Experimento 4 - Determinação de Cr e Mn

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
FACULDADE DE FILOSOFIA, CIÊNCIAS E LETRAS DE RIBEIRÃO PRETO
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
QUÍMICA ANALÍTICA EXPERIMENTAL I
RELATÓRIO DE AULA PRÁTICA
ANDRIELLY ESTEVES DIAS (13471974)
BÁRBARA ROCHA MOREIRA DA SILVA (11216467)
JOÃO HENRIQUE STEMPKOSKI DA ROSA (12562323)
Determinação de Cr e Mn em aço inox
RIBEIRÃO PRETO
18/04/2023
1 INTRODUÇÃO
O aço inox é uma liga metálica de ferro e cromo, contendo no mínimo 10,5% de cromo (em massa), além de pequenas quantidades de outros metais como manganês, níquel e carbono, que influenciam na resistência do aço; essa liga é altamente utilizada pela sua grande resistência a corrosão, impacto, durabilidade e aparência. A alta quantidade de cromo presente é o que previne a corrosão desta liga, pois o cromo e o oxigênio atmosférico interagem rapidamente formando uma camada passivadora de óxido de cromo (CrO2) que recobre toda a superfície do metal e impede as reações de óxido-redução entre os metais da liga e o ar/umidade.
Esta liga inoxidável é aplicada em diversos campos, sendo utilizada em construções civis, indústria automotiva, indústria alimentícia, indústria de biomateriais e de aparatos para laboratório; por exemplo, o aço é utilizado para próteses que reforçam ou substituem tecidos rígidos (como uma prótese para quadril), devido a sua resistência mecânica à tensão e compressão (PIRES et al, 2015). Outro exemplo é a utilização do aço inox na fabricação das colunas utilizadas em cromatografia gasosa, uma vez que as colunas devem suportar altas temperaturas e pressões elevadas e não devem interagir com os elementos da fase estacionária ou móvel; isso é possível pois o aço inox pode também ser desativado quando se é necessário que a coluna seja inerte (ou seja, não reage) ao gás (CONING & SWINLEY, 2019).
Outro importante atrativo do aço inox é sua capacidade de ser 100% reciclado sem perdas significativas em sua composição, não importando o número de vezes que é reciclado. Em 2009, 60% do aço inoxidável produzido provinha de conteúdo reciclado e 40% consistia em matéria prima adicionada durante a produção (OLIVEIRA, 2009).
2 MATERIAIS E MÉTODOS
Para as análises pertinentes, realizou-se a abertura de uma amostra de aço em ácido nítrico e clorídrico (gotas) a quente até completa dissolução e eliminação dos íons cloreto (Cl-) com a secura quase total. Após isso, a amostra foi dissolvida em água (proporção 2:1) deionizada e resfriada. Alíquotas da solução foram utilizadas para um spot test em placa de três poços contendo tiocianato de potássio (KSCN) e dimetilglixima (DMG) (equações 1 e 2).
	
	
	(Equação 1)
	
	
	(Equação 2)
O íon cloreto, quando não eliminado totalmente, pode dificultar a oxidação de Mn2+ e Cr3+ e, consequentemente, sua determinação.
O tiocianato pode ser utilizado para a identificação de Fe3+ em uma reação cujo produto é um complexo vermelho ([Fe(SCN)6]3-) (não é possível identificar Fe2+ por esta técnica) (equação 1). Já a dimetilglioxima, pode ser utilizada para identificar Ni2+, também apresentando cor vermelha (equação 2) em meio básico; a acidificação do meio desfaz o complexo formado.
Realizou-se por fim a determinação manganês e cromo na amostra pela medição da absorbância em 440 e 546 nm, foi feito com uma alíquota diluída da solução de aço (proporção de 1,8 vezes); então adicionou-se ácido fosfórico concentrado e periodato de potássio, esta combinação seguida de aquecimento permite que haja formação de permanganato (reação 10) e dicromato, permitindo a identificação simultânea de ambos os metais (Cr e Mn).
A análise de componentes principais (PCA) foi utilizada para determinação das concentrações dos componentes por cálculo matricial (equação 3). A curva padrão apresentada na Figura 1 foi aplicada no tratamento matemático.
	
	
	(Equação 3)
Sendo:
;
;
;
.
A lei de Lambert-Beer (equação 4) foi aplicada para a relação entre absorbância e concentração.
	
	
	(Equação 1)
Sendo:
;
;
;
.
Figura 1 – Curvas padrão de absorbância versus concentração de permanganato de potássio e dicromato de potássio em 440 e 546 nm.
Fonte: Próprio autor, 2023.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
O procedimento de abertura da amostra se mostrou visualmente eficiente, uma vez que todo analito foi consumido e não houve formação de nenhum precipitado.
O spot test aplicado à amostra verificou a presença de Fe3+ pela reação com o SCN-, formando um complexo vermelho (Figura 2a) e a presença de níquel (Ni2+) pela formação do complexo [Ni(DMG)2] em meio básico (Figura 2b). A Figura 2c mostra a adição de DMG em meio ácido.
Observou-se uma variação de coloração para o vermelho no poço (a), evidenciando a presença de Fe3+ no meio. O poço (c) não demonstrou reação pela inatividade do DMG como complexante de Ni2+ em meio ácido. Apesar disso, a adição de DMG e tampão amônio (NH4OH/NH4Cl) no poço (b) demonstrou uma leve alteração da coloração tendendo ao rosa. A partir disso, é possível perceber a presença do cátion na solução teste.
Figura 2 – Spot Test da solução contendo amostra de aço inox analisada; (a) reação entre Fe3+ e SCN-; (b) reação entre DMG e Ni2+; (c) ausência da complexação de Ni2+ com DMG pela acidez do meio.
(a)
(b)
(c)
Fonte: Próprio autor, 2023.
A quantificação de Mn e Cr na amostra analisada foi realizada por espectrofotometria de absorção molecular em 440 e 546 nm. Calculou-se a concentração na amostra diluída por PCA (equação 3; tabela 1). A tabela 2 mostra as concentrações determinadas de Mn2+ e Cr3+ na amostra analisada da solução-estoque. Os valores de concentração descritos na tabela 1 correspondem aos ânions dicromato e permanganato, enquanto a tabela 2 relaciona a dosagem de seus metais (a concentração de Cr corresponde ao dobro da concentração do ânion dicromato).
Tabela 1 – Relação entre absortividades molares dos ânions permanganato e dicromato em 440 e 546 nm, absorbância da amostra nos mesmos comprimentos de onda e a concentração dos ânions em solução calculada por PCA (equação 3).
	Comprimento de onda (nm)
	Ɛ MnO4- (L.mol-1.cm-1)
	Ɛ Cr2O72- (L.mol-1.cm-1)
	Absorbância (solução aço)
	Concentração (solução aço) (mol.L-1)
	
	440
	111,27
	615,46
	0,59
	0,0000089
	MnO4-
	546
	2422,41
	11,01
	0,032
	0,0009570
	Cr2O7-
Fonte: Próprio autor, 2023.
Tabela 2 – Concentração molar, número de mol, massa em miligramas e percentual de manganês (II) e cromo (III) na amostra analisada.
	
	Mn2+
	Cr3+
	Concentração (mol.L-1)
	0,000008860
	0,001914
	N° mol
	
	
	0,0000008860
	0,+0001914
	Concentração inicial (mol.L-1)
	0,00003544
	0,007656
	N° mol inicial
	
	0,000003544
	0,0007656
	Massa na amostra (mg)
	0,194697219
	39,80972033
	Percentual na amostra
	0,22%
	44,73%
Fonte: Próprio autor, 2023.
Observou-se uma grande concentração de Cr3+ frente a uma menor dosagem de Mn2+. A literatura (figura 3) descreve a composição da liga analisada (AISI 304; SAE 30400) contendo [Crmáx] e [Mnmáx] de 2,00% e 18,00-20,00%, respectivamente. Dessa forma, é possível concluir que o experimento foi impreciso e inexato na dosagem dos metais de interesse. Nesse caso, diversas fontes podem contribuir com o aumento dos erros, como o processo de amostragem impreciso, relacionado aos erros de diluição e pipetagem, adição em excesso de reagentes e a falta de controle na remoção dos íons cloreto durante a abertura da amostra. A realização de réplicas de leitura de absorção também poderia auxiliar a encontrar uma melhor medida e diminuição dos erros.
Figura 3 – Composição de diferentes tipos de aço classificados por SAE e AISI.
Fonte: CAMPOS, 2023. 
Evidencia-se, portanto, que o processo utilizado é bastante limitado, uma vez que se mostra trabalhoso e não há controle dos subprodutos formados durante a preparação da amostra, diminuindo a precisão dos resultados.
4 CONCLUSÕES
Observou-se uma grande variação dos resultados obtidos em relação ao descrito na literatura a respeito da composição de cada tipo de aço. Assim, percebe-se que a determinação simultânea de metais em amostra de aço por espectrofotometria de absorçãomolecular, embora sugerida pela literatura como uma análise consistente, possui uma série de limitações que dificulta sua aplicação frente a outras técnicas já conhecidas. No entanto, a melhoria da experimentação com procedimentos que garantam uma análise quantitativa é de grande-valia para um bom desempenho.
2
REFERÊNCIAS
BLANCO, M. et al. A simple method for spectrophotometric determination of two-components with overlapped spectra. Journal of chemical education, v. 66, n. 2, p. 178, 1989.
CAMPOS, M. L. A. M. Problema 2: como identificar diferentes tipos de aço? Roteiro de aula prática. Ribeirão Preto. 2023.
LINGANE, J. J.; COLLAT, J. W. Chromium and manganese in steel ferroalloys. Analytical chemistry, v. 22, n. 1, p. 166–169, 1950.
OLIVEIRA, Raphael G. Produção e reciclagem de aços inoxidáveis, Trabalho de Conclusão de Curso, UFRJ, 2009.
PIET DE CONING; SWINLEY, John. GC columns for gas analysis, Elsevier eBooks, p. 205 246, 2019.
PIRES, A. L. R.; BIERHALZ, A. C. K.; MORAES. A. M., BIOMATERIAIS: TIPOS, APLICAÇÕES E MERCADO, Química Nova, 2015.
KMnO4 - 440 nm	
0	4.0000000000000002E-4	2.9999999999999997E-4	2.0000000000000001E-4	1E-4	8.0000000000000007E-5	5.9999999999999995E-5	4.0000000000000003E-5	0	4.7E-2	3.5000000000000003E-2	2.5999999999999999E-2	1.4999999999999999E-2	1.4999999999999999E-2	8.9999999999999993E-3	7.0000000000000001E-3	KMnO4 - 546 nm	
0	4.0000000000000002E-4	2.9999999999999997E-4	2.0000000000000001E-4	1E-4	8.0000000000000007E-5	5.9999999999999995E-5	4.0000000000000003E-5	0	0.97	0.73599999999999999	0.495	0.24399999999999999	0.19500000000000001	0.14299999999999999	0.11799999999999999	K2Cr2O7 - 440 nm	
0	2E-3	1E-3	8.0000000000000004E-4	5.9999999999999995E-4	4.0000000000000002E-4	2.00000000000000	01E-4	0	1.232	0.73699999999999999	0.60299999999999998	0.46600000000000003	0.29899999999999999	0.158	K2Cr2O7 - 546 nm	
0	2E-3	1E-3	8.0000000000000004E-4	5.9999999999999995E-4	4.0000000000000002E-4	2.0000000000000001E-4	0	2.1999999999999999E-2	1.0999999999999999E-2	8.0000000000000002E-3	6.0000000000000001E-3	3.0000000000000001E-3	3.0000000000000001E-3	Concentração (mol.L-1)
Absorbância
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EM AÇO INOX
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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