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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS FARMACÊUTICAS Química Analítica Aplicada 2ª Unidade (2014.2): Profa. Beate Saegesser Santos Conteúdo Programático Ementa: Fundamentos da análise química quantitativa. Métodos de análise por gravimetria, termogravimetria, volumetria, colorimetria e suas aplicações. Expressão e aplicação estatística dos resultados das análises. Aplicação de metodologias experimentais na análise de substâncias farmacêuticas. Amostragem e preparação das amostras; unidades e cálculos Análise gravimétrica; Volatilização (umidade em materiais); Precipitação (tamanho das particulas, contaminantes, colóides); aplicação e expressão dos resultados das análises. Termogravimetria Erros e tratamento estatístico dos dados Análise Titrimétrica; Titulação (ponto de equivalência, solução padrão, indicador) Volumetria de neutralização Volumetria de complexação Volumetria de precipitação Volumetria de óxi-redução Colorimetria – fundamentos e aplicações Aulas práticas compostas de mais de 10 diferentes determinações analíticas. AVALIAÇÃO: Freqüência e participação nas aulas experimentais; prova escrita/prática e relatórios/trabalhos (opcional). SUGESTÕES DE BIBLIOGRAFIA V. Alexéev em “Análise Química”, qualquer edição A. Vogel em “Química Analítica Quantitativa” , preferência edições anteriores a 2000. O.A. Ohlweiler em “Química Analítica Quantitativa”, qualquer edição D.C. Harris em “Análise Quantitativa, LTC. 6ª Ed. 2005 N. Baccan, J.C. Andrade, O.E.S. Godinho, J.S. Barone, em “Química Analítica Quantitativa Elementar” 3ª Ed. Edgard Blucher Edta. 2001 2 1. Parte Teórica: Análise Quantitativa Gravimétrica 3 1.1 Introdução: Análise Química Definição geral: é a aplicação de um processo ou uma série de processos para identificar e quantificar uma determinada substância. Na verdade, a química analítica é muito mais abrangente incluindo técnicas manuais, químicas e instrumentais e seu arsenal de metodologias aumenta a cada ano. Muitos avanços observados na medicina, farmácia e biologia não teriam sido possíveis sem as ferramentas desenvolvidas no âmbito da química analítica. Por exemplo, a cromatografia foi inventada em 1903 pelo botânico M.S. Tswett ao estudar os pigmentos das plantas [Harris, 2000]. A aplicação destas metodologias para a quantificação dos componentes de uma amostra é descrita mais especificamente pela análise quantitativa. Este tipo de análise é cada vez mais requerida devido a crescente demanda no controle de qualidade da matéria utilizada no nosso dia-a-dia, como por exemplo, na água mineral que ingerimos, nos alimentos, nos medicamentos, no ar que respiramos, nos compostos que tingem nossas roupas, nos componentes eletrônicos de nosso aparelho de som, etc. A análise quantitativa química pode ser dividida em conjuntos de metodologias químicas (análise gravimétrica e análise titrimétrica) e instrumentais. Cada uma destas técnicas apresenta vantagens e desvantagens e são amplamente aplicadas. Na Figura 1 descreve-se um resumo do grande leque de metodologias utilizadas no estudo química da matéria. Figura 1 – descrição de diversas metodologias analíticas utilizadas atualmente. Determinação quantitativa de espécies químicas na matéria Métodos químicos Métodos instrumentais gravimetria volumetria volatilização precipitação neutralização complexação precipitação óxi-redução espectroscopia de absorção eletrônica turbidimetria cromatografia espectroscopia de Absorção atômica espectroscopia de massas potenciometria ressonância magnética nuclear 4 1.2 As Etapas e os Tipos de Análise Química De uma forma geral a “matéria” a ser estuda deve passar por um processamento de forma a ser convertida a uma solução uniforme, onde o(s) componente(s) a ser(em) estudado(s) esteja(m) dissolvido(s) (descrito na Tabela 1 e exemplificado na Figura 2). Tabela1 – Descrição das etapas envolvidas no tratamento de uma amostra para análise química. Etapas Procedimentos Amostragem Coleta que depende do tamanho e da natureza física da amostra. Preparação de uma amostra analítica Redução do tamanho das partículas; mistura para homogeneização; secagem; determinação do peso ou do volume da amostra Dissolução da amostra Ataque químico, aquecimento, ignição, fusão, uso de solvente(s), diluição Remoção de interferentes Filtração, extração c/solventes, troca de íons; separação cromatográfica Medidas na amostra e controle de fatores instrumentais Padronização; calibração; otimização; medida da resposta (absorbância, sinal de emissão, potencial ou corrente) Resultados Cálculos dos resultados analíticos e avaliação estatística dos resultados Apresentação de resultados Impressão de resultados; gráficos; arquivamento de dados. Figura 2 - Exemplo geral de análise de um sólido inorgânico. 5 Quanto aos tipos possíveis de análise é comum observar-se a seguinte classificação: (a) natureza da informação que se procura (requer-se uma informação detalhada ou geral?) (i) análise aproximada – a quantidade de cada elemento na amostra é determinada sem preocupação com os compostos realmente presentes. (ii) análise parcial – são analisados constituintes selecionados da amostra (iii) análise de componentes traços – caso particular da análise parcial, no qual são determinados certos constituintes presentes em quantidades mínimas (iv) análise completa – é determinada a proporção de cada um dos componentes. (b) tamanho da amostra disponível e a proporção do componente desejado macro: quantidades > 0,1g semi-micro ou meso-micro: quantidade no intervalo de 0,01 a 0,1g micro: quantidades < 0,01g (c) finalidade do dado analítico processos de controle de qualidade do material final ou durante as etapas de manufatura (quantificação do componente especificado num rótulo, por exemplo); quantificação de novos materiais obtidos através de pesquisa científica e determinações em pequisa forênsica. Algumas definições relevantes: Constituinte principal é aquele que representa > 1% da constituição da amostra; Microconstituinte representa de 0,01 a 1% da amostra. Constituinte traço presente em proporções menores que 0,01% da amostra. 1.3 Procedimentos gerais utilizados em análise gravimétrica 1.3.1 Dissolução da amostra Muitos materiais naturais ou artificiais podem ser solubilizados mediante ataque com ácidos minerais. Conforme o caso, são utilizados ácidos não oxidantes, misturas de ácidos não oxidantes ou misturas de ácidos com agentes oxidantes ou complexantes. Ocasionalmente, encontram aplicações soluções de hidróxido de sódio ou potássio. Eis algumas indicações gerais usadas na preparação de soluções para análise: Ácido fluorídrico: solução comercial a 27 M (48% HF). Encontra aplicação sobretudo na decomposição de rochas e minerais à base de silicatos. Ácido clorídrico: solução comercial 12 M (37% HCl); quando aquecido, o reagente perde cloreto de hidrogênio até resultar uma mistura de Peb constante com concentração 6M (pto de ebulição ca 110oC). Usado para metais e óxidos metálicos. 6 Ácido sulfúrico: solução comercial a 18M (96% em H2SO4). Este decompõe a quente (Peb ca. 340 oC) muitos materiais, incluindo compostos orgânicos, os quais sofrem desidratação e oxidação. Diluído atua como solução de um ácido não oxidante.Ácido perclórico: solução comercial 11,6 M (ca. 70% HClO4). Por aquecimento resulta numa mistura de Peb constante (ca. 203 oC), com 72,4% HClO4. Poderoso agente oxidante, capaz de atacar ligas de ferro e aços inoxidáveis que resistem a outros ácidos minerais. Ácido Nítrico: reagente comercial a 15,7 M (70% HNO3). Este ácido concentrado dissolve a quente todos os metais comuns, salvo Al e Cr. Misturas ácidas oxidantes: a água régia é uma mistura de HCl concentrado (3 volumes) e HNO3 concentrado (1 volume). Outras misturas ácidas oxidantes são obtidas por adição de clorato de potássio, bromo ou peróxido de hidrogênio a HCl ou HNO3. 1.3.2 Lavagem de precipitados A maioria dos pptados é produzida em presença de um ou mais compostos solúveis. Como estes são, freqüentemente não voláteis à temperatura em que o precipitado é seco no final, é necessário lavar o pptado para remover tais materiais tanto quanto possível. Deve-se usar o mínimo volume possível de líquidos de lavagem para remover a matéria prejudicial, pois nenhum precipitado é absolutamente insolúvel. Devem-se fazer testes para verificar a remoção das impurezas; para isto utilizam-se pequenos volumes das águas de lavagem filtradas. Ainda mais, é melhor lavar com pequenas porções do líquido de lavagem, deixando drenar bem cada lavagem, do que com uma a duas grandes porções, ou mesmo adicionando-se porções frescas do líquido de lavagem enquanto haja restos de solução no filtro. O líquido de lavagem ideal deve estar, tanto quanto possível, de acordo com as condições a seguir: Não deve ter ação solvente sobre o precipitado, mas dissolver facilmente as substâncias estranhas (contra-íons) Não deve ter ação dispersiva sobre o pptado Não deve formar um produto volátil ou insolúvel com o pptado Deve ser facilmente volatilizado à temperatura de secagem do pptado Não deve conter qquer substância que possa interferir com as determinações subseqüentes no filtrado. Em geral, não se deve utilizar água pura, a não ser que se tenha absoluta certeza de que ela não dissolverá quantidades apreciáveis do pptado nem o peptizará. Se for apreciavelmente solúvel em água, usualmente se adiciona um íon comum, porque todos os eletrólitos são menos solúveis em água, usualmente se adiciona um íon comum, porque todos os eletrólitos são menos solúveis em água pura; por exemplo, o oxalato de cálcio é lavado com uma solução diluída de oxalato de amônio. Se o pptado tender a tornar coloidal, passando consequentemente pelo papel de filtro (pptados floculentos e gelatinosos) a solução de lavagem deverá conter um eletrólito. Os sais de amônio são usualmente selecionados para esta finalidade; assim, para lavar o hidróxido de ferro (III) usa-se uma solução de nitrato de amônio. 7 1.4 Análise Gravimétrica É um dos métodos de análise mais antigo, mais preciso e ainda bastante utilizado na atualidade. Foi desenvolvido para a maioria dos íons inorgânicos, espécies neutras (p.ex. H2O, SO2, CO2, I) e para uma grande quantidade de substâncias orgânicas. Este tipo de análise consiste no isolamento e na pesagem direta de uma espécie química que se deseja quantificar na amostra, sob a forma de um composto de composição química conhecida, na forma mais pura e estável possível. A separação da espécie ou do composto que a contém, pode ser efetuada de diversas maneiras, dentre elas utilizando- se métodos gravimétricos de precipitação e de volatilização, bem como através de eletrogravimetria e termogravimetria. Existem também os métodos de extração ou cromatográficos. As principais vantagens desta metodologia são: simplicidade e precisão, enquanto que a precipitação descontrolada é sua maior desvantagem, pois pode levar à incorporação de impurezas. A análise gravimétrica é um método macroscópico que envolve, normalmente, amostras reativamente grandes em comparação com outros métodos analíticos. 1.4.1 Análise Gravimétrica por Volatilização Esta análise quantifica um ou mais componentes voláteis existentes na amostra. Esta volatilização usualmente é induzida por aquecimento da amostra em estufa ou mufla (forno elétrico). Observe o esquema abaixo: Figura 3 – Esquema geral da determinação gravimétrica por volatilização. Exemplos desta análise são a determinação de água de um material; determinação de resíduo de solvente de material sintetizado e a determinação quantitativa de um composto que libera componente volátil. Em alguns casos a volatilização de algum dos componentes ocorre induzida por reação química. Este caso pode ser exemplificado com a determinação de bicarbonato de sódio (NaHCO3) em pastilhas de anti-ácido. Exemplo: amostra de anti-ácido sólido é triturada, pesada e tratada com ácido sulfúrico (H2SO4), onde se observa a seguinte reação química: NaHCO3 (aq) + H2SO4 (aq) CO2 (g) + H2O (l) + NaHSO4 (aq) e na montagem experimental para a coleta do CO2 ocorre a seguinte reação: 2NaOH + CO2 Na2CO3 + H2O A quantificação do bicarbonato ocorre através da pesagem de um tubo adicionado ao sistema e que reterá todo o CO2(g) liberado, como mostrado na Figura 4. material aquecimento Material decomposto + Material volatilizado 8 Figura 4 – Montagem utilizada para a análise quantitativa de pastilhas de anti-ácido, observando-se a saída da espécie volátil CO2 1.4.2 Água em materiais De uma forma geral todo o material, caracterizado numa análise ou produzido durante uma análise, contém alguma quantidade de moléculas de água (H2O). Estas moléculas de água podem ou não fazer parte da estrutura química do material. De acordo com sua maneira de associar com o material, a água presente pode ser classificada em dois tipos distintos: água essencial e água não essencial. Água essencial descreve moléculas de água que compõem a estrutura cristalina do composto no estado sólido. De acordo com a maneira de se disporem dentro do retículo cristalino do material a água essencial ainda pode ser classificada de duas formas: água de hidratação (ou cristalização) ou de constituição (ou composição). São exemplos de compostos contendo água de hidratação: CaC2O4.2H2O (oxalato de cálcio dihidratado); BaCl2.2H2O (cloreto de bário dihidratado) e CuSO4.5H2O (sulfato de cobre pentahidratado). A quantidade de água em compostos que contém água de hidratação é determinada pela estrutura cristalina do composto e pela umidade relativa do ar. Por exemplo, se a umidade do ar for abaixo de 6%, o composto BaCl2.2H2O perde uma molécula de água sofrendo uma mudança em seu retículo e a forma que predomina é: BaCl2.H2O . Água de constituição ou composição é encontrada em compostos que resultam em quantidades estequiométricas de água quando aquecidos ou decompostos. São exemplos: 2KHSO4(s) + calor K2S2O7(s) + H2O(g) Ca(OH)2(s) + calor CaO(s) + H2O(g) 2H3BO3(s) + calor B2O3(s) + 3H2O(g) 9 Água não-essencial é a água retida nos sólidos como consequência de forças físicas e desta forma não é estequiométrica. O que determina a quantidade de água deste tipo num material é sua afinidade química com moléculas de água e a quantidade delas presentes no meio (ou seja a umidade do meio). De acordo com a quantidade e maneira de associação de água não essencial nos materiais elas podem ser classificadas como: água adsorvida, água absorvida e água oclusa Água adsorvida é a água retida na superfície de sólidos por forças de adsorção. A quantidade de água adsorvida depende da umidade relativa do ar, da temperatura e da área do sólido. A maioria dos sólidos possui água adsorvida. Por exemplo, um folha de papel exposta ao ar num dia de chuva ficaúmida devido à adsorção de moléculas de água em sua superfície. Água absorvida é encontrada em muitas substâncias coloidais, como proteínas, maizena, carvão, zeólitas, sílica-gel. Em contraste com a água adsorvida, água absorvida apresenta-se em grande quantidade, podendo chegar a 20% do peso do material. Apesar disto, o material pode-se apresentar como um pó seco. Água absorvida também pode ser encontrada em buracos intersticiais do sólido. Uma demonstração do uso desta capacidade de absorção de água é a sílica-gel (SiO2) dopada com corante. Na ausência de água ela se apresenta azul e, a medida que a água é absorvida do meio, a sílica-gel muda para cor-de-rosa. Ao ser aquecida a aproximadamente 1000oC a sílica passa para azul novamente. Água oclusa é um tipo muito especial de água retida em sólidos, pois apresenta-se como pequenas gotas presas em bolsões microscópicos em cristais sólidos. Isto gera o efeito de refração de luz em certos materiais. 1.4.3 Metodologia para Retirada de Água de Materiais Para retirar a umidade dos materiais é necessária uma idéia prévia do tipo de água que se encontra no material. Usualmente retira-se água do material através de aquecimento em mufla ou forno a temperaturas que podem variar desde 100oC até 400oC. Água não essencial, ligada ao material apenas por forças físicas é mais fácil de ser retirada e um aquecimento da amostra em torno de 100oC é suficiente para minimizar sua quantidade. A exceção é a água oclusa cuja velocidade de difusão até a superfície do material depende das forças de coesão dos constituintes do material, podendo ser necessário elevar esta temperatura até próximo a 500oC. Em contraste com água de umidade, a água essencial, ligada quimicamente à estrutura do sólido deve ser aquecida a uma temperatura superior a 100oC e geralmente por um período de tempo longo (acima de 2h). 1.4.4 Análise Gravimétrica por Precipitação Nesta metodologia o componente a ser analisado é retirado de uma solução através de sua reação com outra espécie gerando um composto de baixa solubilidade (isto é, baixo Kps). O material precipitado é então filtrado e o sólido passa por um controlado tratamento térmico que leva a uma transformação 10 química a um composto puro, estável e de estequiometria conhecida (esquema representativo na Figura 5). Figura 5 – Esquema geral de análise gravimétrica por precipitação. Muitos são os agentes que podem induzir a precipitação de íons e outras espécies em solução. Dentre eles são descritos os compostos na Tabela 2. Figura 6 - Fotografia abaixo mostra oxalato de cálcio precipitado. A coloração azul indica pH>7. cadinho filtração mufla Composto conhecido estável, puro Solução c/ analito Adição de agente precipitante precipitação 11 Tabela 2 – Exemplos de alguns agentes precipitantes utilizados em análise gravimétrica e seus respectivos precipitados. Agente precipitante Elementos precipitados NH3(aq) Be(BeO); Al(Al2O3); Sc(Sc2O3); Cr(Cr2O3); Fe(Fe2O3); etc H2S(g) Cu(CuS); Zn(ZnO ou ZnSO4); Sn(SnO2); Bi(Bi2S3), etc (NH4)2S Hg(HgS); Co(Co3O4) (NH4)2HPO4 Mg(Mg2P2O7); Al(AlPO4), Mn(Mn2P2O7); etc H2SO4 Li, Mn, Sr, Pb, Cd, Ba (todos como sulfatos) H2PtCl6 K(K2PtCl6 ou Pt); Rb(Rb2PtCl6); etc H2C2O4 Ca(CaO); Sr(SrO); Th(ThO2). (NH4)2MoO4 Bi(Bi2O3) AgNO3 Cl(AgCl); Br(AgBr); I(AgI). HCl Ag(AgCl); Hg(Hg2Cl2); Si(SiO2), etc NH4SCN Cu[Cu2(SCN)2] HNO3 Sn(SnO2) NaCl, Pb(NO3)2 F(PbClF) MgCl2, NH4Cl PO4 3- (Mg2P2O7) BaCl2 SO4 2- (BaSO4) NaHCO3 Ru, Os, I (pptdos como óxidos hidratados Tabela 3 – Exemplos de alguns agentes precipitantes orgânicos utilizados em análise gravimétrica. 12 O processo de filtração dos pós cristalinos precipitados pode ser efetuada através de diferentes maneiras, a depender dos recursos disponíveis para tal no laboratório. São três formas mais comuns de filtração, a saber: (a) Filtração não eficiente: gravidade ajudando (b) Filtração mais eficiente: utilizando trompa d´água (não é ecologicamente correta) (c) Filtração muito eficiente: utilizando sistema de kitassato acoplado a uma bomba de vácuo (a) Lembre-se da forma correta para dobrar o papel de filtro em análises quantitativas: (b) 13 (c) Os papéis de filtro utilizados em análise quantitativa são diferentes dos utilizados para uma análise qualitativa Comumente, as determinações gravimétricas usuais utilizam papel de filtro de três porosidades: 8 mm (Faixa azul); 25 mm (faixa branca) e 28 mm (faixa preta) enquanto que para análise qualitativa comum a porosidade é mista. Para exemplificar, a tabela abaixo mostra a linha de papéis de filtro da marca Whatman, mas o padrão é semelhante para outras marcas. 14 1.4.5 Requisitos básicos exigidos de um precipitado 1) Praticamente insolúvel e total precipitação durante análise; deve apresentar Kps bem pequeno, de forma a minimizar as perdas durante sua filtração e lavagem. Na prática, a quantidade de analito que permanece na solução não deve exceder 0,1mg, ou seja, o limite de detecção das balanças analíticas comuns. 2) Além de ser facilmente separável da solução por filtração, o precipitado deve ter um diâmetro maior que o diâmetro da porosidade do papel de filtro utilizado. As determinações gravimétricas usuais utilizam papel de filtro de três porosidades: 8 m (Faixa azul); 25m (faixa branca) e 28m (faixa preta). 3) O precipitado deve poder ser convertido a uma substância pura e estável de estequiometria química bem definida com relação ao material original analisado. Muitos dos problemas associados com a análise gravimétrica podem ser superados seguindo-se as seguintes recomendações experimentais: (a) A precipítação deve ser realizada em soluções diluídas, levando-se em conta a solubilidade do precipitado, o tempo necessário para a filtração e, também, as operações subsequentes com o filtrado e (b) os reagentes devem ser misturados lentamente à solução, sob aquecimento 1.4.6 Tamanho das partículas dos precipitados O tamanho final das partículas é uma importante propriedade dos precipitados: ele governa em parte a pureza e a filtrabilidade do precipitado. Figura 6 – Evidenciando cristais de tamanhos diferentes.... Fatores que controlam a precipitação das partículas: velocidade de precipitação (principal fator) - quanto mais rápida a precipitação, menores são as partículas obtidas e vice versa supersaturação - quanto menor a concentração de íons comuns na solução, mais rápida será a precipitação Supersaturação relativa: Q - S (Von Weinman, 1925) Q = [reagentes] S = solubilidade molar do precipitado no equilíbrio 15 Taxa = Q - S S Taxa alta promove a formação de colóides Taxa baixa promove a formação de sólido cristalino Fatores que controlam o crescimento das partículas precipitadas: Ao se deixar o sólido precipitado no meio onde ele se formou alguns mecanismos podem levar ao crescimento das partículas. O processo de crescimento possui uma cinética (velocidade) lenta e pode levar até meses para conduzir a partículas “filtráveis”. Lembrando que as soluções contendo os sólidos são sistemas em equilíbrio dinâmico, dois mecanismos de crescimento forma descritos em 1904 por W. Ostwald: Amadurecimento de Ostwald - partículas menoressão dissolvidas e reprecipitadas sobre as maiores. Coalescência ou floculação - ocorre em partículas coloidais. Num colóide as partículas são repelidas entre si por forças de repulsão de carga e ao mesmo tempo atraídas entre si por forças de Van de Waals. O crescimento das partículas (por amadurecimento de Ostwald) pode levar ao fato das forças de Van der Waals superarem a repulsão de carga elas coalescem, juntando-se umas às outras e precipitando na forma de partículas maiores. Dependendo da reação química realizada, diferentes formas de incorporação de impurezas podem ser observadas durante a precipitação e crescimento dos cristais: Adsorção: Ex oxalato de cálcio Có-precipitação: Ex: có-precipitação de CdS e ZnS (isomórficos) n(Cd2+) + n(S2-) Cd(n-x)ZnxSn Pós-precipitação: a permanência do precipitado na solução de origem por um longo período de tempo pode levar à substituição dos íons na camada externa por íons contaminantes. Ex: nBa2+(aq) + nSO4 2-(aq) nBaSO4(s) nBaSO4(s) + xPO4 2-(aq) Ban(SO4)(n-x)(PO4)x Oclusão: quando o crescimento de cristais é rápido e pode aprisionar impurezas. Este tipo de impureza não sai com lavagem do precipitado. 16 Figura 6 - Mecanismos de incorporação de impurezas nos precipitados 1.4.7 Tratamento térmico da amostra precipitada Duas etapas são geralmente utilizadas durante o tratamento térmico da amostra: incineração e calcinação. A incineração é o aquecimento realizado a temperaturas até 200-300oC onde ocorre a queima total do papel de filtro e a saída de fumos decorrentes desta queima, além da umidade. Logo em seguida a amostra é levada a temperaturas superiores para sua transformação num composto estável e quimicamente conhecido que será pesado posteriormente. Geralmente os compostos são transformados em seus respectivos óxidos como, por exemplo, a transformação química do salicilato de cálcio (CaC14H10O6.H2O), durante aquecimento até T>800 oC, mostrado na Figura 7. Figura 7 – Padrão de degradação térmica do oxalato de cálcio monohidratado. 17 Podemos observar também outras composições estáveis, como p. ex. os sulfatos e os fosfatos. A amostra é calcinada num cadinho de alumina (Al2O3) que suporta temperaturas até 1.200oC. Após a calcinação, a amostra é retirada do forno após atingir a teperatura ambiente e armazenada num dessecador contendo material que absorve umidade (p. Ex. Sílica gel ou CaCl2). O material (cadinho contendo amostra) é pesado numa balança analítica e o resultado utilizado para o cálculo do teor do analito de interesse. A forma mais simples de se efutar o cálculo é relacionando a massa inicla e final da amostra través de uma regra de três, observando sempre a estequiometria entre a substância pesquisada e a pesada. Exemplos: BaSO4 úmido é calcinado a 800 oC e mantém sua estrutura química perdendo apenas a água de unidade. No entanto se for aquecido a 1000oC ou acima este composto se transforma em BaO. MgNH4PO4.6H2O levado a uma temperatura acima de 800 oC resulta em sua conversão a Mg2P2O7 Oxalato de cálcio precipitado (CaC2O4) quando aquecido acima de 800 oC transforma-se em CaO e o resto é volatilizado na forma de moléculas mais simples, como por exemplo CO2 e CO. 1.4.8 Cálculos Gravimétricos Podemos utilizar a seguinte relação para determinar a porcentagem em massa de um elemento ou um composto numa amostra qualquer: Cálculos gravimétricos (cálculos da porcentagem em massa) Os cálculos envolvidos são simples e podem ser representados através de relações de proporções (regra de três). Alternativamente observa-se na literatura o uso de algumas expressões matemáticas descritas a seguir. Podemos utilizar a seguinte relação para determinar a porcentagem em massa de um elemento ou um composto numa amostra qualquer: %Peso = massa do produto x FG x 100% massa da amostra onde FG = Fator Gravimétrico FG = a x PM da substância procurada b PM da substância pesada 18 a e b são números inteiros que relacionam o numerador e o denominador tornando-os quimicamente equivalentes. Ex: na equação Na2CO3(aq) 2Na +(aq) + CO3 2-(aq) a = 1 (índice do carbonato de sódio) e b = 2 (índice do íon sódio) na análise de sódio e a = 1 (Na2CO3) e b = 1 (índice do ânion carbonato) na análise de carbonato. 1.5 Análise Termogravimétrica (ATG) Análise Térmica é um termo que abrange um grupo de técnicas nas quais uma propriedade física ou química de uma substância, ou de seus produtos de reação, é monitorada em função do tempo ou temperatura, enquanto a temperatura da amostra, sob uma atmosfera específica, é submetida a uma programação controlada. Esta análise monitora a saída de elementos voláteis de uma amostra através da ação do aumento da temperatura na amostra contida numa n de alta precisão (0,00mg). Vantagens desta técnica gravimétrica instrumental: Determinação quantitativa de espécies voláteis em compostos inorgânicos e orgânicos. Ex: água, solventes retidos, CO, CO2. Alta precisão Mínimo de amostra necessária (~mg) Na Figura 8 encontra-se um termograma representativo e a terminologia comum desta técnica. Figura 8 – Termograma representativo. M(mg) mo m1 m2 100 200 300 400 500 600 T(oC) patamar inflexão Termograma: gráfico massa x temperatura 19 Na Figura 9 encontram-se alguns termogramas de amostras inorgânicas mostrando seu comportamento de perda de massa com o aumento da temperatura: Figura 9 – Exemplos de curvas termo gravimétricas de diferentes materiais. Na Figura 9 a decomposição térmica do oxalato de cálcio (CaC2O4.H2O) mostrando as inflexões da curva e a curva da 1ª derivada da curva. 20 Figura 9 – Curva de decomposição térmica do oxalato de cálcio obtida uma balança termogravimétrica. Exemplo de uso da ATG na análise de cálculos renais (extraído de um resumo científico): Thermogravimetric analysis (TGA) of urinary stones in developing countries Indian Journal of Nephrology. 1998 Oct-Dec; 8(4): 169-71 Autores: Wazir BS; Shah AA; Wani KA. Department of Urology, Sher-i-Kashmir Institute of Medical Sciences, Srinagar, Kashmir ABSTRACT: Thermogravimetric analysis (TGA) of 825 surgically removed upper urinary tract calculi was performed to evaluate the efficacy of this method in defining the composition of urinary calculi. The equipment used was Stanton Red Craft TG 760 thermobalance. About 1-10 mg of crushed calculus material was used for TGA. The method was found to be simple, rapid, economical and quantitative in effectively analyzing urinary calculi. This method could conclusively define both the radicals and the constituent compounds in more than 95 percent calculi. Majority (85.35 percent) were composed of pure calcium oxalate. TGA failed to determine precise amount of each constituent compound in mixed magnesium ammonium phosphate and calcium phosphate calculi. It is 21 suggested that TGA may be employed as the method of first choice in quantitative analysis of all urinary calculi especially in the developing countries. 1.6 Exercícios sobre gravimetria: (1) Uma amostra de um detergente comercial de massa m=0,3516g foi tratada à chama vermelha para queimar a matéria orgânica. O resíduo foi levado a reagir com HCl a quente, o qual converteuo fósforo a H3PO4. O fosfato foi precipitado como MgNH4PO4.6H2O adicionando-se Mg2+ seguido de uma solução aquosa de NH3. Após filtrado e lavado, o precipitado foi convertido à Mg2P2O7 (PM=222,57) a 1000oC. Este resíduo pesou 0,2161g. Calcule a % de fósforo (PA=30,974) na amostra. R: 17,1% (2) Um mineral de ferro foi analisado dissolvendo-se uma amostra de massa m=1,1324g em HCl concentrado. A solução resultante foi diluída em H2O e Fe3+ foi precipitado como óxido (Fe2O3.xH2O) adicionando-se NH3. Após a filtração e lavagem, o resíduo foi tratado a temperatura alta resultando m=0,5394g de puro Fe2O3 (PM=159,69). Calcule: (a) a %Fe (PA=55,847) na amostra. R: 33,3% (b) %Fe3O4 (PM=231,54) na amostra. R: 46% (3) O Iodeto de uma amostra foi convertido a iodato através de tratamento com excesso de brometo. A solução foi transferida para um balão de 50 mL e completada com água. A uma alíquota de 30 ml desta solução foi adicionado um excesso de íons bário para precipitar o iodato de bário - Ba(IO3)2. Na análise de 3,4572g de amostra inicial, foi obtida uma massa de 0,0130g de iodato de bário. Expresse os resultados desta análise em porcentagem de iodeto de potássio. PM(Ba(IO3)2)=487,124g/mol; PM(KI)=165,998g/mol. (4) O enxofre de um conjunto de 10 comprimidos de captodiamina (droga hipnótica, C21H29NS2 359,6g/mol) foi convertido gravimetricamente a sulfato de bário. Calcule a massa de captodiamina por comprimido tendo-se obtido m=0,3343g de BaSO4. R: (5) “Uma amostra de um composto farmacêutico antianêmico foi analisada para a determinação do conteúdo de ferro. Uma amostra líquida diluída com água da torneira foi aquecida em pH básico, sendo em seguida adicionado oxalato de amônio em meio ácido. Deixou-se o sistema por dois minutos no aquecimento e filtrou- se o precipitado branco logo em seguida com papel de filtro faixa branca. O material foi colocado numa cápsula de porcelana a 300oC por meia hora para calcinar.” Indique quais os absurdos e quais procedimentos errados você leu neste trecho, corrigindo-os. (6) Ao lado encontra-se o termograma de um material de natureza desconhecida. Observe e explique o que ocorre nas inflexões observadas e sugira a natureza da amostra. Ele apresenta água de umidade? Supondo M0=23,00mg; M1=21,60mg e M2=2,83mg, calcule a porcentagem de material total volatilizado após a calcinação. 22 (7) Um método para a medida de carbono orgânico solúvel em água do mar envolve a oxidação de materiais orgânicos a CO2 com K2S2O8 seguida pela determinação gravimétrica de CO2 retido por uma coluna de NaOH revestida em amianto.Uma amostra de água de volume 148,75mL produziu 0,03mL de CO2 (PM 44,010g/mol). Calcule o teor de carbono (PA 12g/mol) em ppm (partes por milhão) na amostra de água do mar. (8) 20 tabletes de complemento nutricional contendo ferro, com uma massa total de 20,1245g foram moídos e misturados completamente. A seguir, foram dissolvidos 1,4520 g do pó em HNO3 e aquecidos para converter todo o ferro em Fe3+.A adição de NH3 causou a precipitação quantitativa de Fe2O3.xH2O, que foi calcinado dando 0,1056g de Fe2O3 (PM: 159,69g).Qual é o teor médio de FeSO4.7H2O (PM: 278,01) em cada tablete? (9) O conteúdo de piperazina (PM=86,137) de um comprimido pode ser determinado precipitando-se e pesando-se o diacetato de piperazina (PM = 206,243g/mol) após reação com ácido acético. Num experimento, 0,4020 g de um comprimido foi dissolvido em 25 mL de acetona e 2 ml de ácido acético foram adicionados. Após 5 min, o precipitado foi filtrado, lavado com acetona, seco a 110oC e sua massa final foi de 0,6321g. Qual é o percentual em peso da piperazina na amostra do comprimido? (10) Uma mistura de complexos de alumínio e magnésio com 8-hidróxiquinolinona pesou 1,0843g. Quando queimada num forno em contato com o ar, a mistura se decompôs, deixando um resíduo de massa 0,1344g correspondendo ao Al2O3 e MgO. Encontre a porcentagem em peso de Al(C9H6NO)3 (PM=459,441g) na mistura original. 23 2. Parte Teórica: Análise Quantitativa Volumétrica 24 Agente titulante (solução padrão) Agente titulado (amostra em solução) indicador Volumetria ou Titrimetria Representa um grupo de métodos analíticos baseados na determinação da quantidade de reagente requerida para reagir completamente com a amostra a ser analisada. É amplamente utilizada pois é rápida e conveniente, obtendo resultados bastante precisos. Como em muitas outras áreas da química, a titulação tem sido por muito tempo um dos métodos analíticos padrões mais utilizados na indústria farmacêutica. A análise (quantitativa) de ingredientes ativos pode ser executada fácilmente em drogas e matérias-primas, de maneira rápida, reprodutiva e precisa. Titulação se presta em particular ao controle de qualidade para análises rotineiras. Titrimetria volumétrica ou Volumetria É o processo pelo qual a quantidade de um reagente é determinada a partir de uma reação com um reagente de concentração conhecida. Este reagente, preparado na forma de uma solução é chamado de solução padrão. Este procedimento é conhecido por titulação e é efetuado seguindo-se o esquema ao lado: Ponto final e ponto de equivalência Supondo a reação durante a titulação: x(aq) + y(aq) xy Para se descobrir [x] adiciona-se y até que ny = nx , ou seja, todo o x foi transformado em xy. A este ponto chamamos de ponto de equivalência. Para detectar este ponto e evitar a adição de mais y, utiliza-se alguma mudança nas propriedades físico-químicas do sistema, como por exemplo: mudança de coloração da solução, início de precipitação de outro componente, mudança na condutividade, na temperatura, no índice de refração, etc. Para isso, é necessário que se introduza uma terceira espécie z que se associará ao excesso de y, causando a modificação do sistema. Esta espécie z é chamada de indicador e, quando ocorre a mudança na propriedade observada, chegou-se ao ponto final da titulação. Uma solução padrão deve preencher os seguintes requisitos: 25 H ou OH + - Indicador ácido-base OH ou H - + 1] a substância utilizada para prepará-la deve ter alta pureza (>99%), ser estável, não possuir água de hidratação, ser barata e de fácil obtenção. 2] sua concentração deve permanecer constante por meses. 3] a reação com o reagente sob análise deve ser de estequiometria bem definida e completa (Keq ∞ ), além de rápida (para evitar uma longa análise) 4] deve estar associada a um método eficiente para identificar o ponto final da reação, para minimizar o erro da análise. Métodos de preparação de soluções padrão: Pesa-se uma massa pré-determinada do soluto e dissolve-se para um volume conhecido; Dilui-se para uma outra concentração, uma alíquota de solução padrão de concentração conhecida; Dilui-se uma alíquota de um reagente líquido comercial cuja composição é dada em termos de sua % em massa e sua gravidade específica (densidade). Classificação dos Métodos Volumétricos quanto à reação: x(aq) + y(aq) xy reação de neutralização: volumetria de neutralização x = base ou ácido e y = ácido ou base reação de precipitação: volumetria de precipitação xy = composto sólido reação de complexação: volumetria de complexação x associa-se com y formando um complexo reação oxi-redução: volumetria de oxi-redução ocorre transferência de elétrons entrex e y Volumetria de Neutralização (comumente conhecida como titulação ácido- base) Envolvem reações de neutralização do tipo: H+ + OH- = H2O 26 Soluções padrão Ácidas: HCl, HClO4 e H2SO4 (soluções diluídas para evitar efeitos colaterais de reações de óxi-redução). Básicas: NaOH, KOH, Ba(OH)2. Indicadores (HIn) Moléculas orgânicas que mudam sua coloração dependendo do pH da solução. A mudança de coloração é atribuída a equilíbrios químicos, como os abaixo: HIn + H2O H3O + + In- In + H2O InH + OH- A medida que ocorre a titulação ácido base, a solução tende à mudança de coloração, mas ela só é observada por um olho humano quando: Em meio ácido: [In-] 1 ou [H3O +] = 10Ka [HIn] 10 Em meio básico: [In-] 10 ou [H3O +] = 1 Ka [HIn] 10 Tabela: Alguns indicadores ácido/base bastante utilizados Nome comum Faixa de transição, pH pKa Mudança de cor Azul timol 1,2 – 2,8 8,0 – 9,6 1,65 8,90 Alaranjado de Metila 3,1 – 4,4 3,46 Verde de bromocresol 3,8 – 5,4 4,6 Vermelho de metila 4,2 – 6,3 5,00 Violeta de bromocresol 5,2 – 6,8 6,12 Azul de bromotimol 6,2 – 7,6 7,1 Vermelho de fenol 6,8 – 8,4 7,81 Violeta de cresol 7,6 – 9,2 Fenolftaleína 8,3 – 10,0 Timolftaleína 9,3 – 10,5 27 Cu 2+ CuC C H C2 C C + +2H 2H + NH2 H2 H2 OH O O O O O H N N CH2 glicina Bis-glicinato de cobre(II) Curvas de titulação ácido-base Volumetria de Complexação Técnica propícia para determinação de cátions metálicos. Os reagentes utilizados na titulação são comumente compostos doadores de elétrons, chamados ligantes. As espécies doadoras têm, pelo menos, um par de elétrons livres disponível para ligação química. Compostos formados entre cátions metálicos e ligantes orgânicos (ou pequenas moléculas doadoras) são chamados de complexos ou quelatos. Exemplo: 2 4 6 8 10 12 14 0 5,0 10,0 20,0 30,0 pH Volume de Base (mL) Ác. Fraco Ác. Forte Ligante Ligante Indicador Cátion metálico 28 [ML] [L][M] K = :N N:CH2 CH2 CH2CH2 CH2 CO HO CO HO H OCO H OCO CH2 Tipos de ligantes: Unidentados (doa um par de elétrons). Ex. NH3, Cl -, H2O. Bidentados (dois grupos disponíveis para complexação). Ex. glicina, -dicetonas Tridentados (três grupos disponíveis), tetra-, penta- e hexadentados também são conhecidos e denominados comumente de multidentados. Ex. ácidos aminocarboxílicos. A formação de um complexo metálico mononuclear pode ser genericamente representada pela equação: M + nL = MLn Assumindo n = 1, a constante de formação é dada por: Titulação com ligantes multidentados Ligantes multidentados, especialmente os que apresentam quatro ou seis grupos doadores, têm duas vantagens sobre os ligantes monodentados: reagem mais completamente com cátions, resultando em pontos finais de titulação mais específicos; reagem num processo de etapa única. Ácido etilenodiaminotetracético (EDTA) EDTA um ácido aminocarboxílico tem seis sítios potenciais de coordenação e forma complexos com íons metálicos na proporção 1:1 : Quando dissolvido em água, EDTA comporta-se como um aminoácido, formando zwitterions duplos. Este ligante é um dos mais utilizados em análise titrimétrica, porque resulta em quelatos bastante estáveis. Disponibilizado comercialmente como Na2H2Y.2H2O, pode ser utilizado como reagente padrão, após aquecimento a 130-145 oC por várias horas. 29 Indicadores metálicos Indicadores metalocrômicos visuais recaem em três grupos principais: (a) compostos hidrazo (b) compostos fenólicos e compostos hidróxissubstituídos do trifenil metano (c) compostos contendo um grupo aminometildicarboximetílico Murexida (sal de amônio do ácido purpúrico) A murexida forma complexos estáveis em meio alcalino com: Cu (alaranjado), Ni (amarelo), Co (amarelo), Ca (vermelho) e lantanídeos. Na titulação direta do cálcio com EDTA em pH = 11, a mudança de cor no ponto final é do vermelho ao violeta-azulado. Negro de Solocromo ou Negro de Eriocromo T (NET) (1-(1-hidróxi-2-naftilazo)-6-nitro-2-naftol-4-sulfonato de sódio) Ocorre complexação estável com os íons: Mg, Zn, Mn, Cd, Hg, Pb, Cu, Al, Fe, Ti, Co, Ni, e metais do grupo da Pt. Em pH < 5,5 a solução de NET é vermelha; pH = 7-11 a solução é azul e pH>11,5 é alaranjado- amarelada: M2+ + HD2- (azul) MD- (vermelho) + H+ + H:N + H:N N:H + N:H + CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 COOH COO - COO - COO - - OOC - OOC HOOC - OOC CH2 CH2 :N N:H +CH2 CH2 CH2CH2 CH2 COO - COO - - OOC - OOC CH2 :N N:CH2 CH2 CH2CH2 CH2 COO - COO - - OOC - OOC CH2 H Y4 H Y3 - H Y2 2- HY 3- N N O O O O M CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 O C O C C C O O OH OH + - NaOS3 NO2 N N 30 Dureza total Dureza cálcica Outros indicadores utilizados: Indicador Metais Zincon Zn2+, Ca2+ Azul de metiltimol Bi3+, Ca2+, Hg2+ Indicador de Patton e Reeder Ca2+ Calmagita Ca2+ e Mg2+ Calcicromo Ca2+ (específico) Alaranjado de xilenol Bi3+, Th4+, Zn2+, Cd2+, Pb2+, Co3+ Azul de variamina Fe3+ Complexon de timolftaleína; Ca2+, Mn2+, Ni2+ Vermelho de bromopiogalol; Bi3+ (pH = 2-3) Volumetria de Precipitação É um método analítico baseado em reações que resultam em compostos iônicos de solubilidade limitada. Os processos de precipitação mais importantes na análise titrimétrica utilizam o nitrato de prata (AgNO3) como reagente, na determinação de Ag. Precipitante 2 Cátion metálico o Cátion metálico 31 haletos, SCN-, CN-, CNO-, mercaptanas, ácidos graxos. Métodos titrimétricos baseados em AgNO3 são denominados de processos argentimétricos. Exemplo: Precipitação do cloreto de prata (AgCl) e do iodeto de prata (AgI) Kps(AgCl, 25 oC) = 1,2x10-10 e Kps(AgI, 25 oC) = 1,2x10-16 No ponto de equivalência: Ag+ = Cl- = V Kps(AgCl) pAg+ = pCl- = (1/2)pAgCl = 9,92/2 = 4,96 Curvas de titulação de 100 mL de NaCl 0,1M e de 100 mL de KI 0,1M, respectivamente com AgNO3 0,1M: Métodos para identificação do ponto final da titulação de precipitação: Método de Mohr - utiliza-se o cromato de potássio. No final, os íons cromato combinam-se com os íons Ag+ formando o cromato de prata, vermelho, pouco solúvel. Este é um caso de precipitação fracionada de dois sais pouco solúveis Kps, (Ag2CrO4,25 oC) = 1,2x10-12 e Kps, (AgCl, 25 oC) = 1,2x10-10. Método de Volhard – utiliza a formação de um composto colorido solúvel e aplicado para a determinação de cloretos, brometos e iodetos em solução ácida. Ex. titulação da prata, na presença de HNO3, com uma solução de tiocianato de potássio ou de amônio. O indicador é uma solução de nitrato de ferro(III) ou de sulfato de ferro e amônio. A adição do tiocianato produz em primeiro lugar uma precipitado de tiocianato de prata (Kps, 25 oC) = 1,2x10-13: Ag+ + SCN- = AgSCN (branco) Quando esta reação está completa,um excesso de tiocianato produz uma coloração castanho-avermelhada, devido à formação de um íon-complexo: Fe3+ + SCN- = [FeSCN]2+ (vermelho castanho) Adiciona-se um excesso da solução padrão de AgNO3 e obtém-se, por titulação de retorno, com uma solução padrão de tiocianato, o valor deste excesso. Para fazer a estimativa do cloreto, temos de considerar os equilíbrios durante a titulação do excesso de Ag+: Ag+ + Cl- = AgCl 2 4 6 8 10 12 14 0 9694 100 104 106 pAg + AgNO (mL)3 AgI = I AgI + Ag + AgCl + Cl AgCl + Ag + 32 Ag+ + SCN- = AgSCN Os dois sais pouco solúveis estarão em equilíbrio com a solução. Quando o excesso de Ag+ tiver reagido, o tiocianato poderá reagir com o AgCl, pois o AgSCN é o menos solúvel nestas condições: AgCl + SCN- = AgSCN + Cl- Observação: para evitar que o AgCl dissolva durante a titulação de retorno é necessário filtrar este precipitado. Método dos indicadores de adsorção – a ação destes indicadores é devida ao fato de que, no ponto de equivalência, o indicador é adsorvido pelo precipitado e, durante o processo de adsorção, ocorre uma mudança no indicados que conduz à uma substância de cor diferente. As substâncias empregadas ou são corantes ácidos (como a fluoresceína) ou corantes básicos (como a rodamina 6G), que são aplicados como sais halogenados. No caso da fluoresceína, sua adsorção na superfície do precipitado formará um complexo de Ag-íon fluoresceína, de coloração cor de rosa. Volumetria de Óxi-redução Método quantitativo envolvendo reações onde ocorre a transferência de elétrons de uma espécie para outra. Indicadores de oxi-redução Dois tipos de indicadores químicos são utilizados para evidenciar o ponto final de titulações de óxi-redução: indicadores redox gerais e indicadores específicos. Ambos são substâncias que mudam de coloração após serem oxidadas ou reduzidas. Estes compostos não dependem da estrutura química do agente titulante nem do agente titulado, e sim das mudanças no potencial eletroquímico do sistema que ocorre durante a titulação. Um exemplo de indicadores gerais são os complexos de Fe(II) com compostos orgânicos denominados de ortofenantrolinas. Estas moléculas complexam com o Fe2+ na proporção 3:1 e este complexo, chamado de ferroína pode ser formulado como Agente Oxidante ou redutor Indicador a ser oxidado ou reduzido Composto a ser oxidado ou reduzido 33 (phen)3Fe 2+. Durante a titulação ocorre a mudança de cor de um leve azul para o vermelho: (phen)3Fe 3+ (leve azul) + e- (phen)3Fe 2+ (vermelho) Um exemplo de indicador específico é o complexo iodo/amido de coloração azul, o qual é utilizado amplamente em titulações onde o iodo (I2) é o agente oxidante ou o iodeto (I-) é o agente redutor. Neste caso a formação do complexo indica o ponto final da titulação. Outro exemplo é o tiocianato de potássio, o qual pode ser empregado na titulação de Fe(III) com soluções de sulfato de titânio(III). O ponto final, neste caso é o desaparecimento da coloração vermelha característica do complexo Fe(III)/tiocianato, quando quase todo o Fe(III) é consumido. Tiosulfato de sódio: um dos agentes redutores padrão mais utilizados Reação: 2S2O3 2- = S4O6 2- + 2e Algumas aplicações de Tiosulfato de sódio como redutor: Analito Meia Reação Condições IO4 - IO4 - + 8H + + 7e = 1/2I2 + 4H2O Solução ácida IO3 - IO3 - + + 6H + + 5e = 1/2I2 + 3H2O Ácido forte NO2 - HNO2 + H + + e = NO(g) + H2O Br2, Cl2 X2 + 2I - = I2 + 2X - Permanganato de potássio, Cério(IV), Dicromato de potássio e Iodo: agentes oxidantes mais utilizados Reações: MnO4 - + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O E 0 = 1,51V Ce4+ + e = Ce3+ E0 = 1,51V Cr2O7 2- + 14H+ + 6e = 2Cr3+ + 7H2O E 0 = 1,33V I3 - + 2e = 3I- E0 = 0,536V Curva de Titulação redox reação: Fe2+ + Ce4+ = Fe3+ + Ce3+ 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 0,3 5,0 10,0 20,0 30,0 Volume de 10 M Ce (mL) -4 4+ Potencial do eletrodo (V) 34 Fórmulas para cálculos envolvendo unidades de concentração em ciências farmacêuticas 1. Miliequivalentes (miliequivalentes/Litro – mEq/L) Soluções de eletrólitos têm suas concentrações quase sempre expressas em unidades químicas conhecidas como miliequivalentes (mEq); miliequivalente é a milésima parte do equivalente-grama (mEq); equivalente-grama é a medida da quantidade de atividade química de um elemento; os elementos combinam-se entre si, segundo seus equivalentes-grama; em condições normais o plasma contém 155 mEq/L de cátions e 155 mEq/L de ânions; a concentração total de cátions sempre será igual à concentração total de ânions. Fórmula: (mEq/L) = concentração do sal em g/L x valência do cátion ou ânion x 1000 peso molecular do sal Conversão de mEq/L em g/L: concentração do sal (g/L) = concentração do sal em g/L x peso molecular valência do íon x 1000 Conversão mg% em mEq/L: concentração do sal (mEq/L) = concentração do sal em mg% x 10 x valência do íon peso molecular Conversão de mEq/L em mg%: concentração do sal (mg%) = concentração do sal em mEq/L x peso molecular 10 x valência do íon 2. Milimol (milimol/Litro – mmol/L) A concentração de eletrólitos e não-eletrólitos pode ser expressa em unidades de milimols/Litro, que representa o número de mols de soluto em determinado volume de solução; uma vez que: - peso molecular do solutos em g equivale a 1 mol (1000 mmol); - peso molecular do soluto em mg equivale a 1 mmol Fórmula: milimol/Litro (mmol/L) = concentração em g/L x 1000 peso molecular 35 Cálculos volumétricos utilizando Normalidade e Peso Equivalente A normalidade de uma solução expressa o no de equivalentes de um soluto contidos em 1 L de solução ou o no de miliequivalentes em 1 mL de solução. Equivalente e miliequivalente são formas de se expressar a quantidade de espécies químicas reagindo e, numa titulação, o ponto de equivalência ocorre quando: n0 de equivalentes do analito = n0 de equivalentes do reagente adicionado A quantidade de equivalentes depende da reação química ocorrendo. Desta forma o peso de um equivalente nunca pode ser descrito sem a referência da reação química na qual o composto participa direta ou indiretamente. Reações de neutralização Um equivalente de uma substância participante numa reação de neutrzalização é a quantidade de substância (molécula, íon, ou íon emparelhado, como NaOH) que tanto reage ou fornece 1 mol de íons H+ naquela reação. A relação ente peso equivalente e a massa molar é direta para ácidos e bases fortes e para outros ácidos e bases que contenham um hidrogênio ionizável. Ex: Peso equivalente do NaOH = PMNaOH/1 Peso equivalente do Ba(OH)2 = PMBa(OH)2/2 Peso equivalente de NH3 = PMNH3/1 Peso equivalente do Al(OH)3 = PMAl(OH)3/3 Reações de precipitação e formação de complexosO peso equivalente neste caso é o peso que fornece 1 mol se o cátion for univalente; ½ mol se for divalente e 1/3 mol se for trivalente. Ex: Reações de oxi-redução O peso equivalente de um participante de uma reação de oxi-red é a quantidade que diretamente ou indiretamente produz ou consume 1 mol de elétrons. NaCl NaBiOCl Ag+ PEq(NaCl) = PM/1 PEq(Al(Cl)) = PM/33 PEq(NaBiOCl) = PM/1 Al(Cl)3+ 5C O2 4 2- Peq(H C O ) = PM/22 2 4 8H O210CO216H +2MnO4 - Peq(KMnO ) = PM/54 2Mn+2+ + + + 36 Normalidade (em desuso pela IUPAC) A normalidade de uma solução (N) expressa o número de equivalentes ou miliequivalentes de solutos contidos em 1 L ou 1 mL de solução, respectivamente. Assim, por exemplo: 0,2N de HNO3 contém 0,2 Eq /L ou 0,2 mEq/mL de HNO3. Relação entre normalidade e molaridade: M = nN onde n é o número de equivalentes referente à espécie observada Exemplo: Problema: Qual é a normalidade de uma solução de H2SO4 1,4mol/L? Solução: desde que cada mol de H2SO4 contém 2 equivalentes, o número de equivalentes por litro precisa ser duas vezes o número de mols por litro, ou 1,4mol/L x (2 equiv/1 mol) = 2,8 equiv./L, ou 2,8 N Nx = N eq x o Volume da solução (L) 37 Alguns exercícios: 1] Uma amostra de massa 0,8040 g de um minério de ferro foi dissolvido em ácido. O ferro foi reduzido a Fe2+ e titulado com 46,22mL de uma solução de KMnO4 0,02242M. Calcule o resultado da análise em termos da % Fe (55,847 g/mol). A reação é descrita abaixo: R: 36,77% MnO4 - + Fe2+ + 8H+ Mn2+ + 5Fe3+ + 4H2O 2] 0,2121g de uma amostra de Na2C2O4 (134,0g/mol) foi titulada com 43,31 mL de MKMnO4. Qual a normalidade da solução de KMnO4? R:0,07309N A reação química é: 2KMnO4 + 5H2C2O4 + 16H + 2K+ + 2Mn2+ + 8H2O + 10CO2 3] Uma amostra de massa 0,4755g contendo (NH4)2C2O4 e compostos inertes foi dissolvida em água e alcalinizada com KOH. A amônia liberada foi destilada em 50mL de uma solução H2SO4 0,1007N. O excesso de H2SO4 foi retro-titulado com 11,13 mL de NaOH 0,1214 N. Calcule a porcentagem de Nitrogênio (14,007g/mol) e de (NH4)2C2O4 (124,1g/mol) na amostra. R: %(NH4)2C2O4 = 48,07 e %N = 10,85 4] Descreva a preparação de 100 mL de uma solução 6,0M de HCl a partir do reagente comercial. O rótulo indica que o produto contém 37% de HCl em massa e sua gravidade específica é 1,18. 5] Calcule a concentração molar de uma solução comercial de H2SO4 25% cuja gravidade específica é 1,19. 6] Descreva a preparação de 500 mL de uma solução etanólica 0,1% (em peso) de I2 . 7] A matéria orgânica em 3,776g de amostra de uma pasta de mercúrio foi decomposta com HNO3. Após sua diluição, o íon Hg 2+ foi titulado com 21,3 mL de uma solução 0,1144M de NH4SCN. Calcule a porcentagem de Hg (PA:200,59) na pasta. Esta titulação envolve a formação de um complexo estável, Hg(SCN)2: Hg2+ + 2SCN- Hg(SCN)2(aq) 8] Uma solução de Ba(OH)2 0,1475 M foi utilizada para titular ácido acético (PM=60,05) numa solução aquosa diluída. Os seguintes resultados foram obtidos: Amostra Amostra Volume, mL Ba(OH)2 Volume, mL 1 50,00 43,17 2 49,50 42,68 3 25,00 21,47 4 50,00 43,33 38 Calcule a porcentagem média de ácido acético na amostra e o desvio médio dos resultados. 9] Calcule a molaridade de uma solução de KMnO4 que titulou 11,0 mg de Fe2O3/mL segundo a reação MnO4 - + 5Fe2+ + 8H+ Mn2+ + 5Fe3+ + 4H2O 10] Calcule a concentração molar de uma solução de AgNO3 se uma alíquota de 26,12 mL é necessária para reagir totalmente com: (a) 0,2124g de KSCN (b) 222,4 mg de Na3PO4 (c) 50 mL de H3AsO4 0,05451M. 39 3. Parte Teórica: Análise Colorimétrica 40 COLORIMETRIA Espectrofotometria: qualquer procedimento que utiliza a luz para medir a concentração química de qualquer espécie. Esta técnica analítica utiliza a correlação de absorbância de um composto com sua concentração em um meio. Ela se baseia na Lei de Beer-Lambert onde absorbância é diretamente proporcional à concentração da espécie absorvedora de luz: A = .b.c Onde: A = absorbância (adimensional) b = caminho ótico (cm) c = concentração (mol.L-1) = absortividade molar (mol-1.L.cm-1) característico de cada substância em cada comprimento de onda ( Absorbância (A) A = log Po/P = log 1/T = - log T RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA Luz branca: todas as cores do visível Espectro de absorção: gráfico que mostra a variação de Absorbância (A) com Comprimento de Onda () Cromóforo: parte da molécula responsável pela absorção 41 ESPECTROFOTÔMETRO • Fonte eletromagnética • Conjunto de componentes ópticos • Compartimento de amostra • Um ou mais detectores COLORÍMETRO Apresenta comprimentos de onda definidos por filtros e as curvas são obtidas nestes pontos específicos. Exemplo de gráficos de A versus (denominado espectro de absorção) Figura acima mostra o espectro de absorção da molécula do isopreno. 42 A figura abaixo mostra espectros de absorção de dois compostos utilizados como indicadores: dicromato de potássio e fenolftaleína: As figuras abaixo mostram espectros de absorção de alguns metais de transição: 43 Uso do espectro de absorção para quantificação de analito em meio líquido: Uma vez conhecido o espectro de absorção de um determinado composto, escolhe-se um comprimento de onda para a análise da variação da intensidade de absorbância preparando-se soluções deste analito com diferentes concentrações. Estas concentrações não devem exceder o limite de leitura do equipamento, nem ser pequenas demais de forma a não se obter um espectro característico do composto. Isto indicaria que a concentração está abaixo da sensibilidade do seu equipamento. 44 No exemplo abaixo vemos um conjunto de espectros da riboflavina que correspondem a diferentes concentrações. A intensidade de absorbância (em = 444 nm) de cinco concentrações foi descrita num gráfico de concentração versus absorbância. Na aula prática faremos a determinação de ferro a partir de uma solução de um antianêmico vendido comercialmente. A figura abaixo mostra a coloração do complexo colorido formado entre o Fe2+ e a ortofenantrolina. Variando a concentração de ferro de 1mg/L a 10mg/L da esquerda para a direita. A Intensidade da cor é proporcional à quantidade do íon presente. Abaixo está a curva padrão obtida. 0 2 4 6 8 10 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 pontos curva padrão regressão linear A bs or bâ nc ia (u a) [Ferro] ppm 45 Exercício sobre colorimetria: A determinação de fosfato por colorimetria baseia-se na formação de um composto azul que absorve em 650 nm. Na análise de um antianêmico enriquecido com ácido fosfórico uma alíquota de 1 mL foi diluída para 25 mL. A partir desta primeira diluição outra alíquota de 10 mL foi diluída novamente para 25 mL com os reagentes que produzem a coloração azul e desta última solução foi medida a absorbância de uma amostra, observando-se um valor médio deA = 0,12. Considerando a curva descrita na figura ao lado, determine o teor de fosfato (PO4 3-) em mg/L na amostra original. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0,000 0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 0,175 0,200 0,225 0,250 pontos curva padrão regressão linear A bs or bâ nc ia (u a) [PO 4 3- ] ppm 46 4. Parte Teórica: Análise Estatística dos Resultados Analíticos 47 ANÁLISE ESTATÍSTICA PARA QUÍMICA ANALÍTICA Estatística é a ciência que tem por objetivo orientar a coleta, o resumo, a apresentação, a análise e interpretação dos dados. Variáveis qualitativas Dados de Classificação Classificação de um produto (Tipo A ou Tipo B) Variáveis quantitativas (contextualizado para uma linha de produção de medicamentos) Contínuas Dados Contínuos Dimensão de uma embalagem Viscosidade de um líquido Volume do líquido na embalagem final Quantidade de matéria-prima utilizada na produção Tempo para completar uma tarefa Custos de produção Discretas Dados de Contagem Número de embalagens rotuladas corretamente Número de erros de produção Número de pedidos num mês Número de vezes que foi produzido Contagem do estoque População Amostras ORGANIZAÇÃO DE DADOS QUANTITATIVOS Os dados podem ser organizados em tabelas ou gráficos. 48 Suponha que, ao estudar a quantidade de haloperidol em solução, um estudante do curso de farmácia obtenha 25 soluções os seguintes valores (mg/mL): 5,1 4,9 4,9 5,1 4,7 5,0 5,0 5,0 5,1 5,4 5,2 5,2 4,9 5,3 5,0 4,5 5,4 5,1 4,7 5,5 4,8 5,1 5,3 5,3 5,0 Analisando os dados obtidos, podemos concluir inicialmente que: 1) A concentração de haloperidol varia de solução para solução; 2) Algumas soluções apresentam valores iguais; 3) Os valores oscilam entre 4,5 e 5,5. TABELA 1 – Concentração de haloperidol (mg/mL) obtidas em 25 soluções Haloperidol Contagem f fr 4,5 | 1 0,04 4,6 0 0,00 4,7 || 2 0,08 4,8 | 1 0,04 4,9 ||| 3 0,12 5,0 |||| 5 0,20 5,1 |||| 5 0,20 5,2 || 2 0,08 5,3 ||| 3 0,12 5,4 || 2 0,08 5,5 | 1 0,04 ∑ ou soma 25 1,00 Representação gráfica das distribuições de freqüências - HISTOGRAMA 49 MEDIDAS DE TENDÊNCIA CENTRAL Média aritmética Mediana: é o valor tal que tenha igual quantidade de valores menores e maiores que ele. Para determinar a mediana é necessário ordenar os dados. Moda: é o valor que ocorre com mais frequência em determinada amostra. MEDIDAS DE DISPERSÃO OU VARIABILIDADE Amplitude de variação: é a diferença entre os valores extremos. Variância é a variância do conjunto de observações, representada pelo símbolo s2: onde n = número total de valores na amostra X = média amostral Xi = i-ésimo valor Desvio padrão onde s2 é a variância das observações na amostra Coeficiente de variação ou ou 50 Erro : é uma das características de um resultado de análise! Tipos de erros: grosseiro, sistemático ou aleatório Ex: Resultados de vinte titulações feitas no mesmo lote de vinagre: Titulação n o Concentração (%) Titulação n o Concentração (%) 1 3,91 11 3,96 2 4,01 12 3,85 3 3,61 13 3,67 4 3,83 14 3,83 5 3,75 15 3,77 6 3,91 16 3,51 7 3,82 17 3,85 8 3,70 18 4,04 9 3,50 19 3,74 10 3,77 20 3,97 Considerando a titulação, mesmo que o procedimento experimental seja rigorosamente obedecido e todas as operações sejam feitas com todo o cuidado, sempre existirão flutuações imprevisíveis: erros aleatórios Numa análise real, se queremos chegar a conclusões sensatas, esses erros precisam ser levados em conta: precisamos de estatística! Definindo termos... Erro absoluto: E = xi - xr onde xr é o valor real ou aceito da medida Erro relativo: Er = (xi – xr).100% xr 0 5 10 15 20 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 4,0 4,1 C on ce nt ra çã o de Á c. A cé tic o (% ) Titulação N o 51 Impreciso e inexato Preciso e inexato Impreciso e exato Preciso e exato Precisão É a reprodutibilidade de uma série de medidas, ou seja, quão perto os resultados foram obtidos exatamente da mesma forma. Geralmente, a precisão de uma medida é obtida simplesmente repetindo-se a medida. O termo que descreve a precisão de uma medida é o desvio padrão, que é uma função do desvio do valor médio obtido: desvio da média: di = xi – x Exatidão Ela é expressa pelo erro (erro absoluto ou relativo) e mede a concordância entre um resultado e seu valor real ou aceito. Descrição gráfica das definições de exatidão e precisão: Confiando nos resultados... Intervalos de Confiança Teste t de Student (pseudônimo de W. S. Gosset, 1908) é uma ferramenta estatística utilizada com muita frequência para representar intervalos de confiança e para a comparação de resultados de experimentos diferentes. É a ferramenta que você pode utilizar para calcular a probabilidde de que sua medida esteja numa certa faixa de “exatidão”. O intervalo de confiança () é uma expressão condicionante de que a média real, provavelmente tem uma posição dentro de uma certa distância média medida. O inervalo de confiança é dado por = x‾ ± t.s/(√n) Onde x‾ é o valor médio, t é um valor extraído de uma Tabela para valores do teste t de Sudent, s é o desvio padrão e n é o número de medidas. 52 Teste Q para testar dados que parecem incorretos Algumas vezes um dado analítico é inconsistente com os dados restantes num conjunto. Pode-se utilizar o teste Q para decidir se se conserva ou se descarta o dado questionado. Considere cinco resultados a seguir: 12,53; 12,56; 12,47; 12,67 e 12,48 Seria 12,67 um dado ruim? Para se aplicar o teste Q, organize os dados em ordem crescente de valor e calcule Q, definido como Q calculado = intervalo / variação Onde variação é a dispersão total de dados e intervalo é a diferença entre o ponto sendo questionado e o valor mais próximo. Na análise dos resultados apresentados acima temos: Tabela de valores de Q para a rejeição de dados: Q (90% de confiança) Número de observações 0,76 4 0,64 5 0,56 6 0,51 7 0,47 8 0,44 9 0,41 10 Se Qcalculado > Qtabelado o valor na questão pode ser rejeitado com 90% de confiança?
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