Roteiro Experimentos - Análise Instrumental (Estudo Dirigido)

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PRÁTICA 1 – INTRODUÇÃO À ESPECTROFOTOMETRIA 
 
Objetivos: 
• Obter o espectro de absorção da solução de CuSO4 e o coeficiente de absortividade 
molar deste sal em seu comprimento de onda de máxima absorção. 
• Determinar a concentração de uma amostra desconhecida de CuSO4. 
 
Introdução: 
 
O termo espectroscopia (em alguns casos espectrofotometria) é a designação para toda 
técnica de levantamento de dados físico-químicos por meio da transmissão, absorção ou 
reflexão da energia radiante incidente em uma amostra. O resultado gráfico obtido, o sinal do 
detector em função do comprimento de onda – ou mais comumente a frequência λ, é chamado 
de espectrograma ou simplesmente, espectro. 
Originalmente, o termo espectroscopia designava o estudo da interação entre radiação e 
matéria como uma função do comprimento de onda λ. De fato, historicamente, espectroscopia 
referia-se ao uso da luz visível dispersa de acordo com seu comprimento de onda em um prisma, 
por exemplo. 
O fundamento da espectroscopia é a interação de uma radiação eletromagnética e a 
matéria constituinte da amostra. A energia incidente pode ser absorvida, refletida ou 
transmitida. 
Em geral, espectrômetros ou espectroscópios são equipamentos destinados à análise da 
radiação (incluindo a luz visível). Os espectrômetros compreendem uma fonte de energia 
radiante, um sistema colimador (lentes, fendas...), um local destinado à amostra, um sistema 
monocromador e um sistema detector. Se o sistema monocromador for composto por um filtro, 
a técnica é chamada de colorimetria e, caso o sistema monocromador seja um prisma ou uma 
grade de difração, a técnica é designada como espectrofotometria. 
Ao espectrofotômetro reserva-se o sentido de ser um espectrômetro que utiliza radiação 
da faixa do infravermelho, visível e/ou ultravioleta. 
A cor e a intensidade da cor de uma solução dependem de 3 fatores: 
 
1) qual é a substância colorida, porque isto determina, para cada comprimento de onda, 
λ, o valor da absortividade molar da substância colorida, ε = ε (λ); 
2) qual é a concentração da substância colorida na solução, c; 
3) qual é a espessura da solução, b, entre a fonte luminosa que a ilumina de um lado e o 
detector de intensidade luminosa (um instrumento, ou mesmo o olho humano), do outro lado. 
Tal espessura é denominada caminho ótico. 
Sendo 𝐼0 = 𝐼0(𝜆) o valor da intensidade luminosa com comprimento de onda 𝜆 que 
incide sobre a solução, e 𝐼 = 𝐼(𝜆) o valor da intensidade luminosa com o mesmo comprimento 
de onda que dela emerge, chama-se transmitância da solução à razão 𝐼 𝐼0
⁄ , que evidentemente é 
um valor adimensional. Define-se, então, outro valor adimensional denominada absorbância, 
𝐴(𝜆) = −𝑙𝑜𝑔
𝐼(𝜆)
𝐼0(𝜆)
 
A lei de Lambert-Beer afirma que, para soluções diluídas da substância colorida, 
𝐴(𝜆) = 𝜀(𝜆) 𝑏 𝑐 
Os instrumentos que medem a absorbância, para cada comprimento de onda, são os 
espectrofotômetros de absorção, comentados anteriormente. 
 
Experimental: 
1. Para obtenção do espectro de absorção, prepare, a partir de 50,0 mL de uma solução 
estoque de sulfato de cobre II na concentração 25,00 g L-1, 10,0 ou 25,0 mL de uma solução de 
concentração 15,00 g L-1. A medição de absorção ocorrerá na faixa de 400 a 840 nm, em 
intervalos de 10 nm. 
2. Prepare soluções de sulfato de cobre II em 5 concentrações diferentes, na faixa de 
5,00 a 25,00 g L-1, com água destilada como solvente, para construir uma curva de calibração e 
determinar o coeficiente de absortividade molar. Meça a absorbância de cada medida de 
concentração. 
3. Meça a absorbância de uma amostra desconhecida de sulfato de cobre II. 
 
Relatório analítico: 
1. Faça uma tabela com as medidas de absorbância da solução de CuSO4 15,00 g L-1 
para cada comprimento de onda selecionado. 
 
2. Com os valores da tabela, construa um gráfico de absorbância em função de 
comprimento de onda. Qual é o comprimento de onda em que se observou o máximo de 
absorção? 
3. Faça uma tabela com os valores de absorbância medidos para cada concentração de 
solução de CuSO4. 
4. Construa um gráfico de absorbância x b.c e determine o valor do coeficiente de 
absortividade molar. 
5. Determine a concentração real da amostra desconhecida de sulfato de cobre II. 
 
Uso do espectrofotômetro Quimis: 
1. Selecione um valor para comprimento de onda. 
2. Encaixe a cubeta com água destilada (Branco). 
3. Feche a tampa, clique MODO, selecione a opção transmitância. 
4. Fixe o branco por meio da tecla 100%T, o display mostrará a sigla BLA até aparecer 
100,0% no display. 
5. Com a tecla MODO, mude a posição de leitura para absorbância. Para confirmar a 
calibração, o display deverá mostrar zero (A 0,000). 
6. Com a tecla MODO, selecione Concentração (C) e fator F (F), o valor mostrado no 
display deverá ser: C 0 e F 1000. 
7. O aparelho está pronto para uso, ou seja, para medir a absorbância. 
8. Para ler outras amostras em outros comprimentos de onda, repita os passos anteriores 
(calibração). 
 
Dicas importantes: 
A cubeta tem dois lados que são foscos, os quais devem ser utilizados para segurá-la e 
para colocar no compartimento de amostra do espectrofotômetro. Evite tocar nos lados 
transparentes da cubeta, pois constituem o caminho ótico. A oleosidade dos dedos influencia 
na medida de absorbância. Feche a tampa da câmara de amostras do espectrofotômetro antes 
de iniciar a leitura. 
 
 
PRÁTICA 2 – ANÁLISE QUALITATIVA DE COMPOSTOS ORGÂNICOS POR 
ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO POR TRANSFORMADA DE 
FOURIER (FTIR) 
 
Objetivos: 
• Identificar alguns compostos orgânicos por meio da análise de seus espectros no 
infravermelho. 
• Identificar as bandas de absorção dos grupos funcionais presentes nesses 
compostos. 
• Obter o espectro de infravermelho de compostos similares por meio da biblioteca 
de espectros indicada no método. 
 
Introdução: 
A espectroscopia no infravermelho estuda a interação da radiação eletromagnética na 
região do infravermelho (25000 a 2500 nm ou 400 a 4000 cm-1) com a matéria. Ao incidir na 
matéria, tal radiação provoca a vibração das ligações químicas constituintes do composto. 
Assim como acontece quando se incide radiação ultravioleta ou visível, que provoca transições 
eletrônicas, a radiação infravermelha provoca transições vibracionais, permitindo a passagem 
das moléculas de um composto de um nível vibracional fundamental para níveis vibracionais 
excitados. Tais transições só ocorrerão se o número de onda da radiação for igual à frequência 
de vibração de determinada ligação na molécula, ou seja, as vibrações são quantizadas, 
assumindo determinados valores de energia. 
Ademais, para que uma banda de absorção seja observada em um espectro de 
infravermelho, a frequência de sua absorção deve provocar uma vibração que altere o momento 
dipolar da ligação. Esta banda será tanto mais intensa quanto maior for o momento de dipolo. 
E, em moléculas que não apresentam momento dipolar, não haverá absorção na região do 
infravermelho, como para as moléculas de nitrogênio (N2) e oxigênio (O2). 
Para a interpretação de um espectro de infravermelho, basta conhecer as frequências 
de vibração de cada ligação química formadora do composto e analisar a sua presença ou 
ausência no espectro, por meio do auxílio de tabelas de correlação. 
 
O equipamento que permite que tal fenômeno de interação entre o infravermelho e a 
matéria aconteça é o espectrômetro no infravermelho, que apresenta um interferômetro 
responsável pela formação dos interferogramas que são convertidos em um espectro por 
meio de transformadas de Fourier, conforme pode ser observado na Figura 1. 
 
Figura 1. Esquema de um espectrômetro no infravermelho por transformada de 
Fourier. 
 
Por meio da técnica de espectroscopia no infravermelho por transformadas de Fourier 
(FTIR), é possível quantificar compostos construindo uma curvaanalítica com base nas 
diferentes intensidades de bandas de absorção e suas respectivas concentrações. Contudo, a 
técnica é largamente utilizada para a realização de análise qualitativa de amostras, identificando 
os compostos (orgânicos e inorgânicos) presentes nas mesmas. 
 
Experimental: 
Obteve-se o espectro de infravermelho de amostras no estado líquido e em pó por meio 
da incidência da radiação infravermelha na faixa de 650 a 4000 cm-1. 
 
Relatório analítico: 
1. Analise qualitativamente o espectro no infravermelho obtido para as amostras 
presentes no laboratório. 
2. Identifique os compostos orgânicos presentes, justificando sua presença por 
meio da correlação das bandas de absorção no infravermelho. 
3. Identifique as amostras desconhecida analisada no laboratório. 
 
PRÁTICA 3 – ANÁLISE QUALITATIVA DE COMPOSTOS ORGÂNICOS POR 
CALORIMETRIA DIFERENCIAL DE VARREDURA (DSC) 
 
Objetivos: 
• Analisar um termograma obtido para uma amostra de um composto orgânico. 
• Estudar os picos referentes aos eventos térmicos ocorridos com determinada 
amostra. 
 
Introdução: 
A calorimetria diferencial de varredura (DSC) é um tipo de análise térmica que estuda 
o comportamento de um material quando aquecido. Uma propriedade física do material é 
medida em função da temperatura e, no caso do DSC, esta propriedade consiste na variação 
de energia de um processo físico ou químico, endotérmico ou exotérmico. 
Ao realizar uma análise por DSC, uma amostra é submetida a um programa controlado 
de temperatura (aquecimento) que pode levar não apenas ao aumento da temperatura da 
amostra, como também a ocorrência de um evento térmico, que libera ou absorve energia. O 
calor referente ao ato de a amostra ter sua temperatura elevada quando aquecida chama-se calor 
sensível, enquanto que a energia liberada ou absorvida durante um evento térmico é conhecida 
como calor latente. Assim, o fluxo de calor medido no processo que acontece em DSC pode ser 
expresso matematicamente por meio da Equação 1. 
 
𝑑𝑄
𝑑𝑇
= 𝐶𝑃
𝑑𝑇
𝑑𝑡
+
𝑑𝐻
𝑑𝑡
 (Equação 1) 
 
Nesta equação, a razão dQ/dt refere-se ao fluxo de calor medido, 𝐶𝑃 é a capacidade 
térmica ou calorífica do material (definida como a quantidade de calor que um material deve 
receber para que sua temperatura se eleve em 1 ºC), dT/dt é o calor sensível, correspondente 
ao aquecimento que acontece com a amostra quando na presença de uma fonte de calor, e 
dH/dt é o calor latente, ou seja, a energia liberada (assume valores negativos) ou absorvida 
(assume valores positivos) quando a amostra sofre uma mudança química ou física. 
Com isso, é possível calcular a energia envolvida em um processo térmico sofrido por 
 
um determinado material por meio da integração da área do pico referente ao evento, permitindo 
que o composto de que é feito o material seja identificado. 
 
Experimental: 
Considerando um cadinho vazio como célula de referência, colocou-se a amostra em 
seu porta-amostra e esta foi submetida ao aquecimento partindo da temperatura ambiente até 
250 ºC, com uma taxa de aquecimento de 10 ºC min-1. 
 
Relatório analítico: 
1. Analise qualitativavemente o termograma obtido após a análise da amostra. 
2. Discuta sobre os picos formados durante a análise. 
3. Identifique a amostra com base em seu valor de entalpia determinado pelo 
software. 
 
 
 
 
PRÁTICA 4 – FLUORESCÊNCIA DE RAIOS X: ANÁLISE DE LIGA METÁLICA E 
AMOSTRA DE CIMENTO 
 
Objetivos: 
• Verificar e reconhecer os princípios de funcionamento do espectrômetro de 
fluorescência de raios X. 
• Analisar a composição química de uma liga metálica e amostra de cimento, 
realizando análise qualitativa e semiquantitativa. 
 
Introdução: 
Os raios X são uma radiação eletromagnética cujo comprimento de onda é muito 
pequeno (ou seja, possui alta energia), por volta de 10-5 Å a 100 Å. Esse tipo de radiação 
é produzido pela aceleração ou desaceleração de elétrons de alta energia ou pelas transições 
de elétrons dos orbitais internos dos átomos. 
Quando os átomos da amostra absorvem esse tipo de radiação, é retirado um elétron da 
camada K (a camada mais interna) produzindo uma vacância, isto é, são formados íons 
eletronicamente excitados. Então se iniciam as transições para o orbital vacante, produzindo o 
espectro de linhas de raios X, ou seja, num curto período os íons excitados retornam ao estado 
fundamental por transições que envolvem elétrons de níveis de energia mais alta. 
Essa série de transições eletrônicas é caracterizada pela emissão de radiação X 
(fluorescência) de comprimento de onda idêntico àquele resultante da excitação produzida pelo 
bombardeamento com elétrons. 
 
Experimental: 
Parte A – análise qualitativa das amostras: 
1. Uma amostra de moeda brasileira (valor R$ 1,00) foi presa com o auxílio de um 
aglutinante e de uma prensa mecânica no porta-amostra, estando pronta para análise. 
2. Uma amostra de cimento foi analisada qualitativamente na busca pelos tipos de 
óxidos presentes em sua composição. 
 
 
Parte B – análise semiquantitativa: 
1. Uma análise semiquantitativa das amostras foi realizada, sem curva de 
calibração, para obter a porcentagem em massa dos elementos, considerando a soma de todos 
os elementos encontrados como 100%. 
 
Parte C – relatório analítico: 
1. Descreva, para cada amostra, sua composição química por meio da análise 
qualitativa realizada. 
2. Analise e discuta os resultados qualitativos e semiquantitativos obtidos. 
3. Na literatura, pesquise o teor esperado de níquel e de cobre em uma moeda como 
a utilizada no experimento. Com isso, calcule os erros absoluto e relativo. 
4. Descreva a forma de funcionamento do espectrômetro de fluorescência de raios 
X, por meio de texto e/ou imagens explicativas, e cite, pelo menos, uma vantagem e uma 
desvantagem da técnica. 
 
 
PRÁTICA 5 – DIFRATOMETRIA DE RAIOS X: ANÁLISE DE UM METAL E 
DE UM SAL IÔNICO 
Objetivos: 
• Verificar e reconhecer os princípios de funcionamento do difratômetro de raios X. 
• Obter difratogramas de raios X para uma amostra de metal e de um sal iônico com 
a finalidade de identificação das amostras, sendo possível o cálculo de seus parâmetros de rede 
e determinação de seu sistema cristalino. 
 
Introdução: 
A técnica de difratometria de raios X se baseia na incidência de um feixe de raio X com 
comprimento de onda da ordem de 10-10 m sobre uma amostra. Quando o feixe incide na 
amostra, observam-se distâncias interatômicas, podendo, assim, estudar a estrutura do 
composto. 
No aparelho de difração de raios X, estes são produzidos da forma como se explica a 
seguir. Um filamento de tungstênio libera elétrons que são acelerados contra um alvo metálico. 
Esses elétrons retiram elétrons da camada K do alvo e, quando um elétron da camada L passa 
a ocupar o lugar do elétron retirado, ele libera a energia a mais que possui na forma de raios X. 
Esses raios X saem por uma janela de berílio e são incididos na amostra, sendo que os raios 
X difratados são interceptados por um detector, que envia a informação para um software que 
produz o espectro correspondente, conforme pode ser observado na Figura 1. 
Figura 1 - Esquema da difração de raios X. 
 
 
 
A difratometria de raios X é uma importante ferramenta na Química de Materiais, 
podendo ser utilizada, por exemplo, para determinação ouquantificação de fases, como 
também para determinação de tamanho de cristalitos. 
Para compostos que se encontram no estado sólido, a técnica é muito importante, pois 
eles apresentam retículo cristalino, ou seja, as suas distâncias interatômicas são definidas. 
Assim, quando o feixe atinge a amostra, dependendo do ângulo 𝜃 de incidência, haverá a 
difração dos raios X em determinado plano cristalino do sólido. Para que os raios se difratem, 
é necessário que haja interferência construtiva, ou seja, as ondas incidentesdevem estar em fase. 
Dessa forma, por meio da Lei de Bragg, é possível calcular as distâncias interatômicas, já que 
esta é relacionada ao comprimento de onda do feixe e do ângulo de incidência, conforme mostra 
a Equação 1. 
𝑛 𝜆 = 2 𝑑 𝑠𝑒𝑛𝜃 (Equação 1) 
Considerando que a interferência entre as ondas incidentes deve ser construtiva, n deve 
ser um número inteiro para que se tenha sempre o feixe de raios X com números inteiros de 
comprimento de onda (𝜆) e, portanto, ondas em fase. A distância entre dois planos cristalinos 
é dada por 𝑑. 
Um plano cristalino pode ser identificado em um sólido por meio do índice de Miller 
(h, k, l), um sistema que define planos e orientações do cristal. Por exemplo, em um sistema 
cúbico, em que suas três arestas apresentam mesmo tamanho e os três ângulos formados entre 
estas arestas são iguais a 90º, há o plano (1, 0, 0). O plano (1, 0, 0) é aquele paralelo aos eixos 
y e z e perpendicular ao eixo x, de acordo com a orientação espacial do cristal. 
Cada um dos sete retículos cristalinos de Bravais apresentará diferentes tipos de cela 
unitária e, para cada sistema cristalino, haverá uma determinada relação entre a distância 
interplanar e a soma (ℎ2 + 𝑘2 + 𝑙2). Para o sistema cúbico, em estudo neste experimento, a 
relação é a que segue na Equação 2. 
𝑑 =
𝑎
(ℎ2+𝑘2+𝑙2)0,5
 (Equação 2) 
Em que 𝑎 é o parâmetro de rede, ou seja, o tamanho da aresta na cela unitária. Assim, 
pode-se relacionar as Equações 1 e 2, obtendo-se a Equação 3. 
 
 
𝑠𝑒𝑛2𝜃 =
𝜆 (ℎ2+𝑘2+𝑙2)
0,5
4𝑎2
 (Equação 3) 
Sabendo-se o valor do ângulo (𝜃), do comprimento de onda do feixe de raios X (𝜆) e o 
valor da soma (ℎ2 + 𝑘2 + 𝑙2), pode-se encontrar o parâmetro de rede para a cela unitária do 
sistema cristalino cúbico. Sabendo-se o tamanho da aresta, por relação geométrica, encontra-
se o raio dos átomos constituintes da cela. 
A diferença de intensidade entre diferentes picos do difratograma condiz com o fato de 
haver densidades eletrônicas diferentes nos diversos planos existentes no cristal. Planos com 
maior densidade eletrônica (são os elétrons destes planos que interagem com o feixe no 
comprimento de onda dos raios X) são mais intensos no difratograma. 
 
Experimental: 
Parte A – obtenção dos difratogramas: 
As medidas para obtenção dos difratogramas foram obtidas por meio de uma varredura 
de espectro de 2𝜃 variando de 3 até 90º, com uma velocidade de varredura de 2º min-1 e 
utilizando uma fonte de Cu para produção dos raios X. 
 
Parte B – relatório analítico: 
Organize os dados em tabelas e identifique a amostra de metal e de sal iônico por meio 
da determinação do sistema cristalino (tipo de estrutura cristalina cúbica) e do cálculo dos 
parâmetros de rede, raio(s) atômico/iônico e massa específica. 
 
 
PRÁTICA 6 – CROMATOGRAFIA GASOSA (GC): ANÁLISE QUALITATIVA E 
QUANTITATIVA DE MISTURAS DE COMPOSTOS ORGÂNICOS 
 
Materiais e reagentes: 
Cromatógrafo gasoso com detector de ionização em chama (GC-FID) 
Cilindro de hidrogênio (fase móvel) 
Seringa de 10 µL 
Coluna cromatográfica (HP-1: 100% dimetilpolisiloxano), comprimento: 30 m, 
diâmetro interno: 0,32 mm, espessura da FE: 3,00 µm. 
ANÁLISE QUALITATIVA: 
Soluções 10% v/v de n-pentano, xilenos, acetato de etila, acetona e etanol em tolueno, 
preparadas separadamente. Amostra desconhecida. Anotar o código da amostra recebida. 
ANÁLISE QUANTITATIVA: 
Amostras de acetona. Solução estoque 2% v/v de acetona, em solvente tolueno. Soluções 
padrão de acetona, em tolueno, com concentração 0,15% v/v, 0,20% v/v, 0,25% v/v, 
0,30% v/v, 0,35% v/v. 
ATENÇÃO – os seguintes parâmetros deverão ser anotados em cada cromatograma: 
• coluna empregada (suporte, FE, comprimento, diâmetro) e detector 
• injeção no modo com divisor (razão 1:10) 
• análise qualitativa: temperatura (injetor (200 ºC), coluna (rampa) e detector 
(230 ºC)) 
• análise quantitativa: temperatura (injetor (230 ºC), coluna (140 ºC) e detector 
(250 ºC)) 
• gás de arraste (vazão) = 1,0 mL min-1 
• volume de amostra injetado = 1 µL 
 
 
LAVAR A SERINGA CERCA DE 20 VEZES COM SOLVENTE PARA 
EVITAR CONTAMINAÇÕES, ANTES DE CADA INJEÇÃO! 
 
Experimental: 
ANÁLISE QUALITATIVA: 
Injete um gás que tenha pouca interação com a fase estacionária, como metano ou gás 
de isqueiro. Injete 1 µL de cada um dos componentes separadamente (10% v/v em tolueno), 
empregando a condição: 40 ºC (1 min), 20 ºC min-1 → 140 ºC, e verifique a ordem de eluição 
de cada substância. 
Tome uma amostra, fornecida pelo professor, contendo uma mistura com alguns 
dos padrões estudados. Injete esta mistura e determine quais compostos estão presentes na 
mistura. 
ANÁLISE QUANTITATIVA: 
Cada grupo terá disponível 100 mL de uma solução (solvente tolueno) de acetona 
na concentração 2% v/v. Cada grupo ficará responsável pelo preparo de uma das soluções 
padrão (balão volumétrico de 10,0 mL). 
 
Relatório analítico: 
ANÁLISE QUALITATIVA: 
1. Analise os cromatogramas das amostras no arquivo on-line (não entregá-
los na forma impressa). 
2. Para cada analito, calcular tR, t’R e k. Para o pico mais retido de sua amostra, 
calcule As10, N e H. Para o par de analitos mais retidos, calcule RS e 𝛼. 
3. Identifique os analitos de sua amostra e comente sobre a ordem de eluição 
dos componentes em função de parâmetros físico-químicos (polaridade da coluna, 
temperatura de ebulição dos componentes). 
 
 
ANÁLISE QUANTITATIVA: 
1. Descreva o preparo de cada solução, tanto da estoque, como da solução 
diluída. Organize os dados em tabela(s). 
2. Com o valor de área para cada pico de acetona, construa uma curva de 
calibração. 
3. Determine a concentração de acetona nas amostras recebidas, em % v/v e 
em mol L-1, sabendo que a densidade da acetona é 0,791 g mL-1 e sua massa molar é 58,08 
g mol-1.