minicurso1 -métodos químicos e espectroscopia para a ... · espectroscopia para a...

Minicurso 1 - Métodos químicos e espectroscopia para a caracterização da

matéria orgânica do solo.Dra. Larissa Macedo dos Santos

Minicurso 1 - Métodos químicos e espectroscopia para a caracterização da matéria orgânica do solo.� INTRODUÇÃO:Solo (Definição, Composição)Matéria Orgânica (Importância, Definição, Composição,...)Humificação

� CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA (QUANTIFICAÇÃO):Metodologias: gravimetria por incineração em mufla, termogravimetria, cromatografia, oxidação por via seca e oxidação por via úmida.

� CARACTERIZAÇÃO ESPECTROSCÓPICA:Técnicas: absorção de luz UV-Visível, ressonância paramagnética eletrônica; ressonância magnética nuclear, infravermelho com transformada de Fourier, fluorescência de luz UV-Visível, fluorescência induzida por laser, LIBS, absorção e emissão atômica.

SOLO

Geologia QuímicaBiologia

Agronomia Engenharia Civil

Solo: � material inconsolidado, que recobre a superfície terrestre;� constituídos de três fases: sólida (minerais e matéria orgânica), líquida (solução do solo) e gasosa (ar).

LEPSCH, I. F. Formação e conservação de solos. Oficina de Textos. São Paulo – SP, 2002. 178p.

� CTC

� Complexação de metais

� Acidez do solo

� Estrutura do solo

� Retenção de água

� Fonte de energia para microorganismos

� Atividade enzimática

� ...

Mistura de compostos em vários estágios de

decomposição, que resultam da degradação

biológica de resíduos de plantas e animais, e da

atividade sintética de microrganismos.

STEVENSON, F. J. Humus Chemistry: genesis, composition, reactions. 2. ed. New York: John Wiley, 1994. 496 p.

Matéria Orgânica

PolissacarídeosProteínasAçúcares

AminoácidosÁcidos Orgânicos

Ácido HúmicoÁcido Fúlvico

Humina

Fracionamento Químico da MOS

Substâncias não Húmicas

Substâncias Húmicas

70%

Fracionamento Químico da MOS

Fração InsolúvelHumina

Fração SolúvelÁcido Fúlvico 2

HCl LLavagem com 0,1 mol -1

Extração comNaOH0,1 mol L-1

Fração SolúvelÁcido Húmico e Fúlvico

Acidificação com HCl 6 mol L-1

Ácido Húmico

Lavar até pH ≅ 7,0

Armazenar o sobrenadante(Ácido Fúlvico 1)

Armazenar o líquidodas lavagens da

humina

Armazenaro líquidoArmazenar o sobrenadante

Solo

Metodologia sugerida pela Sociedade Internacional de Substâncias Húmicas

Matéria Orgânica Substâncias Húmicas�

HUMIFICAÇÃO

- 2 etapas: humificação biológica e maturação do húmus- Resíduos orgânicos existentes no solo são rapidamente atacados pela macrofauna e microfauna � liberação de açúcares, ácidos orgânicos, aminoácidos, proteínas, peptídeos, celulose, resinas, etc. - Redução da atividade microbiana do solo � liberação de produtos simples (nitratos e sulfatos) e aumento de compostos resistentes a decomposição.

SCHULTEN, H.R.; SCHNITZER, M. Soil Science, v. 162, p. 115-130, 1997.

Estrutura SupramolecularEstrutura Macromolecular

SCHULTEN, H.R.; SCHNITZER, M. Soil Science, v. 162, p. 115-130, 1997.SIMPSON, A.J. et al. Naturwissenschaften, v. 89, p. 84-88, 2002.

Cátions metálicosPolissacarídeosPolipeptídiosCadeias alifáticasAromáticos

CARACTERIZAÇÃO

SISTEMAS DE MANEJOCONDIÇÕES CLIMÁTICAS...

Matéria Orgânica do Solo

Humificação

FONTE: http://www.todaletra.com.br/tag/sem-sombra-de-duvidas-ou-sem-sobra-de-duvidas/

Caracterização da Matéria Orgânica

�� Química

�� Espectroscópica

[Carbono]Limitado

Transformação Maturação Humificação

Quantificação da Matéria Orgânica

�� Química� Quantificação

Metodologias:� Gravimetria por incineração em mufla;� Termogravimetria;� Cromatografia;� Oxidação por via seca;� Oxidação da matéria orgânica (MO) por via úmida, (destacando-se os métodos preconizados por Schollenberger,Walkley-Black, Walkley-Black modificado).

SEGNINI, A.; SANTOS, L.M.; SILVA, W.T.L.; MARTIN-NETO, L.; BORATO, C.E.; MELO, W.J.; BOLONEZI, D. Química Nova, v. 31, n. 1, p. 94-97, 2008.


��Metodologia: gravimetria e termogravimetria

Perda de massa do solo por incineração e aquecimento.

< 110oC: água livre ou água de volatilização150-280oC: decomposição da MO270-370oC: oxidação de C da MeO380-530oC: água de constituição de hidróxidos metálicos

Desvantagens: Vantagens: � velocidade analítica não contamina o ambiente� custos �riscos ao analista


��Metodologia: análise elementar

Foto: Analítica (EUROVECTOR Instruments & Software)


��Metodologia: análise elementar

Permite a determinação da composição da MOS (C, N, H, O, S).Oxidação da amostra a 1000oCSeparação: cromatográficaDetecção: condutividade térmica

Amostra N2

CO2

H2O SO2

oxidação separação

%N%C%H%S%O = [(100-(C+N+H+S)]%

colunacromatográficaC/N

Determinação Simultânea

Amostras: líquidasgasosas e sólidas

Massa de amostra: 1 mg


��Metodologia: carbono orgânico total (TOC)

Permite a quantificação do carbono orgânico Carbono Total e Carbono InorgânicoOxidação do carbono a CO2 (900

oC)Separação: cromatográfica

Vantagens:- Rápida- Reprodutível - Quantidade de amostra: � (100 mg) que a análise elementar- Amostras líquidas

a) Concentration of particle size fraction in the soil expressed in % b) Carbon contend of particle size fractions

González Pérez, M.; Milori, D.M.B.P.; Martin-Neto, L.; Colnago, L.A.; Camargo, O.A.; Berton, R.; Bettiol, W. Scientia Agricola, v. 63, n. 3, p. 269-275, 2006.



��Metodologia: Walkley-Black

Oxidação do carbono orgânico do solo por íons dicromato, em meio fortemente ácido.

2 Cr2O72-(aq) + 3 C(s) + 16 H

+(aq) � 4 Cr3+(aq) + 3 CO2(g) + 8 H2O(l)

4+

Oxida

0

Reduz

6+ 3+

Quantificação de íons Cr3+ reduzidos: titulação ou colorimetria

carbono orgânico do solo

MOS (g kg-1) = C x 1,724

Fator de van Bemmelenteor de C da MOS = 58%

PROBLEMAS!!!!!!!!


TOC e Análise Elementar: < desviosTOC, Análise Elementar e Walkley Black: resultados � (22.9 e 17.7%)Termogravimetria: dificuldade entre a distinção de perda de H2O de constituição das argilas e a degradação da MO� valores dispersos

Técnicas Espectroscópicas

TransmissãoAbsorçãoReflexão �

AH

Absorção de Luz Ultravioleta-Visível

200-400 nm (UV)400-800 nm (Visível)

Fonte: http://www.dosage.com.br/Port/F_espectrofotometria.htm


�

Razão E4/E6 (465 e 665 nm)

Grau de humificação

Lei de Lambert BeerA = ε b c

Soluções: 10 mg kg-1

2 mg de AH em 10 mL de NaHCO3 0,05 mol L-1



�

Razão E4/E6 (465 e 665 nm)

Grau de humificação

�Razão E4/E6 : � Massa Molecular e Condensação dos Anéis


Limitações UV-Vis

Correlação entre proporção de grupos aromáticos determinados por CP/MAS 13C e relação E4/E6 nas amostras de AH.

A razão E4/E6 está associada aos grupos aromáticos condensados e não com a aromaticidade total das amostras.

SAAB, S.C.; MARTIN-NETO, L. Química Nova, v. 30, p. 260-263, 2007.

Limitações UV-Vis

http://www.scielo.br/pdf/qn/v30n2/02.pdf

Aplicações UV-Vis

Figura 4.6 - Valores da razão E4/E6 obtidos para os ácidos húmicos extraídos do (a) LVefsem e com adição de lodo de esgoto e (b) LVd sem e com adição de lodo de esgoto. As profundidades variam de 0-60 cm onde: P1� 0-10; P2 � 10-20; P3 � 20-40 e P4 � 40-60 cm.

SANTOS, L. M. Dinâmica da matéria orgânica e destino de metais pesados em dois solos submetidos àadição de lodo de esgoto. 2006. 133 f. Dissertação (Mestrado em Ciências) – Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2006.

Aplicações UV-Vis Iprodione

200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Imazaquin Atrazina Iprodione

Abs

orbâ

ncia

λλλλ (nm)

0 20 40 60 80 100 120

0

20

40

60

80

100 Imazaquin Atrazina Iprodione

Inte

nsid

ade

máx

ima

de a

bsor

bânc

ia (

%)

Tempo de irradiação (min)

Atrazine Imazaquin

Espectro de absorção na região do ultravioleta dos pesticidas (10 mg L-1), em meio aquoso.

Curva de acompanhamento da fotólise de degradação dos pesticidas, em meio aquoso.

GARBIN, J.R. et al. Chemosphere, v. 66, p. 1692-1698, 2007.

Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)

�� Complexação dos íons metálicos paramagnético: (Fe3+,

Cu2+, Mn2+, VO2+, Mo5+, Cr3+ e outros).

Micronutrientes Metais Pesados

�

Fon

te: http://www.iq.usp.br/schreier/epr.htm

l

Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)

Grau de humificaçãoEfeitos de manejos do solo

�� Radicais livres do tipo semiquinona.�

Vantagens:- Amostras: sólida, líquida e gasosa- Análise não destrutiva

Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)�� Íons Paramagnético:

Fe Z = 26 Fe3+ Z = 23

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5

� � � � �

2 elétrons emparelhados: - diamagnéticos- têm campos opostos que se anulam- são repelidos por um ímã

Átomo com pelo menos 1 elétron desemparelhado:- paramagnético - são atraídos levemente por um ímã

Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE)�� Íons Paramagnético:

O Z = 8 C Z = 6

1s2 2s2 2p4 1s2 2s2 2p2

� ��

��

Aplicações

Bayer, C.; Martin-Neto, L.; Saab, S.C. Revista Brasileira de Ciência do Solo, v. 27, n. 3, 2003.

RLO

Aplicações e Limitações RPE

�Argila � Solo

� Areia

SANTOS, L.M. et al., Eclética Química, v. 35, p. 55 - 60, 2010.

Aplicações RPE

FIALHO, L.L. et al. Química Nova, v. 33, p. 364-369, 2010.

(A) Sinais de RLO do composto da L1 em função do tempo de compostagem.

(B) Largura de linha tomada pico a pico (DH) do sinal de RLO dos compostos da L1 (poda de árvore), L2 (poda de árvore + esterco bovino fresco) e L3 (poda de árvore + bagaço de laranja) em função do tempo.

Aplicações RPE

SANTOS, L. M. Dinâmica da matéria orgânica e destino de metais pesados em dois solos submetidos àadição de lodo de esgoto. 2006. 133 f. Dissertação (Mestrado em Ciências) – Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2006.

Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

Fon

te: w

ww.revolutionn

mr.com

Fonte: www.ucdenver.edu

Fonte: www.ipbs.fr


Limitações:

- Anisotropia: interações � alargamento das linhas espectrais� resolução

Alta rotação em torno do ângulo de 54,7ºMAS “Magic Angle Spinning”

- T1 muito longo � polarização cruzada � tempo de análise

CP “Cross Polarization”

CP MAS NMR


Espectro de RMN de 13C em estado sólido utilizando a técnica CP-MAS de uma amostra de AH.

SKJEMSTAD, J.O. et al. J. Australian Journal of Experimental Agriculture, v. 38, p. 667-680, 1998.

Aplicações RMN

Alifaticidade = Área C alifático 0-110 ppm x 100% Área C 0-160 ppm

Aromaticidade = Área C aromático 110-160 ppm x 100% Área C 0-160 ppm

Aplicações RMN

Grau de aromaticidade de AHs e COT de um latossolo roxo submetido a diferentes manejos.

MARTIN-NETO, L. et al. Comunicado Técnico: Embrapa. p. 1-5, 1996.

Aplicações RMN

SANTOS, L.M. et al. Circular Técnica: Embrapa, v. 36, p. 1-7, 2006.

LVef LVef + B LVd LVd + B Lodo0

4

8

12

16

20

24

28

Aro

mat

icid

ade

(%)

Amostras

Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)

Fonte: www.analiticaweb.com.br

Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR)

�

Grupos Funcionais

CarboxílicosHidroxílicosAromáticos Alifáticos

Aplicações FTIR

Vibração CH fora do plano775

Vibração CH fora do plano. Impurezas argilosas.830

Estiramento C–O de polissacarídeos ou derivados de polissacarídeos e Si–O de impurezas silicatadas

1050 e 1040

Estiramento –C-OH de alifáticos OH1170

Estiramento –C-O e deformação OH de –COOH1225

Estiramento –C-O de fenólico1270

Estiramento –COO simétrico e/ou dobramento –CH de alifáticos1350

Deformação –CH de –CH3 e dobramento –CH de –CH21450

Estiramento C=C aromático, deformação N–H e estiramento C=N

de amidas1520-1525

Estiramento C=C aromático e/ou estiramento –COO- assimétrico1610

Estiramento –C=O de –COOH1720

Estiramento OH de H-ligado a –COOH2600

Estiramento CH simétrico2840

Estiramento CH assimétrico2930

Estiramento CH aromático3030

Estiramento OH do grupo fenólico (contribuição de OH alifático, H2O e possivelmente NH)3380

OrigemRegião (cm-1)

Aplicações FTIR

Vibração CH fora do plano775

Vibração CH fora do plano. Impurezas argilosas.830

Estiramento C–O de polissacarídeos ou derivados de polissacarídeos e Si–O de impurezas silicatadas

1050 e 1040

Estiramento –C-OH de alifáticos OH1170

Estiramento –C-O e deformação OH de –COOH1225

Estiramento –C-O de fenólico1270

Estiramento –COO simétrico e/ou dobramento –CH de alifáticos1350

Deformação –CH de –CH3 e dobramento –CH de –CH21450

Estiramento C=C aromático, deformação N–H e estiramento C=N

de amidas1520-1525

Estiramento C=C aromático e/ou estiramento –COO- assimétrico1610

Estiramento –C=O de –COOH1720

Estiramento OH de H-ligado a –COOH2600

Estiramento CH simétrico2840

Estiramento CH assimétrico2930

Estiramento CH aromático3030

Estiramento OH do grupo fenólico (contribuição de OH alifático, H2O e possivelmente NH)3380

OrigemRegião (cm-1)

��Humificação

��

�

��

�

Aplicações FTIR

SANTOS, L.M. et al. Soil Science Society of America Journal. v. 74, 2010.

O-HC-H

C-H

C=O

C-O

Aplicações FTIR

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

R1a

R1b

R2bR2aR4a

R4b

R3b

R3a

R5bR5a

PC

2 (2

,3%

)

PC1 (97,5%)

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

468538

915

1035

1100

1010

142716492927

36203696

número de onda (cm-1)

R4 R1 R2 R3 R5

Espectro de FTIR das amostras de cama de frango, R1, R2, R3 e R4, e esterco bovino, R5.

� EMATER (Coronel Vivida) � Avícola Pato Branco

Aplicações e Limitações FTIR

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400


0-2,5 cm

2,5-5 cm

5-10 cm

10-20 cm

1031

914

540

470

1630

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400


0-2,5 cm

2,5-5 cm

5-10 cm

10-20 cm

1031

914

540

470

16303442

3527

3697

3620

Espectro de FTIR para as amostras de solos nas profundidades de 0-2,5; 2,5-5,0; 5,0-10,0 e 10,0-20,0 cm com a adição de 12 t ha-1 de cama de aviário

Caulinita e Gibsita: Al–OH

Caulinita e Quartzo: Si–O

Trabalhos em desenvolvimento:

� Dr. Luis Cesar Cassol (UTFPR – Câmpus Pato Branco)

Fluorescência de Luz Ultravioleta-Visível

Soluções: 10 mg kg-1

2 mg de AH em 10 mL de NaHCO3 0,05 mol L-1

Espectros de Fluorescência:-Emissão-Excitação -Excitação com varredura sincronizada

Fonte: p

ortugues

e.alibaba

.com

Fluorescência de Luz Ultravioleta-Visível

Fenômeno Fluorescência:C=Oaromáticos fenólicosquinonas e/ou sistemas alifáticos conjugados insaturados

Aplicações da Fluorescência

KALBITZ, K.. et al. Biogeochemical, v. 47, p.219-238, 1999.ZSOLNAY, A. et al. Chemosphere, v. 38, p. 45-50, 1999.MILORI, D.M.B.P. et al. Soil Science, v. 167, p.739-749, 2002.

�� Índice de Humificação

Zsolnay: A4/A1 = área de 435-480 nm/ área de 300-445 nmEspectros obtidos de excitação em 240 nm e pH da solução igual a 2,0.

Milori: A465 = área total sobre o espectro de fluorescênciaComprimento de onda azul (465 nm) como fonte de excitação.

Kalbitz, Geyer e Geyer: I400/I360 = razão entre as intensidades de fluorescência em 400 e 360 nm, ou 470 e 360 nm

Modo de excitação com varredura sincronizada.


350 400 450 500 550 600 650

0

50

100

150

200

A4

A1

campo nativo plantio direto manejo convencional

Inte

nsid

ade

(u.a

.)

λ (nm)

300 350 400 450 500 550

0

50

100

150

200

250

300

λ465

λ399

campo nativo plantio direto manejo convecional

Inte

nsid

ade

(u.a

.)

λ (nm)

200 250 300 350 400 450 5000

50

100

150

200

250

300

λ465

campo nativo plantio direto manejo convencional

Inte

nsid

ade

(u.a

.)

λ (nm)

450 500 550 600 650

0

50

100

150

200

250

300 campo nativo plantio direto manejo convencional

Inte

nsid

ade

(u.a

.)λ (nm)

KALBITZ, K.. et al. Biogeochemical, v. 47, p.219-238, 1999.ZSOLNAY, A. et al. Chemosphere, v. 38, p. 45-50, 1999.MILORI, D.M.B.P. et al. Soil Science, v. 167, p.739-749, 2002.


SANTOS, L.M. et al. Soil Science Society of America Journal, v. 74, 2010.

Fluorescência Induzida por Laser (FIL)

400 450 500 550 600 650 700

0

1

2

3

Solo natural Solo calcinado (600°C)

Inte

nsid

ade

(u.a

.)

λ (nm )

MILORI, D.M.B.P. et al. Soil Science Society of America Jornal, v. 70, p.57-63, 2006.

Foto: Milori

Fluorescência Induzida por Laser (FIL)

1

9

osciloscópio

11 12Fonte-800 V

amostra

2

3

5

67

8

4

10

1- Laser de argônio2- Prisma 3,4,5- Espelhos planos6- Lente convergente7- Modulador8- Filtro9- Monocromador10- Fotomultiplicadora11- Amplificador Lock-in12- Sistema de aquisição

Aplicações FIL

GONZÁLEZ-PÉREZ, M. et al. Geoderma, v. 138, p. 20-24, 2007.SANTOS, L.M. et al. Soil Science Society of America Journal, v. 74, 2010.

SI: Sem irrigação, sem dose de fertilização nitrogenada mineral;100: irrigação com EET e umidade do solo na capacidade de campo;125: irrigação com EET e umidade do solo 25% (v/v) acima da capacidade de campo;150: irrigação com EET e umidade do solo 50% (v/v) acima da capacidade de campo;200: irrigação com EET e umidade do solo 100% (v/v) acima da capacidade de campo.

Aplicações FIL

Aplicações Técnicas Espectroscópicas

SANTOS, L.M., et a., Geoderma, v. 155, p. 121–127, 2010.

Aplicações Técnicas Espectroscópicas

Caracterização da MOS ��HUMIFICAÇÃOComposição Orgânica

Caracterização da MOS �� Composição Inorgânica

1. Espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por laser (LIBS)2. Espectrometria de Absorção Atômica3. Espectrometria de Emissão Atômica

Espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por laser (LIBS)


Vantagens ≠≠≠≠ Desvantagens

Preparo da Amostra

Sensibilidade Analítica

Rapidez

Reprodutibilidade

Aplicações LIBS

FERREIRA, E.C.; MILORI, D.M.B.P.; FERREIRA, E.J. SANTOS, L.M.; MARTIN-NETO, L.; NOGUEIRA, A.R.A. Talanta, v. 85, p. 435–440, 2011.

Aplicações LIBS

Espectrometria de Absorção Atômica (AAS)

M + hv � M*

Átomos gasososexcitados

Radiação eletromagnéticacaracterística

Átomos gasososno estado fundamental

M + hv � M*

Átomos gasososexcitados

Radiação eletromagnéticacaracterística

Átomos gasososno estado fundamental

Espectrometria de Emissão Atômica (OES)

Limites de detecção típicos para as principais técnicas espectroanalíticas

FAST SEQUENTIAL

Cortesia: Varian

Extração sequencial/Fracionamento químico:

é a determinação das dos teores de cada elemento ligado as diferentes frações da amostra.

Mobilidade

Biodisponibilidade

Acumulação

Propriedades toxicológicas

Formas químicas

Caracterização + Quantificação

1. Fase trocável/ solúvel

2. Ligada a carbonatos

3. Ligada a óxidos de Mn e Fe

4. Ligada a matéria orgânica

5. Residual

TESSIER, A.; CAMPBELL, P.G.C. & BISSON, M. Sequential extraction procedure for the speciationof particulate trace metals. Anal. Chem., 51:844-851, 1979.

1. Fase solúvel/ trocável

2. Adsorvida na superfície

3. Ligada a matéria orgânica

4. Ligada a óxidos de Mn

5. Ligada a óxidos de Fe (amorfo)

6. Ligada a óxidos de Fe (cristalino)

7. Residual

Silveira, M.L.; Alleoni, L.R.F.; O’Connor, G.A.; Chang, A.C. Chemosphere, 64, 1929–1938, 2006.

Aplicações AAS

�� Ba �� Cr

63% AF1

54% AF1

53% AF1

74% AF1

77% Humina

64% Humina

68% Humina

66% Humina

SANTOS, L.M. Tese de Doutorado. UFSCar-SP, 2010.


� Dr. Renato Yagi (IAPAR – Ponta Grossa)


� Dr. Sergio Saab (UEPG)PD x Mata x PCPousio x PD x Mata

� Dra. Tangriani S. Assmann (UTFPR - Campus Pato Branco)Integração lavoura

� SANEPAR, EMATER, Prefeitura Municipal de Coronel Vivida, IAPARFossa Biodigestora e Zona de Raízes

OBRIGADA PELA ATENÇÃO!

Larissa Macedo dos SantosUniversidade Tecnológica Federal do Paraná

Câmpus Pato Brancoe-mail: [email protected]

(46) 3220-2666

minicurso1 -métodos químicos e espectroscopia para a ... · espectroscopia para a...

Documents