UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO CAMPUS REGIONAL DE RESENDE ENGENHARIA DE PRODUO

APOSTILA DE ANLISE INSTRUMENTAL

PROFESSORES:

EDUARDO BESSA AZEVEDO ELAINE FERREIRA TRRES

2004

MDULO 1 ESPECTROFOMETRIA DE ABSORO MOLECULAR

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ndice1. ANLISE QUMICA................................................................................................................................4 2.1. MTODOS ANALTICOS....................................................................................................................4 2.1 Mtodos Clssicos............................................................................................................................4 2.2 - Mtodos Instrumentais de Anlises...................................................................................................4 3. RADIAO ELETROMAGNTICA......................................................................................................6 3.1.1 - Transmisso................................................................................................................................7 3.1.2 - Refrao .....................................................................................................................................7 3.1.3 - Reflexo......................................................................................................................................9 3.1.4 Espalhamento (disperso)...........................................................................................................9 3.1.5 - Polarizao..................................................................................................................................9 3.1.6 Efeito Fotoelctrico..................................................................................................................10 3.1.7 - Absoro..................................................................................................................................10 3.1.8 - Emisso.....................................................................................................................................13 4. ESPECTROMETRIA DE ABSORO MOLECULAR.......................................................................14 I Instrumentao....................................................................................................................................14 II Determinao da Relao entre a Absorbncia e Concentrao.......................................................15 Determinar a concentrao da amostra....................................................................................................15 Determinar a concentrao da amostra....................................................................................................15 4.1 Espectrometria no Ultravioleta-Visvel..........................................................................................16 4.2 Espectrometria no Infravermelho...................................................................................................24

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1. ANLISE QUMICA As definies de anlise qumica encontradas em no dicionrio so: A resoluo de um composto qumico nas suas partes imediatas e terminais; a determinao dos elementos ou das substncias estranhas que possa conter. Esta uma definio resumida do que se chama Qumica Analtica. Quando se tnuma amostra completamente desconhecida, normalmente se determina quais so as substncias presentes, fazendo o que se chama de Anlise Qualitativa, uma vez identificados, os componentes, em muitas vezes, se faz necessrio quantific-los, estas determinaes esto no ramo da Anlise Quantitativa. A Qumica Analtica essencial para assegurar qualidade dos produtos e matrias primas, no controle de poluentes, na anlise de nutrientes, no desenvolvimento de novos materiais, no diagnsticos de doenas, na fabricao de frmacos, na biotecnologia etc.

2.1. MTODOS ANALTICOS Os mtodos de anlise qumica podem ser classificados em dois grande grupos: Mtodos Clssicos de Via mida e Mtodos Instrumentais.

2.1 Mtodos Clssicos Os mtodos clssicos so a Titrimetria e Gravimetria. No mtodo Titrimtrico faz-se reagir a substncia a ser analisada com um reagente adequado, que adicionado sob forma de soluo padro, determinando-se o volume de soluo necessrio para se completar a reaco. Os tipos comuns de reaco que encontram uso na titrimetria so as de: neutralizao, oxirreduo, complexao e precipitao. Na Gravimetria, a substncia a ser determinada convertida num precipitado pouco solvel que coletado e pesado.

2.2 - Mtodos Instrumentais de Anlises Os mtodos que dependem de propriedades elctricas, os que esto baseados na determinao de absoro da radiao ou da medida de radiao emitida, necessitam de um instrumento. Os mtodos instrumentais so muito mais rpidos dos que os mtodos de procedimento puramente qumicos, so mais sensveis, podendo ser utilizados para determinar componentes em concentraes muito baixas (traos, subtraos e ultratraos), que no so detectveis em mtodos clssicos. Por causa de sua praticidade, encontram ampla aplicao na indstria. Apesar de sua diversas vantagens, os mtodos instrumentais no tornaram obsoletos os mtodos

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clssicos, que tem custo menor, e so eficientes para determinar componentes da amostra em concentraes mais elevadas. Na Tabela 1 so mostrados os tipos de interaces da radiao com a amostra e os mtodos instrumentais envolvidos.

Tabela 1: Tipos de interaces da radiao com a amostra e os mtodos instrumentais envolvidos. Propriedades Radiao Emisso Mtodos Instrumentais - Emisso Espectroscpica raios-x UV-Vis electro Auger - Fluorescncia - Fosforescncia - Luminescncia - Espectrofotometria raios-x UV-Vis IV RMN EPR - Turbidimetria - Nefelometria - Raman - Refractometria - Interferometria - Raios-x - Polarimetria - Potenciometria - Coulometria - Amperiometria - Polarografia - Condutometria - Gravimetria - Espectrometria de massas - Mtodos Cinticos - ATD, ATG, DSC - Activao e Mtodos de diluio isotpica

Absoro

Disperso

Refrao Difrao Rotao Elctricas Potencial Carga Corrente Resistncia Massa Razo carga/massa Taxa de Reaco Trmicas Radioatividade

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3. RADIAO ELETROMAGNTICA Transmisso de energia na forma de ondas, contendo um componente elctrico e outro magntico, por ser produzida pela acelerao de uma carga elctrica num campo magntico (Figura 1). O espectro da radiao eletromagntica engloba a luz visvel, os raios gama, as ondas de rdio, as microondas, os raios x, ultravioleta, infravermelho (Figura 2). Esses nomes indicam reas do espectro divididas com fins didcticos e prticos, pois o espectro contnuo e no h diferenas abruptas entre as formas de radiao e todas so basicamente o mesmo fenmeno fsico. Por exemplo, todas se irradiam pelo espao com a mesma velocidade, conhecida como velocidade da luz, de cerca de 300 mil km/s. As diferenas esto no comprimento das ondas e na frequncia da radiao, que fazem com que tenham diferentes caractersticas, como o poder de penetrao dos raios X ou o aquecimento do infravermelho. Uma fonte de radiao, como o Sol, pode emitir luz dentro de um espectro variado. Por exemplo, decompondo-se a luz solar com um prisma possvel ver um espectro de cores, como as do arco-ris. Outras so invisveis ao olho humano mas detectveis por instrumentos.

Campo Eltrico

Campo Magntico

Direo da Propagao

Figura 1: Onda eletromagntica.

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Figura 2: Espectro eletromagntico.

3.1 - Comportamento da Radiao A radiao pode sofrer alguns efeitos, tais como: Transmisso, Refrao, Reflexo, Espalhamento, Polarizao, Efeito Fotoelctrico, Emisso e Absoro, sendo que os trs ltimos so propriedades mecnico-qunticas da radiao.

3.1.1 - Transmisso observado que a velocidade de propagao da radiao atravs de uma substncia

transparente menor que no vcuo e depende da concentrao de tomos, ies ou molculas do meio. A radiao pode interagir com a matria, esta interaco pode ser atribuda peridica polarizao de espcies moleculares e atmicas.

3.1.2 - Refrao Quando a radiao passa a um ngulo atravs de uma interface, entre dois meios transparentes de diferentes densidades, ocorre uma mudana de direco da radiao refrao. A refrao de um feixe observada como consequncia da diferena de velocidade da radiao nos dois meios de densidades diferentes (Figura 3).

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1

M1

M2 2

onde: M1 Meio 1 M2 Meio 2 1 ngulo incidncia da radiao 2 ngulo de refrao da radiao Figura 3: Refrao da radiao em dois meios.

O ndice de refrao () de uma substncia dado pela relao entre a velocidade mdia da radiao no vcuo e a velocidade mdia num meio, ou ainda, entre o seno do ngulo da radiao incidente e da radiao refratada:

=onde: C velocidade da radiao no vcuo - velocidade da radiao num meio Para lquidos varia entre 1,4 a 2,5.

C

=

sen 1 sen 2

A relao entre os ndices de refrao com as velocidades mdias dos meios chamada Lei de Snell.

2 sen 1 1 = = 1 sen 2 2

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3.1.3 - Reflexo Quando a radiao cruza a interface entre dois meios que diferem de ndice de refrao tambm ocorre reflexo. A fraco de radiao reflectida torna-se maior com o aumento das diferenas de ndice de refrao. Para um feixe que entra na interface com determinados ngulos, a fraco refletida dada por:

I r ( 2 1 ) 2 = I 0 ( 2 + 1 ) 2

onde: I0 Intensidade do feixe incidente Ir Intensidade do feixe refletido

3.1.4 Espalhamento (disperso) Uma pequena fraco de radiao transmitida por todos os ngulos a partir do caminho original. A intensidade de espalhamento de radiao aumenta com o tamanho da partcula.

Quando o espalhamento ocorre com partculas pequenas, inferiores a 1nm, ocorre o Espalhamento Rayleigh; para partculas coloidais, ocorre o Efeito Tyndall. No espalhamento Raman, parte da radiao espalhada sofre trocas de frequncias quantizadas; estas trocas so o resultado de transies de nveis de energia vibracional que ocorrem nas molculas, como consequncia da polarizao.

3.1.5 - Polarizao Polarizar a radiao eletromagntica num plano, a partir de uma fonte de energia radiante.

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3.1.6 Efeito Fotoelctrico Quando a luz focada no nodo a baixo potencial negativo aplicado, a fotocorrente directamente proporcional intensidade da radiao incidente. depende da frequncia da radiao incidida. A promoo de electres

3.1.7 - Absoro tomos, ies e molculas podem existir somente em certos estados discretos, caracterizados por quantidades discretas de energia. Quando absorvem ou emitem energia, fazendo a transio de um estado de energia para um segundo, a frequncia ou comprimento de onda da radiao est relacionado com a diferena de energia entre os estados pela equao:

E1 E 0 = h. =onde: E1 Energia do estado 1 E2 Energia do estado fundamental

h.C

Quando uma espcie troca o seu estado, ela absorve ou emite uma quantidade de energia exatamente igual a diferena de energia entre os estados. Como esta diferena de energia nica para cada espcie, um estado de frequncia de radiao absorvida caracteriza os constituintes da amostra de matria. Na Absoro Atmica, a passagem de radiao policromtica na faixa do UV-Vis atravs de um meio de partculas monoatmicas resulta na absoro de radiao monocromtica de frequncias definidas. Na Absoro Molecular o processo mais complexo por causa do nmero de estados de energia das molculas poliatmicas:

E total = E eletrnica + E vibracional + E rotacional

Etotal - energia total da molcula10

Eeletrnica Energia eletrnica das molculas que resulta dos estados de energias de ligao Evibracional Vibraes interatmicas em espcies moleculares Erotacional Rotaes das molculas

3.1.7.1 Lei de Lambert-Beer Para deduzir a equao desta lei necessrio observar a Figura 4, que mostra um esquema de absoro de radiao:

I0

Sdx I b

I0 radiao incidente I radiao aps a passagem do meio S rea da seo recta dx diferencial de comprimento b tamanho do caminho ptico Figura 4: Esquema de absoro de radiao.

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Esta lei afirma que, quando uma luz monocromtica passa atravs de um meio transparente, a taxa de diminuio da intensidade com a espessura do meio proporcional intensidade da luz incidente.

dI dS = I S

O nmero de partculas absorvedoras proporcional rea da seo recta do meio:

dS = a.dnonde: a constante de proporcionalidade n nmero de partculas

Igualando dS:

dI a.dn = I S Io 0Resolvendo o integral:

I

n

ln

I a.n = I0 S

Isto equivalente a afirmar que a intensidade da luz emitida diminui exponencialmente com a espessura do meio absorvedor, ou que qualquer camada do meio com uma certa espessura absorve sempre a mesma fraco da luz que incide sobre ela. Tambm se pode afirmar que este mesmo comportamento se d em relao concentrao da substncia absorvedora. Como:

S=Ento:

V (cm 3 ) b

ln

I a.n.b = I0 V

Transformando a concentrao em nmero de partculas ou em quantidade de matria (mol/L):

log

I = .b.C I012

O log

I I representado por A e chamado Absorbncia, a razo de chamado I0 I0

Transmitncia.

A Lei de Lambert-Beer pode ser representado pela simples equao:

A = .b.CA absorbncia uma grandeza extensiva, ento numa mistura de vrios componentes a absorbncia total da soluo igual ao somatrio das absorbncias dos componentes:

AT = Aii =1

nc

3.1.7.1.a Desvios da Lei de Lambert-Beer Concentrao elevada de analito. Se a estrutura do io colorido ou do no-eletrlito no estado dissolvido mudar com a concentrao. Quando pequenas quantidades de eletrlitos reagem quimicamente com os componentes coloridos. Grandes quantidades de eletrlitos podem resultar em deslocamentos do mximo e de mudana do valor do coeficiente de absortividade molar. Luz no monocromtica.

3.1.7.1.b Erros de anlise Desvio da Lei de Beer. Concentrao superior a 10-3 mol/L, variando a viscosidade. Luz refratada por suspenses. Reflexo gerada pela cubeta. Luz parasita. Rudos de eletrnica.

3.1.8 - Emisso A emisso produzida quando partculas relaxam para nveis de energia mais baixos, dando o excesso de energia como fotes.

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A excitao pode ser feita por:

Bombardeamento com electres ou outras partculas elementares; Exposio a corrente eltrica ou calor de chama, arco, forno, ou outros que produzem radiao UV-Vis ou IV.

Irradiao com feixe de radiao eletromagntica, no qual produz radiao fluorescente.

4. ESPECTROMETRIA DE ABSORO MOLECULAR

I Instrumentao

F O N T E L U M IN O S A

M ONO CROM ADOR

CLULA DA ABSO R O

FOT OD ET ETO R

D

A

B

C

C L U L A D E R E F E R N C IA

A M P L IF IC A D O R

E

R E G IS T R A D O R

F

A Espectro contnuo, uniforme e de intensidade adequada sobre toda a faixa de comprimento de onda de interesse. Lmpada de hidrognio ou deutrio e filamento de tugstnio. B Ajuste do aparelho para escolher um determinado comprimento de onda adequado para a anlise. C Recipientes para conter a amostra cubeta. D Dispositivo que transforma a luz incidente da amostra em sinal elctrico. Este sinal, por sua vez, amplificado e enviado para o registrador. E - Amplifica o sinal. F - Registra o sinal j com valores interpretveis.

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II Determinao da Relao entre a Absorbncia e Concentrao

II.1 - Curva de Calibrao Ajustar o equipamento para medir a absorbncia no intervalo de comprimentos de onda de interesse.

Executar o varrimento com a amostra em branco, a fim de detectar quaisquer problemas com o aparelho e/ou amostras. Preparar solues padro da substncia a ser analisada de concentraes prximas ao que se espera do analito. Repetir o varrimento usando, agora, o contedo do balo de maior concentrao de soluo padro ou de concentrao intermediria numa das cubetas. A outra deve ser mantida com o branco no feixe de referncia.

Determinar o comprimento de onda com a maior absorbncia ( mx). Medir, no comprimento de onda determinado acima, a absorbncia das solues padro e da amostra de concentrao desconhecida. Traar a curva de calibrao (Absorbncia X Concentrao). Fazer regresso para determinar a melhor curva.

Determinar a concentrao da amostra.

II.2 - Adio de Padro

Medir, no mx,, a absorbncia dos padres. Adicionar em vrios bales do mesmo volume, um volume conhecido de soluo de amostra e volume conhecido de soluo padro. Traar um grfico Absorbncia X Volume (mL) de soluo padro.

Determinar a concentrao da amostra.

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4.1 Espectrometria no Ultravioleta-Visvel A absoro molecular na regio do ultravioleta e do visvel depende da estrutura eletrnica da molcula. A absoro de energia quantizada e conduz passagem dos electres para orbitais do estado fundamental para orbitais de estado excitado. O comprimento de onda da regio do ultravioleta-visvel geralmente expresso em nanmetros (nm) e cobre a faixa de :

10 nm 200 nm UV de vcuo 200 nm 380 nm UV prximo 380 nm 780 nm Visvel (Figura 5)

Figura 5: Espectro de cores no visvel.

Para muitas estruturas eletrnicas esta absoro ocorre numa poro pouco acessvel do ultravioleta. Na Figura 6 so mostradas as transies eletrnicas que podem ocorrer: As transies n*, tambm chamadas de bandas R so proibidas porque so caracterizadas por baixa absortividade molar (