Relatório da prática – Espectrofotometria UV-Vis e FIA, Trabalhos de Química

Baixe Relatório da prática – Espectrofotometria UV-Vis e FIA e outras Trabalhos em PDF para Química, somente na Docsity! RESUMO Determinaram-se as concentrações das amostras desconhecidas A e B por meio de uma curva de calibração obtida da análise em espectrofotometria no UV-Vis (A=23,2653 mg/L e B=39,9136 mg/L) e FIA (A=23,0182 mg/L e B=39,5636 mg/L). Por fim, concluiu-se que a espectrofotometria é mais sensível enquanto o FIA possui maior detectabilidade. 1 – INTRODUÇÃO A faixa espectral do ultravioleta e do ultravioleta visível compreende entre 160 e 780 nm e partir disso, é que se baseia a espectroscopia nessa região. Esse tipo de espectroscopia consta na absorção por parte da amostra da radiação incidente, sendo esse o valor medido e estudado, de absorbância ou de transmitância. A solução de estudo é contida em uma cubeta, de plástico ou de quartzo e inserida no caminho ótico do equipamento. Nessas células, há uma perda de 8,5% de feixe devido à reflexão que ocorre quando a radiação eletromagnética atravessa do ar para a parede e da parede para a solução. Assim, a potência do feixe que sai da cubeta com a solução a ser analisada é comparada com a potência do feixe que sai de uma cubeta contendo apenas o solvente, ou seja, o branco. Nessa prática, o que se deseja encontrar é a concentração do analito, por meio da comparação com amostras conhecidas quanto a esse quesito. A concentração está relacionada com a absorbância através da formula: A=−log T=log P0 P =∈bc Esta é a equação que representa a lei de Beer, que considera um bloco com partículas, definido por uma área infinitesimal e com uma quantidade dn de moléculas, onde, se um fóton colidir com uma delas, será absorvido instantaneamente. Essa equação leva em conta a concentração de partículas na substância analisada e o comprimento do bloco onde está contida, ou seja, da cubeta. Para o caso em que haja mais de uma substancia adsorvente, a equação também se aplica, sendo a absorbância total uma somatória de cada contribuição. A partir dessa fórmula, pode-se concluir que a relação entre a absorbância e o caminho ótico/ ou concentração é linear. O termo ∈ está relacionado com o índice de refração do meio, que pode ou não ser afetado pela concentração do analito. A lei de Beer é uma predição para absorbância de soluções com concentrações de analito baixas, ou seja, é uma lei limite, aplicada para radiações monocromáticas. No caso de altas concentrações, a distância entre as moléculas diminui e cada uma passa a afetar a distribuição de carga de vizinhas, pelo efeito de repulsão. Essa consequência faz com que a capacidade de absorção possa ser diferente. Como já dito, a absorbância é dependente da concentração, nesse caso, haveria um desvio na relação linear entre ambas. O mesmo ocorre quando a concentração do analito é baixa, mas a concentração de eletrólitos na solução é alta. Outro desvio da lei de Beer, é quando o analito se dissocia, se associa ou reage com outra espécie, gerando o desvio químico (um novo produto com uma absorção química diferente. Considerando um equipamento de alta qualidade, tem-se 2 equações relacionadas ao desvio padrão de transmitância. A primeira é: ST=K 2√T 2+T , tendo origem no “ruído eletrônico shot”[1], que ocorre quando a passagem de eletricidade envolve uma transferência de carga por meio de uma ponte. A segunda é: St=K3.T , é um ruído chamado de “ruído flicker da fonte”[1], sendo o efeito de flutuação na intensidade da fonte (corrigido por uma fonte de alimentação com tensão constante). Outra fonte de ruído é devido ao mau posicionamento das cubetas de referência e de amostra, tornando o experimento irreprodutível. Esse posicionamento pode gerar espalhamento e reflexões do feixe incidente, resultando em variações na transmitância. Essa é a limitação mais comum no espectrômetro de ultravioleta/visível, devido a um defeito na cubeta, ou erro do instrumentador. Uma outra consideração importante é que o instrumento deve possuir uma fenda estreita, para que a resolução do resultado e também os detalhes dos espectros sejam mantidos. O instrumento de espectrometria de absorção molecular no ultravioleta/visível consta em uma fonte, uma lâmpada de deutério ou de filamento de tungstênio, um seletor de comprimento de onda, um recipiente para a amostra, transdutores de radiação e processadores de sinal e dispositivos de leitura. No caso dessa prática, foi-se utilizado um instrumento de feixe duplo, onde dois feixes são gerados a partir de um sistema de espelhos com um divisor de feixe. Um feixe passa pela amostra padrão (branco) enquanto no mesmo instante, o outro feixe passa pela amostra a ser analisada. A segunda parte da prática consta no instrumento de análise por injeção de fluxo (FIA), um procedimento de fluxo segmentado, onde a amostra é carregada até o detector por uma solução aquosa. O sistema não pode conter bolhas pois gera problemas de dispersão e de contaminação, além de promover vantagens como: uma velocidade maior de análise, menor tempo de resposta do equipamento, e também um tempo menor de inicialização e terminação do experimento[1]. Nesse equipamento, uma bomba peristáltica faz com que a solução seja direcionada pelos seus cilindros de configuração circular, para uma válvula que permite a injeção de fluxo. A velocidade da amostra que é direcionada é controlada pela velocidade com que a bomba funciona. Desse canal, ou alça, a amostra passa para um espectrômetro de ultravioleta/visível, mas nesse caso, de apenas um feixe. O injetor usado nessa prática, faz com que a solução seja injetada rapidamente no sistema. Com a alça fora do circuito, o fluxo segue apenas com a água (solvente), enquanto a mesma é carregada com a amostra para análise. Quando se posiciona a alça no circuito, a amostra é empurrada pelo solvente, até o espectrômetro, onde absorve radiação (mesmo esquema da primeira parte da prática). As alças utilizadas tinham comprimentos diferentes e foi estudado a interação que era vista. Quando a amostra de análise é inserida na alça para injeção, esta possui uma concentração retangular. Já quando a alça é colocada junto ao sistema, esta se move através do tubo e ocorre uma dispersão, podendo ser de forma parabólica, onde o centro do fluido se move mais rapidamente do que o líquido das paredes. Nesse caso, como a tubulação é estreita, ocorre um alargamento devido a difusão radial ou perpendicular à direção do fluxo. A dispersão é definida por:D=c0 /c , onde c0 é a concentração do analito e c é a concentração do pico no injetor, e c pode ser calculado a partir da lei de Beer. A dispersão é determinada por 3 fatores: a concentração 1 permanganato (mg/L) solução estoque (mL) aproximado de água (mL) balão volumétrico (mL) 10,0 2,0 98,0 100,0 20,0 4,0 96,0 100,0 30,0 6,0 94,0 100,0 40,0 8,0 92,0 100,0 50,0 10,0 90,0 100,0 Tabela 3: Curva Analítica para o Permanganato no UV/Vis Concentração de Permanganato (mgL-1) Absorbância (λmáx.=525,5 nm) Medida 1 Medida 2 Medida 3 Média 10,0 0,1464 0,1461 0,1466 0,1464 ±0,0002 20,0 0,2937 0,2933 0,2933 0,2934 ±0,0002 30,0 0,4385 0,4388 0,4392 0,4388 ±0,0004 40,0 0,5890 0,5895 0,5901 0,5895 ±0,0006 50,0 0,7329 0,7329 0,7323 0,7327 ±0,0004 Tabela 3: Curva Analítica para o Permanganato no FIA Concentração de Permanganato (mgL-1) Absorbância (λmáx.=525,5 nm) Média 10,0 0,057 0,057 0,056 0,0567 ±0,0006 20,0 0,113 0,112 0,110 0,112 ±0,002 30,0 0,164 0,164 0,163 0,1637 ±0,0006 40,0 0,222 0,223 0,225 0,223 ±0,002 50,0 0,278 0,278 0,278 0,278 ±0 3 – Análises Com relação a primeira parte da prática, foi-se utilizado um espectrofotômetro Shimadzu de duplo feixe, com monocromadores e fotodiodos de silício. A faixa de varredura que esse equipamento compreende é de 190 a 1100 nm e a velocidade com que o equipamento pode proceder é de 160 nm/min a 3200 nm/min. Para as análises não se é necessário uma quantidade grande de amostras, e portanto foi-se utilizado apenas 5 mL para cada teste realizado. O comprimento de onda da radiação selecionado foi de 525 nm, o pico máximo obtido de absorbância para a amostra de permanganato após a realização de uma varredura espectral. Para essa varredura foi-se determinado um intervalo entre 300 a 800 nm. O primeiro teste foi feito com a maior velocidade permitida no software, para que se fosse possível determinar os picos de absorção. Para uma maior precisão, após reduzir a faixa para uma janela entre 200 nm, se realizou o mesmo procedimento, mas com a menor velocidade, encontrando o maior pico de absorção e o comprimento de onda ideal. 4 Já para a construção da curva analítica, foram realizadas medições no modo fotométrico do software e forma realizadas 5 leituras das amostras conhecidas e 5 leituras do branco, intercaladas. Nesse medo modo, foram testadas 2 amostras desconhecidas. Com relação a segunda parte da prática, foi-se utilizado um espectrofotômetro com cela de detecção em fluxo, a bomba peristáltica e o injetor manual, contendo 3 alças de tamanho diferentes removíveis. O comprimento de onda utilizado foi o mesmo determinado na primeira parte da prática pois se trata do mesmo composto a ser analisado. As mesmas soluções preparadas na primeira parte foram também empregadas ao instrumento FIA para questão de comparação. Para a construção da cura analítica, foram testadas 3 alças de tamanhos diferentes: 5 cm, 9 cm e 18 cm. Foram medidas as absorbâncias das amostras de concentrações conhecidas em triplicada, intercaladas com medidas de branco, utilizando primeiramente apenas uma das alças. Com a mesma alça, foram testadas as duas amostras de concentração desconhecidas, também em triplicata. Por fim, para o estudo do efeito do tamanho da alça, selecionou-se a concentração de 30 mg/L e foi medido a absorbância dessa mesma amostra, mas variando entre as 3 alças. 4 – RESULTADOS & DISCUSSÃO O espectro de absorção do permanganato no UV-Vis está indicado abaixo: Espectro 1: Absorção do Permanganato no UV-Vis. 450 475 500 525 550 575 600 625 650 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Conprimento de onda λ (nm)nm) A b s A partir do espectro 1, determinou-se o ƛmáx de absorção do permanganato (525,5 nm), comprimento de onda utilizado para as análises no espectofotômetro e no FIA, uma vez que o ƛmáx é característico de cada composto e devido a absorção máxima, é possível obter-se valores mais intensos e distintos do ruído, gerando-se assim, resultados mais confiáveis. Os resultados obtidos pela análise das soluções padrão na esctrofotometria no UV-Vis e na análise por injeção de fluxo foram plotados nos gráficos 1 e 2 respectivamente, sendo indicado abaixo os de coeficientes de correlação e as equações das retas. 5 Gráfico 1: r2 = 0,99995641 y = 0,0147x – 0,0005 Gráfico 2: r2 = 0,99962623 y = 0,0055x + 0,0004 Analisando a equação da reta, percebe-se que a espectrofotometria no UV-Vis possui maior sensibilidade que o FIA, uma vez que o coeficiente angular da reta obtido para o FIA foi menor (quanto maior o coeficiente angular da reta, maior é a sensibilidade do equipamento). Em seguida, realizou-se a análise das amostras desconhecidas A e B e os valores obtidos estão indicados nas tabelas 4 e 5. Em seguida, por meio da equação da reta obtida pela curva de calibração, foi possível determinar suas concentrações. Tabela 4: Análise das Amostras com Concentração Desconhecida no UV-Vis Amostr a Absorbância Média Concentração de Permanganato (mgL-1) A 0,3413 0,3417 0,3416 0,3415 ±0,0002 23,26 B 0,5857 0,5865 0,5865 0,5862 ±0,0005 39,92 Tabela 5: Análise das Amostras com Concentração Desconhecida no FIA. Amostr a Absorbância Média Concentração de Permanganato (mgL-1) A 0,127 0,127 0,127 0,127 ±0 23,02 B 0,217 0,218 0,219 0,218 ±0,001 39,56 Ao término da quantificação das amostras desconhecidas, realizou-se uma análise do efeito da dispersão devido ao tamanho da alça de amostragem. Os valores obtidos estão indicados na tabela 6. Tabela 6: Efeito da Alça de Amostragem. Tamanho da alça (cm) Absorbância (solução padrão de 30mgL-1) Média 5 0,107 0,108 0,106 0,107 ±0,001 9 0,164 0,164 0,163 0,1637 ±0,0006 18 0,216 0,222 0,222 0,220 ±0,004 Por fim, construiu-se o fiagrama das duas análises feitas no FIA (determinação das amostras desconhecidas e o efeito da alça de amostragem). 6 Por fim conclui-se que as concentrações das amostras desconhecidas, A e B eram de 40 ±1 mgL-1 e 23,1 ±0,8 mgL-1. Também conclui-se que o FIA tinha um menor ruído e um menor limite de quantificação o que com que este método seja mais preciso do que do UV-Vis, porém devido a dispersão da amostra este (FIA) possui um limite de detecção maior o que faz com que certas amostras muito diluídas não sejam detectadas por este método e sejam pelo UV-Vis. 6 – QUESTÕES COMPLEMENTARES Responder as questões complementares que aparecem ao fim do roteiro da prática realizada. Copie e cole as perguntas aqui, respondendo as mesmas na sequência que aparecem. Exemplo: Se você realizou a prática de Espectrofotometria no UV-Vis: 1) Faça um diagrama de blocos de um espectrofotômetro de UV-vis de feixe duplo, detalhando seus componentes principais e descrevendo sua função. A fonte de radiação pode ser uma lâmpada que emita nos comprimentos de onda requeridos; o monocromador é um dispositivo que seleciona o(s) comprimento(s) de onda que se deseja utilizar na análise; então há um recipiente para a amostra ser atravessada pelo feixe de radiação selecionado; o transdutor de radiação é um dispositivo que transcreve o sinal eletromagnético (radiação) em um sinal de diferença de potencial ou corrente; e por último temos um componente que transcreve o sinal elétrico recebido para absorbância e mostra este resultado para o analista. 2) Defina os seguintes termos, e como são calculados: i. Faixa linear É o intervalo no qual seus dados tem um comportamento linear. Observa-se na curva feita com seus dados os valores de x paras os quais estes dados tem uma relação linear. ii. Coeficiente de correlação O coeficiente de correlação, r, mede o grau de correlação entre seus dados. Ou seja, mede o quanto seus dados crescem um em relação ao outro (r positivo) ou quanto um decresce enquanto o outro cresce (r negativo). Só assume valores de -1 até 1, sendo estes extremos correlações perfeitas entre os dados, decrescente e crescente, 9 AmostraMonocromadorFonte de Radiação Transdutor de Radiação Processador e Mostrador do Sinal respectivamente. Isto indica o quanto os dados estão próximos da linha de tendência oobtida. iii. Sensibilidade A sensibilidade é a capacidade do seu método de diferenciar os sinais medidos para amostras distintas. Calcula-se este termo como sendo o coeficiente angular da sua curva analítica, ou seja, entre dois valores fixos de x se um método dá uma curva com um coeficiente angular grande este método é mais sensível pois entre estes valores de x há uma grande diferença no valor de y (o sinal do método) correspondente. Caso contrário o método é pouco sensível, então, a diferença em y é pequena o que faz com que seja difícil de distingui-los. iv. Detectabilidade Representa a capacidade do método em detectar a presença e a quantidade dos analitos. Ou seja o mínimo que este pode detectar. Não há valor para ser medido, isto é feito por meio do limite de detecção e quantificação. v. Ruído É o sinal aleatório medido para o branco da análise, ou seja, o que corresponderia ao sinal zero (não é detectado a presença de nenhum analito). Calcula-se este termo como sendo a média aritmética do branco. vi. Limite de detecção (LD) É o mínimo que o seu método pode detectar. vii. Limite de quantificação (LQ) É o mínimo que seu método pode quantificar com um gral de certeza pré-determinado (90% ou 95% ou etc.). É calculado como um múltiplo do desvio padrão do branco (ruído), para 95% de certeza é dez vezes o desvio padrão. 3) É possível analisarem-se dois analitos, simultaneamente, durante uma leitura no espectrofotômetro de UV-vis? Justifique. Sim, pois caso sejam dois analitos que não interajam entre si (não causa alterações na absorção um do outro), tenham picos máximos de absorção bem distintos e como o valor da absortividade depende da substância considerada e do comprimento de onda λ, é possível por meio da relação a seguir analisar-se dois analitos diferentes. |¿λ 1|=ϵiλλ 1bC iλ+ϵ jλλ1bC jλ¿ |¿λ 2|=ϵ jλλ2bC jλ+ϵ iλλ2bC iλ¿ Onde Abs é a absorbância total no λ considerado, ϵ iλλ1 e ϵ iλλ2 são as absortividades da substância i, ϵ jλλ1 e ϵ jλλ2 são as absortividades da substância j para o λ considerado (1 ou 2) e C jλ e C iλ são as concentrações das substâncias j e i respectivamente. 4) Se a concentração de uma amostra é 50 vezes maior que aquela do último ponto de uma curva analítica, qual deve ser o procedimento para se analisar essa amostra? Caso a concentração não seja alta o bastante para que a distância entre as moléculas do analito provoque uma alteração nas suas nuvens eletrônicas, e portanto, altere os comprimentos de onda das radiações que podem ser absorvidas, pode-se fazer uma nova curva analítica que abranja a concentração da amostra; ou dilui-se a amostra até que sua 10 concentração esteja contida na curva analítica. Caso a concentração do analito seja muito alta e ocasione as alterações mencionadas, pode-se também diluir a amostra até que a sua concentração esteja contida na curva analítica. 5) Quais são as principais diferenças entre a análise por injeção de fluxo (FIA) e por batelada? A análise por injeção de fluxo permite automatizar o processo de análise, diminuindo o tempo desta; tem um ruído e um limite de quantificação menores. Permite o monitoramento de reações em tempo real e a manipulação da concentração da amostra. 6) Quais as principais vantagens do FIA? As principais vantagens do FIA são: a automatização do processo de análise, o que gera um menor contato com o analista, o que por sua vez aumenta a precisão dos resultados (diminui a dispersão dos dados), também permite a utilização de uma quantidade menor de solução para a análise e para a limpeza dos aparatos experimentais, o que também diminui os resíduos gerados. 7) Qual o efeito da alça de amostragem na análise? Alças de amostragem de diferentes tamanhos tem efeitos de dispersão diferentes, pois quanto maior a alça maior é a quantidade de amostra injetada e menor é a dispersão desta no fluido injetor. 8) Por que, os valores de absorbância se alteram com alças de tamanhos diferentes, mesmo quando usando uma única concentração de permanganato? Isto ocorre devido a dispersão da amostra no fluido injetor, quanto maior a alça de amostragem menor é o efeito da dispersão desta no fluido, o que aumenta os valores de absorbância para uma mesma. 9) Além de ser usada na química analítica, qual outra aplicação da análise por injeção de fluxo? A análise por injeção de fluxo pode ser usada também em diálise, difusão gasosa e extração. 7 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 SKOOG, D.; HOLLER, F.; NIEMAN, T. Princípios de Análise Instrumental. – 5.ed. Porto Alegre : Bookman, 2002. 11