1 mia q_alimentar_espectrofotometria_2010

CO-FINANCIAMENTO: Fundo Social Europeu e Estado Português

NOME DO CURSO2009/ 2010

Módulo: MÉTODOS INSTRUMENTAIS DE ANÁLISE

Sub -Tema: Métodos Espectrofotométricos

Formador(es): Cristina Couto

Análise quantitativa

• Métodos Químicos (Clássicos): (Volumetria) (Gravimetria)

• Métodos Instrumentais

Métodos Instrumentais

Espectrais Electroanalíticos Separativos

Relação entre o sinal analítico e a concentração do analito



Mede-se a radiação electromagnética

Envolve

um sinal eléctrico

Envolve

uma separaçãoAbsorvidaEmitidaDifractada

PotencialCondutância

Em fase gasosaEm fase líquidaPodem ser detectados pelos métodos anteriores



EAM (UV/Vis)

Turbidimetria

EAA

EEA (FEC)

Potenciometria

Condutimetria

GC

HPLC

Espectrofotometria de Absorção Molecular – EAM (UV/Vis)

Turbidimetria

Espectrofotometria de Absorção Atómica – EAA

Atomização com chama

Atomização com câmara de grafite

Espectrofotometria de Emissão Atómica – EEA

Emissão com chama (FEC)

Emissão com plasma (ICP)

Métodos Espectrofotométricos

Espectrofotometria de Absorção Molecular

UV/Vis

• Detecção por EAM

EAM UV/Vis – Absorção da

radiação electromagnética por

espécies moleculares presentes na

amostra Interacção da matéria com a

radiação electromagnética

• Propriedades electromagnéticas da Propriedades electromagnéticas da radiaçãoradiação

Natureza ondulatória Natureza corpuscular

Reflexão

Refracção

Equação de Planck: E = h.

E - energia (J); h - constante de Planck = 6,624E-34 (J.s); - frequência (s-1)

Absorção

Emissão

Radiação electromagnética

Parâmetros ondulatórios

tempo

período ()

Amplitude (A)

espaço

comprimento de onda ()

Comprimento de onda () : distância entre dois pontos

consecutivos na mesma fase de vibração; expresso em metros (m)

E = h. = h.c/

Espectro electromagnético

Zona do visível

Espectro electromagnético

Zona do visível

Sub-zona do espectro

Comprimento de onda (valores limite) (nm)

Côr complementar

Violeta 400-435 Verde-amarelo

Azul 435-500 Amarelo

Verde 500-580 Vermelho

Amarelo 580-595 Azul

Laranja 595-610 Azul-esverdeado

Vermelho 610-700 Azul-verde

Espectros de absorção

Riscas Abs. Atómica (nº limitado de frequências absorvidas)

Bandas Abs. Molecular (maior nº de estados de energia)

ÁtomoMolécula

Energia E1

E0

E = h.

Abs

orvâ

nci

a

(nm)

Abs

orvâ

nci

a

(nm)

Abs

orvâ

nci

a

(nm)

Aspectos quantitativos e terminologia

I0 I

I0 – Radiação incidente

I – Radiação emergente

A radiação emergente é sempre igual ou menor que a radiação incidente

Lei de Lambert – Bouguer – Beer

LEI DE BEERLEI DE BEER

A = a.b.C

I0 I

A – Absorvânciaa – Absortividade (cm-1 g-1 l)b – Percurso óptico (cm)C – Concentração (g/l)quando C vem em mol/lentão a = - Absortividade molar

(cm-1 mol-1 l)

Transmitância

Transmitância T = I/I0

% de Transmitância %T = (I/I0)*100

Absorvância A = log (I0/I)

A = - log T; T = 10-A

I0 – Radiação incidente

I – Radiação emergente

A = log (100/%T) = 2 – log (%T)

• Exercício 1

• Exercício 2

Desvios à Lei de Beer

A lei de Beer refere o comportamento

ideal de uma solução quando

atravessada por um feixe de energia

radiante, o que na prática é

impossível fixar

– Desvios Reais, Químicos ou Físicos

Desvios à Lei de BeerDesvios Reais – desvios à linearidade resultantes do uso de: soluções concentradas do analito; soluções diluídas do analito e concentradas em electrólitos.

Desvios Químicos – a causa encontra-se no próprio sistema a analisar (a espécie absorvente sofre associação, dissociação ou reacção com outras espécies presentes em solução gerando produtos que absorvem de uma forma diferente do analito)

A ocorrência dos desvios químicos é controlada fixando o pH, a força iónica, a concentração de outras espécies presentes.


Desvios Físicos ou Instrumentais – a causa é inerente aos instrumentos com os quais se opera:

Uso de radiação não monocromática;

Reflexão da radiação incidente;

Deficiente estado de conservação das faces de incidência das células que suportam a amostra;

Não paralelismo da radiação incidente.


1 - Verifica-se a lei de Beer

2 - Desvio negativo

3 - Desvio positivo

13

2A

bsor

vânc

ia

Concentração

• Análise Quantitativa

A metodologia deve obedecer à lei de

Beer na mais ampla possível gama de

concentrações

Quando a espécie a determinar é

pouco ou nada absorvente deve ser

transformada

Reacção de desenvolvimento de cor

(derivatização)Ex. crómio, ferro, etc

• Análise Quantitativa

Método da curva de calibração

(padrão externo)

Método da adição de padrão

Método absoluto

Método da curva de calibração (padrão externo)

preparação de padrões de concentrações C1, C2,

C3, ... Cn, a que correspondem valores de

absorvância medidos A1, A2, A3, ... An

C1

A1

C2

A2

A3

An

C3 Cn

Ax

Cx

abA = a.b.C

referente à amostra

• Exercício 4

• Exercício 5

• Exercício 6

• Exercício 7

Método da Adição de padrão

Amostra de composição desconhecida e/ou complexa

Espécie absorvente presente em concentrações muito baixas

Não é fiável utilizar o método da curva de calibração

Método da Adição de padrão

Amostra problema Cx

Cx+C1 Cx+C2 Cx+C3 Cx+Cn

Amostra problema acrescida de uma concentração C1, C2,...Cn

A2

A1

AnA3

C1

+

Cx

C2

+

Cx

C3

+

Cx

Cn

+

Cx

Cx

Pode-se medir o valor de Ax correspondente a Cx

Método absolutoAplicação directa da lei de Beer

A = abC

O valor a (absortividade) está

tabelado

b (percurso óptico) é conhecido

A (absorvância) é medida

Obtenção do valor de C (concentração)

• Exercício 11

• Exercício 12

• Exercício 13

Titulações espectrofotométricas

Tem que obedecer à Lei de Beer

Facilita a detecção do ponto final

A variação da absorvância é provocada pela

adição de titulante e pela variação de volume

de titulado

Titulações espectrofotométricas

A

B

A + B AB

A

V

A> 0

B = 0

AB = 0

A curva de titulação depende da absortividade das

espécies envolvidas na titulação e da

absortividade dos produtos de reacção

Instrumentos usados em espectroscopia de UV/VIS

Fotómetros

O λ usado nas análises é seleccionado de modo discreto ou descontínuo;

A selecção do λ usado é efectuada por filtros que limitam a radiação incidente a uma determinada banda de comprimentos de onda.

Espectrofotómetros

O λ usado nas análises é seleccionado em gamas limitadas, de forma contínua e variável em toda a zona do espectro;

A selecção do λ usado é efectuado por um monocromador.

Espectrofotómetros de UV/VISEspectrofotómetros: incluem monocromadores que

permitem fazer incidir radiação com uma banda de

comprimentos de onda muito estreita

Componentes de um espectrofotómetro

I0 I AMPDET

b

0.841

Monocromador Compartimento de células

Detector

Registador

Fonte de radiação

Fontes de radiação electromagnética

• Deve produzir um feixe de radiação com intensidade suficiente para proporcionar a medida

• Pode ter mais que uma fonte emissora

• O feixe deve ser estável

Fontes de radiação electromagnética

Zona do visível: lâmpada de tungsténio de filamento incandescente

Zona ultra-violeta: lâmpada de descarga eléctrica de hidrogénio ou de deutério

Selectores de comprimento de onda

São constituídos por:

Fendas de entrada e saída da REM ajustáveis ( reduzem e fixam as dimensões do feixe de radiação)

Lentes ou espelhos colimadores (focam o feixe de radiação)

Unidades de dispersão da REM

• Unidade de dispersão Componente mais importante do

monocromador que separa a radiação policromática nos diversos comprimentos de onda

Prismas

Redes de difracção

Fenda de entrada

Fenda de saída

Rede de difracção

Espelhoscolimadores

Prisma

Rede de difracção

• Compartimento de células

Deve garantir um elevado grau de estanquicidade à luz ambiente

Pode ter mais que um tipo de suporte de células

• Compartimento de células Zona do visível: células de vidro ou de

plástico transparente

Zona ultra-violeta: células de quartzo, de sílica fundida ou de plástico transparente às radiações UV

• Sistema de detecção

Detector

Amplificador

Medidor do sinal eléctrico amplificado

O sinal eléctrico deve ser uma função linear da intensidade da radiação

Tipos de espectrofotómetros Feixe simples - sempre que se varia o

comprimento de onda, é necessário ajustar o zero de absorvância, porque a sensibilidade do detector depende do comprimento de onda: análise quantitativa (a um só )

Feixe duplo - o feixe de radiação é dividido em dois feixes: um atravessa uma célula de referência e o outro atravessa a célula contendo a amostra

• Feixe Simples

Modo de utilizaçãoModo de utilização::

1 - Depois de ligar o equipamento, esperar cerca de ½ hora, para

garantir a estabilização térmica dos componentes eléctricos.

2 - Procede-se ao acerto do 0 de absorvância ou 100%T colocando no

trajecto óptico uma célula com o “branco” (solução com composição

semelhante à da amostra em que está ausente a espécie a determinar)

3 - Procede-se à leitura de soluções de calibração e amostras

utilizando a mesma célula do “branco”

As células devem ser colocadas na mesma posição ou com a mesma face para a REM incidente.

Feixe Simples

• Duplo Feixe

Apresentam duas vantagensvantagens importantes:

O sinal do branco e da amostra são comparados em simultâneo,

não sendo necessária a estabilização térmica do equipamento

Possibilitam o traçado dos espectros de modo automático:

1 - as duas células são preenchidas com o “branco”. O equipamento

corrige todos os valores de absorvância para 0.

2 - substitui-se a solução do branco pela amostra e procede-se ao

traçado do espectro.

Turbidimetria

Turbidimetria• Baseia-se na dispersão da radiação pelas partículas

de matéria

• Quando a luz passa através de um meio transparente em que existe uma suspensão de partículas sólidas, parte da radiação é dispersada em todas as direcções o que confere um aspecto turvo à amostra.

• A diminuição da intensidade de um feixe, como consequência da dispersão de radiação pelas partículas constitui a base dos métodos base dos métodos turbidimétricos.turbidimétricos.

A intensidade de radiação que aparece em qualquer ângulo depende:

• número de partículas

• tamanho e forma das partículas

• índices de refracção relativos das partículas e do meio

• comprimento de onda da radiação

Turbidimetria

Turbidimetria

• Na turbidimetriaturbidimetria é medida a radiação que atinge um detector colocado na direcção do feixe de radiação

• Na nefelometria nefelometria é medida a radiação que atinge um detector colocado com um ângulo de 45 ou 90º em relação ao feixe de radiação

Turbidimetria

• Os métodos turbidimétricos são aplicáveis a suspensões sem cor e opacas que não apresentam absorção selectiva da radiação

• A turbidimetria tem uma sensibilidade de 0,05 a 0,5 mg por 100 ml

Turbidimetria

Características das suspensões:

• Baixa solubilidade

• Elevada velocidade de formação

• Boa estabilidade

• Grande opacidade

Turbidimetria

Aplicação:

• Amostras gasosas, líquidas ou sólidas

• Estudos de poluição do ar e da água

HCl(1:200)

H2SO4BaSO4Ba

HNO3 dil.NaClAgClAg

Comp.sol.ReagenteSuspensãoElemento

HCl(1:200)

H2SO4BaSO4Ba

HNO3 dil.NaClAgClAg

Comp.sol.ReagenteSuspensãoElemento

TurbidimetriaMétodo analítico:

• As curvas de calibração são geralmente empíricas pois dependem não só da concentração como também do tamanho das partículas

• A lei de Beer pode ser aplicada num curto intervalo de concentrações e normalmente é necessário o uso de estabilizantes

Turbidimetria

Método da curva de calibração:Método da curva de calibração:

• A turvação de uma amostra é expressa em NTU (nephlometric turbidity units)

• Por convenção, uma suspensão de 5 g de sulfato de hidrazina e 50 g de hexametilenotetramina num 1l de água destilada apresenta 4000 NTU

Turbidimetria• Calibração prévia do

turbidímetro nefelométrico com soluções padrão de formazina.

• Leitura directa dos NTU das suspensões em estudo.

Regra geral os turbidímetros nefelométricos permitem leituras máximas de 1000 NTU, assim caso as suspensões se apresentem demasiado turvas é necessário proceder a diluições.

Espectrofotometria de Absorção Atómica - EAA


• Aspectos Gerais

A EAA é uma técnica analítica muito utilizada quando as concentrações do analito são muito baixas: ppm; ppb

Conceito base: absorção da radiação electromagnética por átomos de um determinado elemento num conjunto limitado de comprimentos de onda

Nesta técnica a solução em análise é vaporizada e

posteriormente atomizada: chama ou forno de grafite


Abs

0

Espectrosdescontínuos

(riscas)

Abs

0

Excitação


1

2

3

E3

E2

E1

E0

E0 = Estado fundamental

E1 = Estado excitado

Abs

0

Absorção

O sinal medido é absorvância

Lei de Lambert-BeerQuando um feixe de luz monocromático paralelo incide num meio absorvente, o decréscimo de energia radiante é proporcional à trajectória através do meio (b) e da quantidade da espécie absorvente (C)

A = abC

Nota: No caso concreto da absorção atómica por chama, b corresponde à largura da chama


Espectrofotometria de Absorção Atómica por chama

• Funcionamento

● A amostra em solução é aspirada como uma neblina fina (aerossol) para uma chama onde é convertida em vapor atómico (átomos livres)

● Os gases da chama servem para atomizar a amostra

● A maioria dos átomos mantém-se no estado fundamental podendo absorver radiação de comprimento de onda conveniente

● As transições ocorrem passando o átomo do estado fundamental para um estado energético mais elevado (excitado), caso a energia da fonte externa o permita

Modulador

DET AMP

Nebulizador

Queimador

T = I/I0Abs = log I0/I

Lâmpada de cátodo ôco Monocromado

r

I0 I


• Atomização

Energia

● Atomização por chama


• Etapas do processo de atomização por chama

aspiração da amostraformação do aerossolformação do vapor atómicoabsorção da radiação electromagnéticatransições energéticas


Etapas do processo de atomização por chama

Evaporação do solvente

1

Nebulizador

Queimador

Evaporação dos solutos

2

Absorção de radiação

(excitação)

4

Quebra de ligações

3

• Atomização por chama

A amostra é atomizada, numa chama, depois de aspirada através de um nebulizador (aerossol) para a câmara de mistura, onde é misturada com o combustível e o oxidante

Parte dos átomos formados pode combinar-se com átomos ou radicais provenientes da chama ou da solução que continha os elementos a determinar

Os átomos neutros (a maior parte, no estado fundamental) podem absorver radiação incidente específica


• Atomização por chama Principais tipos de chamas

Combustível Comburente Temperatura, ºC

Propano Ar 1925

Propano Oxigénio 2800

Hidrogénio Ar 2000-2050

Acetileno Ar 2100-2400

Acetileno Oxigénio 3050-3150

Acetileno Oxido nitroso 2600-2800


• Atomização por chama Características da chama

Temperatura Carácter oxidante/redutor Velocidade de propagação Estabilidade Espectro não interfira com

os valores de absorção

A

B

A - zona de temperatura máximaB - cone exterior


• Atomização por chama Transformações durante a vaporização

Eliminação do solvente e formação de sais do elemento com a possibilidade de formação de compostos intermédios

Recombinação de átomos com outros átomos ou radicais Ionização de alguns átomos A maior parte dos átomos livres está no estado fundamental Regresso ao estado fundamental de átomos excitados


• Equipamento

Os equipamentos usados são vulgarmente designados por: Espectrofotómetros de Absorção Atómica e são muito semelhantes aos Espectrofotómetros de UV/Vis.

• Componentes de um EAA

Fonte emissora de radiação Dispositivo de vaporização Monocromador Detector de radiação Sistema de amplificação e medição do sinal


• Componentes básicos de um EAA

Fonte emissora de radiação

- Emissores de riscas, isto é bandas de emissão muito estreitas 0,001 nm

- Emissores de banda contínua, bandas com pelo menos 0,008 nm



Fonte emissora de radiação Emissores de riscas

lâmpada de cátodo ôco

lâmpada de descarga de vapor

lâmpada de descarga sem eléctrodo

lâmpada de cátodo de intensidade elevada




Lâmpadas de cátodo oco(Fonte de emissão mais usada)

-Constituída por um ânodo e um cátodo que contém o elemento ao qual a lâmpada se destina:

-Hermeticamente fechados numa atmosfera de um gás monoatómico ultra puro , néon ou árgon

-Só é possível analisar um elemento de cada vez

-É necessário substituir a lâmpada sempre que se analisam elementos diferentes

-Requerem uma fonte de tensão muito estável




Lâmpadas multielemento

- Têm mais do que um elemento

- Mais caras que as monoelemento, mas mais económicas que o somatório das várias lâmpadas

- O cátodo é constituído por amálgamas dos elementos ou compostos dos elementos

- Apresentam intensidades de riscas mais baixas

- Requerem mais do monocromador

- Vantagens económicas ilusórias, por vezes



Atomizador de chama – nebulizador/queimador

- Converte a solução em vapor atómico em consequência da acção conjunta do nebulizador e do queimador

- A amostra, na forma líquida, é transformada em gotículas no nebulizador, sendo estas posteriormente encaminhadas para a chama

- Para um aquecimento mais rápido da amostra esta é dividida em partículas muito pequenas - aerossol o que aumenta a superfície de transferência



Atomizador de chama – eficiência do nebulizador

Caudal de aspiração Tensão superficial da solução Densidade Viscosidade Tamanho e geometria



Queimador – fluxo laminar ou pré-mistura

A cabeça do queimador é constituída por uma série de orifícios ou por uma fenda onde se dá a queima

Chamas de pequena velocidade de combustão Ar-propano Ar-acetileno Óxido nitroso-acetileno


• Componentes básicos de um EAA Monocromador

Isola os comprimentos de onda usados na análise Deve fazer a distinção entre a risca seleccionada e outras eventualmente próximas Devem ter transmitâncias elevadas para não interferir no LD Devem cobrir uma gama de trabalho entre os 200 nm e 850 nm


• Componentes básicos de um EAA Detector

A energia radiante é detectada por fotomultiplicadores

A radiação incidente no detector pode decompor-se em: radiação da fonte emissora não absorvida radiação proveniente de átomos do elemento no regresso ao estado fundamental radiação proveniente da chama difusão da radiação incidente em partículas existentes

A modulação do sinal emitido pela fonte emissora permite ultrapassar este problema


• Atomização por chama Interferências

Partículas presentes na chama - difracção da radiaçãogotículas não evaporadaspartículas salinas não vaporizadas

Ligações entre os átomos metálicos na chama a outros átomos idênticosao oxigénioa constituintes da chama

Ionização dos átomos

Reacção com componentes presentes e formação de compostos de difícil vaporização


• Preparação das AmostrasSolubilização da amostrauso de reagentes muito puros, incluindo a H2O

Material muito bem lavadoMaterial adequado para guardar amostras e padrõesManuseamento muito cuidadosoBoa conservação dos padrões


• Aplicações da EAA

• Determinação da concentração total de elementos químicos em amostras (especialmente metais)

• Método sensível, com boa reprodutibilidade e com limites de detecção relativamente baixos (mg/L)

• Análise quantitativa e selectiva sem necessidade de separação dos componentes da amostra

• Amostras líquidas ou sólidas (solubilizadas)


• Exemplos

Determinação de cobre em vinhos pelo método da adição de padrão

Determinação de cobre em águas pelo método da adição de padrão

Determinação de magnésio em cervejas pelo método da curva de calibração


• A absorção atómica também pode ser sem chama, utilizando uma câmara de grafite

• Uma câmara de grafite é um pequeno tubo cilíndrico que é aberto em ambos os lados e que possui uma zona central que permite a introdução da amostra

• Um pequeno volume de amostra é injectado– Amostra líquida, utilizando uma micropipeta

• O tubo tem 5 cm de comprimento e um diâmetro interno inferior a 1cm

• Dá-se a sua atomização à custa de uma corrente eléctrica entre dois eléctrodos ligados aos extremos da câmara– Atomizador electrotérmico

Espectrofotometria de Absorção Atómica com atomização electrotérmica (câmara de grafite)

Espectrofotometria de Absorção Atómica com atomização electrotérmica (câmara de grafite)

• Com chama• Desvantagem de só se

poderem aplicar a soluções

• É necessário um volume

apreciável • Boa precisão

• Sem chama (câmara de grafite)

• Pequenos volumes de amostras• Mais sensibilidade

– 2 a 3 ordens de grandeza– Maior tempo de estadia dos

átomos• Aparelhagem mais dispendiosa• Menor precisão


Espectrofotometria de Emissão Atómica - EEA

Fotometria de Emissão de Chama – FEC

Fotometria de Emissão Atómica - FEC

• Aspectos gerais É uma técnica analítica utilizada especialmente para determinações

de lítio, sódio e potássio (ppm)

Conceito base: átomos ou moléculas que se formam numa chama quando nela é introduzida uma amostra, são levados a um estado excitado pela colisão térmica com os constituintes dos gases da chama, havendo emissão de radiação característica do elemento ou molécula, quando estes retornam ao estado fundamental


DET AMP

Nebulizador

Queimador 0.84

1Sinal = I (intensidade da

radiação emitida)

Filtro


E0 = Estado fundamental

E1 = Estado excitado

1

2

3

E3

E2

E1

E0

4

5

Abs

0

FEC Determinação de Li+, Na+ e K+ E reduzido


• Funções da chama evaporar o solvente produzir o vapor atómico excitar os átomos livres

A temperatura depende da composição da chama, e a radiação também é condicionada pela composição e proporção dos gases usados


Evaporação do solvente

1

Evaporação dos solutos

2

Quebra de ligações

3Nebulizador

Queimador

Excitação e Emissão de

radiação

4


• Equipamento• Semelhante ao utilizado em EAA, sendo de assinalar a

ausência no fotómetro de chama, da fonte emissora de radiação que interactua com a amostra e o correspondente sincronizador com o sistema de detecção


• Equipamento atomizador: - reguladores de pressão

- mecanismo de introdução de amostra na chama

- queimador

selector de comprimentos de onda: - monocromador - filtro (FEC)

sistema de detecção: - detector- amplificador- registador


Resumindo… A fonte de radiação são os átomos do elemento químico

a analisar

Na chama, a maior parte dos átomos encontra-se no estado fundamental; apenas os átomos excitados emitem radiação (população minoritária)

A chama é a fonte de excitação dos átomos


A radiação emitida pela passagem dos átomos do estado excitado ao fundamental é seleccionada no filtro/monocromador

O sinal medido é a Intensidade de Emissão (proporcional à concentração de átomos na chama)


Resumindo…

Amplificador e leitura

Filtro / Monocromador

Detector-

Átomos


• Aplicações Determinação da concentração total de elementos químicos: K+,

Na+ e Li+ em amostras.

Método sensível, com boa reprodutibilidade e com LD relativamente baixos – ppm

Análise quantitativa e selectiva sem necessidade de separação dos componentes da amostra.

É mais sensível na determinação dos metais alcalinos.


• AplicaçõesDeterminação de potássio em vinho do Porto pelo método da curva de calibração.

Determinação do potássio em vinho do Porto pelo método da adição de padrão.

Determinação de sódio solúvel e sódio disponível numa amostra de solo.

Comparação entre EAA e FEC

Vantagens da EAA vs FEC

A variação da temperatura da chama afecta pouco a população de átomos no estado fundamental;

A razão sinal/ruído é menor;

As interferências espectrais são menores;

Sensibilidade do método é geralmente maior.

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