Relatório de Análise Instrumental

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Andressa Cristhyne
David Oliveira
Eligleise Leandro
Marcilane Glay
Schandler Farias
Thaysa Mayara.
Determinação da POL, BRIX e PUREZA do caldo de cana. 
Trabalho apresentado à disciplina de 
Q
uímica 
A
nalítica 
Instrumental 
pelos alunos do curso de técnico em química do Instituto Federal 
d
e Alagoas
 para a obtenção da nota parcial do bimestre
. 
 
. 
 
Profº.: Drº. Celso Caldas.
Maceió-AL, 2013
Introdução teórica
Polarimetria
 A determinação do teor de sacarose requer poucas operações analíticas, principalmente quando são feitas por equipamentos modernos que já fornecem as leituras diretas com as devidas correções de temperatura. Justamente por apresentar essa praticidade e rapidez na obtenção dos resultados, esta análise tem uma fundamental importância no setor sucroalcooleiro, servindo como parâmetro de avaliação na qualidade da matéria-prima; nos produtos intermediários dos processos de fabricação de açúcar e álcool; sub-produtos e produtos finais, além de ser usada nos balanços de massa e nos cálculos de eficiências e rendimentos. Por outro lado, toda esta praticidade esconde uma interessante teoria que é mostrada a seguir.
A POLARIZAÇÃO DA LUZ
 No capítulo anterior foram mencionadas teorias a respeito da natureza da luz, sendo uma delas descrevendo a luz como um fenômeno eletromagnético composto de dois campos oscilantes, sendo um elétrico e outro magnético perpendiculares entre si e também perpendicular na direção de propagação do feixe luminoso. À medida que estes campos se propagam, ocorrem vibrações em infinitos planos. A maneira de selecionar ou filtrar um destes planos é através do uso de um polarizador. Faz-se passar a luz ordinária por um polarizador que interage com seu campo elétrico de tal modo que este campo fica oscilando em um único plano. Na figura 4.1 está mostrado esquematicamente a representação da luz e sua polarização.
Figura 1 – Representação da polarização da luz
ROTAÇÃO ESPECÍFICA
 Para entendermos melhor o que vem a ser e como é medida a rotação específica, vamos inicialmente observar a figura 4.8 que mostra a representação esquemática de um polarímetro, onde se destacam as partes que o compõem:
Fonte luminosa
Nicol polarizador
Tubo polarimétrico para colocação da substância a se analisar
Nicol analisador
Observador
 observador 
Figura 2 – Representação esquemática de um polarímetro
 Quando o tubo polarimétrico está vazio, contendo água ou uma solução salina, ou seja, qualquer substância opticamente inativa - sem carbono assimétrico, o máximo de luz ocorre e o segundo prisma de Nicol do polarímetro, o analisador, marcará 0º. Nos casos em que a solução contida no tubo seja opticamente ativa o analisador gira até uma determinada posição que é correspondente ao número de graus de que o plano de polarização é girado. Este valor é denominado de rotação específica, e depende de fatores como:
- concentração da solução contida no tubo
- comprimento do tubo polarimétrico onde a solução está contida
- temperatura da solução analisada
- comprimento de onda da luz usada no polarímetro
- solvente
 A partir destas variáveis podemos agora definir mais precisamente o que é rotação específica: “é a rotação em graus, produzida em um plano de luz polarizada por 1g de substância de pureza óptica, dissolvida em 1cm3 de solução, quando o comprimento do tubo polarimétrico é 1dm”.
 Experimentalmente, são fixadas as três últimas variáveis para se determinar a rotação específica:
Temperatura da solução: 20ºC
Comprimento de onda da luz: usa-se uma luz de sódio de radiação correspondente a raia, ou linha D, que tem um comprimento de onda de 589,44nm, responsável pela coloração amarela à chama de sódio;
Solvente: preferencialmente é usada a água, caso a amostra seja insolúvel na água outro solvente pode ser usado, como por exemplo, álcool, éter, C6H6, etc, mas é necessário identificá-lo.
Estabelecidas as três variáveis, o ângulo será dado pela expressão:
[α] = α / (l . e)
Onde:
[α] 	= rotação específica
α 	= desvio do plano da luz polarizada, em graus, ou poder rotatório específico
l 	= comprimento do tubo
e 	= concentração da substância, em g/mL
		
4.7 OS EQUIPAMENTOS: POLARÍMETRO E SACARÍMETRO
 O polarímetro é o equipamento usado para medir o desvio do plano da luz polarizada provocado por uma substância opticamente ativa. Todo histórico do seu desenvolvimento se inicia no ano de 1669 quando Erasmus Bartholin descobriu a dupla refração do espato de Islândia e, anos mais tarde, Christiaan Huyghens anunciou a polarização da luz. No período de 1776 a 1777 Alexis Marie Rochon usando prismas de dupla refração aprimorou as medidas dos ângulos de refração. Em 1808 Malus descobriu acidentalmente que a luz quando refletida na superfície de um cristal adquire propriedades diferentes da luz transmitida através da placa de um cristal de dupla refração. Arago em 1810 descobriu a rotação específica de plano de polarização da luz polarizada pelo quartzo. Entre 1812 e 1815 Biot conhecendo as propriedades de rotação de certos materiais, contribuiu bastante para o estudo da refração e polarização da luz. Também estudos de polarização da luz realizados por Nicol em 1828 resultaram no prisma de Nicol, já descrito nesse capítulo. Finalmente, no período de 1815 a 1840 Biot formulou as leis fundamentais da polarimetria, válidas integralmente até hoje. 
 A fonte usada nesse equipamento é uma luz monocromática ordinária, de sódio, que incide no primeiro prisma de Nicol polarizador. Ao atravessar este prisma, a luz é convertida em um plano de luz polarizada. Desta forma ela atravessa o tubo polarimétrico, onde se encontra a amostra, uma solução que se deseja avaliar a atividade óptica. Após atravessar a solução, a luz polarizada chega a outro prisma de Nicol, denominado de analisador, sendo este móvel. É importante imaginar que se o tubo estiver vazio, ou com uma solução opticamente inativa, a luz polarizada atravessa-o completamente. Neste caso, o instrumento indica 0º e o analista observa a quantidade máxima de luz que o atravessa, uma vez que os prismas polarizador e analisador estarão em paralelo, como já mencionado no item anterior.
 Estando o tubo polarimétrico com uma substância opticamente ativa o plano da luz polarizada será girado. Isto fará com que a luz diminua sua intensidade ao passar pelo prisma analisador. Obtém-se o desvio causado pela substância à medida que o analista gira este prisma até se obter a intensidade máxima da luz. Se o giro for no sentido horário, para direita, se diz que a rotação é positiva (+) e a substância responsável pelo desvio é chamada de dextrógira. Caso seja necessário proceder a um giro no sentido anti-horário, para a esquerda, se diz que a rotação é negativa (-), e a substância opticamente ativa é chamada de levógira, como já explicado e discutido nos itens anteriores.
 O sacarímetro é um polarímetro projetado, teoricamente, somente para medir soluções de sacarose, usando compensação por cunha de quartzo que elimina o uso da lâmpada de sódio ou outra fonte de luz monocromática, permitindo com isso manter fixos os prismas de Nicol polarizador e analisador. As cunhas de quartzo foram introduzidas nesses equipamentos por Soleil em 1845 e são também chamadas de placas rotatórias de polarização e devem ser usadas sempre que a exatidão da medida seja requerida. Isso porque é também comum a utilização de soluções padrões para calibração dos sacarímetros. Nesses casos, o plano de polarização de feixes de luz linearmente polarizada é posto a girar, de maneira a se obter ângulos previamente conhecidos, através da equação citada no item de rotação específica, obviamente em temperaturas e comprimentos de onda previamente conhecidos. Porexemplo, ao se preparar uma solução de glicose com uma concentração 1g/cm3, usando como solvente a água e estando essa solução a 20ºC, sendo ainda usado um equipamento com uma luz de sódio na raia “D” e a espessura do caminho óptico de 1dm, teríamos um valor do poder rotatório específico da glicose igual a:
20ºC
[α] = + 52,7º
D
 Nos resultados dessas polarizações, por mais que sejam obedecidos os critérios técnicos para preparação das soluções padrão, os erros não são melhores do que 1%. Quando são usados materiais de Referências Padronizadas estabelecidas pelo americano “National Bureau of Standards” pode-se chegar a valores em torno de 0,5%. Esse erro é levado para as análises rotineiras, uma vez que as amostras analisadas só poderão ser comparadas à amostra padrão dentro dos limites de exatidão proporcionados pelo equipamento.
 As cunhas de quartzo são elementos ópticos que põem o plano da luz linearmente polarizada a girar em torno do eixo de transmissão, sem permitir alterações no grau de polarização ou na intensidade da luz. Essa propriedade do quartzo se deve ao fato de serem placas plano-paralelas cortadas de cristais de quartzo de modo que suas faces sejam perpendiculares ao eixo principal do cristal. Nessas placas o ângulo de rotação da luz linearmente polarizada é diretamente proporcional à espessura da luz. 
 Entre 1842 e 1843 Ventzke propôs um método para definir a escala de açúcar, evitando cálculos e padronizando as análises utilizando os sacarímetros. Estabeleceu que o ponto 100 dessa escala fosse a rotação de uma solução de sacarose com densidade relativa de 1,1000 a 17,50ºC, referida à água a também 17,50ºC. Como os resultados não foram totalmente satisfatórios usando como referência à densidade relativa, passou a considerar uma solução padrão preparada a partir de 26,048g de sacarose para 100cm3, chamando este de peso normal. Em 1855 foi introduzido na indústria açucareira o balão de Mohr obrigando os fabricantes de polarímetro a determinar um novo ponto 100 para essa escala. Este novo ponto da escala passou a ser a rotação de uma solução preparada com 26,48g, isto porque 100cm3 no balão de Mohr equivaliam a 100,234mL. Finalmente, o ponto 100 na escala Ventzke foi determinado pela rotação que produz 26,048g de sacarose dissolvidas em 100cm3 no balão de Mohr a 17,50ºC. Assim, entre 1855 e 1890 todos os sacarímetros, exceto os de escala francesa, foram fabricados com base nessa escala.
 Embora tenha sido considerada por muitos anos, a escala Ventzke sempre trouxe confusões em função de calibrações dos frascos de Mohr. Por isso, em 1900 quando reunida em Paris a International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis – ICUMSA, recomendou uma nova definição para o ponto 100 das escalas dos sacarímetros, passando a estabelecer o cm3 como unidade de volume e a temperatura de 20ºC, acarretando um novo peso da sacarose, passando para 26,010g. Para simplificação e trabalhar com números inteiros, se estabeleceu finalmente 26,000g de sacarose. Para evitar novas confusões, essa escala passou a ser denominada Escala Internacional do Açúcar,
 Entre 1901 e 1904, Herzfeld e Schonder padronizaram o número de placas de quartzo nos sacarímetros e mediram a rotação óptica da luz de sódio, estabelecendo o valor de 34,657º para o ponto 100 da escala. Na reunião da ICUMSA de 1912 em New York, Bates contestou os valores de Herzfeld e Schonder, originando uma nova comissão para investigar o real valor do ponto 100 da escala. Na reunião seguinte da ICUMSA, Bates junto com Jackson publicou como sendo igual a 34,620º a rotação óptica da luz de sódio e 40,690º a rotação óptica da luz de mercúrio para o ponto 100.
 Em 1932 quando a ICUMSA se reuniu em Amsterdam, foi consenso que Bates e Jackson estavam corretos, se definindo o valor de 34,620º para o ponto 100 da escala dos sacarímetros que trabalham com luz de sódio. Atualmente a escala dos sacarímetros foi a estabelecida pela ICUMSA na reunião de 1986, onde foi definida a mudança da escala de graus sucrose (ºS) para graus “Z” (ºZ) de azúcar (espanhol), zucchero (italiano) e zucker (alemão). A escala internacional ºZ tem como referência à rotação específica de uma solução normal de sacarose pura, preparada a partir de 26,0160g de sacarose pesada no vácuo e dissolvidas em 100cm3 de água pura a 20ºC. Isto equivale a uma solução feita a partir de 26,0000g (de sacarose pesadas ao ar nas condições normais de pressão e temperatura CNTP), ou seja, 1atm de pressão e 20ºC de temperatura.
 O valor de referência 100ºZ equivale a rotação óptica da solução normal de sacarose, lida em comprimento de onda da linha verde do isótopo de mercúrio 190Hg, igual a 546,2271nm que é igual a 40,777º. Usando a luz de sódio filtrada em um comprimento de onda igual a 589,44nm, o valor do ponto 100ºS equivale a uma rotação igual a 34,626º. Nos sacarímetros com compensação por cunha de quartzo com comprimento de onda igual a 587,000nm a rotação do ponto 100ºZ é igual a 34,934º.
 Recentemente um novo modelo de sacarímetro foi lançado no mercado trabalhando com fonte de luz a laser de hélio-neônio, com comprimento de onda de 632,08nm. Seu funcionamento vem sendo testado para homologação nas Comissões de Pagamento de Cana, embora seus fabricantes atestem que seu desempenho cumpre rigorosamente as recomendações da ICUMSA.
A SACAROSE E SUA INVERSÃO 
 A sacarose é o principal açúcar encontrado na cana. Sua concentração varia de 15 a 18 %, enquanto glicose e frutose juntas têm uma concentração média variando de 0,5 a 1,0% cada. Isto torna viável técnica e economicamente a produção de açúcar a partir da cana-de-açúcar. 
 A condensação de dois monossacarídeos, glicose e frutose, formam a sacarose que é um dissacarídeo. Por hidrólise em meio ácido, ou através de uma ação enzimática, pode se decompor formando os compostos monossacarídeos que lhe originaram. A estrutura da sacarose possui 9 (nove) carbonos assimétricos (C*) que são responsáveis pela propriedade que a sacarose tem de desviar o plano da luz polarizada. Além dessas, a sacarose apresenta as seguintes propriedades:
Se carameliza a 180ºC
Funde-se a 188ºC
Tem densidade de 1,5879 a 15ºC
Seu volume específico é de 0,63mL/g à 15ºC com 760mmHg de pressão
Seu calor específico é 0,342Cal/g 
É facilmente solúvel na água, sendo que sua solubilidade aumenta com a temperatura
			
 Inversão da sacarose é um dos termos mais usados por técnicos ligados ao setor da agroindústria canavieira, independente de ser químico ou agrônomo. Mas em que se fundamenta este termo? Agora é bastante simples encontrarmos a resposta já que sabemos que ela está na estereoquímica. Trata-se da mudança de sinal referente ao desvio do plano da luz polarizada da sacarose que é igual a (+) 66,53º, sendo portanto uma substância dextrógira. Acontece que ao sofrer uma hidrólise ácida ou uma ação enzimática, a sacarose decompõe-se nos monossacarídeos que a originaram que é a glicose, que tem uma atividade óptica igual a (+) 52,7º, e a frutose com um desvio do plano da luz polarizada igual a (-) 92,4º. Como o resultado algébrico destas duas atividades ópticas é de (-) 39,70º, atribui-se a esta reação o termo inversão da sacarose, uma vez que o desvio do ângulo da luz polarizada passou de um valor que era antes positivo (+ 66,53º) para um valor negativo (-39,70º). Também por este fato, os monossacarídeos glicose e frutose são chamados respectivamente de Dextrose e Levulose, além de que quando são oriundos da decomposição da sacarose serem chamados de açúcares invertidos.
Refratometria
 Toda importância da determinação do Brix para indústrias produtoras de açúcar e álcool foi citada no assunto anterior, porém, também foi dito que esse parâmetro industrial pode ser feito através da refratometria que na verdade é em que se fundamentam os equipamentos chamados refratômetros encontrados nas fábricas sucroalcooleira.
 Um raio luminoso pode ser considerado como um segmento de uma sequência de ondas luminosas propagando-senuma direção segunda uma linha reta. Quando este raio se depara com uma superfície refletora temos um fenômeno de reflexão, enquanto que quando este encontro ocorre com um meio transparente passaremos a ter também o fenômeno da refração. Ambos os fenômenos são estudados na física através da óptica geométrica que fornece todo um tratamento matemático para explicar esses fenômenos, estabelecendo as leis que regem a reflexão e refração. Neste capítulo estaremos estudando a base dessa teoria, passando assim a entender com mais detalhes o fenômeno que rege a determinação do Brix refratométrico e o funcionamento dos refratômetros.
UTILIZAÇÃO NO SETOR SUCROALCOOLEIRO
 Vimos no item anterior a importância que tem o conhecimento da quantidade de sólidos dissolvidos nos produtos analisados. Foi dito também que a medida dessa concentração é conhecida por Brix e é expressa em percentual em peso de sólidos totais dissolvidos em solução. O índice de refração de uma solução de sacarose é uma medida da concentração de sacarose na solução, da mesma forma que o índice de refração de um caldo, por exemplo, expressa a concentração dos sólidos totais nele dissolvidos. Essa medida, a exemplo da medida a partir da densidade, é também chamada de Brix, porém refratométrico.
Para o caso de soluções impuras como é o caso dos caldos, massas e méis, as medidas do Brix refratométrico são mais fidedignas do que as medidas obtidas pelo densímetro, ou seja, do que o Brix densimétrico, porque a determinação do índice de refração é menos afetada pelos sólidos suspensos do que a determinação da densidade pelo densímetro Brix. Além disso, o índice de refração varia pouco com a adição de impurezas e não é afetado pela tensão superficial.
OS EQUIPAMENTOS
 Os equipamentos que medem o índice de refração são chamados refratômetros. Brix elaborou as tabelas que relacionam as concentrações das soluções açucaradas, expressas em percentagem, com seus respectivos índices de refração. Existem vários modelos de refratômetro, entretanto, os mais difundidos são os de laboratórios e os de campo, ambos baseados no fenômeno da refração. Os modelos automáticos empregam dois tipos de medidas:
Dispersão do feixe de luz incidente através do prisma
Angulo crítico
 Provavelmente o primeiro tipo de medida é mais preciso, porém, é apenas adequado para soluções incolores ou claras e isentas de material em suspensão. Já os refratômetros que empregam o segundo princípio não são afetados por esses fatores, tão pouco pela presença de turbidez.
 Os equipamentos de laboratório são modernos e bastante precisos. Nesses as tabelas que relacionam a concentração dos sólidos e seus índices de refração já estão embutidas em seus sistemas eletrônicos, sendo as leituras já correspondentes as percentagens desses sólidos, ou seja, do Brix refratométrico. Já os refratômetros de campo são usados para avaliação do processo de maturação da cana ou acompanhamento dos processos de evaporação e cristalização na fabricação do açúcar. As escalas desses equipamentos também já fornecem a medida direta do Brix refratométrico. Todas os equipamentos são calibrados a 20º e é nessa temperatura que as amostras devem ser analisadas. Quando isto não acontece, é necessário fazer uma correção de temperatura para esse valor através de tabelas apropriadas. Equipamentos modernos já realizam essa correção internamente e as leituras fornecidas já são nessa temperatura de 20º.
 O refratômetro Abbé foi por muitos anos o refratômetro mais comum no setor sucroalcooleiro, sendo atualmente quase que totalmente substituídos pelos refratômetros digitais. A exemplo dos atuais, os refratômetros Abbé também só requerem algumas gotas do líquido para determinação dos índices de refração, podendo estes ter uma escala em índice de refração ou já diretamente de Brix. O procedimento é bastante subjetivo exigindo do analista muito critério no momento da leitura, uma vez que envolve a coloração da amostra entre os prismas e a sua rotação, até que uma linha correspondente ao ângulo crítico esteja perfeitamente centrada no “X” do visor. Assim como os outros equipamentos, esses refratômetros devem ser previamente calibrados com água destilada que corresponde a um índice de refração igual a 1,33 e 0º Brix, numa temperatura de referência igual a 20ºC.
DETERMINAÇÃO DE BRIX PARA SOLUÇÕES IMPURAS
 Até agora estivemos sempre definindo Brix como sendo uma medida da porcentagem de sólidos dissolvidos em solução e mencionamos que para as soluções puras de sacarose este conceito pode ser redefinido como sendo porcentagem de sacarose em solução. Entretanto, considerando a natureza dos materiais analisados nas fábricas de açúcar e álcool percebe-se que estes não se tratam de soluções puras de sacarose. Nestes casos novamente temos que aperfeiçoar a definição de Brix dizendo ser a porcentagem aparente de sólidos dissolvidos em solução.
 O termo aparente, muito pouco usado nas definições corriqueiras desse parâmetro, vem corrigir uma distorção devido à presença de impurezas, ou seja, outras substâncias que não são açúcares e que estão presentes nos materiais analisados na indústria sucroalcooleira como caldos, massas e méis. Essas substâncias modificam o Brix, ou massa específica, porque a porcentagem de impurezas dissolvida difere da porcentagem de sacarose, acarretando com isso um aumento nas leituras do Brix, visto serem as massas específicas das impurezas maiores do que as massas específicas dos açúcares presentes nos materiais analisados. Assim, o termo “aparente” deve ser acrescido às definições de Brix quando este for definido para medições de massas específicas em soluções impuras.
Objetivo 
 Utilização do Refratômetro e do Polarímetro para determinar POL, BRIX e a pureza do caldo de cana.
Materiais e Reagentes
- Caldo de cana;
- Subacetato de chumbo;
- Funil;
- Filtro de Papel;
- Polarimetro;
- Refratômetro.
Procedimento Experimental
POL
- Tomar cerca de 200 mL da amostra;
- Clarificar o caldo com 1 a 2 g de subacetato de chumbo;
- Filtrar em papel de filtro sobre funil;
- Fazer leitura em tudo de 200 mm e anotar a leitura obtida no polarimetro.
OBS: Calibração → 26g/100mL de sacarose = 100º Z = 100% sacarose → Lp = 34,6º 
Pol % caldo = (100 × Lp amostra) / 69,2
BRIX
- Limpar os prismas do refratômetro com água destilada e enxugar com papel absorvente;
- Colocar algumas gotas da amostra no refratômetro e fazer a leitura do Brix.
 OBS: Brix % caldo = leitura do refratômetro.
PUREZA % CALDO
Pureza % caldo = (POL / BRIX) × 100 × Fp* *Fp = Fator de Polarização
Resultados e Discussão
- Cálculos:
POL
Lp amostra = 32,06
Pol % caldo = 100 × Lp amostra / 69,2
Pol % caldo = 100 × 32,06 / 69,2
Pol % caldo = 46,33 %
BRIX
Brix % caldo = leitura do refratômetro = 24,4 %
PUREZA
Fp = 0,2364 (para 24,4 % obtido no BRIX).
Pureza % caldo = (POL / BRIX) × 100 × Fp
Pureza % caldo = (46,33 / 24,4) × 100 × 0,2364
Pureza % caldo = 44,89 %
Conclusão
 Os resultados encontrados com relação à pureza do caldo de cana diferem dos padrões propostos para a indústria na produção de açúcar que estabelecem que a pureza do caldo deve estar acima de 60%.
Referências Bibliográficas
[1] Caldas, Celso. Capítulo 2 - Densimetria.
[2] Caldas, Celso. Capítulo 3 – Refratometria.
[3] Caldas, Celso. Capítulo 4 – Polarimetria.