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1 Curso: Engenharia Ambiental Disciplina: Química Analítica TÓPICO 1 – Erros em Química Analítica e Preparação de Amostras Profª. Drª. Elisandra Scapin 2 Química Analítica Química Bioquímica Química Inorgânica Química Orgânica Físico-Química Física Astrofísica Astronomia Biofísica Engenharia Civil Química Elétrica Mecânica Ambiental Medicina Química Clínica Química Medicinal Farmácia Toxicologia Ciências dos Materiais Metalurgia Polímeros Estado sólido Ciências Sociais Arqueologia Antropologia Forense Agricultura Agronomia Ciência dos Animais Ciência da Produção Ciência Dos solos Ciências do Meio Ambiente Ecologia Metereologia Oceanografia Geologia Geofísica Geoquímica Paleontologia Paleobiologia Biologia Botânica Genética Microbiologia Zoologia 3 MÉTODOS ANALÍTICOS QUANTITATIVOS O cálculo dos resultados de uma análise quantitativa típica, pode ser dado a partir de duas medidas: -a massa ou o volume de uma amostra que está sendo analisada - medida de alguma grandeza que é proporcional à quantidade do analito presente na amostra, como massa, volume, intensidade de luz ou carga elétrica. De acordo com esta grandeza os métodos analíticos podem ser classificados: Método Gravimétrico Determina-se a massa do analito ou de algum composto quimicamente a ele relacionado. 4 Baseia-se na medida da interação entre a radiação eletromagnética e os átomos ou as moléculas do analito, ou ainda a produção de radiação pelo analito. mede-se o volume da solução contendo reagente em quantidade suficiente para reagir com todo analito presente. Método Volumétrico Envolve a medida de alguma propriedade elétrica, como o potencial, corrente, resistência e quantidade de carga elétrica. Método Eletroanalítico Método Espectroscópico 5 Um grupo de métodos variados inclui a medida de grandezas, como: - razão massa-carga de moléculas por espectrometria de massas, - velocidade de decaimento radiativo, - calor de reação, - condutividade térmica de amostras, atividade óptica e índice de refração. 6 ANÁLISE QUANTITATIVA TÍPICA 7 ANÁLISE QUANTITATIVA TÍPICA Uma análise quantitativa típica envolve uma sequência de etapas: Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra A amostra é solúvel? Não Sim Dissolução Química Propriedade Mensurável Não Mudança da forma Química Eliminação de interferências Medida da Propriedade X Cálculo dos resultados Estimativa da confiabilidade dos resultados Sim 8 ANÁLISE QUANTITATIVA TÍPICA Propriedade Mensurável Não Mudança da forma Química Eliminação de interferências Medida da Propriedade X Cálculo dos resultados Estimativa da confiabilidade dos resultados Sim Em alguns casos, algumas etapas podem ser omitidas. Ex.: se a amostra for líquida, podemos evitar a etapa de dissolução. Na etapa final, avaliamos a qualidade dos resultados e estimamos sua confiabilidade. Quantidade relativa do analito presente nas amostras. 9 A Escolha do Método - A etapa essencial de uma análise quantitativa é a seleção do método. - Algumas vezes a escolha é difícil e requer experiência, assim como intuição. Uma das primeiras questões a ser considerada - - Alta confiabilidade quase sempre requer grande investimento de tempo. Geralmente, o método selecionado representa um compromisso entre a exatidão requerida e o tempo e recursos disponíveis para a análise. nível de exatidão requerido Seleção do método 10 Muitas amostras : pode-se gastar um tempo considerável em operações preliminares. Apenas uma única amostra ou algumas poucas amostras: pode ser mais apropriado selecionar um procedimento que dispense ou minimize as etapas preliminares. Finalmente, a complexidade e o número de componentes presentes da amostra sempre influenciam, de certa forma, a escolha do método. Uma segunda consideração relacionada com o fator econômico: número de amostras que serão analisadas. Seleção do método 11 A próxima etapa em uma análise quantitativa: Obtenção da amostra. Para gerar informações representativas, uma análise precisa ser realizada com uma amostra que tem a mesma composição do material do qual ela foi tomada. Quando o material é amplo e heterogêneo, grande esforço é requerido para se obter uma amostra representativa. A dosagem de uma grande quantidade de amostra será realizada em uma amostra que pesa cerca de um grama, por exemplo. Obtenção da amostra Seleção do método 12 O isolamento do material que represente de forma exata a composição média toda a amostra é uma tarefa difícil, que exige manipulação cuidadosa e sistemática de todo o material do carregamento. Amostragem: processo de coletar uma pequena massa de um material cuja composição represente exatamente o todo do material que está sendo amostrado. As amostras precisam geralmente de preparação para retirar substâncias que interferem na análise do constituinte desejado, e, talvez converter o constituinte em análise em uma forma disponível para a análise. Obtenção da amostra Seleção do método 13 Além da escolha criteriosa de uma amostra, deve-se ter cuidado com o armazenamento desta amostra. Não importando que a amostragem seja simples ou complexa, todavia, o analista deve ter a certeza de que a amostra de laboratório é representativa do todo antes de realizar a análise. Frequentemente, a amostragem é a etapa mais difícil e a fonte dos maiores erros. A confiabilidade dos resultados finais da análise nunca será maior que a confiabilidade da etapa de amostragem. Obtenção da amostra Seleção do método 14 A terceira etapa em uma análise: Processamento da amostra. Sob certas circunstâncias, nenhum processamento é necessário antes da etapa de medida. Ex.: uma vez que uma amostra de água é retirada de um córrego, seu pH pode ser medido diretamente. Na maior parte das vezes, porém, devemos processar a amostra de alguma forma. A primeira etapa é, muitas vezes, a preparação da amostra de laboratório. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 15 Preparação da Amostra de Laboratório: Uma vez selecionado o conjunto de amostras, deve ser preparada uma amostra de laboratório para análise. Um sólido bruto deve ser macerado e misturado de forma que a amostra de laboratório tenha a mesma composição do conjunto de amostras. Os sólidos são secados normalmente a 110ºC sob pressão atmosférica para retirar a água adsorvida antes da análise. Amostras sensíveis à temperatura podem simplesmente ser armazenadas em um meio que as mantenha com um nível de umidade reprodutível e constante. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 16 A absorção ou liberação de água pode ocorrer durante cada uma das etapas, dependendo da umidade do ambiente. Como qualquer perda ou ganho de água altera a composição química de sólidos, é uma boa ideia secar as amostras logo antes do início da análise. Alternativamente, a umidade de uma amostra pode ser determinada no momento da análise, em um procedimento analítico à parte. É importante dissolver a amostra inteira para assegurar que todos os constituintes estejam dissolvidos para análise. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 17 Se a amostra não se dissolve em condições moderadas, pode ser usada a digestão ou fusão ácida. A matéria orgânica pode ser destruída por combustão ou carbonização úmida (oxidação com reagentes líquidos) para colocaros elementos orgânicos numa forma mais disponível. Os sólidos podem ser moídos em um almofariz e pistilo: Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra Almofariz de ágata Almofariz de cerâmica Almofariz de carbeto de boro 18 O almofariz de ágata (ou de porcelana, mulita e alumina) é projetado para moer pequenas partículas em pó bem fino. O almofariz e o pistilo de carbeto de boro são 5x mais duros do que o de ágata e menos propenso à contaminação da amostra. Um moinho de bolas é um dispositivo de moagem no qual bolas de aço ou cerâmica rodam dentro de um cilindro para moer a amostra em um pó muito fino. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 19 As amostras líquidas apresentam um conjunto de problemas ligeiramente diferentes, mas ainda assim relacionados, durante a etapa de preparação. Se essas amostras forem deixadas em frascos abertos, os solventes podem evaporar e alterar a concentração do analito. Se o analito for um gás dissolvido em um líquido, o frasco da amostra deve ser mantido dentro de um segundo recipiente selado, para prevenir a contaminação por gases atmosféricos. Medidas especiais, incluindo a manipulação da amostra e a medida em atmosfera inerte, podem ser exigidas para preservar a integridade da amostra. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 20 21 Definição das Réplicas da Análise: -A maioria das análises químicas é realizada em réplicas de amostras cujas massas ou volumes tenham sido determinados cuidadosamente realizados. -As réplicas melhoram a qualidade dos resultados e fornecem uma medida de confiabilidade. -As medidas quantitativas em réplicas são geralmente expressas em termos da média e vários testes estatísticos são executados para estabelecer a confiabilidade. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 22 Preparo de Soluções: Alterações Físicas e Químicas A maioria das análises é realizada com soluções da amostra preparadas em um solvente adequado. Idealmente, o solvente deve dissolver toda a amostra, incluindo o analito, de forma rápida e completa. As condições da dissolução devem ser suficientemente brandas de forma que perdas do analito não venham a ocorrer. Infelizmente vários materiais que precisam ser analisados são insolúveis em solventes comuns. Ex.: minerais à base de silício, os polímeros de alta massa molar e as amostras de tecido animal. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 23 Nessas circunstâncias, devemos realizar alguns tratamentos químicos drásticos. A conversão do analito em materiais dessa natureza em uma forma solúvel é, frequentemente, a tarefa mais difícil e demorada no processo analítico. A amostra pode necessitar de aquecimento em soluções aquosas de ácidos fortes, bases fortes, agentes oxidantes, agentes redutores ou alguma combinação desses reagentes. Pode ser necessária a ignição da amostra ao ar ou ao oxigênio para realizar sua fusão, sob elevadas temperaturas, na presença de vários fundentes. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 24 - DISSOLVENDO MATERIAIS INORGÂNICOS COM ÁCIDOS Os ácidos não-oxidantes como o HCl, HBr, HF, H3PO4, H2SO4 diluído e HClO4 dissolvem metais por meio de reação redox. Os metais com potencias de redução negativo se dissolvem, embora alguns, como o Al, formem um revestimento protetor de óxido que inibe a dissolução. Espécies voláteis formadas por protonação de ânions como o carbonato (CO3 2-), sulfeto (S2-), fosfito (P3-), fluoreto (F-) e borato (BO3 3-) serão eliminados por ácidos quentes em frascos abertos. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 25 HF quente é especialmente útil para a dissolução de silicatos. Para o HCl, HBr, H2SO4, H3PO4 e HClO4 podem ser usados frascos de vidro ou de platina, para o HF deve ser usado frascos de teflon, polietilieno, prata ou platina. As substâncias que não se dissolvem em ácidos não-oxidantes podem se dissolver no ácido oxidante HNO3; em H2SO4 concentrado a quente; ou em HClO4 concentrado a quente. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 26 27 O HNO3 ataca a maioria dos metais, mas não ataca a prata e a platina, que se dissolvem água réguia (mistura 3:1 de HCl:HNO3). Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra A digestão é feita numa bomba de Teflon aquecida em um forno de microondas. A bomba não pode ser feita de metal que absorve as microondas. Uma vantagem da bomba é que ela é resfriada antes de ser aberta, evitando assim a perda de produtos voláteis. 28 DISSOLVENDO MATERIAIS INORGÂNICOS POR FUSÃO Substâncias que não se dissolvem em ácido geralmente podem ser dissolvidas por um fundente inorgânico derretido e quente. A maioria das fusões usa tetraborato de lítio (Li2B4O7, p.f. 930ºC), metaborato de lítio (LiBO2, p.f. 845ºC) ou uma mistura dos dois. Pode ser adicionado um agente antiumectante como o KI para evitar que o fundente cole no cadinho. Ex.: 2 g de cimento pode ser fundido com 2 g de Li2B4O7 e 30 mg de KI. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 29 30 -DECOMPOSIÇÃO DE SUBSTÂNCIAS ORGÂNICAS A digestão de matéria orgânica é classificada em -carbonização seca – quando o processo não envolve líquido -Carbonização úmida – quando é usado líquido A fusão com Na2O2 (oxidação de Parr) ou com metais alcalinos pode ser feita numa bomba fechada. Processos de carbonização úmida convenientes envolvem a digestão em microondas com ácido numa bomba de Teflon. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 31 32 Ex.: tecido animal pode ser digerido para a análise de metais colocando-se a amostra em frasco de Teflon de 60mL contendo HNO3; H2SO4 de alta pureza e aquecendo-se em forno de microondas de cozinha. - Digestão de Kjeldahl: processo de carbonização úmida utilizando H2SO4 para análise de nitrogênio. - Método de Carius: digestão com HNO3 fumegante em tubo de vidro de parede reforçada fechado, a 200º-300ºC. São adicionados H2SO4 ou uma mistura de H2SO4 e HNO3 a uma substância orgânica em um tubo de digestão de vidro tampado com uma tampa de refluxo. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 33 Primeiro a amostra é carbonizada por 10 a 20 minutos em refluxo suave até que todas as partículas se dissolvam e a solução tenha aparência negra uniforme. O aparelho é desligado e a amostra é resfriada por 2 minutos. É feita a oxidação pela adição de H2O2 ou de HNO3 através de uma tampa de refluxo até que desapareça a cor, ou que a solução fique pouco tingida. Se a solução não estiver homogênea, o aparelho é ligado e a amostra é aquecida para solubilizar todos os sólidos. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 34 Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 35 A carbonização úmida com refluxo de HNO3 - HClO4 é um processo muito aplicado, porém perigoso, pois o ácido perclórico causa numerosas explosões. Deve-se primeiro aquecer amostra lentamente até a ebulição com HNO3 mas sem o HClO4. Adicionar HNO3 novamente e repetir a operação diversas vezes. Após o resfriamento até a temperatura ambiente adicionar HClO4 e aquecer novamente. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 36 A combinação de Fe2+ e H2O2 – reagente de Fenton- oxida a matéria orgânica em soluções aquosas diluídas.Ex.: os compostos orgânicos de urina são destruídos em 30 minutos a 50ºC liberando traços de mercúrio para análise. Uma vez que o analito esteja solubilizado - a amostra apresenta uma propriedade que seja proporcional à sua concentração e podemos medi-la. Caso contrário, outras etapas químicas podem ser necessárias para converter o analito a uma forma adequada para a medida. Ex.:determinação de Mn em aço, o Mn deve ser oxidado para MnO4 – antes da medida da absorbância. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra 37 Nesse momento da análise, pode-se prosseguir diretamente para a etapa de medida, porém, na maioria dos casos, devemos eliminar as interferências na amostra antes de realizar as medidas. Uma vez que temos a amostra em solução → converter o analito a uma forma apropriada para a medida. Antes eliminar substâncias presentes na amostra que possam interferir na medida. Seleção do método Obtenção da amostra Processamento da amostra Propriedade Mensurável Eliminação de interferências 38 Poucas propriedades químicas e físicas de importância na química analítica são exclusivas de uma única substância química. Ao contrário, as reações usadas e as propriedades medidas são características de um grupo de elementos ou compostos. As espécies além do analito, que afetam a medida final, são chamadas interferências ou interferentes. Um plano deve ser traçado para se isolar os analitos das interferências antes que a medida final seja feita. Não há regras claras e rápidas para a eliminação de interferências; de fato, a resolução desse problema pode ser o aspecto mais crítico de uma análise. Eliminação de interferências 39 TÉCNICAS DE PREPARAÇÃO DE AMOSTRAS A preparação de uma amostra pode incluir: 1.Dissolução da amostra 2. Extração do constituinte em análise de uma matriz complexa 3. A concentração de um constituinte diluído em um nível que ele possa ser medido 4. Conversão química do constituinte em análise a uma forma detectável 5. Retirada ou o mascaramento de espécies interferentes. 40 Técnicas de Extração Líquida: Na extração o constituinte em análise é dissolvido em um solvente que não dissolve a amostra inteira e não decompõe o constituinte. Ex.: na extração por microondas de pesticidas do solo, uma mistura contendo o solo e os solventes acetona e hexano é colocada numa bomba de Teflon e aquecida por microondas a 150ºC. Esta temperatura é 50ºC maior do que os pontos de ebulição de cada solvente em um recipiente aberto na pressão atmosférica. Os pesticidas solúveis se dissolvem, mas a maior parte do solo permanece insolúvel. O líquido é analisado por cromatografia. Preparação De Amostras 41 Extração por fluido supercrítico: usa um fluido supercrítico como solvente de extração. O CO2 é o fluido supercrítico mais comum - é relativamente barato e elimina a necessidade de remoção dos solventes orgânicos, que é cara. A adição de um segundo solvente como o MeOH aumenta a solubilidade de constituintes polares. Na extração por fluido supercrítico o fluido pressurizado é bombeado por um recipiente de extração aquecido. O fluido pode ficar em contato com a amostra por algum tempo ou ser bombeado nela continuamente. Preparação De Amostras 42 Ao sair, o CO2 evapora, deixando o constituinte em análise extraído no recipiente da coleta. Alternativamente, o CO2 pode ser borbulhado num solvente no recipiente de coleta para formar uma solução constituinte em análise. Preparação De Amostras 43 Vidraria utilizada para a extração líquido-líquido contínua de um constituinte não-volátil: Preparação De Amostras Aparelhagem para extração líquido- líquido contínua usada quando o solvente é (a) mais denso do que o líquido que está sendo extraído ou (b) menos denso do que o líquido que está sendo extraído. 44 - Extração em Fase Sólida: A extração em fase sólida usa um pequeno volume de uma fase estacionária cromatográfica para isolar de uma amostra os constituintes desejados. Preparação De Amostras A extração retira uma grande parte da matriz da amostra para simplificar a análise. Normalmente 1 mL de fase sólida está contido numa coluna ou seringa. 45 A extração em fase sólida pode diminuir o consumo de solvente na química analítica. Ex.: análise de pesticidas em despejos aquáticos emprega 200 mL de diclorometano por extração em fase sólida em discos de sílica-C18. Os pesticidas são recuperados do disco pela extração em fluido supercrítico com CO2, que é despejado num pequeno volume de hexano. Esta análise pode salvar 105 kg de CH2Cl2 por ano. Preparação De Amostras 46 Etapas da extração em fase sólida: Preparação De Amostras 47 - Pré-Concentração: As análises-traço precisam frequentemente da pré-concentração do constituinte em análise para tê-lo em uma concentração maior antes da análise. Os íons metálicos presentes nas águas naturais podem ser pré- concentrados com uma resina de troca de cátions. As resinas de troca iônica podem capturar gases básicos ou ácidos. O carbonato liberado como CO2 do (ZrO)2CO3(OH)2.xH2O usado no processamento de combustível nuclear pode ser medido colocando-se uma quantidade conhecida de sólido pulverizado no tubo de ensaio e adicionando-se solução de HNO3. 48 Quando a solução é purgada com N2, o CO2 é capturado quantitativamente pela resina de troca aniônica umedecida na pistola: O carbonato é eluído da resina com solução 1 M de NaNO3 e medido pela titulação com ácido. CO2 + H2O H2CO3 2resina+OH- + H2CO3 (resina +)CO3 2- + H2O 49 50 Seleção e manuseio de reagentes e produtos químicos A pureza dos reagentes tem um peso importante na exatidão vinculada a qualquer análise. É, portanto, essencial que a qualidade de um reagente seja consistente com seu propósito de uso. Classificação de Produtos Químicos Grau do Reagente Os produtos químicos de grau reagente estão de acordo com os padrões mínimos estabelecidos pelo Comitê de Reagentes Químicos da American Chemical Society (ACS) e são utilizados onde for possível no trabalho analítico. 51 Grau-Padrão Primário As qualidades requeridas para um padrão primário, principalmente extraordinária pureza,. Reagentes Químicos para Uso Especial Os produtos químicos que tenham sido preparados para uma aplicação específica também estão disponíveis. Entre eles estão incluídos os solventes para espectrofotometria e para cromatografia líquida de alta eficiência. Os dados fornecidos para um solvente espectrofotométrico, por exemplo, podem incluir sua absorbância em comprimentos de onda selecionados e seu comprimento de onda de corte do ltravioleta. 52 ERROS EM QUÍMICA ANALÍTICA O erro experimental Erro Sistemático (erro determinado) - Aparece como uma falha no projeto de um experimento ou em uma falha de um equipamento. -É reprodutível se você conduzir o experimento várias vezes exatamente da mesma maneira. -Pode ser descoberto e corrigido, embora isto não seja muito fácil. Ex.: o uso de um medidor de pH que foi padronizado incorretamente produz um erro sistemático. sistemático aleatório 53 Ex.: A utilização de uma bureta não-calibrada. A característica chave: o erro sistemático é reprodutível. Erro Aleatório (erro indeterminado) - Resulta de efeitos de variáveis descontroladas (e possivelmente incontroláveis) nas medidas. - Está sempre presente, não é corrigido e é a última limitação na determinação de uma grandeza. - Um tipo de erro aleatório está associado à leitura em escala. Ex.: uma pessoa lendo omesmo instrumento diversas vezes provavelmente obterá diversas leituras diferentes. 54 Precisão e Exatidão Precisão é uma medida de reprodutibilidade de um resultado. Se você medir uma quantidade várias vezes e os valores forem muito próximos uns dos outros, sua medida é precisa. Se os valores variarem muito - sua medida não é precisa. Exatidão se refere a quão próximo um valor de uma medida está do valor “verdadeiro”. Exatidão é o seu valor mais próximo do valor conhecido. O resultado de um experimento pode ser completamente reprodutível, porém errado. 55 56 - Ex.: se você comete um erro na preparação de uma solução para uma titulação, tal solução não deverá ter a concentração desejada. Serão obtidas titulações com valores altamente reprodutíveis, porém o resultado será incorreto. Em cada caso, a precisão dos resultados é excelente mas a exatidão é pequena. Ao contrário, é possível realizar uma série de medidas pouco reprodutíveis, agrupadas em torno de um valor correto. Neste caso, a precisão é pequena mas a exatidão é grande. Um procedimento ideal, proporciona tanto precisão quanto exatidão ( próximo do valor verdadeiro). 57 Referências Bibliográficas: 1. HARRIS, D. C. Análise Química Quantitativa. 8ª Edição., Rio de Janeiro, Editora Livros Técnicos e Científicos S. A., 2012. 2. SKOOG, D. A.; West, D. A.; Holler, F. J.; Crouch, S. R.; Fundamentos de Química Analítica, 9ª Edição, Editora Thomson, 2014. 3. VOGEL, A. I. Analise Química Quantitativa. 6 ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos. 2002. 4. BACCAN, N. Química Analítica Quantitativa Elementar. São Paulo: Edgard Blücher. 2001. 58
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