prof. valmir f. juliano 2º/2011 introduÇÃo aos mÉtodos instrumentais de anÁlise qui624

Prof. Valmir F. Juliano

2º/2011

INTRODUÇÃO AOS MÉTODOSINTRODUÇÃO AOS MÉTODOSINSTRUMENTAIS DE ANÁLISEINSTRUMENTAIS DE ANÁLISE

QUI624

Está fazendo o curso de Farmácia? Então você tem de gostar muito Está fazendo o curso de Farmácia? Então você tem de gostar muito de Química e de Biologia. Como essas duas áreas perpassam por de Química e de Biologia. Como essas duas áreas perpassam por

todo o curso, desde o Ciclo Básico até o último período, o estudante todo o curso, desde o Ciclo Básico até o último período, o estudante precisa ter uma forte inclinação para essas áreas.precisa ter uma forte inclinação para essas áreas.

"Gostei muito do curso da UFMG. Ele nos oferece "Gostei muito do curso da UFMG. Ele nos oferece um bom embasamento sobre a profissão de um bom embasamento sobre a profissão de

farmacêutico. Formei em 2001 e foram quatro anos farmacêutico. Formei em 2001 e foram quatro anos dedicados exclusivamente ao curso, pois as aulas dedicados exclusivamente ao curso, pois as aulas

são pela manhã e à tarde. Considero que o são pela manhã e à tarde. Considero que o profissional de farmácia precisa ser mais profissional de farmácia precisa ser mais

valorizado tanto em relação às condições de valorizado tanto em relação às condições de trabalho quanto financeiro. O segmento de trabalho quanto financeiro. O segmento de

farmácia industrial é o que tem maior mercado, farmácia industrial é o que tem maior mercado, pois o farmacêutico pode trabalhar tanto na pois o farmacêutico pode trabalhar tanto na

produção do medicamento, quanto com controle produção do medicamento, quanto com controle de qualidade, procedimento padrão. Atualmente, de qualidade, procedimento padrão. Atualmente,

trabalho com distribuição de medicamentos e trabalho com distribuição de medicamentos e passei em um concurso para perito criminal, na passei em um concurso para perito criminal, na

área laboratorial."área laboratorial."Aluno formado na UFMG em 2001Aluno formado na UFMG em 2001

“…“…Ao transferir bens materiais, o Ao transferir bens materiais, o doador perde a sua posse. Há, porém, doador perde a sua posse. Há, porém, alguns atributos intrínsecos que não alguns atributos intrínsecos que não

podem ser transferidos de um podem ser transferidos de um indivíduo para o outro, como a beleza indivíduo para o outro, como a beleza

e a coragem. O conhecimento, por e a coragem. O conhecimento, por outro lado, é algo tão importante que outro lado, é algo tão importante que

os deuses decidiram que o doador os deuses decidiram que o doador pode retê-lo mesmo que o tenha pode retê-lo mesmo que o tenha

transmitido…”transmitido…”

Atribuído a Pitágoras de Samos, ~ 520 a.C.Atribuído a Pitágoras de Samos, ~ 520 a.C.

BibliografiaBibliografia1. Holler, F. J.; SKOOG, D. A.; Crouch, S. R. Princípios de

Análise Instrumental. 6ª ed. Bookman, Porto Alegre, 2009.

2. Skoog, D. A.; West, D. M.; Holler, F. J.; Crouch, S. R. Fundamentos de Química Analítica. 8ª ed. Pioneira Thomson Learning, São Paulo, 2006.

3. Skoog, D. A.; Holler, F. J.; Nieman, T. A. Princípios de Análise Instrumental. 5ª ed. Bookman, Porto Alegre, 2002.

4. Harris, D. A. Análise Química Quantitativa. 6ª ed. LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora, Rio de Janeiro, 2005.

5. Ohlweiler, O. A. Fundamentos da Análise Instrumental. Livros Técnicos e Científicos Ed. RJ. 1981.

6. Ewing, G. W. Métodos Instrumentais de Análise Química. Vol. I, Ed da USP, SP, 1977.

7. Willard, H. H. et al. Instrumental Methods of Analysis. 7th ed. Wadswoth Publishing Company, California, 1988.

8. Christian, G. D.: Reilly, J. E. Instrumental Analysis. 2 th ed. Allyn and Bacon, Inc. Boston, 1986.

A Química Analítica trata de métodos para a A Química Analítica trata de métodos para a

determinação da composição química das determinação da composição química das

amostras.amostras.

Identidade das espécies atômicas ou moleculares ou dos grupos

funcionais presentes em uma amostra

Informações numéricas relativas a um ou mais

componentes de uma amostra

Análise Química = Química Analítica⊂

Métodos Qualitativos e Quantitativos

““A análise química é umA análise química é um

conjunto de técnicas e manipulações destinadas a conjunto de técnicas e manipulações destinadas a

proporcionar o conhecimento da composiçãoproporcionar o conhecimento da composição

qualitativa e quantitativa de uma amostra, qualitativa e quantitativa de uma amostra,

mediante métodos de rotina. A química analítica émediante métodos de rotina. A química analítica é

um ramo da química, a ciência que persegue o um ramo da química, a ciência que persegue o

objetivo de resolver os problemas de composiçãoobjetivo de resolver os problemas de composição

com operações de rotina”.com operações de rotina”.

Estágios de uma análise quantitativaEstágios de uma análise quantitativaEtapas Exemplos de procedimentos

1. Amostragem Depende do tamanho e da natureza física da amostra

2. Preparação de uma amostra analítica

Redução do tamanho das partículas, mistura para homogeneização, secagem, determinação do peso ou do volume da amostra

3. Dissolução da amostra Aquecimento, ignição, fusão, uso de solvente, diluição

4. Remoção de interferentes Filtração, extração com solventes, separação cromatográfica

5. Medidas na amostra Padronização, calibração

6. Resultados Cálculo dos resultados analíticos

7. Apresentação dos resultados Impressão e arquivamento

AMOSTRAGEMAMOSTRAGEM

Análise de Alumínio em Água do Mar

Análise de Sódio e Cálcio em Solo

Métodos CLÁSSICOS Métodos CLÁSSICOS versusversus INSTRUMENTAIS INSTRUMENTAIS Designação histórica, pois os dois métodos têm uma diferença temporal pouco maior que um século.

Método Clássico:• Baseiam-se na separação dos ANALITOS por: PRECIPITAÇÃO, EXTRAÇÃO OU DESTILAÇÃO

•Análise Qualitativa: reações específicas gerando produtos caracterizados por cor, ponto de fusão ou ebulição, solubilidade, etc.

•Análise Quantitativa: medidas titulométricas (volumétricos) ou gravimétricas.

Métodos CLÁSSICOS Métodos CLÁSSICOS versusversus INSTRUMENTAIS INSTRUMENTAIS

Método Instrumental – Início do século XX: • Baseiam-se em medidas físicas dos ANALITOS: Condutividade, Potencial de eletrodo, Emissão ou absorção de luz, etc.• Técnicas eficientes de cromatografia e eletroforese substituíram os métodos de precipitação, extração e destilação.

Muitos dos fenômenos por trás de métodos instrumentais são conhecidos há um século ou mais. A aplicação de tais fenômenos, contudo, foi adiada pela falta de instrumentação simples e confiável.

O crescimento dos métodos instrumentais de O crescimento dos métodos instrumentais de análise modernos tem ocorrido paralelamente análise modernos tem ocorrido paralelamente ao desenvolvimento das indústrias eletrônicas ao desenvolvimento das indústrias eletrônicas e de computadorese de computadores.

O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?

São métodos realizados em instrumentosSão métodos realizados em instrumentos.- Não por instrumentos! - Por analistas que conhecem os instrumentos!

Instrumentos simples....

O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?

São métodos realizados em instrumentosSão métodos realizados em instrumentos.- Não por instrumentos! - Por analistas que conhecem os instrumentos!

Ou complexos ....

Métodos INSTRUMENTAISMétodos INSTRUMENTAIS

Cada tipo de instrumento tem uma aplicação:Cada tipo de instrumento tem uma aplicação:- Distinta e limitada e ...- Possui vantagens e desvantagens.

• Medidas de pH em soluções aquosas (não aquosas em alguns casos). Fornece informações a respeito da concentração de íons H3O+.

• Baixo custo inicial e manutenção barata. Fácil de usar.

• Caracterização de sólidos cristalinos. Fornece informações sobre a estrutura cristalina.

• Custo inicial elevado e manutenção relativamente cara.

Métodos INSTRUMENTAISMétodos INSTRUMENTAIS

Um grande objetivo da química Um grande objetivo da química analítica moderna é o desenvolvimento analítica moderna é o desenvolvimento de instrumentos e metodologias com a de instrumentos e metodologias com a

consciência “verde”. consciência “verde”.

Métodos com consumo mínimo de Métodos com consumo mínimo de amostra, de reagentes, de etapas e, de amostra, de reagentes, de etapas e, de preferência, análises com a amostra preferência, análises com a amostra in in

natura,natura, reduzindo ao máximo a reduzindo ao máximo a quantidade de rejeitos.quantidade de rejeitos.

Classificação dos métodos analíticos

CLÁSSICOS E INSTRUMENTAIS

Chamados de métodos de via úmida

Baseados em propriedades físicas (químicas em alguns casos)

Algumas técnicas instrumentais são mais sensíveis Algumas técnicas instrumentais são mais sensíveis que as técnicas clássicas, mas outras não o são!que as técnicas clássicas, mas outras não o são!

Gravimetria Volumetria Eletroanalítico

Espectrométrico

Cromatográfico

Propriedades Propriedades elétricaselétricas

Propriedades Propriedades ópticasópticas

Propriedades Propriedades diversasdiversas

PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS EXPLORADAS PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS EXPLORADAS PELOS MÉTODOS INSTRUMENTAISPELOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS

Propriedade característica Método instrumentalEmissão de radiação Espectroscopia de emissão atômica e

molecular (RX, UV, Vis, luminescência)

Absorção de radiação Espectroscopia de absorção atômica e molecular (UV, Vis, IV, RX)

Espalhamento de radiação Turbidimetria e nefelometria

Difração de radiação RX e elétrons

Potencial elétrico Potenciometria; cronopotenciometria

Resistência elétrica Condutimetria

Corrente elétrica Amperometria; voltametria; polarografia

Massa Gravimetria (microbalança de cristal de quartzo)

Relação massa/carga Espectrometria de massas (CG-EM e CL-EMCG-EM e CL-EM)

Características térmicas TGA, DSC, DTAOs métodos destacados em vermelho serão abordados nesta disciplina.

INSTRUMENTOS PARA ANÁLISEINSTRUMENTOS PARA ANÁLISE

O instrumento converte a informação armazenada nas propriedades físicas ou químicas do analito em um tipo de informação que pode ser manipulada e interpretada.É necessário um estímulo (radiação eletromagnética, energia elétrica, mecânica ou nuclear) para provocar uma resposta.

Fonte deEnergia

Sistema emEstudo

InformaçãoAnalítica

Estímulo Resposta

Estímulo Resposta

Espectrofotômetro UV/Visível

INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE E SEUS COMPONENTESINSTRUMENTOS PARA ANÁLISE E SEUS COMPONENTES

Equipamentos e técnicas utilizados nesta disciplina.Equipamento não utilizado, mas a técnica é usada para a emissão atômica em chama.

FUNÇÃO DO INSTRUMENTOFUNÇÃO DO INSTRUMENTO

Traduzir a composição química em uma informação

diretamente observável pelo operador.

Os instrumentos transformam um sinal analítico

que usualmente não é diretamente detectável ou

entendido pelo ser humano em um sinal que pode ser

medido.

O instrumento atua direta ou indiretamente como

um COMPARADOR, no sentido de que se avalia a

amostra desconhecida em relação a um padrão.

FUNÇÃO DO ANALISTAFUNÇÃO DO ANALISTA

Ter conhecimento do que está realmente

medindo!

Seleção de um método analíticoSeleção de um método analíticoConhecer os detalhes práticos das diversas

técnicas e seus princípios teóricos.Definir claramente a natureza do problema

analítico, respondendo às questões:

•Que exatidão é necessária?

•Qual é a quantidade de amostra disponível?

•Qual é o intervalo de concentração do analito?

•Que componentes da amostra causarão interferência?

•Quais são as propriedades físicas e químicas da matriz da amostra?

•Quantas amostras serão analisadas?

•Qual o tempo requerido para a análise?

Qualquer que seja o método Qualquer que seja o método instrumental, o sinal analítico será instrumental, o sinal analítico será

sempre uma função da concentração sempre uma função da concentração do analito (atividade).do analito (atividade).

S = f(C)S = f(C)

Vtitulante

Sin

al a

nalí

tico

Curva de titulação potenciométrica



S = f(C)S = f(C)

Vtitulante

Sin

al a

nalí

tico

Curva de titulação condutométrica ou

espectrométrica



S = f(C)S = f(C)

[Analito]

Sin

al a

nalí

tico

SA = mCA + Sbr

Curva Analítica

Amostra: Porção de um determinado material que representa a totalidade.Analito: Espécie (iônica, atômica ou molecular) que se deseja determinar em uma amostra.Matriz: Conjunto de todos os constituintes que compõem uma amostra.Detector: Dispositivo mecânico, elétrico ou químico que identifica, registra ou indica uma alteração em uma das variáveis na sua vizinhança (pressão, temperatura, etc.).Sistema de detecção: Conjunto inteiro que indica ou registra as quantidades físicas ou químicas.Transdutor: Dispositivo que converte informação de domínio não-elétrico em informação de domínio elétrico e vice-versa (microfone, fotocélulas, etc.).Sensor: Dispositivo analítico capaz de monitorar espécies químicas específicas de forma contínua e reversível (eletrodo de vidro, QCM, etc.). Equivale ao transdutor associado a uma fase de reconhecimento quimicamente seletiva.

Glossário da Química Analítica Glossário da Química Analítica

InstrumentalInstrumental


InstrumentalInstrumentalCurva analítica: Representação gráfica da resposta do instrumento (sinal analítico) em função da concentração do analito proveniente de soluções-padrão (padrão externo). Também chamada de curva de trabalho ou curva de calibração.Branco (br): Sinal do instrumento para matriz (ou imitação) na ausência do analito ou de uma espécie que corresponda ao analito.

Limite de detecção (LD ou cm): Concentração ou massa

mínima do analito que pode ser detectada em um nível confiável.

Sm = Sbr + k sbr (valor mais aceito k = 3)

onde Sm e Sbr são o sinal analítico mínimo e do branco e s é o desvio padrão do

branco.

Limite de quantificação (LQ): Considera-se ser a concentração para a qual o sinal analítico excede em 10 desvios padrões o sinal do branco.Limite de resposta linear (LRL): Concentração limite a partir da qual não é mantida a linearidade.

m

ks

m

SSc brbrmm

Faixa linear de trabalho (FLT) ou Faixa ótima de trabalho (FOT) ou Faixa dinâmica: Faixa de concentração que se estende de LQ até LRL.Método do padrão interno: Consiste em adicionar uma substância em quantidade constante a todas as amostras, aos brancos e aos padrões de calibração em uma análise. Compensa diversos tipos de erros, aleatórios ou sistemáticos.



LQ

LRL

cm

FOT

Sin

al A

nalí

tico

Concentração

Método de adição de padrão: Consiste em uma série de medidas envolvendo a adição de incrementos de uma solução-padrão do analito à alíquotas da amostra de mesmo volume com a finalidade de corrigir a interferência da matriz sobre o sinal analítico.



-10 -5 0 5 10 15 20 250,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2y = 0,0382x + 0,2412

R2 = 0,9999

Sin

al a

nalít

ico

Volume de solução do padrão, mL

Exatidão: Grau de concordância entre o valor medido (média de várias replicatas) e o valor de uma referência padrão.Precisão: Grau de concordância mútua entre os dados que foram obtidos do mesmo modo. Fornece uma medida do erro aleatório, ou indeterminado, de uma análise.Tendência (bias) ou viés (): Fornece uma medida do erro

sistemático, ou determinado, de um método analítico. = – ,

onde é a média de várias replicatas para a concentração de um analito em uma material de referência com a concentração

verdadeira .

Sensibilidade: A sensibilidade de um instrumento ou método é uma medida de sua habilidade em discriminar pequenas diferenças na concentração de um analito. Em uma curva de calibração, a sensibilidade é a inclinação da curva (m).

S = mc + Sbr, onde S é o sinal medido, c é a concentração do

analito e Sbr é sinal do instrumento para o branco.



Sensibilidade analítica: A sensibilidade analítica é definida com sendo o quociente da inclinação da curva pelo desvio padrão da medida:

= m / sS . Esta medida é inume aos efeitos de amplificação e é

independente das unidades de medida de S.Seletividade: A seletividade de um método analítico refere-se ao grau em que o método esta livre de interferência de outras espécies contidas na matriz da amostra. Infelizmente nenhum método analítico está totalmente livre de interferência de outras espécies e, assim, procura-se minimizá-las.• Define-se um coeficiente de seletividade que representa a resposta relativa do método a cada uma das espécies interferentes em relação ao analito de interesse. Exemplo: Uma amostra contendo o analito A, bem como B e C potencialmente interferentes:

S = mAcA + mBcB + mCcC + Sbr; e

S = mA(cA + kB,AcB + kC,AcC) + Sbr



A

BAB m

mk ,

A

CAC m

mk ,



Um método que produz

resposta para apenas um

analito é chamado

específico

Um método que produz

resposta para vários

analitos, mas que pode

distinguir a resposta de

um analito da de outros

é chamado seletivo

0 2 4 6 8 100

10

20

30

40

50

60

Sin

al A

nal

ític

o

Concentração (mg/L)

B A

Repetibilidade: Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob as mesmas condições (mesmo operador, mesmo equipamento, mesmo laboratório em um pequeno intervalo de tempo).

Reprodutibilidade: Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob diferentes condições (diferentes operadores, diferentes equipamentos, diferentes laboratórios e após diferentes intervalos de tempo). A medida da reprodutibilidade é o desvio padrão qualificado com o termo reprodutibilidade. Em alguns contextos reprodutibilidade pode ser definida como o valor abaixo do qual a diferença absoluta entre dois resultados individuais com um material idêntico, obtido nas condições acima, aconteçam com a mesma probabilidade especificada. Note que uma declaração completa de reprodutibilidade exige a especificação das condições experimentais que diferem.



• Não desenvolvam a “Arte de Enrolar”

O QUE O PROFESSOR ESPERA DOS ALUNOS EM O QUE O PROFESSOR ESPERA DOS ALUNOS EM

QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL?QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL?

“A exatidão é um parâmetro de difícil precisão, pois está sujeita a uma série de erros determinados.”

“O ponto de equivalência é encontrado se interpolando por extrapolação o ponto no qual a curva muda de sua

concavidade.”

“Uma maior exatidão seria obtida condutimetricamente, uma vez que em condutimetria é possível determinar

pequenas variações de potencial ...”

“... em se tratando de uma amostra com várias matrizes, este tipo de detector traria maior seletividade ...”

Dados de calibração obtidos para determinação do analito X em solução aquosa.

Exemplo Exemplo

1:1:

[X], ppm Nº replicatas Sinal analítico médio

Desvio padrão

0,00 25 0,031 0,0079

2,00 5 0,173 0,0094

6,00 5 0,422 0,0084

10,00 5 0,702 0,0084

14,00 5 0,956 0,0085

18,00 5 1,248 0,0110

a) Determinar a sensibilidade de calibração.b) Determinar a sensibilidade analítica.c) Determinar o coeficiente de variação para a média de cada

grupo de replicatas.d) Determinar o limite de detecção do método.

a) Inclinação: m= 0,067 ppm-1

y = 0,067x - 0,001

R2 = 0,9996

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Cx, ppm CV, %

2,00 7,1 5,4

6,00 8,0 2,0

10,00 8,0 1,2

14,00 7,9 0,89

18,00 6,1 0,88

d) Limite de detecção:

= 3 x 0,0079 / 0,067 = 0,35 ppm m

ksc brm

Exemplo Exemplo

1:1:

b) = m / sS c) CV = (sx / Sam)x100 Sam = sinal analítico médio

O gráfico deve ser traçado com o sinal O gráfico deve ser traçado com o sinal analítico, descontando-se o sinal do branco.analítico, descontando-se o sinal do branco.

Alíquotas de exatamente 5,00 mL de uma solução de fenobarbital foram transferidas para frascos volumétricos de 50,00 mL e foram ajustados com KOH para tornarem-se básicas. Os seguintes volumes de solução-padrão contendo 2,000 g/mL de fenobarbital foram introduzidas em cada frasco: 0,000, 0,500, 1,00, 1,50 e 2,00 mL. O volume foi completado e as leituras de cada frasco em um fluorímetro forneceu as seguintes respostas: 3,26, 4,80, 6,41, 8,02 e 9,56.a) Construa o gráfico com os dados.b) Usando o gráfico, determine a concentração de fenobarbital na amostra desconhecida.c) Obtenha a equação por regressão linear (mínimos quadrados).d) Calcule a concentração pela equação obtida em (c).e) Calcule o desvio padrão para a concentração obtida em (d).

Exemplo Exemplo

2:2:

y = 79,1x + 3,246

R2 = 0,9999

0

2

4

6

8

10

12

-0,05 -0,03 -0,01 0,01 0,03 0,05 0,07

[F], g/mL

Sin

al a

nal

ític

o

Pela equação, para y = 0 x = -3,246 / 79,1 = 0,0410 g/mL.

Como a amostra foi diluída de 5,00 para 50,00 mL, a sua

concentração é 10 vezes maior: 0,0410 x 50 / 5 = 0,410 g/mL.

Desvio padrão relativo da regressão, sc/c = 0,007957 (ou

0,7957%)Desvio padrão da medida = 0,410 x 0,007957 = 0,003 (ou 0,3%)

V, mL C, g/mL S

0,000 0,000 3,26

0,500 0,0200 4,80

1,00 0,0400 6,41

1,50 0,0600 8,02

2,00 0,0800 9,56

Exemplo Exemplo

2:2:

0,0407 g/mL

prof. valmir f. juliano 2º/2011 introduÇÃo aos mÉtodos instrumentais de anÁlise qui624

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