análise instrumental

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ANÁLISE INSTRUMENTALProf. Thiago Novotný

ANÁLISE INSTRUMENTAL

Livro TextoSkoog, D.A., Holler, F.J. & Nieman, T.A. – Princípios de Análise Instrumental, 5a. ed.,(Ignez Caracelli, Paulo C. Isolani et al. - trads., Célio Pasquini, supervisão e revisão),Porto Alegre/São Paulo, Artmed - Bookman (2002), 836 pp.

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Introdução

Métodos Analíticos Clássicos

Métodos Analíticos InstrumentaisMétodos Analíticos Instrumentais

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Tipos de Métodos Instrumentais

Propriedades Métodos Instrumentais

Emissão de Radiação Espectroscopia de emissão (raios X, UV,visível, de elétrons); fluorescência,fosforescência e luminescência (raios X, UVe visível)

Absorção de Radiação Espectrofotometria e fotometria (raios X,UV, visível, IV); espectroscopiafotoacústica; ressonância magnéticafotoacústica; ressonância magnéticanuclear e espectroscopia de ressonância despin eletrônico

Dispersão de Radiação Turbidimetria; nefelometria,espectroscopia Raman

Refração de Radiação Refratometria, interferometria



Difração de Radiação Métodos de difração de raios X e deelétrons

Rotação de Radiação Polarimetria; dispersão rotatória óptica,dicroísmo circular

Potencial Elétrico Potenciometria; cronopotenciometria

Carga Elétrica Culombimetria

Corrente Elétrica Polarografia; amperometria

Resistência Elétrica Conductimetria

Massa Gravimetria (microbalança de cristal dequartzo)

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Razão massa/carga Espectrometria de massas

Velocidade de Reação Métodos cinéticos

Propriedades Térmicas Gravimetria e volumetria térmica;calorimetria de varredura diferencial;análise térmica diferencial; métodos decondutividade térmica

Radioatividade Métodos de ativação e de diluição isotópica

Instrumentos para a Análise

Sistemaobjeto deestudo

Fonte deenergia

Informaçãoanalíticaestudoenergia analítica

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Exemplos de Componentes de Instrumentos

InstrumentoFonte de Energia

(estímulo)

Sinal Analítico

Transdutor de Entrada

Domínio dos Dadosda Informação Transformada

Processador de Sinal

Leitura

Fotômetro Lâmpada de tungstênio, filtro de vidro

Feixe de luz atenuado

Fotocélula Corrente elétrica Escala de medida

Medidor de corrente

Espectrômetro de EmissãoAtômica

Chama RadiaçãoUV ou visível

Tubo fotomultipli‐cador

Potencial elétrico Amplificador, desmodulador, monocromador, cortador

Registrador e papel

Culombímetro Fonte de corrente Corrente da Eletrodos Corrente elétrica Amplificador Registrador Culombímetro Fonte de corrente contínua

Corrente da célula

Eletrodos Corrente elétrica Amplificador Registrador e papel

pHmetro Amostra, eletrodo de vidro

Atividade do íon hidrogênio

Eletrodos de vidro e de calomelano

Potencial elétrico Amplificador,digitalizador

Unidade digital

Difratômetro de Raios X

Tubo de raios X, amostra

Radiação difratada

Película fotográfica

Imagem latente Revelador químico

Imagensenegrecidas

Comparador de Cor

Luz solar Cor Olhohumano

Sinal do nervo óptico Cérebro humano

Resposta visual à cor

Seleção do Método Analítico

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D fi i ã d P blDefinição do Problema



Qual a exatidão necessária?

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Qual a exatidão necessária?Qual a quantidade de amostra disponível?



Qual a exatidão necessária?Qual a quantidade de amostra disponível?Em qual intervalo de concentrações está o analito?

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Qual a exatidão necessária?Qual a quantidade de amostra disponível?Em qual intervalo de concentrações está o analito?Que componentes da amostra podem interferir?



Qual a exatidão necessária?Qual a quantidade de amostra disponível?Em qual intervalo de concentrações está o analito?Que componentes da amostra podem interferir?Quais são as propriedades físicas e químicas da matriz da amostra?

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Qual a exatidão necessária?Qual a quantidade de amostra disponível?Em qual intervalo de concentrações está o analito?Que componentes da amostra podem interferir?Quais são as propriedades físicas e químicas da matriz da amostra?Quantas amostras devem ser analisadas?Quantas amostras devem ser analisadas?

Característica de Funcionamento dos Instrumentos

C ité i Q lit tiCritérios Qualitativos

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C ité i Q lit tiCritérios Qualitativos

VelocidadeFacilidade e comodidadeHabilidade do operadorCusto e disponibilidade do equipamentoCusto por amostra


C ité i Q tit ti (P â t d Q lid d )Critérios Quantitativos (Parâmetros de Qualidade)

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Seletividade (especificidade);Linearidade;Sensibilidade;Intervalo; Exatidão; Precisão; Limite de detecção;Limite de quantificação.

SELETIVIDADE (ESPECIFICIDADE)

Especificidade:

Muitas substâncias existem em diferentes formas físicas e/ou químicas nasqmatrizes das amostras. Por exemplo: compostos de ferro são encontradossob a forma solúvel, coloidal ou particular, em diferentes estados deoxidação, ou em complexos. Nas análises de rotina, somente procedimentoscapazes de determinar todas as formas relevantes de uma dada substância(e portanto específicos) deveriam ser utilizados. Para tanto, deve‐seconfirmar que o procedimento analítico escolhido é capaz de “cobrir” todasas espécies requeridas do analito.

Como pouquíssimos métodos são capazes de responder a somente um tipode analito, o uso do termo seletividade é mais apropriado do queespecificidade.

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Seletividade:

O termo seletividade se refere ao método que proporciona respostas paraum número de espécies químicas que podem ou não ser distinguíveis entreum número de espécies químicas que podem ou não ser distinguíveis entresi. Se uma resposta puder ser distinguida de todas as outras, o método é,então, considerado seletivo. Além disso, deve‐se ter certeza de que apresença de outras substâncias na matriz da amostra não conduza aresultados incorretos. Substâncias que levam a erros (sistemáticos) nadeterminação de um analito são chamadas de interferentes.

A presença de interferentes pode causar uma série efeitos na resposta dométodo analítico. Dependendo do tipo de interferência poderá haverdistorção do sinal, inibindo a confirmação da presença do analito, ou poderáhaver amplificação ou supressão do sinal, proporcionando umainterpretação errada da concentração do analito na amostra. Portanto, aseletividade do método deve ser demonstrada por meio de dados quecomprovem a ausência de respostas oriundas dos interferentes.


Testes de Seletividade:

A seletividade de um método é normalmente testada pelo estudo dahabilidade de se mensurar o analito de interesse em porções da amostrahabilidade de se mensurar o analito de interesse em porções da amostraonde interferentes específicos tenham sido deliberadamente introduzidos.Quando não há certeza de que interferentes já estejam presentes naamostra, a seletividade pode ser avaliada comparando‐se a resposta doanalito com outros métodos analíticos independentes (comparação dosresultados entre dois métodos diferentes, por exemplo).

Os interferentes afetam a inclinação da curva de calibração de uma formadiferente do que os analitos de interesse, afetando, portanto, a linearidadeda curva. Este efeito tem o potencial de indicar a possível presença de alguminterferente oculto.

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Quando existem erros sistemáticos, o desvio é independente daconcentração de analitos, o que leva a um desvio paralelo da curvade calibração da matriz (linha 2 com desvio sistemático constante)em relação à curva de calibração (linha 1) preparada com soluções-padrão puras. A causa do desvio aditivo pode ser a co-detecção dealgum componente da matriz (efeito da matriz); o procedimentoanalítico é considerado, portanto, insuficientemente seletivo.



No caso de erros sistemáticos proporcionais, a extensão do desviodepende da concentração de analito. Isto leva a uma mudança deinclinação da curva de calibração da matriz (linha 2). Estes desviosmultiplicativos do valor verdadeiro podem ser o resultado de etapasindividuais do processo de análise ou efeitos da matriz.

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Testes de Seletividade (exemplo):

Um pico em uma análise cromatográfica é identificado como sendo deum analito de interesse baseando-se no fato de um material dereferência contendo o mesmo analito gerar um sinal (pico) exatamente

t d t M á i l l t i dno mesmo ponto do cromatograma. Mas será o sinal realmente oriundodo analito ou será alguma outra coisa na amostra que coincidentementeco-elui no cromatograma? Poderia ser uma coisa ou a outra, ou atémesmo as duas. Identificação de um analito por este método só éconfiável se houver alguma outra evidência complementar. Porexemplo, se a cromatografia puder ser repetida utilizando-se umacoluna de polaridade diferente para se verificar se os picos da amostrae do material de referência ainda aparecem no mesmo ponto doe do material de referência ainda aparecem no mesmo ponto docromatograma. Quando o pico é devido a mais de uma substância, umacoluna de diferente polaridade pode ser uma boa alternativa parasepará-las. Se disponível, cromatografia a gás acoplada aespectrometria de massas poderia ser usada para confirmar aidentidade do analito ou mostrar que uma mistura está presente. Algunsdetectores são capazes de monitorar a pureza do pico.


Testes de Seletividade (exemplos):

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Considerando uma amostra que contenha o analito A e as espécies potencialmente interferentes B e C, o sinal total lido pelo instruemento será:

Seletividade (Especificidade)

Testes de Seletividade :

bccbbaa SCmCmCmS +++=

Onde ma, mb, mc = sensibilidade de calibração do analito A e das espécies B e C; Ca, Cb, Cc = concentrações das três espécies; Sb =sinal do branco



Coeficiente de Seletividade:Coeficiente de seletividade de B em relação a A

A

BAB m

mk =,

C fi i t d l ti id d d C l ã ACoeficiente de seletividade de C em relação a A

A

BAB m

mk =,

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Coeficiente de Seletividade :Substituindo em

bccbbaa SCmCmCmS +++=

temos:

bcACBABaa SCkCkCmS +++= )( ,,


Testes de Seletividade (resumo):

Confirmação da Identidade e Seletividade/Especificidade

O que fazer...Quantas

Calcular/determinar ComentáriosO que fazer...vezes...

Calcular/determinar Comentários

Analisar as amostras e ospadrões pelo métodoescolhido e por outrosdiferentes paraconfirmação.

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Use os resultados dastécnicas confirmatóriaspara verificar a abilidadedo método escolhido emidentificar e quantificar oanalito isoladamentedos interferentes.

Decida quanta evidênciaé necessária para que setenha uma confiançarazoável no métodoescolhido.

Analisar amostras Examine o efeito dos Se a detecção oucontendo váriosinterferentes suspeitos napresença do analito deinteresse

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interferentes. Apresença deinterferentes aumentaou diminui a detecção equantificação dosanalitos.

çquantificação foreminibidos pelosinterferentes,modificações adicionaisno método se fazemnecessárias.

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LINEARIDADE

A linearidade é a habilidade do procedimento analítico em produzirresultados que sejam proporcionais à concentração dos analitos daamostra dentro de uma dada faixa de concentração, seja diretamenteou por transformações matemáticas definidas. A linearidade deve serdeterminada por meio da utilização de padrões em ao menos seisníveis de concentrações que compreendam de 80 a 120% da faixa deconcentração esperada.

Estabelece-se a linearidade de um método pela inspeção visual de umgráfico de resposta em função da concentração do analito. Se houverrelação linear, os resultados devem ser avaliados por métodosestatísticos que possam demostrar uma clara correlação entre asestatísticos que possam demostrar uma clara correlação entre asrespostas obtidas e a concentração do analito. Para tanto, os estudosde linearidade devem conter a inclinação, coeficiente linear ecoeficiente de correlação da reta obtida. Os resultados devem sercapazes de demonstrar que não há um desvio significante dalinearidade, ou seja, que o coeficiente de correlação (R²) seja superiora 0,99 sobre uma faixa de 80 a 120% da concentração esperada.

Inspeção visual da linearidade

LINEARIDADE

Nos menores pontos deconcentração da curva, osfatores limitantes dalinearidade são os valoresde limite de detecção e/ouquantificação. Nos maiorespontos de concentração dacurva, as limitações àlinearidade se darão emfunção dos efeitos dosistema de resposta doinstrumento de medição.

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Nem sempre os cálculos de correlação da regressão linear serãosuficientes para se estabelcer a linearidade da curva. Além da inspeçãovisual, cálculos dos resíduos podem ser necessários.

LINEARIDADE

Cálculo de Resíduos

Os resíduos (di) correspondem às distâncias entre as mediçõesrealizadas (yi) e os valores de medição estimados (^yi) no iésimo pontoda curva de acordo com a equação da regressão linear.

Deste modo:Deste modo:i = 1, … , n

Se o modelo de regressão for linear, os resíduos se distribuirãonormalmente (distribuição aleatória).

Cálculo de Resíduos

LINEARIDADE

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LINEARIDADE

Resíduos de Interpolação

LINEARIDADE

onde o resíduo de interpolação para o i-ésimo ponto experimental, Ri, écalculado como a diferença percentual entre o sinal medido Si e ocorrespondente sinal interpolado na curva S i . Dentro da faixa lineardinâmica e na hipotética ausência de erros indeterminados (i.e., com r2 =1), todos os pontos teriam Ri = 0%. Na prática, sempre existem errosexperimentais e portanto Ri ≠ 0% para qualquer ponto experimentalusado na construção da curva. Se for construído um gráfico dos Ri emf ã d t õ d t d f i li bfunção das massas ou concentrações, dentro da faixa linear observar-se-á que os resíduos se distribuirão aleatoriamente entre valorespositivos e negativos. Entretanto, para massas ou concentraçõesmaiores que o limite da faixa linear, geralmente o sinal medido é menorque o sinal interpolado a partir da curva de calibração. Deste modo, dofinal da faixa linear em diante, a tendência geral é de todos os valores deRi serem negativos.

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Razões (Sinal / Massa) ou (Sinal / Concentração)

LINEARIDADE

onde a razão sinal/massa ou sinal/concentração para o i-ésimo ponto dacurva analítica, (S/Q)i, é calculada a partir do correspondente sinalmedido Si, da massa ou concentração Qi correspondente e docoeficiente linear da curva de calibração b. A definição exata dos valoresS Q d d á d té i líti t d N dS e Q dependerá da técnica analítica em estudo. No caso daespectrofotometria de absorção, as curvas de calibração são construídasa partir de pares absorbância (que corresponde a S) e concentração(correspondente a Q). Para cada técnica analítica, serão usados osparâmetros equivalentes: em potenciometria, potencial de cela econcentração; em cromatografia, área do pico cromatográfico e massa,etc.

Razões (Sinal / Massa) ou (Sinal / Concentração)

LINEARIDADE

Na ausência de erros indeterminados (i.e., com em r2 = 1) e dentro dafaixa linear, pode-se provar que (S/Q)i = a para todos os pares devalores experimentais usados para construir a curva. Na presença deerros indeterminados (r2 < 1) e dentro da faixa linear, (S/Q)i = a. Se(S/Q)i << a ou (S/Q)i >> a, então o dado pode ser assumido como

t d f d f i li N t di ã ã id destando fora da faixa linear. Nesta discussão, serão considerados nafaixa linear os pontos com valores de (S/Q)i no intervalo (1,00 ± 0,05) a,isto é, pontos cujas razões sinal/massa ou sinal/concentração nãodifiram mais do que 5% do coeficiente angular da reta. Este intervalo detolerância foi sugerido com base nas normas da IUPAC paraCromatografia, e aqui será proposto como uma regra geral, aplicável acurvas de calibração de qualquer técnica analítica.

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LINEARIDADE

SENSIBILIDADE

Geralmente se diz que a sensibilidade de um instrumento ou de ummétodo analítico é uma medida da sua capacidade de diferenciarpequenas variações na concentração do analito. Dois fatores limitam asensibilidade: a inclinação da curva de calibração e a reprodutibilidade ouprecisão do sistema de medição. Entre dois métodos que tenhamp ç qprecisões iguais, será mais sensível aquele cuja curva de calibração tenhao maior coeficiente angular. E vice-versa, quando dois métodosapresentarem curvas de calibração com inclinações iguais, será maissensível aquele que tiver a melhor precisão.

A definição quantitativa de sensibilidade aceita pela IUPAC é a dasensibilidade de calibração, definida como a inclinação da curva decalibração em relação a concentração de interesse Como a maioria dascalibração em relação a concentração de interesse. Como a maioria dascurvas de calibração utilizadas em química analítica são lineares e podemser representadas pela equação:

S = ac + SbOnde S = sinal medido, a = coeficiente angular da curva, c = concentraçãodo analito e Sb = sinal instrumental do branco.

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A sensibilidade de calibração é independente da concentração c e é igualao coeficiente angular a. Como parâmetro de qualidade, a sensibilidade decalibração tem o inconveniente de não levar em conta a precisão dasmedições individuais. Para se incluir a precisão no calculo da sensibilidadefoi proposta a sensibilidade analítica (y). Onde:

SENSIBILIDADE

m = coeficiente angular e Ss = desvio padrão das medições realizadas.A sensibilidade analítica tem a vantagem de ser relativamente insensívelaos fatores de amplicação. Por exemplo, se se aumenta o ganho doinstrumento em um fator de 5, o valor de m também aumentará 5 vezes.Entretanto, este aumento virá acompanhado de um correspondenteaumento de Ss e portanto a sensibilidade analítica se manterá

γ = m/SS

aumento de Ss e portanto a sensibilidade analítica se manterápraticamente constante.

A segunda vantagem da sensibilidade analítica é que independe dasunidade de medida de S.

Uma desvantagem é que a sensibilidade analítica e geralementedependente da concentração já que Ss pode variar com ela.

INTERVALO

O intervalo normalmente deriva dos estudos de linearidade e érepresentada pela amplitude entre a concentração mínima e máxima deanalito na amostra, em que tenha sido demonstrado que o métodoanalítico atende a níveis adequados de precisão, exatidão e linearidade.

Padrões Intervalo (µg/L)Gama‐HCH 1,70 ‐ 104,13

Hexaclorobenzeno 1,07 ‐ 100,66Metoxicloro 1,00 ‐ 103,00

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EXATIDÃO

A exatidão de um método analítico pode ser definida como o grau em queo valor determinado para um dado analito na amostra corresponda aovalor verdadeiro. O estudo da exatidão baseia-se na comparação dosresultados obtidos para um material de referência onde o valor real dosanalitos é conhecido Para tanto a média e o desvio padrão para umaanalitos é conhecido. Para tanto, a média e o desvio padrão para umasérie de testes em replicata devem ser determinados e comparados com ovalor caracterizado para o material de referência. O material de referênciaideal deve ser certificado e o mais parecido possível com as amostras deinteresse, porém, dependendo da complexidade da matriz, adisponibilidade desse tipo de material é limitada.

Para fins de validação, materiais de referência podem ser preparados pelaadição de padrões certificados ou outros materiais de pureza eestabilidade adequados à matrizes simples, isentas de analito. No entanto,para a validação ser adequada ao uso pretendido a escolha do material dereferência deve considerar que o manterial de referência também seja

EXATIDÃO

referência deve considerar que o manterial de referência também sejaadequado ao uso. Para a validação de métodos utilizados em análisesfiscais materiais certificados de referência idênticos às matrizes deinteresse devem ser utilizados. Porém, para métodos a serem utilizadosem curto prazo ou para a realização de trabalhos não críticos, matrizesenriquecidas com padrões preparados são suficientes. Portanto, aexatidão pode ser calculada como porcentagem de recuperação daquantidade conhecida do analito adicionado à amostra, ou como adiferença porcentual entre as médias e o valor verdadeiro aceito,acrescida dos intervalos de confiança.

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RECUPERAÇÃO

A determinação de analitos em níveis de traços (mg/L, µg/L ou menos) aexemplo de contaminantes ambientais, traz implicitamente uma série devariáveis que interferem no resultado final, pois normalmente baseiam-sena transferência (extração) dos analitos de uma matriz complexa parauma solução mais simples e adequada à determinação instrumental Ouma solução mais simples e adequada à determinação instrumental. Oprocesso de transferência invariavelmente resulta na perda de analito poisuma parte substancial permanece retida na matriz da amostra após aextração, de modo que a transferência torna-se incompleta e asdeterminações subsequentes fornecerão valores que são menores do quea concentração verdadeira na amostra original. Se nenhum cálculo decompensação for feito, certamente haverá discrepâncias e interferênciasno estudo da exatidão. Por este motivo, estudos da recuperação doanalito após a extração são essenciais para a validação e devem serlevados em conta na determinação da exatidão de um método.

Agrotóxicos Recuperação (%)Concentração: 0,05 µg/L

Método de Extração 1



Gama‐HCH 87,5 ± 15,0 18,5 ± 3,6 78,9 ± 13,3Hexaclorobenzeno 58,1 ± 7,1 9,3 ± 1,8 50,2 ± 5,8Metoxicloro 70,1 ± 16,7 21,0 ± 5,1 35,0 ± 8,3

PRECISÃO

A precisão de um método analítico representa a concordância (grau dedispersão) entre uma série de resultados obtidos em múltiplasalíquotas de uma mesma amostra homogênea, sob determinadascondições. As medidas mais comuns de precisão são a repetibilidade ea reprodutibilidade. A repetibilidade (menor precisão esperada) fornecea reprodutibilidade. A repetibilidade (menor precisão esperada) forneceuma idéia do tipo de variabilidade presente quando o método éexecutado por um único analista em um único equipamento em umcurto intervalo de tempo, a exemplo de uma amostra analisada emduplicata. No caso de uma amostra ser analisada por diferenteslaboratórios para fins comparativos, então torna-se mais adequadomensurar a precisão como reprodutibilidade (maior medida de precisãonormalmente encontrada, embora neste caso não seja formalmente

l íd i ã f ã d t ) Háexcluída a variação em função do tempo). Há casos em que umhíbrido entre repetitividade e reprodutibilidade é mais útil, como nadeterminação da precisção com diferentes analistas, em intervalos detempo prolongados, em um mesmo laboratório. Este tipo de estudo éconhecido como “precisão intermediária”, e para sua determinação ascondições exatas de análise devem ser respeitadas quando dasdeterminações.

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PRECISÃO

A precisão de um procedimento analítico normalmente éexpressada como a variância, desvio padrão ou coeficiente devariação entre uma série de determinações. Para tanto, um mínimode 5 replicatas da amostra se faz necessário, e o tratamentoestatístico dos resultados deve ser conduzido para a determinaçãodo percentual de desvio padrão relativo. Se necessário, testesapropriados como o de Dixon ou de Grubbs devem ser realizadospara a eliminação de valores aberrantes. Para a validação de ummétodo analítico, os níveis de precisão recomendáveis são:

Componente Mensurado na P i ã

Co po e te e su ado aAmostra

Precisão

> 10,0% < 2%1,0 a 10,0% < 5%0,1 a 1,0% < 10%< 0,1% < 20%

Testes de Precisão (resumo):

Precisão de Repetibilidade e de Reprodutibilidade

Analisar...Quantasvezes...

Calcular/determinar Comentários

PRECISÃO

Padrões, materiais dereferência, ou brancofortificado em vários níveis deconcentração ao longo dafaixa linear de trabalho

a) Mesmo analista,equipamento, laboratório,curto espaço de tempo

10Determinar o desvio padrão(S) em cada nível deconcentração

Determina o desvio padrão darepetibilidade em cadaconcentração.

b) Analistas diferentes Determinar o desvio padrão Determina o desvio padrão dab) Analistas diferentes,equipamento, mesmolaboratório, espaço de tempoextendido

10

Determinar o desvio padrão(S) em cada nível deconcentração

Determina o desvio padrão dareprodutibilidadeintralaboratorial em cadaconcentração.

b) Analistas, equipamento, elaboratório diferentes, espaçode tempo extendido 10

Determinar o desvio padrão(S) em cada nível deconcentração

Determina o desvio padrão dareprodutibilidadeinterlaboratorial em cadaconcentração. Requer estudoscolaborativos.

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PRECISÃO X EXATIDÃO

LIMITE DE DETECÇÃO

O limite de detecção de um método corresponde à menor quantidade deanalito em uma amostra que pode ser detectada, mas nãonecessariamente quantificada como um valor exato. O LD pode serdeterminado pela análise de amostras com concentrações conhecidasde analito e estabelecendo o nível mínimo (menor ponto de calibração)em que o analito possa ser fiavelmente detectado. Para tanto, fortifica-se um branco da amostra ao nível da menor concentração aceitável deanalito, determina-se a resposta em 6 a 10 replicatas independetes ecalcula-se o desvio padrão (DP) das respostas. Alternativamente, pode-se realizar a determinação em 10 replicatas independentes do brancoda amostra e proceder calculando a média e desvio padrão dasrespostas No entanto este método só é útil se as replicatas do brancorespostas. No entanto, este método só é útil se as replicatas do brancoda amostra proporcionarem um desvio padrão diferente de zero. Nocaso da fortificação do branco da amostra o LD será estabelecido pelarelação LD = 0 + 3DP e para o branco da amostra sem fortificação pelarelação LD = X + 3DP, onde X igual a média das respostas do branco daamsotra.

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LIMITE DE DETECÇÃO

Para ensaios qualitativos, há um limiar de concentração abaixo do quala especificidade deixa de ser confiável. O limiar pode variar se o ensaiofor repetido em outro momento com padrões e reagentes diferentes.Abaixo há um exemplo de determinação do limite de detecção para umensaio qualitativo. No exemplo, a identificação positiva do analito deixade ser 100% confiável a concentrações abaixo de 100 μg/g

Concentração (μg/g) N° de Replicatas Resultados Positivos/Negativos

200 10 10/0100 10 10/075 10 5/575 10 5/550 10 1/925 10 0/10

LIMITE DE QUANTIFICAÇÃO

O limite de quantificação corresponde a menor quantidade de analitoem uma amostra que pode ser quantitativamente determinada com umaprecisão definida e sob determinadas condições. O LQ pode serdeterminado pela análise de 10 replicatas do branco da amostra ecalculando-se a média e o desvio padrão das respostas.Alternativamente, o LQ pode ser determinado preparando-se soluçõesde padrões com concentrações próximas ao LD. A média e o desviopadrão das respostas devem ser calculados, e o desvio padrão (DP)deve ser inferior a 20%. Caso o DP exceda os 20%, uma nova soluçãode maior concentração deve ser preparada e o procedimento descritorepetido. No caso da fortificação do branco da amostra o LQ seráestabelecido pela relação LD = 0 + 10DP e para o branco da amostraestabelecido pela relação LD = 0 + 10DP e para o branco da amostrasem fortificação pela relação LD = X + 10DP, onde X igual a média dasrespostas do branco da amsotra.

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RELEMBRANDO...

Desvio padrão absoluto

Desvio padrão relativo

Desvio padrão da média

Coeficiente de variação

Variância



Exemplo:Os dados da calibração para determinação de chumbo a partir do seuespectro de emissão de chama foram analisados pelo método dos mínimos quadrados e a seguinte equação foi obtida:

312,012,1 += PbCSO d S i l d i t id d l ti à li h d i ã d h bOnde S = sinal de intensidade relativa à linha de emissão do chumbo e CPb = concentração de chumbo em mg/L

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Exemplo:Para as replicatas analisadas, obtiveram-se os seguintes resultados:

CPb (mg/L) Nº de Replicatas Valor Médio de S σ

0,000 24 0,0296 0,0082

1,00 10 1,12 0,025

Calcule (a) a sensibilidade de calibração, (b) a sensibilidade analítica para 1 mg/L e 10 mg/L de Pb, e (c) o limite de detecção.

10,0 10 11,62 0,15



Exemplo:(a) Por definição, a sensibilidade de calibração é a inclinação da

reta. Portanto, m = 1,12

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reta. Portanto, m = 1,12(b) Para 10 mg/L de Pb, y = m/σS = 1,12/0,15 = 7,5

Para 1 mg/L de Pb, y = 1,12/0,025 = 45




reta. Portanto, m = 1,12(b) Para 10 mg/L de Pb, y = m/σS = 1,12/0,15 = 7,5

Para 1 mg/L de Pb, y = 1,12/0,025 = 45

(c) Aplicando a equação de Sm( ) p q ç m

Sm = 0,0296 + 3 x 0,0082 = 0,054

Substituindo na equação de LOD

LOD = (0,054-0,0296)/1,12 = 0,022 mg/L de Pb

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Calibração dos Métodos Instrumentais

Curvas de Calibração

R ã Li l Mét d d Mí i Q d d



Regressão Linear pelo Método dos Mínimos Quadrados

Inclinação da reta (coeficiente angular)

m = Sxy/Sxx

Ordenada de origem da reta (coeficiente linear)

xayb −=

Equação da reta obtida: baxy +=

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Regressão Linear pelo Método dos Mínimos Quadrados

baxy +=

RELEMBRANDO...

∑ ∑ ∑−=−=Nx

xxxS iiixx

222 )(

)(

∑ ∑ ∑−=−=Ny

yyyS iiiyy

222 )(

)(

∑∑

Através destas somas obtem-se:

∑ ∑ ∑∑−=−−=N

yxyxyyxxS ii

iiiixy ))((

Método da Adição de Padrão



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EXERCÍCIOS

1) A curva de calibração obtida para a determinação de chumbo porespectrometria de absorção em chama é a seguinte:

S = 1,12 CPb + 0,312

Sendo CPb a concentração de chumpo em mg/L e S o sinal daintensidade relativa à linha de emissão do chumbo. A análise dasreplicatas da amostra geraram os seguintes resultados:

Concentração Pb em mg/L

N° de Replicatas

Média de SDevioPadrão

0 0 0 62 010,0 10 11,62 0,151,00 10 1,12 0,0250,000 24 0,0296 0,0082

Calcule a sensibilidade de calibração, a sensibilidade analítica para 1 mg/L epara 10 mg/L de Pb, o limite de detecção e o limite de quantificação dométodo.

EXERCÍCIOS

2) O método do exercício anterior foi utilizado para determinação dechumbo em amostras de pescado. Sendo a o coeficiente angular e b ocoeficiente linear da curva de calibração obtida.

a = 1,12b = 0,312

Para a análise, uma amostra de pescado sem o analito (material dereferência) foi homogeneizada e fortificada com 2 mg/L de Pb. Da pastaobtida, foram retiradas 10 alíquotas que foram submetidas ao processode extração do chumbo. Os resultados das análises foram:

Amostra de Referência

Sinal do Equipamento

Amostra de Referência

Sinal do Equipamento

61 2,104 6 2,1452 2,003 7 1,9903 1,987 8 2,2354 2,178 9 2,1685 2,051 10 2,007

Calcule a exatidão e a precisão do método.

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EXERCÍCIOS

3) Na calibração de um método instrumental para a determinação deuma espécie X em solução aquosa foram obtidos os seguintesresultados:

ConcentraçãX /L

N° de R li t

Média de SDevioP d ãoX em mg/L Replicatas Padrão

0,00 25 0,031 0,00792,00 5 0,173 0,00946,00 5 0,422 0,008410,00 5 0,702 0,008414,00 5 0,956 0,008518,00 5 1,248 0,0110

Calcule a sensibilidade de calibração a sensibilidade analítica para cadaCalcule a sensibilidade de calibração, a sensibilidade analítica para cadaconcentração, o coeficiente de variação da média de cada série de replicatas,o limite de detecção e o limite de quantificação do método.

EXERCÍCIOS

4) O gráfico abaixo correspode a curvas de calibração para adeterminação de resíduos de agrotóxicos em água. Para qual dassubstâncias o método é mais sensível e por quê?

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EXERCÍCIOS

5) Na tabela abaixo estão as equações das curvas de calibração para 5métodos analíticos diferentes para a determinação de um mesmoanalito numa mesma matriz, com seus respectivos coeficientes devariação. Qual dos métodos é o mais e o menos sensível. Por quê?

Método Curva AnalíticaCoeficiente de Variação (%)

1 S = 35.439x + 0,0084 122 S = 35.442x – 0,0003 253 S = 22.698x + 0,0094 224 S = 35.447x + 0,0075 185 S = 15.223x + 0,0103 5

EXERCÍCIOS

6) A equação abaixo corresponde a curva de calibração do método doexercício 1, obtida por regressão linear.

S = 1,12 x + 0,312

Concentração (mg/L)

Resposta do Equipamento

0 0,3050,2 0,5580,5 1,2721 1,4331,2 1,61 5 2 01

A tabela ao lado corresponde àdeterminação experimentão dos pontosda curva. Calcule os resíduos, resíduosde interpolação, razão sinal/massa quaispontos estão dentro da linearidade dacurva e quais deverão ser descartados

1,5 2,012 2,4892,5 3,0045 6,00310 11,5120 22,70250 54,302100 115,302

como valores aberrantes (“outliers”).

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Métodos Espectrométricos

Baseado no material dos Professores Ademário Iris da Silva Junior, Antônio Marcos Fonseca Bidart eRicardo Jorgenssen Casella do CEFET-Química e Skoog, D.A., Holler, F.J. & Nieman, T.A. – Princípiosde Análise Instrumental, 5a. ed.,

Propriedades Gerais da Radiação Eletromagnética

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Propriedades Ondulatórias e Corpusculares da Luz

De acordo com a equação de Einstein: E = mC2, matéria e energia não sãoconsideradas entidades distintas e se interconvertem uma na outra. É como sefossem duas faces da mesma moeda. Medem-se o comprimento de onda e af üê i ( i d d d l ó i ) d í l lé ófreqüência (propriedades ondulatórias) de partículas como elétron, próton ounêutron. Do mesmo modo, a luz é um conjunto de partículas se deslocando noespaço (fótons) com comprimento de onda e freqüência.

O que caracteriza a energia luminosa é a energia dos fótons, determinada pelocomprimento de onda (λ-lâmbda) e freqüência (ν-ni), pois a velocidade (outroparâmetro de energia) dos diversos fótons é a mesma e constante em cadameio.

A luz é dita onda eletromagnética porque na Física clássica ela foi descritacomo uma oscilação de um campo elétrico e de um campo magnético sepropagando no espaço.


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Essa aproximação permite calcular vários fenômenos ondulatórios e,paradoxalmente, a energia das partículas de luz: A energia de um trem deondas é proporcional à freqüência, pois quanto maior o número de ondas quepassam por segundo (maior freqüência, ν), maior a energia transportada. Do

d l id d é t i di tâ i tmesmo modo, se a velocidade é a mesma, quanto maior a distância entre asondas (o comprimento de onda, λ), menor a freqüência e menor a energia. Se νpode ser expressa como c (velocidade da luz) dividida por λ, teremos:

E = hν ou E = hc/λ

E é energia e h é a constante de proporcionalidade (constante de Planck). Essaé a energia da partícula (um fóton) de luz. A energia do conjunto de fótons sedeslocando no espaço seria dada por E = Nhν onde "N" seria o número dedeslocando no espaço seria dada por E = Nhν, onde N seria o número defótons.

O Espectro Eletromagnético

O espectro de frequências, ou espectro eletromagnético, é arbitrariamente dividio em:

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O Espectro EletromagnéticoAs ondas de rádio têm baixa energia e não costuam ser estudadas em

Química.As micro-ondas já têm energia suficiente para provocar mudanças no estado

rotacional das moléculas. Isso tem aplicações analíticas e tecnológicas.O infravermelho pode alterar o estado vibracional das ligações químicas.O infravermelho pode alterar o estado vibracional das ligações químicas.

Como cada tipo de ligação tem o seu próprio espectro de frequências deabsorção, o infravermelho é valioso para decifrar estruturas moleculares.

A luz visível provoca alterações no nível de energia dos elétrons da camadade valência. É capaz de romper ligações químicas mais instáveis. É muitoutilizada na análise quntitativa de várias substâncias que para o olho humanosão coloridas.

A partir do ultravioleta, as radiações são ionizantes e efetivamente rompemligações. Podem provocar profundas alterações na estrutura molecular einiciarem várias reações químicas.

Os raios-X podem alterar a energia de elétrons de camadas internas (K e L).Quanto mais interno o efeito, maior o desarranjo na molécula quando ocorreabsorção. Essas alterações em elétrons não-ligados fazem o raio-X excelentepara descobrir a composição atômica de uma substância.

Os raios-γ também excitam as camadas K e L. Podem afetar o núcleoatômico e provocar reações nucleares, mas a probabilidade de absorção é bemmenor.


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Fontes de Radiação Eletromagnética

A radiação eletromagnética se origina quando partículas excitadas (átomos,íons ou moléculas) se “relaxam” a níveis de menor energia, cedendo seuexcesso de energia sob a forma de fótons. A excitação pode ser produzida dediversas formas:

1) Bombardeamento com elétrons ou outras partículas elementares, quegeralmente conduzem a emissão de raios X.

2) Exposição à faiscas de corrente alternada ou ao calor de uma chama, umarco ou um forno, o qual produz radiação ultravioleta, visível ouinfravermelha.

3) Irradiação com um feixe de radiação eletromagnética que produz radiação3) Irradiação com um feixe de radiação eletromagnética que produz radiaçãofluorescente; ou uma reação química exotérmica que produzquimioluminescência.

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Estados de Energia das Espécies Químicas

A teoria quântica foi proposta em 1900 por Planck para explicar aspropriedades da radiação emitida por corpos aquecidos A teoria foi mais tarde

A Interação da Luz com a Matéria

propriedades da radiação emitida por corpos aquecidos. A teoria foi mais tardeampliada para explicar outros processos de emissão e absorção. Doisimportantes postulados da teoria quântica são:

1) Os átomos, íons e moléculas só podem existir em certos estados discretos,caracterizados por quantidades definidas de energia. Quando uma espéciealtera seu estado energético, ela absorve ou emite uma quantidade deenergia exatamente igual a diferença de energia entre os estados.

2) Quando átomos, íons ou moléculas absorvem ou emitem radiação aorealizar a transição de um estado de energia para o outro, a frequência ouo comprimento de onda da radiação se relacionam com a diferença deenergia entre os estados.

Para átomos ou íons no estado elementar, a energia em qualquer dado estadoprovém do movimento dos elétrons ao redor do núcleo carregado



provém do movimento dos elétrons ao redor do núcleo carregadopositivamente. Consequentemente, os distintos estados de energia sedenominam estados eletrônicos. Além dos estados eletrônicos, as moléculastambém possuem quantizados os estados vibracionais, que estão associadosà energia das vibrações interatômicas, e os estados rotacionais, que provêmda rotação das moléculas ao redor dos seus centros de gravidade.

O estado de energia mais baixo de um átomo ou molécula é o seu estadofundamental. Os estados de energia superiores se chamam estados excitados.Geralmente, à temperatura ambiente, as espécies químicas se encontram noseu estado fundamental.

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Estados Fundamentais

Estados Eletrônicos

Estados Vibracionais

Estados Rotacionais

Estados Excitados

A Interação da Luz com a MatériaA teoria quântica informa que os níveis de energia dos elétrons em átomosneutros são quantizados, isto é, os elétrons assumem estados discretos deenergia e só passam de um nível de energia para outro se receberem umaquantidade exata. Essa energia pode ser muito alta, e fazer com que o elétronsaia da estrutura atômica e o átomo neutro torne-se um íon. A partir dessesaia da estrutura atômica e o átomo neutro torne se um íon. A partir desselimite, que é a energia de ionização, o átomo neutro passa a poder receberqualquer quantidade de energia e não mais "pacotes discretos". Cada elementoquímico tem estrutura eletrônica e níveis de energia diferenciados, tem umaenergia de ionização característica e absorve uma série diferente de "pacotesdiscretos"

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A Interação da Luz com a MatériaComo será nas moléculas, em que os elétrons estabelecem ligações químicas?

Uma molécula tem movimento rotacional e vibracional (a ligação química vibraem torno do comprimento médio). Esse movimento é quantizado e ela não giranem vibra em qualquer velocidade. Os níveis de energia rotacionais enem vibra em qualquer velocidade. Os níveis de energia rotacionais evibracionais também dependem da estrutura molecular. Existem estadosrotacionais discretos, estados vibracionais discretos e mesmo estadoseletrônicos discretos, antes que o elétron seja ejetado e a ligação química serompa. A partir da energia de ionização da molécula qualquer quantidade deenergia pode ser absorvida.

Esquema dos níveis de energia da molécula:q gA – nível eltrônicoB – nível vibracionalTraços finos – nível rotacional

A Interação da Luz com a MatériaOs fótons de uma determinada frequência podem ser absorvidos, se elesestiverem “sintonizados” na frequência que fornece a energia necessária para atransição de um estado rotacional para outro, ou de um estado vibracional paraoutro, ou de um estado eletrônico para outro numa determinada molécula.Outras possibilidades são:Outras possibilidades são:

A transição de um estado eletrônico para outro estado eletrônico,acompanhada também de uma modificação no estado vibracional original.

A transição de um estado vibracional para outro, acompanhada tambémde uma modificação no estado rotacional original.

A transição de um estado eletrônico para outro, acompanhada demodificações no estado vibracional e também rotacional.

As possibilidades de absorção de energia numa molécula são bem maiores do que num átomo

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As possibilidades de absorção de energia numa molécula são bem maiores do que num átomo

A Interação da Luz com a MatériaMesmo na região do contínuo (a região após a ionização em que se

absorve qualquer pacote de energia), há possibilidades de absorção discreta,isto é, um elétron de uma camada mais interna (fora da camada de valência)pode ser colocado num nível de energia externo à camada de valência. Nessenível, ele pode ainda estar ligado ao átomo ou à molécula. Esse fenômenonível, ele pode ainda estar ligado ao átomo ou à molécula. Esse fenômenonecessita de uma quantidade de energia maior do que a energia de ionização. Éóbvio, também que isso desarranja toda a estrutura atômica e esse estado éinstável, mas a probabilidade de ocorrer uma absorção de energia nessa faixa émaior, pois a molécula tem mais uma maneira de absorver o mesmo fóton.

Quando um fóton se aproxima ocorrem três eventos: ele passa direto,ou é refletido, ou é absorvido (se possui a frequência necessária). O fenômenoda absorção ocorre nas frequências quantizadas do átomo ou molécula, ou se aenergia é mais alta que a energia de ionização. Mesmo quando a frequência dofóton é a correta, existe uma probabilidade da absorção não ocorrer, pois ofóton pode ser refletido ou passar direto. Mas isto não é igual para cadafrequência passível de ser absorvida. Ao longo do espectro de frequênciasexistem probabilidades maiores ou menores de ocorrer absorção. Essaprobabilidade, de um modo geral, cai conforme aumenta a frequência daradiação eletromagnética. Fótons de alta energia, de modo geral, têm menorprobabilidade de serem absorvidos que os de energia mais baixa, emborahajam inversões.

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Transmissão da Radiação

Observa-se experimentalmente que a velocidade na qual a radiação sepropaga através de uma substância transparente é menor do que sua


propaga através de uma substância transparente é menor do que suavelocidade de propagação no vácuo e depende das espécies econcentrações de átomos, íons ou moléculas do meio. Destas observaçõesse deduz que a radiação deve interagir de alguma maneira com a matéria.Entranto, visto que nenhuma alteração na frequência da radiação éobservada, não se pode dizer que a interação com a matéria implica numatransferência permanente de energia. O índice de refração de um meio éuma medida de sua interação com a radiação e é definido como:

ii v

cn =


A interação implicada na transmissão de energia pela radiação pode seratribuída à polarização periódica das espécies atômicas e moleculares queconstituem o meio. Neste contexto, a polarização significa a deformaçãotransitória das nuvens eletrônicas associadas aos átomos ou às moléculas,

d l l t éti lt t d di ã Vi tcausada pelo campo eletromagnético alternante da radiação. Visto que aradiação não é absorvida, a energia requerida para a polarização fica retidaapenas momentaneamente (10-14 a 10-15 s) pelas espécies e se emitenovamente sem alteração quando a substância retorna ao seu estadooriginal. Como não há uma alteração efetiva de energia nesse processo, afrequência da radiação emitida não varia, mas a velocidade de suapropagação diminui devido ao tempo necessário para que se produza aretenção e a re-emissão. Portanto, a transmissão através de um meio podeser considerada como um processo em etapas intermediado por átomosser considerada como um processo em etapas intermediado por átomos,íons ou moléculas polarizadas.

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Dispersão da Radiação

A radiação a partir de partículas polarizadas deveria ser emitida em todasas direções do meio. Entretanto, se as partículas são pequenas, ainterferência destrutiva entre as ondas emitidas pelas partículas impede apropagação de quantidades significativas em qualquer direção que não seja

d t j tó i i i l d l P t l d i té tí la da trajetória original da luz. Por outro lado, se o meio contém partículasgrandes (como moléculas de polímeros ou partículas coloidais), estainterferência destrutiva é incompleta e uma porção do feixe se dispersa emtodas as direções como consequência da etapa de interação. A intensidadedesta radiação dispersada aumenta com o tamanho da partícula.

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Dispersão da Radiação

Dispersão por Moléculas Grandes (Efeito Tyndall):

Nas partículas com dimensões coloidais a dispersão chega a ser intensao suficiente para ser percebida pelo olho humano. A medida da radiaçãodi d é l t tili d d t i ã d t hdispersada é normalmente utilizada para a determinação do tamanho eda configuração de moléculas de polímeros e partículas coloidais.

Dispersão Raman:

A disperção Raman se diferencia da dispersão comum na medida emque parte da radiação dispersada sofre mudanças quantizadas defrequência. Estas mudanças são o resultado de transições entre osníveis de energia vibracional da molécula que se produz comoconsequência do processo de polarização.

Emissão da Radiação

A radiação emitida por uma fonte excitada é adequadamente caracterizada porum espectro de emissão, que geralmente toma a forma de uma representaçãográfica da potência relativa da radiação emitida em função do comprimento deonda ou da frequência. A próxima figura mostra um espectro de emissãobtid i ã d l h d i ê iobtido com a aspiração de uma salmoura em uma chama de oxigênio-

hidrogênio. Os três tipos de possíveis de espectro de emissão estãorepresentados na figura: de linhas, de bandas e contínuo.

O espectro de linhas é formado por uma série de picos agudos e bemdefinidos originados pela excitação de átomos individuais. O espectro debandas consiste em vários grupos de linhas tão estreitamente espaçadas quenão chegam a ser completamente resolvidas. O espectro de bandas origina depequenas moléculas ou radicais A parte contínua do espectro é consequênciapequenas moléculas ou radicais. A parte contínua do espectro é consequênciado aumento do ruído de fundo que se evidencia acima dos 350 nmaproximadamente. Os espectros de linhas e bandas estão superpostos aoespectro contínuo.

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Espectros de Linhas:

Os espectros de linhas nas regiões do ultravioleta e visível são produzidosquando as espécies radiantes são partículas atômicas individuais que estão

it d t i t d A tí l i di id imuito separadas entre si, em estado gasoso. As partículas individuais emestado gasoso se comportam como corpos independentes, e o espectroconsiste em uma série de linhas agudas com larguras de 10-4 Aaproximadamente. Na figura anterior pode-se ver as linhas do sódio, dopotássio, estrôncio e cálcio em estado gasoso.

No diagrama de níveis de energia pode-se ver a fonte de duas das linhas emum típico espectro de emissão de um elemento. A linha horizontal chamada deE corresponde à energia mais baixa ou estado fundamental do átomo AsE0 corresponde à energia mais baixa, ou estado fundamental do átomo. Aslinhas horizontais chamadas de E1 e E2 são dos níveis eletrônicos de energiasuperiores da espécie. Por exemplo, o único elétron mais externo do estadofundamental E0 do átomo de sódio se localiza no orbital 3s. O nível de energiaE1 representa a energia do átomo quando este elétron ascende ao estado 3ppela absorção de energia térmica, elétrica ou radiante. No gráfico, a promoçãopara o estado energético mais alto é representada pela flecha ondulada.

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Depois de aproximadamente 10-8 s, o átomo volta ao seu estado fundamentalemitindo um fóton. Este processo de emissão é representado pela linha reta.Para o átomo de sódio, E2 corresponde ao estado mais energético 4p; aradiação emitida resultante aparece em comprimentos de onda mais curtos ou

f ê i i lt A li h i d t 330 ltem frequências mais altas. A linha aproximadamente a 330 nm resulta comoconsequência desta transformação; a transição de 3p para 3s origina umalinha a 590 nm aproximadamente.


Os espectros de linhas de raios X também são produzidos por transiçõeseletrônicas. No entanto, os elétrons implicados pertencem a orbitais maisinternos do átomo. Desta forma, ao contrário das emissões ultravioleta evisível, o espectro de raios X de um elemento é independente do seu entorno.P l t d i ã d libdê i á i lPor exemplo, o espectro de emissão do molibdênio será sempre o igual,mesmo que a amostra excitada seja de molibdênio metálico, sulfeto demolibdênio sólido, hexafluoreto de molibdênio gasoso, ou uma solução aquosade um complexo aniônico do metal.

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Absorção da Radiação

Quando a radiação atravessa um sólido, um líquido ou um gás, certasfrequências podem ser seletivamente eliminadas por absorção, um processo noqual a energia eletromagnética é transferida aos átomos, íons ou moléculas quecompõem a amostra. A absorção provoca a alteração dessas partículas que

d t d l à t t bi t ( t d f d t l)passam do seu estado normal à teperatura ambiente (estado fundamental) paraum ou mais estados excitados de energia superior. Segundo a teoria quântica, osátomos, moléculas ou íons só têm um número limitado de níveis de energiadiscretos, de modo que para que se produza a absorção da radiação, a energiados fótons excitadores deve coincidir exatamente com a diferença de energiaentre o estado fundamental e um dos estados excitados das espéciesabsorventes. Como estas diferenças de energia são características para cadaespécie, o estudo das frequências das radiações absorvidas proporciona ummeio para caracterizar os componentes de uma amostra Para este fim pode-semeio para caracterizar os componentes de uma amostra. Para este fim, pode-serealizar experimentalmente um gráfico de absorção em funação do comprimentode onda ou da frequência. A absorbância é uma medida da diminuição dapotência radiante que atravessa o meio.


A figura ao lado mostra alguns espectrostípicos de absorção. Examinando-se os 4gráficos, percebe-se que o aspecto dosespectros de absorção varia

id á l t Al tã tit ídconsiderávelmente. Alguns estão constituídospor numerosos picos agudos, enquanto outrosconsistem de suaves curvas contínuas. Nogeral, a natureza do espectro é influenciadapor variáveis como complexidade da amostra,estado físico, e o entorno das espéciesabsorventes. Contudo, as diferenças entre osespectros de absorção dos átomos e dasmoléculas são mais pronunciadasmoléculas são mais pronunciadas.

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Absorção Atômica

A passagem da radiação policromática ultravioleta ou visível através de um meioconstituído por partículas monoatômicas, como mercúrio ou sódio gasoso, produz aabsorção de somente umas poucas frequências bem definidas (gráfico a do slideç p q (ganterior). A simplicidade relativa desses espectros se deve ao pequeno número depossíveis estados de energia das partículas absorventes. A excitação só pode serproduzida mediante um processo eletrônico no qual um ou mais elétrons do átomosejam promovidos para um nível de energia superior. Por exemplo, o vapor desódio apresenta dois picos de absorção agudos, pouco separados entre si, e naregião amarela do espectro do visível (589,0 e 589,6 nm), que são consequênciada excitação do elétron 3s a dois estados 3p que diferem muito pouco em energia.Também podem ser observadas outras linhas estreitas de absorção

d t t t i õ l t ô i itid P l icorrespondentes a outras transições eletrônicas permitidas. Por exemplo, o picoultravioleta a aproximadamente 285 nm provém da excitação do elétron 3s do sódioao estado excitado 5p, processo que requer uma energia significativamente maiordo que para a excitação ao estado 3p. Na verdade, o pico a 285 nm também é umdublete, só que a diferença de energia entre os dois picos é tão pequena que amaioria dos instrumentos analíticos não podem resolvê-la.


Absorção Atômica

A radição ultravioleta e visível têm energia suficiente para produzir transiçõesunicamente dos elétrons mais externos, ou elétrons de ligação. Já as frequênciasdos raios X são várias ordens de magnitude mais energéticas e são capazes deg g pinteragir com os elétrons mais próximos ao núcleo dos átomos. Os picos deabsorção correspondentes às transições eletrônicas destes elétrons mais internossão observados, portanto, na região dos raios X.

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Absorção Molecular

Os espectros de absorção de moléculas poliatômicas, especialmente em estadocondensado, são consideravelmente mais complexos que os espectros atômicos, jáque o número de estados de energia das moléculas é enorme em comparação comq g p ço dos átomos isoladamente. A energia E associada às bandas de uma molécula éformada por três componentes:

E = Eeletrônica + Evibracional + Erotacional

Aonde Eeletrônica representa a energia eletrônica da molécula que provém dosestados energéticos de seus distintos elétrons de ligação. Evibracional se refere àenergia total associada ao elevado número de vibrações interatômicas presente

é i l l G l t lé l t it i í inas espécies moleculares. Geralmente, uma molécula tem muito mais níveisquantizados de energia vibracional do que níveis eletrônicos. E Erotacional é a energiadevida aos distintos movimentos rotacionais dentro de uma molécula. Novamente,o número de estados rotacionais é muito maior do que o número de estadosvibracionais. Portanto, para cada estado de energia eletrônica da molécula,geralmente existem vários estados vibracionais possíveis e, por sua vez, para cadaestado vibracional, numerosos estados rotacioanais possíveis.



Consequentemente, o número de possíveis níveis de energia para uma molécula énormalmente algumas ordens de magnitude maiores do que para uma partículaatômica.

Diferente dos espectros de absorção atômicos, que são constituídos por uma sériede linhas agudas bem definidas, os espectros moleculares das regiões UV e visívelsão normalmente caracterizados por bandas de absorção que frequentementeabarcam um grande intervalo de comprimentos de onda. A absorção molecularalém de implicar em transições eletrônicas, também implica em transiçõesvibracionais e rotacionais, sendo várias vibracionais para cada eletrônica, e váriasrotacionais para cada vibracional. As energias de todas essas transições são muito

ó i t i i t li h d b ã t bé ó ipróximas entre si, e por isto as linhas de aborção também aparecem próximasconstituindo uma banda de absorção no espectro de absorção molecular (gráfico bdo slide anterior). A menos que se use um instrumento de alta resolução não épossível detectar os picos individuais de cada transição, e o espectro apareceriasob a forma de picos suaves e largos como os que aparecem no gráfico c. Quandoem estado condensado e na presença de solventes as linhas individuais tendem aampliar-se ainda mais gerando espectros contínuos como o visto no gráfico d.

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A absorção vibracional pura é observada na região do infravermelho, onde aenergia da radiação é insuficiente para originar transições eletrônicas. Espectros IVapresentam picos de absorção estreitos e próximos entre sí que resultam dasp p ç p qtransições entre os diversos níveis vibracionais quantizados. As vibrações dosníveis rotacionais podem dar lugar a uma série de picos para cada estadovibracional, porém em muitas amostras líquidas e sólidas, a rotação encontra-setão impedida que os efeitos destas pequenas diferenças energéticas geralmentenão são detectados. Entretanto, os espectros de rotação puros dos gases podemser observados na região das microondas.


Absorção Induzida por Campo Magnético

Quando elétrons ou núcleos de certos elementos são submetidos a um intensocampo magnético, podem ser observados níveis adicionais de energia quantizadacomo consequência das propriedades magnéticas destas partículas elementares.q p p g pAs diferenças de energia entre os estados induzidos são pequenas, e as transiçõesentre os estados só se produzem pela absorção de radiação com comprimentos deonda largos (ou de baixa frequência). No caso dos núcleos, geralmente se usam asondas de rádio de 30 a 500 MHz (λ = 1.000 a 60 cm), e no caso dos elétrons, sãoabsorvidas as microondas na frequência de cerca de 9.500 MHz (λ = 3 cm). Aabsorção pelos núcleos ou por elétrons em campos magnéticos é estudadamediante às técnicas de ressonância magnética nuclear (RMN) e de ressonânciade spin eletrônico (RSE) respectivamente.

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Aspectos Quantitativos das Medições Espectroquímicas

Principais Classes de Métodos Espectroquímicos

ClasseMedida da Potência Radiante

Relação com a Concentração

Tipo de MétodoRadiante

ç

Emissão Emitida, Pe Pe = kC Emissão atômica

LuminescênciaLuminescente,

PlPl = kC

Fluorescência, fosforescência e

quimioluminescência atômica e molecular

Dispersão Dispersada, Pd Pd = kCDispersão Raman, turbidimetria e nefelometrianefelometria

AbsorçãoIncidente, P0 e transmitida, P

‐log P/P0 = kCAbsorção atômica e

molecular

Métodos Espectroscópicos Baseados na Radiação Eletromagnética

Tipo de EspectroscopiaIntervalo deComprimento

de Onda

Intervalo de Número de Onda (cm‐1)

Tipo de TransiçãoQuântica

Emissão de raios gama 0,005 – 1,4 Å ‐ Nuclearg

Absorção, emissão, fluorescência e difração de raios X

0,1– 100 Å ‐ Elétrons internos

Absorção UV no vácuo 10 – 180 nm 1x106 a 5x104 Elétrons de valência

Absorção, emissão, fluorescência UV/Visível

180 – 780 nm 5x104 a 1,3x104 Elétrons de valência

Absorção IV e dispersão Raman 0,78 – 300 µm 1,3x104 a 3,3x101 Rotação/vibração de moléculas

Absorção de micro‐ondas 0,75 – 3,75 mm 13 – 27Rotação de moléculas

Ressonância de spin eletrônico 3 cm 0,33Spin dos elétrons em

um campo magnético

Ressonância magnética nuclear 0,6 – 10 m 1,7x10‐2 a 1x103Spin dos núcleos em

um campo magnético

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Métodos Espectrométricos

EspectrofotometriaMétodos Baseados na Absorção

Espectrofotometria UV/Visível


Como e Para Que Medir a Absorção de LuzO que se mede diretamente não é a quantidade de luz absorvida. Só se poderiafazer isto se houvesse um detector junto a cada átomo, para ver se ele absorveu ounão o fóton. O que se faz normalmente é medir a luz que consegue passar, e não aluz que é absorvida. Se um feixe de luz com intensidade Po é incidido sobre aregião que contém os átomos capazes de absorver, após passar pela região, eleregião que contém os átomos capazes de absorver, após passar pela região, eleterá uma nova intensidade P, menor do que Po, pois uma parte da luz foi absorvida.A nova intensidade é então detectada. A intensidade de P depende da intensidadede Po, da concentração dos átomos na região, da distância percorrida pelo feixe deluz, do λ que incide e, é claro, de que espécie são os átomos. Para medirconcentração, os outros fatores que não sejam a concentração dos átomos nãopodem variar e deve-se manter:

• o mesmo comprimento de onda para o mesmo tipo de amostra.• a mesma distância percorrida.• a mesma intensidade de Po.

Como P depende de Po, há que se garantir que Po é sempre igual nas diferentesmedições. Para escapar desse problema, mede-se a razão P/Po, e não P sozinho.Essa razão é chamada de transmitância (T), definida como: T = P/Po

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Métodos Baseados na Absorção

Transmitância

0PPT =

Como e Para Que Medir a Absorção de LuzEssa razão independe da intensidade isolada de P ou de Po. Utiliza-se também aporcentagem de transmitância (%T), onde %T = 100 T. Os valores de T vão de 0 a1, e a porcentagem de T vai de 0 a 100. A medida de Po é feita com a regiãodesprovida dos átomos que absorvem, por exemplo. Dessa forma, o decréscimo detransmitância em P será devido única e exclusivamente à ação da espécie atômicatransmitância em P será devido única e exclusivamente à ação da espécie atômicaabsorvente. A transmitância não estabelece uma relação linear com aconcentração, mas sim uma relação exponencial inversa, isto é:

T =10−kC

Onde k é uma constante de proporcionalidade, que pode ser alterada pelascondições experimentais, e C é a concentração. Para escapar de uma relaçãomatemática trabalhosa, utiliza-se o logaritmo do inverso da transmitância,denominado de absorbância (A), que é então diretamente proporcional àconcentração. Esta última equação é chamada de lei de Lambert-Beer.

A = log 1/T → A = kC

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Transmitância

%100%0

×=PPT

Métodos Baseados na AbsorçãoLei de Beer

Para uma radição monocromática, a absorbância é diretamente proporcional aocaminho óptico b através do meio e da concentração c da espécie absorvente.Esta relação é dada pela equação:ç p q ç

Onde a é uma constante de proporcionalidade denominada absortividade. Amagnitude de a claramente dependerá das unidades utilizadas para b e c.Frequentemente para dissoluções de uma espécie absorvente, b é dado em cm e cem g/L. As unidades de absortividade neste caso ficam L.g-1.cm-1.

Q d t ã é l/L i t d b t

abcA =

Quando a concentração é expressa em mol/L e o comprimento da cubeta em cm, aabsortividade então passa a chamar-se absortividade molar e é representada pelosímbolo ε. Assim, quando b está em cm e c em mol/L,

As unidades neste caso ficam L.mol-1.cm-1. As expressões da Lei de Beer servemcomo base para a análise quantitativa mediante medidas de absorção atômica emolecular, porém existem certas limitações à aplicabilidade da Lei.

bcA ε=

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Métodos Baseados na AbsorçãoLei de Beer

Para uma radição monocromática, a absorbância é diretamente proporcional aocaminho óptico b através do meio e da concentração c da espécie absorvente.Esta relação é dada pela equação:ç p q ç

Onde a é uma constante de proporcionalidade denominada absortividade. Amagnitude de a claramente dependerá das unidades utilizadas para b e c.Frequentemente para dissoluções de uma espécie absorvente, b é dado em cm e cem g/L. As unidades de absortividade neste caso ficam L.g-1.cm-1.

Q d t ã é l/L i t d b t

abcA =

Quando a concentração é expressa em mol/L e o comprimento da cubeta em cm, aabsortividade então passa a chamar-se absortividade molar e é representada pelosímbolo ε. Assim, quando b está em cm e c em mol/L,

As unidades neste caso ficam L.mol-1.cm-1. As expressões da Lei de Beer servemcomo base para a análise quantitativa mediante medidas de absorção atômica emolecular, porém existem certas limitações à aplicabilidade da Lei.

bcA ε=


Transmitância

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Absorbância

PA 0log=PT =

PA log

0P

PPTA 0

10 loglog =−=


Medida da Transmitância e da Absorbância

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Métodos EspectrométricosAbsorção Atômica


Emissão versus Absorção

A maioria dos equipamentos modernos de espectrofotometria atômica é capaz demedir tanto a radiação absorvida por uma espécie atômica como a sua emissão.Desta forma é muito importante para o operador compreender os processos queDesta forma é muito importante para o operador compreender os processos queocorrem em cada uma das técnicas. Cada elemento tem um número específico deelétrons associados com seu núcleo. A configuração mais estável de um átomo édenominada “estado fundamental” e representa a forma como este é comumenteencontrado no estado gasoso. Se uma determinada quantidade de energia éaplicada sobre o átomo e esta é absorvida, um dos elétrons mais externos serápromovido a um nível energético superior, levando o átomo a uma configuraçãoenergética menos estável denominada “estado excitado”. Uma vez que estaconfiguração é instável, o átomo retorna imediatamente para o “estadofundamental”, liberando a energia absorvida sob a forma de luz. Esses doisprocessos (absorção e emissão de luz) são explorados, com fins analíticos,através das técnicas de Emissão Atômica e Absorção Atômica.

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Emissão AtômicaNa técnica de emissão atômica, estão envolvidos os processos de excitação(absorção de energia) e decaimento (liberação de energia), mostrados na figura.

Na técnica de emissão o átomo é colocado em um ambiente com altadisponibilidade de energia a fim de serem produzidos átomos no “estadoexcitado”. Este ambiente pode ser obtido por meio de chama, em forno de grafite,ou, mais recentemente, através de um plasma. Nas fontes de luz para absorçãoatômica (lâmpadas de catodo oco), o estado excitado é obtido por colisão doá í l l d ( lé í ) O á i d dátomo com partículas aceleradas (elétrons ou íons). Os átomos excitados, sendoinstáveis, retornam espontaneamente para o “estado fundamental”, emitindo luz.O espectro de emissão de uma espécie atômica consiste numa coleção decomprimentos de onda de emissão denominadas linhas de emissão, por causa desua natureza discreta. A intensidade de uma linha de emissão aumenta na medidaem que aumenta a proporção de átomos excitados para aquele estado específicode um dado elemento, em relação à população total dos átomos daqueleelemento.

Absorção AtômicaO processo de absorção atômica pode ser representado pela figura:

Átomos no “estado fundamental” são capazes de absorver energia luminosa deum comprimento de onda específico, alcançando um “estado excitado”.Aumentando-se o número de átomos presentes no caminho ótico pode-seaumentar a quantidade de radiação absorvida. Medindo-se a variação daquantidade de luz transmitida, pode-se realizar uma determinação quantitativa do

li N é i d b ã ô i f i i d lanalito presente. Na técnica de absorção atômica, fontes especiais de luzconjugadas com sistemas eficientes de seleção de comprimentos de ondapermitem a determinação específica de elementos.

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Emissão Atômica versus Absorção Atômica

Como podemos ver, existem algumas diferenças básicas entre as técnicas deemissão e absorção atômica.

Na técnica de emissão, a chama serve para dois propósitos: (i) ela converte ol d t tô i ( d t át “ t daerossol da amostra em um vapor atômico (onde se encontram átomos no “estado

fundamental”) e (ii) excita, termicamente, estes átomos, levando-os ao “estadoexcitado”. Quando estes átomos retornam ao estado fundamental, eles emitem aluz que é detectada pelo instrumento. A intensidade de luz emitida está relacionadacom a concentração do elemento de interesse na solução.

Na absorção atômica, a única função da chama é converter o aerossol da amostraem vapor atômico, que pode então absorver a luz proveniente de uma fonteprimária A quantidade de radiação absorvida está relacionada com a concentraçãoprimária. A quantidade de radiação absorvida está relacionada com a concentraçãodo elemento de interesse na solução.

Instrumentação para Absorção Atômica

Os instrumentos empregados na técnica de Absorção Atômica possuem cincocomponentes básicos :

1 - A fonte de luz, que emite o espectro do elemento de interesse,

2 - A “célula de absorção”, na qual os átomos da amostra são produzidos,

3 - O monocromador, para a dispersão da luz e seleção do comprimento de onda aser utilizado,

4 - O detector, que mede a intensidade de luz, transforma este sinal luminoso emum sinal elétrico e o amplifica.

5 - Um display (ou registrador) que registra e mostra a leitura depois do sinal serprocessado.

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Instrumentação para Absorção Atômica

Então, um aparelho concebido para medir a transmitância tem uma fonte de luzque emite os comprimentos de onda apropriados. Após essa fonte de luz, existe aregião que contém a espécie atômica. Após essa região, um monocromador,dispositivo que seleciona o comprimento de onda que incide sobre a amostra.Depois do monocromador, existe um detector que gera um sinal elétricoproporcional à intensidade de luz percebida. Este sinal elétrico é repassado a umregistrador qualquer (voltímetro, amperímetro, etc.) e, dependendo do tipo desinal elétrico gerado, pode ainda ser transformado num sinal digital e armazenadopor um computador.

Fontes de Luz para Absorção Atômica (Fontes de Raias)

Uma vez que os átomos absorvem luz de comprimentos de onda muitoespecíficos, em absorção atômica, torna-se necessária a utilização de fontes queproduzam um espectro de emissão composto por linhas estreitas do elemento deinteresse e que não emitam radiação de fundo ou outras linhas estranhas. Essasfontes de linhas, de alta intensidade, conferem alta especificidade à técnica deabsorção atômica, fazendo-a praticamente livre de interferências. As principaisfontes usadas em absorção atômica são a lâmpada de catodo oco (LCO) e alâmpada de descarga sem eletrodos (EDL).

A lâmpada de catodo oco é uma excelente fonte de linhas para a grande maioriados elementos devido à sua estabilidade. Entretanto, no caso de alguns elementosmais voláteis, as lâmpadas de catodo oco possuem baixa intensidade de emissão

id útil it t P t l t EDL d tili d Ae uma vida útil muito curta. Para estes elementos as EDL podem ser utilizadas. Asfontes EDL emitem radiação mais intensa do que as LCO, conferindo maiorprecisão e sensibilidade às análises.

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Lâmpadas de Catodo Oco (LCO)Nas LCO o catodo é construídointeiramente, ou em parte, do metal quese deseja o espectro. Seu formato é


j pcilíndrico, sendo totalmente oco. Oanodo (que pode ser um fio detungstênio) e o catodo são selados emuma cápsula de vidro preenchida comum gás inerte à baixa pressão,geralmente neônio ou argônio. O melhorgás deve ser selecionado segundoalguns critérios: (i) aquele que gerar

i t f ê i d t i ã dmenor interferência na determinação doanalito, (ii) aquele que confere maiorintensidade de radiação à fonte e (iii)aquele que é mais inerte. A janela poronde a radiação passa deve ser feita dequartzo, pois o vidro absorve na faixa doultravioleta. Existem, no mercado, LCOsdisponíveis para 64 elementos.

Lâmpadas de Catodo Oco (LCO)


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Lâmpadas de Catodo Oco (LCO)O processo de emissão em uma lâmpada de catodo oco está ilustrado abaixo:


Um potencial elétrico (300 a 500 V) é aplicado entre o anodo e o catodo, e adescarga elétrica ioniza alguns átomos do gás de preenchimento. Os íons positivosformados colidem com o cátodo carregado negativamente, deslocando átomos doelemento de interesse que estavam depositados sobre a superfície do catodo (o

t d é d i d " tt i ") P t i t át táliprocesso todo é denominado "sputtering"). Posteriormente, os átomos metálicosdeslocados são excitados através do choque com os íons do gás ou com oselétrons. Ao voltarem para o estado fundamental, estes átomos liberam a energiaabsorvida sob a forma de luz, resultando em um espectro de emissão de linhas. Aslâmpadas LCO possuem um tempo de vida útil limitado. Com o seu uso contínuo, oprocesso de "sputtering" remove átomos do metal do catodo, depositando-os nasparedes do tubo de vidro. Este processo provoca uma diminuição da intensidade deemissão e ocorre mais rapidamente em lâmpadas de elementos mais voláteis.

Lâmpadas de Catodo Oco (LCO) – Lâmpadas Multielementares


O catodo de uma LCO deve ser construído a partir do metal puro, de modo que oespectro de emissão desta lâmpada contenha somente as linhas de emissão doelemento de interesse Entretanto é possível construir um catodo a partir de umaelemento de interesse. Entretanto, é possível construir um catodo a partir de umaliga contendo diversos metais. A lâmpada resultante, dita multi-elementar, pode serusada como uma fonte eficiente para a determinação de todos os metaisconstituintes do catodo. Existem, atualmente, 17 tipos de lâmpadas multi-elementares disponíveis no mercado. Nem todos os metais podem ser usados emcombinações devido a limitações metalúrgicas e espectrais. Certos elementos nãoformam ligas ao serem combinados, ou possuem raias importantes que sesobrepõem. A intensidade de emissão de uma lâmpada multi-elementar, para umdado elemento, é consideravelmente menor do que a intensidade de emissão para omesmo elemento, quando se utiliza uma lâmpada mono-elementar. Deste modo,quando empregamos uma lâmpada multielementar a relação sinal/ruído podeinfluenciar decisivamente a precisão das análises e o limite de detecção. Pode-se,então, concluir que, quando se trabalha próximo ao limite de detecção ou quando serequer uma análise mais precisa, é imperativo utilizar uma lâmpada mono-elementar.

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Lâmpadas de Catodo Oco (LCO) –Corrente da Lâmpada


Cada lâmpada tem uma corrente ótima de trabalho que depende, basicamente, doseu tamanho, do tipo de gás interno, da pressão deste gás e do material do qual ocatodo é feito À medida que a corrente de trabalho aumenta a intensidade decatodo é feito. À medida que a corrente de trabalho aumenta, a intensidade deemissão também aumenta, alcançando um ponto máximo, que é a corrente ótima, apartir do qual a intensidade de emissão diminui. Correntes de trabalho muito altasproduzem uma nuvem de vapor atômico muito densa ao redor do catodo, de modoque os átomos mais externos desta nuvem absorvem parte da radiação produzidapela lâmpada (auto-absorção), diminuindo a sua eficiência. Correntes de trabalhomuito baixas produzem luz de baixa intensidade, fazendo o detector trabalhar emcondições inapropriadas para compensar esta baixa intensidade. À medida que alâmpada é utilizada, torna-se necessário um aumento da corrente de trabalho destalâmpada, de modo que ela produza uma intensidade de emissão semelhante aolongo do tempo. O tempo de vida útil de cada lâmpada depende da freqüência deutilização e dos cuidados tomados durante a operação (deve-se evitar trabalhar coma lâmpada em uma corrente acima da necessária). Antes da operação, as LCOdevem ser pré-aquecidas durante um tempo, que pode variar de 10 a 20 minutos,dependendo do tipo de lâmpada. Em equipamentos de feixe duplo este tempo deaquecimento não é necessário, podendo-se trabalhar imediatamente.

Lâmpadas de Descarga Sem Eletrodo (EDL)


As EDLs são fontes empregadas em absorção atômica, alimentadas com energia nafaixa das freqüências de rádio. Elas produzem espectros intensos, de linhasestreitas com pouca autoabsorção Nas EDLs uma pequena quantidade doestreitas, com pouca autoabsorção. Nas EDLs, uma pequena quantidade doelemento ou de um sal do elemento (ou ainda a combinação das duas coisas), éselada dentro de um bulbo de quartzo ou de vidro junto com uma pequenaquantidade de um gás inerte. Este bulbo é então colocado dentro de um cilindrocerâmico que é envolvido por uma bobina helicoidal ressonante, que irá gerar aenergia empregada para o processo de atomização. Quando um campo derádiofreqüência é aplicado (10 a 3000 MHz), através da bobina helicoidal, a energiagerada por este campo ioniza o gás inerte e excita os átomos metálicos dentro dobulbo que, quando voltam ao estado fundamental, liberam esta energia absorvida,emitindo luz com o espectro característico do elemento. A maior vantagem da EDL éa sua alta intensidade, que pode ser várias ordens de grandeza maior do que alâmpada de catodo oco usual. Esse aumento de intensidade não leva a um aumentode sensibilidade, mas pode, ocasionalmente, melhorar a razão sinal/ruído, levando auma maior precisão e menor limite de detecção.

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Lâmpadas de Descarga Sem Eletrodo (EDL)


As EDL’s são de grande vantagem para o trabalho na faixa de comprimento de ondaabaixo de 200 nm, uma vez que aí são maiores as perdas da fonte de radiação pelaabsorção da luz pelo ar chama e parte ótica do aparelho As principaisabsorção da luz pelo ar, chama e parte ótica do aparelho. As principaisdesvantagens das primeiras EDLs eram o tempo de vida curto e o longo tempo deaquecimento necessário para alcançar a intensidade máxima de emissão. Masestes problemas foram contornados e atualmente algumas EDLs praticamentesubstituíram as LCO, como é o caso da lâmpada para determinação de arsênio.

Produção do Vapor Atômico

Sistema Nebulizador ‐Queimador

A função da célula de absorção é converter a amostra em átomos no estadofundamental, no eixo ótico do sistema de absorção atômica, obtidos de maneirareprodutível de modo que os dados obtidos sejam quantitativos A amostra devereprodutível, de modo que os dados obtidos sejam quantitativos. A amostra deveencontrar-se, inicialmente, na forma líquida. São várias as etapas envolvidas noprocesso de conversão da amostra líquida em átomos:

M+X- ↔ M+X- ↔ M+X- ↔ M + X ↔ M*

Solução Névoa Isolado Atomização Estado Excitado

O processo de nebulização é responsável pela conversão da amostra empequenas gotículas, que são direcionadas para a chama, onde o solvente é

d d i d í l A í l ã f didevaporado, produzindo partículas secas. As partículas secas são fundidas e,posteriormente, vaporizadas. No último estágio os átomos são dissociados,produzindo as espécies absorventes. Alguns processos indesejáveis podemocorrer, como (i) excitação dos átomos pela chama, com a conseqüente emissãoda energia de excitação; (ii) átomos excitados podem reagir com outros átomos emoléculas na chama produzindo espécies moleculares e/ou radicais, queproduzem espectros moleculares; (iii) ionização dos átomos.

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Nebulização da Amostra


A nebulização é a produção de pequenas gotículas da amostra, sendo a primeiraetapa na produção do vapor atômico. Um método comum de nebulização se dá pelautilização de um gás se movendo em alta velocidade e perpendicularmente à saídautilização de um gás se movendo em alta velocidade e perpendicularmente à saídade um capilar, arrastando o líquido através do capilar por efeito Venturi, easpergindo o líquido em gotículas na saída do capilar: a nebulização pneumática.No queimador de consumo total, toda a amostra aspirada vai para a chama,independentemente do tamanho das gotículas

Neste queimador, uma sobrepressão écriada na fenda (B) de saída dos gasesoxidante (A) e combustível (C), que é onde

fse forma a chama. Esta sobrepressão éresponsável pela aspiração da amostra, jáque a pressão no topo do capilar é menordo que a pressão atmosférica à qual aamostra líquida está submetida. Asgotículas são formadas durante o processode transporte até o queimador pela altavelocidade do gás de arraste.



Estes queimadores estão em desuso, substituídos pelos que produzem pequenasgotas de líquido em uma câmara de prémistura, antes que a amostra chegue nachama. A figura mostra o esquema de um queimador de pré-mistura. A câmara deg q q ppré-mistura é feita de Ryton (polipropileno), de modo a evitar problemas decorrosão e facilitar o escoamento eficiente do líquido (amostra) que é drenadodurante a aspiração. Neste queimador o gás oxidante (ar) é introduzido a umacerta pressão, dentro do sistema de nebulização, gerando uma zona de baixapressão na saída do capilar ao qual a amostra está ligada (efeito Venturi). Damesma forma que no queimador de consumo total, a pressão atmosférica à qual aamostra é submetida é maior do que a pressão na saída do capilar, “empurrando”a amostra para o interior da câmara de pré-mistura. Durante esta etapa as

tí l ã f d A t á i d i d dpequenas gotículas são formadas. Ao contrário do que ocorre no queimador deconsumo total, nem todas as gotículas formadas são direcionadas para a chama,havendo uma seleção prévia daquelas que serão inseridas na célula de absorção.Esta etapa de seleção tem por objetivo inserir no caminho ótico gotas de tamanhouniforme, melhorando assim a precisão das medidas. Neste queimador apenas 5% do líquido injetado alcança a chama, podendo este número variar dependendodo sistema de seleção utilizado (pérola de impacto ou flow spoiler).

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Dois dispositivos básicos são empregados para a seleção das gotículas a sereminjetadas, podendo ser utilizados separadamente ou em conjunto: (I) a pérola deimpacto, construída em vidro de borosilicato, Pyrex, que intensifica o processo def d í l l i d i j d hformação das gotículas, selecionando as menores para serem injetadas na chamae desprezando as maiores através do dreno; e (II) o flow spoiler, construído empolipropileno, que são anteparosdispostos seqüencialmente, quetem por função permitir queapenas as menores gotasalcancem a chama. Nesteprocesso as gotas maiores, e

t t i d ãportanto mais pesadas, nãoconseguem se desviar dosanteparos, chocando-se comestes e sendo drenadas.

Pérola de Impacto versus Flow Spoiler


Algumas diferenças podem ser notadas no uso de um ou de outro sistema deseleção de gotículas utilizados em absorção atômica. De uma maneira geral, o flowspoiler confere à análise maior reprodutibilidade do que a pérola de impacto.Entretanto, observa-se, na prática, que a pérola de impacto confere maiorsensibilidade à técnica. Estas observações são facilmente explicadas pelo fato deque a pérola de impacto permite a injeção de uma maior quantidade de material nachama e o flow spoiler, permite a injeção de uma nuvem de gotas maishomogênea. Esse efeito é mais pronunciado quando se utiliza a chama de óxidonitroso-acetileno ao invés da chama de ar-acetileno. A escolha por cada um dossistemas de seleção pode ser resumidamente pautada em alguns pontos:

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Pérola de Impacto versus Flow Spoiler


-Quando usar o flow spoiler?

1. Quando as soluções de análise contêm alta concentração de sólidosdissolvidos.

2. Quando as soluções de análise contêm componentes capazes de atacar o vidroda pérola de impacto, tais como soluções altamente alcalinas e soluções contendoHF.3. Quando a análise requer o uso da chama de óxido-nitroso acetileno.

-Quando usar a pérola de impacto?

-1. Quando se necessita de uma melhora na sensibilidade para a análise.

Cabeçotes para Queimador


O cabeçote é o dispositivo onde se forma a chama. Eleé construído em titânio, resistente à corrosão e livre damaioria dos elementos determinados em absorçãomaioria dos elementos determinados em absorçãoatômica. Existem atualmente três diferentes tipos, quepodem ser acoplados ao queimador de pré-misturapara uso freqüente em absorção atômica: (i) cabeçotecom fenda de comprimento de 10 cm, para uso com achama de aracetileno, que possui um caminho óticomais longo para análises mais sensíveis, (ii) cabeçotecom fenda de 5 cm, empregado com a chama de óxidonitroso-acetileno que por ter uma velocidade maior dequeima necessita de uma velocidade maior de saídado gás para evitar o retorno da chama e (iii) ocabeçote com três fendas, que pode ser utilizado coma chama de ar-acetileno em situações onde existe umagrande quantidade de sólidos dissolvidos nas soluçõesem análise.

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Chama – Combustíveis e Oxidantes


Um grande número de combinações de combustível e oxidante pode ser usadopara produzir a chama. Entretanto, as combinações mais comuns deoxidante/combustível empregadas atualmente em absorção atômica são ar-oxidante/combustível, empregadas, atualmente, em absorção atômica são aracetileno e óxido nitroso-acetileno. Na escolha de uma chama para o trabalhoprático, os parâmetros mais importantes a serem analisados são a temperatura dachama, a velocidade linear de queima e a razão entre o combustível e o oxidante(estequiometria da chama). A tabela 1 lista características de diversascombinações.



Inicialmente, os equipamentos para absorção atômica só utilizavam chamas debaixa temperatura (ar-acetileno, por exemplo), o que limitava a aplicação datécnica aos elementos capazes de serem convertidos em átomos nessastécnica aos elementos capazes de serem convertidos em átomos nessastemperaturas. Posteriormente, chamas de mais alta temperatura passaram a serempregadas como, por exemplo, a chama de O2-acetileno. Entretanto, osproblemas não foram de todo resolvidos, uma vez que a utilização de chamas comalta concentração de oxigênio favorecia a conversão de certos elementos em seusrespectivos óxidos, que não se dissociavam na chama para formar os átomosrequeridos. O ajuste da estequiometria da chama foi uma das alternativastentadas, tornando a chama mais rica em combustível e criando um ambiente maisredutor. Porém esta alternativa aumentou muito o perigo de se trabalhar comchamas de O2-acetileno, uma vez que nestas condições a velocidade de queimadesta chama é muito alta (3110 cm/s), aumentando muito o risco de flashback coma conseqüente explosão da câmara de mistura.

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Em 1965, Amos e Willis propuseram a utilização de uma chama composta poróxido nitroso-acetileno, que alcança temperaturas bem mais altas que a chama dear-acetileno e possui uma concentração de oxigênio livre relativamente baixa alémar acetileno e possui uma concentração de oxigênio livre relativamente baixa, alémde queimar a uma velocidade (180 cm/s) que permite uma operação segura,mesmo utilizando os queimadores de pré-mistura. Para a utilização desta chama énecessária a utilização de um cabeçote para queimador apropriado, capaz desuportar as altas temperaturas produzidas. A chama de óxido nitroso-acetileno élargamente utilizada na determinação de vários elementos metálicos que possuemuma forte tendência a formar óxidos refratários, tais como Al, Zr, Cr, Ca , etc.



Atualmente, a chama de ar-acetileno é preferencialmente utilizada nadeterminação de aproximadamente 35 elementos. Sua temperatura pode alcançar2300oC e pode ser utilizada com qualquer cabeçote Usualmente trabalha-se com2300 C e pode ser utilizada com qualquer cabeçote. Usualmente, trabalha se comum consumo de acetileno de cerca de 4 litros/minuto. Alguns cuidados devem serobservados quando se utiliza a chama de ar-acetileno, principalmente aquelerelacionado com a pressão do gás no tanque. O acetileno comercial é vendido emtanques de diferentes tamanhos com o gás dissolvido em acetona. Deve-se evitarque a pressão no tanque de gás seja menor do que 75 psig, para evitar o arrastede acetona, que afetaria a transparência da chama, além de alterar a suatemperatura. A acetona pode ainda causar forte contaminação na determinação dealguns elementos.

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Eventualmente, outras chamas podem ser utilizadas em absorção atômica, taiscomo a chama de ar-hidrogênio e a chama de argônio-hidrogênio-ar. A chama dear-hidrogênio pode alcançar uma temperatura máxima de aproximadamentear hidrogênio pode alcançar uma temperatura máxima de aproximadamente2000oC, enquanto a chama de argônio-hidrogênio-ar é utilizada na determinaçãode elementos que se ionizam a baixas temperaturas, uma vez que a suatemperatura máxima é extremamente baixa, tipicamente 800oC. A chama de ar-hidrogênio é mais empregada em procedimentos para a determinação de metaisalcalinos, pois sua baixa temperatura minimiza os efeitos de ionização na chama. Achama de argônio-hidrogênio-ar pode ser utilizada na determinação de arsênio eselênio. Em ambos os casos, devido às baixas temperaturas alcançadas, diversosproblemas podem ser verificados, tais como interferências químicas e de matriz.

Chama – Distribuição da População de Átomos


A chama não é uniforme ao longo do seucomprimento. À medida que se distanciado queimador ela muda em formado queimador, ela muda em forma,temperatura e composição. Em vista doprocesso de produção do estadoatômico, é compreensível que o tempode vida dos átomos livres seja limitado eque a maior concentração destesátomos seja encontrada numa altura dechama definida, que seria, é claro, omelhor ponto para a passagem do feixede luz. Esta altura ótima varia com osolvente e os outros componentes dasolução, pois todos podem modificar aliberação da espécie em estudo paraatingir o estado atômico. O fluxo dosgases para a chama altera também, éclaro, as temperaturas (e a população deátomos) ao longo de toda a chama.

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Chama – Distribuição da População de Átomos


Mas mesmo que todas essas condições se mantenham constantes, a mudança doanalito também afeta a altura ótima em que se encontra a maior população deátomos livres como pode ser visto no gráficoátomos livres, como pode ser visto no gráfico.

Nos atomizadores eletrotérmicos, uns poucos microlitros da amostra sãoevaporados primeiramente à baixa temperatura e, em seguida, calcinados emtemperaturas mais altas em um tubo ou cubeta de grafite aquecido eletricamente.Após a calcinação, a corrente elétrica aumenta rapidamente a várias centenas deampéres o que eleva a temperatura de 2000 a 3000°C A atomização da amostra

Atomizadores Eletrotérmicos (Forno de Grafite)

ampéres, o que eleva a temperatura de 2000 a 3000 C. A atomização da amostrase produz dentro de poucos milisegundos a segundos. Nestas condições, se medea absorção ou fluorescência das partículas atomizadas na zona situadaimediatamente acima da superfície aquecida.

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A figura seguinte representa uma secção transversal de um atomizadoreletrotérmico comercial. Neste sistema a atomização ocorre em um tubo cilíndricode grafite aberto em ambas extremidades e que possui um orifício central por ondea amostra é introduzida com o auxílio de uma micropipeta. O tubo tem uns 5 cm decomprimento e possui um diâmetro interno de pouco menos de 1 cm O tubo


comprimento e possui um diâmetro interno de pouco menos de 1 cm. O tubointercambiável de grafite se ajusta perfeitamente a um par de contatos cilindricostambém de gráfite que se localizam nos dois extremos do tubo. Estes contatos sãomantidos dentro de uma caixa metálica que é refrigerada por água. Pelo sistemapassam duas correntes de gás inerte. A corrente externa previne a entrada de ardo exterior e a consequente incineração do tubo. A corrente interna flui por entre osdois extremos do tubo e sai pelo orifício central do compartimento da amostra.Essa corrente não só elimina o ar como também serve para arrastar os vaporesgerados pela matriz da amostra nas duas primeiras etapas de aquecimento.g p p p q


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Na figura abaixo pode-se observar a plataforma de L’vov frequentemente utilizadanos fornos de grafite. A plataforma também feita de grafite, localiza-se abaixo doorifício de entrada da amostra. Sobre a plataforma a amostra é adicionada,evaporada e calcinada. A plataforma é utilizada para otimizar o processo deatomização pois quando a temperatura do tubo se eleva muito rapidamente a


atomização, pois quando a temperatura do tubo se eleva muito rapidamente, aatomização se retarda, já que a amostra não fica tempo suficiente em contatodireto com a parede do forno. Isso faz com que a atomização ocorra em umambiente onde não se produza uma mudança tão brusca de temperatura, destemodo, proporcionando a obtenção de picos mais reprodutíveis na análise.

No comprimento de onda onde ocorre a absorbância ou fluorescência, o sinal dodetector aumenta ao máximo alguns segundos após a ignição da amostra no tubode grafite e cai rapidamente a zero quando os produtos da atomização sãoarrastados para fora do tubo pelo fluxo de gás interno Essa alteração é tão rápida

Atomizadores Eletrotérmicos (Forno de Grafite)Sinal de Saída

arrastados para fora do tubo pelo fluxo de gás interno. Essa alteração é tão rápida(frequentemente < 1 s) que para esse tipo de análise é necessário um sistema deaquisição de dados de alta velocidade. As análises quantitativas desta técnicageralmente se baseiam pela medida da altura do pico, mas também tem seutilizado a área do pico.

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Os atomizadores eletrotérmicos possuem a vantagem de produzir altassensibilidades para pequenos volumes de amostra. Geralmente são utilizadosvolumes entre 0,5 e 10 µL. Nestas condições, os limites de detecção normalmentese encontram entre 10-10 a 10-13 g de analito

Atomizadores Eletrotérmicos (Forno de Grafite)Características

se encontram entre 10 10 a 10 13 g de analito.

Entretanto, a precisão relativa dos métodos sem chama encontram-se geralmenteentre 5 a 10% em comparação com 1% ou menos esperado na atomização comchama ou plasma. Além disso, os métodos com forno são lentos, requerendohabitualmente vários minutos por elemento. Outra desvantagem é que o intervaloanalítico é pequeno, sendo geralmente menor do que duas ordens de magnitude.Por tudo isso, a atomização eletrotérmica só é aplicável quando a atomização porchama ou plasma proporcionam limites de detecção inadequados.c a a ou p as a p opo c o a tes de detecção adequados

As técnicas mais habituais de introdução e atomização da amostra na análise porabsorção atômica são a chama e o vaporizador eletrotérmico. Entretanto, outrosmétodos de atomização são ocasionalmente utilizados.

Técnicas Especializadas de Atomização

Gerador de HidretosGerador de HidretosAs técnicas de geração de hidretos são utilizadas para introduzir amostras quecontenham arsênio, antimônio, estanho, selênio, bismuto e chumbo, em umatomizador sob a forma de gás. Este procedimento melhora os limites de detecçãodestes elementos em cerca de 10 a 100 vezes. Devido a alta toxicidade dealgumas dessas espécies, é de considerável importância sua detecção em baixasconcentrações. Sua toxicidade obriga também que os gases produzidos naatomização sejam eliminados de uma meneira segura e eficaz. É possível gerarrapidamente hidretos voláteis adicionando uma solução aquosa acidificada darapidamente hidretos voláteis adicionando uma solução aquosa acidificada daamostra a um pequeno volume de uma solução aquosa a 1% de borohidreto desódio em um frasco de vidro. Uma reação característica pode ser representadapela expressão:

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Gerador de HidretosO hidreto volátil – neste caso, arsina – é arrastado à câmara de atomização por umgás inerte. A câmara geralmente é feita por um tubo de silício (ou quartzo)esquentado a várias centenas de graus celcius em um forno ou chama, onde ohidreto se decompõe dando origem aos átomos do analito. A concentração é entãomedida pela intensidade da absorção ou da emissão. O sinal é um picosemelhante ao obtido com a atomização eletrotérmica.

Atomização em Vapor FrioA técnica de vapor frio é um método de atomização aplicável somente àdeterminação de mercúrio, já que ele é o único elemento metálico que tem umapressão de vapor apreciável à temperatura ambiente. A determinação de mercúrioem diferentes tipos de amostra é de vital importância devido à toxicidade doscompostos orgânicos de mercúrio e sua ampla distribuição no ambiente. O métodode escolha para a sua análise é a vaporização fria seguida de espectrofotometriade absorção atômica. Neste tipo de análise, o mercúrio é convertido em Hg+2

através do tratamento da amostra com uma mistura oxidante de ácido nítrico esulfúrico, seguida da redução do Hg+2 ao metal com SnCl2. O mercúrio elementar éentão arrastado para um tubo de absorção de caminho óptico comprido peloborbulhamento de uma corrente de gás inerte através da mistura onde se formou oelemento. A análise é finalizada medindo-se a absorbância a 253,7 nm. O limite dedetecção da tecnica está na casa das partes por bilhão. Vários fabricantest l t f i t t t áti li t áliatualmetne oferecem instrumentos automáticos para realizar estas análises em

vários tipos de amostras.

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MonocromadorA função do monocromador é isolar totalmente a linha espectral desejada, evitandoque outras linhas alcancem o detector. Dois parâmetros básicos controlam acapacidade do monocromador em separar as linhas de um espectro: (i) a aberturada fenda de entrada, que é o espaço físico por onde a radiação pode penetrar nosistema monocromador e (ii) o poder de resolução do elemento dispersor, que na( ) p ç p qgrande maioria das vezes é uma rede de difração. Na realidade, a influência daabertura da fenda pode ser discutida sobre dois aspectos. Ela controla o poder deresolução do monocromador e também, a quantidade de radiação que alcança odetector (fotomultiplicadora). A quantidade de radiação que alcança o detector nãopode ser pequena pois implicaria a necessidade de maior amplificação eletrônicado sinal, já que a quantidade de radiação não seria capaz de gerar um sinalsignificativo. Quanto maior a amplificação eletrônica do sinal, maior o nível de ruídono sinal. O ruído é todo sinal gerado a partir de variações eletrônicas dai t t ã ã d i l líti d dinstrumentação e que não corresponde a um sinal analítico, causando grandesinconvenientes para a precisão e exatidão da análise. Assim a fenda ótima éaquela que permite uma boa resolução das linhas espectrais, sem sacrifício daradiação que alcança o detector, ou seja, é aquela que leva à melhor razãosinal/ruído.

MonocromadorOs monocromadores mais sofisticados são os que contêm prisma ou rede dedifração. Um monocromador com prisma teria o seguinte esquema básico:

Para selecionar uma outra faixa de comprimento de onda, basta que o prisma (oua rede) esteja montado em uma base giratória. Ao girar o prisma, outroscomprimentos de onda vão incidir sobre a fenda seletora. O mesmo efeito é obtidoao se girar a fenda ou mudar-se o ângulo de incidência do feixe de luz. Todo oconjunto do monocromador tem que estar fechado para evitar a interferência daluz ambiente.

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Configuração dos Instrumentos para Absorção AtômicaExistem dois tipos básicos de instrumentos para Absorção Atômica: o de feixesimples e o de feixe duplo.

A fonte de luz (lâmpada de catodo oco ou lâmpada de descarga sem eletrodos)

Espectrômetro de Feixe SimplesA fonte de luz (lâmpada de catodo oco ou lâmpada de descarga sem eletrodos)emite o espectro específico do elemento da qual é feita, que é focalizado atravésda célula e do monocromador. A fonte de luz deve ser modulada (eletronicamenteou mecanicamente) para diferenciar a luz proveniente da própria fonte daquelaproveniente da emissão da chama. O monocromador separa a luz em seusdiferentes comprimentos de onda, isolando um comprimento de onda específicopara alcançar o detector que, na maioria das vezes, é uma fotomultiplicadora.Esse comprimento de onda produz no detector uma corrente elétrica que éproporcional á intensidade de luz.p p

Configuração dos Instrumentos para Absorção AtômicaExistem dois tipos básicos de instrumentos para Absorção Atômica: o de feixesimples e o de feixe duplo.

Neste tipo de instrumento a luz proveniente da fonte é dividida em dois feixes : (i)

Espectrômetro de Feixe DuploNeste tipo de instrumento a luz proveniente da fonte é dividida em dois feixes : (i)o feixe da amostra, que é focalizado na "célula" da amostra e (ii) o feixe dereferência que passa ao redor da "célula" contendo a amostra. Neste sistema, osinal analítico representa a razão entre as intensidades de luz do feixe da amostrae do feixe de referência. Desta forma, flutuações na intensidade de luz da fontenão são percebidas, uma vez que ambos os feixes sofrem as mesmas flutuações,que são canceladas no cálculo da transmitância. Este recurso torna o sinal muitomais estável.

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InterferênciasA absorção atômica é uma técnica muito específica e com muito poucasinterferências. As que existem, podem ser classificadas em seis categorias:

interferência química,interferência de ionização,çinterferência de matriz,interferência de emissão,interferência espectral,interferência de fundo.

Como são muito bem determinadas, existem métodos acessíveis que podemcorrigir a maioria dos problemas.

Interferência QuímicaSe a amostra na chama pode produzir um composto termicamente estável doanalito que se quer analisar e que não se decompõe com a energia da chama, apopulação de átomos do analito que podem absorver será reduzida. Isto diminuiráa sensibilidade da análise. Normalmente este problema é resolvido de duasmaneiras: ou uma temperatura mais alta da chama (onde o composto é instável ep ( ppode ser quebrado), ou a adição de um agente seqüestrante. Este agenteseqüestrante é um cátion que compete com o analito de interesse pela formaçãodo composto estável. Se o agente seqüestrante está em concentração mais alta, oanalito de interesse é liberado para formar o estado atômico. Um bom exemplo deagente seqüestrante é a adição de lantânio na determinação de Ca em amostrasque contém fosfato. A adição de lantânio em excesso, que também forma umcomposto termicamente estável com o fosfato, libera o cálcio para o estadoatômico e permite que ele seja detectado com boa sensibilidade, mesmo quando

/ til i t d i h N d ó idse usa ar/acetileno como mistura para produzir chama. No caso de se usar óxidonitroso/acetileno, esta técnica não é necessária, já que esta chama é bem maisquente e consegue quebrar o fosfato de cálcio.

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Interferência de IonizaçãoA interferência de ionização ocorre quando a temperatura da chama é muito altapara o analito e, por isso, tem energia suficiente para levá-lo além do estadoatômico neutro e produzir íons. Isto também abaixa a população de átomos quepodem absorver. Uma estratégia para resolver este problema é adicionar umsupressor de ionização à amostra, padrões e branco. Os mais comuns são K, Na,p ç pRb e Cs, metais alcalinos que se ionizam facilmente e tornam a chama rica emelétrons, desfavorecendo a formação de outros cátions. O analito presente naamostra se ionizará menos facilmente. Outra estratégia é trabalhar com chamasmais frias, que diminuem os efeitos da ionização.

Interferência de MatrizAs interferências de matriz podem aumentar ou diminuir o sinal. Elas ocorrem porque as características físico-químicas da matriz de amostra (viscosidade,velocidade de queima, tensão superficial), podem diferir consideravelmente dospadrões da curva de calibração. Isto pode ocorrer pela diferença na concentraçãode sais, ácidos, ou bases dissolvidos; pelo uso de solventes diferentes; ou quandop qas temperaturas de padrões e amostra estão muito diferentes. Quando não forpossível reproduzir ou aproximar as condições da amostra nos padrões,recomenda-se utilizar a técnica da adição-padrão.

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Interferência de EmissãoSe o analito de interesse emite com muita intensidade, poderá ocorrer umadiminuição da absorbância, pela diminuição da população de átomos no estadofundamental. A modulação do sinal da lâmpada elimina o problema do detectormedir o sinal de emissão da chama misturado com o sinal vindo da lâmpada. Autilização de chamas mais frias pode diminuir a queda da absorbância.ç p q

Em alguns casos raros pode ocorrer que dois elementos presentes na amostraabsorvam na mesma linha espectral escolhida. Se o problema for detectado, asolução é simples: basta trocar a linha espectral utilizada. É muito importante aobtenção prévia da informação de quais elementos podem interferir na raiautilizada e se há possibilidade de que eles estejam na amostra, para que isto

fi d i id

Interferência Espectral

possa ser confirmado e o erro possa ser corrigido.

Interferência de FundoEste problema também não pode ser corrigido pela técnica da adição padrão eocorre pelo espalhamento de luz, causado por partículas presentes na chama, oupela absorção de luz, causada por fragmentos moleculares de materiaisprovenientes da matriz de amostra. Para solucionar o problema, a absorbância defundo deve ser determinada e subtraída do total. Esta determinação é facilitadaçpelo fato do analito absorver numa raia estreita e o fundo formar uma banda largade absorção. Pode-se então utilizar uma lâmpada acessória que emita umespectro contínuo, como a lâmpada de deutério. Ora a amostra recebe a luz dalâmpada de catodo oco, ora a amostra recebe o sinal da lâmpada de deutério.Como o analito absorve muito pouco do espectro contínuo, a absorbância docontínuo é toda da interferência e pode ser subtraída da absorbância total medidacom a lâmpada de catodo oco.

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Métodos Potenciométricos

A Equação de Nernst e a Potenciometria

O problema essencial da potenciometria é a determinação da concentração deuma espécie iônica através da medida do potencial. A base teórica para a relaçãoentre potencial e concentração é a equação de Nernst. Através dessa equação,com algumas modificações, calcula-se a concentração.

Ag0 | Ag+ (0,100 mol/L) || Cu+2 (?) | Cuo

g ç , ç

O exemplo clássico é a montagem de uma pilha, onde um eletrodos está imersonuma solução de concentração conhecida e o outro está imerso numa solução deconcentração desconhecida. Ex:

Eo (Ag) = 799 mV Eo (Cu) = 337 mV

[ ][ ]reagentesprodutos

nEE log15,590 −Δ=Δ

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O eletrodo que está em contato com a solução de concentração desconhecidaque se quer medir, é chamado de eletrodo indicador. O eletrodo que está emcontato com a solução de concentração conhecida é chamado de eletrodo dereferência. O eletrodo indicador usualmente é colocado no polo positivo dop pvoltímetro. O eletrodo de referência, que terá que ter sempre um potencialconhecido para que a equação tenha solução, é usualmente colocado no polonegativo do voltímetro. Todas as medições potenciométricas podem ser resumidasentão na equação abaixo:

ΔElid = Ei di d - E f ê iΔElido Eindicador Ereferência


Nesse ponto, pode-se dizer que o problema da determinação da concentraçãoestá resolvido. Certo? Errado. O sistema que utilizamos acima não se presta arealizar medidas potenciométricas, pois existem diversos problemas que sãooriginados pela precariedade do sistema e também pela inadequação da equaçãode Nernst ao sistema utilizado. Vejamos alguns dos problemas (não todos):

• Quando o circuito elétrico é fechado, o potencial é gerado pela ocorrência deuma reação de oxirredução. Isso implica que as concentrações do redutor e dooxidante estão mudando durante a medida!

• Os potenciais padrão só são válidos em 25oC e 1 atm, o que nem sempre é ocaso.

• O fator de Nernst (59,15/n) é teórico, só vale também para 25oC, e não éseguido por todos os eletrodos.

• Os eletrodos utilizados (metálicos) sofrem interferência do oxigênio dissolvidona água, pois ele é um bom agente oxidante.

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Deve-se deixar bem claro que a equação de Nernst é um modelo teórico e, comotodo modelo, tem suas limitações. Necessita de alguns ajustes para ser utilizadacorriqueiramente. Além disso, o sistema utilizado também está longe de ser o

lh O l d i di d id l i l imelhor. O eletrodo indicador ideal seria aquele que, para uma pequena variaçãode concentração daquele analito, tivesse uma grande variação na diferença depotencial. Isto é, diferentes concentrações forneceriam diferentes potenciais equanto maior a diferença entre essas medidas, mais facilmente o técnicodistinguiria entre concentrações muito próximas. Ou seja, o eletrodo indicadorteria uma grande sensibilidade. Esse eletrodo também teria que respondersomente à concentração daquele analito, ou seja, ele teria uma grandeseletividade. O eletrodo de referência ideal seria aquele absolutamente indiferenteàs variações de concentração do analito e que tivesse um potencial invariável eàs variações de concentração do analito e que tivesse um potencial invariável eestável durante toda a medição. O voltímetro ideal seria aquele que, ao medir opotencial, não deixasse passar corrente alguma, de forma a não modificar asconcentrações das espécies presentes na amostra.


1) A partir do ΔElido determine a concentração do analitonos casos a seguir:a) Eletrodo indicador: fio de prata polido e imerso na

l ã bl

Exercício

solução-problema.Eletrodo de referência: fio de platina imerso em umamistura Fe+2/Fe+3 (0,0200 mol/L de Fe+2 e 0,0800 mol/Lde Fe+3). - Este seria um bom eletrodo de referência?ΔElido = -126 mV.Analito: Ag+.

b) Eletrodo indicador: fio de prata polido e imerso nab) Eletrodo indicador: fio de prata polido e imerso nasolução-problema.Eletrodo de referência: fio de prata imerso em soluçãode Ag+ (0,100 mol/L).ΔElido = 2,5 mV.Analito: Ag+.

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2) Para calcular a concentração de chumbo de uma amostra, um analistapreparou uma solução-padrão de chumbo através da pesagem de 0,0140 g dePb(NO3)2, diluídos em b.v. de 50,00 mL. Utilizou barras de chumbo comol t d tili di ã d KNO l ti h d t b

Exercício

eletrodos e utilizou uma dispersão de KNO3 em gelatina recheando um tubo emU. Montou um sistema como o esquema abaixo e teve um ΔElido de 86,0 mV.a)Qual a concentração da solução de chumbo na amostra e qual a finalidade dotubo em U?


3) Dada a pilha Ag0 | Ag+ || Cl- | Cl2 (g) | Pt0, o que aconteceria com a voltagemquando:

Exercício

a)aumentássemos a pressão de Cl ?a)aumentássemos a pressão de Cl2?b) adicionássemos íons cloreto à semi-pilha Cl-,Cl2 | Pt0,?c) adicionássemos íons cloreto à semi-pilha Ag0 | Ag+?d) adicionássemos íons Ag+ à semi-pilha Cl- | Cl2 | Pt0,?

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A Equação de Nernst e a PotenciometriaResolução por Equações Separadas

A resolução por equações separadas facilita muito o cálculo e previne erroscausados por trocas de sinais. O primeiro exemplo dado é resolvido abaixo:

Ag0 | Ag+ (0 100 mol/L) || Cu+2 (?) | CuoAg | Ag (0,100 mol/L) || Cu (?) | Cu

Eo(Ag+→Agº) = 799 mV ; Eo

(Cu2+→Cuº) = 337 mV

Sabemos que o ΔElido foi de -505 mV e que: ΔElido = ΔEindicador - ΔEreferência -505 = ΔECu - ΔEAg

[ ]20 1log

215,59

2+→ −=Δ +

CuEE CuCuCu

11559

-505 = ΔECu – 739,85ΔECu = 234,85, substituindo na equação do eletrodo de cobre:

[ ]+→ −=Δ +

AgEE AgAgAg

1log115,59

10

100,01log15,59799−=Δ AgE

mVEAg 85,739=Δ Substituindo na equação original:

[ ]20 1log

215,5985,234 +−=

CuE Cu

[ ][ ] mol/L 1052,3

45,31log

42

2

−+

+

=

=

xCuCu

A Medição de ΔEVoltímetros comuns não se prestam para a medida potenciométrica porquerequerem uma corrente pequena, porém não desprezível, para moverem seusponteiros. Essa energia só pode vir do sistema sob medição, o que acarretamudança nas concentrações e potenciais. Dessa forma, para mediçõesprecisas de diferenças de potencial (e não voltagem), aonde não haja mudançade concentração, o Voltímetro comum não é satisfatório. Há duas alternativas:O potenciômetro clássico e o milivoltímetro eletrônico. No potenciômetroclássico o princípio de funcionamento é entendido pela análise do esquemaabaixo. A pilha de alimentação fornece um potencial (não precisa serconhecido) que, atenuado pelo resistor R vai opor-se à pilha desconhecida,para o galvanômetro indicar corrente nula. Pela medida do Resistor R ecalibrando-se a escala do potenciômetro por meio de uma pilha padrão1, pode-se então determinar o potencial da pilha desconhecida. Desse modo, na horada medição não há passagem de correnteda medição não há passagem de corrente.

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A Medição de ΔETodavia, o potenciômetro clássico, embora simples e preciso, sofre limitações:

1. Até localizar o ponto de equilíbrio, passará corrente suficiente para afetar a exatidão da medida e, mesmo quando o galvanômetro marca zero, há alguma passagem de corrente.

2. Ele não se presta para medidas com os modernos eletrodos de membrana,pois esses tem resistência de membrana muito alta. Como a resistência dopróprio potenciômetro não é tão alta, aparece o erro devido ao efeito da divisãode voltagem2.

3. O potenciômetro clássico é de manuseio incômodo.

É por esse moti o q e os modernos medidores os mili oltímetros eletrônicosÉ por esse motivo que os modernos medidores, os milivoltímetros eletrônicos,têm impedância de entrada3 sempre maior que 10 MΩ enquanto que oseletrodos têm resistência de membrana de 40 a 1000 MΩ. Eles retiram umaminúscula corrente do sistema e amplificam-na medindo diretamente avoltagem da célula. A maneira usual de ligação atribui o terminal negativo aoeletrodo de referência:

A Medição de ΔE

A e B → Alimentação elétrica do amplificador operacional (representado pelo triângulo).

Os medidores diferem muito em qualidade, versatilidade, automatização e preço.Eles podem ser portáteis, de bolso ou de bancada, analógicos e digitais. Podeml té 1 V 0 1 V ( b i d 0 1 V bl d íd é it d )ler até 1 mV ou 0,1 mV (abaixo de 0,1 mV o problema de ruído é muito grande).Podem ter compensação automática para temperatura no fator de Nernst e saídapara registradores, computadores e tituladores automáticos. Com tampões deprecisão, alguns lêem até 0,001 pH. Os de última geração são microprocessados,fazendo com rapidez os gráficos (nas titulações) e o método da adição padrão(na potenciometria direta). Ambos os casos serão estudados mais adiante.

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A Medição de ΔE

Fundamentalmente, esses aparelhos possuem um ou dois botões para calibraçãocom soluções-padrão (há modelos que aceitam, na memória, até 8 padrões). Háo botão de ajuste de temperatura e há as teclas que selecionam a função : pH,mV, "Stand-by". Todos os aparelhos permitem medir pH lendo-o diretamente no"display" Há também alguns que medem diretamente pF (menos o logaritmo dadisplay . Há também alguns que medem diretamente pF (menos o logaritmo daatividade do íon fluoreto) e até mesmo (nos de última geração) aqueles quepermitem leitura em mg/L do analito. Não se entrará com mais detalhes sobre osaparelhos, pois toda potenciometria gira em torno dos eletrodos, principalmenteos eletrodos indicadores seletivos e, para a realização de análises de boaqualidade, podem ser usados aparelhos pouco sofisticados. Custo dosmedidores: entre 150 e 2500 dólares.

A Medição de ΔE

1 Usualmente a pilha padrão de Weston, cuja ddp é 1018 mV. Esse valorpermanece fixo durante anos, se a pilha não for ligada em curto. O gasto médio éde 0,1 mV/ano, dependendo dos cuidados e da freqüência do uso.

2 Quanto maior a corrente que passa dentro do medidor menor a corrente que2 Quanto maior a corrente que passa dentro do medidor, menor a corrente quepassa pelo ponto que queremos medir. Isto faz com que a voltagem medida caia,pois uma parte dela é consumida dentro do próprio medidor. Para isto nãoocorrer, a resistência interna do medidor tem que ser 100 vezes maior que a doponto que queremos medir, para que o erro seja menor que 1%.

3 Impedância é o análogo da resistência para corrente alternada.

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A Medição de ΔE

1) Se um medidor de pH realiza leituras com incertezas de 2 mV com um eletrodode vidro e outro de referência, qual será a incerteza na medida de pH? Queconclusão se pode chegar sobre a capacidade de leitura dos aparelhos e aextidão na medida do pH?

Exercício

2) Um aparelho que lê com incerteza de 1mV foi usado para medir aconcentração de cobre com um eletrodo indicador confeccionado com umalâmina do metal (Cuº). A leitura contra o eletrodo normal de hidrogênio foi de 300mV. Qual é a incerteza percentual na concentração de Cu+2? Que conclusão sepode tirar sobre a capacidade de leitura do aparelho e a exatidão na medida daconcentração do íon?

A Medição de ΔE

3) Compare as características de 2 aparelhos para medida de pH:Exercício

Supondo que cada um dos argumentos a seguir predomine sobre todos os demais, diga qual dos aparelhos seria o mais indicado em cada caso justificando:diga qual dos aparelhos seria o mais indicado em cada caso, justificando:a) medida de pH de águas de riosb) medida com eletrodos seletivosc) para equipar um laboratório de uma microempresa em formaçãod) medidas de sistemas de temperatura variável.e) monitoramento contínuo de um íon em uma unidade industrialf) leitura do instrumento por pessoal não especializado.g) Utilização do aparelho em aulas práticas.

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Eletrodos de Referência: Calomelano e Ag/AgCl

Os eletrodos de referência têm a característica fundamental de manterem opotencial constante durante a medição. Mas, até agora foram apresentados tiposde eletrodos que, na prática, não são bons como referência. Isto se dá porque:

1 Eletrodos do tipo metal\íon sofrem a influência do O2 dissolvido na solução1. Eletrodos do tipo metal\íon sofrem a influência do O2 dissolvido na solução.2. Qualquer alteração das espécies em solução altera próprio potencial fornecidopelo eletrodo.3. Não são práticos.

Mesmo o eletrodo padrão, o eletrodo normal de hidrogênio (ENH) não passa pelocrivo da praticidade:

1. É difícil de construir e manusear.2. Requer uma fonte de H2 de alta pureza e com pressão parcial bem controlada.3. A platina precisa ser platinizada8 para aumentar a adsorção de hidrogênio ecatalisar a reação.4. Traços de impurezas na solução ou no gás podem gerar transformaçõesirreversíveis, normalmente conhecidas como envenenamento de eletrodo.


Assim, seu uso é limitado à calibração de outros eletrodos de referência, ouentão como eletrodo indicador de H+ (também esse uso muito restrito).

Dois tipos são usados em quase toda medição em potenciometria: o eletrodo decalomelano e o de prata-cloreto de prata Abaixo vê-se a versão mais simples docalomelano e o de prata cloreto de prata. Abaixo vê se a versão mais simples docalomelano:

Esse eletrodo consiste numa pasta de Hg2Cl2 e Hgo emcontato com solução de KCl. Partindo do valor do produtode solubilidade para o cloreto mercuroso (calomelano) edo Eo para a reação é possível prever o potencial Ereferênciapara o calomelano no sistema:

Hg2+2 + 2e- → 2Hgo , Eo = 790 mv

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Eletrodos de Referência: Calomelano e Ag/AgClMas, como há íons cloreto, é preciso levar em conta a disponibilidade de íons Hg2

+2 , que depende do equilíbrio de solubilidade:

Hg2 Cl2 ↔ Hg2+2 + 2Cl- , com Kps = 2,00 x 10-18 ( 25º C )

Kps = [Hg2+2 ] x [Cl -]2 = 2,00 x 10-18 , logo, [Hg2

+2 ] = 2,00 x 10-18 / [Cl -]2

O potencial do eletrodo de calomelano, pela equação de Nernst, será:

ΔEreferencia = Eocalomelano – 59,16/2 log [Hg0]/ [Hg2

+2 ]

Como considera-se que a concentração dos metais é 1, teremos:

ΔE 790 59 16/2 log 1/ [Hg +2 ]ΔEreferencia = 790 – 59,16/2 log 1/ [Hg2+2 ]

Substituindo a expressão do Kps:

ΔE = 790 – 59,16/2 log 1/ (1x 2,00 x 10-18 / [Cl -]2)ΔE = 790 – 59,16/2 log [Cl -]2 / 2,00 x 10-18

ΔE = 790 – 59,16 log [Cl -] + 59,16/2 log 2,00 x 10-18

ΔE = 265 – 59,2 log [Cl -] (1)

Eletrodos de Referência: Calomelano e Ag/AgClAdmitindo-se tratar-se do eletrodo de calomelano saturado (ECS) em KCl, e quea solubilidade do KCl a 25º C é cerca de 4 mol/L:

ΔE = 265 – 59,2 log 4 = 230 mV

Esse valor (230 mV) não corresponde ao efetivamente medido contra o eletrodonormal de hidrogênio10, 244 mV. Isto acontece porque:

1. Há a irreparável contribuição do potencial de junção que aparece naponte salina.

2. Há que se considerar os coeficientes de atividade, que em soluçõesmuito concentradas (como a de KCl no eletrodo de calomelano) se afastamm ito da nidademuito da unidade.

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O Potencial de JunçãoComo dito anteriormente, existe um potencial de junção num sistemapotenciométrico. Mas o que é o potencial de junção? Sempre que duas soluçõescom concentrações iônicas diferentes são postas em contato, para que elas nãose misturem imediatamente, há que se ter ao menos uma membrana deseparação, que permita a migração dos íon, mas não a passagem do solvente.No caso dos eletrodos de referência, a cerâmica porosa faz esse papel.Infelizmente, os íons não tem a mesma mobilidade dentro de uma solução. O íonH+, por exemplo, é muito mais rápido em meio aquoso do que qualquer outro íon.A diferença de velocidade de difusão entre cátions e ânions através damembrana faz com que haja uma separação de cargas, isto é, num dadomomento haverá mais cargas positivas de um lado e mais cargas negativas dooutro. A diferença de carga provoca o aparecimento de um potencial (Ej) que sesoma ao potencial desenvolvido pela própria pilha formada. Esse tipo depotencial também pode ser ocasionado pela diferença de concentração dapotencial também pode ser ocasionado pela diferença de concentração damesma espécie iônica de um lado e do outro da membrana, como veremosadiante.

ΔElido = Eindicador - Ereferência + Ej

O Potencial de Junção

POTENCIAIS DE JUNÇÃO ENTRE PARES DE SOLUÇÕES

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O Coeficiente de Atividade de Um Íon em Soluçãoa = γ C

a → atividade; γ → coeficiente de atividade; C → concentração

A atividade de um íon em solução é determinada pela natureza do meio em queele se insere Numa solução concentrada (ou que tenha alta concentração salinaele se insere. Numa solução concentrada (ou que tenha alta concentração salinatotal), a "atmosfera" que circunda o íon é muito diferente de uma solução em queele esteja em baixa concentração e não haja a presença de íons de outrasespécies. A presença de íons, próximos ao íon cuja concentração se quer medir,faz com que seu comportamento, como carga elétrica, seja completamentediferente de quando a concentração é baixa e não existem outros íons nasolução. Nesse último caso, ele pode se comportar como uma carga isolada.O coeficiente de atividade de um íon depende da força iônica do meio,parâmetro relacionado com a concentração de íons totais. Quanto maior aforça iônica do meio, menor o coeficiente de atividade do íon.

O Coeficiente de Atividade de Um Íon em Soluçãoa = γ C

a → atividade; γ → coeficiente de atividade; C → concentração

Usando o valor experimental do ECS (244 mV) na equação (1), vem:

244 = 265 - 59,2 log aCl- aCl

- = 2,44 , γCl- = a/C = 2,44/4 ≈ 0,6

A potenciometria mede atividade e não concentração. A equação de Nernst écalculada pela atividade e não pela concentração do íon. Quanto maisconcentrada a solução, mais afastada a atividade da concentração. No eletrodode calomelano o Hg2Cl2 (insolúvel) e o Hgº puro possuem atividades unitárias. Aatividade do Cl-, embora não seja unitária, permanece fixa devido à solução estarsaturada ou próxima da saturação. Desse modo, o potencial é constante parauma atividade constante.

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A Influência da Temperatura no PotencialA solubilidade do KCl varia com a temperatura de modo bastante rápido. Comoconseqüência, no eletrodo de calomelano saturado o potencial pode variar com atemperatura. Aliás, como já foi visto anteriormente, o valor 59,15/n muda com atemperatura, só tendo validade para 25ºC. Além disto, qualquer variação no valor dopotencial do eletrodo normal de hidrogênio será considerada como variação do outroeletrodo, pois o ENH é considerado, arbitrariamente, como zero volt a qualquertemperatura. Por todos esses argumentos, conclui-se que é muito difícil preverpotenciais em função da temperatura, e o que se faz é recorrer a valores tabeladose cuidar para que a temperatura não varie durante as medições. Não só do ponto devista do eletrodo de referência, mas também do eletrodo indicador, variações detemperatura diminuem a qualidade da medida potenciométrica, motivo pelo qual, emmedições de grande precisão, torna-se imprescindível termostatizar o frasco quecontém a amostra a ser medida. Um outro ataque a esse problema consiste eme itar o so do eletrodo de calomelano sat rado escolhendo se o tro comevitar o uso do eletrodo de calomelano saturado escolhendo-se outro comconcentração de KCl inferior. O calomelano não-saturado varia muito pouco seupotencial com a temperatura. Todavia fica mais crítico, para menores atividades, oproblema original: modificação das atividades (concentrações) com as correntes quecirculam, ainda que pequenas. Parece que o eletrodo de calomelano 1 mol/L dá umaresposta satisfatória aos problemas entre a temperatura e a corrente, embora algunsfabricantes recomendem 3 mol/L. Outro inconveniente do eletrodo saturado é queele cristaliza KCl com muita facilidade, o que pode provocar obstrução da junção.

O Eletrodo de Ag/AgClEsse eletrodo tem potencial de 186 mV.

Comparando o eletrodo de prata-cloreto de prata com o eletrodo de calomelano pode-se ver que a solubilidade do Hg2Cl2 em KCl saturado (4 mol/L, com atividade = 2,44 ) é:

Kps = 10-18 = a +2 × ( a - )2 a +2 = 10-18/5 95 = 1 68 x1019 mol / LKps = 10 18 = aHg2+2 × ( aCl )2 aHg2

+2 = 10 18/5,95 = 1,68 x1019 mol / L

Por outro lado a solubilidade do AgCl em soluçãoconcentrada de cloreto é bem mais alta que a do Hg2Cl2(aAg

+ ≈ 10-10 mol/L). A diferença brutal na solubilidade dosdois sais evidencia as principais limitações do eletrodo deAg/AgCl frente ao calomelano. Pela junção do eletrodo háquase sempre o escoamento do líquido interno que, nocaso do Ag/AgCl significa uma quantidade razoável deg g g qprata. Esse íon pode interferir no sistema em estudo. Emanálises bioquímicas, por exemplo, não se usa esseeletrodo, pois o íon Ag+ pode precipitar proteínas. Poroutro lado, o eletrodo seria envenenado com tampõescomumente usados nesses meios. Por exemplo, o tampãotris complexa fortemente Ag+. O usual em tais situações érecorrer ao calomelano ou ao eletrodo de junção dupla.

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O Eletrodo de Ag/AgClMas o prata-cloreto de prata tem suas vantagens:

O entupimento aludido na tabela é mais freqüente no eletrodo de prata-cloreto deprata porque, ao escoar pela junção e entrar em contato com o meio da medição,p p q , p j ç ç ,ocorre quase sempre diluição da solução interna, o que no caso do cloreto deprata significa quebra dos complexos e precipitação de AgCl.

CUSTO DOS ELETRODOS DE REFERÊNCIACalomelano US$ 40Ag/AgCl US$ 35Com junção dupla US$ 80

A miniaturização geralmente dobra ou triplica o preço.

O Eletrodo de Ag/AgCl

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Diferentes Versões dos Eletrodos de Referência

A primeira versão apresentada difere das duas abaixo no tipo de junção: a 1a

versão é a junção mais comum, em cerâmica porosa ou "frit" de vidro (vidrosinterizado), a 2ª é uma junção de vidro esmerilhado chamada "sleeve" (quedeixa escoar a solução interna) e a 3ª é uma dupla junção, sendonormalmente a interna de "frit "de vidro ou cerâmica e a externa "sleeve"normalmente a interna de frit de vidro ou cerâmica e a externa sleeve .


A sleeve tem menor resistência elétrica que a junção comum, por permitir oescoamento da solução. A junção dupla, com uma segunda câmara comoutro eletrólito, permite mergulhar o eletrodo onde o KCl poderia apresentarproblemas. A tabela a seguir, tirada do catálogo de um fabricante, resume asprincipais características além de apresentar outros materiais usados paraprincipais características, além de apresentar outros materiais usados parajunção. O princípio é que em soluções de baixa condutividade (diluídas ouem meio não-aquoso) é preciso uma junção de menor resistência elétrica(com menor Ej), o que, todavia, acarreta maior escoamento do líquidointerno.

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Soluções adequadas para a dupla junção, e que não são problemáticas doponto de vista de Ej, são os nitratos e sulfatos de sódio e de amônio. Se nãohouver disponibilidade do eletrodo de dupla junção, pode-se usar uma pontesalina preparada com um gel de AGAR a 1-2 % em solução de NaNO3 a 1mol/L (ou outra concentração apropriada)mol/L (ou outra concentração apropriada).

As tabelas registram também os potenciais para o eletrodo de prata-cloretode prata. Os problemas de atividade, temperatura e Ej também são válidospara esse tipo de eletrodo.

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EXERCÍCIOS

1) Uma célula foi montada sendo usado como eletrodo de referência o eletrodode calomelano saturado (ECS) e como indicador para íons Pb+2 foi usada umabarra de chumbo puro Determine a concentração de chumbo considerandobarra de chumbo puro. Determine a concentração de chumbo, considerandoque a leitura do medidor foi - 385 mV.

2) Dada as duas montagens abaixo determine a concentração de cobre para cadauma delas:

a) ECS | | Cu+2 (?) | Cuº ΔE lido = - 160 mVb) Ag/AgCl sat. | | Cu+2 (?) | Cuº ΔE lido = 15,0 mV


EXERCÍCIOS

3) Um bolsista de An. Instrumental preparou uma solução de FeSO4 em água edeixou-a, após fatoração, sem cuidados contra a oxidação pelo ar. Dias depois, oprofessor declarou que não poderia mais considerar a mesma concentração deprofessor declarou que não poderia mais considerar a mesma concentração deFe+2 para a solução, porque parte do Fe+2 havia se convertido para Fe+3 poroxidação. O aluno bolsista, tendo necessidade da nova concentração de ferro IIna solução com pequeno rigor, mergulhou ali um fio de platina e um eletrodo deprata-cloreto de prata a 1,00 mol/L. Conectou-os ao pHmetro de forma que oeletrodo de prata-cloreto de prata fosse o terminal negativo e leu 540 mV noaparelho. Realizou algumas contas e determinou a nova concentração de Fe+2em solução. Refaça os cálculos do bolsista, determinando o percentual de ferro IIque se converteu em ferro III.

4) Prediga o valor de ΔE quando se usa um milivoltímetro para medir:a) Um ECS contra um outro ECS.b) Um ECS contra um eletrodo de Ag/AgCl.c) Um ECS contra um eletrodo de Ag/AgCl com solução de KCl 1,0 mol/L.

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EXERCÍCIOS

5) Observe a seguinte pilha, cujo E lido foi de +58 mV, e considere que o volume de todas as soluções é de 50,00 mL e a temperatura da medida é de 25ºC:

Hg°/Hg2Cl2, Cl- (1,00 mol/L) // Cu+2 (1,00 x 10-3 mol/L)/Cu°

Calcule, se possível, o novo ΔE quando:

a) Adiciona-se 100 mg de Hg2Cl2 no eletrodo de calomelano.b) Adiciona-se 20,00 mL de um solução padrão de cobre II a 5,00 x 10-2 mol/L no compartimento do eletrodo de cobre.c) Troca-se a solução de cloreto contida no compartimento interno do eletrodo de calomelano por uma solução de cloreto a 0,100 mol/L.

obs: se não for possível calcular, prediga se o novo valor aumentaria, diminuiria ou permaneceria constante, justificando.


EXERCÍCIOS

6) Calcule a concentração de Cl- numa solução em que o eletrodo de prata-cloretode prata, submerso na solução, tem, com relação ao eletrodo de calomelanosaturado diferença de potencial lida igual a 208 mV Considere o Eº do eletrodosaturado, diferença de potencial lida igual a 208 mV. Considere o E do eletrodode prata-cloreto de prata igual a 222 mV e o potencial do eletrodo de calomelanosaturado igual a 244 mV.

7)Que tipo de problema específico um eletrodo de dupla junção ajuda a evitar?

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Eletrodos Indicadores

Os eletrodos indicadores, ou seletivos, têm a capacidade de desenvolver umpotencial elétrico proporcional ao logaritmo da atividade de uma espécieiônica, mesmo na presença de outros íons. Esse é o caso ideal e aseletividade de um eletrodo vai depender de sua própria estrutura econstituição Nesse tópico discute se a estrutura dos eletrodos mais comunsconstituição. Nesse tópico discute-se a estrutura dos eletrodos mais comunse descrevem-se com mais detalhes os eletrodos de fluoreto e o de vidro(para pH). O eletrodo seletivo desenvolve potencial através de umamembrana que se interpõe entre a sua solução interna e a solução que sequer medir. Essa membrana é seletiva ao íon que se quer medir eidealmente possui a capacidade de ter uma interação físico-química com aespécie iônica de interesse e com nenhuma outra. Ao lado pode-se ver oesquema de um eletrodo indicador, onde a1 é a atividade do analito noeletrólito 1 e a2 é a atividade do analito no eletrólito 2:


Podemos comparar esse sistema ao caso clássico de uma pilha deconcentração, onde o potencial gerado é dado pela expressão:

Esse potencial é desenvolvido na região de interface entre as duassoluções, isto é, na membrana, e é um potencial de junção. Se a soluçãointerna está lacrada e não admite mudança de atividade, o potencial geradodependerá única e exclusivamente da concentração da solução externa:

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O 2º termo da equação

é uma constante, mas resta o problema de medir o potencial, pois não sepode ligar o voltímetro diretamente à membrana Para isso o compartimentopode ligar o voltímetro diretamente à membrana. Para isso, o compartimentointerno do eletrodo indicador conterá um eletrodo de referência:

O fio externo do eletrodo de referência é conectado aoutro eletrodo de referência, através de um milivoltímetroapropriado, os dois eletrodos imersos na mesma soluçãopara fechar o circuito:


O potencial lido deverá seguir a expressão:

ΔE = Eref. interno - Eref.externo + Ej

Pois a membrana está no meio do caminho faz parte do circuito elétrico e oPois a membrana está no meio do caminho, faz parte do circuito elétrico e oseu potencial se somará ao dos eletrodos. Substituindo a expressão anteriorpara Ej:

O único termo dessa equação que pode variar é a1, pois pode-se trocar asolução externa. Reagrupando-se então a equação:ç g p q ç

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O somatório de três constantes é outra constante e a expressão pode sersimplificada para:

Equação para cátions

Essa é a equação do eletrodo seletivo, que depende do logaritmo daatividade do íon a se medir, desde que a membrana responda a esse íon. Aconstante K, como se verá adiante, pode ser determinada empiricamente.Para cátions, a equação terá a forma acima. Para ânions, que são a formareduzida na reação redox, em vez de log a1, tem-se log 1/a1 e a equaçãotoma a forma:

Equação para ânions

O termo 59,15/n é dito o fator de resposta do eletrodo e é expresso em mV.Como se verá no próximo tópico, quanto maior o fator de resposta de umeletrodo, maior a sensibilidade que ele possui, pois o potencial varia maisfortemente com mudança da atividade.


Todos os eletrodos seletivos partem desse princípio, com algumasvariações. A “membrana” pode ser um cristal, um sólido amorfo, um sólidocristalino agregado, uma membrana líquida insolúvel em água e imobilizadanum suporte, ou ainda membranas contendo enzimas imobilizadas e queterão a seletividade da própria enzima A seletividade dos eletrodos seterão a seletividade da própria enzima. A seletividade dos eletrodos sebaseia no equilíbrio iônico dos íons da solução com os íons que constituema membrana

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Eletrodos Indicadores: 1º Tipo

Estão em equilíbrio direto com o cátion derivado do metal do eletrodo. Não sãomuito seletivos (respondem aos seus próprios cátions e a outros mais facilmenteredutíveis)redutíveis).

Ex. O eletrodo de cobre em presença de Ag+

Cu2+ + 2e- Cu Eo = 0,340 VAg+ + e- Ag Eo = 0,799 V

Eletrodos como os de cádmio e zinco só podem ser utilizados em soluçõesneutras ou básicas, pois se dissolvem na presença de ácidos.

Cu2+ + 2e- Cu Eo = 0,340 V

Eletrodos Indicadores: 1°Tipo

Considerando que – log aCu2+ = pCu

Muitos eletrodos não tem potenciais reprodutíveis (formação de óxidos). Ex. Fe, Cr, Co e Ni

Ag/Ag+ e Hg/Hg2+ (soluções neutras)Cu/Cu2+, Zn/Zn2+, Cd/Cd2+, Bi/Bi3+, Tl/Tl+ ePb/Pb2+ (soluções desaeradas)

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São eletrodos que respondem a atividade de um ânion com o qual o seu íon formeum precipitado ou complexo estável.

Ex. determinação de Cl-

AgCl(s) + e- Ag(s) + Cl- Eo = 0,222

Aplicando a equação de Nernst:

E = 0,222 – 0,0592 .log aCl-E = 0,222 + 0,0592.pCl


Ex. determinação de EDTA (Y4-)

Está baseado na resposta de um eletrodo de mercúrio na presença de umaEstá baseado na resposta de um eletrodo de mercúrio na presença de umapequena concentração de complexo estável de EDTA.

HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Eo = 0,21 V

Para se empregar este sistema é necessário introduzir uma pequena quantidadede HgY2- na solução do analito. O complexo é tão estável que a atividadepermanece constante em um amplo intervalo de potencial.

Exercício: Desenvolva uma equação para determinação da atividade de Y4-, emque os demais termos sejam expressam como uma constante (K).

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Consiste em um metal em contato com um sal pouco solúvel do metal e um salmenos solúvel de um segundo metal tendo o mesmo ânion do sal do metal.

Ex. Eletrodo de prata-sulfeto de prata-sulfetode cobre (II)

Ag/Ag2S,CuS,Cu2+(aCu2+ = x mol L-1)

Deduza a equação para o eletrodo:

Ag/Ag2S,CuS,Cu2+

Dado: Ag2S + 2e- Ag + S2- Eo = -0,691 VCuS(s) Cu2+ + S2-

Deduza a equação para o eletrodo:

Hg/HgY2-,CaY2-,Ca2+

Dado: HgY2- + 2e- Hg(l) + Y4- Eo = 0,21 VCaY2- Ca2+ + Y4-

O Eletrodo de Fluoreto

O eletrodo de fluoreto é um dos eletrodos que tem maior seletividade. A“membrana seletiva” é na verdade um cristal único de fluoreto de lantânio (LaF3),“dopado” com o cátion európio (Eu+2). A estrutura do cristal pode ser descritasimplificadamente como cada lantânio rodeado por três íons fluoreto:

Estrutura do cristal não-dopado do LaF3

A introdução do Eu+2 na estrutura provoca um desequilíbrio de carga, quepermite a migração do íon fluoreto, da solução mais concentrada para a maisdiluída, impulsionada pela diferença de potencial entre as soluções:, p p ç p ç

Estrutura do cristal dopado do LaF3

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O Eletrodo de Fluoreto

Os únicos íons que podem migrar através da membrana, além do fluoreto e, porconseguinte, interferir, são o La+3, o Eu+2 (muito raros e difíceis de estarempresentes numa amostra) e o OH-, que tem mais o menos o mesmo tamanho doíon fluoreto e a mesma carga, o que faz com que também possa migrar ao longoda membrana As análises de fluoreto com esse eletrodo devem ser feitas emda membrana. As análises de fluoreto com esse eletrodo devem ser feitas emsolução neutra ou levemente ácida para evitar essa interferência.

A equação para um eletrodo de fluoreto acoplado a um eletrodo de referência seráda forma:

ΔE = K + S pF

Onde pF é -log aF-. A constante K depende do eletrodo de referência utilizado e dap g F p

concentração da solução interna. O fator de resposta do eletrodo de fluoreto érazoavelmente nernstiano, isto é, próximo a 59,15 mV/pF. O potencial gerado (ΔE)dependerá desses fatores e do logaritmo da atividade da solução externa (pF).

Eletrodos Redox

Eletrodos feitos a base de platina, ouro, paládio ou outros metais inertes. Servemem alguns casos, como eletrodo indicador para sistemas de oxidação/redução.Nestas aplicações o eletrodo inerte atua como fonte ou depósito para elétronsNestas aplicações o eletrodo inerte atua como fonte ou depósito para elétronstransferidos de um sistema redox na solução.

Ce4+ + e- Ce3+ Eo = 1,72 V

A medida eletroquímica do pH

Um eletrodo indicador (hidrogênio)Um eletrodo de referência (ECS)

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Assim,


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Dividindo por 2, tem-se:

Como Ecalomelano = 0,24453 V

O eletrodo de quinidrona para medidas de pH

A quinidrona é um complexo entre quinona e hidroquinona que em meioaquoso se dissocia dando o seguinte equilibrio de oxido-redução.

Adiciona-se uma mistura 1:1 de quinona e hidroquinona, denominadaquinidrona a solução teste para saturá la com Q e H Q que temquinidrona a solução teste para saturá-la com Q e H2Q, que temcoeficiente de solubilidade e atividade praticamente iguais. Assim, arazão das atividades de Q e H2Q não é significativamente diferente daunidade.

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Eletrodo de Vidro Combinado para Medida do pH

Os eletrodos desse tipo são, na realidade, dois eletrodos num só corpo devidro. Têm uso tão amplo e são tão imprescindíveis, que serão descritoscom detalhe. A membrana seletiva é o bulbo que fica na extremidadeinferior do eletrodo, pois algumas espécies de vidro estabelecem forteinferior do eletrodo, pois algumas espécies de vidro estabelecem forteinteração com o íon H3O+ (por simplicidade, falaremos doravante em H+).O eletrodo combinado pode ser entendido de acordo com o esquemaabaixo:

1. Membrana seletiva de vidro: contém umasolução de íons H+ de atividade fixa.2. Eletrodo de referência interno.3. Cerâmica porosa que permite a passagem deíons para o eletrodo “externo”.4. Eletrodo de referência “externo”.5. Cabo coaxial: contém 2 fios elétricos, um internoe outro externo que o envolve, mas com umacamada de isolante elétrico entre eles. Dessemodo, a leitura do sinal dos dois eletrodos pode virnum único cabo ligado ao milivoltímetro.

Eletrodo de Vidro Combinado para Medida do pH

A fina membrana seletiva de vidro, que separa as duas soluções de pHdiferentes, desenvolve uma diferença de potencial entre as suassuperfícies. Esta diferença de potencial varia com o pH de uma dassoluções assim como varia o potencial do eletrodo de hidrogênio com opHpH.

O silicato de sódio, maior constituinte do vidro, pode ser hidratado,formando um gel na superfície do vidro e a água tem o equilíbrio iônico:

Dessa forma, com o vidro apropriado, se forma uma membrana queinterage com os íons H+ e OH- Um esquema simplificado da membrana éinterage com os íons H e OH . Um esquema simplificado da membrana émostrado a seguir:

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A composição do vidro

Um vidro de silicato empregado em membranas de eletrodos de pH écomposto por uma rede tridimensional de grupos nos quais cada átomode silício está ligado a quatro átomos de oxigênio e cada átomo deoxigênio é compartilhado por dois de silício. Nos espaços vaziosoxigênio é compartilhado por dois de silício. Nos espaços vazios(interstícios), dentro dessa estrutura existem cátions suficientes parabalancear a carga negativa dos grupos silicatos.

Os cátions monovalentes, sódio e lítiopodem se mover pelo retículo e sãoresponsável pela condução elétrica namembrana.


As duas superfícies precisam ser hidratadas antes de funcionar comoum eletrodo de pH. Vidros higroscópicos perdem a sua sensibilidade aopH após a desidratação pelo armazenamento em dessecador. Esteefeito é reversível e a resposta do eletrodo de vidro pode ser restauradaefeito é reversível e a resposta do eletrodo de vidro pode ser restauradaquando este for mergulhado em água.

A hidratação de uma membrana sensível ao pH envolve uma reação detroca iônica entre os cátions monovalentes presentes na interface damatriz de vidro de vidro e prótons da solução. O processo envolveexclusivamente cátions +1, porque cátions +2 e +3 estão muitofortemente ligados a estrutura do silicato para serem trocados com íonsda solução.


Vidro soda cal (mais antigo): 72% SiO2, 22% Na2O e 6% CaOVidro a base de lítio (eletrodos atuais): 68% SiO2, 25% Li2O, e 7% CaO (mol)O CaO também tem sido substituído por BaO.

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A reação de troca iônica pode ser descrita como:

H+ + Na+Vidro- Na+ + H+Vidro-

Vamos considerar que a membrana externa esteja em contato com umasolução cuja atividade de H+ seja 0,01 mol L-1.

H+Vidro-(s) H+

(aq) + Vidro-(s)


Quanto maior a concentração de H+ menor será a dissociação daespécie H+Vidro- e menor a concentração da espécie Vidro-

(s).

O transporte de carga através do vidro seco envolve um mecanismo iônico, no qual está envolvida uma espécie catiônica que possui a carga e o raio iônico menor.

Nos vidros de silicato de sódio esse transporte é feito principalmente peloNa através de um mecanismo intersticial A diferença de potencialNa através de um mecanismo intersticial. A diferença de potencialresultante (potencial de interface, Ei) entre as duas superfícies estárelacionada as atividades do íon hidrogênio em cada uma das soluçõespor uma equação similar a equação de Nernst.

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Eletrodo de vidro para medida do pH

O eletrodo combinado de vidro

A expressão do potencial lido com esse eletrodo é análoga à descrita parao íon fluoreto (embora o S tenha sinal contrário, pois é um cátion) edependerá da atividade de H+ na solução externa ao bulbo de vidro:

ΔE = K + S pHNesse caso não há migração de íons mas a diferença de carga em H+ deNesse caso não há migração de íons, mas a diferença de carga em H+ decada lado da membrana é suficiente para provocar um potencial. Essepotencial tem uma alta impedância e necessita de bons milivoltímetros paraa sua leitura. Esse eletrodo raramente é encontrado na forma separada.Existem eletrodos com dupla junção (com uma outra parede de vidro),onde pode ser colocado um eletrólito que não afete o meio, se for o caso:

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Erro Alcalino

Causado pela resposta da membrana de vidro para íons alcalinos,principalmente Na+. Ocorre normalmente em altos valores de pH.

E Á idErro Ácido

Para valores de pH inferiores a 0,5 o eletrodo de vidro apresenta errosnas medidas de pH. Esses erros são denominados erros ácidos. Assuas causas ainda não são totalmente definidas. São atribuídos avariação na atividade da água ou participação aniônica no processo detroca superficial.

Erro Ácido e Alcalino

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Células de concentração

Considere a representação da célula a seguir:

MM+(aq,esq) M+

(aq,dir)M


Como Eo = 0 e n = 1, tem-se:

Assim, o potencial da interface será dado por:Ei = E1 −E2

Considerando:

L' = 0,0592.log aH+

(2)Temos: Ei = L' - 0,0592.pH

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O potencial do eletrodo de vidro será dado por:

E = Ei + EAg/AgCl + Eassimetria

E = L' + 0,0592.pH+ Eag/AgCl + Eassimetria

Considerando:

L = L‘ + EAg/AgCl + Eassimetria

E = L + 0,0592.pH

Ex. Quando um pHmetro foi padronizado com uma solução tampão ácido bórico-borato com pH 9,40, o potencial da célula foi 0,060 V. Quando o tampão foisubstituído por uma solução de concentração desconhecida de íons hidroxônio,o potencial da célula foi 0,22 V. Qual é o pH da solução?

R: 12,1


Para calcular a concentração de chumbo de uma amostra, um analista preparouuma solução-padrão de chumbo através da pesagem de 0,0140 g de Pb(NO3)2,diluídos em b.v. de 50,00 mL. Utilizou barras de chumbo como eletrodos etili di ã d KNO l ti h d t b U M tutilizou uma dispersão de KNO3 em gelatina recheando um tubo em U. Montou

um sistema como o esquema abaixo e teve um ΔElido de 86,0 mV.a)Qual a concentração da solução de chumbo na amostra e qual a finalidade dotubo em U?

Este exercício é resolvido aqui, para tornar mais clara a equação do eletrodo seletivo.q ç

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Fazendo o cálculo por equações separadas:

ΔElido = ΔEindicador - ΔEreferência ΔElido = ΔEa - ΔEp

Onde ΔEa é o ΔE da amostra (eletrodo indicador) e ΔEp é o ΔE do padrão(eletrodo de referência). Desenvolvendo-se a expressão:

O 2º termo é uma constante, logo:


Sabendo que log (1/aa) = pPb, tem-se que:

ΔElido = K - 29,58 pPb

Pode-se observar que o potencial existe porqueexiste a diferença de atividade entre as duassoluções e esse potencial vai ser sentido nafronteira entre as duas soluções, que é a pontesalina. O ideal é que, em vez de uma membranatão pouco seletiva como a ponte salina, existauma membrana que só seja capaz de interagircom os íons Pb+2. Por exemplo, poderia ser umamembrana de um sal insolúvel como o PbS, queteria um equilíbrio de solubilidade com o Pb+2.

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A Curva de Calibração em Potenciometria

Com os milivoltímetros, eletrodos de referência e indicadores, agora é possível terum sistema adequado de medida. É hora de um modelo matemático maisconveniente que a equação de Nernst que tem os seguintes problemas:conveniente que a equação de Nernst, que tem os seguintes problemas:

• O fator de resposta do eletrodo e o Eo não são confiáveis.

• O potencial de junção (Ej) e os coeficientes de atividade não são levados emconta.

• Pequenas incertezas no potencial são incertezas na potência da concentração.

• Não se deve tirar resultados de uma única medida.

A medida de pH

Se o sistema de medida obedece à uma equação similar à equação de Nernst:

ΔE = K + S pX

onde ΔE é o potencial lido, K e S são os coeficientes linear e angular e pX é -logax (ax é a atividade do analito X). Se é mudada a atividade da solução em estudo,há novo valor de potencial. Com padrões de atividade conhecida, os valores de Ke S podem ser determinados empiricamente. Com o eletrodo combinado de vidroe tampões de pH conhecido, obtém-se o gráfico:

pH ΔE (mV)

1,00 310

3,50 198

5,00 107

7,10 ‐8,0

9,20 ‐126

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A medida de pH

O gráfico foi obtido experimentalmente. Pode-se afirmar com razoável certeza queo sistema obedece à equação proposta. Os valores de K e S podem ser obtidos apartir do traçado da melhor reta para aquele conjunto de dados. Para obter o pHde uma amostra desconhecida, basta interpolar a leitura em milivolts da amostrano gráfico e obter o pH da amostra. Ou então calcular os valores de K e S pelográfico, ou por regressão linear, e obter a reta, que no caso é: ΔE = 374 - 53,8 pH

pH ΔE (mV)

1,00 310

3,50 198

5,00 107

7,10 ‐8,0

9,20 ‐126

A medida da Concentração

O principal problema para medir concentração é a variação do coeficiente de atividade do meio de padrão para padrão e na amostra. Se as forças iônicas em cada solução são diferentes, é diferente o coeficiente de atividade em cada uma delas. Por isso o potencial descrito não pode ser equacionado com o logaritmo da concentração, pois γ varia. Pode-se reescrever a equação anterior:

ΔE = K + S (-log γ[X]) ΔE = K + S (-log γ) + S(-log [X])ΔE = K - S log γ + S p’X

Ressaltamos que p’X passa a ser -log [concentração do íon X] nessa última versão da equação, e não -log [atividade do íon X].

S fi i t d ti id d é t t t S l t tSe o coeficiente de atividade é constante, o termo S log γ passa a ser constante e pode-se obter uma nova constante: K’ = K - S log γ.

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Para que γ possa ser constante, podemos utilizar um nivelador de força iônica nopreparo dos padrões e da amostra. O nivelador de força iônica é uma soluçãode alta concentração salina, que não contem o íon de interesse. É dicionadonum volume significativo e em quantidades iguais nos padrões e naamostra, que também são avolumados ao mesmo volume final. Desse modo,a variação da força iônica devida ao íon de interesse é desprezível emrelação à força iônica total. Podemos considerar então a força iônica e ocoeficiente de atividade como constantes durante todas as medições e a equaçãotoma a forma:

ΔE = K’ + S p’X

E ã d t bé btid i i t ( i t l t )Essa nova equação pode também ser obtida empiricamente (experimentalmente)para a determinação do íon de interesse, desde que todos os padrões e a amostratenham sido preparados nas mesmas condições. No caso do eletrodo de fluoreto,utilizando um eletrodo de referência de calomelano e as soluções-padrãoconvenientemente niveladas, podemos obter o gráfico:


C (mol/L) p’F ΔE (mV)

1,00 × 10‐2 2,00 132,1

1,00 × 10‐3 3,00 190,5

1,00 × 10‐4 4,00 250,0

1,00 × 10‐5 5,00 298,7

O gráfico acima foi obtido experimentalmente. Pode-se afirmar com razoávelcerteza que o sistema obedece à equação proposta. Os valores de K’ e S podemser obtidos a partir do traçado da melhor reta para aquele conjunto de dados. Paraobter o p’F de uma amostra desconhecida, basta interpolar a leitura em milivoltsda amostra no gráfico e obter o p’F da amostra. Ou então, calcular os valores deK’ e S pelo gráfico, ou por regressão linear, e obter a reta, que no caso é:

ΔE = 22,1 + 55,9 p’F

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C (mol/L) p’F ΔE (mV)

1,00 × 10‐2 2,00 132,1

1,00 × 10‐3 3,00 190,5

1,00 × 10‐4 4,00 250,0

1,00 × 10‐5 5,00 298,7

ΔE = 22,1 + 55,9 p’F

Substituindo o valor de ΔE na equação, pode-se achar facilmente o p’F. Asconstantes da equação foram obtidas empiricamente, a partir de dadosexperimentais, do mesmo modo que na medida do pH. Enquanto o sistema estivernas mesmas condições, essa equação é válida. Deve-se ressaltar que, em ambosos casos estudados, pX ou p’X da amostra foram obtidos a partir de um conjuntode dados e não de um único resultado, o que evita erros grosseiros, aumentandoa precisão e a exatidão dos resultados.

O Fator de Resposta do Eletrodo

Para íons monovalentes, o valor do fator de resposta do eletrodo deverá estarsempre próximo de 59,15 mV/pX (em módulo), caso contrário o eletrodo poderáestar com problemas. Para íons divalentes o valor de S deverá estar semprepróximo de 29,6 mV/pX (em módulo), caso contrário o eletrodo também estará

bl P í t i l t ã i t l t d i i O tcom problemas. Para íons trivalentes, não existem eletrodos comerciais. O termoS não depende do eletrodo de referência, do coeficiente de atividade, do potencialde junção ou do potencial padrão, dados que são englobados pela constante K’.Ele está ligado unicamente ao eletrodo indicador. É um parâmetro que indica asensibilidade do eletrodo. O decréscimo do seu valor ao longo do tempo indicaque o eletrodo precisa ser recuperado. Íons trivalentes não tem eletrodoscomerciais pois tem a sensibilidade muito baixa ( S teria valor abaixo de 20mV/pX). O termo S indica a sensibilidade do eletrodo, pois S é o coeficienteangular da reta e indica o quanto varia a voltagem ao variar pX Quanto maior oangular da reta e indica o quanto varia a voltagem ao variar pX. Quanto maior ovalor de S , maior será a variação de ΔE para pequenas variações deconcentração e mais facilmente se distinguem duas concentrações próximas, poiso milivoltímetro tem resolução finita. O gráfico abaixo ilustra a diferença:

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O Fator de Resposta do Eletrodo

A Técnica da Adição Padrão

Em matrizes complexas, não se pode usar satisfatoriamente a técnica da curva decalibração, porque não é possível reproduzir, ou mesmo tornar desprezível, aforça iônica na amostra. Para os casos nos quais o objetivo da análise sejaconcentração (e não atividade), pode-se usar a técnica da adição padrão descritapor Durst em "Ion-Selective Electrodes" de 1969 A idéia central dessa técnica épor Durst em Ion Selective Electrodes de 1969. A idéia central dessa técnica éadicionar uma quantidade conhecida de padrão sobre a amostra, realizandoentão a leitura do ΔE. presume-se então que a leitura para o padrão será namesma força iônica da amostra.

Suponha-se que foi feita a leitura da diferença de potencial para uma amostra.Admitindo-se que o eletrodo indicador possui uma resposta S, tem-se que:

ΔE1 = K + S pX + Ej , ouΔE1 = K - S log γ Co + Ej

Sendo γ o coeficiente de atividade para a força iônica presente na amostra e Co aconcentração do analito. A constante K incluiu o termo Eº do eletrodo indicador etambém o potencial do eletrodo de referência. A amostra tem força iônica alta. Aose adicionar um pequeno volume de padrão (Vp), que tenha concentração Cp, novolume Vo de amostra com concentração Co do analito, a nova concentração doanalito (Ct) será:

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C V + V V ( i V é it V ) d f

poo

ppoo

po

ppoot VV

VVCVC

VVVCVC

C <<+

≅+

+= ,

Como Vo + Vp Vo (pois Vp é muito menor que Vo), pode-se fazer aaproximação considerada, desde que Vp seja sempre menor que 5 % de Vo. Apósa adição do padrão, uma segunda leitura do potencial será da forma:

jo

ppoo EV

VCVCSKE +⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +−=Δ γlog2

Aqui se admitiu que K S γ e Ej mantém seu valor o que é muito razoável: K e SAqui se admitiu que K, S, γ e Ej mantém seu valor, o que é muito razoável: K e Sem condições normais não mudam seus valores com a concentração do analito.Ej e γ, a rigor, variam com a força iônica, mas essa foi muito pouco afetada pelaadição do padrão num pequeno volume e numa amostra de força iônica alta.


Fazendo a operação matemática da diferença ΔE1 - ΔE2 :

( )⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +−−−=Δ−Δ

o

ppooo V

VCVCSCSEE γγ loglog21

⎭⎩ ⎦⎣ ⎠⎝ o

Os termos K e Ej são os mesmos nas equações de ΔE1 e ΔE2 e se anulam.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +++−−=Δ−Δ

o

ppooo V

VCVCSSSCSEE loglogloglog21 γγ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +=

Δ−Δ ppoo

VCVCVC

SEE log21

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

Δ−Δ pp

VCVC

SEE 1log21→⎟

⎠⎜⎝ ooVCS ⎟

⎠⎜⎝ ooVCS

Extraíndo logaritmos:

poo

pSEE

VVC

C+=

Δ−Δ

11021

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Se Vp não é suficientemente pequeno (Vp > 5 % de Vo), é preciso usar aexpressão completa:

poSEE

VCV10

21

+=Δ−Δ

ppoopo

S VVVCVV )(

10+

++

=

Para maior precisão, faz-se uma série de adiçõespadrão, medindo sempre o ΔEcorrespondente. Os dados são lançados numacurva na qual a variável independente é Vp(abcissa) e a variável dependente será Z (que é10ΔE1-ΔE2/S, a ordenada). Como exemplo, é, ) p ,mostrada essa análise de fluoreto em pasta dedente:Massa de Amostra (g) = 0,4130Volume de Diluição (mL) = 250,00Alíq. de Adição (Vo) (mL) = 100,00Conc.do Padrão (ppm) = 114,6Fator de resposta (mV/pF) = 55,93


Massa de Amostra (g) = 0,4130Volume de Diluição (mL) = 250,00Alíq. de Adição (Vo) (mL) = 100,00Conc.do Padrão (ppm) = 114,6Fator de resposta (mV/pF) = 55,93

Vp (mL) ΔE (mV) ΔE1 –ΔE2 /S

0,00 243,8 0 1,00

1,00 225,2 0,3326 2,15

2,00 214,9 0,5167 3,29

3,00 207,8 0,6437 4,40

4,00 202,0 0,7474 5,59

coeficiente angular = 1,143Co = Cp/(coeficiente angular × Vo): 1,003Massa de Fluoreto na amostra (mg) = 250,66Conc. de Fluoreto na pasta de dente (ppm): 607

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A reta deve cruzar o eixo y em Z = 1, comopode ser visto pela equação, quando Vp = 0.Na reta obtida determina se o coeficienteNa reta obtida determina-se o coeficienteangular, que é o termo Cp/CoVo. Sendo Cp eVo conhecidos, calcula-se Co. Observe-se quetal reta sempre terá declividade positiva, sejapara cátion, seja para ânion, pois para umcátion, à medida que Vp cresce, a diferença deΔE1 - ΔE2 torna-se negativa, mas como S étambém negativo, a relação (ΔE1- ΔE2)/S ésempre positiva.sempre positiva.


Algumas considerações sobre essa técnica:"A precisão com que Co pode ser determinado depende diretamente da precisão deCp , Vp , Vo , S e ΔE1 - ΔE2. A concentração do padrão Cp e os volumes Vo e Vppodem ser medidos de modo muito acurado e não deverão limitar a precisão dessaté i D d i il t S d d t i d i ãtécnica. De modo similar, a resposta S pode ser determinada com uma precisãorelativamente alta. Em muitos casos será justamente a medida das diferenças depotenciais que causarão a maior dificuldade. Essa imprecisão será tanto maissignificativa, quanto menor for o valor da diferença ΔE1 - ΔE2, que pode seraumentada pelo incremento da concentração do analito, tornando-se essa diferençaa maior possível. Todavia essa adição não pode ser tão grande a ponto de afetar aforça iônica do meio, como já foi discutido. Assim, os resultados ótimos têm queestar dentro das possibilidades de variações no coeficiente de atividade e potencialde junção causados pelas mudanças na força iônica Na presença de agentesde junção, causados pelas mudanças na força iônica. Na presença de agentescomplexantes em excesso, a técnica de adição padrão é o único procedimentodisponível para determinação da concentração total da espécie complexada, usandoeletrodos seletivos. Isto se consegue, porque a espécie que é adicionada écomplexada na mesma extensão daquela inicialmente existente, de tal modo, quecada medição de ΔE está relacionada com uma fração constante da concentraçãototal.”

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Se há interesse em determinar a porção do íon em análise que está complexada,pode-se comparar os resultados obtidos pela técnica da adição padrão com atécnica da curva de calibração. Medições do íon fluoreto em água do mar revelaramum conteúdo de 0,6 ppm, enquanto a adição padrão forneceu 1,2-1,3 ppm. Istoi di t d d fl t tá l d é i Fi l t â bitindica que metade do fluoreto está complexando o magnésio. Finalmente, no âmbitodos sistemas biológicos, normalmente interessa medir a atividade da espécie iônicalivre, não complexada. Para tais casos a técnica da adição padrão não temserventia, a menos que a fração complexada seja conhecida.

Titulação PotenciométricaEm contraste com os métodos potenciométricos diretos baseados na Equação deNernst, titulações potenciométricas geralmente oferecem um aumento na acurácia ena precisão. Mas também oferecem uma maior demanda de cálculos para que asmedidas obtidas possam ser traduzidas na concentração da amostra que se queranalisar. Com o auxílio do computador pessoal, esse problema hoje em dia éanalisar. Com o auxílio do computador pessoal, esse problema hoje em dia éfacilmente contornado. O crescimento na acurácia surge por algumas razões:

• Os potenciais medidos podem detectar as mudanças bruscas em concentração(atividade), que ocorrem no ponto de equivalência da titulação.

• A variação de potencial que ocorre no ponto de equivalência normalmente é muitomaior que o fator de resposta do eletrodo, ou seja, a sensibilidade do eletrodo émais do que satisfatória para medir essa variação, que é o que se deseja nessecaso.

• Como se quer a variação de potencial, e não sua medida absoluta, o potencial dejunção e o coeficiente de atividade não causam problema nesse tipo de análise.

• É possível dosar amostras turvas ou coradas, pois a detecção da virada é feitacom milivoltímetro.

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Titulação PotenciométricaAs fontes de erro são a padronização das soluções, a medida de volume do titulantee o grau de variação do potencial no ponto de equivalência (que é dependente daconstante de equilíbrio da reação de titulação). A determinação visual da virada doindicador, a maior fonte de erro na titulação clássica, não existe nesse caso.As técnicas de titulação potenciométrica são largamente aplicadas e podem seAs técnicas de titulação potenciométrica são largamente aplicadas e podem sebasear em vários tipos de reação: neutralização ácido-base, precipitação,oxirredução e complexação. Como nos métodos clássicos, essas reações têm queser relativamente rápidas e completas. Do mesmo modo, as soluções em análisetêm que ter concentrações relativamente altas, embora o método potenciométricopossa dosar teores um pouco menores do que o método clássico.

O problema crítico na titulação, comosempre, é a identificação do ponto emp , ç pque as espécies que reagem estão emquantidades equivalentes. Natitulação potenciométrica, esse pontodeve coincidir com o ponto de inflexão dasigmóide que se origina de E (mV) × V(mL), onde E (mV) é o potencial lido e V(mL) é o volume de titulante adicionado.

Titulação Potenciométrica

Determinar esse ponto na curva podeinduzir a erro. Pode-se determinar o pontode variação máxima de potencial (pontode inflexão) com mais segurança pelo

ét d d 1 d i d Pmétodo da 1a derivada. Para que essemétodo seja factível, é necessário que emtorno do ponto de equivalência hajammuitas medidas de potencial, isto é,adições de volume muito pequenas antese depois desse ponto.

Para construir o gráfico da derivada primeira, temos que obter uma nova série deg p , qpontos a partir dos valores de E e V, que virão da operação ΔE/ΔV, isto é, aordenada de um ponto menos a ordenada do ponto anterior, dividida pela abcissado mesmo ponto menos a abcissa do ponto anterior. Isto traduz o quanto afunção E (V) variou entre cada ponto. Obtém-se assim uma nova ordenada quedeve ser plotada contra a mesma abcissa. Isto dá origem a uma nova série deDados. Como exemplo, vê-se abaixo o gráfico de uma titulação de uma soluçãode Fe+2 feita com uma solução-padrão de dicromato de potássio.

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Além disso, pode-se obter a 2a derivadafazendo uma operação semelhante. Nessecaso, apenas subtrai-se a ordenada de umponto da ordenada do ponto anterior,f d ã Δ(ΔE/ΔV) Afazendo-se a operação Δ(ΔE/ΔV). A novaordenada é também plotada contra aabcissa V(mL). Nesse caso, a própriacurva obtida corta, no eixo das abcissas, ovolume que corresponde ao ponto final datitulação.

Os cálculos para esse tipo de gráfico podem ser feitos tanto com ΔE, como com pX, já que existe uma correspondência direta entre essas unidades. É só ter atenção para os casos em que o gráfico com ΔE, pela troca de sinal, é simétrico ao de pX, o que não altera o ponto final da titulação:

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A inversão da curva ocorrerá na titulação de cátions, onde fator de resposta tem sinal negativo e o potencial diminui conforme aumenta pX.

1ª Derivada

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2ª Derivada

análise instrumental

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