / δ

• nFADA= kA= constante

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛dx

dCA




• Relação corrente/voltagem para reações reversíveis:

• i= kA(CA- CA°) ,

• CA°=

• CP° = i / kP

Eapl= EA° - 0,0592/n log kA/kP - 0,0592/n log i/ (il-i) - Eref

E1/2= EA° - 0,0592/n log kA/kP - Eref

Eapl = E1/2 - 0,0592/n log i/ (il-i)

A

l

k

ii −




• Relação corrente/voltagem para reações irreversíveis:

• Muitas reações orgânicas não são reversíveis

• É necessário adaptação da equação incluindo a cinética

• Pode-se adaptar para análise quantitativa



VOLTAMOGRAMAS PARA MISTURAS

• Diferenças de 0,1 a 0,2V entre potenciais de meia onda são necessários para permitir análise quantitativa de misturas



VOLTAMOGRAMAS ANÓDICOS E CATÓDICOS

• corrente anódica: carga negativa

•corrente catódica: carga positiva

curva anódica

curva anódica/catódica

curva catódicaCFe

2+=1x10-4M

CFe2+=CFe

3+= 0,5x10-4M

CFe3+=1x10-4M



curva sem interferência

interferência do oxigênio devido a redução

ONDAS DE OXIGÊNIO

• medidas voltamétricas indicam oxigênio dissolvido

• causam interferência

• necessário desaerar com gás inerte de elevada pureza (purga)



APLICAÇÕES:

• detecção e determinação de analitos eluídos de colunas cromatográficas ou de fluxos contínuos

• determinação de oxigênio e outras espécies de interesse bioquímico, como glicose, sacarose e lactato

• detecção de pontos finais em titulações coulométricas e voltamétricas

• estudos fundamentais de processos eletroquímicos



Reações que podem ser estudadas

metais que formam amalgamas;

íons metálicos redutíveis, ex. Fe(III) --> Fe(II);

ânions redutíveis, ex. cromato, iodato...

redução de oxidantes moleculares, ex. NO2, O2, H2O2...

redução de compostos orgânicos, ex. cetonas, quinonas,

aldeídos, peróxidos...



Monitoramento de glucose no sangue por voltmetria

Um exemplo do teste usa a enzima glucose oxidase imobilizada, a qual perde elétrons na interação com glucose. Um sensor deste tipo pode detectar glucoseno sangue

Electrons

Reduced MediatorOxidised Mediator

ENZYME

GlucoseGluconolactone



Biosensores de Glucose

Glucose + O2 Gluconic acid + H2O2⎯⎯⎯ →⎯GOD

Glucose + mediator(ox) Gluconic acid + mediator(red)⎯⎯⎯ →⎯GOD



POLAROGRAFIA

Difere da voltametria linear hidrodinâmica em aspectos principais:

eletrodo é de mercúrio (gotejante ou gota pendente)

não há essencialmente convecção ou migração

apenas a difusão controla as correntes limites


POLAROGRAFIA

POLAROGRAMA

corrente residual: é a pequena corrente observada na ausência de uma espécie eletroativa

corrente de difusão (id): é a corrente limite observada na polarografia quando esta é limitada apenas pela velocidade de difusão para a superfície do eletrodo gotejante de mercúrio

Equação de Ilkovic:

(id)max = 706nD1/2m2/3t1/6c

(id)avg = 607nD1/2m2/3t1/6c

potencial de meia onda

corrente residual


POLAROGRAFIA

• Efeito da complexação:

• A presença de agentes complexantes tornam os potenciais de meia onda mais negativos

• Pode-se determinar a composição do complexo e sua constante desde que a reação seja reversível


POLAROGRAFIA

• Efeito do pH:

• Um processo que consome ou produz hidrogênio vai alterar drasticamente o pH da solução, a menos que ela seja bem tamponada

R + nH+ + ne- = RHn

• As variações alteram o potencial de redução e deixam as ondas polarográficas com baixa definição

• A relação entre concentração e corrente de difusão perde linearidade se o pH variar


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1 3 5 7 9 11 13

pH

Fra

ctio

n A

s C

hem

ical

Sp

ecie

s

Pb2+

Pb(OH)+

Pb(OH)2

Pb(OH)3-

Para medir o cátions (Pb2+) é necessário manter o pH abaixo de 6: adição de tampão acetato

POLAROGRAFIA

Exemplo de efeito do pH


Vantagens do eletrodo gotejante de Hg• alta sobrevoltagem para a redução de íons hidrogênio (H+)

2H+ + 2e- = H2 (g)alguns metais podem ser depositados em soluções ácidas

embora os potenciais termodinâmicos sugiram que nãoex. Zn2+ e Cd2+ podem ser reduzidos em soluções ácidas embora

Eo’s vs. SHE = -0,403 (Cd2+/Cd) e -0,763 (Zn2+/Zn)

• nova superfície do eletrodo é continuamente gerada- independente das amostras anteriores ou impurezas

absorvidas• corrente reprodutíveis imediatamente após qualquer potencial

POLAROGRAFIA


Desvantagens do eletrodo gotejante de Hg

• Facilidade de oxidação do mercúrioHg0 = Hg+ + e- E0 = +0,4Visto limita o potencial a ser utilizado em +0,4V

ocorre a formação de mercúrio (I) que interfere na onda de outras espécies.

• Corrente residual não-Faradaica- limita a sensibilidade em ~ 10-5 M- corrente residual é > corrente de difusão a baixas concentrações

POLAROGRAFIA

* uma corrente faradaica em eletroquímica é uma corrente que resulta de uma processo redox

* corrente não-faradaica é uma corrente de carga resultante da expansão da gota de mercúrio que precisa ser carregada com o potencial do eletrodo (é gerada por espécies com carga)


Desvantagens do eletrodo gotejante de Hg

• Dificuldades de operação- entupimento do capilar- operação trabalhosa, toxidez

• Máximos polarográficos- ocorrem por convecção nas adjacências da gota do mercúrio

adição de Triton X-100 ou gelatina reduz este problema, mas adição de excesso de supressores de máximo podem alterar a viscosidade da solução e reduzir a corrente de difusão

POLAROGRAFIA

máximo polarográfico

máximo polarográfico

reduzido


VOLTAMETRIA

VOLTAMETRIA OU POLAROGRAFIA DE PULSO

- Pulso diferencial

- De onda quadrada


pulsos periódicos em varredura linear

aplicação de pulsos sobre uma varredura em forma de escada

POLAROGRAFIA DE PULSO DIFERENCIAL


• Ao invés de variar Eappl com tempo usa etapas de variação (pulsos em Eappl) com tempo

• medidas de dois potenciais a cada ciclo- S1 antes da aplicação do pulso e S2 após o final do pulso

• a variação de corrente por pulso é plotada versus potencial (gráfico diferencial): Δi vs. E (Δi = ES2 – ES1)

• altura do pico ~ concentração• para reações reversíveis, o potencial do pico é aproximadamente igual ao

potencial padrão para a semi-reação


Epico


Vantagens do gráfico diferencial:- podem ser detectados máximos de pico que diferem de 0,044 a 0,05V

(análise de misturas) em polarografia normal a separação tinha que ser de 0,2Vposso analisar mais elementos por corrida

- o limite de detecção é 100-1000x menor que o obtido por polarografianormal



Vantagens de grande velocidade (10 ms) e elevada sensibilidade

- sinal é obtido pela sobreposição de uma seqüência de pulsos (b) sobre o sinal na forma de escada (a)

- o pulso no sentido direto produz uma corrente catódica i1 enquanto o pulso no sentido inverso gera uma corrente i2

- Δi é plotado, é diretamente proporcional a concentração

- maior precisão- limites de detecção 10-7 e 10-8 M

POLAROGRAFIA DE ONDA QUADRADA


Resposta de corrente para umareação reversível

i1= corrente diretai2= corrente inversai1-i2= diferença de corrente

POLAROGRAFIA DE ONDA QUADRADA


Aplicações:

• já foi usada para determinação quantitativa de espécies orgânicas, inorgânicas e moléculas de interesse biológico e bioquímico

• superam os métodos clássicos devido a maior sensibilidade, conveniência e seletividade

• curvas de calibração e adição de padrão• CV e exatidão na faixa de 1 a 3%• cátions inorgânicos (metais)• ânions inorgânicos (bromatos, iodatos, dicromatos, vanadato, selenito e

nitrito)• compostos orgânicos com: carbonilas; certos ácidos carboxílicos; peróxidos

e epóxidos; grupos nitro, nitroso, óxidos aminos e azo; ligações duplas etc

POLAROGRAFIA DE PULSO


VOLTAMETRIA

VOLTAMETRIA CÍCLICA


• Método usado para avaliar mecanismos de reações redox em solução

• A resposta de corrente de um pequeno eletrodo estacionário em uma solução mantida em repouso é excitada na forma de uma onda triangular

• A onda triangular produz uma varredura no sentido direto e inverso• ciclo é repetido diversas vezes



No início E >> E0 Mox + ne- = Mred

- no escaneamento direto, como E se aproxima de E0 a corrente é dada por

Mox + ne- = Mred

< governado pela equação de Nernst‚ concentrações são obtidas pela equação

de Nernst na superfície< eventualmente atinge i max< solução não agitada, então d aumenta com o

tempo e diminui em i max- no escaneamento reverso a corrente diminui com o aumento do potencial até não ocorrer mais redução

< então reações reversas ocorrem (se a reação for reversível)

< parametros importantes‚ Epc – potencial de pico catódico‚ Epa – potencial de pico anódico‚ ipc – corrente de pico catódica ‚ ipa – corrente de pico anódica

< ipc = - ipa

< d(Epa – Epc) = 0,0592/n, onde n = número de elétrons na reação

< E0 = ponto médio entre Epa Epc



• Começando em uma voltagem inicial (A), o potencial é escaneado na direção de potenciais negativos.

• Em B, o potencial se torna negativo enquanto se inicia a corrente catódica entre as espécies, reduzindo o analitono eletrodo de trabalho.

• A reação continua no eletrodo até a espécie ter sido reduzida, gerando o pico de corrente catódica (C).

• A corrente então decai até que o potencial de escaneamento seja reverso (D). O escaneamento na direção positiva procede similarmente ao realizado na direção negativa.

• A corrente catódica continua lentamente a diminuir até que o potencial atinja o ponto de início da oxidação do analito (E).

• A corrente anódica é medida quando a concentração da espécie reduzida estásignificativamente menor (F).

• A corrente anódica então diminui neste pico e o potencial completa seu ciclo.



• Outras técnicas

• Métodos de redissolução: utilizado para pré-concentrar um analito• primeiramente o analito é depositado em um pequeno volume de mercúrio• analito depositado é redissolvido e determinado por procedimentos voltamétricos

• Voltametria com microeletrodos: utiliza eletrodos microscópicos (< 20 um)

• são empregados para determinar comportamento de uma célula ou dentro de órgãos• apresentam vantagens como resposta rápida e ampla aplicação

VOLTAMETRIA


• Exemplo:• Considere o voltamograma típico do pesticida paration, no qual os potenciais de inversão são aproximadamente -1,2 e +0,3V. A varredura direta inicial teve início em 0,0V e não em 0,3V e três picos (A, B e C) podem ser observados. Sabendo as possíveis reações redox da amostra identifique cada pico observado (catódico, anódico e espécies).

+ 4e- + 4H+ --> ØNHOH + H2O

ØNHOH --> ØNO + 2H+ + 2e-

ØNO + 2H+ + 2e- --> ØNHOH

VOLTAMETRIA

voltamograma obtido em tampão acetato pH=5,0 em etanol 50%, com eletrodo de gota pendente de mercúrio e velocidade de varredura de 200 mV/s


• Cromatografia é a separação de uma mistura devido a diferentes afinidades que seus componentes possuem pela fase estacionária (líquida ou sólida) e fase móvel (líquida ou gasosa) (ocasionando migração diferenciada).

Cromatografia Cromatografia –– DefiniDefiniççãoão


• M. TSWEET (1903): Separação de misturas de pigmentos vegetais em colunas recheadas com adsorventes sólidos e solventes variados.

éter depetróleo

CaCO3

mistura depigmentos

pigmentosseparados

Cromatografia Cromatografia –– Breve histBreve históóricorico


Introdução de uma mistura

eluição

Separação dos componentes

Cromatografia Cromatografia –– SeparaSeparaççãoão


Cromatografia Cromatografia –– ClassificaClassificaççãoão


A forma física do sistema de cromatografia define a técnica geral:

Cromatografia em coluna: fase estacionária (FE) colocada em tubo cilíndrico. De acordo com o diâmetro da coluna utilizada:

Preparativa (6-50 mm)Analítica (2-6 mm)Micro (< 2mm)

Cromatografia planar: FE disposta sobre superfície plana (TLC)



A cromatografia em coluna se divide em dois grupos:

• Cromatografia líquida clássica => coluna de vidro, pressão atmosférica, fluxo de fase móvel (FM) devido a gravidade;

• Cromatografia líquida de alta pressão => colunas metálicas e pressões elevadas, com bomba de alta pressão (HPLC).




Nomenclatura - o critério se baseia na natureza física das fases utilizadas:

Fase móvel (FM) pode ser:

Gasosa => cromatografia gasosa (CG)Líquida => cromatografia líquida (CL)

Fase estacionária (FE) pode ser:

Líquida (sobre um suporte sólido) (CGL)Sólida (CGS)Fase ligada (CGFL)



Classificação baseada na polaridade relativa das fase

Cromatografia Gasosa: FM é inerteFE apresenta polaridade variada e determinante para a

separaçãoCromatografia Líquida

Polaridade da FE e FM são importantes

Fase normal: FE é mais polar do que a FMFase reversa: FM é mais polar que FE


Classificação baseada no mecanismo de separação

• Físico: processos de sorção (adsorção ou absorção/ partição) são baseados principalmente em forças eletrostáticas ou dipolares (forças de Van der Waals), incluindo pontes de hidrogênio.

• Químico: bioafinidade e troca iônica => grupos funcionais ionizáveis, trocadores aniônicos e catiônicos, FM geralmente é uma solução tampão.

• Mecânico: cromatografia por exclusão. FE é inerte com partículas de forma, tamanho e porosidade uniformes. Diferenciação em ter analitos de diferentes tamanhos => penetração seletiva nos poros. (GPC= cromatografia de permeação em gel ou por exclusão de tamanho)




a) adsorção b) partição c) troca-iônica d) exclusão


tR= tempo de retenção de cada componentetM= tempo de retenção de um componente não retido (não tem afinidade) pela fase estacionária => tempo mortoK= fator de retenção= (tR-tM)/tMAs= assimetria do pico T= tailing factor= fator de cauda= N= eficiência= número de pratos =Rs= resolução entre os picos= H= altura equivalente (utilizado para comparar eficiência de colunas de diferentes comprimentos)= L/NAlargamento de banda

Termos e sTermos e síímbolos mais usadosmbolos mais usados


CromatogramaCromatograma


1,0Vo

Rt K −=

T= fator de caudaW= largura do pico a 5% da alturaF= tempo do início da largura do pico a 5% de altura atéo tempo de retenção (Rt)

F x 2

WT =

FFóórmulasrmulas


R= resoluçãoRt= tempo de reten-çãoW1+W2= soma da lar-gura da tangente dos picos

Fórmulas:

2

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

W

Rt 16N

N= número de pratosRt= tempo de reten-çãoW= largura do pico na linha de base, de-terminada pela tan-gente do pico

)W(W

)Rt(Rt 2,0R

1 2

12

+−

=

FFóórmulasrmulas


A eficiência pode ser afetada por fatores, como:comprimento da colunaDiâmetro da colunaVida útilTemperatura de eluiçãoVazão de FMVolume de amostra introduzidaTécnica de injeçãoCaracterísticas da substânciaOutros

Cromatografia Cromatografia -- EficiênciaEficiência


Cromatografia Cromatografia LLííguidaguida -- EsquemaEsquema


HPLC HPLC –– Esquema da instrumentaEsquema da instrumentaççãoão


– Bomba: recíprocas (pulsantes)

– Escoam volumes constantes de forma não contínua. Pressão máxima da ordem de 6000 psi.

– Apresentam pistões ou diafragmas e através de sistema de válvulas que se alternam (abrem e fecham). Bomba de duplo pistão.

– Pulso pode causar perda de eficiência da coluna e instabilidade do detector => sistema de amortizador

– Outras: bomba tipo seringa e pneumática

HPLC HPLC –– InstrumentaInstrumentaççãoão


A eluição em HPLC pode ser do tipo:

• Isocrática => somente uma composição de FM durante toda a corrida

• Gradiente=> composição variável de FM durante o decorrer da corrida. Para este tipo de eluição é necessário bombas de duplo canal, ternárias ou quaternárias, que permitem uma mudança na composição da FM em linha. Existem várias curvas para gerir a variação da composição.

HPLC HPLC –– EluiEluiççãoão


– Os cromatogramas obtido com uso de gradiente geralmente apresentam variações na linha de base.

– Necessita-se de um tempo adicional para retornar a condição inicial, antes da próxima injeção.

HPLC HPLC –– GradienteGradiente


• Feitos de material inerte, como teflon e aço inoxidável.

• Desenhos feitos para resistir a pressões elevadas.

HPLC HPLC –– InjetoresInjetores


HPLC HPLC –– Esquema de InjetoresEsquema de Injetores


Ideal

• Alta sensibilidade e baixo limite de detecção

• Resposta rápida a todos os solutos

• Insensível a alterações de temperatura e FM

• Resposta independente da FM

• Pequena contribuição ao alargamento do pico

• Resposta linear de acordo com soluto

• Não destrutível

• Segurança e conveniência para uso

• Informação qualitativa é desejável

HPLC HPLC –– DetectoresDetectores


Seletivo

• Seletivo: um tipo de amostra específica

• Mais sensível e melhor desempenho para a análise de amostras complexas

• Mais utilizado em laboratórios de rotinaUniversal

• Capacidade de trabalhar com todos os tipos de amostras



• Sensibilidade

– Termo relativo– Relaciona a intensidade do sinal gerado de acordo

com a quantidade de soluto (analito)– Mesmo detector pode gerar diferentes sinais para

diferentes amostras– Linearidade: faixa linear– Limite de detecção– Ruído: variação do sinal do instrumento não

relacionado à amostra. Detector muito sensível mas muito ruidoso não é interessante.



– A classe mais utilizada é dos fotométricos, baseados na absorbância no ultravioleta e no visível;

– Segunda classe mais utilizada é dos refratômetros;

– Outros: são os específicos.



• Detectores UV/Vis– Funcionamento é baseado na absorbância da luz

por parte da amostra ao passar através dela qual-quer radiação eletromagnética

– Reposta seletiva pois só detectará os compostos que absorverem no comprimento de onda que for selecionado

– Grande maioria de compostos absorvem a radiação UV, destacando-se todas as substâncias com elétrons nas ligação π e as que têm elétrons não emparelhados (ex. ligações >C=O, >C=S, -N=O e –N=N-)



• Detectores UV/Vis

– Dois tipos: comprimento de onda variável => espectrofotômetro e comprimento de onda fixo (um ou dois) => fotômetro (254 e 280 nm).

– Em condições adequadas a sensibilidade pode ser de 0,001 unidades de absorbância e no caso de compostos que absorvem intensamente no UV pode-se detectar amostras da ordem de décimos de nanograma (10-10 g).



• Detectores UV/Vis

– Cela de referência: compensa absorções da FM. Pureza da FM é importante;

– Pode-se utilizar reações para gerar compostos que absorvam em outras regiões e aumentar a seletividade e sensibilidade;

– Faixa do visível => lâmpada de tungstênio;

– Faixa do ultravioleta=> lâmpada de deutério;

– Espectrofotômetro de comprimento variável => 190 a 800 nm.



• Detectores UV/Vis – PDAPDA

• Detectores espectrofotométricos por conjunto de diodos ou arranjos de diodos

– Luz emergente é dispersada por grade holográfica, sendo os comprimentos de onda resultantes focalizados em uma fita de fotodiodos;

– Análise em todos os comprimentos de

onda =>espectro de absorção;

• Vantagem: confirmação e pureza



• Detectores por fluorescência– Compostos que fluorescem => sensibilidade e

seletividade;– Em boas condições atingi-se detecção da

ordem de 10-12 g (picogramas), comparável com detector de captura de elétrons (CG);

– Alta intensidade de fluorescência: compostos conjugados simetricamente ou que não podem gerar estruturas fortemente iônicas (destilados de petróleo).



• Detectores por fluorescência

– Intensidade de emissão depende fortemente do meio no qual a amostra se encontra => FM é muito importante;

– Seleção de comprimento de onda excitante e de emissão;

– Necessidade de uma fonte UV => portanto detector UV/Vis e de fluorescência podem ser combinados.



• Detectores por índice de refração

– Detector universal => acompanha a diferença de índice de refração entre a FM e a amostra;

– Sensibilidade geralmente da ordem de 10-6 g (micrograma);

– Controle de temperatura é essencial;

– Desvantagem: variações devido a alterações de FM (vazão e composição).



• Detectores por índice de refração

Lei de Fresnel: na interface entre um prisma de vidro e algum líquido, a quantidade de luz transmitida e refletida é proporcional ao ângulo de incidência da luz e ao índice de refração do líquido (faixa de 1,31 a 1,63 => 2 prismas);

Refratômetro de deflexão: faixa linear mais ampla (1 prisma), menos sensível a alterações de temperatura, muito sensível a vibrações, celas maiores (10 a 15μL), menos sensível;

Empregos: cromatografia por exclusão (para polímeros ou amostras biológicas, que geralmente não absorvem no UV) e cromatografia preparativa.



• Detectores eletroquímicos

– Alta sensibilidade (muito bons para análise de traços) e alta seletividade;

– Amostra deve ser constituída por moléculas ou íons capa-zes de oxidar ou reduzir. Seletividade é baseada no potencial aplicado;

– Condutométricos (de baixa e alta freqüência) e potenciométricos;

– São bons com FM aquosas => cromatografia por troca iônica, por exclusão ou fase reversa por pares de íons.



• Outros detectores

– Por absorbância no infravermelho– Por radioatividade– Baseados em propriedades específicas do

soluto– Detector de Espectrometria de Massas



– Acoplamento com CL é delicado, várias interfaces: Direct Introduction, Ion Evaporation, Particle Beam, APCI, Electrospray, Ion Spray, Thermospray etc;

– Apenas as ionizações efetuadas a pressão atmosférica (API): eletrospray (ESI) e ionização química a pressão ambiente (APCI) tem aplicabilidade em análises químicas.


Detector de Espectrometria de Massas (MS)


– Eletrospray - mais adequada para a análise de espécies químicas de maior polaridade e massa molecular (por exemplo proteínas).

– APCI - mais empregada na análise de moléculas de baixa polaridade e pequena massa molecular (pro exemplo pesticidas).

– Limitação - ionização a pressão atmosférica gera poucos fragmentos (dificulta identificação) => espectrometria de massa em tandem(MS/MS).




– LC/MS/MS: seleciona-se o íon característico do composto de interesse e bombardeia-se com gás inerte de forma a gerar novos íons

– Analisadores de massa: quadrupolo e ion trap

– Duplo ou triplo quadrupolo (pode ser hexapolo)

– Aplicações de LC/MS/MS: análise de biomoléculas, análise de fármacos em fluído biológico, destaque para estudos de bioequivalência.






• Detector de Espectrometria de Massas (MS)

• API



• Quádrupolo



• Interface API



• Quadrupolo



• Ion Trap


coluna

FM FE

Fator crítico !

HPLC HPLC –– Colunas FM e FE Colunas FM e FE


– FM causa 50% dos problemas de análise;

– Reagentes grau HPLC => pureza éimprescindível (incluindo água);

– Sais, PIC, ácidos, tampões purificados;

– Colunas possuem filtros (aço sinterizado) de 2 μm => retêm partículas em suspensão;

– Sujeiras maiores que 1/8 do diâmetro da partícula podem entupir os caminhos do leito de recheio.

HPLC HPLC –– Colunas FM e FE Colunas FM e FE


– Teflon (TFE) é apropriado para tudo, mas precisa ser ativado com metanol ou outro orgânico antes da passagem de água ou acetonitrila;

– Polipropileno hidrófilo (GHP) é adequado para água e orgânicos em geral menos TCB e o-DCB;

– Membrana de PVDF adequado para orgânicos e água, menos DMF, acetona e acetonitrila.

HPLC HPLC –– Membranas para filtrar FMMembranas para filtrar FM


– O mais correto é preparar diariamente;

– Filtrar (re-filtrar tampão todos os dias)

– Degaseificar: hélio, ultra-som e vácuo, ultra-som e agitação, degasser (12 em 12 h);

– Maior atenção com pH.

HPLC HPLC –– FMFM


– Coluna a base de sílica => pH de uso na faixa de 2-8;

– Sílica híbrida => pH na faixa de 2-12ou 1-12.

– Fluxos altos prejudicam o leito;

– Pressão de trabalho alta e choques de pressão causam degradação do leito (além de desgastar os selos da bomba e do injetor).

HPLC HPLC –– ColunaColuna


– Sobrecarga de amostra na coluna (2 mg/g de fase) resulta em decréscimo de eficiência, decréscimo de retenção e aumento de cauda;

– Volume máximo de amostra depende: área superficial do suporte, % de recobrimento, fa-tor de retenção dos picos, resolução, volume da coluna;

– Volume máximo de injeção deve ser < 1% do volume interno da coluna vazia.

HPLC HPLC –– Volume da amostraVolume da amostra


– Se a amostra for preparada com solvente mais forte que FM diminui-se a eficiência e o fator de retenção;

– Sempre que possível preparar a amostra em FM ou em solvente mais fraco;

– Exemplo: FM com 30% de metanol, amostra deve ser dissolvida em no máximo 30% de metanol. 30% de acetonitrila também não éadequado.

HPLC HPLC –– Diluente da amostraDiluente da amostra


– Colunas a base de sílica: 3500-4000 psi;

– Colunas a base de resina PS-DVB: ~1500 psi;

– Resina de metacrilato: ~ 800 psi;

– Troca iônica: verificar manualmente;

– Recheios esféricos tem pressão menor (maior eficiência);

– Aumentar vazão (pressão) gradativamente.

HPLC HPLC –– PressãoPressão


– Colunas a base de sílica: 60°C;

– Colunas C18 e C8 a base de sílica híbrida: 80°C;

– Para um aumento de 10°C, dobra-se a velocidade de hidrólise (degradação) da camada orgânica do recheio;

– Coluna GPC: entre 80 e 145°C;

– Não deixar a coluna com temperatura elevada sem ter FM passando.

HPLC HPLC –– TemperaturaTemperatura


– Inverter coluna?

– Limpeza de colunas

• Para sais e PIC=> água 40-50°C

• FE reversa usar THF

– Armazenagem

HPLC HPLC –– ColunaColuna


HPLC HPLC –– Problemas de assimetriaProblemas de assimetria


CLAE CLAE –– DetectoresDetectores

PRINCÍPIO

absorção UV/VIS

fluorescência em λexcitação e emissão

oxidação-redução

diferença de índice de refração

razão massa/carga

FAIXA LINEAR

3-4

5

4-5

3

5

LD em massa

10 pg (10-11 g)

10fg (10-14 g)

100 pg (10-10 g)

1 ng (10-9 g)

< 1pg (< 10-12g)

DETECTOR

absorbância

fluorescência

eletroquímico

índice de refração

espectrometria de massa


CLAE CLAE –– FE, FMFE, FM

Ácidos carboxílicos, aminoácidos, flavonóides

-SiOHsílica

Proteínas, peptídeos-(CH2)3OCH2CHCH2

OH OH

diol

Drogas, alcalóides-(CH2)3NH2Amino (NH2)

Aminas, álcoois, fenóisEtanol, cicloexano, hexano, propanol, éter, clorofórmio

-(CH2)3CNCiano (CN)Fase normal

-CH2CH2CH2 fenil

-CH2CH2Cicloexil

-CH2CH3Etil

-(CH2)7CH3Octil (C-8 ou RP-8)

Comp. não polares, vitaminas, pesticidas, esteróides, hidrocarbonetos

Metanol, água, acetonitrila, THF

-(CH2)17CH3Octadecil (C-18 ou RP-18)

Fase reversa

amostraFMFE


• A cromatografia gasosa (CG) é uma técnica com um poder de resolução excelente, tornando possível a análise de dezenas de substâncias presentes em uma amostra.

• Também é uma técnica muito sensível, permitindo a análise quantitativa de baixas concentrações.

Cromatografia Gasosa Cromatografia Gasosa -- CGCG


• A CG só pode ser empregada na análise de substâncias voláteis e estáveis termicamente, ou necessita-se formar um derivado com os analitos.

• Muitas vezes, ela necessita de preparo de amostra, dificultando a sua aplicação

CG CG -- InconvenientesInconvenientes


• Em CG, uma corrente de gás inerte passa continuamente pela coluna e quando a amostra vaporizada é introduzida rapidamente nesta corrente de gás, ela éarrastada através da coluna. Os componentes presentes na amostra são separados e geram um sinal no detector.

CG CG -- TTéécnicacnica


– Durante a análise, a temperatura da coluna pode permanecer constante => CG isotérmica ou sofrer uma variação linear ou não => CG com temperatura programada.

– A programação de temperatura ésignificantemente importante, pois melhora a separação e diminui o tempo de análise.



• Programação de temperatura

– Consiste em começar a análise com a coluna em uma temperatura mais baixa, para que solutos de baixo ponto de ebulição possam eluir como picos separadas. Durante a análise a temperatura éaumentada para diminuir a retenção de substâncias de maior ponto de ebulição.

– Vantagens: maior simetria dos pico, melhor detectabilidade para picos muito retidos.



1

2

3

4

6

5

CG CG -- InstrumentaInstrumentaççãoão


1 - Reservatório de Gás e Controles de Vazão / Pressão.2 - Injetor (Vaporizador) de Amostra.3 - Coluna Cromatográfica e Forno da Coluna.4 - Detector.5 - Eletrônica de Tratamento (Amplificação) de Sinal.6 - Registro de Sinal (Registrador ou Computador).

Observações em vermelho: temperatura controlada



• Gás de arrasteRequisitos:

Impurezas típicas em gases e seus efeitos:oxida / hidroliza algumas FE

incompatíveis com DCEH2O, O2

hidrocarbonetos ruído no sinal de DIC

INERTE Não deve reagir com a amostra, fase estacionária ou superfícies do instrumento.

PURO Deve ser isento de impurezas que possam degradar a fase estacionária.



CU

ST

O

PUREZA

A

B

C

A = 99,995 % (4.5)

B = 99,999 % (5.0)

C = 99,9999 % (6.0)

CUSTO - Gases de altíssima pureza podem ser muito caros.

Gás de arrasteRequisitos:



He , H2DCT

DIC N2 , H2

DCE N2 (SS), Ar + 5% CH4

COMPATÍVEL COM DETECTOR - Cada detector demanda um gás de arraste específico para melhor

funcionamento.

Gás de arrasteRequisitos:



• Dispositivos de injeção de amostra

Os dispositivos para injeção (INJETORES ou VAPORIZADORES) devem prover meios de introdução INSTANTÂNEA da amostra na

coluna cromatográfica



• Injetores

Injeção instantânea:

Injeção lenta:

t = 0

t = x

t = 0

t = x



– Injetor “on-column” convencional

12

3

4

1 - Septo (silicone)2 - Alimentação de gás de arraste)3 - Bloco metálico aquecido4 - Ponta da coluna cromatográfica

Injetores



1 2 3

1 - Ponta da agulha da microseringa é introduzida no início da coluna.

2 - Amostra injetada e vaporizada instantaneamente no início da coluna.

3 - “Plug” de vapor de amostra forçado pelo gás de arraste a fluir pela coluna.

Injetor “on-column” convencional

Injetores



Injetor split/splitless

A injeção dos volumes de amostra que as colu-nascapilares necessi-tam só épossível devido a existência da técnica SPLIT.

Importante estabelecer “split ratio”.



• Parâmetros de injeção

TEMPERATURA DO INJETOR Deve ser suficientemente elevada para que a amostra vaporize-se imediatamente, mas

sem decomposição

Regra Geral: Tinj = 50oC acima da temperatura de ebulição do componente menos volátil

VOLUME INJETADO Depende do tipo de coluna e do estado físico da amostra



COLUNAAmostrasGasosas

AmostrasLíquidas

empacotada∅ = 3,2 mm (1/4”) 0,1 ml ... 50 mL0,2 μL ... 20 μL

capilar∅ = 0,25 mm 0,001 ml ... 0,1 mL0,01 μL ... 3 μL

Sólidos: convencionalmente se dissolve em um solvente adequado e injeta-se a solução

Parâmetros de injeção



• Colunas

– Empacotadas Capilares



• Colunas

– Empacotada

∅ = 3 a 6 mmL = 0,5 m a 5 m

Recheada com sólido pulverizado (FE sólida ou FE líquida depositada sobre as

partículas do recheio)



• Colunas

– Capilares

∅ = 0,1 a 0,5 mmL = 5 m a 100 m

Paredes internas recobertas com um filme fino (fração de μm) de FE líquida ou

sólida



• Temperatura da Coluna

Além da interação com a FE, o tempo que um analitodemora para percorrer a coluna depende de sua

PRESSÃO DE VAPOR (p0).

p0 = f

Estrutura químicado analito

Temperatura da coluna



Temperaturada

coluna

Pressãode

vapor

Velocidadede

migração

ANALITO ELUI MAIS RAPIDAMENTE (MENOR RETENÇÃO)

CONTROLE CONFIÁVEL DA TEMPERATURA DA COLUNA É ESSENCIAL PARA OBTER BOA

SEPARAÇÃO EM CG

Temperatura da Coluna



• AMPLA FAIXA DE TEMPERATURA DE USO Pelo menos de Tambiente até 400oC. Sistemas criogênicos (T < Tambiente) podem ser necessários em casos especiais.

•TEMPERATURA INDEPENDENTE DOS DEMAIS MÓDULOSNão deve ser afetado pela temperatura do injetor e detector.

• TEMPERATURA UNIFORME EM SEU INTERIOR Sistemas de ventilação interna muito eficientes para manter a temperatura homogênea em todo forno.

Forno da Coluna



• FÁCIL ACESSO À COLUNA A operação de troca de coluna pode ser freqüente.

• AQUECIMENTO E ESFRIAMENTO RÁPIDO Importante tanto em análises de rotina e durante o desenvolvimento de metodologias analíticas novas.

TEMPERATURA ESTÁVEL E REPRODUTÍVEL

A temperatura deve ser mantida com exatidão e precisão de ± 0,1°C.

Forno da Coluna



• Misturas complexas (constituintes com volatilidades muito diferentes) separadas ISOTERMICAMENTE:

TCOL BAIXA:- Componentes mais voláteis são separados.

- Componentes menos voláteis demoram a eluir, saindo como picos mal definidos.

TCOL ALTA:- Componentes mais voláteis não são separados.

- Componentes menos voláteis eluem mais rapidamente.

Temperatura constante



A temperatura do forno pode ser variada linearmente durante a separação:

Consegue-se boa separação dos

componentes da amostra em menor

tempo

Programação linear de temperatura



TEMPOtINI tFIM

R

Parâmetros de uma programação de temperatura:

TE

MP

ER

AT

UR

A

TINI

TFIMTINI Temperatura Inicial

TFIM Temperatura Final

tINI Tempo Isotérmico InicialtFIM Tempo Final do Programa

R Velocidade de Aquecimento

Programação linear de temperatura



Detectores

– Detectores mais importantes

DETECTOR POR CAPTURA DE ELÉTRONS (DCE OU ECD)Supressão de corrente causada pela absorção de elétrons por eluatos altamente eletrofílicos.

DETECTOR POR CONDUTIVIDADE TÉRMICA (DCT OU TCD)

Variação da condutividade térmica do gás de arraste.

DETECTOR POR IONIZAÇÃO EM CHAMA (DIC OU FID) Íons gerados durante a queima dos eluatos em uma chama de H2 + ar.



A taxa de transferência de calor entre um corpo quente e um corpo

frio depende da condutividade térmica do gás no espaço que

separa os corpos

Se a condutividade térmica do gás diminui, a quantidade de calor transferido

também diminui - o corpo quente se aquece.

Detectores DCT ou TCD



Configuração tradicional do DCT: bloco metálico com quatro celas interligadas em par - por duas passa o efluente da coluna e por

duas, gás de arraste puro:

CELAS DA AMOSTRA

CELAS DE REFERÊNCIA

CO

RT

E

SU

PE

RIO

R

CELAS DA

AMOSTRA

CELAS DE REFERÊNCIA

CO

RT

E

LA

TE

RA

L





Quando da eluição de um composto com condutividade térmica menor que a do gás de arraste puro:

Diferença de resistência

elétrica entre os filamentos de

amostra e referência

Filamentos nas celas de amostra se

aquecem

Resistência elétrica dos filamentos nas celas de

amostra aumenta

Filamentos nas celas de referência não se

aquecem

Resistência elétrica dos filamentos nas celas de referência

fica constante



SELETIVIDADE: Observa-se sinal para qualquer substância eluida diferente do gás de arraste = UNIVERSAL

SENSIBILIDADE / LINEARIDADE: Dependendo da configuração particular e do analito: QMD = 0,4 ng a 1 ng com linearidade de 104 (ng - dezenas de μg)

VAZÃO DE GÁS DE ARRASTE: O sinal é proporcional à concentração do analito no gás de arraste que passa pela cela de amostra.

Com DCT, a área dos picos cromatográficos é MUITO dependente da vazão do gás de arraste !!!




O efluente da coluna é misturado com H2 e O2 e queimado. Como numa chama de H2 + O2 não existem

íons, ela não conduz corrente elétrica.

Quando um composto orgânico elui, ele também é queimado. Como na sua queima são formados íons, a chama passa a conduzir corrente elétrica

Detector FID ou DIC



Química da Chama de Hidrogênio:

Incandescência

Reação

Quebra

Estrutura da chama

três regiões básicas

Detector FID ou DIC



Queima de substâncias com ligações C-H

CH + O → CHO+ + e-

1 íon formado a cada ~105

átomos de C queimados

Queima de H2 Formam-se apenas radicais!

Detector FID ou DIC



Detector FID ou DIC

SELETIVIDADE: Seletivo para substâncias que contém ligações C-H em sua estrutura química. Como virtualmente todas as substâncias analisáveis por CG são orgânicas, na prática o DIC é UNIVERSAL.

SENSIBILIDADE / LINEARIDADE: QMD típicas = 10 pg a 100 pg com linearidade entre 107 e 108 (pg a mg)

Compostos que NÃO produzem resposta no DIC:

Gases nobresH2, O2, N2

CO, CO2, CS2 CCl4, peralogenados

NH3, NxOy

SiX4 (X = halogênio)

H2OHCOOH, HCHO *



Detector FID ou DIC

Detector de Nitrogênio - Fósforo

Pérola de sal de metal alcalino:

RbCl (normal), KCl

Seletividade: S para fosforados ou nitrogenados: 10.000 x - 100.000 x em relação a

hidrocarbonetos similares

QMD = 0,4 pg a 10 pg (N) e 0,1 a 1 pg (P)

Modificação do DIC altamente seletiva para compostos orgânicos nitrogenados e fosforados



Detector ECD ou DCE

Um fluxo contínuo de elétronslentos é estabelecido entre um

anôdo (fonte radioativa β -emissora) e um catodo.



Detector ECD ou DCE

Na passagem de uma substância eletrofílica alguns elétrons são

absorvidos, resultando uma supressão de corrente elétrica.



Detector ECD ou DCE

FONTE RADIOATIVA O anôdo deve estar dopado com um isótopo radioativo β - ou α- emissor

Emprego universal em DCE comerciais:3H (β-, 0,02 MeV)

Sob a forma de Ta3H3

Tdet deve ser < 225oC

Maior sensibilidade

63Ni (β-, 0,06 MeV)

Usado como 63Ni 0

Maior linearidade

Útil até ~400oC



Detector ECD ou DCE

GÁS DE ARRASTE - Funcionamento do DCE émuito dependente da natureza do gás de arraste

SENSIBILIDADE/LINEARIDADE - QMD = 0,01 pg a 1 pg (organoclorados), linearidade ~ 104 (pg a ng)

O DCE é o detector preferencial para análises de traços de organoalogenados e similares

MAIS USADOS:N2

Ar + 5% CH4

Geram elétrons lentos quando bombardeados com β -



FE

• LÍQUIDOS Depositados sobre a superfície de: só-lidos porosos inertes (colunas empacotadas) ou de tubos finos de materiais inertes (colunas

capilares)

FElíquida

SUPORTESólido inerte

poroso

Tubo capilar de material inerte



FE

Para minimizar a perda de FE líquida por volatilização, normalmente ela é:

Entrecruzada: as cadeias poliméricas são

quimicamente ligadas entre si

Quimicamente ligadas: as cadeias poliméricas são “presas” ao suporte por

ligações químicas



FE

SÓLIDOS Colunas recheadas com material finamente granulado (empacotadas) ou depositado sobre a superfície interna do tubo

(capilar)

Regra geral: a FE deve ter características tanto quanto possível próximas das dos solutos a serem separados

(polar, apolar, aromático ...)



FE ideal

SELETIVA Deve interagir diferencialmente com os componentes da amostra.

FE Seletiva: separação adequada dos

constituintes da amostra

FE pouco Seletiva: máresolução mesmo com coluna

de boa eficiência



FE ideal ideal - características

AMPLA FAIXA DE TEMPERATURAS DE USO Maior flexibilidade na otimização da separação.

BOA ESTABILIDADE QUÍMICA E TÉRMICA Maior durabilidade da coluna, não reage com componentes da amostra



FE ideal ideal - características

POUCO VISCOSA Colunas mais eficientes (menor resistência à transferência do analito entre fases)

DISPONÍVEL EM ELEVADO GRAU DE PUREZA Colunas reprodutíveis; ausência de picos “fantasma” nos cromatogramas.



O fenômeno físico-químico responsável pela interação analito + FE sólida é a ADSORÇÃO

A adsorção ocorre na interface entre o gás de arraste e a FE sólida

FE sólida - adsorção



ADSORÇÃO

Sólidos com grandes áreas superficiais (partículas finas, poros)

Solutos polares

Sólidos com grande número de sítios ativos (hidroxilas, pares de elétrons)

FE sólida - adsorção



Materiais mais usados:

Polímeros Porosos Porapak (copolímero estireno-divinilbenzeno), Tenax (polióxido de difenileno).

Sólidos Inorgânicos Carboplot, Carboxen (carvões ativos grafitizados), Alumina, Peneira Molecular (argila microporosa).

FE sólida



Principais Aplicações:- Separação de gases fixos- Compostos leves- Séries homólogas

GASES DE REFINARIAColuna:Carboxen-1000 60-80 mesh; 15’ x 1/8”TCOL: 35oC a 225oC / 20oC. min-1

Gás de Arraste: He @ 30 ml.min-1

Detector: TCD

FE sólida



O fenômeno físico-químico responsável pelainteração analito + FE líquida é a ABSORÇÃO

A absorção ocorre no interior do filme de FE líquida (fenômeno INTRAfacial)

FE líquida - absorção



ABSORÇÃO

Filmes espessos de FE líquida

Interação forte entre a FE líquida e o analito (grande solubilidade)

Grande superfície líquida exposta ao gás de arraste

FE líquida - absorção



Família FE Líquida


Maior parte das aplicações em CG moderna

Quatro grandes grupos estruturais:

PARAFINAS Apolares; alta inércia química; praticamente abandonadas. Principais: esqualano (C30H62), Apiezon (graxas para vácuo).

POLIÉSTERES Ésteres de diálcoois com diácidos. Polares; altamente sensíveis a umidade e oxidação; uso em declínio. Principais: DEGS, EGA, EGS.


POLIGLICÓIS Muito polares; sensíveis a umidade e oxidação; ainda muito importantes. Principal: Polietilenoglicol (nomes comerciais: Carbowax, DB-Wax, Supelcowax, HP-Wax, etc.)

C H 2 C H 2OH O H

n

Estrutura Química:




SILICONES (polisiloxanas) As FE mais em-pregadas em CG. Cobrem ampla faixa de pola-ridades e propriedades químicas diversas.

Si

CH3

H3C

CH3

O Si

R1

R2

O Si

CH3

CH3

CH3n

R1, R2 = qualquerradical orgânico

- Ligação Si-O extremamente estável = elevada estabilidade térmica e química das FE.




- Silicones são fabricados em larga escala para diversas aplicações = minimização de custo do produto + tecnologia de produção e purificação largamente estudada e conhecida;

- Praticamente qualquer radical orgânico ou inorgânico pode ser ligado à cadeia polimérica = FE “ajustáveis” a separações específicas + facilidade de imobilização por entrecruzamento e ligação química a suportes.




– Quantificação

• Sinal é proporcional a concentração.

– Teor alcoólico

• Essencial principalmente na análise de soluções ou xaropes

– óleos essenciais, essências, fragrâncias, etc

CG CG –– AplicaAplicaççõesões


– Resíduos de solventes

• Utilizado principalmente para matérias primas, pois deve-se garantir baixo nível de resíduos orgânicos oriundos do processo de síntese => necessário HeadSpace* .

– Impurezas

• com as vantagens de obtenção de menores níveis de concentração e melhor performance.

CG CG –– AplicaAplicaççõesões

* Head space: técnica da CG utilizada para analisar os vapores gerados por uma amostra. Necessita de dispositivos especiais como seringas para este propósito ou adaptação que substitui o injetor automático convencional


AplicaAplicaçções CG e HPLCões CG e HPLC









Troca iônica



Troca iônica



GPC


TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS

• A espectroscopia consiste no estudo qualitativo e quantitativo da estrutura dos átomos e moléculas e de distintos processos físicos mediante o emprego de absorção, emissão e dispersão de radiação eletromagnética (luz).• As técnicas espectroscópicas se baseiam na interação luz-matéria. Esta interação pode provocar uma alteração na direção da radiação e/ou transições entre níveis de energiade átomos e moléculas.

• Segundo Maxwell, a luz é uma radiação electromagnética caracterizada por uma frequencia (ν) e comprimento de onda (λ) relacionadas pela expressão: ν λ= c

• A radiação electromagnética é representada por um campo elétrico e outro magnético que estão em fase, com oscilaçõessinuosas em ângulo reto um em relação ao outro na direção de propagação


Representação de um raio de radiaçãomonocromática polarizada em um plano. Campos elétricos e magnéticos perpendiculares entre si e em relação a direção de propagação.

Representação bidimensional do vetor elétrico

Amplitude é uma quantidade vetorial que fornece a medida da intensidade do campo magnético e elétrico no ponto máx.

Período de uma onda é o tempo em segundos para atingir dois máx. ou min.

Freqüência é o nº de oscilações que ocorrem em um segundo (1 Hz= 1 s-1)



Radiação eletromagnética

Onda: amplitude, freqüência, período, comprimento de onda e velocidade

Partícula:

h= cte. de Planck (6.62618x10-34 Js), ν= frequencia da radiação (Hz), c= velocidade de la luz, λ = comprimentode onda (m)

c= 3.00 108 m/s


ABSORÇÃO: transição de elétrons do estado fundamental a uma estado mais excitado de um átomo ou molécula, que ocorre com transferência de energia da fonte

EMISSÃO: transição de estados excitados a estados de menor nivel de energia com emissão de radiação

DISPERSSÃO: alteração na direção da radiação devido a sua interaçãocom a matéria, pode ocorrer com ou sem transferência de energia

• Quando a radiação interage com a matéria podem ocorrer os seguintesfenômenos:



Regiões do espectro electromagnético




Regiões do espectro electromagnético




• Radio frequência: RMNA matéria orgânica não absorve ondas de radio (radiação pouco energética) e não hánenhuma transição que possa ocorrer. Nos espectros de RMN ocorre a atuaçãoconjunta da radiação em um campo magnético forte

• Microondas: Ressonância de spin eletrônicoA matéria orgânica pode absorver esta energia algumas vezes. A energia rotacional pode se modificar devido a absorção de microondas. Técnica limitada a radicaislivres e moléculas muito polares

• Infravermelho: IR e FTIRTécnica que fornece informação qualitativa importante. A banda de radiação do infravermelho interage com a vibração (segundo nivel de energia molecular)

• Visível-UV:Absorção, emissãoExcitação eletrônica => estados electrônicos fundamentais a estados excitados

• Raios X:Estudo da geometria das moléculas

CLASSIFICAÇÃO DAS TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA




TECNICAS ESPECTROSCÓPICAS

Espectros de emissão

Fluorescência, fosforescência

Fluorescência molecular

Atômica e molecular

Absorção de radiação

UV

Visível

Absorção atômica

Absorção molecular

IR





Espectros atômicos espectros de linha

Espectros moleculares espectros de bandas


A= -log T= log P0/P= ε b c


ABSORÇÃO MOLECULAR UV/VIS



ABSORÇÃO MOLECULAR

VISÍVEL

Verde-azuladavermelha650-750

Azul-esverdeadalaranja595-650

Azulamarela580-595

VioletaAmarela-esverdeada560-580

Púrpuraverde500-560

VermelhaVerde-azulada490-500

LaranjaAzul-esverdeada480-490

amarelaazul435-480

Amarela-esverdeadavioleta400-435

Cor complementar transmitida

Cor da luz absorvidaRegião do comprimento de

onda absorvido, nm


Espectroscopia atômica...histórico

• 1802, Wollaston ... Estudos do espectro da luz solar

• 1814, Fraunhofer ...descobriu raias visíveis no espectro solar

• 1832, Brewster ... Concluiu que as raias de Fraunhofer eram devidas à

presença de vapores na atmosfera

• 1860, Kirchoff ... Desenvolve a Lei fundamental da Absorção Atômica:

• “todos os corpos podem absorver radiação que eles próprios emitem”

• 1902, Wood ... Demonstra o fenômeno de absorção e emissão atômica

• 1955, Alan Walsh ... Primeira proposta instrumental


Espectroscopia atômica

Conjunto de técnicas fundamentadas na interação entre a radiação e os átomos no estado livre.

•ABSORÇÃO•EMISSÃO

3s

3p

4p

5pEnergia térmica ou elétrica

3s

3p

4p

5p

285 330 590 nm

Absorção Emissão

sódio



Absorção Emissão

Fluorescência



Aerossol: é uma suspensão de partículas líquidas ou sólidas finamente divididas em um gás

Atomização: conversão das espécies do analitoem átomos ou íons elementares em fase gasosa

Nebulizar: significa converter um líquido em um jato gasoso spray ou névoa



[M+,X-]aq [M+,X-]aqNebuliza

çãosolução mist[MX]solid

Vaporização

desolvatação

[X0]gas[M0]gas

[MX]gas

Atom

iza

ção

[M+]gas [X+]gas

Ato

miz

açã

o

[M*]gas[M0]gasemissão

excitaçãoou

absorção

(aquec. Ouluz)

estado

fundamental

estado

excitado





Atomização: o processo de atomização dá o nome a técnica

• Chama

• Eletrotérmico

– Forno de Grafite

• Plasma

• Hidreto

– As, Sb, Sn, Se, Bi, e Pb

• Vapor-frio

– Hg (pressão de vapor a temperature ambiente)


Absorção atômica...sistema de atomização

• Atomização ocorre em umachama criada pela mistura de um combustível com um oxidante

• Analito e íons de background são atomizadossimultaneamente

• Somente uma pequenaporcentagem da amostraaquosa é atomizada, a maiorparte vai para o descarte

EspectroscopiaEspectroscopia de de absorabsorççãoão atômicaatômica emem chamachama


•Sistemas eletrotérmicos (Líquidos e sólidos)

Forno de grafite


•Amostra é inserida em um tubo de grafite, aquecido eletricamente

•Maior tempo de residência do vapor atômico

•Maior sensibilidade

•Pequenos volumes de amostra

•Amostras sólidas



• Atomização ocorre emum tubo de grafiteeletricamente aquecido

• O tubo de grafite é limpocom gás inerte (Ar) paraprevinir a formação de óxidos metálicos nãoabsorventes

Atomizador Electrotermico ou Forno de Grafite

tubo de grafite


Absorção atômica...forno de grafite

Programa de temperatura do forno•Secagem (50-200 oC) Eliminação do solvente•Calcinação (200-800 oC)Eliminação da matriz (mineralização)•Atomização (2000-3000 oC)Produção de vapor atômico

Utilização de gases de purga (argônio)•Remoção de gases produzidos na secagem e calcinação•Reduzir a oxidação do tubo•Evita a produção de gases tóxicos durante a atomização

Tempo

Tem

per

atu

ra



• Plasma é um gás quente e parcialmente ionizado, quecontém uma concentraçãorelativamente alta de elétronse íons.

• São obtidas temperaturas daordem de 10000 K e apresentam a maiorsensibilidade e menoresinterferências

Plasma





•Sistema de geração de hidretosGa, As, Se, Sn, Sb, Te, Pb Bi MH3 (voláteis)

M+3

NaBH4

Ar hν detector

queimador

Hidreto...metal

•Sistema de vapor frio

Hg (volátil)


Identificação: Análise qualitativa

Quantificação: Análise quantitativa

Determinação de 70 elementos


Resultado: espectro de linhas

Comprimento de onda (nm)

Absorbânciaou

Emissão


Espectroscopia de Absorção atômica


Absorção atômica...instrumental

Principais componentesFonte, sistema de modulação de sinal,

sistema de atomização, monocromador, detector


Absorção atômica...fontesFonte: sistema que permite proporcionar a radiação necessária, na forma de linha

Lâmpada de cátodo oco (LCO)

•Bulbo de vidro contendo gás inerte (argônio) e

cátodo elaborado com o elemento de interesse

Emite somente linhas de interesse

•Processo de sputtering

•Existem lâmpadas multi-elementos


Absorção atômica...fontes



Processo Sputtering

•Gás inerte é excitado por descarga elétrica, precipitando-se em direção ao cátodo =>A colisão provoca extração de átomos do metal

•Colisões secundárias levam o átomo a um estado excitado

•No seu retorno ao estado fundamental, o átomo emite a energia correspondente => específica do metal.


Lâmpada de descarga sem eletrodos


•Bulbo de vidro contendo sal do elemento de

interesse.

•Excitação por radiofrequência (bobina)

Mais intensa que LCO, Menos estável


Lâmpada de descarga sem eletrodos



Absorção atômica...chopper

•Sistema modulador de sinal•Permite minimizar ruído do sistema atomizador

•Permite minimizar problemas devidos a variação instrumental


Absorção atômica...atomização

SoluçãoProblema

AerosolSólido/Gás

Moléculas gasosasÁtomosÍons

SprayLíquido/Gás

nebulização Dessolvatação

volatilizaçãodissociaçãoionização

íons excitados

Moléculas excitadas

átomos excitados


Absorção atômica -sistema de atomização

•Sistemas fundamentados na chama (Líquidos e gases)

•Combustível mais utilizado: acetileno (C2H2)

•Oxidante mais utilizado: ar

Temperatura da chama: 2100-2400 oC

•Outros oxidantes: óxido nitroso (N2O)

Temperatura da chama: 2600-2800 oC


Absorção atômica -sistema de atomização

•Sistemas fundamentados na chama (Líquidos e gases)


Absorção atômica...monocromadores

Sistemas constituídos por espelhos, fendas e grades de difração (prismas), utilizadas para selecionar comprimentos de onda desejados.

Grades de difraçãoSuperfície polida, contendo ranhuras paralelas (300-2000 linhas por mm)


Absorção atômica...detectores

Sistema eletrônico que permite detectar a luz transmitida através do sistema e transformá-la em um sinal capaz de ser medido (elétrico).

Depende da radiaçãoa ser medida (λ).


Fototubo•Cátodo de material fotosensível

•Fluxo de fótons provoca emissão de elétrons

•Geração de corrente proporcionalao número de fótons


Fotomultiplicadora•Similar ao anterior

•Sinal multiplicado pela presença de “dinodos”



•Cristal de silicio dopado, com semicondutores•Quando aplica-se potencialgeração de pares e- / h+

•Situação eletrônica particular

•A situação eletrônica éperturbada por exposição à luz•Geração de corrente elétrica proporcional à quantidade de luz

Fotodiodos


Absorção atômica...BackgroundRadiação de fundo provocada pela presença de

espécies molecularesCN, C2, etc.

Estas espécies podem provocar, absorção, emissão ou espalhamento


Absorção atômica...BackgroundCorreção com lâmpada de deutério

Sistema eletrônico diferencia os dois sinais


Absorção atômica...Background


Absorção atômica...Background

Correção com efeito Zeeman

Efeito Zeeman

Quando o vapor atômico é submetido a um forte campo magnético os níveis eletrônicos são desdobrados

π

σ + σ -

Campo magnético

fonteπ: amostra + backgroundσ +: background

π - σ +

Sinal analítico


Absorção atômica...tratamento quantitativo

Lei de Lambert-Beer Curvas de calibração

Faixa linear

ConcentraçãoA

bso

rbân

cia


Absorção atômica...interferências

Tipo: Espectrais (pouco freqüente)

Problema: Superposição de linhas espectraisExemplo: V (308,211 nm) em Al (308,215 nm)Solução: Escolha de linhas não interferidas (Al: 309,27 nm),

separação prévia do interferente

Problema: Presença de absorção molecularExemplo: CaOH em CaSolução: Mudanças na estequiometria e temperatura da

chama.


Tipo: Químicas

Problema: Formação (na chama) de compostos refratários que dificultam a atomização

Exemplo:Presença de fosfato ou sulfato na determinação de Ca (formação de sais pouco voláteis)

Solução:Aumentar temperatura da chama, adição de agentes liberadores (Sr, La), adição de agentes protetores (EDTA).

Problema: IonizaçãoExemplo: Elementos alcalino terrososSolução:Utilização de um tampão de ionização (Na, K),

(espécies que criam uma atmosfera redutora).




Tipo: Físicas (de matriz)

Problema: Qualquer diferença (física: ponto de ebulição, viscosidade, tensão superficial) entre amostras e padrões de calibração que alterem o processo de nebulização

Solução: Fazer com que estas características sejam o mais parecidas possíveis


Absorção atômica...figuras de mérito

Elemento Chama Forno ICP

Cr 3 0,01 0,3

As 100 0,02 40

Hg 500 0,1 1

Cd 1 0,0001 2

ppb

Erro médio (chama): 1-2 %Limite de determinação: Chama: ppm, Forno: ppb

Pode ser melhorado...processos auxiliares...extração por solventes

Limite de detecção: mínima concentração que produz sinal distinguível da radiação de fundo (3 x σ branco)




Absorção atômica...Aplicações

Chama: aproximadamente 64 elementos

Forno: aproximadamente 55 elementos

Geração de hidretos: 8 elementos

Vapor frio: 1 elemento (Hg)

Ambiental: solos, águas, plantas, sedimentos...

Clínica: urina, cabelo, outros fluidos...

Alimentos: enlatados...

Industrial: Fertilizantes, lubrificantes, minérios...


Absorção atômica...figuras de mérito

Custo (dólares)

Espectrofotômetro de chama: 40.000,00

Espectrofotômetro de chama e forno: 80.000,00

Lâmpadas: 200,00-500,00

Tubos de grafite: 20,00-30,00

Gases, energia: ?


Absorção atômica...Aparelho

Forno de grafite

amostra

descarte

Chama

Lamp.

cátodo


TÉCNICAS AUTOMATIZADAS

•Sistemas analíticos automáticos que realizam muitas análisessimultaneamente com o mínimo de participação do trabalhohumano.• Primeiro instrumento automatizado para análise química => 1957 (Auto Analyser Technicon)• Análise de várias amostras => laboratórios clínicos, controle de processos industriais, determinações de rotina de amostras de ar, água, solo, produtos farmacêuticos e agrícolas.• Na maioria das aplicações a etapa de medida é realizada por fotometria, espectrofotometria e fluorimetria


TÉCNICAS AUTOMATIZADAS

• 1956 Skeggs => técnica automática com fluxo segmentado pela injeção de ar

•1975 Ruzicka e Hansen => sistema de análise com injeção da amostra num fluxo carregador não segmentado

Equipamento simplesDeterminações rápidas

ANÁLISE POR INJEÇÃO EM FLUXO (AIF ou FIA)Injeção de uma volume definido de amostra líquida em um fluxo carregador

não-segmentado com o qual a zona de amostra é misturada


TÉCNICAS AUTOMATIZADAS - AIF

• Vantagens da AIF: •Simplicidade operacional•Aumenta a velocidade de amostra•Minimiza o consumo de amostras e reagentes•Diminui o custo•Elimina possibilidades de contaminação•boa precisão

• Sistema AIF consiste:•Módulo propulsor de fluidos => bombas peristálticas•Módulo de reação => injetor, bobinas de mistura e de reação e conectores; pode-se incluir membranas, resinas, etc•Módulo de medida => é o detector, pode ser espectrofotômetro, potenciômetro, EAA, EEA, acoplado a impressora



Sistema de análise

Bomba peristáltica


TÉCNICAS AUTOMATIZADAS -AIF

Sinais obtidos

Dispersão é controlada pela dimensão da

amostra, vazão do fluido transportador e

comprimento e diâmetro do tubo

Difusão e convecção

Difusão gradiente de concentração

Convecção agitação



• Exemplo: análise de cloreto• reagente colorimétrico para cloreto é impulsionado por bomba peristáltica•Amostra e reagente passam por bobina de reação de 50 cm e por difusão se produz espécie colorida• Reações:

Hg(SCN)2 + 2Cl- HgCl2(aq) + 2SCN-

Fe3+ + SCN- Fe(SCN)2+ (vermelho)



• Exemplo: análise de cloreto• depois da bobina a solução passa por um fotômetro de fluxo equipado comfiltro• sinal de saída para soluções padrões de 5 a 75 ppm é mostrado na figura abaixo•Destaque das soluções de 30 e 75 ppm mostram que a contaminação émínima•Menos de 1% da solução anterior permanece na célula após 28s => tempo para próxima injeção



Exemplo: equipamento para AIF para determinação de cafeína em comprimidos de ácido acetilsalicílico

•Com a válvula posicionada a 90°, o fluxo no desvio éessencialmente igual a zero devido ao seu pequeno diâmetro•R e L são bobinas de Teflon com 0,8 mm de diâmetro interno; L tem um comprimento de 2m e a distância desde o ponto de injeção P até o ponto de mistura é de 0,15m.

Fase orgânica para análise

Fibras de Teflon ajudam a separar

fases



Amostrador automático

Pode ser acoplado a AIFBomba peristáltica e tubulações para AIF



Sistema AIF completo

Célula de fluxo


ANÁLISES TÉRMICAS

DTA = Differential Thermal AnalyseAnálise térmica diferencial

TGA ou TG = Thermogravimetry AnalyseAnálise termogravimétrica

DSC = Differential Scanning CalorimetryCalorimetria de varredura diferencial

Métodos térmicos são um grupo de métodos nos quais a propriedade física da substância e/ou do produto da reação é medida em função da temperatura

enquanto é aplicado um programa de temperatura controlado


Temperatura diferencial devido a reaçõesendo/ exotérmicas

Análise Térmica Diferencial (DTA)

Mudança de entalpia devido a reaçõesCalorimetria de Varredura Diferencial (DSC)

Massa monitorada durante aquecimento/resfriamento

Análise Termogravimétrica (TGA)

Expansão ou retração durante aquecimento/resfriamento

Dilatometria

PrincípioTécnicas

ANÁLISES TÉRMICAS


ANÁLISES TÉRMICAS - TGA

Em TGA TGA a análise de uma massa de amostra é realizada em uma

atmosfera controlada e medida continuamente em função da temperatura

ou tempo de acordo com o aumento da temperatura da amostra

(usualmente a temperatura é aumentada linearmente com o tempo)

Um gráfico de massa ou porcentagem de massa versus temperatura em

função do tempo é obtido e chamado de termograma ou curva de

decomposição térmica



Instrumentação:

•Balança analítica sensível

•Forno

•Sistema de purga com gás inerte ou reativo

•Microcomputadores e microprocessadores para controle do instrumento

e aquisição de dados



• diferentes modelos de balança podem ser utilizados, com capacidade de 1 mg a 100g, mas

a faixa mais comum varia de 5 a 20 mg de amostra

Balança analítica

A= feixeB= cadinho de amostra

C= contrapesoD= lâmpada e fotodiodo

E= bobinaF= magneto

G= controle do amplificadorH= calculador da tara

I= amplificadorJ= registro



• A faixa de temperatura empregada é de ambiente até 1500°C

•Podem ser selecionados taxas de aquecimento e resfriamento na ordem

de zero a 200 °C/min

•Nitrogênio e argônio são usados como gases de purga para garantir

atmosfera inerte e prevenir oxidação da amostra

•Em algumas análises oxigênio é utilizado para medir oxidação da

amostra e geração de CO e CO2

Forno



• As informações fornecidas são limitadas a reações de decomposição e

oxidação

• Processos estudados são vaporização, sublimação e dessorção

• Uma das aplicações mais importantes são na área de polímeros,

fornecendo informações sobre decomposição e previsão de atuação em

usos específicos.

Aplicações



Aplicações

Determinação de perda de massa de alguns compostos químicos

É possível prever as diferentes espécies associadas com cada

perda de massa



Aplicações

Termograma para alguns polímeros comuns (PVC= policloreto de vinila, PMMA= poli metilmetacrilato, LDPE= polietileno de baixa densidade, PTFE=

politetrafluoretileno, PI= polipiromelitimida aromática)

Determinação de decomposição



Aplicações

Poliestireno: termograma para quantificação de carbon black

Análise quantitativa de

material polimérico



Aplicações

Termograma: íons precipitados como oxalatos monoidratados.

320°C e 400°C compostos anidros (CaC2O4, SrC2O4 e BaC2O4); 580 e 620°C corresponde a perda de 3 carbonatos; últimos dois passos formam CaO e SrO


mistura de cálcio, estrôncio

e bário



Aplicações

Termograma diferencial

podem facilitar a visualização de informações


mistura de cálcio, estrôncio e bário



Aplicações

Comparação de termograma e termograma diferencial


mistura de cálcio, estrôncio e bário


ANÁLISES TÉRMICAS - DTA

DTA DTA é uma técnica na qual a diferença de temperatura entre a amostra e o material de referência é medida em função da temperatura enquanto a

amostra e a referência são sujeitas a um programa controlado de temperatura

Um gráfico de temperatura diferencial (∆T= Treferencia - Tamostra) versus

temperatura em função do tempo é obtido e chamado de termograma

diferencial


Compartimento para amostra

• Células de amostra e referência

sensores

• Termopares de Pt/Rh ou chromel/alumel,um paraamostra e um para referência

• Controlador da diferença de temperatura

forno

• Bloco de alumina contendo as células de amostra e referência

Controlador de temperatura

• controle para o programa de temperatura e a atmosfera do forno

samplepan

inert gasvacuum

referencepan

heatingcoil

alumina block

Pt/Rh or chromel/alumelthermocouples


Instrumentação



Instrumentação

Al Pt alumina

Ni Cu quartz

Cadinhos para amostra

O material de referência geralmente é alumina, carbeto de silicone ou grãos de vidro

Geralmente circula-se gás inerte, como nitrogênio ou gases reativos, como oxigênio ou ar

Também pode-se alterar a pressão

Esquema do forno

S= amostra, R= referência



Instrumentação



vantagens:

• Instrumentos podem ser usados em temperaturas elevadas

• instrumentos são altamente sensíveis

• Existe flexibilidade de forma e volume de cadinhos

• Transições características e temperaturas de reações podem ser determinadas com exatidão

desvantagem:

• As incertezas associadas com a determinação dos calores de fusão, transição e reação são da ordem de 20-50%



• Princípios gerais:

• pode ser usada para determinar o comportamento térmico e a

composição de produtos naturais e produtos industriais

• é uma ferramenta poderosa para estudar e caracterizar polímeros

• o aquecimento de um material polímérico pode mostrar:

• transição vítrea

• picos de processos exotérmicos (calor é liberado)

• picos de processos endotérmicos (calor é absorvido)

• decomposição

Aplicações



• Termograma diferencial esquemático mostrando as diferentes alteraçõesencontradas em materiais poliméricos

Aplicações



• Temperatura de Transição vítrea (Tg): é a temperatura característica na qual

um polímero amorfo vítreo torna-se flexível ou borracha => não envolve

absorção ou liberação de calor, portanto não apresenta pico, ∆H= 0, mas a

capacidade calorífica do material muda

• Processos exotérmicos:

• cristalização: alguns polímeros amorfos tornam-se cristalinos ou

microcristalinos, liberando calor => pico

• oxidação: em atmosfera oxidante pode ocorrer a oxidação do material =>

pico

• Processos endotérmicos:

• fusão dos cristais formados => pico

• decomposição

Aplicações



• Outros processos físicos endotérmicos: vaporização, sublimação, absorção e dessorção

• Outros processos exotérmicos: adsorção• Reações químicas podem ser exotérmicas ou endotérmicas

•Reações endotérmicas: deidratação, redução (em atmosfera inerte), decomposição•Reações exotérmicas: oxidação (em ar ou oxigênio) e polimerização

Aplicações

Por convenção, uma mudança de entalpia endotérmica é representada por um pico negativo (-) e uma mudança de entalpia exotérmica é

representada com um pico positivo (+)



Aplicações

Termograma diferencial de uma mistura física de 7 polímeros comerciais. Cada pico corresponde ao ponto de fusão de um dos polímeros. PTFE tem 2 picos devido a transição

cristalina



O eixo estáinvertido !!!

Os picos são negativos !!!

Aplicações

Termograma diferencial para enxofre mostrando transições de fase. T= 113°C mudança de fase sólida da forma ortorrômbica para a monoclínica; 124°C ponto de fusão, 179°C

transição 3º estrutura e 446°C ponto de ebulição



Aplicações

Termograma diferencial para ácido benzóico mostrando a possibilidade de determinação de ponto de fusão e de ebulição de compostos orgânicos em diferentes pressões (curva

A= pressão atm, curva B= 200 psi)


ANÁLISES TÉRMICAS - DSC

DSC DSC é uma técnica na qual as diferenças no fluxo de calor entre uma amostra e o material de referência são medidas em função da

temperatura da amostra enquanto o sistema é submetido a um programa controlado de temperatura

É um método calorimétrico no qual diferenças de energia são medidas

Um gráfico de fluxo de calor versus temperatura em função do tempo é

obtido e chamado de DSC



Instrumentação:

•Dois tipos de métodos são possíveis:

• power compensated DSC – amostra e material de referência são

aquecidos separadamente, mas as temperaturas são mantidas iguais

com o aumento ou decrescimo da temperatura



Instrumentação:

•Dois tipos de métodos são possíveis:

•heat flux DSC – a diferença no fluxo de aquecimento entre a

amostra e o referência é medida com o aumento da temperatura



Aplicações

DSC mostrando a transição térmica para polietileno terftalato. A área do pico exotérmico pode ser usada para determinar o grau de cristalinidade



Aplicações

DSC é bastante usado em indústria farmacêutica para verificar pureza e polimorfismo. A figura mostra o DSC de fenacetin com diferentes purezas.

Quanto mais alargado o pico mais impuro o composto

Quanto mais fino o pico

mais puro o composto


Análise térmica: caulinita (Al2Si2O5(OH)4 )

100-200°C: perda de água não-constitucional500-650°C: perda de água constitucional, formação de metacaulinita850-1050°C: formação de alumina e mulita

TG

DTA

DTG

Temperatura (°)

←en

doté

rmic

oex

otér

mic

o→

Silicato de alumínio hidratado, com 39,5% Al2O3 - 46,5% SiO2 - 14,0% H2O

Mulita= 3Al2O3.2SiO2, 71,8% de Al2O3 e 28,2% de SiO2

Documents

63503816 Quimica Analitica Instrumental