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Metodologia Analítica I sem/2014 – Profa Ma Auxiliadora - 1

Universidade Federal de Juiz de Fora

Instituto de Ciências Exatas

Departamento de Química

Disciplina

Metodologia Analítica QUI102

1 semestre 2014

AULA 02

Profa. Maria Auxiliadora Costa Matos

Download aulas: http://www.ufjf.br/nupis/


TRATAMENTO DAS AMOSTRAS

A primeira etapa de uma análise consiste em submeter à amostra a um tratamento

adequado visando sua preparação para os passos subsequentes da análise.

PREPARO DA AMOSTRA Processo que converte uma amostra bruta em uma amostra homogênea de laboratório.

Também, referem-se, as etapas que eliminam as espécies interferentes ou que

concentram os constituintes em análise.

Melhor resultado no menor tempo;

Mínima contaminação;

Baixo consumo de reagentes;

Menor geração de resíduos.

a) Operações prévias;

b) Dissolução, decomposição da amostra;

c) Separação dos constituintes;

d) Concentração do analito;

Pré-tratamento Tratamento Preliminares Preparo da amostra


a) Operações prévias: normalmente são procedimentos físicos

Análise direta de sólidos: ex. espectrometria de fluorescência de raios X

(polimento da superfície).

Lavagem: Considerar o risco de perda de componentes por lixiviação. Ex.

Organismos (raízes, frutos e folhas de plantas; bivalves, cabelo).

Secagem: selecionar o processo e condições de temperatura conforme os riscos

de perdas por volatilização ou decomposição térmica da amostra. Ex. Estufa, liofilizador

ou dessecador. Ex. solos e sedimentos 105 C (não voláteis) e 45 C (poluentes orgânicos

voláteis).


Moagem de sólidos: a moagem em moinhos geralmente ocorre o choque entre a

amostra e o material que compõem o moinho. O material do moinho poderá ser uma fonte

de contaminação da amostra.

Moinhos Mecanicos

• Atrito entre as peças do moinho e as partículas da amostra. Geralmente causam aquecimento do sistema e devem ser evitados se houver riscos de perdas de componentes volateis ou de degradação de componentes.

• Moinhos de facas, de discos ou de bolas, grau e pistilo, processador.

Moinhos de jato de ar

• Promove o choque entre as partículas da amostra, diminuinda as chances de contaminação da amostra com materiais do moinho.

• Mais adequado para amostras biológicas e ambientais e microanálises.

Ex: Moagem grosseira 5 mm – Pré-moagem (moinhos de facas), Moagem fina 63 µm (almofariz, moinhos de discos), Moagem extrafina 63 µm (moinho de bolas, moinhos de jatos de ar, Moinho criogênicos).

-Redução do tamanho das partículas aumenta a área superficial da amostra promovendo

maior interação com os reagentes, facilitando a dissolução, extração, etc. da amostra.

-Homogeneidade da amostra

-Pode causar alteração da composição (calor, oxidação)


Moinho de facas

Moinho de discos

Moinhos de bolas

Almofariz de ágata

Moinho de jato de ar promove o choque

entre as partículas da própria amostra.

Moinhos criogênicos Os materiais sensíveis

ao calor ou com baixo ponto de fusão podem

ser moídos através do processo criogênico.

-Aumento da produtividade 2 a 3 vezes;

-Partículas com distribuição granulométrica

mais fina;

- Redução de desgaste das ferramentas de

moagem;

- Atmosfera inerte;


Peneiramento

US std MESH Tyler Mesh ASTM (µM)

30 28 595

50 48 297

70 65 210

100 100 149

140 150 105

200 200 74

230 250 64

325 325 44

400 400 37

550 550 21

-Método mais usado para avaliar e classificar a distribuição do

tamanho das partículas.

-Selecionar frações de tamanho de partículas da amostra para

análise.

Comparação entre tamanhos de partículas e

classificação baseada em normas internacionais.


Filtração

Em algumas técnicas analíticas é importante a remoção de partículas em suspensão

-Pré-filtro de fibra de vidro 1 a 5 m para amostras com elevado teor de sólidos.

-Filtros de membrana 0,45 m ou 0,20 m (fração solúvel)

Membrana de teflon, acetato de celulose, nylon, etc

Análise do filtrado

Análise do resíduo: resíduo é lixiviado ou decomposto e depois analisado

Filtros para seringas

Membrana Filtrante


b) Separação dos constituintes: os objetivos são geralmente pré-concentração dos

analitos, a eliminação ou redução de interferentes de forma que a informação analítica

quantitativa sobre a mistura complexa possa ser obtida. Geralmente é realizada após a

dissolução ou decomposição da amostra.

Isolam o analito dos constituintes potencialmente interferentes.

Extração líquida

Extração em fase sólida (SPE)

Cromatografia em colunas abertas

Destilação, vaporização, etc


DECOMPOSIÇÃO E DISSOLUÇÃO DE AMOSTRAS

A maioria das técnicas analíticas requer que a amostra esteja em solução, sendo

geralmente uma solução aquosa.

Dissolução (solubilização): Transformação direta da amostra em uma solução, envolvendo

ou não uma reação química.

Abertura (decomposição): Converter a amostra através de uma reação química em outra

forma sólida que seja facilmente solúvel. São processos mais enérgicos de tratamento.

Digestão termo empregado para decomposição materiais orgânicos.

Vantagens Facilidade no preparo de curvas analíticas;

Fácil diluição da amostra;

Separação de constituintes;

Desvantagens Solubilidade;

Necessidade de decomposição

química drástica;


SEPARAÇÃO DE COMPONENTES DE AMOSTRAS

SÓLIDAS

Em alguns casos não é necessário dissolver ou decompor a amostra completamente. É

possível dissolver quantitativamente alguns componentes de interesse ou extrair

somente um ou alguns componentes de interesse, deixando o resto da amostra no estado

sólido.

Extração de espécies inorgânicas de amostras sólidas inorgânicas;

Lixiviação de compostos de elementos metálicos solúveis presentes em sólidos

inorgânico;

Extração com solventes de compostos orgânicos de amostras sólidas;

Vaporização, sublimação, destilação


PROCEDIMENTO IDEAL

Capaz de dissolver a amostra completamente, sem deixar nenhum resíduo.

Razoavelmente rápido.

Os reagentes utilizados não devem interferir na separação e na determinação do(s)

analito(s) – devem ser de fácil remoção da solução da amostra.

Os reagentes devem ter alto grau de pureza para não contaminar a amostra.

As perdas dos analitos por volatilização, formação de aerossóis, adsorção e absorção nas

paredes dos recipientes de reação deverão ser desprezíveis.

O recipiente onde ocorre a reação deve ser inerte aos reagentes e amostra.

As contaminações do ambiente devem ser desprezeis

Mínimo de insalubridade

A solução final deverá conter todos os analitos de interesse.

DISSOLUÇÃO DE AMOSTRAS INORGÂNICAS SÓLIDAS

1. Dissolução direta em água sem reações químicas

2. Dissolução em ácido ou mistura de ácidos, com mudança do estado de oxidação do analito.

3. Dissolução após fusão da amostra com fundente.


DISSOLUÇÃO & DECOMPOSIÇÃO: FONTES DE ERROS

Dissolução incompleta dos analitos.

Perdas do analito por volatilização - ácidos fortes (CO2, SO2, H2S, etc.), meio

alcalino (NH3), agentes oxidantes (Cl2, Br2 ou I2), agentes redutores (arsina AsH3).

Contaminação dos reagentes ou solventes - critico para análise de componentes

traços.

Contaminação por recipientes da amostra - ocorre geralmente em decomposição

envolvendo fusão a temperaturas elevadas, sendo um fato critico para análise de

componentes traços.

ASPECTOS ASSOCIADOS À SEGURANÇA

Possibilidade de queimaduras com HF;

Possibilidade de explosões com uso de HClO4;

Formação de vapores tóxicos de ácidos voláteis e de produtos gasosos (H2S, SO2,

Cl2, NO2);


MÉTODOS PARA DISSOLUÇÃO EM ÁCIDOS

Em alguns casos o tratamento com ácidos pode resultar em uma dissolução não

quantitativa das amostras, ou seja, uma dissolução seletiva.

A escolha do ácido ou mistura de ácidos: Composição da amostra,

Propriedades químicas e concentração do analito,

Forma de associação do analito a matriz.

Propriedades dos ácidos Força do ácido

Ponto de ebulição (temperatura máxima

sem uso de sistemas fechados)

Poder complexante (anion do ácido

pode complexar o íon de interesse – analito)

Poder oxidante ou produtos

Solubilidade dos sais correspondentes

Grau de pureza ou facilidade de purificação

Segurança de manipulação

HCl HClO4 (risco de explosões - concentração superior a 72%)

HNO3 HF (muito utilizado para silicatos) H2SO4


A) ÁCIDOS MINERAIS DILUÍDOS

Utilizado quando a amostra é insolúvel em água. Normalmente há a formação de um sal do

metal solúvel em água, ou algum outro produto dependendo da natureza química da

amostra.

Recomendado com método preliminar

Maioria dos metais mais eletropositivo que H, óxidos simples, carbonatos e sulfatos

dos metais. (Exceção: Cu Cu2+)

Passivação: formação de uma película insolúvel dos óxidos que impedi a ação do

ácido.Ex.: Al, Cr, Mo e W.

B) ÁCIDOS MINERAIS CONCENTRADOS

Aplicados a materiais mais resistentes, ligas metálicas, minerais comuns, solos, rochas,

argilas, aluminatos e silicatos (quente).

Ebulição em frasco aberto coberto com vidro de relógio

Ebulição com refluxo

Ebulição com evaporação do ácido até quase a secura

Sistema fechado


c) MISTURA DE ÁCIDOS A dissolução da amostra pode ser feita inicialmente com uma mistura de dois ácidos

seguida da adição de um terceiro ácido ou vice-versa.

Diferentes propriedades, químicas e físicas, úteis podem ser combinadas.

Ex: Complexante e oxidante HF e HNO3, HF e HClO4

Reação entre os ácidos formando produtos mais reativos

Ex: Água Régia HNO3/HCl (1:3), formação cloreto de nitrosila (NOCl) eficiente para

metais nobres.

Moderação de uma propriedade. Ex: HNO3 e HClO4

HNO3 modera a ação oxidante do HClO4

d) MISTURA DE ÁCIDOS COM OUTROS REAGENTES Agentes oxidantes – Aumentar o poder oxidante

Ex: H2O2 é utilizada como oxidante auxiliar (agente oxidante poderoso, alto grau de

pureza, forma H2O como produto de decomposição).

Eletrólitos inertes – Aumentar o ponto de ebulição do ácido promovendo uma maior

temperatura final para a dissolução da amostra. Ex: Na2SO4, K2SO4, (NH4)2SO4 aumenta

p.e. do H2SO4.


DECOMPOSIÇÃO POR FUSÃO

A amostra moída é misturada ao fundente em uma

proporção adequada e colocada em um cadinho (de

porcelana ou níquel ou platina).

A mistura é aquecida até que a mistura fique

totalmente dissolvida na solução fundida.

Após resfriamento a temperatura ambiente, o líquido

fundido se solidifica, porém deverá ser facilmente

dissolvido em água ou ácido diluído.

Método empregado quando as amostras não são dissolvidas com

ácidos minerais concentrados a quente ou são lentamente atacados

ou parcialmente dissolvidos.

Ex: Cimentos, aluminatos, silicatos, minérios Ti, Zr, minérios mistos

de Be, Si, Al, resíduos insolúveis de Fe, óxidos de Cr, Si, e Fe, óxidos

mistos de tungstênio, silício e alumínio.

Fundente sal de

um metal alcalino.

Fundido mistura final

solúvel em água ou ácidos.

Ex. fundentes (PF):

Na2CO3 (851°C),

NaOH (318°C),

B2O3 (450°C),

Li2B4O7 (920°C)

Na2O2.

Aquecimento em mufla


Características Alcança altas temperaturas (300 a mais de 1200C);

Normalmente necessita de alta proporção do fundente em relação a

amostra (10:1);

Perdas por volatilização;

Contaminação por impurezas do reagente;

Contaminação por material resultante do ataque ao recipiente.

Tipos de fundentes a) Básicos - Usados para o tratamento de materiais ácidos.

Ex: carbonatos, hidróxido, peróxidos e boratos de metais alcalinos.

b) Ácidos - Usados para tratamento de materiais básicos.

Ex: pirofosfato, fluoreto é óxidos de boro.

Ex. Na2CO3 é utilizado para decomposição de matérias contendo sílica.

Após a fusão é obtido silicato de sódio.

Na2CO3 2Na+ + CO2 + O2-

SiO2 + O2- Na2SiO3 (sílica) (silicato de sódio solúvel em água)


EXTRAÇÃO ASSISTIDA POR ULTRASSOM

A irradiação de ultrassom em soluções induz o fenômeno de cavitação acústica no meio

líquido. Na interface sólido-líquido ocorre, crescimento e implosão de bolhas de cavitação

que leva a formação de micro jatos com energia suficiente para causar fragmentação das

partículas e aumento da área superficial para extração.

Há também o surgimento de fissuras através das quais a

solução extratora poderá penetrar no interior das

partículas.

Há diminuição do gradiente de concentração pelo

aumento do transporte de massas ocasionado pela

turbulência e micro jatos.

Banhos Ultrassom: acoplamento de um ou mais cristais

piezelétricos na parte inferior de um vaso metálico.

Aplicando uma diferença de potencial nas faces laterais

de um transdutor piezelétrico, são provocadas vibrações

nas faces perpendiculares do dispositivo, e este vibrará

a uma frequência pré-determinada (20 e 40 kHz).

Micro jato


DECOMPOSIÇÃO POR MICROONDAS

Microondas são radiações eletromagnéticas, portadoras de energia, com frequências que

varia de 300 a 300000 MHz. Para fins científicos a usual é 2450 MHz (comprimento de

onda 12,2 cm e energia 10-5 eV).

O material que absorve a radiação Microondas sofre um grande aumento da temperatura

devido a interação da radiação com os íons e solvente provocando migração iônica e

rotação de dipolos

Microondas não são radiações

ionizantes. A energia das

microondas é muito menor que a

energia necessária para quebrar

as ligações das moléculas

orgânicas mais comuns.

Migração iônica: os íons se deslocam produzindo fluxo de

corrente. O movimento de outros íons no fluxo oposto

produz calor, aumentando a temperatura no meio.

Rotação de dipolos: as moléculas dipolares se alinham com

os polos do campo elétrico alternado gerado pela radiação

microondas.

Aplicação:

Decomposição de

amostras orgânicas e

inorgânicas.


FORNOS DE MICROONDAS

Forno Microondas com cavidades

A radiação produzida pelo magnetron é transportada

através do guia de ondas para a cavidade, sendo

dispersa em direções especificas, permitindo maior

irradiação da zona próxima a cavidade.

Magnetrons Ânodo e cátodo e uma série de

cavidades. Ao aplicar alta voltagem são gerados

elétrons que entram em ressonância sob influência

do campo magnético produzindo oscilações

magnetrons.

Forno Microondas com cavidades

Forno Microondas focalizado

Decomposição em frascos fechados (quartzo, vidro

borosilicato ou PTFE 240C, PFA 300 a 310 C, TFM 320 a

340 C ) e sob pressão atmosférica. Uma tampa é

adaptada na parte superior impedindo a

contaminação pelo ar e permitido adição de

reagentes.

Forno Microondas focalizado


EXTRAÇÃO LÍQUIDO-SÓLIDO

Amostra é a fase líquida e a fase extratora é um sólido.

Concentração de compostos orgânicos semi-voláteis (demanda emergencial).

EXTRAÇÃO EM FASE SÓLIDA (SPE)

Técnica de separação baseada nos mecanismos de separação da cromatografia

líquida clássica.

A solução contendo a amostra é

colocada no topo do cartucho de

extração (contem a fase sólida), sendo

aspirada com um pequeno vácuo, ou

pressionada com uma seringa ou gás.

Após a fase líquida ter sido drenada, o

analito retido no cartucho é eluido com

um pequeno volume de solvente, de

forma a obter a solução do analito em

concentração apropriada para a análise.

Polipropileno

(grau médico)

Fase sólida Disco polietileno

(20 µm)

Reservatório

o


PRINCIPAIS ETAPAS EMPREGADAS EM SPE

SPE_Manifold


MODOS DE OPERAÇÃO EM SPE

1. Concentração do analito: “Enriquecimento”

Um grande volume de amostra é passado pelo cartucho, o analito é retido na

fase estacionária, eluindo os interferentes e o solvente. Na etapa seguinte, o

composto de interesse é eluido com pequeno volume de solvente obtendo-se

uma solução concentrada do analito.

2. Isolamento do analito (clean up) O objetivo principal é isolar os analitos de interesse dos interferentes da

matriz. Em alguns casos, o analito está presente na amostra em concentração

adequada para a análise, porém alguns constituites da matriz podem interferir

na análise.

Em alguns casos, o isolamento e concentração da amostra são realizados no

mesmo procedimento.

Ex. Análise de HPAs em amostras de água potável.


MODOS DE OPERAÇÃO EM SPE

3. Isolamento do matriz (clean up) Apenas os interferentes da matriz são retidos na fase sólida. O analito elui

direto com solvente e é coletado para a análise.

4. Estocagem do analito

A amostra é passada pelo cartucho, os analitos são retidos na fase sólida e em

seguida são conservados em baixas temperaturas até o momento de eluição. As

vantagens deste método são: evitar transporte de grandes volumes de

amostras, permitir análise de compostos lábeis ou voláteis, coleta de amostras

em locais distante do laboratório de análise.

Há necessidade de estudos preliminar sobre estabilidade do analito no

cartucho (tempo de estocagem, temperatura, natureza da fase).


MICROEXTRAÇÃO EM FASE SÓLIDA (SPME)

Resina de troca iônica; somente os ânions são atraídos para ela

Técnica baseada na sorção dos analitos por uma fibra de

sílica modificada quimicamente com posterior dessorção

térmica do analitos em um cromatógrafo a gás.

A seringa é utilizada para introduzir a fibra no injetor e

para protegê-la enquanto não estiver em uso.

Fibras 10 cm (1 a 2 cm recoberto com fase estacionária)

Di ext fibra 170 μm


MODO DE EXTRAÇÃO

1. Extração direta: (Volatilidade média a baixa – Amostras gasosas, líquidas)

O recobrimento da fibra é inserido diretamente na amostra e os analitos são

transportados da amostra par a fase extratora.

A agitação mecânica é utilizada pra acelerar este processo.

Em amostras gasosas, a convecção natural do ar é suficiente para estabelecer

o equilíbrio.

2. Headspace: (Volatilidade média a alta – Amostras líquidas e sólidas)

Os analitos devem ser transportados através de barreiras de ar antes de

atingirem o recobrimento da fibra. Este procedimento protege a fibra de

possíveis danos causados por interferentes de elevada massa molar ou baixa

volatilidade (materiais húmicos), proteínas, etc.

Permite modificação da matriz sem danos na fibra (pH).

A concentração de equilíbrio independe da localização da fibra no headspace. 3. Extração indireta: (Volatilidade baixa – amostras complexas)

Membrana protetora sobre a fibra para sua proteção – amostras de fluidos

biológicos.

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