3

Curso: Processos Industriais Módulo: I Carga Horária: Docente: Turno: Turma: Discente:

4

Sumário

1. Química Instrumental: introdução e conceitos 2. A metodologia. 3. Revisão de eletroquímica 4. Condutometria 5. Titulação Condutométrica 6. Polarometria 7. Potenciometria 8. Titulação Potenciométrica 9. Cromatografia 10. Cromatografia Gasosa Acoplada a Espectrometria de Massas 11. Cromatografia Líquida Acoplada a Espectrometria de Massas 12. Colorimetria 13. Fotometria de chama 14. Espectrometria de Absorção Atômica 15. Espectrometria de Emissão Atômica 16. Espectrometria de Absorção Molecular no UV-Visível 17. Análise por injeção em fluxo 18. Amperometria 19. Turbidimetria 20. Referências consultadas

4 5 6 8

10 11 13 25 28 38 40 44 48 53 56 60 64 66 68 69

5

1. Química Instrumental O estudo dos conteúdos apresentados neste módulo visa oferecer o conhecimento adequado sobre as principais técnicas de análise instrumental. Algumas técnicas abaixo apresentadas estão organizadas por ordem de importância, ou seja, por prioridade com relação às necessidades imediatas, além de abranger uma gama maior de possíveis meios de solução de problemas. Cromatografia gasosa (CG) - Técnica simples e bastante usada para separação e possível identificação de substâncias. Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (HPLC) - Técnica mais precisa que a Cromatografia Gasosa, sendo bastante requisitada com a vantagem de evitar a decomposição das amostras. Espectroscopia de Massa (MS) - Técnica bastante precisa e muito utilizada para quantificação de amostra. Espectroscopia de Absorção Atômica (AAS) - Técnica muito usada para quantificação de amostra. Potenciometria - Técnica importante e muito usada para controle de sistemas (Ex: medida de pH). Espectroscopia de Infravermelho - Técnica muito usada para identificação de compostos além de controle de sistemas. Muitos processos industriais proporcionam poluentes, que podem constituir problema sanitário e/ou ambiental. A análise quantitativa do ar, da água e, em alguns casos, de amostras do solo devem ser efetivadas, a fim de determinar o nível de poluição e também estabelecerem os limites seguros de contaminantes/poluentes.

Química Analítica Envolve métodos voltados para a determinação da composição da matéria. Os métodos qualitativos geram informações sobre a identidade das espécies atômicas ou moleculares ou mesmo grupos funcionais na amostra. Já os métodos quantitativos proporcionam resultados numéricos relacionados à quantidade dos componentes na amostra. Os métodos analíticos podem ser classificados em: Clássicos ou Instrumentais. Métodos Clássicos No início do desenvolvimento da Química, a maioria das análises empregava a separação dos componentes de interesse (os analitos) por técnicas como precipitação, extração ou destilação. Para análises qualitativas, os componentes separados eram então tratados com reagentes, que em contato com o analito produziam compostos identificados pela sua cor, solubilidade, pontos de fusão e ebulição etc. Assim as espécies químicas eram identificadas. A quantificação dos analitos pode ser feita através de técnicas simples, mas muito precisas e que estão em pleno uso como a volumetria (titulações) e a gravimetria (medidas de massa). Esses métodos clássicos de separação e determinação de analitos ainda são muito utilizados, devido à relativa simplicidade de equipamentos necessários e confiabilidade de resultados obtidos. Métodos Instrumentais No início do século 20, os químicos passaram a explorar outros fenômenos distintos daqueles observados nos métodos clássicos para resolver problemas analíticos. Com isso, medidas de propriedades físicas dos analitos tais como a condutividade elétrica, absorção e/ou emissão de luz, entre outras, passaram a ser utilizadas na análise quantitativa de uma grande variedade de analitos inorgânicos, orgânicos e biológicos. Com isso, novas técnicas, a exemplo da cromatografia líquida de alta eficiência, espectroscopia e técnicas eletroanalíticas, passaram a ser utilizadas para a realização de análises cada vez mais sofisticadas.

6

Esses novos métodos de separação e determinação de espécies químicas passaram a ser conhecidos como métodos instrumentais de análise. Seu crescimento foi favorecido pelo avanço tecnológico dos dispositivos eletrônicos e dos computadores. A maioria dos equipamentos analíticos modernos possui ou estão conectados a um ou mais dispositivos eletrônicos sofisticados capazes de detectar e registrar dados relativos aos analitos. Esses dispositivos podem ser amplificadores, circuitos integrados, microprocessadores ou mesmo computadores. De fato existem máquinas que apresentam uma imensa complexidade, enquanto outras são mais simples. O cientista deve definir o problema e então decidir o método mais apropriado para solucioná-lo de acordo com suas condições. A Química Analítica Instrumental, devido ao nível de desenvolvimento alcançado à conseqüente complexidade adquirida, divide-se de acordo com os métodos de análise utilizados na identificação e quantificação do analito. Os métodos Espectrométricos, por exemplo, utilizam conhecimentos relacionados com a interação entre a luz e a matéria. Entre eles destacam-se a Espectrometria de Absorção Atômica, Espectrometria de Absorção Molecular, Espectrometria de Emissão Atômica, entre outras técnicas. Diversas outras características específicas das espécies químicas são exploradas na Química Analítica. Os métodos eletroanalíticos são capazes de determinar analitos a partir de seus potenciais padrão de redução. Esses métodos envolvem técnicas como a Potenciometria, Coulometria e os diversos tipos de Voltametria. 2. A metodologia • Amostragem (coleta e preservação de amostras); • Pré-tratamento; • Escolha da técnica; • Análise dos dados. Na realização de uma análise, várias decisões devem ser tomadas. • Definição do problema – este é o primeiro estágio numa análise. Que informações analíticas são requeridas? • Escolha do método - como será possível obter essas informações de forma segura e confiável. • Amostragem – processo de separação e remoção de uma pequena parte representativa de material da qual será efetuada a análise. Além disso, deve preservar a amostra até a sua chegada ao laboratório. • Preparação da amostra de laboratório – amostras sólidas são pulverizadas para assegurar a homogeneidade. • Definir amostras replicatas – a maioria das análises são feitas em amostras replicatas, principalmente, em caso de pesquisa. A análise em replicatas assegura a qualidade dos resultados. • Preparação da amostra – os métodos analíticos, em geral, são aplicados com o analito em solução. • Eliminação de interferentes – as espécies, que podem alterar a medida final do analito, são chamadas de interferentes. • Calibração e medida • Cálculo dos resultados Métodos de referência São necessários para validar os resultados analíticos no meio científico, por exemplo, os parâmetros de qualidade de águas naturais, de abastecimento e residuárias são monitorados pelas análises de: pH, condutividade, turbidez, alcalinidade, sólidos, DQO, DBO, Nitrogênio, Fósforo, Metais pesados, Óleos e Graxas e outros.

7

Os métodos analíticos podem ser classificados de acordo com a natureza da medida. • Métodos gravimétricos – a massa do analito é determinada a partir de uma pesagem numa balança analítica. • Métodos volumétricos – o volume de uma solução contendo uma espécie química, que reagirá completamente com o analito. Diante desse consumo da solução se encontra estequiometricamente a massa ou concentração do analito. • Métodos eletroanalíticos – envolvem a medida de propriedades elétricas como potencial, corrente, resistência e quantidade de eletricidade. • Métodos espectroscópicos – são baseados na interação entre a radiação eletromagnética e átomos ou moléculas do analito, ou então, a emissão de tais radiações pelo analito. 3. Revisão Eletroquímica Pilhas voltaicas (galvânicas) e eletrolíticas: Uma pilha consiste em dois eletrodos e uma ou mais soluções no recipiente adequado. Se uma pilha pode fornecer energia para um sistema externo é chamado de pilha voltaica. A energia química é convertida mais ou menos completamente em energia elétrica, mas parte daquela energia pode ser dissipada em forma de calor. Se a energia for suprida da parte externa da pilha para a qual ela flui, a pilha é chamada de pilha eletrolítica e as leis de Faraday permitem o cálculo da transformação de matéria que ocorre nos eletrodos. Durante uma operação eletrogravimétrica, constrói-se uma pilha galvânica na medida em que os produtos se formam nos eletrodos. Se a corrente for interrompida, os produtores tenderão a produzir uma corrente na direção oposta à direção em que passou a corrente de eletrólise.

TIPOS DE CÉLULA Em qualquer dos casos:

Os eletrodos onde ocorra oxidação serão sempre chamados ânodos. Os eletrodos onde ocorra redução serão sempre chamados cátodos.

Célula eletrolítica - a energia elétrica produzida é usada para forçar uma reação química não espontânea.

Outro exemplo de célula eletrolítica é o sistema Fe+2/Fe+3//Ce+4/Ce+3

8

Que representa a transferência de um elétron do átomo de ferro para o átomo de cério em uma célula eletrolítica: ou seja, a reação: Fe+2 → Fe+3 + e- logo seguida por Ce+4 + e- → Ce+3 Célula galvânica (voltaica) - a reação química ocorre espontaneamente para produzir energia elétrica

9

Equação de Nernst Considerando a semi-reação genérica Mn+ + ne- → M O potencial do eletrodo é dado pela equação E = Eo+ RT ln aMn+ nF onde: R = constante dos gases = 8,3144 J abs./Kmol T = temperatura absoluta (25oC) em graus kelvin = 298,16 K n = número de elétrons envolvidos F= constante de Faraday = 96.485,3 J abs./V abs.eq-g ln= 2,303 log (logaritmo neperiano transformado para log da base 10) Substituindo os valores das constantes e temperatura na de E E= Eo+ 8,3144 x 298,16 x 2,303 log aMn+ n x 96.485,3

E= Eo+ 0,0592 x log aMn+ n

Equação de Nernst

Potencial de Eletrodo (Eo) - tendência dos íons de doar ou receber elétrons Um voltímetro pode ser colocado entre dois eletrodos para medir a diferença de potencial A alta diferença de potencial mostra a grande tendência do Fe (II) e do Ce (IV) de transferir elétrons Meia reação (redução)

Ce4+ + e- → Ce3+ E1o = +1,44 Fe3+ + e- → Fe2+ E2o= +0,77

O potencial depende da concentração e o potencial padrão de referência foi calculado levando em consideração que a atividade para todas as espécies é igual à unidade. �Quanto mais positivo o Eo, maior a tendência da forma oxidada ser reduzida (forte agente oxidante). �Quanto mais negativo o Eo, maior a tendência da forma reduzida ser oxidada (forte agente redutor). 4. Condutometria: Introdução e aplicações A condutometria baseia-se na medida da condutância elétrica das soluções iônicas. A condutância, que é uma medida da corrente resultante da aplicação de uma dada força elétrica, é diretamente proporcional ao número de íons presentes na solução. A condutometria direta encontra aplicação limitada na análise quantitativa em virtude do caráter não-seletivo da condutância. Entretanto, a titulação condutométrica, em que a medida da condutância serve para detectar o ponto final, tem um amplo campo de aplicação.

10

4.1 Mecanismo da condução da corrente através das soluções iônicas A passagem da corrente através de um condutor do tipo metálico consiste na transferência de elétrons de um ponto com potencial mais alto para outro com potencial mais baixo. O fluxo de elétrons através do condutor é forçado pela aplicação de uma f.e.m. (força eletromotriz) entre os extremos do condutor; os átomos ou íons do condutor permanecem estacionários. (A direção em que os elétrons se movimentam é oposta à convencionalmente considerada como direção da corrente positiva.) Quando se aplica, entretanto, uma f.e.m. entre dois elétrodos imersos em uma solução iônica, a condução da corrente envolve a migração de íons através da solução, mas o mecanismo da condução da corrente difere conforme se trate de corrente direta ou alternada. A condução da corrente direta através de uma solução iônica acha-se associada à migração de íons positivos na direção do cátodo e de íons negativos na direção do ânodo e à ocorrência de uma oxidação à superfície do ânodo e de uma redução à superfície do cátodo. A corrente é conduzida através da solução pela migração dos íons e os elétrons livrados na oxidação anódica fluem através do circuito externo em direção ao cátodo onde provocam a respectiva redução eletródica. Diz-se que a condução da corrente ocorre através de um processo faradaico, isto é, acompanhada de reações eletródicas. 4.2 Condutometria direta A condutometria direta baseia-se em condutância específica. O campo de aplicação da condutometria direta na análise quantitativa é limitado em virtude da carência de seletividade da condutância; todos os íons pre-sentes contribuem para a condutância total de uma solução. As principais aplicações da condutometria direta se relacionam com a análise de misturas binárias formadas por água e um eletrólito e a determinação da concentração total de eletrólitos. As medidas de condutância podem servir para determinar a concentração de soluções contendo um único eletrólito forte; a análise requer a prévia construção de curvas de referência. A condutometria direta encontra aplicação na determinação da salinidade da água do mar em trabalhos oceanográficos, A medida da condutância específica é usada também para avaliar a pureza de uma água destilada ou desmineralizada. Os medidores de impurezas construídos para este fim são calibrados em termos de concentração equivalente de cloreto de sódio (p.p.m.) e micromhos por cm. As células usadas para medir condutâncias específicas devem possuir características apropriadas. A Fig. abaixo representa uma célula condutométrica do tipo de imersão; na verdade trata-se de um dispositivo contendo apenas os eletrodos em posições fixas, que deve ser mergulhado na solução contida em um recipiente — por exemplo, um copo — até uma profundidade suficiente para cobrir as lâminas de platina.

A calibração das células condutométricas é feita, comumente, com soluções de cloreto de potássio com concentrações conhecidas, cujas condutâncias específicas foram determinadas em células com geometria perfeitamente definida. Existem valores das condutâncias específicas de soluções de cloreto de potássio para diferentes temperaturas.

11

5. Titulação Condutométrica Fundamentos A técnica da titulação condutométiica consiste em acompanhar a variação da condutância no curso da titulação. O ponto final é assinalado por uma descontinuidade na curva de condutância-volume. Seja a titulação condutométrica de um eletrólito forte AB com uma solução de um outro eletrólito forte CD, em que o catíon A+se combina com o aníon D- formando uma espécie pouco ionizada ou fracamente solúvel AD:

A+ + B- + C+ + D- → AD + B- + C+ solução em solução do estudo reagente

Até o ponto de equivalência, a titulação é acompanhada de uma gradual substituição dos íons A+ da solução original por íons C+ da solução titulante adicionada. A substituição ocorre em quantidades equivalentes e se completa no ponto de equivalência. Os íons B- permanecem inalterados durante a titulação. Suponhamos, para facilitar o raciocínio, que a titulação se processa sem variação substancial do volume. A maneira como varia a condutância, até o ponto de equivalência, depende das condutâncias equivalentes relativas das espécies iônicas A+ (removida pela formação de AD) e C+ (introduzida com a solução titulante). A titulação condutométrica requer uma célula apropriada para a condução da titulação e a medida da condutância. Como a titulação não requer medidas absolutas da condutância, a célula não precisa ser calibrada, bastando que os elétrodos sejam mantidos em posições fixas durante a titulação. A Fig. abaixo inclui uma célula típica para titulações condutométricas. Trata-se simplesmente de um béquer contendo a solução a titular e dois elétrodos de platina imersos na solução; o béquer ê colocado sobre um agitador magnético. Os elétrodos são duas lâminas de platina com áreas de aproximadamente 1 cm2. A distância entre os elétrodos é fixada de acordo com a condutância da solução; menor para as soluções de baixa condutância e maior para as de condutância elevada.

As lâminas metálicas são dispostas em posição vertical para evitar a deposição sobre elas de precipitados que, eventualmente, se formem durante a titulação. Na titulação condutométrica, a solução padrão é adicionada de uma microbureta em sucessivos incrementos. Após a adição de cada incremento, é medida a condutância da solução. A adição da solução padrão ocasiona um certo aumento de volume e, portanto, um certo efeito de diluição que afeta a medida da condutância. O efeito de diluição pode ser grandemente diminuído com o uso de uma solução padrão 10 a 20 vezes, pelo menos, mais concentrada do que a solução em estudo com respeito a espécie interessada. Nas titulações condutométricas, são obtidos resultados satisfatórios sem colocar a célula em um banho termostático desde que não se verifiquem variações apreciáveis de temperatura. Nos trabalhos mais acurados, pode-se fazer uso de um termostato para maior segurança.

12

Os dados de condutância obtidos em uma titulação são representados graficamente em função do volume da solução padrão para efeito de localização do ponto final. A curva de titulação resultante consiste de dois ramos distintos: o primeiro, ramo de reação, dá a variação da condutância até o ponto de equivalência; e o segundo, ramo do reagente, dá a variação da condutância após o ponto de equivalência. A interseção dos dois ramos localiza o ponto final. A localização gráfica do ponto final requer um número de medidas suficiente para definir a curva de titulação. Quando a reação envolve eletrólitos fortes, os ramos de reação e do reagente são duas linhas retas. Então, basta achar três ou quatro pontos antes e depois do ponto de equivalência. Quando a reação envolve eletrólitos fracos, o ramo de reação é curvilíneo e, então, torna-se necessário um número maior de medidas para defini-lo. As principais aplicações da titulação condutométrica se referem às reações de neutralização, de precipitação e de formação de complexos.

6. Polarometria: Introdução e aplicações A polarografia é um método analítico que se baseia na interpretação das curvas de corrente-voltagem obtidas quando se aplica uma f .e.m. regularmente crescente entre um elétrodo com potencial constante e um microelétrodo polarizável imersos em uma solução contendo uma espécie eletroativa. Em 1922, Heyrovsky e Kucera verificaram que tais curvas de corrente-voltagem podem fornecer informações a respeito da identidade e da concentração da espécie eletroativa. Logo depois, Heyrovsky e Shikata construíram o primeiro aparelho para o registro automático das curvas de corrente-voltagem. Estavam, assim, criadas as premissas para o rápido desenvolvimento de um novo método analítico. A Fig. abaixo representa um arranjo básico para a obtenção de curvas de corrente-voltagem. O arranjo consiste de uma célula eletrolítica A, com a solução em estudo, um elétrodo gotejante de mercúrio B e um depósito de mercúrio C, que atua como segundo elétrodo. O elétrodo gotejante de mercúrio é formado por um capilar ligado a um reservatório de mercúrio D; o capilar é dimensionado de modo a livrar uma corrente contínua de gotículas idênticas, com diâmetro máximo de O 5 a l mm, a uma razão de uma gota a cada 2 a 6 segundos. A célula, eletrolítica é ligada em série com um galvanômetro calibrado G, uma bateria E e um divisor de voltagem F. O divisor de voltagem permite aplicar à célula uma f.e.m. desde zero até o máximo permitido pela f.e.m. da bateria. Na maioria das aplicações da análise polarográfica, o elétrodo gotejante funciona como cátodo e o segundo elétrodo como ânodo. As curvas de corrente-voltagem são obtidas mediante elevação gradual da f.e.m. aplicada à célula e leitura da corrente no galvanômetro. Ordinariamente, a corrente é muito fraca, em geral não excedendo 50 µA.

Fig - Arranjo básico para a obtenção de curvas de corrente-voltagem

13

Na célula polarográfica acima referida, o elétrodo auxiliar tem a forma de um depósito de mercúrio com uma grande superfície; como a corrente que flui através da célula é muito fraca, pode considerar-se como não ocorrendo sobre o elétrodo auxiliar nenhuma polarização. Por conseguinte, o potencial do elétrodo auxiliar permanece constante, independentemente da f.e.m. aplicada à célula. Por sua vez, o elétrodo gotejante de mercúrio, devido às suas pequenas dimensões, é um microelétrodo com condições favoráveis para uma polarização extrema. Portanto, o elétrodo gotejante de mercúrio funciona como elétrodo indicador da corrente. O elétrodo gotejante de mercúrio permite obter, sob condições apropriadas, curvas de corrente-voltagem perfeitamente reprodutíveis. As referidas curvas são denominadas polarogramas. A Fig. abaixo representa os polarogramas de uma solução IO-3 M em Cd2+ e 1 M em KCI (curva I) e de uma solução 1 M cm KCI, ambas previamente livradas do oxigênio dissolvido; o oxigênio, por ser facilmente redutível no elétrodo gotejante de mercúrio, deve ser removido para não interferir na curva de corrente-voltagem. O desenvolvimento da curva I mostra que apenas uma corrente muito fraca, chamada corrente residual, passa através da célula antes de ser atingido o potencial de decomposição da solução. Uma vez sobrepassado o potencial de decomposição, a f.e.m. aplicada provoca a eletrólise contínua da solução, com a descarga de íon zinco no elétrodo gotejante de mercúrio (cátodo) e formação de amálgama de zinco extremamente diluído:

Cd2+ + 2e- + Hg --> Cd (Hg) Simultaneamente, ocorre a oxidação de mercúrio com formação de cloreto de mercúrio I no eletrodo estacionário (ânodo):

Fig- Polarograma de uma solução 1O-3 M em Cd2+ e 1 M em KCI (curva I) e de uma solução 1 M em

KCI(curva II) Aplicações da Análise Polarográfica A análise polarográfica apresenta um amplo campo de aplicações. A análise polarográfica se presta para trabalhar com soluções muito diluídas e pequenos volumes de solução. É comumente usada para determinar concentrações na faixa de 10-4 a IO-2 M; às vezes, o limite inferior pode baixar até 10-5 M ou mesmo 10-6 M. Ordinariamente, são usados volumes de 5 a 20 mL; porém, é relativamente simples reduzir o volume da solução a apenas 1 a 2 mL. Assim, a análise polarográfica é muito apropriada para operar na faixa do miligrama ao micrograma. Os erros relativos na análise polarográfica se situam em torno de ±2%. A escolha de eletrólitos suportes apropriados e a complexação de interferentes potenciais tornam desnecessárias, freqüentemente, quaisquer separações preliminares na análise polarográfica. Uma particularidade interessante na análise polarográfica é que as soluções permanecem praticamente inalteradas.

14

Um grande número de substâncias é capaz de sofrer redução ou oxidação no elétrodo gotejante de mercúrio formando ondas polarográficas bem definidas. Conforme o caso, as ondas são catódicas ou anódicas. 7. Potenciometria: Introdução e aplicações

Quando um metal é imerso numa solução que contém os seus próprios íons estabelece-se um potencial de eletrodo. E pode ser medido combinando-se este eletrodo com um eletrodo de referência (comumente um eletrodo de calomelano saturado) e medindo a força eletromotriz da pilha resultante. Sabendo o potencial do eletrodo de referência, podemos deduzir o valor do potencial de eletrodo, e desde que se conheça o valor do potencial de eletrodo padrão do metal podemos calcular a atividade do íon metálico na solução. Para uma solução diluída, a atividade iônica medida será virtualmente a mesma que a concentração iônica, e, para soluções mais concentradas, dado o valor do coeficiente de atividade, é possível converter a atividade iônica medida na concentração correspondente. Este processo de se utilizar uma única medida do potencial de eletrodo para determinar a concentração de uma espécie iônica em solução designa-se como potenciometria direta. O eletrodo cujo potencial é dependente da concentração do íon a ser determinado é chamado de eletrodo indicador, e quando, o íon a ser determinado é diretamente envolvido na reação de eletrodo, diz-se que estamos tratando de um eletrodo de primeira espécie. Também é possível em determinados casos medir-se por potenciometria direta a concentração de um íon que não esteja diretamente envolvido na reação de eletrodo. Isto envolve o uso de um eletrodo de segunda espécie. Para evitar os problemas a respeito da potenciometria direta, a atenção tem sido voltada para a titulação potenciométrica como método analítico. Conforme o nome indica, trata-se de um processo de titulação, no qual as medidas potenciométricas são conduzidas, a fim de se determinar o ponto final. Neste processo são envolvidas mudanças de potencial do eletrodo, em vez de valores exatos do potencial de eletrodo com uma dada solução. O objetivo de uma medição potenciométrica é obter informações sobre a composição de uma solução mediante ao potencial que aparece entre dois eletrodos. A medição do potencial se determina mediante condições reversíveis, de forma termodinâmica, e isto implica que deve deixar o tempo suficiente para alcançar o equilíbrio, extraindo a mínima quantidade de intensidade, para não influenciar sobre o equilíbrio que se estabelece entre a membrana e a solução da amostra. Para obter medições analíticas válidas em potenciometria, um dos eletrodos deverá ser de potencial constante e não pode haver mudanças entre um e outro experimento. O eletrodo que satisfaz esta condição é o eletrodo de referência. Em razão da estabilidade do eletrodo de referência, qualquer mudança no potencial do sistema será ocasionada pela contribuição do outro eletrodo, chamado eletrodo indicador ou de trabalho. O potencial registrado é na realidade a soma de todos os potenciais individuais, com seu sinal correspondente, produzido pelos eletrodos indicador e referência. Eletrodo Indicador Eletrodo sensível à espécie a ser determinada, isto é, o seu potencial será função da concentração dessa espécie. Para que um eletrodo seja empregado como eletrodo indicador deve apresentar as seguintes características: �Grande sensibilidade à espécie a ser determinada; �Alto grau de reprodutibilidade; �Resposta rápida à variação de concentração da espécie em determinação.

15

Tipos de Eletrodos Indicadores Metálico Primeira Classe - consiste de um metal imerso em uma solução contendo íons da mesma espécie do metal. Utilizado para a medida da atividade do íon metálico em solução. Praticamente, apenas prata e mercúrio formam eletrodos de primeira classe. Segunda Classe - consiste de um metal recoberto por um sal pouco solúvel ou um complexo deste metal imerso em uma solução contendo íon que forma o sal ou o complexo. Utilizado para a medida da atividade do ânion ou do ligante. Terceira Classe - Redox - metais tais como platina, ouro e paládio, podem ser utilizados como eletrodos para sistemas óxido/redução. Utilizado para a medida do potencial redox. Membrana - Eletrodos de membranas apresentam alta seletividade sendo muitas vezes denominados Eletrodos Íon-Seletivo. Este tipo de eletrodo gera um potencial do tipo potencial de junção na interface eletrodo-solução. Propriedades da Membrana: baixa solubilidade, condutividade elétrica e reações seletivas com o Analito. Cristalina - Monocristalina LaF3 (F-) - Policristalina Ag2S (Ag+ e S2+)

Não Cristalina - Vidro SiO44+ (H+) - Líquida Líquido Trocador de íon (Ca2+ ) - Líquido imobilizado Cloreto de polivinila (NO3-) Eletrodo de Referência Eletrodo com potencial constante, isto é, o seu potencial é função de uma espécie cuja concentração permanece inalterada durante toda a determinação. Para que um eletrodo seja empregado como eletrodo de referência deve apresentar as seguintes características: • Invariabilidade do potencial durante o processo; • Deve ser de fácil preparação; • Rápido ajustamento a um determinado e exato potencial; • Interesse térmico desprezível, isto é, o potencial do eletrodo deve responder prontamente a uma variação de temperatura, mas assim que a temperatura inicial é restabelecida, o seu potencial deve voltar ao valor inicial; • Baixa polarizabilidade, isto é, mesmo havendo passagem de pequenas correntes pelo eletrodo, não deve haver mudança considerável no seu potencial. A necessidade de contar com o eletrodo de referência, além do eletrodo indicador, deve-se à impossibilidade de medir diretamente o potencial do eletrodo indicador. O eletrodo indicador, imerso na solução em estudo, é associado, através de uma ponte salina, ao eletrodo de referência, para que então, se tenha condições de medir a força eletromotriz (f.e.m.) da célula. A f.e.m. da célula é a diferença algébrica dos potenciais dos dois eletrodos, o de referência e o indicador, tomada em qualquer direção e dada em valor absoluto.

Ecel = Eref - Eind ou Ecel = Eind - Eref

16

A rigor, é preciso incluir ainda, na f.e.m. da célula, o potencial de junção líquida.

Ecel = Eref - Eind + Ej ou Ecel = Eind - Eref + Ej

O potencial de junção se manifesta entre a solução do sistema do eletrodo de referência e a solução em estudo. Comumente, o potencial de junção é minimizado mediante o uso de uma ponte salina. Para que possam ser obtidos resultados interpretáveis, é essencial, em muitos casos, que Eref e Ej sejam conhecidos ou permaneçam constantes durante as medidas. Nestas condições, Eref e Ej podem ser incorporados em uma única constante.

Ecel = constante - Eind Ecel = Eind - constante

O potencial Eind é uma função da atividade do íon ativo, isto é, do íon para o qual o eletrodo indicador é sensível. Conhecida esta função, a medida da f.e.m. da célula, Ecel, permite achar a concentração da espécie em estudo. O Eletrodo de referência em medidas potenciométricas é sempre tratado como um ânodo. O Eletrodo de Referência Ideal apresenta reação reversível, obedece a equação de Nernst, tem potencial constante com o tempo, exibe pouca histerese à variação de temperatura e retorna o potencial após ser sujeito a pequenos valores de corrente. O eletrodo indicador de uma célula é aquele que depende da atividade (e, portanto, da concentração) de uma dada espécie iônica cuja concentração é bem determinada. Na potenciometria direta ou na titulação potenciométrica de um íon metálico, um eletrodo indicador simples consiste usualmente num fio ou bastão de um metal apropriado, cuidadosamente limpo; é de importância vital que a superfície do metal esteja imersa numa solução livre de películas de óxido ou de quaisquer produtos da corrosão. Em alguns casos, pode-se obter um eletrodo mais satisfatório usando um fio de platina recoberto por uma película fina do metal apropriado, por deposição eletrolítica. Quando os íons hidrogênio são envolvidos, pode-se, obviamente, utilizar como eletrodo indicador um eletrodo de hidrogênio, mas a sua função pode igualmente ser desempenhada por outros eletrodos, o melhor dos quais é o eletrodo de vidro. Este é um exemplo de um eletrodo de membrana no qual o potencial desenvolvido entre a superfície de uma membrana de vidro e uma solução é uma função linear do pH da solução, de modo que pode ser utilizado para a medida da concentração de íon hidrogênio da solução. Como a membrana de vidro contém íons de metais alcalinos, é também possível desenvolverem-se eletrodos de vidro que podem ser utilizados para a determinação da concentração destes íons na solução, e, deste desenvolvimento (que é baseado num mecanismo de troca iônica), apareceu uma série de eletrodos de membranas baseados em materiais de troca iônica tanto de estado sólido como de membrana líquida; estes eletrodos constituem a série importante de eletrodos íon seletivos, que, presentemente, se conhecem para diversos íons. O eletrodo indicador empregado numa titulação potenciométrica depende, é claro, do tipo de reação que está sendo investigada. Assim, numa titulação ácido-base, o eletrodo indicador poderá ser um eletrodo de hidrogênio ou algum outro íon que responda a íons hidrogênio; para uma titulação de precipitação (haleto com nitrato de prata, ou prata com cloreto) usar-se-á um eletrodo de prata, e para uma titulação redox um simples fio de platina como eletrodo redox. O eletrodo de hidrogênio. Adicionalmente à sua função como um eletrodo padrão, o eletrodo de hidrogênio pode ser utilizado para a medida da concentração de íon hidrogênio ou de pH de soluções e igualmente em titulações potenciométricas ácido-base. Deve ser notado que o eletrodo de hidrogênio não pôde ser usado em soluções que contenham agentes oxidantes, e.g., íons permanganato, nitrato, cério (IV) e ferro (III), ou outras substâncias capazes de redução, como compostos orgânicos não-saturados, bem como na presença de sulfetos, compostos de arsênio etc. (venenos catalíticos) que destroem a propriedade catalítica do negro-de-platina. Também não é satisfatório na presença de sais de metais nobres, como o cobre, a prata e o ouro, bem como em soluções que contenham sais de chumbo, cádmio e tálio. Existem muitos outros eletrodos que são mais convenientes para o uso no intervalo em que são aplicáveis.

17

O eletrodo de antimônio. O chamado eletrodo de antimônio é na realidade, um eletrodo de antimônio-trióxido de antimônio. O eletrodo de antimônio não pode ser utilizado: (a) na presença de agentes oxidantes fortes ou de reagentes complexantes (como tartaratos e ácidos hidroxílicos orgânicos); (b) em soluções de pH inferior a 3, nas quais o óxido se torna demasiadamente solúvel; (c) na presença de metais mais nobres do que o antimônio. O eletrodo não é facilmente envenenado, é de uso simples (nenhum reagente é, usualmente, requerido), e é forte; tem sido, então, aplicado para o registro continuo e controle de pH nas condições em que é utilizável. O eletrodo de vidro. O eletrodo de vidro é o mais amplamente utilizado dos eletrodos que respondem ao íon hidrogênio; o seu uso o depende da seguinte condição: quando uma membrana de vidro é imersa numa solução desenvolve-se um potencial que é uma função linear da concentração de hidrogênio da solução. A natureza do vidro usado para a construção do eletrodo de vidro é muito importante. Vidros duros do tipo Pyrex não são adequados, e durante muitos anos foi universalmente usado para a manufatura dos eletrodos de vidro um vidro de cal sodada. Estes eletrodos são muito satisfatórios num intervalo de pH de 1-9, mas em soluções de alcalinidade mais elevada estão sujeito ao chamado “erro alcalino" e tendem a dar valores mais baixos do que os reais de pH. O de vidro pode ser utilizado na presença de oxidantes e redutores fortes, em meios viscosos e na presença de proteínas e substâncias similares, que interferem fortemente com outros eletrodos. Também pode ser adaptado para medidas com pequenos volumes de soluções. Pode dar resultados errôneos quando usado com soluções mal tamponadas que estejam quase neutras. O eletrodo de vidro deve ser muito bem lavado com água destilada após cada medida e, antes de se fazer uma outra medida, lavado com varias porções da próxima solução a ser analisada. Não se deve deixar o eletrodo de vidro ficar seco, exceto durante longos períodos de armazenagem ele retornara a sua condição de responder à atividade iônica quando for imerso, novamente, em água destilada durante pelo menos 12 horas, antes da utilização. Eletrodos íon-seletivos (ISE) Um eletrodo íon-seletivo (ISE) produz um potencial que é relacionado à concentração de um analito As medidas com um ISE são uma forma de potenciometria. O ISE mais comum é o eletrodo de pH que contém uma fina membrana de vidro que responde à concentração de H+ em uma solução. ISEs para outros íons tem uma membrana apropriada que é sensível ao íon de interesse, mas não é sensível a íons interferentes. Por exemplo, um cristal de LaF3 pode funcionar como uma membrana de eletrodo para íons de fluoreto. Muitos eletrodos de ISEs comercial usam uma membrana de polímero para embutir espécies de íon-sensível que são sensíveis a Ca2+, NO3-, NH4+, ou outros íons comuns. Eletrodos de vidro que respondem a íons de metais alcalinos. Um eletrodo de vidro usado para medidas de pH, se for construído com vidro de cal sodada, será sujeito a um ''erro alcalino'' que provém do equilíbrio de troca iônica entre os íons hidrogênio em solução e os íons sódio da camada de vidro hidratado. Se a composição do vidro for alterada, assim também o será a posição do equilíbrio; se o sódio do vidro for substituído por lítio, virtualmente desaparecerá o "erro alcalino". Se a preferência pela troca de íon hidrogênio mostrada pelos vidros de cal sodada puder ser diminuída, outros cátions serão envolvidos no processo da troca iônica, e poderemos ter uma possibilidade de um eletrodo que responda a íons metálicos como o sódio e o potássio. O efeito requerido pode ser conseguido pela introdução de alumínio. Outros eletrodos de membrana sólida. A membrana de vidro dos eletrodos pode ser substituída por outros materiais, como um cristal único ou um material sólido de troca iônica; pode ser vantajoso incorporar-se o material da troca iônica num suporte inerte como a cera de parafina ou um polímero adequado. Eletrodos de membrana líquida. Um outro tipo de eletrodo íon seletivo é baseado no uso de materiais de troca iônica líquida; usualmente consistem num material de troca iônica dissolvido num solvente orgânico não miscível com a água em grande proporção; evita-se, assim, a mistura indevida de material do eletrodo com a solução a ser analisada.

18

São utilizados dois tipos de eletrodos: (A) aqueles nos quais o trocador líquido contém o íon ao qual o eletrodo responde, e (B) aqueles em que o trocador liquido é eletricamente neutro e não contém quaisquer íons. Eletrodos de membrana líquida, a solução do material que faz a troca iônica é colocada num tubo fechado por um diafragma poroso na extremidade inferior, e o eletrodo interno de prata-cloreto de prata numa solução o de cloreto de potássio (ou sódio) é instalado num tubo estreito que fica montado dentro do outro mais largo. A diferença de potencial de uma membrana íon-sensível é:

E = K + (2.303RT/nF)log (a) K é uma constante que responde a outros potenciais R é a constante geral dos gases T é temperatura n é a carga do íon (incluindo o sinal) F é a constante de Faraday a é a atividade do íon analito.

Um gráfico da medida do potencial contra o log da atividade (a) dará uma linha direta. ISEs são suscetíveis a várias interferências. Amostras e padrões são diluídos (1:1) com um ajustador de força iônico e tampão (TISAB). O TISAB consiste numa solução de NaCl 1M para ajustar a força iônica, um tampão ácido acético/acetato para controlar o pH, e um agente complexante do metal. Instrumentação Os ISEs consistem de uma membrana íon-seletivo, um eletrodo de referência interno, um eletrodo de referência externo, e um voltímetro. Um potenciômetro típico é mostrado na figura abaixo.

Desenho esquemático de um medidor de ISE

ISEs comerciais combinam freqüentemente os dois eletrodos em uma unidade que é anexada então a um pHmetro.

19

Foto de um ISE comercial de fluoreto

Eletrodo padrão de hidrogênio O eletrodo de hidrogênio. Todos os potenciais de eletrodo são referidos ao eletrodo de hidrogênio padrão e este deve, portanto, ser considerado como o eletrodo de referência primário. O eletrodo de platina é envolvido por um tubo externo, no qual o hidrogênio penetra por uma entrada lateral, escapando no fundo através da solução-teste. Existem diversos pequenos furos próximos ao fundo do sino; quando a velocidade de passagem do gás está adequadamente ajustada, o hidrogênio escapa apenas por estas pequenas aberturas. Em virtude da periódica formação de bolhas, o nível no interior do tubo flutua, sendo a parte da folha metálica alternativamente exposta à solução e ao hidrogênio. A parte de baixo da folha metálica fica permanentemente imersa na solução, para evitar a interrupção da corrente elétrica.

Embora o eletrodo de hidrogênio seja o eletrodo de referência primário, na prática são preferidos, para a maioria das finalidades, eletrodos de referência subsidiários que podem ficar montados permanentemente, ficando, assim, disponíveis para o uso imediato; estes evitam, desta forma, cuidados na montagem (incluindo a purificação do gás) que é requerida para se estabelecer um eletrodo de hidrogênio satisfatório. Quando usado como eletrodo padrão o eletrodo de hidrogênio opera numa solução que contém íons hidrogênio numa atividade constante (unitária) baseada, usualmente, no ácido clorídrico, e o gás deve estar a uma atmosfera de pressão. Este não é prático em trabalhos de rotina, pois requer uma corrente de hidrogênio puro a uma pressão determinada e, torna-se inativo por efeito de envenenamento da camada catalítica com traços de certas substâncias. Além disso, o eletrodo não pode ser usado na presença de agentes oxidantes ou redutores.

20

Eletrodo de Calomelano (Mercúrio/Cloreto Mercuroso) É o eletrodo de referência mais usado em virtude da facilidade de preparação e da constância do seu potencial. É constituído por um fio de platina em contato com calomelano (cloreto de mercúrio I) e uma solução de cloreto de potássio de concentração definida; esta concentração pode ser 0,1 mol/L, 1 mol/L ou a da solução saturada. Os eletrodos são conhecidos como o eletrodo de calomelano decimolar, o eletrodo de calomelano molar e o eletrodo de calomelano saturado. O eletrodo de calomelano saturado é o mais usado, em grande parte pelo efeito supressor dos potenciais de junção líquida proporcionado pela solução de cloreto de potássio saturada. No entanto, este eletrodo tem a desvantagem de o seu potencial variar rapidamente com a alteração da temperatura, em virtude das modificações da solubilidade do cloreto de potássio e de ser lenta a restauração de um potencial estável diante das perturbações do equilíbrio entre o calomelano e o cloreto de potássio. Os potenciais dos eletrodos decimolar e molar são menos afetados pela modificação de temperatura, e estes dois eletrodos são os preferidos nos casos em que se precisa de valores exatos dos potenciais eletródicos. A reação no eletrodo é:

Hg2Cl2(s) + 2e- 2 Hg(líq) + 2 Cl-

E o potencial do eletrodo é governado pela concentração do íon cloreto na solução. Existem eletrodos de calomelano compactos, prontos para o uso, que têm ampla aplicação, especialmente se acoplados a medidores de pH e a medidores seletivos de íons.

Eletrodo de Prata/Cloreto de Prata O eletrodo de prata-cloreto de prata. Este é, talvez, o eletrodo de referência mais importante em seguida ao eletrodo de calomelano. É constituído por um fio de prata, ou por um fio de platina prateada, com um revestimento eletrolítico de uma delgada camada de cloreto de prata; o fio é mergulhado em uma solução de cloreto de potássio, com concentração conhecida, saturada por cloreto de prata. Eletrodo de Dupla Junção Utilizado nos casos onde íon Ag (eletrodo Ag/AgCl), íon Hg (eletrodo de calomelano) e íons cloreto possam reagir ou complexar com o analito.

21

Eletrodos mais usados Eletrodos de pH O eletrodo de pH pertence ao grupo de eletrodos de membrana sólida, sendo o melhor dos eletrodos seletivos e é sensível aos íons hidrogênio. A composição dos eletrodos de vidro usados para medir o pH corresponde a silicatos com modificadores iônicos. A natureza do vidro usado para a construção dos eletrodos é um fator muito importante. Existem dois grandes tipos:

Membrana T: Na2O - CaO - SiO2 (22:6: 72)% Membrana U: Li2O - Cs2O2 - BaO - La2O3 - SiO2 (28:2: 4:3: 63)%

Os modificadores iônicos retardam a hidrólise do silicato. Quando se afunda o eletrodo em água, na capa superficial existe um processo de intercâmbio iônico entre o H+ da dissolução externa e o Na+ ou Li+ da membrana. A atividade da água na dissolução tem um papel muito importante na resposta do pH na membrana de vidro. Por isso, todos os eletrodos de vidro devem ser acondicionados durante um tempo na água, tampão diluído ou KCl, formando-se um gel sobre a membrana. Com esta capa sobre a membrana diminuem os erros quando medimos o pH em dissoluções de força iônica muito alta, ou quando estão presentes dissolventes não aquosos. O eletrodo de pH tem um eletrodo de referência interna (Ag/AgCl) submerso num tampão com sais de Cl - (pH=7), com uma membrana de vidro.

Nos eletrodos de vidro sensíveis à H+, a estabilidade química e a resistência elétrica estão sempre ligadas. A resistência elétrica dos eletrodos de pH, em função da composição da membrana, tamanho e forma, pode variar entre 5 e 500 MW. Assim, os eletrodos com boa estabilidade química em elevadas temperaturas, possuem uma resistência elétrica excessiva para baixas temperaturas. Contrariamente, eletrodos com boa resposta a baixas temperaturas degeneram rapidamente a altas temperaturas. Devido a esta contraposição, os eletrodos são desenhados de forma específica para certos tipos de temperatura e pH. Eletrodo de Vidro Sem duvida o mais importante eletrodo sensível ao pH é o eletrodo de vidro. Esse dispositivo se baseia no fato de membranas delgadas de certas variedades de vidro serem suscetíveis aos íons-hidrogênio. Se duas soluções estiverem separadas por essa membrana, aparecerá uma diferença de potencial entre suas duas superfícies, que é, no caso, proporcional ao logaritmo da razão das atividades do íon-hidrogênio das duas soluções:

Eg = ln = (0,0591) (pH2 – pH1) (a 25°C)

22

Uma forma típica de eletrodo de vidro é a forma de um tubo de ensaio terminando em bulbo de vidro de paredes delgadas sensível ao pH. Internamente contem uma solução tampão de cloreto de um eletrodo de referência, geralmente prata-cloreto de prata ou calomelano. O tubo está permanentemente fechado no alto. No uso, mergulha-se esse conjunto de eletrodos na solução da amostra junto com a ponte salina do eletrodo de calomelano ou de outro eletrodo de referencia. O eletrodo de vidro em relação a qualquer eletrodo de referência conveniente fornece um potencial que relaciona ao pH por uma expressão do tipo pH = (Ecela – EG) / 0,0591 (a 25°C) O termo Eg inclui o potencial dos eletrodos de referencia, interno e externo e, em adição, pequenos potenciais espuricos chamados potenciais de assimetria, provavelmente resultantes de diferenças de tensão do vidro. Eg é um constante para uma determinada associação de eletrodos, mas não podem ser calculados teoricamente. Por essa razão, é habito padronizar a associação de eletrodos medindo-se o potencial produzido quando se mergulham os eletrodos em um tampão-padrão. Considerando agora a situação que se origina quando um eletrodo de vidro, com um ECS interno em ma solução de pH 7 junto com um ECS externo. Resulta um sistema essencialmente simétrico:

Dessa simetria é evidente que teoricamente não se origina voltagem sob essas condições. Segue então da equação anterior Eg = Ecela – 0,0591 pH que Eg = 0 – (0,0591) (7) = -0,4137 e o pH da solução-teste é dado por

pH = = + 7 pode-se repetir esse tratamento para um eletrodo de vidro com qualquer valor de pH interno, digamos 5, caso em que a expressão resultante será

pH = + 5 Assim, qualquer combinação de eletrodos de vidros e de eletrodos de referência se caracteriza pó um pH de potencial zero definido. Deve-se notar que um coeficiente de temperatura de um par de eletrodos de vidro referencia inclui não apenas o coeficiente Nernst, mas também a variação da solubilidade com a temperatura dos sais pouco solúveis envolvidos. O coeficiente total seguira a inclinação de Nernst apenas se os eletrodos de referência, interno e externo, forem idênticos. Isto é, ambos ECS ou ambos os eletrodos de prata-cloreto de prata saturados com KCl. O eletrodo de vidro tornou-se extremamente importante na moderna prática analítica e industrial e por isso substitui praticamente outros sistemas sensíveis ao pH. Todavia apresenta limitações definidas. Pode dar leituras que são altas demais por uma unidade de pH, quando a solução apresentar pH 10 ou maior na presença de altas concentrações de íons-sódio. São disponíveis eletrodos especiais que apresentam baixos erros em sódio. A superfície do vidro pode absorver seletivamente alguns íons específicos, o que pode causar erros de medida. Geralmente, uma cuidadosa lavagem evita dificuldades. O eletrodo de vidro apresenta sérios erros em soluções de fluoreto mais acidas que pH 6. Vários fabricantes fornecem combinações de eletrodos de vidro e eletrodos de referencia. Em vários projetos, o eletrodo de referencia mantém contato com a solução da ponte salina (KCl ou outra) que esta em um recipiente anelar ao redor do eletrodo de vidro.

23

A solução salina age como uma blindagem eletrostática para o eletrodo de vidro de alta resistência. O eletrodo combinado tornou-se muito comum devido sua grande conveniência. O custo é menor que o eletrodo de vidro e referência separados, mas maior que o de um eletrodo de vidro sozinho. Dissoluções Tampão As dissoluções tampão são dissoluções aquosas de misturas de ácidos fortes e bases fracas ou de bases fortes com ácidos fracos, dando valores fixos de pH. As dissoluções tampão podem ser utilizadas quando o pH está entre 1 e 12.

pH a 25 ºC Composição para volume final de 100 mL

4,00 50 mL KH Ftalato (0,1 M) + 0,1 mL HCl (0,1 M)

7,00 50 mL KH2PO4 (0,1 M) + 29,1 mL NaOH (0,1 M)

9,00 50 mL Bórax (0,025 M) + 4,6 mL HCl (0,1 M)

10,00 50 mL Bórax (0,025 M) + 18,3 mL NaOH (0,1 M)

10,00 50 mL NaHCO3 (0,05 M) + 10,7 mL NaOH (0,1 M)

Calibração Antes de realizar medições, se utilizam padrões amortizadores, tampões, para validar a escala pH do instrumento: Ajustar o potencial de assimetria, colocando o eletrodo em tampão pH = 7. Coloca-se o eletrodo em um tampão diferente de pH 7, segundo a região onde se fazem as medições de pH. Nos pH-metros controlados por microprocessador não interessa a ordem em que se introduzem os tampões. Nos pH-metros, com comandos de ajuste, sim. Para medidas precisas de pH, a temperatura da amostra será a temperatura na qual estarão também os dois tampões de calibração. Se a amostra está a diferente temperatura que os tampões ou há mudanças importantes de temperatura entre as amostras, devemos considerar e para isso resulta muito prático utilizar uma sonda Pt100 de compensação automática de temperatura. Nos novos pH-metros podemos calibrar os dois tampões na mesma temperatura, e as amostras a outra distinta, já que diferencia a temperatura de calibração e a temperatura de medida. É possível ainda que não se disponha da sonda de temperatura Pt100. Cuidados com eletrodos de pH Armazenamento �Os eletrodos de pH sempre devem ser guardados num meio aquoso, nunca em seco. �Eletrodos de pH combinados: no eletrólito de referência. �Eletrodos de pH separado: em água destilada.

24

Limpeza do Diafragma �Contaminantes Orgânicos: Coloca-se o eletrodo em mistura crômica a 80ºC durante 5 minutos e depois se lava com água destilada. �Depois de feitas medições em dissoluções que contêm enxofre, o diafragma costuma ter uma cor preta, devida ao precipitado de Ag2S. Para limpá-lo, colocamos o eletrodo durante várias horas em uma dissolução ligeiramente ácida de 7% de tiourea, e lava-se muito com água. �Depois de feitas medições em dissoluções com baixa concentração de Cl-, o diafragma costuma ter uma cor marrom devido ao AgCl precipitado. Para limpá-lo, introduzimos o eletrodo por cima do diafragma em NH3 concentrado e o deixamos toda uma noite; ao dia seguinte enxágua-se bem com água destilada, renova-se o eletrólito de referência e recoloca-se durante uma hora no tampão de pH = 4. Se com as recomendações anteriores, não ficar limpo o diafragma, pode-se retirar a capa externa do diafragma com uma lixa muito delgada, com muito cuidado para não desgrudar o diafragma do corpo do eletrodo. Cuidado da Membrana de Vidro �Depois de medições em dissoluções não aquosas, colocar o eletrodo em água destilada entre medidas. �Depois de medições em meios que contêm proteínas, colocar o eletrodo várias horas em uma dissolução de pepsina (5% de pepsina em HCl 0,1 M) e lavar com H2O. Regeneração da Membrana de Vidro Colocar a membrana de vidro durante um minuto em uma dissolução de NH4HF2 a 10% ou alguns segundos em HF a 40%. Depois enxaguar durante 10 segundos em uma dissolução de HCl: H2O (1:1). Lavar com água destilada e manter o eletrodo durante 24 horas em KCl 3 M. Eletrodos Redox O potencial redox é uma medida da força de oxidação ou redução de um sistema redox, (e não é uma medida da atividade dos íons), sendo um fator importante para estimar o sentido do equilíbrio redox no transcurso de uma reação. O potencial redox é medido geralmente com condutores eletrônicos, em forma de metais nobres (Pt, Au), ou eletrodos de carvão. Estes eletrodos não são totalmente independentes das influências de outros íons, portanto o eletrodo de Au dá uma resposta frente aos ciano e cloro, complexos formados com o Au +. A equação de Peters relaciona o potencial no eletrodo redox EWE e as atividades iônicas aox e ared.

EWE = Eº + (RT / nF). ln (aox / ared )

Se no equilíbrio redox também tomam parte os prótons H+ :

Ox + n e - + mH+ + Red

Podemos expressar a equação de Peters como:

EWE = Eº + (RT / nF). ln (aox . H m / ared) EWE = Eº + ( 0,1984/n) . (273,16 + T) . (log aox _ log ared _ m pH)

Assim para o sistema:

Cr2 O7 2- + 6e- + 14 H+ < - - - - - - -> 2Cr+3 + 7H2 O EWE = Eº + (0,1984575 / 6). T. (log Cr2 O7 2- _ 2. log Cr+3 _ 14 pH).

O potencial redox deste sistema está fortemente influenciado pelo valor de pH. Inclusive para sistemas redoxes nos que não aparecem de forma direta a influência dos prótons H+, o potencial redox também pode variar em função do pH por mudanças de espécie, formação de hidróxidos, ação de complexantes ou precipitantes.

25

Controle dos eletrodos redox Quando o eletrodo responde corretamente, não é necessária a calibragem. Porém, os eletrodos de metais nobres podem dar indicações de potenciais falsos, que são dependentes de sua história, e também pode acontecer que o potencial do eletrodo de referência se for combinado esteja equivocado. Por isso, é conveniente checar os potenciais que medem o eletrodo redox, para o qual se necessitam dissoluções com um valor de potencial redox definido. Existem dois métodos de checar os eletrodos redox: a. - Com uma dissolução redox standard preparada para seu uso frente a um eletrodo de referência de Ag / AgCl, KCl (3M): 1 g/L K2Cr2O7 em uma dissolução de pH = 7,00 (25 ºC)

T ºC 10 20 25 30 40 50 60

E (mV) 5 mV + 265 + 250 + 243 + 236 + 221 + 207 + 183

pH 7,06 7,02 7,00 6,99 6,98 6,97 6,97

b. - Com uma dissolução de quinidrona (QH) em um meio tamponado ácido ou neutro (não alcalino), a qual tem um potencial redox bem definido. Calibragem de Eletrodos Redox: Tomam-se duas dissoluções tampão de pH 4 e 7 e agrega-se quinidrona (p.a), com agitação até a saturação. Deve observar-se um excesso de quinidrona, aproximadamente 0,5 gramas de quinidrona em 50 mL de tampão. O par de eletrodos a checar se coloca nas dissoluções tampão com a quinidrona. Os potenciais dos eletrodos de Platina e Ouro em perfeitas condições seriam as seguintes:

EWE = EºQH _ 0,1984575. (273,16 + T). pH

T (ºC) EºQH (mV)

5 + 714,3

10 + 710,7

15 + 707,0

20 + 703,4

25 + 699,7

30 + 696,0

26

Os potenciais do par de eletrodos (eletrodo metal precioso / eletrodo de referência) são a 20 ºC:

pH E = E WE _ E ER

ESCE (20ºC) E Ag /AgCl (20ºC)

3,99 223,1 259,3

7,02 47,3 83,5

Os valores medidos podem variar às vezes em uns poucos milivolts devido a mudanças no potencial de difusão do eletrodo de referência e à quantidade de quinidrona utilizada. Cuidados com os Eletrodos Redox Se o eletrodo de referência está em perfeitas condições e obtemos potenciais errados, significa que o eletrodo de metal está contaminado ou passivado (formação de óxidos sobre a superfície metálica) e devemos proceder a sua limpeza segundo as instruções do próprio eletrodo. Existem três soluções: a - Colocar o eletrodo na dissolução de pH 4 saturada com quinidrona (+ 470,8 mV) durante umas horas e lavar com água. b - Outra solução consiste em conectar o eletrodo ao pólo negativo de uma fonte de corrente elétrica (bateria). O pólo positivo a um contra-eletrodo inerte, e se realiza uma eletrólise durante 3 minutos em ácido sulfúrico diluído, aplicando uma corrente de 10 mA. c - Se a superfície do metal está suja pode-se limpar com pó abrasivo e depois com H2O. Inclusive, se o eletrodo é de barra e se pode separar do corpo do eletrodo, se poderá esquentar no fogo até o vermelho vivo. Seleção do tipo de Eletrodo Redox Os eletrodos de Pt são os mais utilizados. Os eletrodos de Au podem ser uma melhor escolha frente a Pt em medidas ou valorizações redox que aconteçam em pH alcalino. A forma do eletrodo também é muito importante. Se a amostra é muito heterogênea (precipitados) ou se a superfície do eletrodo pode estar sujeita a uma passivação forte durante a análise, são melhores os eletrodos em forma de dedal frente aos de fio. Os eletrodos de barra sólida têm muita durabilidade. Podem ser limpos no fogo. São selecionados para medir em dissoluções corrosivas ou altamente contaminadas. 8. Titulações Potenciométricas Na titulação potenciométrica, também chamada de potenciometria relativa, mede-se a f.e.m. da célula no curso da titulação. As titulações, como sabemos, são acompanhadas de variações bruscas de concentração nas imediações do ponto de equivalência, o que provoca uma variação brusca no potencial do eletrodo indicador e, portanto, também na f.e.m. da célula. A titulação potenciométrica é uma técnica de localização do ponto final na análise volumétrica, aplicável sempre que se dispuser de um eletrodo indicador para a espécie desejada. São feitas sucessivas medições da f.e.m. da célula, sendo cada uma delas após a adição de um certo volume de solução titulante adequada. A seguir relacionam-se esses potenciais com o volume de solução titulante consumida.

pH EWE (mV) 20 ºC

3,99 + 470,8

7,02 + 295,0

27

As medições feitas no decorrer da titulação potenciométrica são relativas e informaram sobre as variações ocorridas no potencial da célula. Através delas, pode-se estabelecer com precisão o ponto de equivalência que determinará a concentração da espécie sob análise. A titulação potenciométrica é mais trabalhosa do que a técnica volumétrica com indicadores visuais e requer equipamento especial, mas ela apresenta uma série de vantagens sobre a técnica convencional: • Maior sensibilidade e pode ser aplicada a soluções bem diluídas; • Pode ser empregada para soluções coloridas ou turvas, pois dispensa o uso de indicadores visuais; • Pode ser aplicada para certas reações que não disponham de indicadores visuais adequados; • Pode-se determinar sucessivamente vários componentes; • Pode ser aplicada em meio não aquoso; • Pode ser adaptada a instrumentos automáticos. Em 1955, surgiram as primeiras buretas de pistão motorizadas, permitindo a automatização das titulações, acima de tudo com maior precisão na dosagem. As titulações potenciométricas, hoje em dia, podem ser executadas manual ou automaticamente, com ou sem registro da curva. Titulação potenciométrica diferencial. À medida que o ponto final de uma titulação é aproximado a f.e.m. do sistema, muda mais rapidamente. É possível medir-se diretamente processo este que é chamado de titulação potenciométrica diferencial. O resultado desejado é conseguido colocando-se dois eletrodos indicadores idênticos (e.g., fios de platina) na solução a ser titulada, mas um destes (o eletrodo isolado) está numa pequena porção do liquido que esta separada do corpo principal da solução, portanto, isolado da reação imediata com o titulante. A principal vantagem do método diferencial é que não requer um eletrodo de referência; e mais lento e menos pratico do que a técnica da titulação até o potencial do ponto de equivalência. Os métodos diferenciais não são adequados para titulações em que os eletrodos atingem o equilíbrio muito rapidamente na solução. Na titulação manual, trabalha-se com um pH-metro e um grupo de titulação, que compreende uma bureta de pistão, montada junto com um agitador sobre uma base compacta. Esse tipo de titulação potenciométrica requer o controle constante das diversas etapas, anotando o volume de reagente dosado e o respectivo potencial, dados que posteriormente são utilizados para construir a curva de titulação, de onde é calculado o volume de reagente gasto até o ponto de equivalência e a concentração da espécie analisada. Titulações automáticas dispensam todas as operações manuais e representam um grande avanço sobre as automatizadas, que dependem de operações manuais e são comumente encontradas nos laboratórios de controle de qualidade de matérias-primas ou de produtos finais, enquanto que as titulações automáticas são empregadas na área industrial. Ligando-se um registrador a um potenciômetro operado na rede, é possível produzir-se diretamente uma curva de titulação relacionada com uma titulação potenciométrica que esteja em curso. Se a liberação do titulante da bureta for ligada ao movimento do papel do registrador, o processo se tornara automático. Muitas firmas colocaram no mercado, unidades de titulação que realizam esta função. Um exemplo típico é o "Potenciógrafo" inclui a unidade de controle rolo de papel de registro ligado a um pistão de bureta movido a motor, e ao conjunto de eletrodos do vaso de titulação; a alimentação do papel do registrador e emparelhada com a transmissão do motor do pistão da bureta e a pena do registrador acompanha a mudança na f.e.m. do conjunto de eletrodos. A automação também tem sido estendida à interrupção do titulante quando o potencial do eletrodo indicador atinge o valor correspondente ao ponto de equivalência da titulação que se esta considerando; esta particularidade e nitidamente de grande valor quando se trata de fazer um certo número de titulações repetitivas. E necessário fazer um experimento preliminar para se determinar o potencial do ponto de equivalência do eletrodo indicador (ou, mais precisa-mente, a f.e.m. do) ponto de equivalência para a combinação de eletrodo indicador-eletrodo de equivalência que esta em uso e prevenir que se ultrapasse o ponto final provendo condições para reduzir a velocidade de adição do titulante à medida que se aproxima o ponto final.

28

Tipos de titulação Dentro do método de indicação potenciométrica, podemos executar normalmente as titulações que envolvem as reações de neutralização, de precipitação (ou complexação) e de óxido-redução.

Aparelhos Potenciométricos

736 GP Titrino Metrohm

Possui cartão de memória e uma memória interna grande para métodos bem organizados e dados de amostras. Futura-tecnologia de prova em um espaço mínimo. Transferência de método rápido e sem defeito de um instrumento até outros, através de bordas e continentes. Potenciometria com Eletrodos Seletivos

Mediante esta técnica se mede o potencial desenvolvido entre um eletrodo e a dissolução de medição ou amostra, dependendo do potencial da concentração de um íon em particular. Esta técnica se utiliza principalmente para as análises de ânions, tais como: F-, Cl-, Br-, CN-, NO3- , etc PHmetros (Medidores de bolso, portáteis e de laboratórios) A forma rápida e precisa para medição de pH. Faixa de leitura 0,00 a 14,00pH com a resolução de 0,001pH

29

9. Cromatografia A Cromatografia Gasosa (CG) é uma técnica para separação e análise de misturas de substâncias voláteis. A amostra é vaporizada e introduzida em um fluxo de um gás adequado denominado de fase móvel ( FM) ou gás de arraste. M. TSWEET (1903): Separação de misturas de pigmentos vegetais em colunas recheadas com adsorventes sólidos e solventes variados. Princípio Básico: Separação de misturas por interação diferencial dos seus componentes entre uma FASE ESTACIONÁRIA (líquido ou sólido) e uma FASE MÓVEL (líquido ou gás). Modalidades e Classificação Cromatografia Gasosa (CG) É uma técnica para separação e análise de misturas de substâncias voláteis. A amostra é vaporizada e introduzida em um fluxo de um gás adequado denominado de fase móvel (FM) ou gás de arraste.

Éter de petróleo

CaCO3

Mistura de pigmentos

pigmentos separados

Cromatografia = kroma [cor] + graph [escrever](grego)

Fase Móvel = Líquido Cromatografia Líquida (CL)

Fase Móvel = Gás Cromatografia Gasosa (CG)

Em CG a Fase Estacionária pode ser:

Sólida

Líquida

Cromatografia Gás-Sólido (CGS)

Cromatografia Gás-Líquido (CGL)

30

Aplicabilidade Quais misturas podem ser separadas por CG ? Para uma substância qualquer poder ser “arrastada” por um fluxo de um gás ela deve ser dissolver - pelo menos parcialmente nesse gás. Misturas cujos constituintes sejam VOLÁTEIS (=“evaporáveis”) De Forma Geral CG é aplicável para separação e análise de misturas cujos constituintes tenham PONTOS DE EBULIÇÃO de até 300oC e que termicamente estáveis. O Cromatógrafo a Gás 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). Observação: 2, 3 e 4 com temperatura controlada Este fluxo de gás com a amostra vaporizada passa por um tubo contendo a fase estacionária FE (coluna cromatográfica), onde ocorre a separação da mistura. A FE pode ser um sólido adsorvente (Cromatografia Gás-Sólido) ou, mais comumente, um filme de um líquido pouco volátil, suportado sobre um sólido inerte (Cromatografia Gás-Líquido com Coluna Empacotada ou Recheada) ou sobre a própria parede do tubo (Cromatografia Gasosa de Alta Resolução). Na cromatografia gás-líquido (CGL), os dois fatores que governam a separação dos constituintes de uma amostra são: - a solubilidade na FE: quanto maior a solubilidade de um constituinte na FE, mais lentamente ele caminha pela coluna. - a volatilidade: quanto mais volátil a substância (ou, em outros termos, quanto maior a pressão de vapor), maior a sua tendência de permanecer vaporizada e mais rapidamente caminha pelo sistema. As substâncias separadas saem da coluna dissolvidas no gás de arraste e passam por um detector; dispositivo que gera um sinal elétrico proporcional à quantidade de material eluido.

1

2

3

4

6

5

31

O registro deste sinal em função do tempo é o cromatograma, sendo que as substâncias aparecem nele como picos com área proporcional à sua massa, o que possibilita a análise quantitativa. Instrumentação Básica Os constituintes básicos de um sistema cromatográfico são: 1- Reservatório de Gás de Arraste. O gás de arraste fica contido em cilindros sob pressão. Assim, a escolha do gás de arraste independe da amostra a ser separada. O parâmetro mais importante é a sua compatibilidade com o detector (alguns detectores trabalham melhor quando se usam determinados gases). Os gases mais empregados são H2, He e N2 e a vazão do gás de arraste, que deve ser controlada, é constante durante a análise. Fase Móvel em CG: NÃO interage com a amostra, apenas a carrega através da coluna. Assim é usualmente referida como GGÁÁSS DDEE AARRRRAASSTTEE Requisitos do gás de arraste - 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. - CUSTO Gases de altíssima pureza podem ser muito caros. - COMPATÍVEL COM DETECTOR Cada detector demanda um gás de arraste específico para melhor funcionamento. (Seleção de Gases de Arraste em Função do Detector). Alimentação de Gás de Arraste � controladores de vazão / pressão de gás. � dispositivos para purificação de gás (“traps”) a - Cilindro de Gás b - Regulador de Pressão Primário c - “Traps” para eliminar impurezas do gás d - Regulador de Pressão Secundário e - Regulador de Vazão (Controlador Diferencial de Fluxo) f - Medidor de Vazão (Rotâmetro) 2 - Sistema de Introdução de Amostra. Na CG, a seção do cromatógrafo gasoso onde é feita a introdução da amostra é o injetor (ou vaporizador). Na versão mais simples, trata-se de um bloco de metal conectado à coluna cromatográfica e à alimentação de gás de arraste.

a

b

c

d

e

f

32

Este bloco contém um orifício com um septo, geralmente de borracha de silicone, pelo qual amostras líquidas ou gasosas podem ser injetadas com microseringas hipodérmicas. Amostras sólidas podem ser dissolvidas em um solvente adequado. O injetor deve estar aquecido a uma temperatura acima do ponto de ebulição dos componentes da amostra, para que a amostra se volatilize completa e instantaneamente e seja carregada para a coluna. Se a temperatura for excessivamente alta, pode ocorrer decomposição da amostra. A amostra deve entrar na coluna na forma de um segmento estreito, para evitar alargamento dos picos. A quantidade de amostra injetada depende da coluna e do detector empregado. Para colunas empacotadas, volumes de 0,1 µ l a 3,0 µ l de amostra líquida são típicos. Volumes altos prejudicam a qualidade de injeção (alargamento dos picos) ou saturam a coluna cromatográfica. Para a cromatografia gasosa de alta resolução (CGAR), os volumes de injeção deveriam ser da ordem de nanolitros. Entretanto, não existe meio simples de se medir um volume tão pequeno com a precisão necessária. Assim, os injetores para CGAR são dotados de "divisão de amostra", de modo que apenas uma fração do volume injetado (tipicamente entre 1/10 e 1/300) chega à coluna, sendo o restante descartado. Os dispositivos para injeção (INJETORES ou VAPORIZADORES) devem prover meios de introdução INSTANTÂNEA da amostra na coluna cromatográfica.

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 Injetor “on-column” Convencional

1

2

3

4

1 - Septo (silicone) 2 - Alimentação de gás de arraste) 3 - Bloco metálico aquecido 4 - Ponta da coluna cromatográfica

COLUNA Amostras Gasosas

Amostras Líquidas

empacotada

∅ = 3,2 mm (1/4”) 0,1 ml ... 50

mL 0,2 µL ... 20

µL

capilar

∅ = 0,25 mm 0,001 ml ... 0,1 mL

0,01 µL ... 3

µL

33

Microsseringas para Injeção (10 µµµµL) Injeção “on-column” de líquidos 3- Coluna Cromatográfica e Controle de Temperatura da Coluna. Após injetada e vaporizada, a amostra é introduzida na coluna cromatográfica, onde é efetuada a separação. Na CG a "afinidade" de um soluto pela FM é determinada pela volatilidade do soluto, sua pressão de vapor, que é função da estrutura do composto e da temperatura. Alterando-se a temperatura, altera-se também a pressão de vapor e, por conseguinte, a "afinidade" de uma substância pela FM. Se a temperatura da coluna for excessivamente baixa, todos os constituintes da amostra terão pressões de vapor muito baixas e ficarão quase que todo o tempo dissolvidos na FE, fazendo com que a sua migração pela coluna será muito lenta. O resultado pode ser um tempo excessivo de análise e picos muito largos e baixos (quanto mais tempo a substância passa na coluna, mais ela se espalha). Eventualmente, o composto pode nem sair da coluna. Por outro lado, uma temperatura muito alta implica pressões de vapor também muito grandes e os compostos quase não passam tempo nenhum dissolvido na FE, saindo muito rapidamente da coluna sem serem separados. Assim, a temperatura da coluna é uma condição que deve ser ajustada para se obter uma determinada separação. Além de considerações sobre a separação, a temperatura empregada deve ser compatível com a FE empregada, pois as FE líquidas se volatilizam ou se degradam com temperaturas excessivas. A temperatura da coluna deve ser rigorosamente controlada, para assegurar a reprodutibilidade das análises. No caso de amostras contendo constituintes com pressões de vapor muito diferentes, se a temperatura for ajustada para separação adequada dos compostos menos voláteis (temperaturas altas), os voláteis serão muito pouco retidos e não serão separados.

1 - Ponta da agulha da microseringa é introduzida no início da coluna. 2 - Amostra injetada e vaporizada instantâneamente no início da coluna. 3 - “Plug” de vapor de amostra forçado pelo gás de arraste a fluir pela coluna.

êmbolo

Corpo (pirex)

Agulha (inox 316)

34

Por outro lado, se o acerto for feito para separar os voláteis (temperaturas baixas), os constituintes pesados se apresentarão sob a forma de picos excessivamente largos e baixos ou ficarão retidos na coluna. Este problema pode ser contornado usando a programação linear de temperatura (PLT), através da qual a temperatura da coluna vai sendo aumentada gradualmente durante a análise. A PLT permite separações de amostras muito complexas (petróleo, óleos essenciais, etc.), não analisáveis com temperatura de coluna constante (CG Isotérmica). Colunas: Definições Básicas A coluna cromatográfica é o local onde ocorre a interação entre a amostra e a FE. Existem duas geometrias básicas de colunas para CG: as colunas empacotadas (ou recheadas), e as colunas tubulares abertas (ou capilares). Nas colunas empacotadas, a FE líquida é depositada sob a forma de um filme fino e uniforme sobre partículas de um suporte adequado. O suporte deve ser um sólido poroso com grande área superficial, inerte e de boa resistência mecânica. O tamanho das partículas e dos poros deve ser o mais uniforme possível. O material mais empregado como suporte é a diatomite, esqueletos fósseis de algas microscópicas (diatomáceas), compostos principalmente de SiO2 amorfa e traços de óxidos metálicos. Muitas vezes, o material é submetido a tratamentos químicos para diminuir a sua atividade superficial, e torná-lo mais inerte. A diatomite preparada para suporte de CG é comercializada com o nome de "Chromosorb", dentre outros. Forno da Coluna Nas colunas tubulares abertas (genericamente denominadas de "colunas capilares"), a FE é depositada na forma de um filme sobre a superfície interna de um tubo fino. A sua grande vantagem sobre as colunas empacotadas é que, pelo fato de serem tubos abertos, podem ser feitas colunas capilares de grandes comprimentos. Como, quanto maior o comprimento, mais pratos teóricos contém a coluna (e maior a sua eficiência), colunas capilares são muito mais eficientes que as empacotadas. Normalmente, encontram-se colunas de 5 m até 100 m, embora já tenha sido fabricada uma coluna com 2175 m. Podem-se empregar tubos metálicos, de vidro ou de sílica fundida, sendo os últimos atualmente os preferidos pela sua flexibilidade e inércia química. Nas colunas empacotadas, o desempenho é afetado pelo diâmetro e uniformidade das partículas do recheio e pela carga de FE. Nas colunas capilares, são importantes o diâmetro interno da coluna e a espessura do filme de FE. Quanto mais fina for a coluna, mais eficiente ela será. Entretanto, colunas muito estreitas suportam pouca FE, o que diminui a sua seletividade. Tipicamente, usam-se colunas com diâmetros internos entre 0,1 mm e 0,5 mm. A espessura do filme de FE equivale à percentagem de FE das colunas empacotadas, de modo que quanto mais espesso for o filme, maior a retenção e a seletividade.

EMPACOTADA φφφφ = 3 a 6 mm L = 0,5 m a 5 m Recheada com sólido pulverizado (FE sólida ou FE líquida depositada sobre as partículas do recheio)

CAPILAR φ = 0,1 a 0,5 mm L = 5 m a 100 m Paredes internas recobertas com um filme fino (fração de µµµµm) de FE líquida ou sólida

35

Filmes excessivamente espessos causam alargamento dos picos e grandes tempos de análise. Normalmente, empregam-se filmes de 0,1 µ m a 3,0 µ m. As FE são as mesmas usadas para colunas empacotadas. Muitas vezes, para minimizar as perdas de fase por volatilização durante o uso, a FE é fixada às paredes do tubo por algum meio. Pode-se polimerizar parcialmente a fase após a deposição (fases imobilizadas) ou então ligá-la quimicamente às paredes (fase ligada). A capacidade de processamento de amostra das colunas capilares é menor que aquela das empacotadas. Dependendo da coluna, ela pode ser saturada com quantidades tão pequenas quanto 0,001 µ l de amostra. Como a injeção direta de volumes de amostra desta ordem de grandeza é inviável, deve-se recorrer ao artifício da divisão de amostra na injeção. Porém, o uso de divisão de amostra apresenta alguns inconvenientes. É difícil ajustar reprodutivelmente a razão de divisão (fração da amostra injetada que entra na coluna), o que pode acarretar erros na análise quantitativa. Além disso, amostras contendo constituintes com volatilidades muito diferentes podem ser alteradas pela divisão: a fração da amostra que realmente vai para a coluna fica enriquecida com os componentes menos voláteis. Dada a grande eficiência das colunas capilares, podem ser realizadas separações de misturas extremamente complexas: frações de petróleo, essências, amostras biológicas, etc. No caso específico de análises de interesse ambiental (poluentes em águas e ar, por exemplo), é quase que obrigatório o seu uso. A tendência atual é que a maioria das análises seja feita com o uso de colunas capilares. Isto não significa que as colunas empacotadas estão sendo abandonadas, porém o seu uso deve ficar restrito à aplicações específicas. 4. Detector. O último bloco de um CG é o detector. O detector é um dispositivo que indica e quantifica os componentes separados pela coluna, geram um sinal elétrico proporcional à quantidade eluida de um analito. Gráfico Sinal x Tempo = CROMATOGRAMA. Idealmente: cada substância separada aparece como um PICO no cromatograma. Um grande número de detectores tem sido descritos e usados em CG. Existem, entretanto, algumas características básicas comuns para descrever seu desempenho: - Seletividade. Alguns detectores apresentam resposta para qualquer substância diferente do gás de arraste que passe por ele. Estes são os chamados detectores universais. Por outro lado, existem detectores que respondem somente a compostos que contenham um determinado elemento químico em sua estrutura, que são os detectores específicos. Entre estes dois extremos, alguns detectores respondem a certas classes de compostos (detectores seletivos). - Ruído. São os desvios e oscilações na linha de base (sinal do detector quando só passa o gás de arraste). Pode ser causado por problemas eletrônicos, impurezas e sujeiras nos gases e no detector, etc. Por melhor que seja o funcionamento do sistema, sempre existe ruído. - Tipo de Resposta. Alguns detectores apresentam um sinal que é proporcional à concentração do soluto no gás de arraste; em outros, o sinal é proporcional à taxa de entrada de massa do soluto no detector. Isto depende do mecanismo de funcionamento de cada detector. - Quantidade Mínima Detectável (QMD). É a quantidade de amostra mínima para gerar um sinal duas vezes mais intenso que o ruído. É uma característica intrínseca do detector. Quanto menor a QMD, mais sensível o detector. QMD é a Massa de um analito que gera um pico com altura igual a três vezes o nível de ruído.; RUÍDO: Qualquer componente do sinal gerado pelo detector que não se origina da amostra

S I N A L (S) RUÍDO (N)

= 3 S

N

36

- Faixa Linear Dinâmica. É a razão entre a menor e a maior massa entre as quais o fator de resposta de um detector para um soluto é constante, isto é, onde a curva de calibração é linear. Os dois detectores mais significativos em CG são o Detector por Condutividade Térmica (DCT) e o Detector por Ionização em Chama (DIC). - Limite de Deteção: Quantidade de analito que gera um pico com S/N = 3 e wb = 1 unidade de tempo. Mesmo detector, nível de ruído e massa de analito MAS diferentes larguras de base: Definindo limite de detecção como: LD= QMD/Wb - Fator de Resposta. É a intensidade de sinal gerado por uma determinada massa de soluto, que depende do detector e do composto estudado. Pode ser visualizado como a inclinação da reta que correlaciona o sinal com a massa de um soluto (curva de calibração). Quanto maior o fator de resposta, mais confiável a análise quantitativa.

MASSA

Á R E A

A partir de certo ponto o sinal não aumenta mais linearmente

MASSA

Á R E A

Fator de Resposta, S: inclinação da reta Área do pico x Massa do

wb

37

Detector por condutividade térmica (DCT ou TCD) O funcionamento do DCT é baseado no fato de que a velocidade de perda de calor de um corpo quente para um corpo mais frio é proporcional, dentre outros fatores, à condutividade térmica do gás que separa estes corpos. Um filamento metálico muito fino (de W, Au ou liga W-Re) é aquecido pela passagem de uma corrente elétrica constante. Este filamento fica montado dentro de um orifício em um bloco metálico (cela), aquecido à uma temperatura mais baixa que aquela do filamento, por onde o gás de arraste proveniente da coluna passa continuamente.

Enquanto passar gás de arraste puro pela cela, a taxa de perda de calor do filamento para o bloco é constante e a temperatura do filamento não varia. Quando um componente é eluido da coluna, ele sai misturado com o gás de arraste e passa pelo detector. Se a condutividade desta mistura for diferente daquela do gás de arraste puro, o filamento passa a perder calor para o bloco numa taxa diferente daquela do equilíbrio. Por exemplo, se a taxa de perda de calor diminuir, o filamento se aquece quando a amostra é eluida. O aquecimento do filamento causa uma variação na sua resistência elétrica e a resistividade de um metal aumenta com a temperatura. O filamento é montado em um circuito de ponte de Wheatstone, que converte a variação na resistência elétrica do filamento numa variação de voltagem, que é coletada em um registrador gerando o cromatograma. O DCT é um detector universal, sensível à concentração do soluto no gás de arraste. Geralmente, quando se usa DCT, o gás de arraste é He ou H2. Pelo fato destes gases terem condutividades térmicas altíssimas, as misturas gás de arraste mais o soluto sempre terão condutividades térmicas menores que a do gás de arraste puro, o que impede sinais negativos, além de se obter maiores fatores de resposta. Entretanto, ele é considerado um detector pouco sensível. A QMD de um modelo moderno, para propano, é de 400 pg/ml de gás de arraste, com faixa linear de 106. Apesar disso, o fato de ser universal, barato e de operação simples, o faz extremamente útil para análises que não necessitem de alta sensibilidade. Detector por ionização de chama (DIC ou FID) Durante a queima de um composto orgânico, são formados diversos íons e como conseqüência, a chama resultante torna-se condutora de eletricidade. O funcionamento do DIC baseia-se neste fenômeno. O gás de arraste saindo da coluna cromatográfica é misturado com H2 e queimado com ar ou O2. A chama resultante fica contida entre dois eletrodos, polarizados por uma voltagem constante.

38

Como a chama de H2 forma poucos íons, ela é um mau condutor elétrico e quase nenhuma corrente passa entre os eletrodos. Ao eluir um composto orgânico, ele é queimado e são formados íons na chama, que passa a conduzir corrente elétrica. A corrente elétrica resultante, da ordem de pA, é amplificada e constitui o sinal cromatográfico. Quase todos compostos orgânicos podem ser detectados pelo DIC. Apenas substâncias não inflamáveis (CCl4, H2O) ou algumas poucas que não formam íons na chama (HCOOH) não dão sinal. Assim, ele é um detector praticamente universal. De um modo geral, quanto ligações C-H tiver o composto, maior a sua resposta (maior sensibilidade). Ele é muito mais sensível que o DCT, pois dependendo do composto, podem ser detectados entre 10 pg e 400 pg, com faixa linear dinâmica de 107. Provavelmente é o detector mais usado em CG. Detector por Captura de Elétrons (DCE) PRINCÍPIO: Supressão de um fluxo de eletrons lentos (termais) causada pela sua absorção por espécies eletrofílicas. O DCE É O DETECTOR PREFERENCIAL PARA ANÁLISES DE TRAÇOS DE ORGANOALOGENADOS E SIMILARES. Na passagem de uma substância eletrofílica alguns eletrons são absorvidos, resultando uma supressão de corrente elétrica. Fases estacionárias (FE) Na CG existe um grande número de fases estacionárias líquidas e sólidas disponíveis comercialmente, de modo que a natureza da FE é a variável mais importante na otimização da seletividade. As FE líquidas são as mais empregadas em CG. FE sólidas (carvão ativo, sílica, peneiras moleculares e polímeros porosos) são aplicadas para separação de gases e compostos de baixa massa molar. Em princípio, para um líquido ser usado como FE em CG ele deve ser pouco volátil (pressão de vapor até 0,1 mmHg ou 13,332 Pa na temperatura de trabalho) e termicamente estável. Para esta fase ser empregada em uma separação em particular, ela precisa: - ser um bom solvente para os componentes da amostra, caso contrário o efeito será o mesmo de temperaturas de coluna excessivamente altas (os compostos ficarão quase que o tempo todo no gás de arraste, sendo eluidos muito rapidamente e sem separação); - ser um bom solvente diferencial, isto é, além de dissolver bem todos os constituintes da amostra, fazê-lo com solubilidades suficientemente diferentes para que eles possam ser separados; e - ser quimicamente inerte em relação à amostra. Via de regra, FE com estruturas similares à da amostra dissolverão melhor seus constituintes, provendo melhores seletividades e separações. FE polares dissolvem melhor compostos polares, etc. Por exemplo: hidrocarbonetos podem ser separados eficientemente usando esqualano (um alcano de massa molar elevada).

Geração de elétrons lentos pela interação entre a radiação β, moléculas do gás de arraste G e moléculas de bloqueador (“quencher”) Q b - + G → G + + e - + e* ± energia b - + G → G* + Q → G + e - + Q ± energia Eletrons lentos são capturados pela espécie eletrofílica AB AB + e - → AB - + energia. O decréscimo na corrente elétrica fluindo pela cela de detecção é proporcional à concentração a da espécie absorvente no gás de arraste.

39

As FE mais populares são os silicones. Silicones são polímeros extremamente estáveis e inertes, o que os torna especialmente adequados à CG. Nesta classe, as polidimetilsiloxanas são os menos polares. A substituição dos grupos metila na cadeia por outros grupos (fenil, ciano, trifluoropropil, etc.) fornece FE com polaridades crescentes. Deste modo, eles podem ser empregados na separação de misturas das mais diversas polaridades. Comercialmente, são disponíveis sob diversas denominações, muitas delas praticamente equivalentes. SE-30, OV-1 e DC-200 são nomes comerciais para polidimetilsiloxano de fabricantes diferentes. Outra classe de FE importante é a dos poliglicóis. São polímeros de etilenoglicol e epóxido, preparados com diferentes tamanhos de cadeia polimérica. São FE moderadamente polares, adequadas para separação de álcoois, aldeídos, éteres, etc. A denominação comercial "Carbowax" designa a série de poliglicóis mais conhecida (p.ex., Carbowax 20M é polietilenoglicol com massa molar média de 20.000.000 g/mol). Um terceiro grupo importante de FE é o dos poliésteres. São obtidos por condensação de diácidos com glicóis. São fases altamente polares. As fases mais comuns desta categoria são o succinato de dietilenoglicol (DEGS) e o adipato de dietilenoglicol (DEGA). 10. Cromatografia Gasosa Acoplada a Espectrometria de Massas Espectrometria de Massa Na espectrometria de massa, a amostra é bombardeada com um feixe de elétrons, resultando íons moleculares e fragmentos iônicos das espécies originais. Os íons positivos resultantes podem ser separados segundo suas relações de massa/carga (m/e). A resolução das várias espécies baseia-se nas diferenças dos percursos iônicos em um campo magnético, um campo elétrico ou ambos; a resolução também é possível com base nas diferenças das velocidades iônicas em um espaço livre de campo. As quantidades relativas dos diferentes íons formados em um espectrômetro de massa, sob condições específicas, podem ser representadas em função da relação m/e. A representação constitui o espectro de massa, que mostra a distribuição das espécies iônicas e suas abundâncias relativas. Componentes Básicos Os espectrômetros de massa, embora relativamente simples o princípio em que se baseiam, são instrumentos complexos e dispendiosos. Existem vários tipos, mas a todos são comuns alguns componentes básicos, a saber: 1) dispositivo para a introdução da amostra; 2) câmara de ionização e sistema de aceleração; 3) separador de íons; 4) coletor de íons e sistema de amplificação e registro da corrente iônica.

40

A amostra e volatilizada e introduzida lentamente na câmara de ionização, mantida a uma pregão de cerca de KT* mm de mercúrio. As moléculas da amostra são bombardeadas por um feixe de elétrons que fluem do filamento aquecido em direção a um ânodo. Em conseqüência do impacto, formam-se tanto íons positivos como íons negativos: porem, predominam os íons positivos cm que se baseiam as aplicações analíticas. Os íons positivos são separados dos íons negativos mediante um pequeno potencial negativo na fenda A: depois, eles são acelerados no campo elétrico entre A e B (potencial de centenas a milhares de volts). Os íons que passam pela lenda B atravessam o separador de íons C que é um tubo mantido a uma pressão mm de mercúrio submetido a um intenso campo magnético. Injetor (tipo Split ou Split/Splitless) O injetor é composto basicamente por um tubo de aço inox com um septo de Silicone por onde entra a agulha da micro-seringa. Geralmente opera em temperaturas entre 200°C e 350°C. Internamente, geralmente é revestido por um tubo de Vidro que pode ter diâmetro variável e até recheio em alguns casos. Neste tubo (Liner ou Insert) é onde ocorre a evaporação da amostra. Coluna Capilar As colunas capilares são tubos capilares de Sílica Fundida revestidos externamente com um polímero (geralmente poliestireno) e internamente pela fase estacionária, que geralmente é um poli-siloxano líquido, muito viscoso e de ponto de ebulição bastante alto, na maioria das vezes acima de 350°C. Dados mais comuns: > Comprimento: 5 a 60m; > Temperatura máxima. 200 a 360°C; t. > Diâmetro Externo: 0,22 a 0,53mm; > Espessura do Filme: 0,10 a 2,0um. Seleção de Colunas As colunas mais adequadas para o trabalho com GC/MS são as pouco polares Metil-Silicone (HP-1, RTX-1, DB-1, etc.) ou 5% Fenil-Metil-Silicone (HP-5, DB-5, RTX-5, etc.). Elas têm temperaturas máximas que variam de 300° a 360°C e baixa "sangria" (perda de fase estacionária, que suja o Detetor). Isto garante também menor ruído de fundo. Existe a opção de se usar colunas com fase estacionária melhorada do tipo "Crosslinked", que têm um polímero mais estável à temperatura e menor sangria em consequência. Estes dois tipos de colunas têm separação muito semelhante. A coluna 5% Fenil-Metil-Silicone, sendo um pouco mais polar consegue separar alguns compostos que a Metil-Silicone não separa, como m- e p- Xilenos. Por outro lado a 5% Fenil-Metil-Silicone não separa Benzeno de Ciclohexano, que são separados pela Coluna de Metil-Silicone. As colunas mais polares como a Carbowax e os Glicóis geralmente têm temperaturas máximas de menos de 250°C e a "sangria" (perda de fase estacionária para o Detetor) tende a sujar o Espectrômetro muito rapidamente, além de gerar um sinal de fundo muito alto. Em poucas aplicações elas são indispensáveis (exemplos: análises de Metanol, Formol, etc.). Comprimento: as colunas de 0,22mm e 0,32mm mostram uma separação boa com um comprimento entre 20 e 60m. Um comprimento de 30m, em nossa opinião garante uma separação satisfatória e análises feitas em um menor tempo. Colunas muito compridas geram análises mais demoradas. Diâmetro: Se o objetivo é análise de traços, não recomendamos as colunas de 0,22mm, que saturam-se facilmente e podem exigir maiores vazões de Split. As colunas de 0,32mm apresentam um desempenho ótimo de separação e suportam um bom volume de amostra, por isto as consideramos as melhores.

41

As colunas de 0,53mm (Megabore) suportam um bom volume de amostra, garantindo bons limites de detecção, mas em compensação, geralmente têm uma separação (resolução) não muito boa. Espessura de filme: Se o objetivo é analisar compostos voláteis (Solventes, Benzeno, Tolueno, Xilenos, etc.) um filme espesso deve garantir uma separação melhor. Para uma coluna de 0,32mm geralmente um filme em torno de 1,0um deve garantir uma boa separação. Se o objetivo é analisar compostos Semi-Voláteis (Pesticidas, Ftalatos, compostos com PE acima de 20O°C, etc.) para uma coluna de 0,32mm um filme em torno de 0,25um deve permitir que estes compostos eluam em uma temperatura mais baixa da coluna, o que evita degradação térmica, alargamento de picos, etc. Transfer Line É apenas um tubo aquecido externamente a temperatura constante por onde a coluna capilar segue para o Espectrômetro de Massas

11. Cromatografia Líquida Acoplada a Espectrometria de Massas O escopo da HPLC Esta tecnologia exigiu equipamentos sofisticados operando a tas pressões, que contrastavam acentuadamente com as colunas simples de vidro da clássica cromatografia líquida de fluxo por gravidade. O nome cromatografia líquida de alta efïciência - HPLC (em inglês, high performance liquid chomatography) é empregado para distinguir esses procedimentos mais novos dos métodos básicos, ainda usados para finalidades preparativas. Cromatografia líquida de alta eficiência é a mais usada de das técnicas analíticas de separação, com as vendas anuais de equipamentos de HPLC se aproximando da marca de um bilhão de dólares. As razões para a popularidade do método é a sua sensibilidade, a fácil adaptação para deter-inações quantitativas acuradas, sua adequação à separação de espécies não-voláteis ou termicamente frágeis e, acima de tudo, sua ampla aplicabilidade a substâncias de grande interesse para a indústria, para muitos campos da ciência para o público. Exemplos desses materiais incluem: aminoácidos, proteínas, ácidos nucléicos, hidrocarbonetos, carboidratos, drogas, terpenóides, pesticidas, antibióticos, esteróides, espécies organo-metálicas e muitas substâncias inorgânicas. Equipamentos para Cromatografia Líquida Para obter vazões do eluente com fases estacionárias com tamanhos de partículas de 2 a 10 um, comuns na cromatografia líquida moderna, são requeridas pressões de bombeamento de até vários milhares de libras por polegada quadrada (psi). Como conseqüência dessas altas pressões, o equipamento necessário para HPLC tende a ser mais sofisticado ro do que os encontrados para outros tipos de cromatografia. A Figura abaixo mostra um esquema dos componentes importantes de um equipamento de cromatografia líquida alta eficiência.

42

Detectores de Espectrometria de Massa Um problema fundamental no acoplamento de cromatografia líquida com espectrometria de massa é o enorme descompasso entre os volumes relativamente grandes de solvente da primeira e os requisitos de vácuo da segunda. Várias interfaces foram desenvolvidas para resolver esse problema. Em uma, disponível no mercado, o eluente da coluna é dividido, e apenas uma pequena fração é introduzida diretamente no espectrômetro de massa. Sistemas de introdução direta de líquido parecem promissores quando usados em conjunção com colunas de microdiâmentro, que tipicamente atrapalham com vazões de 10 a 50 uL/min. Em um segundo tipo de interface, que também é vendida comercialmente, o efluente é depositado sobre uma correia contínua ou sobre um fio que se move e transporta o solvente e o analito para uma câmara aquecida para remoção do primeiro por volatilização. Após a evaporação do solvente, os resíduos do analito sobre a correia ou sobre o fio passam pela área da fonte de íons, na qual ocorre a desorção-ionização. Uma interface nova e promissora, atualmente no mercado, é a chamada termospray- ou seja, é um termonebulizador que atua como uma interface, permitindo a introdução direta do efluente total da coluna em vazões tão altas como 2 mL/ min. Com essa interface, o líquido é vaporizado à medida que ele passa através de um tubo capilar aquecido, de aço inoxidável, para formar um jato de aerossol de moléculas do solvente e do analito. Na nuvem formada, o analito é ionizado através de um mecanismo de troca de carga com um sal, como acetato de amônio, que é incorporado ao eluente. Assim, o termonebulizador não é apenas uma inter-face mas também uma fonte de ionização. Os espectros resultantes são geralmente simples e fornecem dados de peso molecular porém eles não apresentam os detalhes que fazem os espectros por impacto de elétron tão úteis para fins de identificação. E ainda mais, o termonebulizador é aplicável somente a moléculas polares de analito e a fases móveis polares que dissolvem um sal como acetato de amônio. Com essas limitações, o termonebulizador fornece espectros para um amplo intervalo de compostos termicamente estáveis e não-voláteis como peptídeos e nucleotídeos. Foram relatados limites de detecção baixos como 1a 10 picogramas. Controle por computador e armazenamento de dados são geralmente usados com detectores de espectrometria de massa. Pode-se obter tanto os cromatogramas em tempo real ou reconstruídos por computador e os espectros dos picos eluidos. Atualmente, os equipamentos para HPLC/MS ainda não estão

43

completamente desenvolvidos como os equipamentos para GC/MS. No entanto, essa situação deve mudar nos próximos anos. Espectrometros de Massa São aparelhos de alta resolução, bem mais caros, não tratados neste trabalho, têm capacidade de resolver números fracionários de massas o que permite, por exemplo, com base na % de Isótopos definir a idade de objetos. Os tipos mais comuns encontrados no mercado atualmente são: a) Quadrupolo; b) Quádruplo lon-Trap; c) Alta Resolução (HRMS). Conectado ao Espectrõmetro de massas geralmente há um reservatório para o Gás de Calibração (um composto líquido, cujos vapores podem ser inseridos na câmara de Vácuo do Espectrõmetro sob controle de uma válvula) e um reservatório para o Gás de Ionização Química (este pode ser um gás, como o Metano, ou um líquido, como a Acetonitrila). Ambos os reservatórios são isolados do sistema por válvulas que são abertas somente no momento do uso destes compostos. Computador e Software Todo o trabalho do Cromatógrafo e do Espectrõmetro são comandados por um computador comum com um software adequado instalado. Os principais recursos disponibilizados são: > Preparo de listas de amostras a injetar e injeção automatizada; > Aquisição dos dados (sinal total e Espectros) e arquivamento; > Comparação de espectros automática (Biblioteca de Espectros); > Mostra cromatogramas de Total de íons ou para ions especificados; > Quantificação (preparo de curvas de calibracão com espectros dos padrões, etc.); > Relatórios de resultados Funcionamentos dos Espectrometros mais Comuns Na técnica de impacto de elétrons (El), mais usada, um espectrômetro de massas bombardeia moléculas na fase vapor com um feixe de elétrons de alta energia e registra o resultado do impacto dos elétrons como um espectro de íons separados com base em razão massa/carga (m/z). A grande maioria dos íons formados têm carga unitária, podendo-se considerar como sendo a própria massa a maioria dos fragmentos detectados. Dentro do próprio espectrômetro existe o multiplicador de Elétrons que produz um sinal proporcional ao número de íons detectados. Estes aparelhos mais cromatógrafo geralmente usa como gás de arraste o Gás Hélio, inerte e de baixo peso molecular. Nos sistemas GC/MS a amostra gasosa que sai da coluna capilar entra diretamente no Espectrômetro de Massas. No caminho entre o Cromatógrafo e o Espectrômetro a coluna passa por dentro de uma linha aquecida em temperatura controlada, chamada geralmente de "Transferline". A "Transferline" tem como objetivo único evitar o esfriamento da coluna antes que chegue no Espectrômetro (Detetor). Toda a câmara do Espectrômetro é mantida sob alto-vácuo (da ordem de 10"5 a 10"7 atm): geralmente uma bomba de vácuo Turbo-Molecular fica conectada diretamente à câmara do Espectrômetro e em série com esta bomba funciona uma bomba de vácuo mecânica. Na técnica de Ionização Química (Cl), a câmaro do Espectrômetro recebe também uma pequena vazão de gás Metano ou outro composto leve como Acetonitrila, etc.

44

Com esta pequena vazão, diz-se que a câmara está "pressurizada", embora a pressão seja ainda muito baixa. O fato de se ter um sistema sob alto vácuo traz o problema dos riscos de vazamentos. Entradas de ar (acompanhadas de umidade) se ocorrem desestabilizam por completo o detetor. Uma forma de procurar pequenos vazamentos é lançar jatos de Argônio nos locais suspeitos e acompanhar o sinal de ions gerados, procurando pela massa do Argônio. Aplicações Qualitativas O espectro de massa de um composto puro pode fornecer informações valiosas para fins de identificação. A identificação é facilitada quando, além do espectro de massa, se dispõe de outros dados espectrais (infravermelho, ressonância magnética nuclear) e constantes físicas (pontos de fusão e ebulição). A espectrometria de masSa também é usada na identificação de componentes de misturas simples, particularmente gasosas. A mais importante informação isolada para identificar um composto é o conhecimento de seu peso molecular, que a espectrometria de massa dá muito exatamente. O trabalho requer a identificação do pico do íon molecular. Na faixa dos potenciais de 9 a 14 V, pode-se admitir que não haja formação de íons mais pesados do que o íon molecular; então, a massa do íon mais pesado, salvo as contribuições dos isótopos mais pesados, dá o peso molecular nominal (número inteiro). Ocasionalmente, o pico do íon molecular pode estar ausente ou ser tão pequeno a ponto de ser confundido com o pico de alguma impureza. Outra possibilidade é as colisões originarem um pico M + 1 mais pronunciado do que o íon molecular. No caso molecular um composto puro, em geral, não é difícil determinar o peso molecular nominal mediante identificação do pico do íon molecular. Com um instrumento de alta resolução, consegue-se determinar o peso molecular com considerável exatidão. Muitas vezes, a massa exata do íon molecular permite derivar a fórmula molecular de um composto. Esta aplicação requer um instrumento capaz de detectar diferenças de massa de alguns milésimos de unidade de massa. Seja, por exemplo, um composto desconhecido para o qual se achou o peso molecular 150,0681; existem centenas de moléculas com valor nominal igual a 150, mas o valor acima somente corresponde à fórmula C,H10O2. As tabelas elaboradas por Beynon oferecem extensas listas de combinação de C, H, N e O por peso molecular, até a terceira decimal. Uma aproximação à fórmula molecular de um composto pode ser obtida com base nas abundâncias relativas dos isótopos naturais. As moléculas que contêm isótopos pesados devem exibir picos para valores de m/e uma ou mais unidades acima do normal, isto é, pequenos picos para M + l ou M + 2. Posto que os isótopos pesados ocorrem em proporções definidas, é possível calcular a probabilidade de se encontrar um ou mais deles em uma certa molécula; assim sendo, pode-se prever a altura, por exemplo, do pico M + l em relação à do pico do íon molecular. Seja o caso de um composto desconhecido, cuja fórmula pode ser C5H14N2O2 (M = I34)ou CIOH14(M = 134). Calculem-se, pois,as alturas relativas dos picos M + l para aquelas duas espécies moleculares. Como a molécula C5H14N2O2 possui cinco átomos de carbono, segue-se que deve haver 5 x 1,08 = 5,40 moléculas do composto possuindo um átomo de I3C para cada 100 moléculas sem nenhum átomo do isótopo pesado. Portanto, considerando apenas este efeito isotópico, a altura do pico M + l em relação à do pico M deve ser 5,40%. Ora, os isótopos pesados dos demais elementos também entram com suas contribuições.

45

Técnica Quantitativa Como em qualquer análise cromatográfica o software permite fazer curvas de calibração para cada composto que é identificado não só pelo tempo de retenção, como também pelo seu espectro, que é capturado da mistura de calibração. Os principais dados a serem definidos para cada composto são: • Tempo de retenção; • íons a utilizar na quantificação (quando há coeluentes pode-se definir íons diferentes para cada um, permitindo a quantificação individual, desde que não tenham os mesmos íons principais como os isômeros por exemplo); • "Semelhança" aceita entre o espectro do pico na amostra e o espectro do pico no padrão (geralmente "purity" que varia de O a 1000); • Concentrações de cada nível; • Tanto a calibração como a quantificação são feitas automaticamente e o usuário pode rever e modificar os dados quando aplicável; • Cada composto tem a sua curva de calibração individual. 12. Colorimetria: Introdução e aplicações 12.1. Introdução Radiação Eletromagnética e sua Interação com a Matéria Natureza da Radiação Eletromagnética Um certo número de importantes métodos analíticos, comumente denominados métodos ópticos, baseiam-se em medidas de radiação eletromagnética. É, pois, útil preceder o estudo de tais métodos com uma revisão das propriedades fundamentais da radiação eletromagnética e da interação desta com o meio material. A radiação eletromagnética é uma forma de energia que se propaga no espaço a uma enorme velocidade normalmente em linha reta. A radiação eletromagnética, manifesta, ao mesmo tempo, propriedades ondulatórias e corpusculares. Um grande número de fenômenos ópticos — refração, reflexão, interferência, difração, polarização e dispersão — é satisfatoriamente descrito considerando a radiação eletromagnética como um movimento ondulatório; porém, ao contrário de outros fenômenos ondulatórios a exemplo do som, a radiação eletromagnética não requer suporte material para a sua propagação e, como tal, é transmitida no vácuo. Por outro lado, a interpretação do fenômeno foto-elétrico e de muitas interações da radiação eletromagnética com o meio material somente tornou-se possível admitindo que a radiação consiste de partículas discretas de energia, chamadas fótons. As propriedades ondulatórias e corpusculares não são mutuamente excludentes; pelo contrário, a dualidade onda-partícula é necessária para a descrição quantitativa do comportamento, não apenas da radiação eletromagnética, mas também dos elétrons e outras partículas elementares. Propriedades ondulatórias. A radiação eletromagnética é um campo elétrico alternado no espaço, ao qual se acha associado um campo de força magnético. A onda eletromagnética comporta, pois, um componente elétrico e um componente magnético; os dois componentes oscilam em planos perpendiculares ao outro e perpendiculares à direção de propagação da radiação eletromagnética. Nas interações da radiação eletromagnética com o meio material, apenas o componente elétrico é ativo e, portanto, o estudo do comportamento ondulatório pode cingir-se ao componente elétrico.

46

Fig 01. Onda eletromagnética Espectro eletromagnético. Quando um feixe de radiação eletromagnética envolve um único comprimento de onda, diz-se que a radiação é monocromática; quando ele comporta toda uma variedade de comprimentos de onda, a radiação é chamada policromática ou heterocromática. O espectro eletromagnético total abrange uma imensa faixa de comprimento de onda ou freqüências. A fig. 02 é uma representação diagramática do espectro eletromagnético em escala logarítmica. O espectro eletromagnético se estende desde os raios gama, altamente energéticos, até as ondas de rádio, fracamente energéticas. A região visível do espectro é apenas uma pequena faixa de comprimentos de onda dos quais o olho humano é sensível, que vai aproximadamente de 380 a 780 nm. Abaixo e acima da região visível do espectro, na escala dos comprimentos de onda, têm-se o ultravioleta e o infravermelho. O ultravioleta próximo estende-se até 185 nm; as radiações de comprimentos de onda imediatamente menores formam o ultravioleta remoto. A radiação complexa que compreende os diferentes comprimentos de onda, dentro da região visível do espectro eletromagnético, é conhecida como luz branca. A Tab. 01. dá as faixas dos comprimentos de onda correspondentes às diferentes cores. A percepção da cor resulta da absorção seletiva de certos comprimentos de onda da luz incidente pêlos objetos materiais. Os demais comprimentos de onda são transmitidos ou refletidos e percebidos como cor do objeto. Quando a luz branca atravessa um meio, por exemplo, um vidro, transparente a certos comprimentos de onda, mas capaz de absorver outros comprimentos, o meio aparece corado ao observador. Chama-se cor complementar a cor que seria percebida se os comprimentos de onda absorvidos pudessem ser observados; a complementaridade significa que a luz transmitida e a luz absorvida seriam capazes de recompor a luz branca. Semelhantemente, um objeto opaco corado absorve certos comprimentos de onda e reflete outros quando iluminados com luz branca. Finalmente, quando um objeto aparece como branco, é porque ele reflete todos os comprimentos de onda; o objeto é preto quando absorve todos os comprimentos de onda.

O comprimento de onda λi é a distância entre dois máximos de onda sucessivas e tem unidades mais usadas são a angström (Å=10-

8 cm), nanômetro (nm=10 Å = 10-7 cm ) e o micrômetro (µm=104 Å = 10-4 cm). A freqüência ν (números de ciclos) tem unidade em ciclos por segundo (s-1) ou hertz (Hz).

47

Fig 02. Espectro eletromagnético

Tabela 01. FAIXAS DOS COMPRIMENTOS DE ONDA DAS DIFERENTES CORES

Colorimetria Visual ou Comum A colorimetria comum baseia-se na comparação visual da coloração da solução problema com as colorações de soluções padrões semelhantemente desenvolvidas. Geralmente, é empregada luz branca, natural ou artificial. A comparação visual é levada a efeito com equipamento muito simples, mas está sujeita às limitações do olho humano à dificuldade em distinguir pequenas diferenças de intensidade de coloração e à reduzida sensibilidade abaixo de 450 nm e acima de 675 nm. Outra limitação da colorimetria visual é a decorrente do emprego de luz branca; a solução em estudo não pode conter outra espécie absorvente Além do componente interessado. O erro relativo na colorimetria é de 3-5% ou, eventualmente, maior. As aplica-ções da colorimetria se limitam à determinação de constituintes menores, na faixa de 10-5 a 1%. As duas técnicas de comparação mais usadas na colorimetria visual são o método da escala de padrões e o método da variação da espessura.

48

Método da escala de padrões. A solução problema (concentração desconhecida), depois de convenien-temente tratada para o desenvolvimento do sistema corado, é comparada com uma escala de soluções padrões obtidas semelhantemente. A solução problema e as soluções da escala de padrões, são levadas ao mesmo volume em tubos especiais com forma apropriada para a comparação colorimétrica. A comparação colorimétrica segundo o método da escala de padrões é feita com o auxílio dos chamados tubos de Nessler. São tubos de vidro claro, de fundo chato, uniformemente calibrados. Eles são construídos em formas alta e baixa, com capacidades de 50 e 100 mL e, eventualmente, com tampa esmerilhada. Os tubos são dispostos em uma estante de madeira, que se acha munida na base com uma placa de vidro branco opalino em ângulo de 90°, para refletir a luz natural de baixo para cima através dos tubos (Fig. 3). As soluções padrões são colocadas em ordem crescente de concentração da substância a determinar. A escala é preparada de modo que a solução problema possa ficar situada entre as soluções padrões dos dois tubos extremos. A comparação colorimétrica é feita por observação vertical das camadas líquidas. A con-centração da solução problema será igual à da solução da escala com igual intensidade de coloração. Na prática, a solução problema fica situada quase sempre entre dois tubos adjacentes da escala. Quando a diferença de concentração de um para outro dos tubos adjacentes é suficientemente pequena, então atribui-se à solução problema uma concentração intermediária. Não sendo assim, pode-se preparar uma segunda escala de padrões, com soluções extremas contendo concentrações iguais às dos dois tubos adjacentes da primeira escala entre as quais ficou situada a solução problema.

Fig. 03. Tubos de Nessler.

Na prática, a diferença de concentração das soluções padrões adjacentes da escala não é levada além de certo limite, que depende da capacidade do olho humano em distinguir intensidades de coloração. Em regra, não há razão para que as concentrações das soluções vizinhas de uma escala difiram em menos de 10 a 15%; quase sempre é perfeitamente satisfatória uma diferença de 20%. Neste último caso, o observador pode ainda alcançar uma exatidão ao nível de 5%. Suponhamos, por exemplo, que a solução problema contenha 9,2 µg do constituinte e que as soluções da escala, entre as quais se situa aquela, 8 e 10 µg, respectivamente. É quase certo que o observador terá dificuldade em decidir se a solução problema está mais próxima de uma ou de outra das soluções padrões; aceitando o valor intermediário, 9 µg, o erro será menor do que 5%. Se a quantidade do constituinte for 9,6 µg, o observador provavelmente identificará a solução problema com a da escala contendo 10µg e o erro será mais uma vez menor do que 5%. O equipamento requerido para a prática do método da escala de padrões é muito simples. O sistema corado envolvido não precisa obedecer a lei de Beer (vista posteriormente), pois qualquer desvio é compensado com a técnica de comparação. Os tubos de Nessler trabalham com espessuras relativamente grandes e, assim, se prestam para a comparação de colorações, como o amarelo, para as quais o olho tem fraca sensibilidade. Método da variação de espessura: Consiste em comparar a solução problema com uma única solução padrão variando a relação das espessuras das duas camadas líquidas sob a observação até que seja alcançado o estado da equicoloração. Supondo que duas soluções de mesmo sistema corado, contenha a substância em diferentes concentrações C1 e C2, sejam colocadas em tubos através das quais se faz passar luz de igual intensidade. As espessuras das duas soluções (b1 e b2) podem ser de tal modo ajustadas que as intensidades da luz por ambas transmitidas se tornem iguais., ou seja b1C1=b2C2.

49

A concentração de uma das amostras pode ser achada desde que se conheça a concentração da segunda e se determinem as espessuras das soluções para a condição de equicoloração.

Fig. 04. Colorímetro Dubosq. A comparação colorimétrica segundo o método da variação da espessura é feita, comumente, com auxílio do colorímetro de Dubosq. A Fig. 04 representa o diagrama óptico de um colorímetro de Dubosq com iluminação natural. As células A e, A' possuem iguais dimensões e servem para receber as soluções problema e padrão. São construídas em duas peças soldadas entre si: os discos do fundo, planos e transparentes, e os cilindros enegrecidos para evitar a interferência de luz estranha. As células são colocadas sobre suportes, que podem ser movimentados verticalmente por meio de um mecanismo de cremalheira. Os prismas de vidro B e B' possuem extremidades planas e se acham fixados à estrutura do instrumento em posições correspondentes aos eixos que passam pêlos centros das respectivas células. Para variar as espessuras das camadas líquidas sob comparação, as células são movimentadas verticalmente para baixo ou para cima. Cada célula possui uma escala e um vernier, que permitem medir a distância entre o fundo da célula e a face inferior do prisma com uma aproximação de 0,1 mm. A luz refletida por um espelho C, atravessando as soluções contidas nas células,-é parcialmente absorvida; a absorção em cada célula depende da concentração da solução e da altura da camada líquida respectivas. Os feixes de luz transmitidos pelas duas soluções atravessam os respectivos prismas fixos e, por meio de um sistema de prismas de reflexão total. D c D', e da lente F, são conduzidos para a ocular G. O campo da ocular é dividido ao meio, sendo um dos semicírculos iluminado pelo feixe transmitido pela solução problema e outro, pelo feixe transmitido pela solução padrão. A comparação colorimétrica consiste em ajustar as espessuras das duas camadas líquidas de modo que os dois semicírculos se tornem igualmente corados. Para assegurar uma mais perfeita iluminação, os colorímetros de Dubosq trabalham com luz artificial obtida com uma lâmpada de bulbo opalino em combinação com uma lâmina de vidro fosco. As células possuem capacidades de 5 a 25 mL. Também são variáveis as alturas das células; células de maior altura prestam para a comparação de soluções fracamente coradas. Quando se tem de usar um colorímetro, é preciso ajustar convenientemente a iluminação. 13. Espectrometria de chama: Introdução e aplicações Características da Chama Introdução A espectroscopia de chama é uma técnica de emissão em que a amostra é introduzida na chama como aerossol. As funções exercidas pela chama são: a) conversão dos constituintes da amostra em estado de vapor; b) decomposição dos constituintes em átomos ou moléculas simples; c) excitação eletrônica de uma fração dos átomos ou moléculas resultantes. A chama deve alcançar uma temperatura suficiente para cumprir as funções enumeradas e, por outro lado, seu próprio espectro de emissão não deve interferir comprometedoramente com a observação da radiação interessada. Uma chama ordinária de ar-gás obtida com um combustor de Bunsen, por sua temperatura relativamente baixa (1 700°C), excita apenas cerca de uma dúzia de elementos, principalmente os alcalinos e alcalino-terrosos.

50

Porém, as chamas à base de hidrogênio ou acetileno são muito mais quentes e têm capacidade de excitação muito maior. A chama é uma fonte de excitação mais fraca do que o arco ou a centelha. Os espectros produzidos são muito simples; as chamas excitam umas poucas raias de cada elemento. Por outro lado, em contraste com os espectros de arco ou centelha essencialmente formados de raias, os de chama freqüentemente acusam bandas originadas por óxidos e hidróxidos de metais. A espectroscopia de chama utiliza, principalmente, espectros de raias, mas, às vezes, também espectros de bandas. A maior simplicidade dos espectros de chama facilita a construção dos instrumentos para a espectroscopia de chama. É também mais fácil fixar condições reprodutíveis na excitação com a chama do que com ás outras fontes energéticas mencionadas. De qualquer maneira, o aspecto crítico da espectroscopia de chama é o controle da fonte energética. Instrumental Os instrumentos para a espectroscopia de chama isolam as raias ou bandas de emissão com filtros ópticos ou monocromadores. Conforme o caso, são chamados fotômetros ou espectrofotômetros de chama. Componentes Básicos Os instrumentos para a espectroscopia de chama consistem nas seguintes partes essenciais: 1) reguladores de pressão e fluxômetros para os gases de alimentação da chama; 2) nebulizador (ou atomizador) para introduzir a amostra na chama em forma de aerossol; 3) combustor para produzir a chama; 4) sistema óptico à base de filtro ou monocromador para isolar a radiação desejada; 5) detector associado a algum tipo de medidor ou amplificador eletrônico. A Fig. abaixo mostra, esquematicamente, os componentes básicos de um espectrofotômetro de chama.

Fig-Diagrama esquemático de um espectrofotômetro de chama.

Reguladores de pressão e fluxômetros. Para assegurar uma emissão^ constante, a chama deve ser estável. A chama é alimentada com ar (ou oxigênio) e combustível a pressões constantes. A regulação da corrente do gás usado para a aspiração da solução é particularmente importante, pois uma variação da pressão afeta tanto a própria chama como a velocidade com que a solução é nebulizada. Os gases combustíveis e oxidantes, para a produção de chamas, são supridos em cilindros de aço com o gás sob pressão; quando o oxidante é o ar, este pode ser suprido por um compressor através de um reservatório mantido a uma certa pressão. Manômetros apropriados indicam a pressão durante a operação e permitem os ajustamentos necessários, quando o instrumento é usado. Reguladores automáticos de pressão, de um ou dois estágios, são usados para reduzir a pressão a um valor seguro. Um regulador de um estágio acusa uma leve queda na pressão de controle à medida que a pressão cai no cilindro. Um regulador de dois estágios mantém constante a pressão de controle, a despeito de alguma queda na pressão do cilindro. Os reguladores de dois estágios são mais recomendados e devem ser seguidos de algum controle adicional de fluxo, por exemplo, uma válvula de agulha.

51

Embora as pressões dos gases possam ser ajustadas à mesma leitura do manômetro, cada vez que o instrumento vai ser usado, é útil inserir um fluxômetro na linha do cilindro ao nebulizador. O conhecimento das razões de fluxo do combustível e do oxigênio permite escolher melhor as proporções dos dois componentes. Nebulizadores e combustores. O nebulizador deve introduzir a solução da amostra na chama a uma razão uniforme e reprodutível. Além disso, deve ser resistente a soluções corrosivas, forte e fácil de limpar. Há duas categorias de nebulizadores: 1) os que introduzem o líquido pulverizado em uma câmara de condensação para reter as gotículas maiores; 2) e os que introduzem o líquido pulverizado diretamente na chama. Neste último tipo, o nebulizador e o combustor formam, freqüentemente, uma unidade. Quanto aos combustores, o principal requisito é que produzam uma chama uniforme quando alimentados com os gases combustível e oxidante a pressões constantes. Sistema óptico. Sua função é recolher a luz emitida pela chama, isolar a parte interessada e focar esta última sobre o detector. Um espelho côncavo colocado atrás do combustor, com seu centro de curvatura na chama, é,, freqüentemente, usado para aumentar a intensidade da luz que penetra no instrumento. Os filtros ópticos não se prestam para lidar com sistemas espectrais complexos. Os instrumentos com filtros se restringem, geralmente, à determinação de lítio, sódio, potássio e cálcio. Um melhor desempenho é conseguido com os instrumentos que incorporam um monocromador à base de prisma ou rede de difração. A combinação de uma fenda ajustável um apropriado controle de ganho do amplificador do circuito de detecção e um seletor de comprimentos de onda permitem escolher a relação mais favorável entre a radiação de fundo e a radiação analítica, e isolar mais eficientemente a radiação do elemento interessado. Detectores fotossensíveis.. Devem responder satisfatoriamente na parte do espectro interessada e possuir sensibilidade consentânea com o nível de iluminação próprio do instrumento. As células fotovoltaicas, cuja resposta é de difícil amplificação, têm seu uso restrito aos sistemas capazes de emitir uma grande quantidade de energia radiante e aos instrumentos com sistema óptico que faz chegar ao detector uma faixa de energia radiante relativamente larga. Um galvanômetro com sensibilidade de microamperímetro completa o circuito de medida. Os espectrofotômetros de chama, na mesma medida em que restringem a largura da faixa espectral que alcança o detector, são obrigados a empregar fototubos e unidades de amplificação do sinal. A corrente de um fototubo pode ser suficiente para permitir o emprego de um galvanômetro de alta sensibilidade como dispositivo de medida, mas comumente a corrente é amplificada. Tipos de Instrumentos Os instrumentos são fotômetros ou espectrofotômetros de chama, conforme o uso de filtros ópticos ou monocromadores para isolar a energia espectral. Os fotômetros de chama, consentaneamente com as limitações dos filtros ópticos na análise de espectros complexos, usam chama de baixa temperatura como fonte de excitação. Os fotômetros de chama são instrumentos relativamente simples, construídos para a determinação de sódio e potássio e, às vezes, ainda cálcio e magnésio. Nos fotômetros de feixe simples, a corrente gerada na célula fotovoltaica é lida diretamente em um galvanômetro. É possível incorporar um circuito supressor de zero para compensar a radiação de fundo da chama. Os fotômetros de feixe duplo permitem aplicar o método do padrão interno. A energia radiante emitida pela chama é dividida em dois feixes: um passa através de um filtro que transmite a radiação do elemento interessado; o outro passa por um segundo filtro que transmite a radiação do padrão interno. Cada um dos feixes é focado sobre uma célula fotovoltaica. As fotocorrentes produzidas são, então, comparadas em um circuito de ponte. Os espectrofotômetros operam com chama de alta temperatura. A dispersão e a resolução dos instrumentos à base de monocromadores, associadas ao uso de uma fonte mais intensa, estendem a espectroscopia de chama à determinação de cerca de sessenta elementos. O baixo nível de iluminação com que operam os espectrofotômetros de chama torna necessário o emprego de tubos fotomultiplicadores associados a um amplificador. Os espectrofotômetros são de feixe simples ou duplo.

52

É possível construir instrumentos com canais múltiplos, que possuem, no plano focal do monocromador, uma série de fendas para dar passagem a várias raias espectrais ao mesmo tempo, uma de cada elemento a determinar; as diversas raias são conduzidas a circuitos de medida individuais para leituras simultâneas. Em geral, um canal é reservado ao padrão interno.

Interferências As dificuldades que podem afetar a emissão na espectroscopia de chama incluem interferências espectroscópicas e outras relacionadas com variações das propriedades físicas da solução em estudo. Interferências Espectroscópicas Abrangem a interferência espectral direta, a emissão de fundo da chama, a auto-absorção, a ionização e a influência de ânions. Propriedades das Soluções Várias propriedades das soluções afetam a intensidade da emissão, principalmente no caso dos nebulizadores com câmara de condensação. Os nebulizadores de consumo total são pouco afetados por variações de propriedades das soluções, a menos que provoquem variações consideráveis na velocidade de fluxo da solução para a chama. A pressão de vapor e a tensão superficial influem no tamanho com que se formam as gotículas na nebulização. Ã presença de ácidos e sais dificulta a evaporação do solvente. Gotículas maiores fazem com que uma quantidade menor do aerossol alcance o combustor, pois quanto maiores elas forem, maior será a fração da solução retida na câmara de condensação. A inibição devida a esta causa aumenta mais rapida-mente para baixas concentrações de sais ou ácidos estranhos. A principal interferência relacionasse com o efeito da pressão de vapor; por isso, a adição de ácidos ou sais em alta concentração, na amostra e nos padrões, é usada para minimizar o efeito dos outros. É freqüente a adição de cloreto de lítio com esta finalidade.

Análise Quantitativa com Espectroscopia de Chama A espectroscopia de chama apresenta vantagens e limitações quando comparada com a espectroscopia de emissão baseada na excitação com arco e centelha. Trabalha com soluções, o que representa ou não uma particularidade favorável, conforme a natureza da amostra. É, por outro lado, menos versátil em virtude da emissão de fundo e outros tipos de interferência. A chama excita um número menor de elementos do que o arco e a centelha. Em compensação, a espectroscopia de chama opera com equipamento muito mais simples. A espectroscopia de chama tem precisão maior do que a espectroscopia de emissão com registro fotográfico. A precisão da primeira se situa ao nível de ±2%; quando a amostra é precedida e seguida por padrões com composições muito semelhantes à da amostra, a precisão pode chegar a ±1%. A sensibilidade da espectroscopia de chama varia grandemente, conforme o elemento e a temperatura da chama. Esta técnica de espectroscopia permite determinar cerca de 40 elementos ao nível de 1µg.mL-1 ou menos; muitos elementos adicionais podem ser determinados em níveis de concentração mais altos. Cerca de um terço dos elementos é determinável à base de bandas espectrais; o grupo incluí, predominantemente, os metais alcalino-terrosos e das terras-raras. A espectroscopia de chama encontra um amplo campo de aplicação na análise de uma grande variedade de materiais, que incluem fluidos biológicos, materiais de origem vegetal, alimentos, vidros, águas naturais etc. O método é de largo uso na determinação de metais alcalinos.

53

Métodos de Avaliação Os métodos de avaliação usam soluções padrões preparadas a partir de sais espectroscopicamente puros. Geralmente, prepara 1000 µg mL-1. Com esta são obtidas, mediante diluição, as soluções padrões com as concentrações desejadas. É recomendável conservar as soluções em frascos de polietileno ou vidro quimicamente resistente. Vários são os métodos de avaliação usados. Intensidade da emissão versus concentração. Na ausência de interferências, a construção da curva de calibração é simples. Inicialmente, é preparada uma série de padrões com diferentes concentrações do elemento interessado. Então, com o instrumento munido do filtro apropriado ou fixado no comprimento de onda indicado, introduz-se água deionizada no nebulizador e lê-se a emissão de fundo da chama; ou, se o instrumento permitir, ajustam-se os controles de supressão de zero. Em seguimento, introduz-se o padrão mais concentrado e ajusta-se a sensibilidade do instrumento para alcançar a leitura máxima da escala ou, então, uma leitura qualquer prefixada. As operações são repetidas até obter-se uma duplicação das leituras com a aproximação de uma sobre 100 divisões da escala. Finalmente, são introduzidos os vários padrões com concentrações mar baixas e anotadas as leituras correspondentes. A curva de calibração é traçada com as leituras do instrumento lançadas sobre a ordenada e as concentrações sobre a abscissa. As leituras dos padrões devem ser conferidas antes e depois de cada série de análises. As curvas de calibração são lineares, dentro de regiões limitadas. Quando não essencialmente linear, a curva de calibração tem de ser preparada com um número maior de padrões. Se necessário, são preparados padrões adicionais que enquadrem estreitamente a amostra. Método da adição. Começa-se preparando uma curva de calibração. O método da adição envolve leituras de emissão obtidas com duas soluções: uma solução A contendo uma alíquota da solução desconhecida, e uma solução B contendo a mesma quantidade da solução desconhecida acrescida de uma quantidade medida de uma solução padrão do elemento interessado. As quantidades do elemento interessado contidas nas duas soluções são, então, determinadas através de medidas das intensidades de emissão, com auxílio da curva de calibração. A curva de calibração deverá ser essencialmente linear. Subtraindo-se a quantidade do elemento achada para a solução A daquela achada para a solução B, deve-se obter uma quantidade do elemento igual àquela adicionada, sempre que não ocorram depressão ou exaltação. Entretanto, quando ocorre um desses efeitos, a quantidade do elemento achada por subtração será maior ou menor do que a quantidade adicionada. Então, o verdadeiro teor do elemento na solução A é achado multiplicando-se o teor observado por um fator que corrija a interferência. Este fator de correção é obtido dividindo-se a quantidade do elemento adicionada à solução B pela quantidade do elemento achada subtraindo-se o teor do elemento observado na solução B do teor observado na solução A. A modalidade do método da adição baseado em uma série de padrões dá resultados ainda melhores. A iguais volumes da solução-problema são adicionadas soluções contendo diferentes quantidades conhecidas do elemento interessado; as soluções são diluídas ao mesmo volume final. As imensidades de emissão (corrigidas com respeito à emissão de fundo) são, então, representadas contra a concentração dos incrementos das soluções padrões adicionados à solução desconhecida. A linha extrapolada à leitura de emissão zero dá a quantidade do elemento na amostra original pela interseção sobre o eixo da concentração.

Concentração do elemento adicionado,µg.mL-1

Fig. Ilustração do método de adição.

54

Método do padrão interno. O padrão interno é um elemento adicionado à amostra em concentração conhecida. A relação das intensidades de uma raia do elemento interessado e de uma raia do padrão interno serve como índice da concentração do primeiro. A relação das intensidades para uma série de padrões lançada contra a concentração do elemento interessado dá a curva de calibração. A intensidade de cada raia é corrigida com respeito à radiação de fundo no ponto em que a raia se situa. Na espectroscopia de chama, usa-se freqüentemente, lítio como padrão interno. O lítio apresenta características físicas e químicas bastante assemelhadas às de sódio e potássio; por outro lado, as energias de excitação das raias de ressonância de sódio, potássio e lítio são também semelhantes. Entretanto, o lítio é um padrão pouco satisfatório para metais alcalino-terrosos, pois as respectivas características físicas e químicas são muito dessemelhantes. 14. Espectrometria de Absorção Atômica Princípios da Absorção Atômica Os princípios da espectrofotometria de absorção atômica foram expostos, pela primeira vez, por Walsh. O método baseia-se na absorção da energia radiante pelas espécies atômicas neutras, não-excitadas, em estado gasoso. Cada espécie atômica possui um espectro de absorção formado de uma série de estreitas raias características devidas a transições eletrônicas envolvendo os elétrons externos. A maioria dessas transições corresponde a comprimentos de onda nas regiões ultravioleta e visível. Uma certa espécie atômica, neutra e no estado fundamental, é capaz de absorver radiações de comprimentos de onda iguais aos das radiações que ela, quando excitada, é capaz de emitir. Os princípios da espectrofotometria de absorção atômica são essencialmente os mesmos da absorciometria baseada no uso de soluções moleculares. Na absorção atômica, o elemento a determinar é levado à condição de uma dispersão atômica gasosa através da qual se faz passar, então, o feixe de radiação de uma fonte apropriada. O processo usual consiste em introduzir a solução da amostra, na forma de um aerossol, em uma chama apropriada. A chama cumpre, assim, a função da célula na absorciometria convencional. A extensão da absorção, que se processa à custa de transições eletrônicas do estado fundamental a um estado energético mais alto, é uma medida da população de átomos do elemento responsável presentes na chama e, portanto, da concentração do elemento na amostra. Entre as potências radiantes do feixe antes e depois da interação com os átomos absorventes existe uma relação análoga à lei de Beer. Os problemas referentes à chama e aos espectros de chama e, também, os processos que ocorrem quando um aerossol é livrado em uma chama já foram estudados anteriormente para o caso da espectroscopia de chama. À temperatura ambiente os átomos isolados se encontram em seu estado fundamental; por exemplo, o elétron externo do átomo de sódio ocupa a orbital 3s. A espectrofotometria de absorção atômica e a espectroscopia de chama são métodos que têm de comum o fato de ambos introduzirem a amostra na chama em forma de um aerossol. Porém, os dois métodos diferem fundamentalmente entre si. Na espectroscopia de chama mede-se a intensidade da radiação emitida pêlos átomos excitados; e, na absorção atômica, o objeto da medida é a radiação absorvida pêlos átomos neutros no estado fundamental. A espectrofotometria de absorção atômica oferece uma série de vantagens sobre a espectroscopia de chama. Uma delas relaciona-se com o fato de o número de átomos no estado fundamental ser várias ordens de grandeza maior do que o número de átomos excitados; daí resulta uma sensibilidade muito maior para a técnica da absorção atômica. Já foi mencionado que as estreitas raias de absorção asseguram um alto grau de seletividade para a absorção atômica. Finalmente, há a considerar os efeitos das variações de temperatura sobre as populações dos átomos não excitados e excitados na chama. A fração dos átomos excitados, que é relativamente pequena, acha-se relacionada exponencialmente com a temperatura. Em vista disso, as variações de temperatura afetam notavelmente o número de átomos excitados, mas elas têm um efeito praticamente negligenciável quanto ao número de átomos não-excitados. O resultado é que o processo da absorção não é diretamente influenciado pela temperatura da chama; em contraste, o processo da emissão é grandemente afetado pelas variações de temperatura.

55

O processo de absorção é apenas indiretamente influenciado pelas flutuações de temperatura; a principal razão é que o número total de átomos produzidos na chama a partir da amostra ordinariamente aumenta com a temperatura. De qualquer maneira, o efeito indireto torna necessário um controle razoável da temperatura nas medidas de absorção atômica. Espectrofotômetros de Absorção Atômica Os componentes fundamentais de um espectrofotômetro de absorção atômica compreendem uma fonte, que fornece as raias de emissão da espécie atômica interessada, um nebulizador-combustor, para introduzir a amostra em forma de um aerossol na chama, um monocromador para isolar o comprimento de onda desejado e um sistema apropriado para medir a potência do sinal que -alcança o detector fotossensível.

Fig. Componentes fundamentais de um espectrofotômetro de absorção atômica

Fontes de radiação. As fontes usadas na espectrofotometria de absorção atômica são as lâmpadas de descarga e as lâmpadas de cátodo oco. Ordinariamente, cada elemento a determinar requer uma lâmpada própria. As lâmpadas de descarga produzem um espectro de raias por meio da passagem de uma corrente elétrica através de vapor do metal. As fontes deste tipo são particularmente úteis na espectrofotometria de absorção atômica para produzir espectros dos metais alcalinos e do mercúrio. As lâmpadas de cátodo oco são o tipo de fonte de uso mais amplo. A lâmpada de cátodo oco consiste de um tubo de vidro com grossas paredes, contendo neônio ou argônio a baixa pressão (1 a 2 mm), provido de um cátodo feito do elemento interessado, comumente fechado em uma das extremidades (10 a 20 mm de diâmetro), e um ânodo em forma de um fio de tungstênio.

Fig. Lâmpada de alta intensidade

Nebulizadores-combustores. Um componente importante na construção de um espectrofotômetro de absorção atômica é o dispositivo que serve para dispersar a amostra em forma de partículas atômicas neutras no caminho óptico do instrumento. Vários tipos de sistemas têm sido investigados para este fim: a) fornos, em que a amostra é levada rapidamente a uma alta temperatura; b) arcos ou centelhas; c) dispositivos de projeção, em que a .amostra, colocada sobre um cátodo, é bombardeada por íons positivos de um gás; d) nebulizadores--combustores, em que a amostra é introduzida como um aerossol em uma chama produzida pela queima de um gás combustível. Até o presente, o sistema do nebulizador-combustor é o que se mostrou mais eficiente e o único empregado nos instrumentos comerciais.

56

A introdução da amostra a uma velocidade constante na chama é crítica. A amostra é introduzida em forma de solução com o auxílio de um nebulizador, da mesma forma que na espectroscopia de chama. Monocromadores. Os espectrofotômetros de absorção atômica são construídos com monocromadores capazes de isolar a raia analítica e de bloquear as raias ou bandas vizinhas, bem como a radiação de fundo da chama tanto quanto possível. Em geral, é requerida uma fenda ajustável para dar passagem a uma faixa espectral com uma amplitude de 0,5 Å. No que se refere à precisão e à exatidão fotométricas, o dispositivo monocromador deve deixar passar a maior quantidade de luz possível; em outras palavras, a abertura da fenda deve ser tão larga quanto for tolerável. Há elementos, como ferro, níquel e cobalto, cujas raias de ressonância se acham muito estreitamente rodeadas por outras; então, é preciso que o monocromador seja capaz de isolar faixas com amplitudes de aproximadamente 2 Å. Para a maioria dos elementos, entretanto, opera-se com faixas de 7 a 20 Å. Por outro lado, o monocromador deve cobrir a faixa de comprimentos de onda de 1 950 a 8 500 Å. Os espectrofotômetros de absorção atômica são ordinariamente construídos com redes de difração. Detectores e indicadores. Os componentes do sistema detector-indicador de um espectrofotômetro de absorção atômica são, no essencial, idênticos aos de um espectrofotômetro típico para operar com soluções nas regiões ultravioleta e visível. Em geral, os instrumentos empregam tubos fotomultiplicadores para converter a energia radiante em sinal elétrico. O sistema eletrônico do detector-indicador deve ser capaz de responder a um sinal modulado da fonte sem interferência da chama na qual é introduzida a amostra. A modulação do sinal da fonte é necessária para eliminar esta interferência. A chama emite um espectro contínuo resultante da excitação das moléculas do combustível; além disso, a chama emite um espectro de raias oriundas da excitação dos átomos dos metais presentes na amostra. Às temperaturas das chamas, a f ração dos átomos que sofre excitação térmica é pequena; de qualquer maneira, os poucos átomos do elemento interessado que chegam a ser excitados emitem radiação correspondente à raia de absorção escolhida para a análise e, portanto, constituem uma séria fonte de erro. A maior parte da radiação da fonte é removida mediante colocação do monocromador entre a chama e o detector; entretanto, o monocromador transmite a raia de emissão correspondente ao comprimento de onda do pico de absorção. Então, a potência radiante observada P não será P = P0 — P0 em que Pa é a potência da radiação absorvida; de fato, será P = P0 — Pa + Pe, em que Pe é a potência da raia emitida pela chama mais a potência da correspondente radiação de fundo. Tipos de instrumentos Os espectrofotômetros de absorção atômica podem ser de feixe simples ou de feixe duplo. A Fig. abaixo representa um sistema de feixe simples, em que a radiação da fonte é modulada com um interruptor rotatório. O sistema de feixe simples está sujeito aos efeitos da variabilidade na emissão da fonte e na sensibilidade do detector.

Fig. Diagrama de um espectrofotômetro de absorção atômica com feixe simples

No sistema de feixe duplo representado na Fig. abaixo, o feixe de radiação provindo da fonte é dividido em duas partes por meio de um espelho rotatório com setores refletores e transmissores alternados separados por porções opacas. Um dos feixes resultantes (feixe da amostra) atravessa a chama, ao passo que o outro (feixe de referência) a contorna. Os dois feixes, após recombinação por meio de um espelho semitransparente, passam por um monocromador reticular e alcançam o detector. O sinal do circuito eletrônico aparece como a relação dos feixes da amostra e de referência. Assim, os efeitos das variações da fonte e da sensibilidade do detector são eliminados.

57

Fig. Diagrama de um espectrofotômetro de absorção atômica de feixe duplo.

Análise Quantitativa por Absorção Atômica A espectrofotometria de absorção atômica permite determinar em torno de 65 elementos na faixa de 1 a 10 p.p.m., com uma precisão de ±1% ou mesmo melhor. A relação dos elementos determináveis inclui todos os metais e semi-metais e exclui os elementos, como enxofre, fósforo, halogênios e outros, cujas raias de ressonância se situam na região de absorção atmosférica. A raia de ressonância do arsênio (1 937 Ǻ) é o mais baixo limite em que o método pode ser praticado. O césio é o elemento com raia de ressonância de comprimento de onda mais alto (8521 Å). A espectrofotometria de absorção atômica apresenta bons limites de detecção. A detectabilidade de um dado elemento depende, de uma parte, de sua própria estrutura atômica e, de outra, do equipamento usado. É preciso distinguir a sensibilidade e o limite de detecção. A sensibilidade é a concentração do elemento, em solução aquosa, que produz uma absorção de 1% da energia radiante incidente; é comumente expressa em µg/mL (com água como solvente). A principal utilidade do parâmetro é a de permitir a escolha das con-centrações dos padrões a serem usadas; em geral, a faixa de concentração ótima é de 15 a 100 vezes o valor da sensibilidade. O limite de detecção é a concentração mínima do elemento em solução aquosa capaz de ser detectada. O limite de detecção, em absorção atômica, é definido como a concentração que produz uma absorção equivalente a duas vezes a magnitude da flutuação do fundo (absorção zero). Nas medidas de absorção atômica, a melhor precisão é alcançada quando a absorbância se situa na faixa do 0,15 a 1,00 (cerca de 70 a 10% de transmitância). Para isso, as concentrações devem ser consentaneamente ajustadas. Quando se faz uso de padrão interno com instrumento de dois canais, a faixa de absorbância pode ser ampliada com razoável precisão. No caso em que a concentração do elemento interessado exceda os valores para a absorbância ótima, cabe o recurso de girar o combustor, se do tipo de fenda, em torno de um ,eixo perpendicular à sua cabeça, de modo a diminuir o percurso óptico através da chama; uma outra possibilidade é o uso de uma raia menos sensível do elemento. O fato de cada elemento possuir um espectro de absorção típico confere à espectrofotometria de absorção atômica o caráter de um método específico. Verdadeiras interferências espectrais são raras, pois as raias emitidas pelas fontes usuais são muito estreitas (0,01 a 005 Å). As medidas de absorção atômica são influenciadas por certas variáveis analíticas, tais como as velocidades de fluxo dos gases combustível e oxidante e a velocidade de introdução da amostra na chama; todos estes parâmetros devem ser convenientemente controlados. 15. Espectrometria de Emissão O fundamento da espectroscopia de emissão é a propriedade que têm os átomos e os íons monoatômicos em estado gasoso, quando térmica ou eletricamente excitados, de emitir radiações características nas regiões ultravioleta e visível. O conjunto das radiações características emitidas por uma espécie atômica ou iônica constitui o seu espectro de emissão. A caracterização do comprimento de onda de uma radiação permite identificar o elemento emissor. Por outro lado, a medida da intensidade da radiação pode servir para a deter-minação da concentração do elemento emissor. A espectroscopia de emissão requer o uso de fontes energéticas relativamente intensas. A fonte energética exerce duas funções. Em primeiro lugar, ela deve ser capaz de fornecer a energia suficiente para volatilizar a amostra e converter os componentes individuais em átomos ou íons monoatômicos.

58

Em segundo lugar, a fonte deve suprir energia suficiente para promover a excitação eletrônica das espécies atômicas ou iônicas. As fontes energéticas mais usadas na espectroscopia de emissão são a chama, o arco e a centelha. Existem três distintos tipos de espectros de emissão, que podem ser classificados segundo sua origem e forma: o espectro contínuo, o espectro de raias e o espectro de bandas. O espectro contínuo é produzido pêlos sistemas condensados. Quando a energia radiante emitida por um sólido incandescente é dispersa com o auxílio de um monocromador, resulta um espectro formado de radiações com todos comprimentos de onda dentro de uma ampla faixa espectral. A distribuição dos comprimentos de onda depende da temperatura e assemelha-se à do corpo negro. Em contrapartida, os espectros produzidos por gases incandescentes são descontínuos, isto é, compostos de radiações com comprimentos de onda discretos. Todavia, é preciso distinguir, entre os espectros descontínuos, os espectros de raias formados por átomos ou íons monoatômicos isolados e os espectros de bandas produzidos por moléculas isoladas. Somente os átomos ou os íons monoatômicos emitem, quando convenientemente excitados, radiações com comprimentos de onda definidos, que são característicos da espécie emissora. As espécies atômicas ou iônicas são excitadas a níveis energéticos mais altos, através de transições eletrônicas quantizadas. Quando as espécies excitadas retornam ao estado fundamental ou a níveis energéticos mais baixos, há emissão de radiações características. O conjunto das radiações emitidas por uma espécie atômica neutra formam o espectro atômico ou normal do elemento; o espectro emitido por uma espécie iônica é chamado espectro iônico. Quando uma espécie molecular é levada a uma fonte energética suficientemente forte para decompor as moléculas em seus átomos componentes, o espectro emitido é um espectro de raias. Entretanto, existem espécies moleculares, incluindo espécies transitórias como os radicais CN e OH, que se mantêm íntegras e produzem espectros moleculares. Os espectros moleculares consistem de um número extraordiariamente elevado de raias muito próximas, que formam agrupamentos chamados bandas. Os espectros de banda são também o resultado de transições entre estados energéticos. Apenas os níveis energéticos das moléculas são muito mais numerosos e próximos do que os das espécies atômicas neutras ou ionizadas, comportando três fatores que são as energias eletrônica, vibracional e rotacional, todas quantizadas. A complexidade do espectro molecular é devido à sobreposição de variações vibracionais e rotacionais às transições eletrônicas. A espectroscopia de emissão faz uso dos espectros de raias, atômicos ou tônicos. A distribuição dos comprimentos de onda nos espectros de raias é característica do elemento emissor. Porém, é também importante considerar a natureza da fonte, pois o tipo de espectro emitido — atômico ou iônico — depende da energia da fonte de excitação. Ï5 interessante lembrar ainda que a energia radiante emitida por um arco ou centelha revela a presença dos três tipos de espectros sobrepostos. Há uma radiação de fundo contínua emitida pêlos elétrodos aquecidos, mais ou menos fracos. O uso de elétrodos de carvão em presença de ar atmosférico produz bandas de cianogênio devidas à presença de radicais CN, também mais ou menos fracas. Sobre os espectros de fundo e de bandas ressalta, entretanto, o espectro de raias emitido pelas espécies atômicas componentes da amostra. Origem dos espectros de raias. Ainda nos primórdios da espectroscopia de emissão foi observado que os espectros de muitos elementos comportavam o agrupamento das raias espectrais em um certo número de séries. Assim, para os metais alcalinos foram indicadas quatro séries, que receberam em inglês as designações "principal", "sharp", "diffuse" e "fundamental", como uma tentativa para descrever a aparência física das raias. A nomenclatura da moderna espectroscopia de emissão conserva o uso das letras S, P, D e F para caracterizar as diferentes espécies de níveis energéticos dos átomos. O modelo atômico de Bohr-Sommerfeld dá uma descrição satisfatória dos espectros de emissão atômicos e iônicos. Cada órbita pode ser considerada como correspondendo a um nível energético. Quando um átomo se encontra em condições normais, cada elétron ocupa uma órbita correspondente ao seu mais baixo nível energético; então, o átomo se encontra no estado fundamental. Se o átomo sofrer uma violenta colisão com uma partícula (átomo, íon, elétron ou molécula) dotada de grande velocidade, os seus elétrons externos ou de valência, mais frouxamente ligados ao sistema, se transferem para níveis energéticos mais altos (órbitas mais afastadas no núcleo). A espécie excitada resultante é sempre instável e quando não se desativa por colisão, retorna ao estado fundamental perdendo a energia da excitação na forma de radiação eletromagnética.

59

Um elétron excitado pode retornar à órbita original através de uma transição direta ou, eventualmente, através de uma série de transições passando por níveis energéticos intermediários. Espectrógrafos A análise dos espectros de emissão requer um arranjo óptico capaz de separar convenientemente as diferentes freqüências. No sentido mais amplo, chama-se espectroscópio qualquer instrumento usado para produzir e observar os espectros de emissão; em sentido restrito, o termo é empregado para designar os instrumentos com observação visual. O espectrógrafo é um espectroscópio munido de uma câmara fotográfica para registrar o espectro; o registro fotográfico do espectro é denominado espectrograma. Por extensão, o termo espectrógrafo também serve para designar os instrumentos com detecção fotoelétrica.

Fig. Diagrama de um espectroscópio prismático simples.

O sistema óptico de um espectroscópio é, essencialmente, um monocromador com um prisma ou uma rede de difração como elemento de dispersão. A Fig. acima mostra o diagrama de um espectroscópio simples e serve para ilustrar a função de cada componente fundamental do sistema. A lente L1 recolhe a radiação heterogênea provinda da fonte focando-a sobre a fenda, que tem a forma de um estreito retângulo. Os raios que penetram no monocromador através da fenda são tornados paralelos pela lente colimadora L2 antes de alcançar o elemento de dispersão. O prima separa, então, as diferentes freqüências que compõem a radiação heterogênea. Finalmente, a lente L3 foca a luz dispersa sobre o dispositivo de detecção, por exemplo, uma película fotográfica estendida ao longo da curva focal do instrumento. Após a exposição e a revelação da emulsão, as várias freqüências presentes aparecem registradas como raias pretas, cada uma das quais é uma imagem aproximadamente monocromática da fenda de entrada, A posição da raia é determinada pela freqüência da radiação; por sua vez, o grau de enegrecimento da raia é função da intensidade da radiação. A utilidade e a eficiência de um espectroscópio dependem das características de construção do instrumento no que concerne à faixa de operação, a extensão da dispersão, o tipo de dispersão e o poder de resolução. A faixa de comprimentos de onda, ao longo na qual o instrumento é capaz de operar, depende, de uma parte, dos limites de transparência do material usado na construção dos componentes do sistema óptico. A transparência do vidro se estende de 3 500 a 30 000 Å e a do quartzo, de 1 800 a 35 000 Å. A faixa operacional depende, de outra parte, do tipo de detector usado. O registro fotográfico, por exemplo, estende-se, de um lado, até o ultravioleta remoto (abaixo de 2000 Å) e, do outro, até o infravermelho próximo (12000 Å). Ora, a região espectral de maior importância na espectroscopia de emissão se situa entre 2 500 e 4 000 A. Isso significa que os componentes ópticos através dos quais a radiação é transmitida devem ser de quartzo ou sílica fundida e que o detector deve ser sensível no ultravioleta. Para operar abaixo de 2 000 Å, a espectroscopia requeriria um instrumento evacuado em virtude da absorção das radiações pelo ar. Análise Espectrográfica Qualitativa A análise espectrográfica permite a fácil identificação de cerca de 70 elementos, que compreendem os metais e alguns não-metais (por exemplo, As, B, P e Si). Com o auxílio de técnicas especiais, é possível obter o espectro de qualquer elemento e, portanto, identificar a generalidade dos elementos. Cada elemento emite radiações com comprimentos de onda característicos; além disso, a distribuição das respectivas raias no espectrograma é única para cada elemento.

60

A identificação de uma única raia com grande exatidão ou de três ou mais raias com exatidão aproximada é suficiente para configurar a presença de um elemento. Ainda é importante que um operador experimentado, avaliando subjetivamente o grau de enegreeimento de uma raia, pode fazer rapidamente uma estimativa da concentração do elemento na amostra com a aproximação de uma ordem de grandeza. A técnica da análise espectrográfica qualitativa consiste em excitar a amostra, registrar o espectrograma e identificar as raias. Em geral, faz-se uso de um arco de corrente direta. Uma amostra de 2 a 50 mg do material em estudo é acondicionada na cavidade de um elétrodo de grafita; ou, então, a solução é evaporada sobre a cavidade. Um segundo elétrodo, também de grafita, completa o arco. A corrente e o tempo de exposição são ajustados para garantir a completa volatilização da amostra; são usuais correntes de 5 a 30 A para 20 a 100 segundos. O elétrodo contendo a amostra é geralmente tomado como cátodo por ser sua temperatura mais alta. A sensibilidade da análise espectrográfica qualitativa depende do elemento, da natureza e da quantidade da amostra, do tipo de excitação e do instrumento usado. A identificação dos elementos é feita à base da localização das raias mais persistentes ou raias últimas, que são as raias mais sensíveis dos elementos, isto é, as últimas a desaparecer com a .gradual diminuição da concentração do elemento respectivo. A maior parte das raias últimas se encontra no ultravioleta. Em geral, elas resultam de transições s-p. Ordinariamente, as raias são identificadas mediante comparação direta com espectrogramas de materiais de referência. O espectro da amostra e o espectro de referência são registrados um abaixo do outro sobre a mesma chapa ou película, a fim de facilitar a comparação. Por ocasião do registro contíguo dos espectros, é preciso evitar deslocamentos laterais da chapa ou película fotográfica. No caso dos espectrógrafos livres de astigmatismo, usa-se o diafragma de Hartmann, que é uma lâmina de aço com várias aberturas retangulares, cada uma das quais podendo ser justaposta à fenda mediante deslocamento horizontal do diafragma. O dispositivo permite registrar sucessivamente vários espectros ao longo do eixo vertical da chapa ou película sem necessidade de mover a mesma. Vantagens e Limitações da Análise Espectrográfica A espectrografia é um notável instrumento da análise química. Embora a totalidade dos elementos possa ser induzida a emitir radiações na região ultravioleta e visível, as dificuldades práticas relacionadas com a excitação da maioria dos elementos não-metálicos limitam o uso da espectrografia à análise de cerca de 70 elementos, a maioria dos metais e alguns não-metais (por exemplo, P, Si, As e B). Duas características fazem da espectrografia um método analítico particularmente importante. A primeira é a especificidade do método, que resulta do caráter único do espectro de emissão de cada elemento. A segunda é a sua elevada sensibilidade, determinada pela grande eficiência das fontes de excitação e dos dispositivos de detecção utilizados. A aplicação da espectrografia na análise qualitativa oferece vantagens sem paralelo. A técnica é relativamente simples. A amostra, via de regra, exige um mínimo ou mesmo nenhum tratamento preliminar. O método é rigorosamente específico e permite identificar a maioria dos elementos. Ele se presta especialmente para ser usado quando apenas se dispõe de pequenas amostras do material a analisar. Em alguns casos, basta 0,1 mg do material para realizar uma análise qualitativa completa; porém, o melhor é dispor-se de uma amostra de 10 mg ou mais. Os limites de detecção variam de elemento a elemento, mas eles se situam na faixa de partes por milhão a partes por bilhão. A análise espectrográfica dá um registro permanente dos resultados. Ela é particularmente útil no caso de materiais de difícil tratamento com os métodos por via úmida, a exemplo de vidros, escórias e silicatos naturais. A análise espectrográfica quantitativa se aplica à determinação de elementos quando não interessa conhecer a forma de combinação em que os mesmos se encontram e, geralmente, quando representam menos de 5% na amostra. As principais vantagens da análise espectrográfica quantitativa são a pequena quantidade de amostra requerida, a rapidez na execução do trabalho, a simplicidade das operações analíticas e a grande sensibilidade do método. Amostras de 10 mg podem ser suficientes para a determinação de mais de 10 ele-mentos.

61

A espectrografia convencional, depois de convenientemente preparados os padrões e a curva de calibração, permite determinar freqüentemente 5 ou mais elementos, sem maiores tratamentos da amostra, em cerca de 30 minutos. Os espectrógrafos de leitura direta chegam a determinar uma dezena de elementos ou mesmo mais em 1 a 2 minutos. A precisão na análise espectrográfica depende do equipamento e dos métodos utilizados. Na espectrografia com detecção fotográfica à base do método do padrão interno, os erros relativos podem ser reduzidos a 2 a 5%. Ora, na análise de traços este nível de precisão é quase sempre tolerável e não é significativamente menos favorável do que o de outros métodos. Em relação à determinação dos constituintes maiores, a precisão da espectrografia convencional evidentemente deixa a desejar. 16. Espectrometria de Absorção Molecular nas Regiões Ultravioleta e Visível Introdução A absorção molecular nas regiões ultravioleta e visível tem um valor incomum para a Química Analítica. Os espectros de absorção de espécies iônicas e moleculares em solução nestas regiões consistem, em comum, em bandas relativamente largas, em virtude da sobreposição de variações da energia vibracional (e, às vezes, também da energia rotaciortal) às transições eletrônicas,. A cada transição eletrônica se associa uma série de raias muito próximas a ponto de originar um espectro aparentemente contínuo. Há, também, um alargamento das raias devido à ação de forças moleculares, que atuam em extensão considerável entre os íons ou moléculas muito próximos uns dos outros no meio condensado. Quando um feixe de radiação monocromática atravessa uma solução que contenha uma espécie absorvente, uma parte da energia radiante é absorvida, enquanto a outra é transmitida pelo meio."Chama-se potência radiante de um feixe de radiação colimado à quantidade de energia transportada pelo feixe por segundo. A razão da potência radiante do feixe transmitido P para a potência radiante do feixe incidente P i a transmitância T para o comprimento de onda da radiação (e a espessura da camada líquida). Isto é:

T=P/P0

A distribuição espectral da energia radiante absorvida por uma espécie molecular pode ser descrita mediante lançamento dos valores da transmitância em função do comprimento da onda da radiação. A fração absorvida da radiação não é mensurável diretamente, mas a atenuação sofrida pelo feixe de radiação (ou seja, a transmitância) pode ser relacionada à concentração e ao comprimento do percurso óptico através da lei de Beer. Lei de Beer A lei fundamental da absorciometria é a lei de Beer. É ela que permite estabelecer a necessária relação entre a transmitância e a concentração da espécie absorvente. Vejamos o que se passa quando um feixe colimado de radiação monocromática atravessa uma célula de absorção retangular. Seja dP a atenuação da potência radiante em uma camada infinitamente pequena db, ou seja, a quantidade de radiação absorvida nesta camada. A absorção envolve uma interação entre fótons e centros (átomos ou moléculas) absorventes. O número de possíveis colisões entre fótons e centros absorventes dentro da camada é proporcional ao número de centros absorventes existentes na mesma e ao número de fótons que a atravessam. Se o número de centros absorventes duplica, outro tanto ocorre com o número de colisões; a duplicação do número de fótons também duplica o número de colisões. Portanto, a atenuação da potência radiante, dP, é diretamente proporcional a N, o número de centros absorventes, e P, o número de fótons por unidade de área da seção transversal por segundo. O termo log P o/P é definido como absorbância e representado pelo símbolo A. Então,

log P o/P = - log T = A = ebc O valor da absortividade molar e é característico da espécie absorvente em um solvente particular e a um comprimento de onda particular. O valor de í é independente da concentração e do comprimento do percurso da radiação. Quando a concentração da espécie absorvente é dada em gramas por litro, e deve ser substituído por o, constante chamada simplesmente absortividade.

62

A Eq. acima é uma das formulações matemáticas da lei de Beer. Vê-se que a absorbância (isto é, o logaritmo da .transmitância tomado com sinal negativo) é o produto da absortividade, do comprimento do percurso óptico e da concentração da espécie absorvente. A absorbância de uma solução é diretamente proporcional à concentração da espécie absorvente quando se fixa o comprimento do percurso; e diretamente proporcional ao comprimento do percurso quando se fixa a concentração. A transmitância e a absorbância são duas quantidades importantes na absorciometria. Componentes básicos dos absorciômetros Absorciômetros: Fotômetros e Espectrofotômetros Os instrumentos apropriados para a medida da transmitância (e absorbância) podem ser genericamente denominados absorciômetros. Eles se dividem em duas categorias, conforme o tipo de dispositivo usado para isolar as faixas espectrais limitadas em que é medida a transmitância: os fotômetros e os espectrofotômetros. Os fotômetros selecionam a faixa espectral com o auxílio de filtros de absorção ou de interferência e operam, via de regra, apenas na região visível. Os fotômetros contam com um número relativamente limitado de filtros e as faixas por estes isoladas são bastante largas e de baixa pureza espectral. Os espectrofotômetros fazem uso de monocromadores de prisma ou rede de di-fração para isolar as faixas espectrais desejadas. Os espectrofotômetros podem ser construídos com características muito variadas para operar nas regiões ul-travioleta e visível. Quando eles devem operar tanto no ultravioleta como no visível, são necessários componentes ópticos de quartzo e um ou mais detectores sensíveis para cobrir o extenso campo espectral em que o instrumento pode operar. Os instrumentos que cobrem apenas a região visível possuem compo-nentes ópticos de vidro. Os espectrofotômetros de qualidade superior isolam feixes espectrais com larguras efetivas de apenas décimos de nm; porém, os aparelhos mais simples isolam faixas de 10 a 20 nm. Uma das vantagens dos espectrofotômetros é que eles permitem variar continuamente os comprimentos de onda isolados ao longo da região espectral abrangida pelo instrumento. Fotômetros típicos. Os fotômetros são classificados em duas categorias: de feixe simples e de feixe duplo. Nos fotômetros de feixe simples, o indicador é ajustado em 100% T (A — 0) em relação ao solvente e, então, a transmitância (ou a absorbância) é lida diretamente na escala do indicador. A Fig. Acima representa o diagrama de um fotômetro de feixe simples. A energia radiante, procedente da lâmpada de tungsténio, é delimitada no percurso óptico, com o auxílio da abertura variável. O filtro seleciona a faixa espectral escolhida. Após atravessar a célula de absorção, a luz transmitida alcança a célula fotovoltaica.

Fig. Fotômetro de feixe simples

A corrente gerada é medida pela deflexão da agulha do microamperímetro sobre uma escala de O a 100. Inicialmente, com a célula fotovoltaica escurecida, o indicador é ajustado mecanicamente para transmitância zero (A — oo). Em seguida, o instrumento deve ser ajustado para 100% T com relação ao solvente; coloca-se o solvente na célula de absorção e regula-se a abertura variável de modo que a quantidade de energia radiante incidindo sobre a célula fotovoltaica cause uma deflexão de 100 unidades da agulha sobre a escala do indicador. Finalmente, substitui-se a célula contendo o solvente por outra contendo a solução em estudo e lê-se a transmitância (ou absorbância) na escala do indicador. Geralmente, a escala de O a 100% T do indicador é acompanhada de uma escala logarítmica que permite ler diretamente a absorbância.

63

O fotômetro de feixe simples é um instrumento de leitura direta, que requer iluminação estável durante as medidas; a corrente que alimenta a fonte é estabilizada com um transformador de voltagem constante. Em condições ótimas, pode ser alcançada uma precisão de ± 2% na medida da transmitância.

Fig. Fotômetro de duplo feixe.

Nos fotômetros de feixe duplo, o feixe incidente é dividido em duas partes: uma parte atravessa a célula de absorção contendo o solvente ou a solução em estudo e chega até uma célula fotossensível, a célula indicadora ou de trabalho; a outra parte é desviada em direção a uma segunda célula fotossensível, a célula de referência. A corrente da célula indicadora é, então, comparada com a da célula de referência com auxílio de um circuito adequado. O sistema de duplo feixe serve para atenuar os efeitos da instabilidade da fonte e da não-linearidade da resposta da célula fotossensível; ambos os feixes são igualmente afetados e os efeitos se compensam. Os fotômetros de duplo feixe permitem alcançar uma precisão de ± 0.5% na medida da transmitância. A Fig. 28.27 é o diagrama de um fotômetro de .duplo feixe. O feixe incidente é dividido em duas partes com o auxílio de um espelho, que desvia uma das partes em direção à célula de referência. As correntes das duas células fotovoltaicas passam através de resistores variáveis, um dos quais é calibrado em unidades lineares de O a 100 formando a escala de % T. Um galvanômetro sensível, ligado entre os dois resistores, serve de indicador de zero. Espectrofotômetros típicos. Os espectrofotômetros podem ser construídos em arranjos de feixe simples ou de feixe duplo. A construção de instrumentos de feixe simples requer componentes estáveis de alta qualidade no tocante à fonte, o detector e o amplificador para que possam ser feitas medidas com boa precisão. Os espectrofotômetros de leitura direta operam com precisão moderada, em torno de ± 1% em transmitância; são instrumentos relativamente baratos, de operação simples e rápida e de fácil manutenção. Os espectrofo-tômetros de feixe simples para poderem operar com maior precisão precisam incorporar um circuito de zero para a medida da transmitância. O circuito de zero é simplesmente um potenciômetro ou um circuito de ponte, em que o sinal elétrico do amplificador é equilibrado com um sinal elétrico conhecido. Os instrumentos com circuito de zero podem alcançar uma precisão de ± 0,2% na medida da transmitância, mas são muito mais caros, de operação mais demorada e maior custo de manutenção.

64

A Fig. acima representa o diagrama de um espectrofotômetro de feixe simples e leitura direta (Speetronic 20, Bausch & Lomb), que concilia uma precisão moderada com simplicidade de operação. A faixa de trabalho vai de 350 a 650 nm, mas pode ser estendida até 900 nm mediante uso de um fototubo sensível ao vermelho e um filtro suplementar para reduzir a radiação estranha. A radiação de uma lâmpada de tungstênio é dispersa por uma rede de difração; o monocromador isola uma faixa com largura constante de 20 nm ao longo de toda a região espectral. A desejada faixa de radiação é selecionada girando convenientemente a rede. A corrente do fototubo, depois de amplificada, aciona o ponteiro de um medidor calibrado em transmitância e absorbância. Inicialmente, ajusta-se o botão de controle do amplificador para 0% T na ausência de radiação incidente sobre o fototubo (compensação da corrente escura); depois, ajusta-se o controle de luz para 100% T com o solvente na célula; finalmente, lê-se diretamente a transmitância da solução em estudo. Um instrumento de feixe simples com circuito de zero, típico, é o espectro-fotômetro Beckman DU-2. O elemento de dispersão é um prisma (de quartzo) de Littrow. O instrumento opera na região de 200 a l 000 nm, dispondo para isso de uma lâmpada de hidrogênio para a região ultravioleta e de uma lâmpada de tungstênio para a região visível e superior. Um tubo foto-multiplicador opera abaixo de 600 nm e um fototubo, acima de 600 nm. As fendas são ajustáveis e permitem isolar faixas com larguras de 0,5 nm a 700 nm e 0,01 nm a 200 nm. A Fig. Abaixo representa o diagrama óptico do espectrofotômetro Beckman DU-2. A energia radiante da fonte A, por meio do espelho côncavo B e do espelho plano C, é refletida através da fenda de entrada D para dentro do compartimento do monocromador. O feixe refletido pelo espelho colimador E é disperso pelo prisma de quartzo F. A radiação sofre uma primeira dispersão ao penetrar no prisma, é refletida pela face metalizada e retorna sofrendo nova dispersão; mediante ajustamento da posição do prisma, a radiação de comprimento de onda desejado é focada na fenda de saída. O arranjo óptico é tal que as fendas de entrada e de saída se acham dispostas uma sobre a outra no mesmo eixo vertical. O feixe de saída passa acima do espelho C e entra no compartimento da célula G. Após atravessar a célula contendo o solvente ou a solução em estudo, a radiação penetra no compartimento do fototubo H. A corrente do fototubo é medida como queda de potencial através de um resisto^ fixo com um circuito potenciométrico; a corrente é muito fraca e, por isso, é preciso amplificar o estado de desequilíbrio no circuito potenciométrico. O potenciômetro é calibrado em transmitância e absorbância. Controles especiais permitem ajustar a corrente escura em zero e a transmitância em 100%.

Fig. Espectrofotómetro Beckman DU-2.

Os espectrofotômetros de feixe duplo partem a radiação original no espaço (por meio de um espelho) ou no tempo (por meio de um espelho setorial rotatório). Um dos feixes atravessa a célula contendo o solvente e o outro, a célula contendo a solução em estudo. Os dois feixes são, então, convenientemente comparados.

65

17. Análise por Injeção em Fluxo - FIA Os métodos de análise por injeção em fluxo (em inglês, flow injection analysis - FIA), em sua forma atual, foram descritos pela primeira vez por Ruzicka e Hansen na Dinamarca e por Stewart e colaboradores nos Estados Unidos na metade dos anos 1970.2 Os métodos de injeção em fluxo são uma conseqüência dos procedimentos de fluxo segmentado, que eram muito usados em laboratórios clínicos nos anos de 1960 e 1970 para determinação automática de rotina de uma variedade de espécies em amostras de sangue e de urina para propósitos de diagnóstico médico. Nos sistemas em fluxo segmentado, que foram fabricados por uma única companhia nos Estados Unidos, as amostras eram levadas através do sistema a um detector por uma solução aquosa fluindo que continha bolhas de ar espaçadas proximamente. O propósito dessas bolhas era o de prevenir a dispersão excessiva da amostra, para promover a mistura de amostras e reagentes por turbulência e para lavar as paredes do tubo condutor, prevenindo, assim, a intercontaminação entre amostras sucessivas. Entretanto, os descobridores da analise por injeção em fluxo observaram que os problemas de dispersão e de contaminação poderiam ser quase que completamente evitados em um sistema adequadamente projetado, sem bolhas de ar, e que a mistura de amostras e reagente poderia ser facilmente conseguida. A ausência de bolhas de ar trouxe importar vantagens para as medidas por injeção em fluxo, incluindo: (1) velocidades mais altas de análise (tipicamente 100 a 300 amostras/hora), (2) melhora do tempo de resposta (geralmente menos de l minuto entre a injeção da amostra e a resposta do detector), (3) tempos muito menores para iniciar e desligar o sistema (menos que 5 minutos para cada etapa), e (4) exceto pelo sistema de injeção, o equipamento simples e flexível. As duas últimas vantagens são particular importância pois tornaram mais fácil e econômico utilizar sistemas automatizados para relativamente poucas amostras fora de uma rotina. Isto é, os métodos de fluxo contínuo não estão mais restritos a situações nas quais o número de amostras é grande e o método analítico altamente rotineiro. Conseqüentemente, os sistemas de fluxo segmentado têm sido substituídos pêlos métodos de injeção em fluxo (e também por sistemas discretos baseados em| robótica). Instrumentação A Figura abaixo mostra um diagrama de um dos mais simples sistemas de injeção em fluxo. Uma bomba peristática faz com que um reagente colorimétrico para íons cloreto mova-se diretamente a uma válvula que permite a injeção de amostras no fluxo. A amostra e o reagente passam então através de um reator helicoidal de 50 cm, no qual o reagente se difunde na amostra e produz um produto colorido pela seqüência de reações Hg(SCN)2(aq) + 2 Cl- ↔ HgCl2(aq) + 2SCN - Fe3++SCN- ↔ Fé(SCN)2+ vermelho Do reator helicoidal, a solução passa por um fotômetro equipado com um filtro de interferência a 480 nm. O registro da saída desse sistema para uma série de padrões contendo de 5 a 75 ppm de cloreto está mostrado no lado esquerdo da Figura abaixo. Observe que foram feitas quatro injeções de cada padrão para demonstrar reprodutibilidade do sistema. As duas curvas à direita na figura são varreduras feitas em alta velocidade de uma das amostras contendo 30 (R30) e outra contendo 75 (R75) ppm de cloreto. Essas curvas mostram que a contaminação é mínima em uma corrente não-segmentada. Então, menos de 1% do primeiro analito está presente na célula de fluxo após 28 s, o tempo para a próxima injeção (S2). Esse sistema tem sido usado com sucesso para a determinação de rotina de íons cloretp em águas salobras e em águas efluentes, bem como em amostras de soro sanguíneo.

66

Fig. Determinação de cloreto por injeção em fluxo: (a) diagrama de fluxo, (b) registro de saída para injeções

quadruplicadas s contendo de 5 até 75 ppm de íon cloreto Sistema de Transporte de Amostra e Reagente Comumente, a solução em uma análise por injeção em fluxo move-se através do sistema mediante uma bomba peristáltica, um dispositivo em que um fluido (líquido ou gás) é impelido através de um tubo plástico por cilindros. A Figura abaixo ilustra o princípio de operação da bomba peristáltica. Um suporte, ou banda, comprime por força de uma mola o tubo contra dois ou mais cilindros a todo instante, forçando então um fluxo contínuo de fluido através da tubulação. As bombas modernas geralmente têm de 8 a 10 cilindros, em configuração circular, de forma que metade deles estará comprimindo a tubulação em qualquer instante. Esse desenho leva a um fluxo que é relativamente livre de pulsos. A vazão e controlada pela velocidade do motor, que deve ser maior que 30 rpm, e pelo diâmetro interno do tubo. Uma variedade de tamanhos de tubos (d.i. = 0,25 a 4 mm) está disponível comercialmente e permite fluxos tão pequenos como 0,0005 mL/min e tão grandes quanto 40 mL/min. Os cilindros das bombas peristálticas comerciais são longos o suficiente para permitir que possam ser usados vários tubos simultaneamente. Como mostrado na Figura acima a, os sistemas de injeção em fluxo normalmente contêm uma seção enrolada de tubo (os diâmetros típicos das bobinas de mistura são de cerca de l cm ou menos) cuja finalidade é a de aumentar a dispersão axial e a mistura radial da amostra e do reagente, o que resulta em picos mais simétricos.

Diagrama mostrando um canal de uma bomba peristáltica.

Injetores de Amostra e Detectores Os injetores e detectores empregados na análise por injeção em fluxo são similares quanto ao tipo e às necessidades de desempenho aos usados em HPLC. Os tamanhos da amostra em procedimentos de injeção em fluxo variam entre 5 a 200 uL, sendo os mais usados, na a maior parte das aplicações, de 10 a 30 uL.

67

Para que uma análise seja bem-sucedida é vital que a solução de amostra seja injetada rapidamente como um pulso ou um volume discreto de líquido; além disso, as injeções não devem perturbar o fluxo de corrente transportadora. Com a válvula de amostragem colocada na posição indicada, o fluxo de reagentes continua através da passagem secundária (bypass, em inglês) enquanto a amostra flui através da válvula. Posi-cionando a válvula a 90 graus, a amostra entra no fluxo como uma zona única e bem-definida. Para finalidades práticas, o fluxo através da passagem secundária cessa com a válvula nesta posição porque o diâmetro da alça da amostra (sample loop, em inglês) é significativamente maior que o da tubulação da passagem secundária. Embora a injeção com seringa seja usada algumas vezes, a maneira mais satisfatória para a introdução de amostras está baseada em alças de amostragem similares às encontradas em cromatografia. A detecção em procedimentos de injeção em fluxo têm sido efetuada por absorção e emissão atômica, fluorômetros, sistemas eletroquímicos, refratômetros, espectrofotômetros e fotômetros. A última forma talvez seja a mais comum. Separações por F I A Separações por diálise, por extração líquido/líquido e por difusão gasosa são facilmente realizadas automaticamente com sistemas de injeção em fluxo. Diálise e Difusão Gasosa. A diálise é usada, normalmente, em métodos de fluxo contínuo para separar íons inorgânicos como cloreto ou sódio, ou pequenas moléculas orgânicas, como glicose, de espécies de alto peso molecular, como proteínas. Pequenos íons e moléculas se difundem com relativa rapidez através de membranas hidrofílicas finas de nitrato ou acetato de celulose, ao passo que moléculas grandes não o fazem. A diálise usualmente precede a determinação de íons e pequenas moléculas no sangue ou no soro sanguíneo. Extração. Outra técnica comum de separação facilmente adaptada aos métodos de fluxo contínuo é a extração. Princípios da Análise por Injeção em Fluxo Imediatamente após a injeção com uma válvula de amostragem, a zona de amostra em um dispositivo de injeção em fluxo tem um perfil de concentração retangular, conforme mostrado na Figura 33-5a. Conforme esta se move através da tubulação, a banda se alarga ou ocorre dispersão. A forma da zona resultante é determinada por dois fenômenos. O primeiro é convecção que se origina do fluxo laminar no qual o centro do fluido se move mais rapidamente que o líquido adjacente às paredes, criando assim uma frente com forma parabólica e o perfil de zona assimétrico. O alargamento ocorre também em consequência da difusão. Dois tipos de difusão podem, em princípio, ocorrer: radial ou perpendicular à direção do fluxo e longitudinal, ou paralelo ao fluxo. Em uma tubulação estreita, tem sido mostrado que o último não é significativo, enquanto que a difusão radial é sempre importante nestas circunstâncias. De fato, em fluxos baixos, pode ser a fonte principal de dispersão. Quando tais condições existem, é possível obter uma distribuição simétrica. Outros métodos 18. Amperometria: Introdução e aplicações A amperometria refere-se à medição da corrente em condições de voltagem aplicada constante; nestas circunstâncias, a grandeza da corrente elétrica é determinada pela concentração da substância analisada. Estas medições podem ser usadas para o acompanhamento da variação da concentração de um dado íon durante a titulação e para a fixação do ponto final; este procedimento é a titulação amperométrica.

68

Na célula polarográfica, em virtude das áreas superficiais relativas dos dois eletrodos, a densidade de corrente é pequena no eletrodo auxiliar, ou contra-eletrodo, por ser grande a área do eletrodo: no eletrodo de trabalho, muito menor, a densidade de corrente pode ser elevada. Por isso, o contra-eletrodo não é facilmente polarizado; quando uma pequena corrente elétrica flui através da célula, a concentração dos íons na camada superficial do eletrodo (isto é, na camada da solução imediatamente vizinha ao eletrodo) permanece praticamente igual à concentração dos íons no seio da solução, e o potencial do eletrodo se mantém num valor constante. Em contraste com isso, no eletrodo gotejante, a camada superficial do eletrodo tende a ficar com poucos íons da espécie que se descarrega no eletrodo; se a solução não for agitada, o fator importante que determina a grandeza da corrente que passa pelo eletrodo é a difusão dos íons através do gradiente de concentração que se estabelece. A corrente total que passa pelo eletrodo é igual à corrente provocada pelos íons que sofrem a migração eletrolítica normal mais a corrente devida à difusão dos íons:

I= Id + Im onde I é a corrente total, Id é a corrente de difusão e Im é a corrente de migração. Há, contudo, um efeito complicador: numa solução diluída, o esvaziamento da camada superficial do eletrodo provoca um aumento da resistência elétrica da solução e uma variação na queda de potencial da lei de ohm (IxR) na célula; por isso, o potencial exato vigente no eletrodo fica sujeito a dúvidas. Para superar esta dificuldade é usual adicionar ao sistema um excesso de eletrólito indiferente (p. ex., KC1 0,1 M); nestas condições, a resistência elétrica da solução mantém-se num valor baixo e constante, e a corrente de migração da espécie iônica investigada praticamente desaparece, ou seja, I= Id. Titulação Amperométrica A titulação amperométrica com um microelétrodo polarizado baseia-se na aplicação da técnica da polarografia, em que a corrente é controlada pela difusão, à localização do ponto final de titulações que envolvam a participação de espécies eletroativas. A titulação amperométrica (com um elétrodo polarizado) foi introduzida por Heyrovsky e Berezicky. Na titulação amperométrica, a corrente é medida após sucessivas adições do reagente titulante, com o microelétrodo mantido a um potencial fixo durante toda a titulação. O microelétrodo mais comumente usado é o elétrodo gotejante de mercúrio; a introdução do microelétrodo rotatório de platina permitiu estender a titulação amperométrica a reações com participantes eletroativos no lado dos potenciais positivos até 1,1 vs. E.C.S. O potencial aplicado é fixado sobre o platô da corrente limite em que a corrente é proporcional à concentração. Os valores da corrente observados no curso da titulação são representados graficamente em função do volume da solução titulante. Os dados de cada lado do ponto de equivalência formam duas linhas retas com diferentes inclinações e o ponto final é assinalado pela interseção das duas retas extrapoladas. A titulação amperométrica apresenta algumas vantagens sobre a análise polarográfica. A substância a determinar não precisa ela própria ser eletroativa; é igualmente satisfatório que o seja o reagente titulante. A titulação amperométrica é praticada com aparelhagem muito simples. O método é menos dependente das características do capilar e do eletrólito suporte. Ele não requer um controle muito rigoroso da temperatura, bastando que esta não varie apreciavelmente durante uma titulação. As medidas da corrente são feitas em pontos da titulação afastados, antes e depois, do ponto de equivalência, de sorte que, tal como na titulação condutométrica, é possível empregar reações relativamente incompletas. A titulação amperométrica é inerentemente mais exata do que a análise polarográfica, pois cada ramo da curva de titulação baseia-se na determinação de uma série de pontos. A forma das curvas de corrente-volume encontradas nas titulações amperométricas varia conforme a substância a titular e/ou o reagente titulante sejam espécies capazes de originar correntes de difusão, catódicas ou anódicas, para o potencial fixo aplicado ao microeletrodo durante a titulação. O método amperométrico tem um campo de aplicação bastante amplo. Ele é aplicável à determinação de substâncias capazes de produzir correntes de difusão, mas também de substâncias que, embora não sendo eletroativas, podem ser tituladas com reagentes capazes de produzir correntes de difusão.

69

A maior parte das aplicações da titulação amperométrica se referem a reações com formação de precipitados muito pouco solúveis. Alguns métodos se baseiam no emprego de reagentes orgânicos redutíveis no elétrodo gotejante de mercúrio. A titulação amperométrica encontra algumas aplicações no campo das reações de oxidação-redução; são exemplos as titulações que envolvem o uso de iodo ou bromo (na forma de bromato). 19. Turbidimetria: Introdução e aplicações Espalhamento. O espalhamento é um tipo de interação da radiação eletromagnética com partículas suspensas em um meio material através da qual a radiação é transmitida. A transmissão da radiação eletromagnética, conforme vimos antes, pode ser considerada como uma retenção momentânea da energia radiante pêlos átomos, íons ou moléculas do meio, seguida da reemissão da energia com o retorno das partículas polarizadas a seu estado original. O espalhamento somente se verifica quando as partículas têm dimensões de ordem da magnitude do comprimento de onda da radiação ou menores e se acham distribuídas ao acaso em um meio com índice de refração diferente de seu próprio. O espalhamento pelas partículas suspensas é conhecido como efeito Tyndall. As partículas maiores espalham uma maior quantidade de energia radiante, mas relativamente menor nas direções de retorno. A intensidade do espalhamento aumenta notavelmente à medida que diminui o comprimento de onda, isto é, à medida que este se aproxima do tamanho da partícula. Assim, a luz violeta de 400 nm é espalhada cerca de 3,8 vezes mais do que a luz verde de 550 nm. A coloração azul do firmamento é devida ao espalhamento mais eficiente das radiações de menor comprimento da luz solar pelas partículas de poeira de pequenas dimensões, moléculas de água etc. A coloração vermelha do sol no ocaso confirma que as radiações de maior comprimento são menos efetivamente espalhadas e, portanto, mais completamente transmitidas. Generalidades A nefelometria e a turbidimetria são métodos analíticos baseados no fenômeno do espalhamento da radiação por partículas em suspensão. Ao passar através de um meio transparente contendo partículas na forma de uma segunda fase a luz sofre espalhamento em todas as direções. O espalhamento tem lugar quando a dimensão maior das partículas é inferior a 1-1,5 vezes o comprimento de onda da radiação; as partículas maiores refletem a radiação. Para as radiações ultravioleta e visível, o espalhamento é produzido por partículas de tamanho coloidal, isto é, com a dimensão maior de 1 nm a 1µm. Quando se faz passar um feixe de radiação através de uma suspensão não-absorvente, uma parte da energia radiante é espalhada em todas as direções; ao mesmo tempo, o feixe sofrerá uma atenuação em sua potência ao atravessar a suspensão. Tanto a potência da radiação espalhada como a atenuação da potência do feixe ocasionada pelo espalhamento podem ser relacionadas à concentração das partículas suspensas. Resultam assim duas opções para a utilização do fenômeno do espalhamento na análise quantitativa. A nefelometria mede a potência da radiação espalhada em ângulo reto ao feixe incidente. A turbidimetria mede a atenuação na potência do feixe incidente. A quantidade τ é chamada coeficiente de turbidez ou, simplesmente turbidez. Experimentalmente, observou-se que o coeficiente de turbidez varia com o comprimento de onda segundo

τ=sλ-1

em que s é uma constante para um sistema dado, freqüentemente, o valor de se relaciona linearmente com a concentração das partículas responsáveis pelo espalhamento.

70

Referências Consultadas 1. Ohlweiler, Otto Alcides – Química Analítica Quantitativa ( vol 3) ; 2ª edição; Rio de Janeiro; Livros técnicos e cintíficos;1976. 2. Vogel, Arthur; Análise Química Quantitativa; 5ª edição; Editora Guanabara Koogan; Rio de Janeiro;1992 3. Ohlweiler, Otto Alcides – Fundamentos da Análise Instrumental ; Rio de Janeiro; Livros técnicos e cintíficos;1981. 4. Skoog, Douglas A.; Holler, F. James; Nieman, Timothy A. - Princípios de Análise Instrumental- 5ª edição- Editora Artmed; Porto Alegre: Bookman, 2002. 5. Oliveira, Fernando Motta – Apostila Cromatografia a gás com espectrometria de massa. – setembro de 2000 6. Sites de pesquisa: www.ufpa.br/ccen/quimica/