Fundamentos de Química Analítica - Skoog West Holler Crouch - 8ª Edição

FUNDAMENTOS DE Química Analítica Tradução da 8ª edição norteamericana Skoog West Holler Crouch A química analítica é uma ciência de medição que consiste em um conjunto de idéias e métodos poderosos que são úteis em todos os campos da ciência e medicina Um fato excitante que ilustra o potencial e a relevância da química analítica ocorreu em 4 de julho de 1997 quando a nave espacial Pathfinder quicou várias vezes até estacionar no Ares Vallis em Marte e liberou o robô Sojourner de seu corpo tetraédrico para a superfície marciana O mundo ficou fascinado pela missão Pathfinder Como resultado inúmeros sites que acompanhavam a missão ficaram congestionados pelos milhões de navegadores da rede mundial de computadores que moni toravam com atenção os progressos do minúsculo jipe Sojourner em sua busca por informações rela cionadas com a natureza do planeta vermelho O experimentochave do Sojourner utilizou o APXS ou espectrômetro de raios X por prótons alfa que combina três técnicas instrumentais avançadas a espectroscopia retrodispersiva de Rutherford espectroscopia de emissão de prótons e fluorescência de raios X Os dados de APXS foram coletados pela Pathfinder e transmitidos para a Terra para análise posterior visando determinar a identidade e concentração da maioria dos elementos da tabela pe riódica1 A determinação da composição elementar das rochas marcianas permitiu que geólogos as identificassem e comparassem com rochas terrestres A missão Pathfinder é um exemplo excelente que ilustra uma aplicação da química analítica a problemas práticos Os experimentos realizados pela nave espacial e os dados gerados pela missão também ilustram como a química analítica recorre à ciência e à tecnologia por meio de disciplinas amplamente diversificadas como a física nuclear e a quí mica para identificar e determinar as quantidades relativas das substâncias em amostras de matéria O exemplo da Pathfinder demonstra que ambas as informações quantitativas e qualitativas são requeridas em uma análise A análise qualitativa estabelece a iden tidade química das espécies presentes em uma amostra A análise quantitativa determina as quantidades relativas das espécies ou analitos em termos numéricos Os dados do espectrômetro APXS do Sojourner contêm ambos os tipos de informação Observe que a separação química dos vários elementos contidos nas rochas foi desnecessária no experimento de APXS Freqüentemente uma eta pa de separação é parte necessária do processo analítico Como ve remos a análise qualitativa é muitas vezes uma parte integral da etapa de separação e a determinação da identidade dos analitos A análise qualitativa revela a identidade dos elementos e compostos de uma amostra 1 Para informações detalhadas sobre a instrumentação APXS contida no Sojourner vá ao endereço httpwwwthomsonlearningcombr Acesse na página do livro e no item material suplementar para estudantes no menu Chapter Resources escolha web works Localize a seção Chapter 1 e encontre os links para a descrição geral do pacote de instrumentos do Sojourner um artigo que descreve em detalhes a operação do instrumento APXS e os resultados das análises elementares de várias rochas marcianas A análise quantitativa indica a quantidade de cada substância presente em uma amostra Os analitos são os componentes de uma amostra a ser determinados CAPÍTULO 1 A Natureza da Química Analítica constituise em um auxílio essencial para a análise quantitativa Neste livro vamos explorar os métodos quantitativos de análise os métodos de separação e os princípios que regem suas operações 1A O PAPEL DA QUÍMICA ANALÍTICA A química analítica é empregada na indústria na medicina e em todas as outras ciências Considere alguns exemplos As concentrações de oxigênio e de dióxido de carbono são determinadas em milhões de amostras de sangue diariamente e usadas para diagnosticar e tratar doenças As quantidades de hidrocarbonetos óxidos de nitrogênio e monóxido de carbono presentes nos gases de descarga veiculares são determinadas para se avaliar a eficiência dos dispositivos de controle da poluição do ar As medidas quantitativas de cálcio iônico no soro sanguíneo ajudam no diagnóstico de doenças da tireóide em seres humanos A determinação quantitativa de nitrogênio em alimentos indica o seu valor protéico e desta forma o seu valor nutricional A análise do aço durante sua produção permite o ajuste nas concentrações de elementos como o carbono níquel e cromo para que se possa atingir a resistência física a dureza a resistência à corrosão e a flexibilidade desejadas O teor de mercaptanas no gás de cozinha deve ser monitorado com frequência para garantir que este tenha um odor ruim a fim de alertar a ocorrência de vazamentos Os fazendeiros planejam a programação da fertilização e a irrigação para satisfazer as necessidades das plantas durante a estação de crescimento que são avaliadas a partir de análises quantitativas nas plantas e nos solos nos quais elas crescem As medidas analíticas quantitativas também desempenham um papel fundamental em muitas áreas de pesquisa na química bioquímica biologia geologia física e outras áreas da ciência Por exemplo determinações quantitativas dos íons potássio cálcio e sódio em fluidos biológicos de animais permitem aos fisiologistas estudar o papel desses íons na condução de sinais nervosos assim como na contração e no relaxamento muscular Os químicos solucionam os mecanismos de reações químicas por meio de estudos da velocidade de reação A velocidade de consumo de reagentes ou de formação de produtos em uma reação química pode ser calculada a partir de medidas quantitativas feitas em intervalos de tempo iguais Os cientistas de materiais confiam muito nas análises quantitativas de germânio e silício cristalinos em seus estudos sobre dispositivos semicondutores As impurezas presentes nesses dispositivos estão na faixa de concentração de 1 10⁶ a 1 10⁹ Os arqueólogos identificam a fonte de vidros vulcânicos obsidiana pelas medidas de concentração de elementos minoritários em amostras de vários locais Esse conhecimento torna possível rastrear as rotas de comércio préhistóricas de ferramentas e armas confeccionadas a partir da obsidiana Muitos químicos bioquímicos e químicos medicinais despendem bastante tempo no laboratório reunindo informações quantitativas sobre sistemas que são importantes e interessantes para eles O papel central da química analítica nessa área do conhecimento assim como em outras está ilustrado na Figura 11 Todos os ramos da química baseiamse nas ideias e nas técnicas da química analítica A química analítica tem uma SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 1 A Natureza da Química Analítica 3 Solo de Marte Cortesia da NASA Figura 11 Relações entre a química analítica outras áreas da química e outras ciências A localização central da química analítica no diagrama representa sua importância e a abrangência de sua interação com muitas outras disciplinas Agricultura Agronomia Ciência dos Animais Ciência da Produção Ciência dos Alimentos Horticultura Ciência dos Solos Ciências do Meio Ambiente Ecologia Meteorologia Oceanografia Geologia Geofísica Geoquímica Paleontologia Paleobiologia Biologia Botânica Genética Microbiologia Biologia Molecular Zoologia Química Bioquímica Química Inorgânica Química Orgânica FísicoQuímica Física Astrofísica Astronomia Biofísica Engenharia Civil Química Elétrica Mecânica Medicina Química Clínica Química Medicinal Farmácia Toxicologia Ciência dos Materiais Metalurgia Polímeros Estado Sólido Ciências Sociais Arqueologia Antropologia Forense Química Analítica função similar em relação a muitas outras áreas do conhecimento listadas no diagrama A química é fre qüentemente denominada a ciência central sua posição superior central e a posição central da química analítica na figura enfatizam essa importância A natureza interdisciplinar da análise química a torna uma fer ramenta vital em laboratórios médicos industriais governamentais e acadêmicos em todo o mundo 1B MÉTODOS ANALÍTICOS QUANTITATIVOS Calculamos os resultados de uma análise quantitativa típica a partir de duas medidas Uma delas é a massa ou o volume de uma amostra que está sendo analisada A outra é a medida de alguma grandeza que é pro porcional à quantidade do analito presente na amostra como massa volume intensidade de luz ou carga elétrica Geralmente essa segunda medida completa a análise e classificamos os métodos analíticos de acordo com a natureza dessa medida final Os métodos gravimétricos determinam a massa do analito ou de algum composto quimicamente a ele relacionado Em um método volumétrico medese o volume da solução contendo reagente em quantidade suficiente para reagir com todo analito presente Os métodos eletroanalíticos envolvem a medida de alguma propriedade elétrica como o potencial corrente resistência e quantidade de carga elétrica Os métodos espectroscópicos baseiamse na medida da interação entre a radiação eletromagnética e os átomos ou as moléculas do analito ou ainda a produção de radiação pelo analito Finalmente um grupo de métodos variados inclui a medida de grandezas como razão massacarga de moléculas por espectrometria de massas velocidade de decaimento radiativo calor de reação condu tividade térmica de amostras atividade óptica e índice de refração 1C UMA ANÁLISE QUANTITATIVA TÍPICA Uma análise quantitativa típica envolve uma seqüência de etapas mostrada no fluxograma da Figura 12 Em alguns casos uma ou mais dessas etapas podem ser omitidas Por exemplo se a amostra for líquida podemos evitar a etapa de dissolução Os primeiros 29 capítulos deste livro focalizam as três últimas eta pas descritas na Figura 12 Na etapa de determinação medimos uma das propriedades mencionadas na Seção 1B Na etapa de cál culo encontramos a quantidade relativa do analito presente nas amostras Na etapa final avaliamos a qua lidade dos resultados e estimamos sua confiabilidade Nos parágrafos que seguem você vai encontrar uma breve visão geral sobre cada uma das nove eta pas mostradas na Figura 12 Então apresentaremos um estudo de caso para ilustrar essas etapas na reso lução de um importante problema analítico prático Os detalhes do estudo de caso prenunciam muitos dos métodos e idéias que você vai explorar em seus estudos envolvendo a química analítica 1C1 A Escolha do Método A primeira etapa essencial de uma análise quantitativa é a seleção do método como mostrado na Figura 12 Algumas vezes a escolha é difícil e requer experiência assim como intuição Uma das primeiras questões a ser considerada no processo de seleção é o nível de exatidão requerido Infelizmente a alta confiabilidade quase sempre requer grande investimento de tempo Geralmente o método selecionado representa um com promisso entre a exatidão requerida e o tempo e recursos disponíveis para a análise Uma segunda consideração relacionada com o fator econômico é o número de amostras que serão analisadas Se existem muitas amostras podemos nos dar o direito de gastar um tempo considerável em operações preliminares como montando e calibrando instrumentos e equipamentos e preparando soluções padrão Se temos apenas uma única amostra ou algumas poucas amostras pode ser mais apropriado sele cionar 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 1C2 Obtenção da Amostra Como ilustrado na Figura 12 a próxima etapa em uma análise quantitativa é a 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 4 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON é requerido para se obter uma amostra representativa Considere por exemplo um vagão contendo 25 toneladas de minério de prata O com prador e o vendedor do minério precisam concordar com o preço que deverá ser baseado no conteúdo de prata do carregamento O minério propriamente dito é inerentemente heterogêneo consistindo em muitos torrões que variam em tamanho e igualmente no conteúdo de prata A dosagem desse carregamento será realizada em uma amostra que pesa cerca de um grama Para que a análise seja significativa essa pequena amostra deve ter uma composição que seja representativa das 25 toneladas ou aproximadamente 25000000 g do minério contido no carregamento O isolamento de um grama do material que represente de forma exata a composição média de aproximadamente 25000000 g SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 1 A Natureza da Química Analítica 5 Figura 12 Fluxograma mostrando as etapas envolvidas em uma análise quantitativa Existe grande número de caminhos possíveis para percorrer as etapas em uma análise quantitativa No exemplo mais simples representado pela seqüência vertical central selecionamos um método adquirimos e processamos a amostra dissolvemos a amostra em um solvente apropriado medimos uma propriedade do analito e estimamos a confiabilidade dos resultados Dependendo da complexidade da amostra e do método escolhido várias outras etapas podem ser necessárias Estimativa da confiabilidade dos resultados Cálculo dos resultados Medida da propriedade X Eliminação das interferências Processamento da amostra Realização da dissolução química Não Sim Obtenção da amostra Seleção do método Propriedade mensurável Sim Mudança da forma química Não A amostra é solúvel Um material é heterogêneo se suas partes constituintes podem ser distinguidas visualmente ou com o auxílio de um microscópio O carvão os tecidos animais e o solo são materiais heterogêneos Uma dosagem é o processo de determinar quanto de uma dada amostra é o material indicado pela sua descrição Por exemplo uma liga de zinco é dosada para se determinar seu conteúdo em zinco e sua dosagem representa um valor numérico específico Analisamse amostras e determinamse substâncias Por exemplo uma amostra de sangue é analisada para se determinar a concentração de várias substâncias tais como gases sanguíneos e glicose Portanto falamos em determinação de gases sanguíneos ou glicose e não em análise de gases sanguíneos ou glicose tem que a amostra seja representativa do paciente no momento em que é coletada e que sua integridade seja preservada até que a amostra possa ser analisada Muitos problemas envolvendo amostragem são mais fáceis de ser resolvidos que os dois descritos neste momento 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 Freqüentemente 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 1C3 O Processamento da Amostra A terceira etapa em uma análise é o processamento da amostra como mostrado na Figura 12 Sob certas circunstâncias nenhum processamento é necessário antes da etapa de medida Por exemplo uma vez que uma amostra de água é retirada de um córrego um lago ou de um oceano 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 Preparação da Amostra de Laboratório Uma amostra de laboratório sólida é triturada para diminuir o tamanho das partículas misturada para garantir homogeneidade e armazenada por vários períodos antes do início da análise 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 idéia 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 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 como em nosso exemplo sobre gases sanguíneos o frasco da amostra deve ser mantido dentro de um segundo recipiente selado talvez durante todo o procedimento analítico 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 Definição das Réplicas de Amostras A maioria das análises químicas é realizada em réplicas de amostras cujas massas ou volumes tenham sido determinados cuidadosamente por medições feitas com uma balança analítica ou com um dispositivo de toda a amostra é uma tarefa difícil que exige manipulação cuidadosa e sistemática de todo o material do carregamento A amostragem é o processo de coletar uma pequena massa de um material cuja composição represente exatamente o todo do material que está sendo amostrado Os detalhes da amostragem são explorados no Capítulo 8 A coleta de espécimes de fontes biológicas representa um segundo tipo de problema de amostragem A amostragem de sangue humano para a determinação de gases sanguíneos ilustra a dificuldade de obtenção de uma amostra representativa de um sistema biológico complexo A concentração de oxigênio e dióxido de carbono no sangue depende de uma variedade de fatores fisiológicos e ambientais Por exemplo a aplicação inadequada de um torniquete ou movimento da mão pode causar uma flutuação na concentração de oxigênio no sangue Uma vez que os médicos tomam suas decisões de vida ou morte baseados em resultados de determinações de gases sanguíneos procedimentos rigorosos têm sido desenvolvidos para a amostragem e o transporte de espécimes para os laboratórios clínicos Esses procedimentos garan volumétrico preciso As réplicas melhoram a qualidade dos resultados e fornecem uma medida da confiabilidade As medidas quantitativas em réplicas são geralmente expressas em termos da média e vários testes estatísticos são executados para estabelecer a confiabilidade 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 Em nosso fluxograma da Figura 12 perguntamos se a amostra é solúvel no solvente escolhido Infelizmente vários materiais que precisam ser analisados são insolúveis em solventes comuns Os exemplos incluem os minerais à base de silício os polímeros de alta massa molar e as amostras de tecido animal Nessas circunstâncias devemos seguir o fluxograma para a etapa à direita e realizar alguns tratamentos químicos drásticos A conversão do analito em materiais dessa natureza em uma forma solúvel é freqüentemente 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 Uma vez que o analito esteja solubilizado perguntamos se a amostra apresenta uma propriedade que seja proporcional à sua concentração e se podemos medila Caso contrário outras etapas químicas podem ser necessárias para converter o analito a uma forma adequada para a etapa de medida como podemos observar na Figura 12 Por exemplo na determinação de manganês em aço o manganês deve ser oxidado para MnO4 antes da medida da absorbância da solução colorida ver Capítulo 26 Nesse momento da análise podese prosseguir diretamente para a etapa de medida porém na maioria dos casos devemos eliminar as interferências na amostra antes de realizar as medidas como ilustrado no fluxograma 1C4 A Eliminação de Interferências Uma vez que temos a amostra em solução e convertemos o analito a uma forma apropriada para a medida a próxima etapa será eliminar substâncias presentes na amostra que possam interferir na medida ver Figura 12 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 Os capítulos 30 a 35 descrevem os métodos de separação 1C5 Calibração e Medida da Concentração Todos os resultados analíticos dependem de uma medida final X de uma propriedade física ou química do analito como mostrado na Figura 12 Essa propriedade deve variar de uma forma conhecida e reprodutível com a concentração cA do analito Idealmente a medida da propriedade é diretamente proporcional à concentração Isto é cA kX Réplicas de amostras são as porções de um material que possuem o mesmo tamanho e que são tratadas por um procedimento analítico ao mesmo tempo e da mesma forma Interferência ou interferente é uma espécie que causa um erro na análise pelo aumento ou atenuação diminuição da quantidade que está sendo medida Técnicas ou reações que funcionam para um único analito são denominadas específicas Técnicas ou reações que se aplicam a poucos analitos são chamadas seletivas A matriz ou matriz da amostra são todos os outros componentes da amostra na qual o analito está contido O processo de determinação de k uma etapa importante na maioria das análises é denominado calibração em que k é uma constante de proporcionalidade Com duas exceções os métodos analíticos requerem a determinação empírica de k com padrões químicos para os quais cA é conhecido2 O processo de determinação de k é então uma etapa importante na maioria das análises essa etapa é chamada calibração Examinaremos a calibração com algum detalhe no Capítulo 8 1C6 Cálculo dos Resultados O cálculo das concentrações dos analitos a partir de dados experimentais é em geral relativamente fácil particularmente com as calculadoras e os computadores modernos Essa etapa é apresentada na penúltima etapa da Figura 12 Esses cálculos são baseados nos dados experimentais crus na forma em que foram originalmente obtidos coletados na etapa de medida nas características dos instrumentos de medida e na estequiometria das reações químicas Muitos exemplos desses cálculos aparecem ao longo deste livro 1C7 A Avaliação dos Resultados pela Estimativa da Confiabilidade Como mostra a Figura 12 os resultados analíticos são incompletos sem uma estimativa de sua confiabilidade O analista deve prover alguma medida das incertezas associadas aos resultados quando se espera que os dados tenham algum significado Os capítulos 5 6 e 7 apresentam métodos detalhados para a realização dessa importante etapa final do processo analítico Um resultado analítico sem uma estimativa da confiabilidade não vale nada UM PAPEL INTEGRADO DA ANÁLISE QUÍMICA SISTEMAS CONTROLADOS POR REALIMENTAÇÃO Geralmente a química analítica não é um fim em si mesma mas sim parte de um cenário maior no qual podemos usar os resultados analíticos para ajudar na manutenção ou na melhora da saúde de um paciente para controlar a quantidade de mercúrio em peixes para regular a qualidade de um produto para determinar a situação de uma síntese ou para saber se existe vida em Marte A análise química é o elemento de medida em todos esses exemplos e em muitos outros casos Considere o papel da análise quantitativa na determinação e controle das concentrações de glicose no sangue O fluxograma da Figura 13 ilustra o processo Os pacientes com diabetes insulinodependentes desenvolvem hiperglicemia que se manifesta quando a concentração de glicose no sangue fica acima do valor normal entre 60 e 95 mgdL Iniciamos nosso exemplo estabelecendo que o estado desejado é aquele no qual o nível sanguíneo de glicose seja menor que 95 mgdL Muitos pacientes precisam monitorar seu nível de glicose no sangue submetendo periodicamente amostras a um laboratório de análises clínicas ou por medidas feitas por eles mesmos usando um medidor eletrônico portátil de glicose A primeira etapa no processo de monitoração consiste em se determinar o estado real por meio da coleta de uma amostra de sangue do paciente e da medida do nível de glicose no sangue Os resultados são mostrados e então o estado real é comparado com o desejado ver Figura 13 Se o nível medido de glicose no sangue estiver acima de 95 mgdL o nível de insulina no paciente que é a quantidade de controle deve ser aumentado por injeção ou administração oral Depois de algum tempo para permitir que a insulina faça efeito o nível de glicose é novamente medido para determinar se o estado desejado foi alcançado Se o nível estiver abaixo do valorlimite crítico o nível de insulina foi mantido então não há a necessidade de se aplicar mais insulina Após um tempo apropriado o nível de glicose no sangue é novamente medido e o ciclo repetido Dessa forma o nível de insulina no sangue do paciente e portanto o nível de glicose é mantido no ou abaixo do valorlimite crítico mantendo o metabolismo do paciente sob controle 2 As duas exceções são os métodos gravimétricos discutidos no Capítulo 12 e os métodos coulométricos considerados no Capítulo 22 Em ambos os métodos k pode ser calculada a partir de constantes físicas conhecidas Figura 13 Fluxograma de um sistema controlado por realimentação O estado desejado é determinado o estado real do sistema é medido e os dois estados são comparados A diferença entre os dois estados é utilizada para alterar uma quantidade controlável que resulta em uma mudança no estado do sistema As medidas quantitativas são novamente realizadas pelo sistema e a comparação é repetida A nova diferença entre o estado desejado e o estado real é outra vez empregada para alterar o estado do sistema se necessário O processo cuida para que haja monitoração e respostas contínuas para a manutenção da quantidade controlável e portanto o estado real em níveis adequados O texto descreve a monitoração e o controle da concentração de glicose no sangue como um exemplo de um sistema controlado por realimentação O processo de medir e controlar continuamente é com freqüência denominado sistema controlado por realimentação e o ciclo envolvendo medida comparação e controle é chamado ciclo de realimentação Essas idéias encontram vasta aplicação em sistemas biológicos e bioquímicos e sistemas mecânicos e eletrônicos Da medida e do controle da concentração de manganês em aço até a manutenção dos níveis adequados de cloro em uma piscina a análise química desempenha um papel central em uma ampla gama de sistemas DESTAQUE 11 Morte de Cervos Um Estudo de Caso Ilustrando o Uso da Química Analítica na Solução de um Problema em Toxicologia As ferramentas da química analítica moderna são amplamente aplicadas em investigações ambientais Neste destaque descrevemos um estudo de caso no qual a análise quantitativa foi empregada para se determinar o agente que causava mortes em uma população de cervos de caudas brancas habitantes de uma área recreacional de preservação da vida selvagem em Kentucky Vamos começar por uma descrição do problema e então mostrar como as etapas ilustradas na Figura 12 foram utilizadas para resolver o problema analítico Este estudo de caso também mostra como a análise química é empregada em um contexto amplo como parte essencial de um sistema de controle por realimentação como descrito na Figura 13 O Problema O incidente começou quando um guarda florestal encontrou um cervo de cauda branca morto próximo a um lago no território da Lakes National Recreation Area na região oeste de Kentucky O guarda florestal solicitou a ajuda de um químico do laboratório estadual de diagnóstico veterinário para encontrar a causa da morte visando tentar prevenir futuras mortes de cervos continua 10 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON O guarda e o químico investigaram o local onde a carcaça do cervo em estado avançado de decomposição havia sido encontrada Em decor rência do estado adiantado de decomposição não foi possível coletar qualquer amostra de tecido Poucos dias após o início das investigações o guarda encontrou mais dois cervos mortos no mesmo local O químico foi chamado ao local das mortes onde o guarda e ele colocaram os cervos em um caminhão para transportálos ao laborató rio de diagnóstico veterinário Os investigadores então conduziram um exame cuidadoso da área vizinha para encontrar pistas da causa das mortes A busca cobriu cerca de 2 acres ao redor do lago Os investigadores notaram que a grama nos arredores dos postes da linha de transmissão de energia estava seca e descolorida Eles especu laram que um herbicida poderia ter sido usado na grama Um ingrediente comumente encontrado em herbicidas é o arsênio em alguma de suas várias formas incluindo trióxido de arsênio arsenito de sódio metanoarsenato monossódico e metanoarse nato dissódico O último composto é o sal dissódi co do ácido metanoarsênico CH3AsOOH2 que é bastante solúvel em água e assim é usado como ingrediente ativo em muitos herbicidas A atividade do herbicida metanoarsenato dissódico devese à sua reatividade ante a grupos sulfidrílicos SH do aminoácido cisteína Quando a cisteína das enzi mas de plantas reage com compostos de arsênio a função da enzima é inibida e a planta finalmente morre Infelizmente efeitos químicos similares acontecem também em animais Portanto os inves tigadores coletaram as amostras da grama morta descolorida para fazer alguns testes em conjunto com as amostras de órgãos do cervo Eles plane javam analisar as amostras para confirmar a pre sença de arsênio e se houvesse determinar sua concentração nas amostras Seleção do Método Uma estratégia para a determinação de arsênio em amostras biológicas pode ser encontrada nos méto dos publicados pela Associação dos Químicos Analíticos Oficiais Association of Official Analy tical Chemists AOAC3 Esse método envolve a destilação do arsênio como arsina que é então determinada por medidas colorimétricas Processamento da Amostra Obtendo Amostras Representativas De volta ao laboratório os cervos foram disseca dos e seus rins removidos para análise Os rins foram escolhidos porque o patogênico suspeito arsênio é eliminado rapidamente do animal pelo trato urinário Processamento da Amostra Preparação de uma Amostra de Laboratório Cada rim foi cortado em pedaços triturado e homogeneizado em um liquidificador de alta ve locidade Essa etapa reduziu o tamanho dos pe daços de tecido e homogeneizou a amostra de laboratório resultante Processamento da Amostra Definição das Réplicas de Amostras Três amostras de 10 g do tecido homogeneizado de cada cervo foram colocadas em cadinhos de porcelana Fazendo Química Dissolução das Amostras Para se obter uma solução aquosa do analito para a análise foi necessário calcinar ao ar a amostra até convertêla a cinzas transformando a matriz orgânica em dióxido de carbono e água Esse processo envolveu o aquecimento de cada cadi nho e amostra cuidadosamente sobre uma chama até que a amostra parasse de produzir fumaça O cadinho foi então colocado em uma mufla e aque cido a 555 C por duas horas A calcinação a seco serviu para liberar o analito do material orgânico e convertêlo a pentóxido de arsênio O sólido seco presente em cada cadinho foi então dissolvi do em HCl diluído que converteu o As2O5 a H3AsO4 solúvel Eliminando Interferências O arsênio pode ser separado de outras substâncias que podem interferir na análise pela sua conver são à arsina AsH3 um gás incolor tóxico que é evolvido quando a solução de H3AsO3 é tratada 3 Official Methods of Analysis 15 ed p 626 Washington DC Association of Official Analytical Chemists 1990 com zinco As soluções resultantes das amostras de cervos e grama foram combinadas com Sn2 e uma pequena quantidade de íon iodeto foi adicionada para catalisar a redução do H3AsO4 para H3AsO3 de acordo com a seguinte reação H3AsO4 SnCl2 2HCl H3AsO3 SnCl4 H2O Ao longo deste texto vamos apresentar modelos de moléculas que são importantes na química analítica Aqui mostramos a arsina AsH3 A arsina é um gás incolor extremamente tóxico com um odor muito forte de alho Os métodos analíticos envolvendo a geração de arsina devem ser conduzidos com atenção e ventilação adequada O H3AsO3 foi então convertido a AsH3 pela adição do metal zinco como segue H3AsO3 3Zn 6HCl AsH3g 3ZnCl2 3H2O Toda a reação foi realizada em frascos equipados com rolhas e tubos de recolhimento para que a arsina pudesse ser coletada na solução de absorção como mostrado na Figura 1D1 O arranjo garantiu que as interferências permanecessem no frasco de reação e que apenas a arsina fosse coletada pelo absorvente em frascos transparentes especiais denominados cubetas Modelo molecular para o dietilditiocarbamato Esse composto é um reagente analítico utilizado na determinação de arsênio como ilustrado neste destaque A arsina borbulhada na solução contida na cubeta reagiu com o dietilditiocarbamato de prata para formar um complexo colorido de acordo com a seguinte equação AsH3 6Ag 3 C2H5 N C S S C2H5 As C2H5 N C S S C2H5 3 6Ag 3H Vermelho Medida da Quantidade do Analito A quantidade de arsênio presente em cada amostra foi determinada por meio da utilização de um instrumento chamado espectrofotômetro para medir a intensidade da cor vermelha formada nas cubetas Como será discutido no Capítulo 26 um espectrofotômetro fornece um número chamado absorbância que é diretamente proporcional à concentração da espécie responsável pela cor Para usar a absorbância com finalidade analítica uma curva de calibração deve ser gerada pela medida da absorbância de várias soluções contendo concentrações conhecidas do analito A parte superior da Figura 1D2 mostra que a cor se torna mais intensa à medida que a concentração de arsênio nos padrões aumenta de 0 até 25 partes por milhão ppm Calculando as Concentrações As absorbâncias das soluçõespadrão contendo concentrações conhecidas de arsênio são lançadas em um gráfico para produzir uma curva de calibração apresentada na parte inferior da Figura 1D2 Cada linha vertical mostrada entre as partes superior e inferior da Figura 1D2 relaciona uma solução ao seu ponto correspondente no gráfico A intensidade da cor de cada solução é representada pela sua absorbância que é colocada no eixo vertical do gráfico da curva de calibração Observe que as absorbâncias aumentam de 0 a 072 à medida que a concentração de arsênio aumenta de 0 até 25 ppm As concentrações de arsênio em cada soluçãopadrão correspondem às linhasguias verticais da curva de calibração Essa curva é então utilizada para determinar a concentração de duas das soluções desconhecidas mostradas à direita Primeiro localizamos as absorbâncias das soluções desconhecidas no eixo das absorbâncias do gráfico e então lemos as concentrações correspondentes no eixo das concentrações As linhas partindo das cubetas para a curva de calibração mostram que as concentrações de arsênio nos dois cervos eram de 16 ppm e 22 ppm respectivamente O arsênio presente nos tecidos renais de um animal é tóxico em níveis superiores a cerca de 10 ppm assim é provável que os cervos tenham sido mortos pela ingestão de um composto contendo arsênio Os testes também revelaram que as amostras de grama continham cerca de 600 ppm de arsênio Esses níveis muito elevados de arsênio sugerem que a grama foi pulverizada com um herbicida à base de arsênio Os investigadores concluíram que os cervos provavelmente morreram em decorrência da ingestão da grama envenenada Estimando a Confiabilidade dos Resultados Os dados desses experimentos foram analisados empregandose os métodos estatísticos descritos nos capítulos 5 6 e 7 Para cada uma das soluçõespadrão de arsênio e das amostras dos cervos a média de três medidas de absorbância foi calculada A absorbância média das réplicas é uma medida mais confiável da concentração de arsênio que uma única medida A análise de mínimos quadrados ver Seção 8C foi utilizada para encontrar a melhor linha reta entre os pontos e para localizar as concentrações das amostras desconhecidas juntamente com suas incertezas estatísticas e limites de confiança Nesta análise a formação de um produto de reação altamente colorido serviu tanto para confirmar a provável presença de arsênio quanto para fornecer uma estimativa confiável da sua concentração nos cervos e na grama Com base nesses resultados os investigadores recomendaram que o uso de herbicidas contendo arsênio fosse suspenso na área de vida selvagem para proteger os cervos e outros animais que podem comer as plantas no local Este estudo de caso exemplifica como a análise química é utilizada para identificar e quantificar os produtos químicos perigosos no meio SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 1 A Natureza da Química Analítica 13 0 5 08 06 04 02 0 10 Concentração ppm Padrões Amostras 0 ppm branco 5 ppm 10 ppm 15 ppm 20 ppm 25 ppm cervo 1 cervo 2 Absorbância 15 20 25 Figura 1D2 Construção e uso de uma curva de calibração para determinar a concentração de arsênio As absorbâncias das soluções das cubetas são medidas empregandose um espectrofotômetro Os valores de absorbância são então lançados em um gráfico contra as concentrações das soluções contidas nas cubetas como ilustrado no gráfico Finalmente as concentrações das soluções desconhecidas são lidas a partir do gráfico como mostrado pelas setas ambiente Muitos dos métodos e instrumentos da química analítica são empregados rotineiramente para gerar informações vitais em estudos ambien tais e toxicológicos desse tipo O fluxograma da Figura 13 pode ser aplicado neste estudo de caso O estado desejável é a concentração de arsênio abaixo do nível tóxico A análise química é usada para determinar o estado real ou a concentração de arsênio no meio ambiente e esse valor é com parado com a concentração desejável A diferença é então utilizada para determinar ações apropria das como a diminuição no uso de herbicidas à base de arsênio de forma que garanta que os cer vos não sejam envenenados por quantidades excessivas de arsênio no meio ambiente que neste exemplo é o sistema controlado Ferramentas da Química Analítica PARTE I Capítulo 2 Produtos Químicos Equipamentos e Operações Unitárias em Química Analítica Capítulo 3 Utilização de Planilhas de Cálculo na Química Analítica Capítulo 4 Cálculos Empregados na Química Analítica Capítulo 5 Erros em Análises Químicas Capítulo 6 Erros Aleatórios em Análises Químicas Capítulo 7 Tratamento e Avaliação Estatística de Dados Capítulo 8 Amostragem Padronização e Calibração 16 Uma conversa com Richard N Zare A escolha da carreira de Richard Zare foi feita quando um professor de química inadvertida mente o introduziu à espectroscopia1 Quando percebeu o poder da técnica e o que pode ria fazer para se aprimorar no assunto ele descobriu que havia encontrado o trabalho de sua vida Zare introduziu as técnicas a laser na análise química e as tem empregado para estudar problemas químicos importantes Ele também anteviu o desenvolvimento de novas técnicas de separação Zare mantém muitos compromissos acadêmicos incluindo os últimos 20 anos na Universidade de Stanford Ele já foi agraciado com muitos títulos honorários e prêmios mais notadamente a Medalha Nacional de Ciências em 1983 em reconhecimento ao seu trabalho em fluorescência induzida por laser e o Prêmio Welsh de Química um prêmio pelo total da sua obra P Você foi encorajado por sua família a se tornar um químico R Meu pai estudou para ser químico mas deixou o curso de pósgraduação quando se casou com minha mãe durante os anos da Depressão Tínhamos muitos livros de química em casa mas me foi dito que eles conduziam apenas à infelicidade e que eu não deveria lêlos Isto apenas me encorajou a olhá los e eu costumava lêlos com a ajuda de uma lanterna sob as cobertas em minha cama Meus pais não permitiam que eu tivesse um kit de química então iniciei um relacionamento de amizade com o farmacêutico local que me fornecia produtos químicos aos quais eu não teria acesso hoje em dia Com eles montei várias pirotecnias e uma vez coloquei fogo no porão P Como você foi apresentado à espectroscopia R Em Harvard cursei uma disciplina sobre análise quantitati va para a qual tínhamos de fazer uma análise gravimétrica de cálcio em calcário Mas o professor nos disse que estávamos perdendo nosso tempo qualquer pessoa inteligente usaria espectroscopia atômica Perguntei o que era aquilo e ele me falou para ler um pequeno livro escrito por Gerhard Herzberg que mais tarde ganhou o Prêmio Nobel por causa da espec troscopia Eu li e naquele verão em minha casa construí meu próprio arco de carbono para obter espectros atômicos de vários compostos P Você tem trabalhado bastante com laser Como isto influenciou sua carreira R Quando eu era um estudante de pósgraduação os lasers estavam sendo desenvolvidos e os físicos os chamavam de solução na busca de um problema Eu tinha uma idéia muito clara sobre para que eles seriam bons Inicialmente empre gueios para obter os primeiros espectros de fluorescência de moléculas Mais tarde utilizei a fluorescência induzida a laser e a ionização multifotônica intensificada por ressonância de forma pioneira como métodos de detecção que identificam a distribuição de estado interna de produtos de reação Estive entre os primeiros a utilizar os lasers para preparar reagentes em estados internos específicos para que suas reatividades pudessem ser estudadas em função do tipo e da quantidade de movimentação interna Também desenvolvi o uso da excitação e detecção polarizada que fornece informações sobre a geome tria da região de um estado de transição Um momento decisivo em minha carreira aconteceu quando proferi uma palestra em um encontro da American Chemical Society Eu tinha desenvolvido uma técnica para a detecção de produtos de reação a partir de moléculas for madas em feixes moleculares cruzados O Dr Larry Seitz do Departamento de Agricultura estava nessa sessão por engano Ele perguntou se eu poderia detectar aflatoxinas um metabólito venenoso encontrado em grãos mofados Disse lhe que eu poderia se conseguisse colocálas em fase gasosa e eles fluorescessem Não sabia que as aflatoxinas se decom punham sob aquecimento Nós nos correspondemos e fiquei intrigado com sua pergunta como você poderia detectar aflatoxina quando não pode vaporizála Isso me levou a pensar sobre o uso de separações cromatográficas empregan do fluorescência induzida a laser como sistema de detecção Então esse foi um pequeno passo para me tornar interessado em todos os tipos de técnicas de separação e todos os tipos de detectores que poderiam ser acoplados a elas Assim nasceu um físicoquímico e químico analítico híbrido Eu me considero um inventor frustrado E fico sempre me perguntando será que não existe um jeito melhor de fazer isto assim testo as coisas Estou muito interessado nos avan ços da instrumentação como ela altera a habilidade de analisar compostos químicos e como ela precisa trabalhar com quanti dades cada vez menores de material P Você acredita no valor da espectroscopia O que a torna tão valiosa R Eu vejo a espectroscopia como o uso da absorção emissão ou espalhamento da radiação eletromagnética pela matéria para estudar qualitativamente ou quantitativamente a natureza da matéria e os processos que ela sofre A matéria pode ser áto mos moléculas íons atômicos ou moleculares ou sólidos A interação da radiação com a matéria pode provocar o redire cionamento da radiação ou transições entre níveis de energia de 1 Espectroscopia é a ciência da interação da matéria com a radiação eletromagnética como descrito nos capítulos 2428 17 átomos e moléculas ou ambos Os efeitos mais sutis envolvem não apenas a cor ou comprimento de onda da radiação mas sua variação de intensidade e na polarização da luz É pela espectroscopia que so mos capazes de conhecer tanto sobre o mundo incluindo aquilo que não podemos tocar como ana lisar a luz estelar para saber o que ela nos conta sobre as estrelas P O uso da espectroscopia ringdown2 de cavidade o tem intrigado de maneira especial Você poderia descrever essa técnica R Por um longo período as pessoas têm olhado a absorção colocando uma amostra entre uma fonte e um detector e obser vando a atenuação da intensidade do feixe de luz em função do comprimento de onda Praticamente tudo apresenta uma carac terística de absorção mas esta não é muito sensível porque a fonte de luz flutua com o tempo A alternativa a esse problema consiste em colocar a amostra entre dois espelhos e enviar um pulso de luz nessa cavidade óptica A luz será refletida no espelho atravessando a cada vez a amostra O que o detector lê é um trem de pulsos de luz que deixa o espelho final com cada pulso tendo menor intensidade que o anterior A cavidade óptica é na realidade um dispositivo de armazenamento de energia e a velocidade com que perde energia chamada velocidade de ringdown depende da qualidade dos espelhos e da absorção da amostra mas não da intensidade do pulso de luz Se você coloca na cavi dade um pulso grande ou pequeno ou mesmo uma série de pul sos irreprodutíveis todos são atenuados ringdown na mesma velocidade Assim pela medida da velocidade de atenuação somos capazes de fazer medidas de absorção mais precisas Eu uso essa técnica para estudar íons em plasmas bem como ana litos em líquidos P Que tipo de trabalho você tem focalizado no nível molecular e celular R Estou interessado na análise de constituintes químicos de células como as células se comunicam umas com as outras como elas respondem quando são quimicamente estimuladas e como os compartimentos individuais das células funcionam Atualmente estou me esforçando para miniaturizar disposi tivos de separação para análises químicas usando um formato capilar ou sistemas microfluídicos microchip Quando pas samos a empregar esses dispositivos diminutos um prêmio poderia ser dado para quem puder detectar o que você tem ali Temos trabalhado com receptores e como variam sua con formação quando um ligante um agonista ou antagonista se liga a eles Recentemente mostramos que um evento de re conhecimento molecular no receptor dispara uma cascata bio química que amplifica a presença do analito A amplificação também pode ser alcançada pela abertura de um canal iônico na membrana da célula para permitir que um grande número de íons flua pela membrana os quais podem ser detectados poste riormente pela técnica patchclamp A sensibilidade é tão alta que a ligação de um único li gante ao receptor resulta em um sinal detectável P Contenos sobre o uso que você faz de lasers em espectroscopia Que tipo de estudos interessantes tem feito R Desenvolvemos também a espectrometria de massas de dessorção a laser e de ionização a laser para a análise de adsor batos em superfícies como partículas de poeira interplanetária e amostras de meteoros Utilizamos um laser para aquecer ra pidamente a amostra e evaporar as moléculas de sua superfície Um segundo laser intercepta a pluma de moléculas formada e ioniza as que absorvem aquela cor de luz Então pesamos os íons empregando um espectrômetro de massas Temos analisa do partículas de grafite extraídas de meteoritos e encontrado moléculas policíclicas aromáticas MPAs As MPAs têm uma razão entre os isótopos de C12 C13 que se assemelha àquela dos grãos de grafite os quais se acredita serem os remanes centes da poeira estelar da qual nosso sistema solar se conden sou há cerca de 45 bilhões de anos Essas são as primeiras moléculas interestelares observadas diretamente em labo ratório Recentemente temos utilizado a espectrometria de massas de ionização a laser para examinar sedimentos contaminados dragados para entender a natureza de poluentes ambientais como MPAs e bifenilas policloradas BPCs Temos observado que os iguais se juntam com os iguais a maior parte dos conta minantes vai para as partículas de carvão Isso levanta questões importantes quanto à remediação adequada de locais contami nados No momento eles armazenam os sedimentos mas po deria ser melhor adicionar carvão e manter os contaminantes seqüestrados Enquanto você não souber o que está lá não pode tomar uma decisão política racional P Mesmo com toda essa pesquisa você encontra tempo para se dedicar ao ensino de muitos estudantes Poderia mostrar rapidamente sua filosofia e objetivos para o ensino R Eu tenho ensinado química para calouros tantas vezes que a disciplina é avaliada de uma forma absoluta A vantagem é que os estudantes não estão competindo assim eles podem traba lhar em conjunto e ensinar uns aos outros O laboratório se inte gra às aulas teóricas Sintetizamos um composto purificamos ele e olhamos algumas de suas propriedades físicas tanto estru turais quanto dinâmicas Quero que os estudantes se tornem resolvedores ativos dos problemas e que entendam que eles não vêm com os rótulos das disciplinas em que são abordados No ensino universitário muito do conhecimento adquirido é de sintegrado nas disciplinas ministradas por diferentes departa mentos ao passo que a solução de problemas reais requerer reintegração desse conhecimento freqüentemente de uma nova maneira I Eu me considero um inventor frustrado E fico sempre me perguntando será que não existe um jeito melhor de fazer isto assim testo as coisas 2 NT O termos em inglês empregado para nomear essa técnica é cavity ringdown spectrometry O termo composto ringdown faz referência ao efeito cílico de atenuação ao longo do tempo da intensidade de um pulso de radiação eletromagnética inserido no sistema no qual a amostra é colocada entre dois espelhos N este capítulo vamos apresentar as ferramentas as técnicas e os compostos químicos que são uti lizados pelos químicos analíticos O desenvolvimento dessas ferramentas iniciouse há mais de dois séculos e continua nos dias atuais Como a tecnologia da química analítica tem sido aprimorada com o advento das balanças eletrônicas tituladores automáticos e instrumentos controlados por com putador a velocidade a conveniência a exatidão e a precisão dos métodos analíticos também têm sido aprimoradas Por exemplo a determinação da massa de uma amostra que requeria entre cinco e dez minutos há 40 anos é agora realizada em poucos segundos Os cálculos que demoravam de dez a 20 minutos quando se utilizavam as tábuas de logaritmos agora podem ser feitos quase instanta neamente em uma planilha eletrônica de cálculo Nossa experiência com essas brilhantes inovações tecnológicas freqüentemente nos leva à impaciência com as técnicas algumas vezes tediosas da química analítica clássica É essa impaciência que governa a busca pelo desenvolvimento de tecnolo gias melhores Além disso os métodos fundamentais têm sido com freqüência modificados no inte resse da velocidade ou conveniência sem sacrificar a exatidão ou a precisão Devemos enfatizar entretanto que muitas das operações unitárias encontradas no laboratório são eternas Essas operações comprovadas e confiáveis têm evoluído gradativamente durante os últimos dois séculos De tempos em tempos as instruções fornecidas neste capítulo podem pare cer de certa forma por demais orientadas Embora tentemos explicar por que as operações unitárias são desenvolvidas da maneira como descrevemos você poderá se sentir tentado a modi ficar um procedimento ou ignorar uma etapa aqui ou ali para poupar tempo e esforço Devemos precavêlo contra a modificação de técnicas e procedimentos a menos que você tenha discutido a modificação proposta com o seu professor e tenha considerado suas conseqüências cuidadosa mente Essas modificações podem provocar erros nos resultados incluindo níveis inaceitáveis de exatidão e precisão no pior caso possível um acidente sério pode acontecer Hoje em dia o tempo requerido para se preparar uma solução cuidadosamente padronizada de hidróxido de sódio é praticamente o mesmo de há cem anos No coração da química analítica existe um conjunto essencial de operações e equipamentos que são necessários para o trabalho em laboratório na disciplina e que serve de base para seu crescimento e desenvolvimento Muitas operações como aquelas empregadas na determinação de nitrogênio em amostras de matéria orgânica pelo método de Kjeldahl foram desenvolvidas há mais de um século No entanto esse método é ainda amplamente utilizado na agronomia e nas ciências do solo Produtos Químicos Equipamentos e Operações Unitárias em Química Analítica CAPÍTULO 2 O domínio das ferramentas da química analítica lhe será útil em disciplinas de química e em áreas científicas correlatas Além disso seus esforços serão premiados com a satisfação de ter realizado uma análise com altos níveis de boa prática analítica e com níveis de exatidão e precisão consistentes com as limitações da técnica 2A 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 2A1 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 ACS1 e são utilizados onde for possível no trabalho analítico Alguns fornecedores rotulam seus produtos com os limites máximos de impureza permitidos pelas especificações da ACS outros mostram nos rótulos as concentrações verdadeiras para as várias impurezas GrauPadrão Primário As qualidades requeridas para um padrão primário além da extraordinária pureza são discutidas na Seção 13A2 Os reagentes com graupadrão primário foram cuidadosamente analisados pelo fornecedor e a dosagem está impressa no rótulo do frasco O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos National Institute of Standards and Technology NIST é uma fonte excelente de padrões primários Essa agência também fornece padrões de referência que são substâncias complexas analisadas exaustivamente2 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 As informações pertinentes ao uso pretendido são fornecidas juntamente com esses reagentes 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 ultravioleta 2A2 Regras para o Manuseio de Reagentes e Soluções Uma análise química de alta qualidade requer reagentes e soluções com purezas conhecidas Um frasco de um reagente de grau químico aberto recentemente pode ser utilizado normalmente com confiança se essa mesma confiança pode ser justificada quando o frasco estiver pela metade isso depende inteiramente da maneira como ele tem sido manuseado desde que foi aberto As seguintes regras devem ser observadas para prevenir a contaminação acidental de reagentes e soluções 1 Selecione o produto com o melhor grau disponível para o trabalho analítico Quando for possível utilize o menor frasco capaz de fornecer a quantidade desejada 2 Tampe todo e qualquer frasco imediatamente após a retirada de um produto químico não confie em ninguém mais para fazer isso 3 Segure a tampa dos frascos de reagentes entre seus dedos nunca coloque a tampa sobre a mesa 4 Nunca devolva qualquer excesso de reagente ao frasco original a menos que você seja instruído a fazêlo O dinheiro economizado com a devolução de excessos raramente vale o risco de contaminar todo o frasco 5 Nunca coloque espátulas colheres ou facas em um frasco contendo um reagente sólido a menos que você seja instruído a fazêlo Em vez disso agite o frasco ainda fechado vigorosamente ou batao suavemente sobre uma mesa de madeira para romper qualquer incrustação então despeje a quantidade desejada Ocasionalmente essas medidas não são eficientes e nesses casos uma colher de porcelana limpa deve ser utilizada 6 Mantenha a estante de reagentes e a balança de laboratório limpas e bem organizadas Limpe qualquer derramamento imediatamente mesmo se alguém estiver esperando para usar o mesmo produto químico ou reagente 7 Observe os regulamentos locais relacionados ao descarte de sobras de reagentes e soluções LIMPEZA E MARCAÇÃO DE MATERIAIS DE LABORATÓRIO Uma análise química é rotineiramente realizada em duplicata ou triplicata Assim cada frasco que mantém uma amostra deve estar marcado para que seu conteúdo possa ser positivamente identificado Os frascos os béqueres e alguns cadinhos têm pequenas áreas gravadas nas quais marcas semipermanentes podem ser feitas com um lápis Canetas especiais para marcar as superfícies de porcelana se encontram disponíveis A marca é gravada permanentemente durante a vitrificação pelo aquecimento a altas temperaturas Uma solução saturada de cloreto de ferroIII embora não tão satisfatória quanto as preparações comerciais também pode ser usada para a marcação Cada béquer frasco ou cadinho que vão conter uma amostra devem ser completamente lavados antes de ser utilizados O aparato precisa ser lavado com uma solução detergente a quente e então deve ser enxaguado inicialmente com copiosas quantidades de água corrente e finalmente inúmeras vezes com pequenas porções de água deionizada3 Um recipiente de vidro limpo de forma apropriada será recoberto com um filme uniforme e contínuo de água Às vezes é necessário secar a superfície interna de um recipiente de vidro antes do seu uso a secagem é normalmente uma perda de tempo no melhor dos casos e uma fonte potencial de contaminação no pior deles Um solvente orgânico como o benzeno ou a acetona pode ser efetivo na remoção de filmes de gordura Os fornecedores de produtos químicos também oferecem preparações comerciais para a eliminação desses filmes EVAPORAÇÃO DE LÍQUIDOS Frequentemente fazse necessário diminuir o volume de uma solução que contenha um soluto não volátil A Figura 21 ilustra como isso é feito A cobertura com vidro de relógio com frisos em relevo em sua face convexa permite que os vapores escapem e protege a solução remanescente de contaminação acidental Utilizar espaçadores para afastar uma tampa de vidro convencional da boca do béquer é menos satisfatório do que usar o vidro de relógio especial mostrado A evaporação é freqüentemente difícil de ser controlada por causa da tendência de algumas soluções de se sobreaqueceren de forma localizada O borbulhamento intenso e abrupto que resulta pode ser suficientemente vigoroso para causar a perda parcial da solução O aquecimento cuidadoso e brando minimizará o perigo de tais perdas Onde o seu uso for permitido pérolas ou contas de vidro também poderão prevenir o borbulhamento Algumas espécies indesejáveis podem ser eliminadas durante a evaporação Por exemplo cloreto e nitrato podem ser removidos de uma solução pela adição de ácido sulfúrico e pela evaporação até que grandes quantidades de fumos brancos de trióxido de enxofre sejam observadas essa operação deve ser realizada em capela de exaustão A uréia é eficiente na remoção do íon nitrato e óxidos de nitrogênio de soluções ácidas O cloreto de amônio é removido com maior eficiência pela adição de ácido nítrico concentrado e evaporação da solução a um volume menor O íon amônio é oxidado rapidamente quando aquecido a solução é então evaporada até a secura Os constituintes orgânicos podem ser freqüentemente eliminados de uma solução pela adição de ácido sulfúrico e aquecimento até o aparecimento de fumos de trióxido de enxofre em capela esse processo é conhecido como calcinação úmida O ácido nítrico pode ser adicionado ao final do aquecimento para acelerar a oxidação dos últimos traços de matéria orgânica presentes MEDIDA DE MASSA Na maioria das análises uma balança analítica precisa ser utilizada para se obter massas altamente exatas As balanças de laboratório menos exatas também são empregadas para as medidas de massa quando a demanda por confiabilidade não for crítica 2D1 Tipos de Balanças Analíticas Por definição uma balança analítica é um instrumento usado na determinação de massas com uma capacidade máxima que varia de 1 g até alguns quilogramas com uma precisão de pelo menos 1 parte em 105 em sua capacidade máxima A precisão e a exatidão de muitas balanças analíticas modernas excedem a 1 parte em 106 em sua capacidade total As balanças analíticas mais comumente encontradas macrolanças têm uma capacidade máxima que varia entre 160 e 200 g Com essas balanças as medidas podem ser feitas com um desviopadrão de 01 mg As balanças semimicroanalíticas têm uma carga máxima de 10 a 30 g com uma precisão de 001 mg Uma balança microanalítica típica tem capacidade de 1 a 3 g e uma precisão de 0001 mg A balança analítica tem sofrido uma drástica evolução nas últimas décadas A balança analítica tradicional tinha dois pratos ligados a cada uma das extremidades de um braço leve que ficava colocado A ebulição abrupta é a ebulição repentina freqüentemente violenta que tende a espirrar a solução para fora do seu recipiente A mineralização por via úmida consiste na oxidação dos constituintes orgânicos de uma amostra com reagentes oxidantes como o ácido nítrico o ácido sulfúrico o peróxido de hidrogênio o bromo aquoso ou uma combinação desses reagentes Uma balança analítica tem capacidade máxima que varia de 1 g a muitos quilogramos e precisão na sua capacidade máxima de ao menos 1 parte em 10⁵ Uma macrobalança é o tipo mais comum de balança analítica ela suporta a carga máxima de 160 a 200 g e tem precisão de 01 mg Uma balança semimicroanalítica suporta a carga máxima de 10 a 30 g e tem precisão de 001 mg Uma balança microanalítica apresenta a carga máxima de 1 a 3 g e tem precisão de 0001 mg ou 1 μg sobre um cutelo localizado no centro do braço O objeto a ser pesado era colocado em um dos pratos pesospadrão suficientes eram então adicionados a outro prato para reposicionar o braço em sua posição original A pesagem com essa balança de dois pratos era tediosa e demorada A primeira balança analítica de prato único surgiu no mercado em 1946 A velocidade e con veniência de pesar com essa balança eram amplamente superiores ao que se podia realizar com a balança de dois pratos tradicional Conseqüentemente essa balança substituiu rapidamente a anterior na maioria dos laboratórios A balança de prato único está sendo substituída atualmente pela balança analítica eletrônica que não tem braço nem cutelo Esse tipo de balança é discutido na Seção 2D2 A conveniên cia a exatidão e a capacidade de controle e manipulação de dados por computador das balanças analíticas asseguram que as balanças mecânicas de prato único vão eventualmente desaparecer de cena O desenho e a operação das balanças de prato único são descritos resumidamente na Seção 2D3 2D2 A Balança Analítica Eletrônica4 A Figura 22 apresenta o diagrama e a foto de uma balança analítica eletrônica O prato situase acima de um cilindro metálico oco que é circundado por uma bobina que se encaixa no pólo interno de um ímã per manente Uma corrente elétrica percorre a bobina e produz um campo magnético que segura ou levita o cilindro o prato o braço indicador e qualquer massa que esteja no prato A corrente é ajustada para que o nível do braço indicador fique na posição de nulo quando o prato estiver vazio A colocação de um obje to no prato provoca um movimento do próprio prato e do braço de controle para baixo o que aumenta a quantidade de luz que incide na fotocélula do detector de nulo A corrente que atinge a fotocélula é ampli ficada alimentando a bobina o que cria um campo magnético maior fazendo que o prato retorne para a posição original no detector do zero Um dispositivo como este no qual uma pequena corrente elétrica faz que um sistema mecânico mantenha sua posição zero é chamado sistema servo A corrente requeri da para manter o prato e o objeto na posição de nulo é diretamente proporcional à massa do objeto e é prontamente medida transformada em sinal digital e apresentada no visor A calibração de uma balança analítica envolve o uso de uma massapadrão e ajuste da corrente de forma que o pesopadrão seja exibido no mostrador 22 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Levitar significa provocar a suspensão de um objeto no ar 4 Para uma discussão mais detalhada ver R M Schoonover Anal Chem 1982 n 54 p 973A K M Lang Amer Lab 1983 v 15 n 3 p 72 Detector nulo Fonte de luz Braço indicador Circuito amplificador e de controle Corrente de compensação Sinal Sistema servo S S S N Figura 22 Balança analítica eletrônica a Diagrama de blocos b Foto de uma balança eletrônica a Reimpresso de R M Schoonover Anal Chem 1982 n 54 p 973A Publicado em 1982 pela American Chemical Society Charles D Winters O sistema servo é um dispositivo no qual uma pequena corrente elétrica faz que um sistema mecânico retorne à posição de nulo a b A Figura 23 mostra as configurações de duas balanças analíticas eletrônicas Em cada uma delas o prato é ligado a um sistema confinado conhecido coletivamente como célula A célula incorpora vários flexores que permitem movimentos limitados do prato e previne que forças de torção resultantes de cargas localizadas fora do centro perturbem o alinhamento do mecanismo da balança Na posição nula o braço fica paralelo ao horizonte gravitacional e cada pivô flexor permanece em uma posição relaxada A Figura 23a exibe uma balança eletrônica com o prato localizado abaixo da célula Uma precisão maior é obtida com esse arranjo em relação àquela do sistema de prato localizado acima da célula prato superior apresentado na Figura 23b Mesmo assim as balanças eletrônicas deste último tipo têm uma precisão que se iguala ou excede àquelas das melhores balanças mecânicas e além disso garantem fácil acesso ao prato da balança As balanças eletrônicas geralmente realizam um controle automático de tara que leva o mostrador à leitura igual a zero com um recipiente como uma barquinha ou frasco de pesagem sobre o prato Muitas balanças permitem a tara de até 100 da sua capacidade Algumas balanças eletrônicas apresentam capacidades e precisões duplas Essa característica permite que sua capacidade seja reduzida daquela de uma macrobalança para aquela de uma semimicrobalança 30 g com ganho correspondente na precisão para 001 g Esse tipo de balança é na verdade duas balanças em uma Uma balança analítica eletrônica moderna provê uma velocidade e uma facilidade de uso sem precedentes Por exemplo um instrumento pode ser controlado por meio de toques em várias posições ao longo de uma única barra Uma posição da barra liga ou desliga o instrumento outra calibra automaticamente a balança com o uso de uma massapadrão ou um par de massas e uma terceira zera o mostrador com ou sem um objeto sobre o prato Medidas de massas confiáveis são obtidas com pouco ou mesmo sem nenhum treinamento A tara é a massa de um frasco de amostra vazio Tarar é o processo de ajuste da balança para apresentar leitura zero na presença da tara Figura 23 Balanças analíticas eletrônicas a Configuração clássica com o prato abaixo da célula b Configuração com prato acima da célula prato superior Observe que o mecanismo fica abrigado em um gabinete dotado de janelas a Reimpresso de R M Schoonover Anal Chem 1982 n 54 p 973A Publicado em 1982 pela American Chemical Society b Reimpresso de K M Lang Amer Lab 1983 v 15 n 3 p 72 Copyright 1983 da International Scientific Communications Inc Célula de força eletromagnética Flexor Detector de nulo Fulcro Acoplador de carga Paralelogramo de contenção de carga Prato de pesagem Mostrador digital Prato Célula Bobina Detector de nulo 2D3 A Balança Analítica Mecânica de Prato Único Componentes Embora elas sejam consideravelmente diferentes na aparência e nas características de desempenho todas as balanças mecânicas de dois pratos e de prato único têm vários componentes em comum A Figura 24 exibe um diagrama de uma balança mecânica típica de prato único O fundamental nessa balança é o braço leve que é suportado em uma superfície plana por um cutelo em forma de prisma A Ligado à extremidade esquerda do braço está o prato que vai sustentar o objeto a ser pesado e um conjunto completo de pesos mantidos suspensos Esses pesos podem ser levantados do braço um de cada vez por um arranjo mecânico que é acionado por botões de controle localizados no exterior do gabinete da balança A extremidade à direita do braço segura o contrapeso de maneira que seu tamanho equilibre o prato e os pesos localizados na extremidade esquerda do braço Um segundo cutelo B está localizado próximo à extremidade esquerda do braço e suporta uma segunda superfície plana a qual está localizada na parte interna de um estribo que une o prato ao braço de suporte Os dois cutelos e suas superfícies planas são fabricados a partir de materiais extremamente duros ágata ou safira sintética e formam dois suportes que permitem movimentos do braço e do prato com mínimo atrito O desempenho de uma balança mecânica depende de maneira crítica da perfeição desses dois suportes As balanças de prato único também são equipadas com uma trava do braço e uma trava do prato A trava do braço é um dispositivo mecânico que levanta o braço de forma que o cutelo central não toque mais em sua superfície de sustentação e libere simultaneamente o estribo do contato com o cutelo externo O objetivo de ambas as travas é o de prevenir danos aos suportes enquanto os objetos são colocados ou removidos do prato Quando acionada a trava do braço suporta a maior parte do peso do prato e de seu conteúdo e assim impede as oscilações Ambas as travas são controladas por uma alavanca montada externamente ao gabinete da balança e devem estar acionadas quando a balança não estiver em uso Um amortecedor a ar está posicionado próximo à extremidade oposta à do prato Esse dispositivo consiste em um pistão que se move em um cilindro concêntrico ligado ao gabinete da balança O ar que ocupa o cilindro sofre expansão e contração quando o braço se movimenta o braço retorna rapidamente ao repouso em função dessa oposição ao movimento A proteção contra as correntes de ar é necessária para permitir a diferenciação entre pequenas diferenças de massa 1 mg Uma balança analítica portanto está sempre dentro de um gabinete equipado com portas para permitir a introdução ou remoção de objetos Para evitar danos aos cutelos e superfícies dos suportes o sistema de travas de uma balança mecânica deve estar ligado em todos os momentos com exceção da etapa de pesagem Figura 24 Balança analítica mecânica de prato único De R M Schoonover Anal Chem p 1982 n 54 p 973A Publicado em 1982 pela American Chemical Society cialmente horizontal quando não existem objetos no prato e todos os pesos estão em seus lugares Quando o prato e as travas estão liberados o braço fica livre para girar em torno do cutelo A colocação de um objeto no prato faz que o lado esquerdo do braço se mova para baixo Os pesos são então sistematicamente removidos um a um do braço da balança até que o desbalanceamento seja menor que 100 mg O ângulo de deflexão do braço em relação à sua posição horizontal original é diretamente proporcional aos pesos que precisam ser removidos para que o braço retorne à sua posição horizontal original O sistema óptico mostrado na parte superior da Figura 24 mede esse ângulo de deflexão e o converte em miligramas O retículo que é uma pequena tela transparente montada no braço da balança é marcado com uma escala que varia entre 0 e 100 mg Um feixe de luz passa através da escala e de uma série de lentes de aumento as quais por sua vez focalizam uma pequena parte da escala aumentada em uma placa de vidro recoberta localizada na parte frontal da balança Um vernier torna possível ler essa escala próximo a 01 mg Precauções no Uso de uma Balança Analítica A balança analítica é um instrumento delicado que você precisa manusear com cuidado Consulte seu professor para obter as instruções detalhadas com relação ao processo de pesagem em seu modelo específico de balança Observe as seguintes regras gerais no trabalho com uma balança analítica não obstante a marca ou modelo 1 Centralize tanto quanto possível a carga no prato da balança 2 Proteja a balança contra a corrosão Os objetos a serem colocados sobre o prato devem ser limitados a metais inertes plásticos inertes e materiais vítreos 3 Observe as precauções especiais ver Seção 2E6 para a pesagem de líquidos 4 Consulte o professor se julgar que a balança precisa de ajustes 5 Mantenha a balança e seu gabinete meticulosamente limpos Um pincel feito de pêlos de camelo é útil na remoção de material derramado ou poeira 6 Sempre deixe que um objeto que tenha sido aquecido retorne à temperatura ambiente antes de pesálo 7 Utilize uma tenaz ou pinça para prevenir a absorção da umidade de seus dedos por objetos secos 2D4 Fontes de Erros na Pesagem Correção do Empuxo O erro devido ao empuxo afetará os dados se a densidade do objeto que está sendo pesado diferir significativamente da das massaspadrão Esse erro tem sua origem na diferença da força de flutuação exercida pelo meio ar no objeto e nas massas A correção do empuxo para balanças eletrônicas pode ser feita com as seguintes equações Um erro devido ao empuxo é um erro de pesagem que se desenvolve quando o objeto que está sendo pesado apresenta uma densidade significativamente diferente daquela das massaspadrão P1 P2 P2 dar dobj dar dmassas 21 em que P1 é a massa corrigida do objeto P2 é a massa dos padrões dobj é a densidade do objeto dmassas é a densidade das massas padrão e dar é a densidade do ar deslocado por eles dar tem um valor de 00012 gcm3 As consequências da Equação 21 são mostradas na Figura 25 na qual o erro relativo devido ao empuxo é representado graficamente em função da densidade dos objetos pesados ao ar utilizandose massas de aço inoxidável Observe que esse erro é de menos de 01 para objetos que têm uma densidade igual ou superior a 2 gcm3 Assim raramente é necessário aplicar uma correção para a massa da maioria dos sólidos No entanto o mesmo não se pode dizer dos sólidos de menor densidade líquidos ou gases para estes os efeitos do empuxo são significativos e uma correção precisa ser aplicada Para informações adicionais ver R Battino A G Williamson J Chem Educ 1984 n 64 p 51 As correções do empuxo para balanças mecânicas de prato único são diferentes daquelas das balanças eletrônicas Para uma discussão detalhada das diferenças nas correções ver M R Winward et al Anal Chem 1977 n 49 p 2126 Figura 25 Efeito do empuxo em dados de pesagem densidade dos pesos 8 gcm3 Gráfico do erro relativo em função da densidade do objeto que está sendo pesado A densidade das massas utilizados nas balanças de prato único ou para calibrar balanças analíticas varia de 78 a 84 gcm3 dependendo do fabricante O uso do valor 8 gcm3 é adequado na maioria das vezes Se uma exatidão maior se faz necessária as especificações da balança a ser utilizada devem ser consultadas para os dados de densidade necessários EXEMPLO 21 Um frasco vazio pesou 76500 g e após a introdução de um líquido orgânico com uma densidade de 092 gcm3 99700 g A balança era equipada com massas de aço inoxidável d 80 gcm3 Corrija a massa da amostra devido ao efeito de empuxo A massa aparente do líquido é de 99700 76500 23200 g A mesma força de empuxo age no frasco durante ambas as pesagens assim precisamos considerar apenas a força que age nos 23200 g do líquido Substituindose 00012 gcm3 da dar 092 gcm3 da dobj e 80 gcm3 da dmassas na Equação 21 constatamos que a massa corrigida é P1 23200 23200 00012092 0001280 23227 g Efeitos da Temperatura As tentativas de se pesar um objeto cuja temperatura é diferente daquela de seus arredores resultarão em erros significativos As falhas ocorridas por não se esperar tempo suficiente para que um objeto aquecido retorne à temperatura ambiente são a fonte mais comum desse problema Os erros devido à diferença de temperatura têm duas fontes Na primeira as correntes de convecção dentro do gabinete da balança exercem um efeito de empuxo sobre o prato e o objeto E na segunda o ar aquecido aprisionado em um frasco fechado pesa menos que o mesmo volume de ar sob temperaturas mais baixas Ambos os efeitos fazem que a massa aparente do objeto seja menor Esse erro pode atingir valores tão grandes quanto 10 ou 15 mg para um cadinho de filtração de porcelana ou um pesafiltro típicos Figura 26 Os objetos aque Sempre deixe os objetos aquecidos retornarem à temperatura ambiente antes de tentar pesálos Figura 26 Efeito da temperatura sobre os dados de pesagem Erros absolutos em função do tempo após o objeto ter sido removido de uma estufa a 110 C A cadinho de filtração de porcelana B pesafiltro contendo cerca de 75 g de KCl Outras Fontes de Erros Um objeto de porcelana ou de vidro pode adquirir ocasionalmente uma carga estática suficiente para fazer que a balança funcione de forma errática esse problema é particularmente sério quando a umidade relativa é baixa Descargas espontâneas ocorrem freqüentemente após um curto período Uma fonte de baixa intensidade de radioatividade como um pincel de fotógrafo colocada no gabinete da balança fornecerá íons suficientes para dispersar a carga Alternativamente o objeto pode ser limpo com uma camurça levemente umedecida A escala óptica de balanças mecânicas de prato único deve ser verificada regularmente quanto à exatidão particularmente sob condições de carga da balança que necessitem de toda a faixa da escala Um pesopadrão de 100 mg é utilizado nessa verificação 2D5 Balanças Auxiliares As balanças menos precisas que as analíticas têm uso extensivo no laboratório analítico Elas oferecem vantagens como rapidez robustez grande capacidade e conveniência devem ser utilizadas sempre que não seja necessária uma elevada sensibilidade As balanças auxiliares do tipo de prato superior são particularmente convenientes Uma balança de prato superior sensível vai acomodar de 150 a 200 g com uma precisão de cerca de 1 mg uma ordem de grandeza menor que uma balança macroanalítica Algumas balanças desse tipo toleram cargas tão grandes quanto 25000 g com uma precisão de 005 g A maioria é equipada com um dispositivo de tara que traz a leitura da balança para o zero com um frasco vazio colocado sobre o prato Algumas são totalmente automáticas não requerem ajustes manuais ou manuseio de massas e fornecem uma leitura digital da massa As balanças de prato superior modernas são eletrônicas A balança de braço triplo com sensibilidade menor que aquela das balanças típicas de prato superior também é útil Tratase de uma balança de prato único com três décadas de pesos que deslizam sobre escalas individuais calibradas A precisão de uma balança de braço triplo pode ser uma ou duas ordens de grandeza menor que aquela para uma balança de prato superior mas é adequada para muitas operações de pesagem Esse tipo de balança oferece as vantagens de simplicidade durabilidade e baixo custo Utilize balanças auxiliares para pesagens que não demandem grande exatidão EQUIPAMENTOS E MANIPULAÇÕES 2E ASSOCIADOS À PESAGEM A massa de muitos sólidos varia com a umidade devido à sua tendência em absorver apreciáveis quanti dades de água Esse efeito é especialmente pronunciado quando uma grande área superficial fica exposta como em reagentes químicos ou em uma amostra que tenha sido triturada até se tornar um pó fino A primeira etapa em uma análise típica então envolve a secagem da amostra para que os resultados não sejam afetados pela umidade da atmosfera do ambiente Uma amostra um precipitado ou um frasco são levados à massa constante por meio de um ciclo que envolve o aquecimento normal mente por uma ou mais horas sob temperaturas apropriadas o resfria mento e a pesagem Esse ciclo é repetido tantas vezes quantas forem necessárias até que se obtenham massas sucessivas que concordem entre si na faixa de 02 a 03 mg O estabelecimento de uma massa constante fornece alguma garantia de que o processo químico ou físico que ocorre durante o aquecimento ou ignição tenha se completado 2E1 Frascos para Pesagem Os sólidos são convenientemente secos e armazenados em frascos tipo pesafiltro duas variedades comuns deles são exibidas na Figura 27 A porção esmerilhada da tampa do frasco mostrado à esquerda fica do lado de fora e não entra em contato com seu conteúdo desse modo eliminase a possibilidade de parte da amostra ficar retida e subseqüentemente perdida na superfície esmerilhada do vidro Os frascos plásticos para pesagem encontramse disponíveis a durabilidade é a principal vantagem destes sobre os frascos de vidro 2E2 Dessecadores e Dessecantes A secagem em estufa é a maneira mais comum de se remover umi dade de sólidos Essa abordagem não é apropriada para substâncias que se decompõem ou para aquelas nas quais a água não é removida na temperatura da estufa Para minimizar a absorção de umidade os materiais secos são armazenados em dessecadores enquanto se resfriam A Figura 28 apresenta os componentes de um dessecador típico A base contém um agente químico de secagem como o cloreto de cálcio anidro o sulfato de cálcio anidro Drierita o per clorato de magnésio anidro Anidrona ou Deidrita ou o pentóxido de fósforo As superfícies de vidro esmerilhado são finamente recobertas com graxa Quando se remove ou se recoloca a tampa de um dessecador faz se uso de um movimento de deslizamento para minimizar a pertur bação da amostra Uma vedação é alcançada por uma pequena rotação e pressão sobre a tampa já posicionada Quando se coloca um objeto aquecido em um dessecador o aumento da pressão devido ao aqueci mento do ar aprisionado em seu interior pode ser suficiente para romper a vedação existente entre a tampa e a base Ao contrário se a vedação não for rompida o resfriamento dos objetos aquecidos pode provo car o desenvolvimento de um vácuo parcial Ambas as condições podem fazer que o conteúdo do des secador fique fisicamente perdido ou contaminado Embora vá de encontro à finalidade do uso do dessecador sempre permita que um resfriamento parcial ocorra antes da colocação da tampa Também é útil romper a vedação uma ou duas vezes durante o resfriamento para minimizar a formação de vácuo excessivo Finalmente mantenha a tampa presa com seus polegares enquanto estiver movendo o dessecador de um lugar para outro 28 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Secagem ou ignição até massa constante é um processo no qual um sólido sofre um ciclo envolvendo etapas de aquecimento resfriamento e pesagem até que seu peso tornese constante na faixa de 02 a 03 mg Figura 27 Frascos típicos para pesagem Charles D Winters Um dessecador é um dispositivo para a secagem de substâncias ou objetos Os materiais altamente higroscópicos devem ser armazenados em frascos contendo tampas justas como os pesafiltros as tampas per manecem no lugar enquanto estiverem no dessecador A maior parte dos outros sólidos pode ser armazenada destampada de forma segura 2E3 Manipulação de Frascos de Pesagem O aquecimento entre 105 C e 110 C por uma hora é suficiente para remover a umidade da superfície da maior parte dos sólidos A Figura 29 mostra a maneira recomendada de secar uma amostra O pesafiltro está dentro de um béquer rotulado que está tampado com um vidro de relógio com friso Esse arranjo protege a amostra de contaminação acidental e tam bém permite o livre acesso do ar Os cadinhos contendo precipitados que podem ser liberados da umidade por simples aquecimento podem ser trata dos da mesma forma O béquer que contém o pesafiltro ou cadinho a ser seco precisa ser cuidadosamente marcado para identificação Evite tocar os objetos secos com os dedos porque quantidades detectáveis de água ou de gordura contidas na pele podem ser transferi das para o objeto Ao contrário use tenazes pinças com pontas de camurça luvas de algodão limpas ou tiras de papel para manipular os objetos secos para pesagem A Figura 210 mostra como um pesafiltro é manipulado com o auxílio de tiras de papel 2E4 Pesagem por Diferença A pesagem por diferença é um método simples para se determinar a massa de uma série de amostras Primeiro o pesafiltro e seu conteúdo são pesados Uma amostra é transferida do pesafiltro para outro reci piente batidas suaves com a ponta dos dedos indicadores mantêm con trole sobre a quantidade de amostra removida Após a transferência o primeiro frasco e o restante de seu conteúdo são pesados A massa da SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 2 Produtos Químicos Equipamentos e 29 Superfícies de vidro esmerilhado Prato do dessecador Dessecante Tampa Base Figura 28 a Componentes de um dessecador típico A base contém um agente químico de secagem que normalmente é coberto com uma tela e um prato de porcelana com furos para acomodar os pesafiltros ou cadinhos b Foto de um dessecador contendo pesafiltros com sólidos secos Charles D Winters a b Figura 29 Arranjo para a secagem de amostras Charles D Winters Figura 210 Transferência quantitativa de uma amostra sólida Observe o uso da pinça para segurar o pesafiltro e de uma tirra de papel para segurar a tampa e evitar o contato da pele com o vidro Charles D Winters amostra é a diferença entre as duas pesagens É crucial que todo o sólido removido do frasco pesado seja transferido sem perda para o segundo recipiente 2E5 Pesagem de Sólidos Higroscópicos As substâncias higroscópicas absorvem umidade da atmosfera rapidamente e portanto necessitam manu seio especial Você precisa de um pesafiltro para cada amostra a ser pesada Coloque a quantidade necessária aproximada de amostra nos pesafiltros individuais e aqueçaos pelo tempo adequado Quando o aquecimento estiver terminado tampe os pesafiltros rapidamente e deixeos resfriar em um dessecador Pese um dos pesafiltros após abrilo momentaneamente para liberar qualquer vácuo Esvazie rapidamente o conteúdo do pesafiltro no frasco que vai receber a amostra tampe imediatamente e pese novamente o pesafiltro juntamente com qualquer sólido que não tenha sido transferido Repita o procedimento para cada amostra e determine a massa necessária por diferença 2E6 Pesagem de Líquidos A massa de um líquido é sempre obtida por diferença Os líquidos que não são corrosivos e relativamente não voláteis podem ser transferidos para frascos previamente pesados com tampas de ajuste perfeito como os pesafiltros a massa do frasco é subtraída da massa total Um líquido volátil ou corrosivo deve ser selado em uma ampola de vidro pesada A ampola é aqueci da e o seu gargalo é então imerso na amostra com o resfriamento o líquido é sugado para o interior do bulbo A ampola é então invertida e o gargalo selado com uma pequena chama A ampola e seu conteúdo juntamente com qualquer vidro removido durante a vedação são resfriados até atingirem a temperatura ambiente e pesados Então a ampola é transferida para um frasco apropriado e é quebrada Uma correção de volume devido ao vidro da ampola pode ser necessária se o frasco coletor for do tipo volumétrico 2F FILTRAÇÃO E IGNIÇÃO DE SÓLIDOS 2F1 Equipamentos Cadinhos Simples Os cadinhos simples servem apenas como frascos Os cadinhos de porcelana de óxido de alumínio de si licatos e de platina mantêm massa constante dentro dos limites do erro experimental e são utilizados principalmente para converter precipitados em uma forma adequada para a pesagem O sólido é primeira mente coletado em um filtro de papel O filtro e seu conteúdo são então transferidos para um cadinho pesa do e o papel é calcinado Os cadinhos simples de níquel de ferro de prata e de ouro são usados como frascos para fusão a altas temperaturas de amostras que não são solúveis em reagentes aquosos Os ataques por ambos a atmosfera e o conteúdo podem provocar alterações de massa nesses cadinhos Mais do que isso esses ataques vão contaminar a amostra com espécies removidas dos cadinhos Devese utilizar um cadinho cujos produtos vão oferecer a menor interferência em etapas subseqüentes da análise Cadinhos de Filtração Os cadinhos de filtração servem não somente como frascos mas também como filtros O vácuo é usado para acelerar a filtração um ajuste adequado entre o cadinho e o frasco de filtração pode ser obtido com qualquer um dos inúmeros tipos de adaptadores de borracha ver Figura 211 um arranjo completo para filtração é mostrado na Figura 216 A coleta de um precipitado utilizandose um cadinho de filtração é freqüentemente mais rápida do que com papel Os cadinhos de vidro sinterizado são produzidos com porosidades fina média e grossa marcados como f m e g O limite máximo de temperatura para um cadinho de vidro sinterizado é normalmente de cerca de 200 C Os cadinhos de filtração feitos inteiramente de quartzo podem tolerar temperaturas substancialmente 30 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Os cadinhos Gooch têm o fundo perfurado que suporta uma camada filtrante fibrosa O amianto era usado como camada filtrante para os cadinhos Gooch as restrições atuais ao emprego desse material em alguns países praticamente eliminaram seu uso As camadas filtrantes de lã de vidro na forma de pequenos círculos têm sido utilizadas atualmente no lugar do amianto e são usadas aos pares para proteger contra a quebra durante a filtração Elas podem tolerar temperaturas superiores a 500 C e são bem menos higroscópicas que o amianto Filtro de Papel O papel é um importante meio de filtração O papel isento de cinzas é produzido a partir de fibras de celulose que foram tratadas com ácidos clorídrico e fluorídrico para remover impurezas metálicas e sílica a amônia é então utilizada para neutralizar os ácidos Os sais de amônio residuais presentes em muitos filtros podem ser suficientes para afetar a determinação de nitrogênio pelo método de Kjeldahl ver Seção 37C11 Todos os papéis tendem a absorver a umidade da atmosfera e o papelfiltro isento de cinzas não é exceção Assim sendo é necessário destruir o papel por ignição se o precipitado coletado tiver de ser pesado Tipicamente discos de papelfiltro isento de cinzas de 9 ou 11 cm deixam um resíduo que pesa menos que 01 mg uma quantidade normalmente negligenciável O papelfiltro isento de cinzas pode ser encontrado em várias porosidades Os precipitados gelatinosos como o hidróxido de ferroIII entopem os poros de qualquer camada filtrante Um papelfiltro isento de cinzas de porosidade grosseira é mais eficiente na filtração desses sólidos mas mesmo assim ocorre o entupimento Esse problema pode ser minimizado pela mistura de uma dispersão de papelfiltro isento de cinzas com o precipitado antes da filtração A polpa de papelfiltro encontrase disponível e é oferecida na forma de tabletes por fornecedores de produtos químicos se necessária a polpa pode ser preparada por meio do tratamento de um pedaço de papel isento de cinzas com ácido clorídrico concentrado e enxaguandose a massa restante para a remoção do ácido A Tabela 21 resume as características de meios de filtração comuns Nenhum deles satisfaz a todos os requisitos Figura 211 Adaptadores para cadinhos de filtração TABELA 21 Comparação dos Meios de Filtração para Análise Gravimétrica Característica Papel Cadinho Gooch Camada Filtrante de Lã de Vidro Cadinho de Vidro Cadinho de Porcelana Cadinho de Óxido de Alumínio Velocidade da filtração Conveniência e facilidade de preparação Temperatura de ignição máxima C Reatividade química Porosidade Conveniência com precipitados gelatinosos Custo Lenta Problemática inconveniente Nenhuma Carbono tem propriedades redutoras Várias disponíveis Satisfatória Baixo Rápida Conveniente 500 Inerte Várias disponíveis Inadequada o filtro tende a entupir Baixo Rápida Conveniente 200500 Inerte Várias disponíveis Inadequada o filtro tende a entupir Alto Rápida Conveniente 1100 Inerte Várias disponíveis Inadequada o filtro tende a entupir Alto Rápida Conveniente 1450 Inerte Várias disponíveis Inadequada o filtro tende a entupir Alto Equipamentos de Aquecimento Muitos precipitados podem ser pesados diretamente após ter adquirido massa constante em uma estufa de secagem a baixa temperatura Esse forno é eletricamente aquecido sendo capaz de manter a temperatura constante na faixa de 1 C ou superior As temperaturas de trabalho máximas variam entre 140 C e 260 C dependendo da marca e do modelo para muitos precipitados 110 C é uma temperatura de secagem satisfatória A eficiência de uma estufa de secagem aumenta grandemente pela circulação forçada de ar A passagem de ar previamente seco através de uma estufa programada para operar sob pressão reduzida representa uma melhoria adicional Os fornos de microondas de laboratório são muito populares atualmente Onde aplicáveis eles reduzem significativamente os ciclos de secagem Por exemplo as amostras de suspensões que requerem de 12 a 16 h para a secagem em um forno convencional podem ser secas entre cinco e seis minutos no forno de microondas7 O tempo necessário para a secagem de precipitados de cloreto de prata oxalato de cálcio e sulfato de bário para análises gravimétricas também é reduzido significativamente8 Uma lâmpada de aquecimento comum pode ser utilizada para secar precipitados que tenham sido recolhidos em papelfiltro isento de cinzas e também para carbonizar o papel O processo é finalizado de forma conveniente pela calcinação a altas temperaturas em mufla Os queimadores são fontes convenientes de calor intenso A temperatura máxima alcançável depende do design do queimador e das propriedades de queima do combustível Dos três queimadores de laboratório mais comuns o queimador do tipo Meker é o que fornece as temperaturas mais elevadas seguido dos queimadores do tipo Tirril e Bunsen Um forno elétrico potente mufla é capaz de manter temperaturas controladas de 1100 C ou mais elevadas As tenazes longas e as luvas resistentes ao calor são necessárias para a proteção na transferência de objetos para ou da mufla 2F2 Filtração e Ignição de Precipitados Preparação dos Cadinhos O cadinho usado na conversão do precipitado de uma forma adequada para pesagem deve manter dentro dos limites dos erros experimentais a massa constante durante a secagem ou calcinação Em primeiro lugar o cadinho deve ser limpo criteriosamente os cadinhos de filtração são limpos de maneira conve A retrolavagem de um cadinho de filtração é feita colocandose o cadinho de cabeça para baixo no adaptador Figura 211 e sugando a água através do cadinho invertido niente por retrolavagem em um sistema de filtração depois deve ser submetido ao mesmo procedimento de aquecimento e resfriamento necessário ao precipitado Esse processo deve ser repetido até que se atinja a massa constante página 28 isto é até que as pesagens consecutivas apresentem diferença menor ou igual a 03 mg Filtração e Lavagem de Precipitados Decantação é o processo de verter um líquido suavemente de forma a não movimentar o sólido contido no fundo do recipiente As etapas envolvidas na filtração de um precipitado analítico são decantação lavagem e transferência Na decantação a maior quantidade possível de líquido sobrenadante deve passar através do filtro enquanto o sólido precipitado é mantido essencialmente em repouso no béquer em que foi formado Esse procedimento acelera a velocidade de filtração retardando o tempo para que os poros do meio de filtração sejam entupidos pelo precipitado Um bastão de vidro é usado para direcionar o fluxo do decantado Figura 212 Quando o fluxo cessa a gota de líquido que permanece no bico do béquer deve ser recolhida com o bastão de vidro e devolvida para o seu interior onde se encontra o precipitado O líquido de lavagem é adicionado ao béquer sendo vigorosamente misturado com o precipitado Deixase 7 D G Kuehn R L Brandvig et al Amer Lab 1986 v 18 n 7 p 31 Ver também Anal Chem 1986 n 58 1424A E S Beary Anal Chem 1988 n 60 p 742 8 R QThompson M J Ghadradhig Chem Educ 1993 n 70 p 170 assentar o sólido e então esse líquido também é decantado através do filtro Várias dessas lavagens podem ser necessárias dependendo do precipitado A maior parte das lavagens deve ser realizada antes que a totalidade do sólido seja transferida essa técnica resulta em um precipitado lavado de maneira mais eficiente e em uma filtração mais rápida O processo de transferência está ilustrado na Figura 212b A totalidade do precipitado é transferida do béquer para o filtro por jatos diretos do líquido de lavagem Como na decantação e lavagem um bastão de vidro direciona o fluxo do material para o meio de filtração Os últimos traços do precipitado que ficam aderidos à parte interna do béquer são removidos com um policial que consiste em um pequeno pedaço de um tubo de borracha amassado em uma de suas extremidades O lado aberto da outra extremidade do tubo é adaptado à ponta de um bastão de vidro e umedecido com o líquido de lavagem antes do seu uso Qualquer sólido coletado com ele combinase com a porção principal no filtro Pequenos pedaços de papel isento de cinzas podem ser utilizados para retirar os últimos traços de precipitado de óxido de ferro hidratado da parede do béquer esses papéis são calcinados juntamente com o papel no qual a maior parte do precipitado foi previamente recolhida Muitos precipitados possuem a exasperada propriedade de ascensão por capilaridade ou de se mover sobre uma superfície úmida contra a força da gravidade Os filtros nunca são enchidos acima de três quartos de sua capacidade para prevenir a possível perda de precipitados por ascensão por capilaridade A adição de uma pequena quantia de um detergente não iônico como por exemplo o Triton X100 ao líquido sobrenadante ou líquido de lavagem pode ajudar a minimizar a ascensão por capilaridade Um precipitado gelatinoso precisa ser completamente lavado antes de ser deixado para secar Esses precipitados encolhem e desenvolvem rachaduras à medida que secam Adições sucessivas do líquido de lavagem simplesmente passam pelas rachaduras e resultam em pouca ou nenhuma lavagem 2F3 Instruções para Filtração e Ignição de Precipitados Preparação do papelfiltro A Figura 213 mostra a sequência de dobra e fixação de um papelfiltro em um funil de haste de 60º O papel é dobrado exatamente em sua metade a firmemente pressionado e dobrado novamente b Um pequeno pedaço triangular de um dos cantos é rasgado paralelamente à segunda dobra c O papel então é aberto de maneira que o quarto inteiro forme um cone d O cone é ajustado no funil e a segunda dobra é amassada e A fixação se completa pelo umedecimento do cone com água de uma pisseta e com batidas de leve dadas com a ponta dos dedos f Não deve haver vazamento de ar entre o funil e um cone adequadamente fixado além disso a haste do funil será preenchida com uma coluna contínua de líquido Figura 212 a Lavagem por decantação b Transferência do precipitado Ascensão por capilaridade é um processo no qual um sólido se move para cima nas laterais de um recipiente ou papel filtro úmido Não permita que um precipitado gelatinoso seque até que ele tenha sido completamente lavado Transferência do Papel e do Precipitado para um Cadinho Após a filtração e lavagem terem sido completadas o filtro e seu conteúdo precisam ser transferidos do funil para um cadinho que tenha sido levado a massa constante O papelfiltro isento de cinzas úmido tem baixa resistência e deve ser manuseado com cuidado durante a transferência O perigo de rasgar é minimizado consideravelmente se o papel for deixado para secar um pouco antes de ser removido do funil A Figura 214 ilustra o processo de transferência A porção triplamente dobrada do papelfiltro é retirada do funil a para achatar o cone ao longo de sua extremidade superior b os cantos são então dobrados para dentro c a extremidade superior também é dobrada d Finalmente o papel e seu con teúdo são colocados dentro do cadinho e de forma que a massa do precipitado fique próxima ao fundo do cadinho 34 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Figura 213 Dobra e fixação de um papelfiltro a Dobre o papel exatamente em sua metade e pressioneo firmemente b Dobre o papel uma segunda vez c Rasgue um dos cantos do papel em uma linha paralela à segunda dobra d Abra o papel na metade inteira para formar um cone e Ajuste o cone firmemente no funil Então f umedeça levemente o papel e bata delicadamente para fixar o papel no lugar Charles D Winters a b c d e f a b c d e Figura 214 Transferência do papel filtro e precipitado de um funil para um cadinho a Puxe a porção triplamente dobrada do cone para o lado oposto do funil b Remova o cone do funil e achateo ao longo de sua extremidade superior c Dobre os cantos para dentro d Dobre a extremidade superior do cone de forma que mantenha o precipitado dentro do papel e Posicione suavemente o papel dobrado e seu conteúdo dentro do cadinho Calcinação de Filtros de Papel Se uma lâmpada de aquecimento for empregada o cadinho é colocado em uma superfície limpa não reativa como por exemplo uma tela metálica coberta com papelalumínio Então a lâmpada é posicionada cerca de 1 cm acima da boca do cadinho e ligada A carbonização ocorre rapidamente sem necessidade de muita atenção O processo será consideravelmente acelerado se o papel for umedecido com apenas uma gota de uma solução de nitrato de amônio concentrada O carbono residual é eliminado com um queimador como descrito no próximo parágrafo Devese prestar muita atenção se um queimador for empregado para calcinar um papelfiltro O queimador produz temperaturas muito mais elevadas que a lâmpada de aquecimento Assim sendo a perda mecânica do precipitado pode ocorrer se a umidade for expelida muito rapidamente nas etapas iniciais do aquecimento ou se o papel pegar fogo A redução parcial de alguns precipitados também pode ocorrer por meio da reação com o carbono aquecido do papel carbonizado essa redução é um problema sério se a reoxidação após a calcinação for inconveniente Essas dificuldades podem ser minimizadas posicionandose o cadinho como ilustrado na Figura 215 A posição inclinada permite o acesso irrestrito de ar uma tampa de cadinho deve estar disponível para extinção de qualquer chama O aquecimento deve ter início com uma chama baixa A temperatura é gradualmente aumentada tão logo a umidade evolva e o papel comece a carbonizar A quantidade de fumaça liberada indica a intensidade do aquecimento que pode ser tolerada Pequenas faíscas são normais Um aumento significativo na fumaça indica que o papel está próximo de entrar em ignição e o aquecimento deve ser momentaneamente interrompido Qualquer chama deve ser imediatamente extinta com uma tampa de cadinho A tampa pode tornarse escura devido à condensação de produtos carbonáceos esses produtos precisam ser removidos em última instância da tampa por calcinação para se confirmar a ausência de partículas do precipitado Quando não houver mais a liberação de fumaça o aquecimento deve ser aumentado para eliminar o carbono residual Um aquecimento forte se necessário pode ser realizado Essa sequência comum precede a calcinação final do precipitado em uma mufla na qual uma atmosfera redutora é igualmente indesejável Uso de Cadinhos de Filtração Um sistema de filtração a vácuo Figura 216 é empregado quando um cadinho de filtração pode ser utilizado no lugar do papel O frasco de contenção trap isola o frasco com o filtro da fonte de vácuo Devese ter um queimador para cada cadinho Você pode calcinar vários papéisfiltro ao mesmo tempo Figura 215 Calcinação de um precipitado Podese observar a posição inicial adequada para a carbonização preliminar Figura 216 Sistema para filtração a vácuo O trap isola o frasco com o filtro da fonte de vácuo 2F4 Regras para Manipulação de Objetos Aquecidos A adoção cuidadosa das seguintes regras vai minimizar a possibilidade de perda acidental de um precipitado 1 Pratique manipulações pouco familiares antes de colocálas em uso 2 Nunca coloque um objeto aquecido na bancada ao contrário coloqueo sobre uma gaze ou uma placa de cerâmica resistente ao calor 3 Deixe um cadinho que tenha sido submetido à chama intensa de um queimador ou a uma mufla resfriar momentaneamente em uma gaze ou placa de cerâmica antes de transferilo para o dessecador 4 Mantenha tenazes e pinças usadas no manuseio de objetos aquecidos rigorosamente limpas Particularmente não deixe que suas pontas toquem a bancada 2G MEDIDA DE VOLUME A medida precisa de volumes é tão importante para um método analítico quanto a medida precisa da massa 2G1 Unidades de Volume A unidade de volume é o litro L definido como um decímetro cúbico O mililitro mL corresponde a um milésimo de um litro 0001 L e é usado quando o litro representa uma unidade de volume inconvenientemente grande O microlitro μL é 10⁶ L ou 10³ mL 2G2 O Efeito da Temperatura na Medida de Volumes O volume ocupado por uma certa massa de líquido varia com a temperatura assim como o dispositivo que abriga o líquido durante a medida Em sua maioria os dispositivos de medida volumétricos são feitos de vidro que felizmente têm um pequeno coeficiente de expansão Conseqüentemente as variações no volume de um recipiente de vidro com a temperatura não precisam ser consideradas no trabalho analítico corrigeiro O coeficiente de expansão para uma solução aquosa diluída aproximadamente 0025C é tal que uma variação de 5 C tem um efeito mensurável na confiabilidade de medidas volumétricas normais As medidas volumétricas precisam ser relacionadas a alguma temperaturapadrão esse ponto de referência normalmente é de 20 C A temperatura ambiente da maioria dos laboratórios é suficientemente próxima a 20 C para tornar desnecessárias as correções para a temperatura em medidas de volume de soluções aquosas Em contraste o coeficiente de expansão para líquidos orgânicos pode requerer correções para diferenças de temperatura de 1 C ou menos EXEMPLO 22 Uma amostra de 4000 mL é tomada a partir de uma solução aquosa a 5 C que volume ela ocuparia a 20 C V₂₀ V₅ 00002520 54000 4000 015 4015 mL O litro corresponde a um decímetro cúbico O mililitro é 10³ L 2G3 Aparatos para Medidas Precisas de Volume O volume pode ser medido de maneira confiável com uma pipeta uma bureta ou um frasco volumétrico O equipamento volumétrico é marcado pelo fabricante para indicar não apenas a sua forma de calibração geralmente TD para dispensar to deliver ou TC para conter to contain como também a temperatura na qual a calibração se aplica estritamente As pipetas e as buretas são normalmente calibradas para dispensar volumes específicos enquanto os frascos volumétricos são calibrados para conter um dado volume Pipetas As pipetas permitem a transferência de volumes exatamente conhecidos de um recipiente para outro Tipos comuns de pipetas são mostrados na Figura 217 as informações relacionadas ao seu uso são dadas na Tabela 22 Uma pipeta volumétrica ou de transferência Figura 217a dispensa um volume fixo único entre 05 e 200 mL Muitas pipetas têm códigos coloridos para cada volume para conveniência na identificação e manuseio As pipetas de medida Figura 217b e c são calibradas em unidades convenientes para permitir a liberação de qualquer volume até sua capacidade máxima variando de 01 a 25 mL As pipetas volumétricas e graduadas são preenchidas até a marca de calibração pela abertura inferior a maneira pela qual a transferência se completa depende do seu tipo específico Como existe uma atração entre a maioria dos líquidos e o vidro uma pequena quantidade de líquido costuma ficar retida na ponta da pipeta após esta ser esvaziada Esse líquido residual nunca deve ser assoprado em uma pipeta volumétrica ou em algumas pipetas graduadas pode ser assoprado em outros tipos de pipeta Tabela 22 TD para dispensar TC para conter Um anel fosco próximo ao topo da pipeta indica que a última gota deve ser assoprada 37 Tipos de materiais de vidro incluem os de Classe A e Classe B O recipiente Classe A é fabricado com vidros Pyrex borossilicato ou Kimax ver tabelas nesta página e nas páginas 38 e 39 para as menores tolerâncias As tolerâncias da Classe B econômica são aproximadamente duas vezes superiores às da Classe A Código de cores Anéis esmerilhados Ponteira descartável Figura 217 Pipetas típicas a pipeta volumétrica b pipeta de Mohr c pipeta sorológica d micropipeta Eppendorf e pipeta de OstwaldFolin e f pipeta lambda TABELA 22 Características de Pipetas Nome Tipo de Calibração Função Capacidade Disponível mL Tipo de Drenagem Volumétrica TD Liberação de volumes fixos 1200 Livre Mohr TD Liberação de volumes variáveis 125 Até a menor linha de calibração Sorológica TD Liberação de volumes variáveis 0110 Soprar a última gota Sorológica TD Liberação de volumes variáveis 0110 Até a menor linha de calibração OstwaldFolin TD Liberação de volumes fixos 0510 Soprar a última gota Lambda TC Conter um volume fixo 00012 Lavar com solvente adequado Lambda TD Liberação de volume fixo 00012 Soprar a última gota Eppendorf TD Liberação de volumes fixos ou variáveis 00011 Ponteira esvaziada por deslocamento de ar 38 Tolerâncias de Pipetas de Transferência Classe A Capacidade mL Tolerâncias mL 05 0006 1 0006 2 0006 5 001 10 002 20 003 25 003 50 005 100 008 Faixa de Precisão de Micropipetas Eppendorf Típicas Faixa de Volume μL Desviopadrão μL 120 004 a 2 μL 006 a 20 μL 10100 010 a 15 μL 015 a 100 μL 20200 015 a 25 μL 030 a 200 μL 1001000 06 a 250 μL 13 a 1000 μL 5005000 3 a 10 mL 8 a 50 mL As micropipetas portáteis Eppendorf Figuras 217d e 218a dispensam volumes ajustáveis de líquidos na faixa de microlitros Com essas pipetas um volume conhecido e ajustável de ar é deslocado da ponteira de plástico descartável pressionandose o botão localizado na parte superior da pipeta até uma primeira parada Esse botão opera um pistão provido de uma mola que força o ar para fora da pipeta O volume do ar deslocado pode variar em função do ajuste de um micrômetro digital localizado na parte frontal ou superior do dispositivo A ponteira de plástico é então mergulhada no líquido e a pressão no botão liberada provocando a sucção do líquido para dentro da ponteira Então a ponteira é colocada junto à parede do recipiente de coleta e o botão é novamente pressionado até a primeira parada Após um segundo o botão é pressionado até a segunda parada que esvazia completamente a ponteira A faixa de volumes e a precisão de pipetas típicas desse tipo são mostradas na margem à direita A exatidão e precisão de pipetas automáticas dependem de alguma forma da habilidade e experiência dos operadores e portanto devem ser calibradas para trabalhos mais importantes9 Inúmeras pipetas automáticas estão disponíveis para situações que demandam o escoamento repetido de um volume específico Além disso as micropipetas motorizadas controladas por computador encontramse disponíveis hoje em dia ver Figura 218b Esses dispositivos são programados para funcionar como pipetas dispensadoras de múltiplos volumes buretas e meios de diluição de amostras O volume desejado é digitado em um teclado e exibido em um painel LCD Um pistão motorizado dispensa o líquido Volumes máximos variam de 10 a 2500 μL Figura 218 a Pipeta automática de volume variável 1001000 μL A 100 μL a exatidão é de 30 e a precisão é de 06 A 1000 μL a exatidão é de 06 e a precisão é de 02 O volume é ajustado usandose o botão como apresentado na foto O volume mostrado é de 525 μL b Uma pipeta motorizada portátil operada a bateria e controlada por computador 9 M Connors R Curits Amer Lab News Ed jun 1999 p 2122 39 Buretas As buretas assim como as pipetas graduadas tornam possível o escoamento de qualquer volume até a capacidade máxima do dispositivo A precisão alcançável com uma bureta é substancialmente maior que a precisão de uma pipeta Uma bureta consiste em um tubo calibrado para abrigo do titulante mais uma válvula pela qual a vazão do titulante é controlada Essa válvula é a principal fonte de diferenças entre as buretas A válvula de pinça mais simples é composta por uma bolinha de vidro finamente ajustada colocada em um tubo de borracha curto que conecta a bureta e sua ponteira Figura 219a o líquido escoa pela conta de vidro apenas quando o tubo é deformado Uma bureta equipada com uma torneira de vidro depende do uso de um lubrificante aplicado entre as superfícies esmerilhadas da torneira e do cilindro para uma vedação bem eficiente Algumas soluções notadamente de bases provocam o emperramento da torneira quando permanecem na bureta por longos períodos portanto uma limpeza completa é necessária após sua utilização As válvulas feitas em Teflon são encontradas comumente essas válvulas não são afetadas pelos reagentes mais comuns e não requerem o uso de um lubrificante Figura 219b Frascos Volumétricos Os frascos volumétricos Figura 220 são fabricados com capacidades que variam de 5 mL a 5 L e são geralmente calibrados para conter um volume específico quando preenchidos até uma linha gravada no gargalo do frasco Eles são utilizados para a preparação de soluçõespadrão e para a diluição de amostras a volumes fixos antes da tomada de alíquotas com uma pipeta Alguns também são calibrados para dispensar certos volumes estes são distinguidos prontamente devido à presença de duas linhas de referência localizadas no gargalo Se a dispensa do volume indicado for desejada o frasco é preenchido até a linha superior Tolerâncias de Buretas Classe A Volume mL Tolerâncias mL 5 001 10 002 25 003 50 005 100 020 Tolerâncias de Frascos Volumétricos Classe A Capacidade mL Tolerâncias mL 5 002 10 002 25 003 50 005 100 008 250 012 500 020 1000 030 2000 050 Figura 219 Buretas a válvula de conta de vidro b válvula de Teflon Figura 220 Frascos volumétricos típicos 2G4 Utilização de Equipamentos Volumétricos A marcação de volumes é realizada pelo fabricante nos equipamentos volumétricos limpos O mesmo grau de limpeza é necessário no laboratório se essas marcas devem manterse fiéis a seu valor indicado Somente superfícies limpas de vidro formam um filme uniforme de líquido após um escoamento A sujeira ou a gordu ra provocam rupturas nesse filme a presença de rupturas é uma indicação certa de uma superfície suja Limpeza Um breve banho em uma solução de detergente morna é normalmente suficiente para remover a gordura e a sujeira responsáveis por rupturas do filme de água Os banhos prolongados devem ser evitados porque uma área áspera ou anel áspero tende a se formar na interface detergentear Esse anel não pode ser removi do provocando a quebra do filme e tornando o equipamento inútil Após a limpeza o aparato precisa ser completamente enxaguado com água de torneira e então com três ou quatro porções de água destilada Raramente é necessário secar um material volumétrico Evitando a Paralaxe A superfície superior de um líquido confinado em um tubo estreito exibe uma curvatura característica ou menisco É uma prática comum o uso da base do menisco como ponto de referência na calibração e na uti lização de equipamentos volumétricos Esse mínimo pode ser estabele cido mais exatamente segurandose um cartão opaco ou um pedaço de papel atrás da graduação do equipamento Figura 221 40 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Figura 221 Leitura de uma bureta a A estudante olha a bureta de uma posição acima da linha perpendicular a ela e faz uma leitura b de 1258 mL c A estudante olha a bureta de uma posição perpendicular a ela e faz uma leitura d de 1262 mL e A estudante olha a bureta de uma posição abaixo da linha perpendicular a ela e faz uma leitura f de 1267 mL Para se evitar o problema da paralaxe as leituras da bureta devem ser feitas consistentemente sobre a linha perpendicular a ela como mostrado em c e d Charles D Winters a b c d e f Um menisco é a superfície curva de um líquido na sua interface com a atmosfera Na leitura de volumes o olho precisa estar no nível da superfície do líquido para se evitar o erro devido à paralaxe uma condição que faz que o volume pareça menor que seu valor verdadeiro se o menisco for visto de cima e maior se o menisco for visto de baixo Figura 221 2G5 Instruções para Uso de uma Pipeta As seguintes instruções são especificamente apropriadas para as pipetas volumétricas mas podem ser modificadas para a utilização com outros tipos de pipetas O líquido é sugado para o interior da pipeta pela aplicação de um pequeno vácuo A boca jamais deve ser utilizada para a sucção por causa do risco de ingestão acidental do líquido que está sendo pipetado Em vez disso um bulbo de sucção de borracha Figura 222a ou um tubo de borracha conectado a um sistema de vácuo deve ser empregado SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 2 Produtos Químicos Equipamentos e 41 A paralaxe é o deslocamento aparente do nível de um líquido ou de um ponteiro à medida que o observador muda de posição A paralaxe ocorre quando um objeto pode ser visto a partir uma posição que não seja a do ângulo correto para a sua observação Charles D Winters a e Figura 222 Escoamento de uma alíquota a Aspire uma quantidade pequena do líquido para o interior da pipeta e b umedeça a superfície interior do vidro inclinando e girando a pipeta Repita esse procedimento mais duas vezes A seguir c enquanto estiver mantendo a ponta da pipeta junto à superfície interna do frasco volumétrico deixe que o nível do líquido desça até que a base do menisco esteja alinhada com a linha gravada na haste da pipeta d Remova a pipeta do frasco volumétrico e inclinea e até que o líquido seja ligeiramente sugado para cima e f limpe a ponta da pipeta com um lenço de papel como indicado pela figura Então enquanto estiver segurando a pipeta verticalmente g permita que o líquido escoe para o frasco coletor até que uma pequena quantidade do líquido permaneça no interior da ponta da pipeta e uma gota permaneça em seu exterior Finalmente incline ligeiramente o frasco como mostrado em h e toque a ponta da pipeta na parede interna do frasco Quando essa etapa for completada uma pequena porção do líquido vai permanecer na pipeta Não remova esse líquido remanescente A pipeta é calibrada para dispensar de maneira reprodutível o volume indicado quando essa pequena porção de líquido permanece na sua ponta b f c g d h Limpeza Use um bulbo de borracha para aspirar uma solução de detergente para um nível de 2 a 3 cm acima da marca de calibração da pipeta Escoe essa solução e então enxágüe a pipeta com várias porções de água corrente Inspecione se há a quebra do filme repita essa etapa do ciclo de limpeza se necessário Finalmente encha a pipeta com água destilada até um terço de sua capacidade e girea cuidadosamente para que toda a sua superfície interior seja umedecida Repita essa etapa de enxágüe pelo menos duas vezes Medida de uma Alíquota Utilize um bulbo de borracha para aspirar um pequeno volume do líqui do a ser amostrado para dentro da pipeta e molhe completamente toda a sua superfície interior Repita essa etapa com pelo menos duas porções adicionais Então encha cuidadosa mente a pipeta até um nível acima da marca da graduação Figura 222 Rapidamente substitua o bulbo pelo dedo indicador para interromper o escoamento do líquido Figura 222b Esteja certo de que não haja bolhas no interior do líquido ou espuma em sua superfície Incline ligeiramente a pipeta e limpe qualquer líquido aderido ao seu exterior Figura 222c Toque a ponta da pipeta na parede de um frasco de vidro não o recipiente para o qual a alíquota será transferida e vagarosamente deixe que o nível do líquido diminua liberando parcialmente o dedo indicador Nota 1 Cesse o escoamento assim que a base do menisco coin cidir exatamente com a marca graduada Então coloque a pipeta bem dentro do frasco coletor e deixe o lí quido escoar Quando o escoamento cessar descanse a ponta da pipeta contra a parede interna do frasco por pelo menos dez segundos Figura 222d Finalmente retire a pipeta com um movimento em rotação para remover qualquer líquido aderido à sua ponta O pequeno volume remanescente dentro da ponta de uma pipeta volumétrica não deve ser assoprado ou enxaguado para dentro do frasco coletor Nota 2 Notas 1 O líquido pode ser mantido sob um nível constante com maior facilidade se o dedo indicador estiver ligeiramente úmido A umidade excessiva torna o controle impossível 2 Enxágüe a pipeta completamente após seu uso 2G6 Instruções para Uso da Bureta Uma bureta precisa ser escrupulosamente limpa antes de seu uso além disso sua válvula não deve estar vazando Limpeza Limpe perfeitamente o tubo da bureta com detergente e uma escova longa Enxágüe completamente com água da torneira e então com água destilada Verifique a ocorrência de quebra no filme de água Repita o tratamento se necessário Lubrificação da Torneira de Vidro Cuidadosamente remova toda a graxa antiga da torneira de vidro e seu tambor com uma toalha de papel e seque ambas as partes completamente Engraxea ligeiramente tomando cuidado para evitar a área adja cente ao furo Coloque a torneira no tambor e girea vigorosamente com uma leve pressão para dentro Uma quantidade adequada de lubrificante foi empregada quando 1 a área de contato entre a torneira e o tambor mostrase quase transparente 2 a vedação ante o líquido é efetiva e 3 não há graxa no orifício da ponta da bureta Notas 1 Os filmes de graxa que não são afetados por soluções de limpeza podem ser removidos com solventes orgânicos como acetona ou benzeno Uma lavagem completa com detergente deve ser feita após esse tratamento O uso de lubrificantes de silicone não é recomendado as contaminações desses preparados são difíceis se não impossíveis de ser removidas 42 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Uma alíquota é uma fração medida do volume de uma amostra líquida 2 Enquanto o fluxo de líquido não for impedido a obstrução parcial da ponta da bureta com a graxa de torneira não é uma questão séria A remoção é mais bem realizada com solventes orgânicos A obstrução durante uma titulação pode ser liberada por aquecimento brando da ponta da bureta com um fósforo aceso 3 Antes de uma bureta ser utilizada novamente após sua remontagem é aconselhável testar possíveis vazamentos Simplesmente encha a bureta com água e certifiquese de que a leitura do volume não varie com o tempo Preenchimento Tenha a certeza de que a torneira esteja fechada Adicione 5 a 10 mL do titulante e cuidadosamente gire a bureta para molhar seu interior completamente Deixe o líquido escoar pela ponta da bureta Repita esse procedimento pelo menos mais duas vezes Em seguida encha a bureta bem acima da marca zero Libere a ponta de bolhas de ar girando rapidamente a torneira e permitindo que pequenas quantidades do titulante sejam escoadas Finalmente baixe o nível do líquido bem próximo ou um pouco abaixo da marca zero Deixe o filme drenar 1 min e então registre a leitura do volume inicial estimandoo o mais próximo de 001 mL Titulação A Figura 223 ilustra o método preferido para a manipulação de uma torneira quando você posiciona sua mão como mostrado seu apoio na torneira tende a mantêla firmemente fixa Certifiquese de que a ponta da bureta esteja bem dentro do frasco de titulação Introduza o titulante em incrementos de cerca de 1 mL Gire ou agite constantemente para garantir uma mistura completa Diminua o tamanho dos incrementos à medida que a titulação avança adicione o titulante gota a gota nas proximidades do ponto final Nota 2 Quando parecer que apenas mais algumas gotas são necessárias para se atingir o ponto final enxágue as paredes do recipiente Nota 3 Deixe o titulante drenar da parede interna da bureta pelo menos 30 segundos até completar a titulação Então anote o volume final novamente o mais próximo de 001 mL Notas 1 Quando não estão familiarizados com uma titulação em particular muitos analistas preparam uma amostra extra Nenhum cuidado é tomado com sua titulação uma vez que sua função é revelar a natureza do ponto final e fornecer uma estimativa grosseira de quanto titulante se faz necessário Esse sacrifício deliberado de uma amostra freqüentemente resulta em uma economia global de tempo 2 Incrementos menores que uma gota podem ser adicionados permitindose a formação de uma gota na ponta da bureta e então tocando a ponta na parede do frasco Essa gota parcial é combinada com a totalidade do líquido como exposto na Nota 3 3 Em vez de ser enxaguado ao se aproximar do final da titulação o frasco pode ser inclinado e girado para que todo o líquido agregue alguma gota aderida à superfície interna do frasco 2G7 Instruções para Uso de Frascos Volumétricos Antes de ser colocados em uso os frascos volumétricos precisam ser lavados com detergente e enxaguados completamente Apenas raramente eles precisam ser secos Se necessário no entanto a secagem é mais bem realizada prendendose o frasco na posição invertida A inserção de um tubo de vidro conectado a uma linha de vácuo acelera o processo Leituras da bureta devem ser estimadas o mais próximo de 001 mL Figura 223 Método recomendado para manipulação da torneira de uma bureta Pesagem Direta em Frasco Volumétrico A preparação direta de soluçõespadrão requer a introdução de uma massa conhecida do soluto no frasco volumétrico A utilização de um funil para sólidos barquinha minimiza a possibilidade de perda do sólido durante a transferência Enxágüe o funil perfeitamente recolha a água das lavagens no frasco volumétrico O procedimento anterior pode não ser apropriado se for necessário o aquecimento para a dissolução do soluto Em vez disso pese o sólido em um béquer ou outro recipiente adicione o solvente aqueça para dissolver o soluto e deixe a solução esfriar até a temperatura ambiente Transfira essa solução quantitativamente para o frasco volumétrico como descrito na próxima seção Transferência Quantitativa de Líquidos para um Frasco Volumétrico Insira um funil no gargalo do frasco volumétrico use um bastão de vidro para direcionar o fluxo de líquido do béquer para o funil Com o bastão retire a última gota de líquido do béquer Enxágüe o bastão e o interior do béquer com água destilada e transfira as águas de lavagem para o frasco volumétrico como antes Repita o processo de enxágüe pelo menos mais duas vezes Diluição até a Marca Após o soluto ter sido transferido encha o frasco até a metade e agite o conteúdo para apressar a dissolução Adicione mais solvente e em seguida misture bem Leve o líquido quase até a marca e deixe drenar por algum tempo 1 min em seguida use um gotejador para fazer qualquer adição final necessária do solvente ver nota a seguir Tampe o frasco com firmeza e invertao repetidamente para garantir a completa mistura Transfira o conteúdo para um frasco de armazenamento que esteja seco ou que tenha sido enxaguado com várias pequenas porções da solução do frasco volumétrico Nota Se como acontece algumas vezes o nível do líquido exceder a marca de calibração a solução pode ser aproveitada corrigindose para o excesso de volume Use uma fita adesiva para marcar a posição do menisco Após o frasco ter sido esvaziado preenchao com água de novo cuidadosamente até a marca do fabricante Use uma bureta para determinar o volume adicional necessário para encher o frasco até que o menisco esteja na marca da fita colada Esse volume precisa ser adicionado ao volume nominal do frasco quando a concentração da solução for calculada 2H CALIBRAÇÃO DO MATERIAL DE VIDRO VOLUMÉTRICO O material de vidro volumétrico é calibrado pela medida da massa do líquido geralmente água destilada ou deionizada de densidade e na temperatura conhecidos que é contida no ou dispensada do recipiente volumétrico A correção para o empuxo precisa ser feita na realização da calibração Seção 2D4 uma vez que a densidade da água é bastante diferente daquelas dos pesos Os cálculos associados com a calibração apesar de não serem difíceis são de alguma forma complexos Os dados brutos das pesagens são primeiramente corrigidos para o empuxo com a Equação 21 Em seguida o volume do aparato na temperatura de calibração T é obtido pela divisão da densidade do líquido naquela temperatura pela massa corrigida Finalmente esse volume é corrigido para a temperaturapadrão de 20 C assim como no Exemplo 22 A Tabela 23 é fornecida para auxiliar nos cálculos do empuxo As correções para o empuxo em relação a pesos de aço inoxidável ou latão a diferença de densidade entre os dois é suficientemente pequena podendo ser negligenciada e para as variações no volume da água e recipientes de vidro foram incorporadas nesses dados A multiplicação pelo fator adequado presente na Tabela 23 converte a massa de água na temperatura T para 1 o volume correspondente naquela temperatura ou 2 o volume a 20 C TABELA 23 Volume Ocupado por 1000 g de Água Pesado ao Ar Empregandose Massaspadrão de Aço Inoxidável Volume mL Temperatura T C Em T Corrigida para 20 C 10 10013 10016 11 10014 10016 12 10015 10017 13 10016 10018 14 10018 10019 15 10019 10020 16 10021 10022 17 10022 10023 18 10024 10025 19 10026 10026 20 10028 10028 21 10030 10030 22 10033 10032 23 10035 10034 24 10037 10036 25 10040 10037 26 10043 10041 27 10045 10043 28 10048 10046 29 10051 10048 30 10054 10052 Foram aplicadas as correções para o empuxo pesos de aço inoxidável e variações no volume do recipiente EXEMPLO 23 Uma pipeta de 25 mL dispensa 24976 g de água pesados empregandose massas de aço inoxidável a 25 C Use os dados da Tabela 23 para calcular o volume dispensado pela pipeta a 25 C e a 20 C A 25 C V 24976 g 10040 mLg 2508 mL A 20 C V 24976 g 10037 mLg 2507 mL 2H1 Instruções Gerais para a Calibração Todo o material volumétrico deve estar cuidadosamente livre de quebras de filme de água antes de ser calibrado As buretas e as pipetas não precisam ser secas os frascos volumétricos devem ser completamente escoados e secos à temperatura ambiente A água usada na calibração deve estar em equilíbrio térmico com o ambiente Essa condição é mais bem estabelecida pela aspiração prévia da água anotando sua temperatura em intervalos freqüentes e esperando até que não ocorram mais variações Embora uma balança analítica possa ser utilizada para a calibração a pesagem até as miligramas mais próximas é perfeitamente satisfatória para todos os volumes com exceção daqueles muito pequenos Assim uma balança de prato superior é mais conveniente que uma balança analítica Os pesafiltros ou erlenmeyers bem fechados podem ser empregados como coletores de líquidos de calibração Calibração de uma Pipeta Volumétrica Determine a massa do recipiente tampado vazio até a miligrama mais próxima Transfira a porção de água sob equilíbrio térmico para o recipiente com a pipeta pese o recipiente coletor e seu conteúdo novamente até o miligrama mais próximo e calcule a massa de água dispensada a partir da diferença nas duas massas Com o auxílio da Tabela 23 calcule o volume dispensado Repita a calibração várias vezes calcule o volume médio dispensado e seu desvio padrão Calibração de uma Bureta Encha a bureta com a água mantida em equilíbrio térmico e certifiquese de que não haja bolhas aprisionadas na sua ponta Deixe drenar por cerca de um minuto então abaixe o nível do líquido até que a base do menisco alcance a marca de 000 mL Toque a ponta da bureta na parede de um béquer para retirar alguma gota aderida Espere dez minutos e verifique novamente o volume se a torneira estiver bem fechada não deverá ocorrer qualquer variação perceptível Durante esse intervalo pese até o miligramo mais próximo um erlenmeyer de 125 mL equipado com uma rolha de borracha Quando a torneira estiver bem fechada transfira lentamente a cerca de 10 mLmin aproximadamente 10 mL de água para o frasco Toque a ponta da bureta na parede do frasco Espere um minuto registre o volume que foi aparentemente dispensado e encha novamente a bureta Pese o frasco e seu conteúdo até o miligrama mais próximo a diferença entre essa massa e o valor inicial representa a massa de água escoada Use a Tabela 23 para converter essa massa para o volume verdadeiro Subtraia o volume aparente do verdadeiro Essa diferença é a correção que deve ser aplicada no volume aparente para fornecer o valor verdadeiro Repita a calibração até que uma concordância ao nível de 002 mL seja alcançada Começando novamente da marca zero repita a calibração escoando dessa vez cerca de 20 mL para o frasco coletor Teste a bureta em intervalos de 10 mL em todo o seu volume Prepare um gráfico da correção para ser aplicada em função do volume dispensado A correção associada a qualquer volume escoado pode ser determinada a partir do gráfico Calibração de um Frasco Volumétrico Pese o frasco limpo e seco com precisão de um miligrama Então encha até a marca com água em equilíbrio térmico e pese novamente Com o auxílio da Tabela 23 calcule o volume contido Calibração de um Frasco Volumétrico em Relação a uma Pipeta A calibração de um frasco volumétrico em relação a uma pipeta representa um excelente método para a partição de uma amostra em alíquotas Essas instruções relacionamse a uma pipeta de 50 mL e a um frasco volumétrico de 500 mL outras combinações são igualmente convenientes Transfira cuidadosamente dez alíquotas de 50 mL da pipeta para o frasco volumétrico de 500 mL seco Marque a posição do menisco com uma etiqueta adesiva Cubra com verniz para garantir que seja permanente A diluição até a etiqueta permite que a mesma pipeta dispense precisamente uma alíquota de um décimo da solução do frasco Observe que a recalibração é necessária se outra pipeta for utilizada 21 O CADERNO DE LABORATÓRIO Um caderno de laboratório é necessário para registrar as medidas e as observações relacionadas a uma análise O caderno deve ser permanentemente mantido como uma única peça com páginas numeradas consecutivamente se necessário as páginas devem ser numeradas à mão antes que qualquer registro seja feito A maioria dos cadernos tem amplo espaço não há a necessidade de congestionai registros As primeiras páginas devem ser reservadas para uma tabela de conteúdo que deve ser atualizada a cada registro feito 211 Manutenção de um Caderno de Laboratório 1 Registre todos os dados e observações a caneta diretamente no caderno A organização é desejável mas você não deve obtêla transcrevendo dados para esse caderno de uma folha de papel ou de outro caderno O risco de perder ou de transferir incorretamente algum dado crucial comprometendo um experimento é inaceitável 2 Anteceda cada registro ou conjunto de registros com um cabeçalho ou legenda Uma série de dados de pesagem de cadinhos vazios deve ter o cabeçalho massas de cadinhos vazios ou algo similar por exemplo e a massa de cada cadinho deve ser identificada pelo mesmo número ou letra usada para identificálo 3 Coloque a data em cada página do caderno à medida que ele for sendo usado 4 Nunca tente apagar ou modificar um registro incorreto Em vez disso risqueo com uma linha horizontal única e coloque o registro correto o mais próximo possível Não escreva sobre números incorretos com o tempo isso pode tornar impossível se distinguir entre o registro correto e o incorreto 5 Nunca remova as páginas do caderno Desenhe linhas diagonais sobre qualquer página que tenha de ser desconsiderada Forneça um breve argumento para desconsiderar a página 212 Formato do Caderno de Laboratório O professor deve ser consultado em relação ao formato a ser usado na manutenção do caderno de laboratório10 Uma convenção envolve o uso de cada página consecutivamente para o registro de dados e observações à medida que eles ocorrem A análise completa é então resumida na página seguinte isto é páginas das faces esquerda e direita Como mostrado na Figura 224 a primeira dessas duas páginas deve conter as seguintes anotações 1 O título do experimento Determinação Gravimétrica de Cloreto 2 Um breve enunciado dos princípios nos quais a análise é baseada 3 Um resumo completo dos dados de pesagem volumétricos eou de resposta instrumental necessários para se calcular os resultados 4 Um comentário sobre o melhor valor do conjunto de resultados e um relato de sua precisão A segunda página deve conter os seguintes itens 1 As equações para as principais reações envolvidas na análise 2 Uma equação mostrando como os resultados foram calculados 3 Um resumo das observações que parecem dar sustentação à validade de um resultado específico ou de toda a análise Qualquer uma dessas anotações deve ter sido registrada originalmente no caderno no momento em que a observação foi feita 2J SEGURANÇA NO LABORATÓRIO O trabalho em um laboratório envolve necessariamente um grau de risco acidentes podem acontecer e acontecem A adoção rigorosa das normas apresentadas a seguir vai contribuir na prevenção ou mini mização dos efeitos de acidentes 1 De início conheça a localização do lavaolhos cobertor antifogo chuveiro de emergência e extintores de incêndio mais próximos Aprenda a utilizar adequadamente cada um destes itens e não hesite em usá los caso haja necessidade 2 Use óculos de segurança o tempo todo O risco potencial de danos sérios e talvez permanentes faz que seja obrigatório o uso de proteção para os olhos o tempo todo por estudantes professores e visitantes Os óculos de proteção devem ser colocados antes da entrada no laboratório e utilizados continuamente até a hora da saída Danos sérios aos olhos têm ocorrido para as pessoas que estão desenvolvendo ativi dades tão inócuas quanto usar computadores ou escrever no caderno de laboratório esses acidentes resultam da perda de controle de terceiros sobre um dado experimento Os óculos para a correção da visão não são substitutos adequados para aqueles de proteção como por exemplo os aprovados pela Administração de Segurança e Saúde no Trabalho Office of Safety and Health Administration OSHA A lentes de contato nunca devem ser usadas no laboratório porque os vapores podem reagir com elas tendo um efeito danoso para os olhos 3 A maior parte dos produtos químicos usados em laboratórios é tóxica alguns são muito tóxicos e ou tros tais como soluções de ácidos e bases concentradas são altamente corrosivos Evite o contato desses líquidos com a pele Caso isso ocorra lave imediatamente a área afetada com grandes quanti dades de água Se uma solução corrosiva for derramada sobre a roupa remova o traje imediatamente Tempo é de grande importância não fique preocupado com constrangimentos 4 NUNCA realize um experimento sem autorização Experimentos sem autorização são a causa de expul são em muitas instituições 5 Nunca trabalhe sozinho no laboratório certifiquese de que haja sempre alguém à vista 6 Nunca leve comida ou bebida para o laboratório Não tome líquidos em recipientes de vidro de labo ratório Não fume no laboratório 7 Use sempre um bulbo de borracha ou outro dispositivo para aspirar líquidos em uma pipeta NUNCA use a boca para fazer a sucção 8 Use calçado adequado não usar sandálias Prenda os cabelos com uma rede apropriada Um avental de laboratório vai dar alguma proteção e pode ser necessário 9 Seja extremamente cuidadoso ao tocar objetos que tenham sido aquecidos Vidro quente se parece com vidro frio 10Sempre dê polimento à ponta de tubos de vidro recentemente cortados NUNCA tente forçar a passagem de tubos de vidro por orifícios de rolhas Em vez disso tenha a certeza de que ambos o tubo e o orifí cio estejam úmidos com água contendo sabão Proteja as mãos com várias camadas de uma toalha enquanto estiver inserindo o tubo de vidro em rolhas 11Utilize sempre a capela de exaustão quando os vapores tóxicos ou gases nocivos possam ser evolvidos Seja cauteloso ao fazer testes para determinar odores use sua mão para puxar os vapores em direção ao nariz 12Notifique imediatamente o professor em caso de ferimento 13Descarte as soluções e produtos químicos como orientado É ilegal despejar soluções contendo metais pesados e solventes orgânicos na pia em muitas localidades procedimentos alternativos são necessários para o descarte desses resíduos líquidos 48 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Desde a forma como lidamos com nossas finanças utilizando programas como o Quicken até a maneira que nos comunicamos com nossos amigos familiares e colegas usando o Eudora e o Microsoft Outlook o microcomputador tem revolucionado praticamente todos os aspectos de nossas vidas Os físicoquímicos usam aplicativos como o Hyperchem e o Gaussian para realizar cálculos quânticos Os químicos biológicos e orgânicos utilizam programas de mecânica molecular como por exemplo o Spartan para prever e investigar as propriedades de moléculas Os químicos inorgânicos empregam o ChemDraw para visualizar as moléculas Alguns programas transcendem a espe cialização e são utilizados em um amplo espectro de áreas Na química analítica e em muitas outras áreas da química e da ciência as planilhas eletrônicas de cálculos fornecem um meio de armazenagem análise e organização de dados textuais e numéricos O Microsoft Excel é um exemplo desse tipo de programa A revolução do computador pessoal nos últimos 20 anos tem produzido muitas ferramentas úteis para os estudantes os químicos e outros cientistas Um dos maiores exemplos desses aplicativos é a planilha de cálculos que é versátil poderosa e fácil de usar As planilhas eletrônicas são utilizadas na manutenção de registros cálculos matemáticos análise estatística ajustes de curvas plotagem de gráficos análise financeira gerenciamento de dados e uma variedade de outras tarefas limitadas ape nas pela imaginação do usuário Os programas de planilhas de cálculo no estado da arte têm muitas funções embutidas para auxiliar na realização de tarefas em cálculos envolvendo a química analítica Neste texto apresentamos exemplos para ilustrar algumas dessas tarefas e planilhas para a sua rea lização1 Existe uma necessidade crescente de construir e manter bases de dados em química analíti ca com informações que têm sido geradas nos laboratórios obtidas ou importadas da Internet ou enviadas através de correio eletrônico por nossos colegas Essa necessidade geralmente requer a reformatação das tabelas de dados resultantes para atender a nossos propósitos Neste capítulo mostramos como processar e apresentar grandes quantidades de dados usando funções embutidas numéricas estatísticas e de gráficos do Excel 1 Para mais informações sobre o uso de planilhas de cálculos em química ver F J Holler S R Crouch Applications of Microsoft Excel in Analytical Chemistry Belmont CA BrooksCole 2003 Utilização de Planilhas de Cálculo em Química Analítica CAPÍTULO 3 MANUTENÇÃO DE REGISTROS E 3A REALIZAÇÃO DE CÁLCULOS Os programas de planilhas de cálculos mais populares incluem o Microsoft Excel Lotus 123 e Quattro Pro Em função de sua ampla disponibilidade e utilidade geral optamos por ilustrar nossos exemplos usando o Microsoft Excel para PC Embora a sintaxe e os comandos para outros aplicativos de planilhas sejam de alguma forma diferentes daqueles do Excel os conceitos gerais e princípios de operação são simi lares Os exemplos que apresentamos podem ser desenvolvidos por meio de qualquer aplicativo de plani lha de cálculos as instruções em si necessitam ser modificadas se for utilizado outro aplicativo que não seja o Excel2 Em nossos exemplos vamos considerar que o Excel esteja configurado com as opções mais freqüentes da mesma forma como foi entregue pelo fabricante a menos que especifiquemos o contrário Na prática aprendemos melhor fazendo do que lendo o que deve ser feito Embora os fabricantes de softwares tenham feito grandes esforços para aprimorar a redação de manuais para seus produtos é bem verdade que geralmente quando sabemos o suficiente para ler um manual de um programa eficientemente não precisamos mais do manual Com isso em mente temos planejado uma série de exercícios envolven do planilha de cálculos que estão envolvidos no contexto da química analítica Introduzimos comandos e sintaxes apenas quando são necessários a uma tarefa específica de forma que se você precisar de infor mações mais detalhadas consulte as janelas de ajuda do Excel ou a documentação de seu programa No Excel a ajuda está disponível com um toque do botão do mouse clicandose em AjudaAjuda do Microsoft Excel ou pressionandose a tecla F1 Além disso a última versão do Microsoft Office que inclui o Excel apresenta um menu no canto esquerdo superior do monitor que permite que você digite questões e obtenha ajuda suscetível ao contexto 3A1 Iniciando Neste livro vamos considerar que você esteja familiarizado com o Windows Se você pre cisar de ajuda com o Windows consulte o guia Iniciando ou a ajuda online disponível no Windows Na maioria das versões do Windows por exemplo você pode conseguir ajuda abrindo o menu Iniciar e clicando em Ajuda Para ilustrar o uso de planilhas de cálculo vamos usar o Excel para exercer a função da página do caderno de laboratório exibida na Figura 224 Para começar devemos iniciar o Excel clicando duas vezes no seu ícone mostrado à margem na área de tra balho do computador Alternativamente em versões recentes do Windows e do Microsoft Office clicar em IniciarProgramasMicrosoft Excel na barra de ferramentas A janela mostrada na Figura 31 então será aberta A janela contém uma planilha que consiste em uma grade de células dispostas em linhas e colunas As linhas são denominadas 1 2 3 e assim por diante e as colunas A B C e assim por diante na margem da planilha Cada célula tem uma localização única especificada por seu endereço Por exemplo a célula ativa que é circundada por uma linha escura na Figura 31 tem o endereço A1 O endereço da célula ativa é sempre apresentado no quadro logo acima da primeira coluna da planilha mostrada na barra de fórmu las Você pode verificar essa forma de identificação da célula ativa clicando em várias células da planilha Digitação de Textos na Planilha de Cálculos As células podem conter texto números ou fórmulas Vamos começar digitando algum texto na planilha Clique na célula A1 e digite Determinação Gravimétrica de Cloreto seguido pela tecla Enter 50 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON 2 D Diamond V C A Hanratty Spreadsheet Applications in Chemistry Using Microsoft Excel Nova York John Wiley Sons 1997 Freiser H Concepts Calculations in Analytical Chemistry A Spreadsheet Approach Boca Raton FL CRC Press 1992 R de Levie Principles of Quantitative Chemical Analysis Nova York McGrawHill 1997 R de Levie A Spreadsheet Workbook for Quantitative Chemical Analysis Nova York McGrawHill 1992 EXERCÍCIO COM PLANILHA ELETRÔNICA 1 Observe que a célula ativa agora é a A2 assim você pode digitar Amostras À medida que você digi ta os dados aparecem na barra de fórmulas Se você cometer um erro apenas dê um clique no mouse posi cionado na barra de fórmulas e faça as correções necessárias usando as teclas backspace ou delete Continue a digitar nas células da coluna A como mostrado a seguir Massa do frasco com amostra g Massa do frasco sem amostra g Massa da amostra g Massas dos cadinhos com AgCl g Massas dos cadinhos vazios g Massa do AgCl g de cloreto média de cloreto Desvio padrão de cloreto DPR partes por mil Quando você terminar de digitar o texto a planilha deverá ser semelhante àquela mostrada na Figura 32 Mudando a Largura de uma Coluna Observe que as legendas que você digitou na coluna A são maiores que ela Você pode alterar a largura dela colocando o cursor do mouse no limite entre as colunas A e B no topo da coluna como mostrado na Figura 33a e arrastando o limite para a direita até que todo o texto seja inserido nela conforme apresentado na Figura 33b SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 3 Utilização de Planilhas de Cálculo em Química Analítica 51 Figura 31 Janela de abertura do Microsoft Excel Observe a localização da barra de menus da barra de ferramentas da célula ativa e do cursor do mouse Célula ativa Cursor do mouse Barra de fórmulas Barra de menus Barra de ferramentas Manipulador para enchimento Inserindo Números na Planilha Agora vamos digitar alguns dados numéricos na planilha Clique na célula B2 e digite 1 276115 272185 Na célula B5 queremos calcular a diferença entre os dados das células B3 e B4 então digitamos b3b4 A expressão que você acabou de digitar é chamada fórmula No Excel a fórmula começa com o sinal de igual seguido pela expressão numérica desejada Observe que a diferença entre os conteúdos das células B3 e B4 é mostrada na célula B5 Agora continue digitando os dados até que a planilha se pareça com aquela representada na Figura 34 Preenchimento de Células Usando o Autopreenchimento As fórmulas das células C5 e D5 são idênticas à fórmula da célula B5 exceto as células de referência para os dados que são diferentes Na célula C5 queremos calcular a diferença entre os conteúdos nas células C3 e C4 e na célula D5 queremos obter a diferença entre D3 e D4 Poderíamos digitar as fórmulas nas células C5 e D5 como fizemos para a célula B5 mas o Excel proporciona uma maneira fácil de duplicálas e automaticamente altera para nós as células de referência para os valores apropriados Para duplicar uma fórmula já existente nas células adjacentes simplesmente dê um clique na célula contendo a fórmula que em nosso exemplo é a célula B5 então clique no comando autopreenchimento ver Figura 31 e arraste o canto do retângulo para a direita de forma que ele englobe as células onde você deseja que a fórmula seja duplicada Tente isto agora Clique na célula B5 em seguida clique no autopreenchimento e arraste para a direita preenchendo as células C5 e D5 Quando você liberar o botão do mouse a planilha deve se parecer com aquela mostrada na Figura 35 Agora dê um clique na célula B5 e veja a fórmula na barra de fórmulas Comparea com aquelas das células C5 e D5 Queremos realizar as mesmas operações nos dados das linhas 7 8 e 9 apresentados na Figura 36 Então digite os dados restantes na planilha agora Mais uma vez clique na célula B9 e digite a seguinte fórmula b7b8 Novamente clique na célula B9 depois no autopreenchimento e o arraste pelas colunas C e D para copiar a fórmula para as células C9 e D9 A massa do cloreto de prata agora deve ser calculada para os três cadinhos Nossa tarefa neste momento é traduzir essa equação para uma fórmula do Excel e digitála na célula B11 como mostrado B9354527100143321B5 Uma vez que você tenha digitado a fórmula dê um clique na célula B11 e arraste o autopreenchimento para copiar a fórmula para as células C11 e D11 A de cloreto para as amostras 2 e 3 deverá aparecer neste instante na planilha como exemplificado na Figura 37 Vamos completar e documentar a planilha no Capítulo 6 após termos explorado alguns dos cálculos importantes de análise estatística Agora clique em ArquivoSalvar Como na barra de menus digite um nome de arquivo como cloretograv e grave a planilha em um disquete ou outro meio de recuperação e edição posterior O Excel automaticamente incluirá a extensão de arquivo xls no nome do arquivo para que apareça como cloretogravxls no disco Na construção dessa planilha aprendemos algumas operações básicas incluindo a digitação de textos na planilha alteração da largura da coluna com o mouse duplicação de células com o autopreenchimento e digitação de fórmulas na planilha 3B CÁLCULO ENVOLVENDO MASSA MOLAR USANDO O EXCEL Neste exercício vamos aprender como importar dados a partir de uma fonte externa como manipular os dados para obter os valores numéricos desejados para as massas molares dos elementos como encontrar os valores apropriados das massas molares dos elementos e finalmente como calcular as massas molares dos compostos As funções do Excel necessárias para realizar essas tarefas nos servirão como bom exemplo de realização de uma variedade de outras manipulações de dados e cálculos existe outra forma melhor mais automática de melhorar a aparência e a legibilidade da tabela A tabela de dados já deverá ter sido selecionada então clique em FormatarCélulas e em seguida na indicação Alinhamento depois clique duas vezes para reverter a seleção no botão Retorno Automático de texto e após isto clique em OK Finalmente clique em FormatarColunaAutoAjuste da seleção e sua planilha deve estar formatada e legível como representada na Figura 310 Role a planilha para baixo e observe que cada coluna está agora com a largura exata para acomodar o número máximo de caracteres na coluna e que nenhuma célula tem seu texto confinado O texto nas células está alinhado a esquerda e dados numéricos estão alinhados à direita 3B2 Lidando com Seqüência de Caracteres Strings Geralmente o Excel é capaz de reconhecer o tipo de dados que foi inserido ou importado para as suas células Por exemplo na célula A2 o programa reconheceu o número 1 e então esse número está alinhado à direita na célula De fato todos os números atômicos contidos na coluna A são reconhecidos correta mente como dados numéricos Na célula C2 o Excel reconhece que a célula contém apenas caracteres alfabéticos que estão alinhados à esquerda Observe também que a célula E2 tem um pequeno triângulo no canto superior esquerdo indicando que há um problema com a célula Se você clicar na célula E2 uma pequena caixa contendo um ponto de exclamação aparece e se posicionar o cursor sobre a caixa surge outra caixa informandolhe que existe alguma confusão no tipo de dado contido na célula O Excel interpreta os dados 1 2 3 como datas Não vamos utilizar os dados presentes na coluna E dessa forma vamos ignorar os erros desse tipo nessa coluna Números sem vírgulas na coluna E são interpretados como valores numéricos Vamos então focalizar nos pesos atômicos contidos na coluna D e observar algumas características importantes dos dados De agora em diante e em todo o livro vamos nos referir a massas atômicas em vez de pesos atômicos Primeiro o Excel interpretou os dados da coluna D como texto em vez de dados numéricos Isso acontece porque existe um dígito entre parênteses ao final de cada linha Esse dígito é a incerteza na última posição da massa atômica Por exemplo podemos escrever a massa atômica do hidrogênio como 100794 000007 em vez de 1007947 Como vamos aprender no Capítulo 6 as incertezas em massas atômicas podem ser empregadas para calcular incertezas em quaisquer resultados que sejam originados de massas atômicas tais como massas molares de compostos Embora seja uma tarefa relativamente simples cortar Ctrlx ou EditarRecortar e colar a incerteza em outra célula esta poderia apenas ser apagada de cada uma das células caso não se precise dela Para ver como o Excel interpreta as massas atômicas sem as incertezas nos parênteses clique em D2 copie os dados depois clique na célula G2 e cole os dados para essa célula Então clique na barra de fórmulas use a tecla Backspace ou Delete para remover os caracteres 7 e pressione a tecla Enter Observe que neste instante o Excel interpreta a massa atômica do hidrogênio como um dado numérico e o número 100794 fica alinhado à direita na célula Seria simples mas ao mesmo tempo tedioso realizar essas operações em todas as 113 massas atômicas contidas na tabela além disso haveria muitas chances de apagarse um caractere por engano e criar erros na tabela Felizmente o Excel tem muitas funções inter nas que nos permitem tratar de situações como esta encontrada aqui 56 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Figura 310 Tabela de pesos atômicos com formato da Iupac 3B1 Importação de Dados a partir de Páginas da Web3 O desenvolvimento da Internet que resultou em uma alta capacidade de armazenamento e recuperação de dados textuais e numéricos tem tornado muito fácil o acesso aos valores mais atualizados de massas molares constantes universais da natureza e dados originais da literatura científica A vantagem potencialmente mais relevante da importação direta de dados numéricos é a eliminação dos erros humanos decorrentes da transcrição Mais do que isso se você necessita de mais que alguns poucos valores a importação dos mesmos poupa um tempo considerável Se apenas alguns valores precisam ser importados a maneira mais fácil de introduzir dados em uma planilha de cálculos é usar os recursos básicos de edição de todos os programas do Windows Por exemplo você pode simplesmente selecionar o conjunto de números ou caracteres desejado clicar em EditarCopiar ou no atalho do teclado Ctrlc e então posicionar o cursor no local desejado na planilha e clicar em EditarColar ctrlv ou EditarColar Especial Você pode testar essa função usando seu navegador na Internet para surfar no site de buscas wwwgooglecombr procurando por documentos que contenham as palavraschave iupac atomic weights e navegando no site da União Internacional de Química Pura e Aplicada Inernational Union of Pure and Applied chemistry Iupac Esse site tem uma página que contém uma tabela com os pesos atômicos mais atualizados4 Utilize seu mouse para destacar e selecionar toda a tabela incluindo as cinco legendas acima das colunas e digite Ctrlc Essa ação copia os dados da tabela para a área de transferência do seu computador Então mude para o Excel clique na célula A1 em uma nova planilha e dê um clique na opção EditarColar Especial e uma janela similar àquela mostrada na Figura 38 deverá aparecer Clique em HTML para destacar o texto e então OK e sua planilha deve se parecer com a que está simulada na Figura 39 HTML referese à linguagem de formatação de hipertexto usada para codificar muitas páginas da Web Quando você copiou os dados das tabelas instruções ocultas em HTML foram incluídas para permitir que o Excel organize os dados na sua planilha praticamente da mesma forma que apareciam originalmente no site Se a sua versão do programa não tem o comando EditarColar EspecialHTML então clique na célula A1 apenas cole a tabela Ctrlv e você poderá obter resultados similares Observe que o texto está confinado em células o que torna a tabela de dados difícil de ser lida Você pode alterar manualmente a largura das colunas como discutido previamente mas Localizar e Substituir Uma maneira de remover as incertezas expressas nos parênteses na tabela de massas atômicas é usar a função LocalizarSubstituir do Excel Vamos ilustrar essa abordagem com alguns dos dados Copie as massas atômicas do hidrogênio até o cobre incluindo as incertezas na coluna F células F2F30 Agora selecione as células F2F30 Vá para o menu Editar e escolha Substituir Isso deve levar à janela Localizar e Substituir mostrada a seguir Tenha certeza de que a pasta Substituir esteja selecionada como indicado Digite na caixa Localizar e deixe a caixa Substituir por em branco Nesse caso o asterisco é um coringa A escolha de faz à medida que você pesquise o texto qualquer coisa que esteja incluída entre parênteses ser localizada e substituída neste caso por nada Na caixa Pesquisar escolha Por colunas Agora clique em Substituir tudo Observe que os caracteres entre parênteses e os próprios parênteses foram removidos dos 29 registros Agora apague os 29 registros na coluna F uma vez que não vamos explorar essa abordagem além disso Embora a função LocalizarSubstituir funcione bem para esses dados ela não é geralmente tão útil como uma função embutida para a manipulação de seqüências de caracteres alfanuméricos Essas funções são chamadas funções de seqüências Usaremos funções de seqüências para remover as incertezas entre parênteses dos dados contidos na coluna D e para produzir uma coluna numérica de massas atômicas A função LOCALIZAR A função da planilha do Excel denominada LOCALIZARlocalizartextonotextonúminicial permite localizar a posição de algum caractere alfanumérico que especificamos no texto da seqüência Por exemplo em nossa tabela de massas atômicas seria útil reconhecer onde os parênteses estão em cada uma das seqüências de caracteres strings da coluna D Considere uma vez mais a massa atômica do hidrogênio representada na célula D2 como a seqüência de caracteres 1007947 Colocamos a seqüência entre aspas porque o Excel reconhece os caracteres entre aspas como seqüências Se contarmos os caracteres na seqüência da esquerda para a direita veremos que o parêntese da esquerda está na oitava posição e o parêntese da direita está na décima O Excel nos permite localizar automaticamente a posição do parêntese da esquerda usando a função LOCALIZAR10079471 na qual a seqüência é a função localizartexto a seqüência 10079477 referese à seqüência notexto e o número 1 referese a núminicial que é a posição do caractere na seqüência na qual gostaríamos que o Excel iniciasse a contagem Se o núminicial for omitido ele é considerado como o primeiro caractere da seqüência Teste a função clicando na célula G2 e digitando LOCALIZAR10079471 que produz o número 8 na célula G2 indicando que o parêntese da esquerda ocorre na oitava posição de caractere da massa atômica Agora clique na célula G3 e digite LOCALIZAR10079471 Uma sequência de caracteres é um grupo de caracteres alfabéticos eou numéricos e o número 10 aparece na célula G3 indicando a posição do parêntese à direita Podemos usar a função LOCALIZAR para encontrar a posição de qualquer caractere em qualquer seqüência Agora em vez de digitar a seqüência podemos utilizar sua referência de célula que no caso da massa atômica do hidrogênio é D2 Clique na célula G2 e digite LOCALIZARD2 e uma vez mais o número 8 aparece na célula Observe que o comando núminicial foi omitido uma vez que desejamos iniciar a busca com o primeiro caractere na seqüência Novamente use o autopreenchimento para copiar a célula G2 para as células G3G10 e sua planilha deverá se parecer com aquela mostrada na Figura 311 Após ter observado os resultados da localização dos parênteses nas células G3G10 e verificado que os números resultantes correspondem às posições dos parênteses à esquerda nas células D2D10 pressione a tecla Delete para limpar a coluna G Figura 311 Planilha mostrando os resultados da utilização da função LOCALIZAR para encontrar a posição do parêntese à esquerda em cada uma das massas atômicas das células D2 até D10 A Função EXTTEXTO Agora que aprendemos como encontrar caracteres contidos em seqüências podemos usar a função EXTTEXTOtextonúminicialnúmcaract do Excel para extrair os dados numéricos das seqüências da coluna D A variável texto é a seqüência de caracteres de interesse núminicial é a posição do caractere onde gostaríamos que a extração tivesse início e númcaract é o número de caracteres que queremos extrair da seqüência Em nosso exemplo a posição inicial é sempre 1 porque todas as seqüências começam com o primeiro dígito da massa atômica O número de caracteres será determinado pela função LOCALIZAR que encontrará o parêntese à esquerda para nós como anteriormente Podemos fazer um teste clicando na célula F2 e digitando EXTTEXTOD21LOCALIZARD2 A função EXTTEXTO produz uma sequência a partir de uma segunda sequência pela especificação da posição do primeiro caractere da sequência procurada e do número de caracteres desejado Por exemplo EXTTEXTOOh Irmão Onde Está Você 55 fornece a sequência de caracteres Irmão Observe que os espaços são contados como caracteres Você poderá observar que a massa atômica do hidrogênio aparece na célula F2 mas ainda não a temos da maneira correta porque o parêntese à esquerda aparece ao final da sequência Essa dificuldade é facilmente resolvida digitandose 1 ao final da função LOCALIZAR que subtrai um da posição do caractere do parêntese à esquerda para fornecer a posição do último caractere da massa atômica Clique na célula F2 então clique na barra de fórmulas ao final da função LOCALIZAR e altere o conteúdo da célula para o seguinte EXTTEXTOD21LOCALIZARD21 e o número 10 aparece na célula G3 indicando a posição do parêntese à direita Podemos usar a função LOCALIZAR para encontrar a posição de qualquer caractere em qualquer seqüência Agora em vez de digitar a seqüência podemos utilizar sua referência de célula que no caso da massa atômica do hidrogênio é D2 Clique na célula G2 e digite LOCALIZARD2 e uma vez mais o número 8 aparece na célula Observe que o comando núminicial foi omitido uma vez que desejamos iniciar a busca com o primeiro caractere na seqüência Novamente use o autopreenchimento para copiar a célula G2 para as células G3G10 e sua planilha deverá se parecer com aquela mostrada na Figura 311 Após ter observado os resultados da localização dos parênteses nas células G3G10 e verificado que os números resultantes correspondem às posições dos parênteses à esquerda nas células D2D10 pressione a tecla Delete para limpar a coluna G Figura 311 Planilha mostrando os resultados da utilização da função LOCALIZAR para encontrar a posição do parêntese à esquerda em cada uma das massas atômicas das células D2 até D10 A Função EXTTEXTO Agora que aprendemos como encontrar caracteres contidos em seqüências podemos usar a função EXTTEXTOtextonúminicialnúmcaract do Excel para extrair os dados numéricos das seqüências da coluna D A variável texto é a seqüência de caracteres de interesse núminicial é a posição do caractere onde gostaríamos que a extração tivesse início e númcaract é o número de caracteres que queremos extrair da seqüência Em nosso exemplo a posição inicial é sempre 1 porque todas as seqüências começam com o primeiro dígito da massa atômica O número de caracteres será determinado pela função LOCALI ZAR que encontrará o parêntese à esquerda para nós como anteriormente Podemos fazer um teste clicando na célula F2 e digitando EXTTEXTOD21LOCALIZARD2 A função EXTTEXTO produz uma sequência a partir de uma segunda sequência pela especificação da posição do primeiro caractere da sequência procurada e do número de caracteres desejado Por exemplo EXTTEXTOOh Irmão Onde Está Você 55 fornece a seqüência de caracteres Irmão Observe que os espaços são contados como caracteres Você poderá observar que a massa atômica do hidrogênio aparece na célula F2 mas ainda não a temos da maneira correta porque o parêntese à esquerda aparece ao final da seqüência Essa dificuldade é facilmente resolvida digitandose 1 ao final da função LOCALIZAR que subtrai um da posição do caractere do parêntese à esquerda para fornecer a posição do último caractere da massa atômica Clique na célula F2 então clique na barra de fórmulas ao final da função LOCALI ZAR e altere o conteúdo da célula para o seguinte EXTTEXTOD21LOCALIZARD21 Agora a massa atômica do hidrogênio aparece como 100794 na célula Tudo o que resta a fazer é clicar no autopreenchimento da célula F2 e arrastálo até o final da tabela para extrair as massas atômicas das seqüências Sua planilha por enquanto deve estar parecida com aquela representada na Figura 312 Observe a coluna F e verá que algumas massas atômicas ainda não são mostradas corretamente A massa atômica do lítio surge como 6941 e as outras elementos 43 61 8489 e 93114 aparecem com a notação VALOR que indica um erro uma vez que não há parêntese nas seqüências Figura 312 Extração de massas atômicas de seqüências de caracteres A maioria das massas atômicas aparece corretamente na coluna F exceto para o lítio e para vários outros que contêm colchetes Neste momento você pode apenas copiar os valores das seqüências a partir da coluna D colálos na coluna F e editar individualmente as seqüências para que não apareçam parênteses colchetes ou incertezas na coluna D Os problemas no final desse capítulo pedem que você indique as fórmulas que permitam efetuar essas conversões automaticamente O Excel tem funções que permitem a você realizar as verificações de resultados das funções para que na ocorrência de erros possa fazer as correções automaticamente Vamos deixar a discussão dessas funções para mais tarde 3B3 Utilização de PROCV para Localizar Dados em uma Planilha O objetivo final deste exercício é calcular a massa molar de compostos de uma maneira relativamente simples e automática Uma vez que temos os símbolos para todos os elementos na coluna B de nossa planilha e as massas atômicas correspondentes dos elementos na coluna D poderia ser bastante útil se houvesse uma maneira de procurar uma dada massa atômica especificandose apenas o seu símbolo O Excel fornece uma forma conveniente de resolver essa tarefa A função PROCV valorprocuradomatriztabelanúmíndicecolunaprocurarintervalo localiza o valorprocurado na primeira coluna de uma seção de uma planilha especificada pela matriztabela e retorna o conteúdo correspondente na coluna indicada pelo númíndicecoluna Vamos agora usar essa função para procurar a massa atômica do flúor Comece clicando na célula G1 e digitando Elemento Nº Átomos Massa At PROCVFB2F1145FALSO Sua planilha deve ficar parecida com aquela mostrada na Figura 313 com a massa molar do flúor indicada na célula I2 O Excel procurou a PROCVmassa A1B52FALSO varre a primeira coluna da matriz entre a célula A1 e B5 ver a seguir buscando a seqüência de caracteres massa e retorna o valor na coluna 2 correspondente à seqüência Neste exemplo obtemos 0357 Se uma equivalência exata não for encontrada ocorre um erro 1 volume 2 2 temperatura 300 3 massa 0357 4 mol 05 5 constante dos gases 00821 massa atômica do flúor especificada pelo símbolo F como o valor procurado na região retangular da planilha especificada pela variável matriztabela que neste exemplo é B2F114 Essa região ou matriz contém os símbolos atômicos na primeira coluna da matriz coluna B na planilha e as massas atômicas extraídas na quinta coluna coluna F na planilha Figura 313 Usando VLOOKUP para procurar e mostrar a massa atômica de flúor Assim númíndicecoluna é definido como 5 na função para indicar que queremos a massa atômica na quinta coluna da matriz O Excel considera que o valor procurado está contido na primeira coluna da matriz A variável lógica procurarintervalo que aqui é definida como FALSO diz ao Excel que a combinação entre o símbolo atômico que está sendo procurado e o resultado precisa ser exata Se essa variável for definida com VERDADEIRA o PROCV localizará uma combinação aproximada Se nenhuma combinação for localizada isso resultará em erro Tente vários símbolos de elementos diferentes na função PROCV na célula I2 e observe os resultados Agora vamos generalizar a função procurar para que possamos encontrar a massa atômica de qualquer elemento simplesmente digitando seu símbolo em uma célula Clique na célula I2 depois na barra de fórmulas e edite o conteúdo para ler o seguinte PROCV G2 B2F114 5 FALSO Figura 314 Massas atômicas de dois elementos quaisquer podem ser procuradas digitandose seus símbolos nas células G2 e G3 A condição de erro NL então aparece na célula I2 uma vez que a célula G2 está vazia e assim não contém nenhum símbolo de elemento Clique na célula G2 e digite Fe A massa atômica do ferro agora aparece na célula I2 Teste digitando vários outros símbolos de elementos na célula G2 e observe os resultados Quando notar que a função procurar está funcionando adequadamente clique na célula I2 e copie seu conteúdo para a célula I3 usando o autopreenchimento Então digite vários símbolos de elementos na célula G3 e sua planilha ficará parecida com a mostrada na Figura 314 3B4 Realização de Cálculos A última etapa de nosso exercício é a criação de fórmulas que vão calcular a massa molar de um composto a partir da massa atômica procurada pelas funções na célula G2 e G3 Vamos nos ater a compostos binários no momento e deixar casos mais complexos para os problemas contidos no final do capítulo Vamos calcular a massa molar do NaCl Comece clicando na célula G2 e digite Na 1 1 Cl Sua planilha nesse instante deve mostrar as massas atômicas do Na e do Cl nas células I2 e I3 respectivamente e o número 1 nas células H2 e H3 para indicar o número de átomos de cada elemento da fórmula do NaCl Agora clique na célula J1 e digite o seguinte Massa H2I2 Copie a fórmula de J2 para J3 usando o autopreenchimento e digite a seguinte equação na célula J4 J2J3 Essa fórmula soma os conteúdos das células J2 e J3 que contêm a massa total do Na e do Cl e mostra a massa molar do NaCl na célula J4 Sua planilha novamente deve mostrarse como a exibida na Figura 315 Teste essa planilha com vários compostos binários da tabela de massas molares ao final deste livrotexto Verifique as massas molares da planilha em relação àquelas que você encontrar na tabela Observe que o Excel não tem uma maneira automática de verificar os algarismos significativos assim as massas molares calculadas usando sua planilha precisam ser arredondadas para refletir apenas aqueles dígitos que são significativos No Capítulo 6 vamos explorar os métodos que lidam com algarismos significativos em resultados calculados Para finalizar esta atividade dê um nome descritivo de arquivo à sua planilha e gravea em um disco para uso futuro Neste capítulo começamos a explorar o uso de planilhas de cálculo eletrônicas na química analítica Examinamos várias das operações básicas do uso de planilhas incluindo a inserção de dados importação de dados manuseio de sequências de caracteres e cálculos básicos Em outras planilhas contidas neste livro evoluiremos nas técnicas que adquirimos e aprenderemos muito mais sobre o Excel o que será útil em nosso estudo da química analítica e suas áreas correlatas Figura 315 Cálculos da massa molar do NaCl A planilha é genérica para compostos binários Digite o símbolo do primeiro elemento na célula G1 e o número de átomos do elemento na célula H1 Digite o símbolo e o número de átomos do segundo elemento nas células G2 e H2 A massa molar do composto é mostrada na célula J4 Nossa planilha funciona apenas para dois elementos O que deve ser alterado para fazer que ela se estenda para mais que dois elementos Existe algum modo de implementar a planilha para um número qualquer de elementos Você pode notar que à medida que se acrescenta mais ferramentas à caixa de ferramentas do Excel podem existir maneiras melhores e mais sofisticadas para se calcular massas molares EXERCÍCIOS NA WEB Direcione seu navegador para um programa de busca e localize uma tabela HTML da densidade da água em função da temperatura expressa pelo menos a intervalos de um grau em um intervalo de 15 C a 30 C Utilize as palavraschave como tabela densidade temperatura água gmL Copie e cole a tabela na planilha como HTML para que os dados sejam mostrados em uma matriz de células Grave a planilha em um arquivo para recuperação posterior no Problema 310 31 Descreva o uso das seguintes funções do Excel após ler sobre eles no menu de ajuda do programa a RAIZ QUADRADA b SOMA c PI d FATORIAL e EXP f LOG 32 Use o menu de ajuda do Excel para procu rar o uso da função CONTNUM Utilize a função para determinar o número de dados em cada coluna da planilha da Figura 37 A função CONTNUM é bastante útil para a determinação do número de dados re gistrados em uma dada área da planilha 33 Prepare uma planilha similar àquela mos trada na Figura 37 para a determinação gravimétrica de níquel usando dimetil glioxima Ver Seção 37B3 para detalhes Use a tabela do Problema 39 para calcular a massa molar do NiDMG2 se estiver disponível 34 Escreva uma fórmula no Excel usando as funções LOCALIZAR e EXTTEXTO para eliminar os colchetes e as incertezas da massa atômica do lítio na tabela da Iupac e para mostrar os caracteres numéricos do peso atômico 35 Desenvolva uma fórmula no Excel para os elementos 43 61 84 a 89 e 93 a 114 que removerá automaticamente os colchetes da tabela de massas atômicas da Iupac para eliminar o erro VALOR descrito na seção 3B2 36 Desenvolva uma fórmula no Excel usando as funções LOCALIZAR e EXTTEXTO que mostrarão automaticamente as incertezas nas massas atômicas da tabela da Iupac 37 Utilize a planilha da Figura 315 para cal cular as massas molares dos seguintes com postos a HCl b NH3 c ZnS d AgCl e PbCl2 f Bi2O3 g Al2O3 38 Modifique a planilha do Excel na Figura 3 15 para calcular a massa molar de compos tos contendo a três elementos e b cinco elementos 39 Modifique a planilha na Figura 315 para calcular as massas molares dos seguintes compostos aNa2SO4 bBaIO32 cCaC2O4 dKMnO4 eK4FeCN6 f Na2S2O3 5H2O 310 Exercício Desafiador A Equação 21 per mite o cálculo da correção do empuxo do ar para os dados de massa Suponha que esteja calibrando uma pipeta de 100 mL por meio da pesagem de alíquotas de água em uma balança analítica e deseja preparar uma pla nilha para corrigir suas massas de água para o empuxo a várias temperaturas A coluna final da sua planilha deve conter o erro por centual na pesagem em função da tempe ratura Como ponto de partida use a tabela de densidades da água que você obteve na Seção Exercícios na Web neste capítulo Alternativamente você pode procurar os dados no CRC Handbook of Chemistry and Physics ou outra fonte de referência e digi teos na sua planilha Use a lei dos gases ideais para calcular a densidade do ar a temperaturas de 15 C a 30 C em interva los de um grau Considere que o ar tenha 78 de nitrogênio e 22 de oxigênio que a densidade das massaspadrão usados para calibrar sua balança seja de 80 gcm3 e a pressão atmosférica de 1 atm a Seus resultados indicam que é neces sário fazer correções devido ao empuxo do ar quando se calibra uma pipeta Justifique 62 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON QUESTÕES E PROBLEMAS As respostas para as questões e os problemas marcados com asteriscos são fornecidas no final do livro b A temperatura é uma variável importante na correção para o empuxo durante a calibração de uma pipeta Explique c Que outro papel sua tabela de densidade da água em função da temperatura desempenha na calibração de uma pipeta d Se você fez dez réplicas de determinações da massa de água dispensada por uma pipeta de 100 mL e a massa aparente média da água dispensada a 19 C foi de 99736 g qual o volume corrigido da pipeta e Qual o volume da pipeta corrigido para o empuxo do ar em suas pesagens f Um fator adicional que determina o volume de líquido dispensado por uma pipeta é a expansão e a contração do vidro à medida que a temperatura se altera O volume do recipiente de vidro a uma dada temperatura T é dado por VT V201 aT 20 C em que V20 é o volume do recipiente a 20 C e a é coeficiente de expansão cúbico do vidro O coeficiente de expansão cúbico varia com o tipo de vidro mas para o vidro típico de borossilicato a 0000010 mLmLC Adicione uma coluna à sua planilha que corrija a expansão do vidro com a temperatura e comente sobre esse efeito em relação a outros efeitos que você tenha investigado g Qual o volume verdadeiro da pipeta de 100 mL CAPÍTULO 4 Cálculos Empregados na Química Analítica O número de Avogadro é uma das constantes físicas mais importantes e é fundamental no estudo da química Um esforço global está sendo feito para determinar esse número com exatidão de 1 parte em 100 milhões Várias esferas de silício ultrapuro têm sido fabricadas especificamente para essa tarefa e revindicase que elas sejam as mais perfeitas do mundo O diâmetro de 10 cm da esfera é uniforme em 40 nm Medindose o diâmetro a massa a massa molar do silício e a distância entre os átomos de silício é possível calcular o número de Avogadro Uma vez determinado esse número pode ser usado para fornecer um novo padrão de massa o quilograma de silício Para mais informações ver o Problema 439 e os Exercícios na Web Neste capítulo vamos descrever vários métodos empregados para calcular os resultados de uma análise quantitativa Começaremos apresentando o sistema SI de unidades e a distinção entre massa e peso Então vamos discutir o mol a medida da quantidade de uma substância química Em seguida consideraremos as várias formas pelas quais a concentração é expressa Finalmente vamos tratar a estequiometria química Provavelmente você já se deparou com a maior parte do material contido neste capítulo em disciplinas de química geral 4A ALGUMAS UNIDADES IMPORTANTES 4A1 Unidades SI SI é o acrônimo para a expressão em francês Système International dUnités A unidade ångstrom Å que não pertence ao sistema internacional é uma unidade de comprimento amplamente utilizada para expressar o comprimento de onda de radiações muito curtas como raios X 1 Å 01 nm 1010 m Assim sendo a radiação deste tipo situase na faixa de 01 a 10 Å Os cientistas ao redor do mundo adotam um sistema padronizado de medidas conhecido como Sistema Internacional de Unidades SI Esse sistema está baseado nas sete unidades fundamentais apresentadas na Tabela 41 Inúmeras outras unidades úteis como volt hertz coulomb e joule têm sua origem a partir das unidades básicas Para expressar quantidades medidas pequenas ou grandes em termos de poucos dígitos são usados prefixos juntamente com as unidades básicas e outras unidades Como mostrado na Tabela 42 esses prefixos multiplicam as unidades por várias potências de 10 Por exemplo o comprimento de onda da radiação amarela usado na determinação de sódio por fotometria de chama é de cerca de 59 107 m que pode ser expresso de forma mais compacta como 590 nm nanômetros o volume de um líquido injetado em uma coluna cromatográfica é freqüentemente de cerca de 50 106 L ou 50 μL microlitros ou a quantidade de memória de um disco rígido de 20 109 bytes ou 20 Gbytes gigabytes Na química analítica freqüentemente determinamos a quantidade de espécies químicas a partir de medidas da massa Para essas medidas as unidades métricas de quilogramas kg gramas g miligramas mg ou microgramas μg são empregadas Volumes de líquidos são medidos em unidades SI de litros L mililitros mL e algumas vezes microlitros μL TABELA 41 Unidades Básicas SI Quantidade Física Nome da Unidade Abreviatura Massa quilograma kg Comprimento metro m Tempo segundo s Temperatura kelvin K Quantidade de substância mol mol Corrente elétrica ampère A Intensidade luminosa candela cd O litro a unidade SI para volume é definido exatamente como 103 m3 O mililitro é definido como 106 m3 ou 1 cm3 4A2 A Distinção entre Massa e Peso É importante entender a diferença entre massa e peso Massa é uma medida invariável da quantidade de matéria contida em um objeto Peso é a força da atração entre um objeto e sua vizinhança principalmente a Terra Uma vez que a atração gravitacional varia dependendo da localização o peso de um objeto depende de onde ele é avaliado Por exemplo um cadinho pesa menos em Denver que em Atlantic City ambas as cidades estão aproximadamente na mesma latitude porque a força atrativa entre o cadinho e a Terra é menor na altitude elevada de Denver De maneira similar o cadinho pesa mais em Seattle que no Panamá ambas as cidades estão no nível do mar porquanto a Terra é um tanto achatada nos pólos e a força de atração aumenta significativamente com a latitude A massa do cadinho entretanto permanece constante a despeito de onde você a tenha medido O peso e a massa estão relacionados pela conhecida expressão p mg em que p é peso de um objeto m é a sua massa e g é a aceleração da gravidade Uma análise química sempre está baseada na massa Assim os resultados nunca dependerão da localidade Uma balança é usada para comparar a massa de um objeto com a massa de um ou mais padrões Como g afeta a ambos igualmente o objeto de massa desconhecida e os pesospadrão a massa do objeto é idêntica à massa do padrão com a qual está sendo comparada A distinção entre massa e peso é freqüentemente esquecida no uso comum e o processo de comparar as massas é normalmente chamado pesagem Mais do que isso os objetos com massa conhecida assim como os resultados das pesagens são freqüentemente chamados pesos Tenha sempre em mente contudo que dados analíticos são baseados na massa em vez do peso Portanto ao longo deste livro usaremos massa em lugar de peso para descrever as quantidades de substâncias ou objetos Por outro lado devido a ausência de uma palavra mais apropriada usaremos pesar para o ato de determinar a massa de um objeto Igualmente com frequência utilizaremos pesos para expressar as massaspadrão usadas na pesagem Por mais de um século o quilograma tem sido definido como a massa de um único padrão de platinairídio mantido em um laboratório em Sèvres na França Infelizmente o padrão é bastante impreciso em relação a outros padrões tais como o metro que é definido como a distância que a luz viaja em 1299792458 segundo Um consórcio mundial de metrologistas está trabalhando na determinação do número de Avogadro com 1 parte em 100 milhões e esse número poderá então ser usado para definir o quilograma padrão como 100012 para o número de Avogadro de átomos de carbono Para obter mais informações sobre esse projeto ver a foto de abertura deste capítulo e o Problema 439 A massa m é a medida invariável da quantidade de matéria O peso p é a força de atração gravitacional entre a matéria e a Terra TABELA 42 Prefixos para as Unidades Prefixo Abreviatura Multiplicador yotta Y 1024 zetta Z 1021 exa E 1018 peta P 1015 tera T 1012 giga G 109 mega M 106 kilo k 103 hecto h 102 deca da 101 deci d 101 centi c 102 mili m 103 micro μ 106 nano n 109 pico p 1012 femto f 1015 atto a 1018 zepto z 1021 yocto y 1024 4A3 O Mol O mol é a unidade SI para a quantidade de espécies químicas Está sempre associado com a fórmula química e representa o número de Avogadro 6022 1023 de partículas representadas por aquela fórmula A massa molar M de uma substância é a massa em gramas de 1 mol da substância Massas molares são calculadas pela soma das massas atômicas de todas as substâncias que estão contidas na fórmula química Por exemplo a massa molar do formaldeído CH2O é MCH2O 1 mol C mol CH2O 120 g mol C 2 mol H mol CH2O 10 g mol H 1 mol O mol CH2O 160 g mol O 300 gmol CH2O e para a glicose C6H12O6 é MC6H12O6 6 mol C mol C6H12O6 120 g mol C 12 mol H mol C6H12O6 10 g mol H 6 mol O mol C6H12O6 160 g mol O 1800 gmol C6H12O6 Assim 1 mol de formaldeído tem uma massa de 300 g e 1 mol de glicose tem uma massa de 1800 g DESTAQUE 41 Unidade de Massa Atômica e o Mol As massas dos elementos listados na tabela ao final deste livro são massas relativas em termos de unidades de massa atômica uma ou daltons A unidade de massa atômica está baseada em uma escala relativa cuja referência é o isótopo do carbono 12C ao qual foi atribuída exatamente a massa de 12 uma Assim a uma é por definição 112 da massa de um átomo neutro de 12C Então a massa molar M do 12C é definida como a massa em gramas de 6022 1023 átomos do isótopo de carbono12 ou exatamente 12 g Um mol de uma espécie química é 6022 1023 átomos moléculas íons elétrons pares iônicos ou partículas subatômicas Da mesma forma a massa molar de outro elemento qualquer é a massa em gramas de 6022 1023 átomos do elemento e é numericamente igual à massa atômica do elemento em unidades uma Assim a massa atômica do oxigênio de ocorrência natural é 159994 uma sua massa molar é 159994 g Aproximadamente um mol de diversos elementos No sentido horário a partir da esquerda acima temos 64 g de pequenas esferas de cobre 27 g de folhas de alumínio amassadas 207 g de chumbo de espingarda 24 g de limalha de magnésio 52 g de pedaços de cromo e 32 gramas de enxofre em pó Os beckers na foto têm um volume de 50 ml 4A4 O Milimol Algumas vezes é mais conveniente fazer os cálculos com milimols mmol do que com o mol o milimol é 11000 do mol A massa em gramas de um milimol a massa milimolar mM também é 11000 da massa molar 4A5 Cálculos da Quantidade de uma Substância em Mols ou Milimols Os dois exemplos que seguem ilustram como o número de mols e milimols de uma espécie pode ser determinado a partir da sua massa em gramas ou da massa de uma espécie quimicamente relacionada EXEMPLO 41 Quantos mols e milimols de ácido benzóico M 1221 gmol estão contidos em 200 g do ácido puro Se usarmos HBz para simbolizar o ácido benzóico podemos escrever que 1 mol de HBz tem uma massa de 1221 g Assim quantidade de HBz nHBz 200 g HBz 1 mol HBz 1221 g HBz 00164 mol HBz Para obtermos o número de milimols dividimos pela massa milimolar 01221 gmmol Isto é quantidade de HBz 200 g HBz 1 mmol HBz 01221 g HBz 164 mmol HBz Modelo molecular do ácido benzóico C6H5COOH O ácido benzóico ocorre largamente na natureza particularmente em frutos vermelhos É amplamente utilizado como conservante em alimentos gorduras e sucos de frutas como agente fixador no tingimento de tecidos e como padrão em calorimetria e análise ácidobase EXEMPLO 42 Quantos gramas de Na 2299 gmol estão contidos em 250 g de Na2SO4 1420 gmol A fórmula química nos diz que 1 mol de Na2SO4 contém 2 mols de Na Isto é quantidade de Na nNa nº mol Na2SO4 2 mol Na mol Na2SO4 Para obtermos o número de mols de Na2SO4 procedemos como no Exemplo 41 quantidade de Na2SO4 nNa2SO4 250 g Na2SO4 1 mol Na2SO4 1420 g Na2SO4 Combinando esta equação com a primeira temos quantidade de Na nNa 250 g Na2SO4 1 mol Na2SO4 1420 g Na2SO4 2 mol Na mol Na2SO4 Para obtermos a massa de sódio em 250 g de Na2SO4 multiplicamos o número de mols de átomos de Na pela massa molar do Na 2299 g Isto é massa Na nº mol Na 2299 g Na mol Na Substituindo a equação anterior temos a quantidade em gramas de Na massa de Na 250 g Na2SO4 1 mol Na2SO4 1420 g Na2SO4 2 mol Na mol Na2SO4 2299 g Na mol Na 810 g Na DESTAQUE 42 O Método da Análise Dimensional para o Exemplo 42 Alguns estudantes e professores acham mais fácil escrever a solução do problema de forma que as unidades presentes no denominador de cada termo seguinte eliminem as unidades presentes no numerador do anterior até que a resposta seja obtida Esse método tem sido denominado método da análise dimensional Nesse caso no Exemplo 42 as unidades da resposta são g Na e as unidades dadas são g Na2SO4 Assim podemos escrever 250 g Na2SO4 mol Na2SO4 1420 g Na2SO4 Primeiro eliminase o mol do Na2SO4 250 g Na2SO4 mol Na2SO4 1420 g Na2SO4 2 mol Na mol Na2SO4 e então eliminase o mol do Na Isto é 250 g Na2SO4 mol Na2SO4 1420 g Na2SO4 2 mol Na mol Na2SO4 2299 g Na mol Na 810 g Na 4B SOLUÇÕES E SUAS CONCENTRAÇÕES 4B1 Concentrações de Soluções Os químicos expressam as concentrações de espécies em solução de várias maneiras As mais importantes são descritas nesta seção Concentração Molar A concentração molar cX de uma solução contendo a espécie química X é dada pelo número de mols da espécie que está contida em 1 L de solução e não em 1 L do solvente A unidade da concentração molar é a molaridade¹ M que tem as dimensões mol L¹ A molaridade também expressa o número de milimols de um soluto por mililitro de solução cX nº mol do soluto nº L da solução nº mmol do soluto nº mL da solução 42 EXEMPLO 43 Calcular a concentração molar de etanol em uma solução aquosa que contém 230 g de C2H5OH 4607 gmol em 350 L de solução Uma vez que a molaridade é o número de mols do soluto por litro da solução ambas as quantidades serão necessárias O número de litros é dado por 350 assim o que precisamos é converter o número de gramas de etanol para o correspondente número de mols quantidade de C2H5OH nC2H5OH 230 g C2H5OH 1 mol C2H5OH 4607 g C2H5OH 004992 mol C2H5OH Para obtermos a concentração molar cC2H5OH dividimos pelo volume Assim cC2H5OH 230 g C2H5OH 1 mol C2H5OH 4607 g C2H5OH 350 L 00143 mol C2H5OHL 00143 mol L¹ Concentração Molar Analítica A concentração molar analítica de uma solução fornece o número total de mols de um soluto em 1 L de solução ou o número total de milimols em 1 mL Isto é a molaridade analítica especifica a receita pela qual a solução pode ser preparada Por exemplo uma solução de ácido sulfúrico que tem uma concentração analítica de 10 mol L¹ pode ser preparada pela dissolução de 10 mol ou 98 g de H2SO4 em água diluindo para exatamente 10 L Concentração Molar de Equilíbrio A concentração molar de equilíbrio expressa a concentração molar de uma espécie em particular em uma solução no equilíbrio Para determinar a concentração molar de uma espécie é necessário conhecer como o soluto se comporta quando é dissolvido em um solvente Por exemplo a concentração molar da espécie do H2SO4 em uma solução com uma concentração analítica de 10 mol L¹ é 00 mol L¹ porque o ácido sulfúrico está totalmente dissociado em uma mistura dos íons H HSO4 e SO4² essencialmente nenhuma molécula de H2SO4 está presente na solução As concentrações de equilíbrio e desta forma as concentrações molares das espécies desses três íons são 101 099 e 001 mol L¹ respectivamente As concentrações molares de equilíbrio são freqüentemente simbolizadas colocandose colchetes ao redor da fórmula química da espé ¹ NRT Nesta tradução não se empregará a unidade M e as concentrações molares serão expressas em mol L¹ conforme recomendações da iupac A concentração molar analítica é o número total de mols de um soluto a despeito do seu estado químico em 1 L de solução A molaridade analítica descreve como uma solução de uma dada molaridade pode ser preparada A concentração molar de equilíbrio é a concentração molar de uma espécie em particular em uma solução Alguns químicos preferem distinguir entre concentração de uma espécie e concentração analítica de uma forma diferente Eles usam concentração molar para concentração de uma espécie e concentração formal F para concentração analítica Aplicandose essa convenção ao nosso exemplo podemos dizer que a concentração formal de H2SO4 é 10 F enquanto sua concentração molar é 00 M Concentração Molar A concentração molar cX de uma solução contendo a espécie química X é dada pelo número de mols da espécie que está contida em 1 L de solução e não em 1 L do solvente A unidade da concentração molar é a molaridade¹ M que tem as dimensões mol L¹ A molaridade também expressa o número de milimols de um soluto por mililitro de solução cX nº mol do soluto nº L da solução nº mmol do soluto nº mL da solução 42 EXEMPLO 43 Calcular a concentração molar de etanol em uma solução aquosa que contém 230 g de C2H5OH 4607 gmol em 350 L de solução Uma vez que a molaridade é o número de mols do soluto por litro da solução ambas as quantidades serão necessárias O número de litros é dado por 350 assim o que precisamos é converter o número de gramas de etanol para o correspondente número de mols quantidade de C2H5OH nC2H5OH 230 g C2H5OH 1 mol C2H5OH 4607 g C2H5OH 004992 mol C2H5OH Para obtermos a concentração molar cC2H5OH dividimos pelo volume Assim cC2H5OH 230 g C2H5OH 1 mol C2H5OH 4607 g C2H5OH 350 L 00143 mol C2H5OHL 00143 mol L¹ Concentração Molar Analítica A concentração molar analítica de uma solução fornece o número total de mols de um soluto em 1 L de solução ou o número total de milimols em 1 mL Isto é a molaridade analítica especifica a receita pela qual a solução pode ser preparada Por exemplo uma solução de ácido sulfúrico que tem uma concentração analítica de 10 mol L¹ pode ser preparada pela dissolução de 10 mol ou 98 g de H2SO4 em água diluindo para exatamente 10 L Concentração Molar de Equilíbrio A concentração molar de equilíbrio expressa a concentração molar de uma espécie em particular em uma solução no equilíbrio Para determinar a concentração molar de uma espécie é necessário conhecer como o soluto se comporta quando é dissolvido em um solvente Por exemplo a concentração molar da espécie do H2SO4 em uma solução com uma concentração analítica de 10 mol L¹ é 00 mol L¹ porque o ácido sulfúrico está totalmente dissociado em uma mistura dos íons H HSO4 e SO4² essencialmente nenhuma molécula de H2SO4 está presente na solução As concentrações de equilíbrio e desta forma as concentrações molares das espécies desses três íons são 101 099 e 001 mol L¹ respectivamente As concentrações molares de equilíbrio são freqüentemente simbolizadas colocandose colchetes ao redor da fórmula química da espé ¹ NRT Nesta tradução não se empregará a unidade M e as concentrações molares serão expressas em mol L¹ conforme recomendações da iupac A concentração molar analítica é o número total de mols de um soluto a despeito do seu estado químico em 1 L de solução A molaridade analítica descreve como uma solução de uma dada molaridade pode ser preparada A concentração molar de equilíbrio é a concentração molar de uma espécie em particular em uma solução Alguns químicos preferem distinguir entre concentração de uma espécie e concentração analítica de uma forma diferente Eles usam concentração molar para concentração de uma espécie e concentração formal F para concentração analítica Aplicandose essa convenção ao nosso exemplo podemos dizer que a concentração formal de H2SO4 é 10 F enquanto sua concentração molar é 00 M Neste exemplo a concentração molar analítica do H2SO4 é dada por cH2SO4 SO4 2 HSO4 porque estas são as duas únicas espécies contendo sulfato presentes em solução cie assim para nossa solução de H2SO4 com uma concentração analítica de 10 mol L1 podemos escrever H2SO4 000 mol L1 H 101 mol L1 HSO4 099 mol L1 SO4 2 001 mol L1 EXEMPLO 44 Calcular as concentrações molares analítica e de equilíbrio para as espécies do soluto presentes em uma solução aquosa que contém 285 mg de ácido tricloroacético Cl3CCOOH 1634 gmol em 10 mL o ácido é 73 ionizável em água Como no Exemplo 43 calculamos o número de mols de Cl3CCOOH o qual designamos como HA e dividimos pelo volume da solução 100 mL ou 001000 L Assim quantidade de HA nHA 285 mg HA 1 mg HA1000 mg HA 1 mol HA1634 g HA 1744 103 mol HA Então a concentração molar analítica cHA é Nessa solução 73 do HA se dissocia dando H e A HA H A Então a molaridade da espécie HA é 27 de cHA Assim HA cHA 100 73100 0174 027 0047 mol L1 A molaridade da espécie A é igual a 73 da concentração analítica de HA Isto é A 73 mol A100 mol HA 0174 mol HAL 0127 mol L1 Como 1 mol de H é formado para cada mol de A também podemos escrever H A 0127 mol L1 Modelo molecular do ácido tricloroacético Cl3CCOOH A forte acidez particular ao ácido tricloroacético é freqüentemente atribuída ao efeito indutivo dos três átomos de cloro ligados ao final da molécula em oposição ao próton ácido A densidade eletrônica é removida para longe do grupo carboxilato assim o ânion tricloroacetato que é formado quando o ácido se dissocia é estabilizado O ácido é empregado na precipitação de proteínas e em preparações dermatológicas usadas na remoção de tecidos indesejados EXEMPLO 45 Descreva a preparação de 200 L de BaCl2 0108 mol L1 a partir do BaCl2 2H2O 2443 gmol Para determinar o número de gramas do soluto a ser dissolvido e diluído para 200 L observamos que 1 mol do diidratado gera 1 mol de BaCl2 Portanto para produzir essa solução vamos precisar de 200 L 0108 mol BaCl2 2H2OL 0216 mol BaCl2 2H2O Então a massa de BaCl2 2H2O é 0216 mol BaCl2 2H2O 2443 g BaCl2 2H2Omol BaCl2 2H2O 528 g BaCl2 2H2O Dissolvemse 528 g de BaCl2 2H2O em água e diluise para 200 L O número de mols da espécie A em uma solução de A é dado por no mol A nA cA VA molL L em que VA é o volume da solução em litros EXEMPLO 46 Descreva a preparação de 500 mL de uma solução de Cl 00740 mol L1 preparada a partir de BaCl2 2H2O 2443 gmol sólido massa BaCl2 2H2O 00740 mol ClL 0500 L 1 mol BaCl2 2H2O 2 mol Cl 2443 g BaCl2 2H2Omol BaCl2 2H2O 452 g BaCl2 2H2O Dissolvemse 452 g de BaCl2 2H2O em água e diluise para 0500 L ou 500 mL Concentração Porcentual Com frequência os químicos expressam concentrações em termos de porcentagem partes por cem Infelizmente essa prática pode ser uma fonte de ambigüidade pois a composição porcentual de uma solução pode ser expressa de várias maneiras Três métodos comuns são porcentual em massa mm massa do soluto massa da solução 100 porcentual em volume mv volume do soluto volume da solução 100 porcentual em massavolume mv massa do soluto g volume de solução mL 100 Porcentual em massa é às vezes chamado porcentual em peso e abreviado como pp Note que o denominador em cada uma das expressões referese à solução em vez do solvente Observe também que as duas primeiras expressões não dependem das unidades empregadas contanto obviamente que haja consistência entre o numerador e o denominador Na terceira expressão as unidades precisam ser definidas uma vez que o numerador e o denominador têm diferentes unidades que não podem ser canceladas Das três expressões apenas o porcentual em massa tem a virtude de ser independente da temperatura O porcentual em massa é freqüentemente empregado para expressar a concentração de reagentes aquosos comerciais Por exemplo o ácido nítrico é vendido como uma solução a 70 o que significa que o reagente contém 70 g de HNO3 por 100 g de solução ver Exemplo 410 O porcentual em volume é comumente usado para especificar a concentração de um soluto preparado pela diluição de um composto líquido puro em outro líquido Por exemplo uma solução aquosa de metanol a 5 descreve geralmente uma solução preparada pela diluição de 50 mL de metanol puro em água suficiente para perfazer 100 mL O porcentual em massavolume é geralmente empregado para indicar a composição de soluções aquosas diluídas de reagentes sólidos Por exemplo o nitrato de prata a 5 aquoso normalmente referese a uma solução preparada pela dissolução de 5 g de nitrato de prata em água suficiente para perfazer 100 mL de solução Você sempre deve especificar o tipo de porcentual quando relata a concentração desta forma Para evitar incertezas sempre especifique explicitamente o tipo de composição porcentual que está em discussão Se essa informação inexiste o usuário precisa decidir intuitivamente qual dos vários tipos está envolvido O erro potencial resultante de uma opção incorreta é considerável Por exemplo uma solução de hidróxido de sódio comercial a 50 mm contém 763 g do reagente por litro o que corresponde a 763 mv de hidróxido de sódio Partes por Milhão e Partes por Bilhão Uma regra útil para o cálculo envolvendo partes por milhão consiste em lembrar que para soluções aquosas diluídas cujas densidades são aproximadamente 100 gmL 1 ppm 100 mgL Isto é cppm massa do soluto mg volume da solução L 43 cppb massa do soluto g massa da solução g 109 ppb 100 µgL Para soluções muito diluídas uma maneira conveniente de expressar a concentração é em partes por milhão cppm massa do soluto massa da solução 106 ppm em que cppm é a concentração em partes por milhão Obviamente a unidade da massa no numerador e no denominador precisa concordar Para soluções ainda mais diluídas 109 ppb em vez de 106 ppm é empregada na equação anterior para fornecer o resultado em partes por bilhão ppb O termo partes por mil ppmil também é encontrado especialmente em oceanografia EXEMPLO 47 Qual é a molaridade do K em uma solução que contém 633 ppm de K3FeCN6 3293 gmol Uma vez que a solução é tão diluída é razoável considerar que sua densidade é 100 gmL Portanto de acordo com a Equação 42 633 ppm K3FeCN6 633 mg K3FeCN6L no mol K3FeCN6 L 633 mg K3FeCN6 L 1 g K3FeCN6 1000 mg K3FeCN6 1 mol K3FeCN6 3293 g K3FeCN6 1922 104 molL 1922 104 mol L1 K 1922 104 mol K3FeCN6 L 3 mol K 1 mol K3FeCN6 577 104 mol K L 577 104 mol L1 Razões de Volumes SoluçãoDiluente A composição de uma solução diluída é especificada algumas vezes em termos do volume de uma solução mais concentrada e do volume do solvente usado na sua diluição O volume do primeiro é separado daquele do último por dois pontos Assim uma solução de HCl 14 contém quatro volumes de água para cada volume de ácido clorídrico concentrado Esse método de notação é freqüentemente ambíguo uma vez que a concentração da solução original não é sempre óbvia para o leitor Mais do que isto sob certas circunstâncias 14 significa diluir um volume com três volumes Em função dessas incertezas você deve evitar o uso das razões soluçãodiluente pFunções Freqüentemente os cientistas expressam a concentração de uma espécie em termos de pfunção ou pvalor O pvalor é o logaritmo negativo na base 10 da concentração molar da espécie Assim para a espécie X pX log X Conforme mostrado nos exemplos que se seguem pvalores oferecem a vantagem de permitir que as concentrações que variam de dez ou mais ordens de grandeza sejam expressas em termos de números pequenos positivos EXEMPLO 48 Calcular o pvalor para cada íon presente em uma solução que é 200 103 mol L1 em NaCl e 54 104 mol L1 em HCl pH log H log 54 104 327 Para obtermos pNa escrevemos pNa log 200 103 log 200 103 2699 A concentração total de Cl é dada pela soma das concentrações dos dois solutos Cl 200 103 M 54 104 mol L1 200 103 M 054 103 mol L1 254 103 mol L1 pCl log 254 103 2595 Modelo molecular do HCl O cloreto de hidrogênio é um gás que consiste em moléculas diatômicas heteronucleares O gás é extremamente solúvel em água quando uma solução do gás é preparada e somente então as moléculas se dissociam para formar o ácido clorídrico aquoso o qual consiste em íons H3O e Cl Observe que no Exemplo 48 e no seguinte os resultados são arredondados de acordo com as regras listadas na página 125 EXEMPLO 49 Calcular a concentração molar de Ag em uma solução com pAg de 6372 pAg log Ag 6372 log Ag 6372 Ag 4246 107 425 107 mol L1 4B2 Densidade e Gravidade Específica de Soluções Densidade e gravidade específica são termos muitas vezes encontrados na literatura analítica A densidade de uma substância é a sua massa por unidade de volume enquanto sua gravidade específica é a razão da sua massa e da massa de um volume igual de água a 4 C A densidade apresenta unidades de quilogramas por litro ou miligramas por mililitro no sistema métrico A gravidade específica é adimensional e assim sendo não está vinculada a qualquer sistema específico de unidades Por essa razão a gravidade específica é largamente utilizada na descrição de itens comerciais ver Figura 41 Uma vez que a densidade da água é aproximadamente 100 gmL e Densidade é a massa de uma substância por unidade de volume Em unidades SI a densidade é expressa em unidades kgL ou alternativamente em gmL Gravidade específica é a razão da massa de uma substância pela massa de um volume igual de água como empregamos o sistema métrico em todo este livro a densidade e a gravidade específica são usadas com o mesmo significado As gravidades específicas de alguns ácidos e bases concentrados são fornecidas na Tabela 43 EXEMPLO 410 Calcular a concentração molar de HNO3 630 gmol em uma solução com uma gravidade específica de 142 e 705 em HNO3 mm Vamos primeiro calcular a quantidade em gramas do ácido por litro da solução concentrada g HNO3 L reagente 142 kg reagente L reagente 103 g reagente kg reagente 705 g HNO3 100 g reagente 1001 g HNO3 L reagente Então cHNO3 1001 g HNO3 L reagente 1 mol HNO3 630 g HNO3 159 mol HNO3 L reagente 16 mol L1 Figura 41 Rótulo de um frasco de ácido clorídrico de grau reagente Observe que a gravidade específica do ácido em uma faixa de temperatura de 60 a 80 F é indicada no rótulo Etiqueta fornecida por Mallinckrodt Baker Inc Phillipsburg NJ 08865 TABELA 43 Gravidades Específicas de Ácidos e Bases Comerciais Concentrados Reagente Concentração mm Gravidade Específica Ácido acético 997 105 Amônia 290 090 Ácido clorídrico 372 119 Ácido fluorídrico 495 115 Ácido nítrico 705 142 Ácido perclórico 710 167 Ácido fosfórico 860 171 Ácido sulfúrico 965 184 EXEMPLO 411 Descreva a preparação de 100 mL de HCl 60 mol L1 a partir da solução concentrada com uma gravidade específica de 118 e 37 mm em HCl 365 gmol Procedendo como no Exemplo 410 primeiro calculamos a concentração molar do reagente concentrado Então calculamos o número de mols do ácido que precisamos para a solução diluída Finalmente dividimos o segundo valor pelo primeiro para obter o volume de ácido concentrado requerido Assim para obter a concentração molar da solução concentrada escrevemos cHCl 118 103 g reagente L reagente 37 g HCl 100 g reagente 1 mol HCl 365 g HCl 120 mol L1 O número de mols de HCl requerido é dado por nº mol HCl 100 mL 1 L 1000 mL 60 mol HCl L 0600 mol HCl Finalmente para obter o volume do reagente concentrado escrevemos vol reagente concentrado 0600 mol HCl 1 L reagente 120 mol HCl 00500 L ou 500 mL Assim diluise 50 mL do reagente concentrado para 600 mL A solução para o Exemplo 411 baseiase na relação útil que se segue a qual será utilizada inúmeras vezes Vconc cconc Vdil cdil 44 em que os dois termos à esquerda são o volume e a concentração molar do ácido concentrado que está sendo utilizado para preparar uma solução diluída de volume e concentração dadas pelos termos correspondentes à direita Essa equação baseiase no fato que o número de mols do soluto presente na solução diluída deve ser igual a número de mols no reagente concentrado Observe que o volume pode ser expresso em mililitros ou litros desde que as mesmas unidades sejam empregadas para ambas as soluções A Equação 44 pode ser usada com as unidades L e molL ou mL e mmolL Assim Lconc molconc Lconc Ldil moldil Ldil mLconc mmolconc mLconc mLdil mmoldil mLdil 4C ESTEQUIOMETRIA QUÍMICA A estequiometria é definida como a relação quantitativa existente entre as espécies químicas que reagem entre si Esta seção fornece uma breve revisão da estequiometria e suas aplicações em cálculos que envolvem a química EXEMPLO 412 a Qual a massa de AgNO3 1699 gmol necessária para converter 233 g de Na2CO3 1060 gmol para Ag2CO3 b Qual a massa de Ag2CO3 2757 gmol que será formada a Na2CO3aq 2AgNO3aq Ag2CO3s 2NaNO3aq Etapa nº 1 nº mol Na2CO3 nNa2CO3 233 g Na2CO3 1 mol Na2CO3 1060 g Na2CO3 002198 mol Na2CO3 Etapa nº 2 A equação balanceada mostra que nº mol AgNO3 nAgNO3 002198 mol Na2CO3 2 mol AgNO3 1 mol Na2CO3 004396 mol AgNO3 Aqui a razão estequiométrica é 2 mol AgNO3 1 mol Na2CO3 Etapa nº 3 massa AgNO3 004396 mol AgNO3 1699 g AgNO3 mol AgNO3 747 g AGNO3 b nº mol Ag2CO3 nº mol Na2CO3 002198 mol massa Ag2CO3 002198 mol Ag2CO3 2757 g Ag2CO3 mol Ag2CO3 606 g AG2CO3 EXEMPLO 413 Qual a massa de Ag2CO3 2757 gmol formada quando 250 mL de AgNO3 0200 mol L1 são misturados com 500 mL de Na2CO3 00800 mol L1 A mistura dessas duas soluções resultará em uma e apenas uma das três alternativas que seguem a Um excesso de AGNO3 permanecerá após a reação ter se completado b Um excesso de Na2CO3 permanecerá após a reação ter se completado c Não existirá excesso de qualquer reagente isto é o número de mols de Na2CO3 é exatamente igual a duas vezes o número de mols de AgNO3 Como primeiro passo precisamos estabelecer qual das situações se aplica calculando as quantidades de reagentes em unidades químicas disponíveis inicialmente As quantidades iniciais são quantidade de AgNO3 nAgNO3 250 mL AgNO3 1 L AGNO3 1000 mL AGNO3 0200 mol AGNO3 L AGNO3 500 103 mol AgNO3 continua nº mol Na2CO3 nNa2CO3 500 mL Na2CO3 1 L Na2CO3 1000 mL Na2CO3 00800 mol Na2CO3 L Na2CO3 400 103 mol Na2CO3 Como cada íon CO32 reage com dois íons Ag 2 400 103 800 103 mol AgNO3 é necessário para reagir com o Na2CO3 Uma vez que temos AgNO3 em quantidade insuficiente a situação b prevalece e a quantidade de Ag2CO3 produzida será limitada pela quantidade de AgNO3 disponível Assim massa Ag2CO3 500 103 mol AgNO3 1 mol Ag2CO3 2 mol AgNO3 2757 g Ag2CO3 mol Ag2CO3 0689 g Ag2CO3 EXEMPLO 414 Qual será a concentração molar analítica de Na2CO3 na solução produzida quando 250 mL de AgNO3 0200 mol L1 são misturados com 500 mL de Na2CO3 00800 mol L1 No exemplo anterior vimos que a formação de 500 103 mol de AGNO3 vai requerer 250 103 mol de Na2CO3 O número de mols de Na2CO3 que não reage é dado por nNa2CO3 400 103 mol Na2CO3 500 103 mol AgNO3 1 mol Na2CO3 2 mol AgNO3 150 103 mol Na2CO3 Por definição a molaridade é o número de mols de Na2CO3L Assim cNa2CO3 150 103 mol Na2CO3 500 250 mL 1000 mL 1 L 00200 mol L1 Na2CO3 EXERCÍCIOS NA WEB Este capítulo se iniciou com um destaque a respeito de esferas de silício praticamente perfeitas que estão sendo utilizadas para se determinar o número de Avogadro Use seu navegador na Web para se conectar em httpwwwthomsonlearningcombr Acesse a página do livro e no item material suplementar para estudantes clique no menu Chapter Resources escolha Web Works Localize a seção Chapter 4 e clique no link para o Australian National Measurement Laboratory Leia o artigo sobre o número de Avogadro e o quilograma de silício Que fatores limitam a exatidão na determinação deste número Quais as incertezas atuais e definitivas na medida da massa molar do silício no número de átomos por célula unitária na massa no volume e nos parâmetros do cristal de silício QUESTÕES E PROBLEMAS 41 Defina a milimol b massa molar c massa milimolar d partes por milhão 42 Qual a diferença entre concentração molar de uma espécie e concentração molar analítica 43 Dê dois exemplos de unidades com origem em unidades fundamentais SI 44 Simplifique as seguintes quantidades usando uma unidade com o prefixo apropriado a 32 x 105 Hz b 456 x 108 g c 843 x 105 μmol d 65 x 106 s e 896 x 104 nm f 72000 g 45 Quantos íons Na estão contidos em 543 g de Na3PO4 46 Quantos íons K estão contidos em 676 mol de K3PO4 47 Encontre o número de mols das espécies indicadas em a 496 g de B2O3 b 333 mg de Na2B4O710H2O c 875 g de Mn3O4 d 1672 mg de CaC2O4 48 Encontre o número de milimols das espécies indicadas em a 57 mg de P2O5 b 1292 g de CO2 c 400 g de NaHCO3 d 850 mg de MgNH4PO4 49 Encontre o número de milimols do soluto em a 200 L de KMnO4 325 x 103 mol L1 b 750 mL de KSCN 00555 mol L1 c 250 mL de uma solução que contém 541 ppm de CuSO4 d 350 L de KCl 0333 mol L1 410 Encontre o número de milimols do soluto em a 175 mL de HClO4 0320 mol L1 b 150 L de K2CrO4 805 x 103 c 500 L de uma solução aquosa que contém 675 ppm de AgNO3 d 851 mL de KOH 00200 mol L1 411 Qual a massa em miligramas de a 0777 mol de HNO3 b 500 mmol de MgO c 225 mol de NH4NO3 d 432 mol de NH42CeNO36 54823 gmol 412 Qual a massa em gramas de a 71 mol de KBr b 201 mmol de PbO c 376 mol de MgSO4 d 96 mmol de FeNH42SO426H2O 413 Qual a massa em miligramas do soluto em a 260 mL de sucrose 342 gmol 0250 mol L1 b 292 L de H2O2 476 x 103 mol L1 c 656 mL de uma solução que contém 496 ppm de PbNO32 d 675 mL de KNO3 00619 mol L1 414 Qual a massa em gramas do soluto em a 450 mL de H2O2 0164 mol L1 b 270 mL de ácido benzóico 122 gmol 875 x 104 mol L1 c 350 L de uma solução que contém 217 ppm de SnCl2 d 217 mL de KBrO3 00125 mol L1 415 Calcule o pvalor para cada um dos seguintes íons indicados a Na Cl e OH em uma solução que é 00335 mol L1 em NaCl e 00503 mol L1 em NaOH b Ba2 Mn2 e Cl em uma solução que é 765 x 103 mol L1 em BaCl2 e 154 mol L1 em MnCl2 c H Cl e Zn2 em uma solução que é 0600 mol L1 em HCl e 0101 mol L1 em ZnCl2 d Cu2 Zn2 e NO3 em uma solução que é 478 x 102 mol L1 em CuNO32 e 0104 mol L1 em ZnNO32 e K OH e FeCN64 em uma solução que é 262 x 107 mol L1 em K4FeCN6 e 412 x 107 mol L1 em KOH f H Ba2 e ClO4 em uma solução que é 335 x 104 mol L1 em BaClO42 e 675 x 104 mol L1 em HClO4 416 Calcule a concentração molar iônica do H3O em uma solução que tem um pH de a 476 b 458 c 052 d 1362 e 732 f 576 g 031 h 052 417 Calcule as pfunções para cada íon em uma solução que é a 00200 mol L1 em NaBr b 00100 mol L1 em BaBr2 c 35 x 103 mol L1 em BaOH2 d 0040 mol L1 em HCl e 0020 mol L1 em NaCl e 67 x 103 mol L1 em CaCl2 e 76 x 103 mol L1 em BaCl2 f 48 x 108 M em ZnNO32 e 56 x 107 mol L1 em CdNO32 418 Converta as pfunções dadas a seguir para concentrações molares a pH 967 b pOH 0135 c pBr 0034 d pCa 1235 e pLi 0221 f pNO3 777 g pMn 00025 h pCl 1020 419 A água do mar contém uma média de 108 x 103 ppm de Na e 270 ppm de SO42 Calcule a as concentrações molares de Na e SO42 uma vez que a densidade média da água do mar é de 102 gmL b pNa e pSO4 para a água do mar 420 O soro sanguíneo humano contém em média 18 mg de K e 365 mg de Cl por 100 mL Calcule a a concentração molar de cada uma dessas espécies use 100 gmL como a densidade do soro sanguíneo b pK e pCl para o soro sanguíneo humano 421 Uma solução foi preparada dissolvendose 576 g de KClMgCl26H2O 27785 gmol em água suficiente para perfazer 2000 L Calcule a a concentração molar analítica do KClMgCl2 nessa solução b a concentração molar de Mg2 c a concentração molar de Cl d o porcentual em pesovolume de KClMgCl26H2O e o número de milimols de Cl em 250 mL dessa solução f ppm de K g pMg para a solução h pCl para a solução 422 Uma solução foi preparada dissolvendose 1210 mg de K3FeCN6 3292 gmol em água suficiente para perfazer 775 mL Calcule a a concentração molar analítica de K3FeCN6 b a concentração molar de K c a concentração molar de FeCN63 d o porcentual em pesovolume de K3FeCN6 e o número de milimols de K em 500 mL dessa solução f ppm de FeCN63 g pK para a solução h pFeCN6 para a solução 423 Uma solução de FeNO33 24186 gmol a 642 pp tem uma densidade de 1059 gmL Calcule a a concentração molar analítica de FeNO33 nessa solução b a concentração molar de NO3 nessa solução c a massa em gramas de FeNO33 contida em cada litro dessa solução 424 Uma solução de NiCl2 12961 gmol a 125 mm tem uma densidade de 1149 gmL Calcule a a concentração molar de NiCl2 nessa solução b a concentração molar de Cl nessa solução c a massa em gramas de NiCl2 contida em cada litro dessa solução 425 Descreva a preparação de a 500 mL de etanol C2H5OH 461 gmol a 475 mv b 500 g de etanol aquoso a 475 mm c 500 mL de etanol aquoso a 475 mm 426 Descreva a preparação de a 250 L de glicerol C3H8O3 921 gmol aquoso a 210 mv b 250 kg de glicerol aquoso a 210 mm c 250 L de glicerol aquoso a 210 vv 427 Descreva a preparação de 750 mL de H3PO4 600 mol L1 a partir do reagente comercial com 86 mm de H3PO4 e uma gravidade específica de 171 428 Descreva a preparação de 900 mL de HNO3 300 mol L1 a partir do reagente comercial com 705 mm de HNO3 e uma gravidade específica de 142 429 Descreva a preparação de a 500 mL de AgNO3 00750 mol L1 a partir do reagente sólido b 100 L de HCl 0285 mol L1 a partir de uma solução 600 mol L1 do reagente c 400 mL de uma solução com 00810 mol L1 em K a partir do reagente sólido K4FeCN6 d 600 mL de BaCl2 a 300 mv a partir de uma solução de BaCl2 0400 mol L1 e 200 L de HClO4 0120 mol L1 a partir do reagente comercial 710 HClO4 mm gr esp 167 f 900 L de uma solução com 600 ppm de Na a partir do Na2SO4 sólido 430 Descreva a preparação de a 500 L de KMnO4 00500 mol L1 a partir do reagente sólido b 400 L de HClO4 0250 mol L1 a partir de uma solução 800 mol L1 do reagente c 400 mL de uma solução com 00250 mol L1 de I a partir do reagente sólido MgI2 d 200 mL de CuSO4 a 100 mv a partir de uma solução de CuSO4 0365 mol L1 e 150 L de NaOH 0215 mol L1 a partir do reagente comercial 50 NaOH mm gr esp 1525 f 150 L de uma solução com 120 ppm de K a partir do K4FeCN6 sólido 431 Que massa de LaIO33 6636 gmol sólido é formada quando 500 mL de La3 0250 mol L1 são misturados com 750 mL de IO3 0302 mol L1 432 Que massa de PbCl2 27810 gmol sólido é formada quando 200 mL de Pb2 0125 mol L1 são misturados com 400 mL de Cl 0175 mol L1 433 Exatamente 02220 g de Na2CO3 puro foram dissolvidos em 1000 mL de HCl 00731 mol L1 a Que massa em gramas de CO2 foi liberada b Qual é a concentração molar do reagente presente em excesso HCl ou Na2CO3 434 Exatamente 250 mL de uma solução de Na3PO4 03757 mol L1 foram misturados com 1000 mL de HgNO3 05151 mol L1 a Que massa de Hg3PO4 sólido foi formada b Qual é a concentração molar da espécie que não reagiu Na3PO4 ou HgNO3 após a reação ter sido completada 435 Exatamente 7500 mL de uma solução de Na2SO3 03132 mol L1 foram tratados com 1500 mL de HClO4 04025 mol L1 e fervidos para remover o SO2 formado a Qual foi a massa em gramas de SO2 que foi liberada b Qual a concentração da espécie que não reagiu Na2SO3 ou HClO4 após a reação ter sido completada 436 Qual a massa de MgNH4PO4 que precipitou quando 2000 mL de uma solução de MgCl2 a 1000 mv foi tratada com 400 mL de Na3PO4 01753 mol L1 e um excesso de NH4 Qual era a concentração molar do excesso de reagente Na3PO4 ou MgCl2 após a reação ter sido completada 437 Que volume de AgNO3 001000 mol L1 seria necessário para precipitar todo o I presente em 2000 mL de uma solução que continha 2432 ppmil de KI 426 Descreva a preparação de a 250 L de glicerol C3H8O3 921 gmol aquoso a 210 mv b 250 kg de glicerol aquoso a 210 mm c 250 L de glicerol aquoso a 210 vv 427 Descreva a preparação de 750 mL de H3PO4 600 mol L1 a partir do reagente comercial com 86 mm de H3PO4 e uma gravidade específica de 171 428 Descreva a preparação de 900 mL de HNO3 300 mol L1 a partir do reagente comercial com 705 mm de HNO3 e uma gravidade específica de 142 429 Descreva a preparação de a 500 mL de AgNO3 00750 mol L1 a partir do reagente sólido b 100 L de HCl 0285 mol L1 a partir de uma solução 600 mol L1 do reagente c 400 mL de uma solução com 00810 mol L1 em K a partir do reagente sólido K4FeCN6 d 600 mL de BaCl2 a 300 mv a partir de uma solução de BaCl2 0400 mol L1 e 200 L de HClO4 0120 mol L1 a partir do reagente comercial 710 HClO4 mm gr esp 167 f 900 L de uma solução com 600 ppm de Na a partir do Na2SO4 sólido 430 Descreva a preparação de a 500 L de KMnO4 00500 mol L1 a partir do reagente sólido b 400 L de HClO4 0250 mol L1 a partir de uma solução 800 mol L1 do reagente c 400 mL de uma solução com 00250 mol L1 de I a partir do reagente sólido MgI2 d 200 mL de CuSO4 a 100 mv a partir de uma solução de CuSO4 0365 mol L1 e 150 L de NaOH 0215 mol L1 a partir do reagente comercial 50 NaOH mm gr esp 1525 f 150 L de uma solução com 120 ppm de K a partir do K4FeCN6 sólido 431 Que massa de LaIO33 6636 gmol sólido é formada quando 500 mL de La3 0250 mol L1 são misturados com 750 mL de IO3 0302 mol L1 432 Que massa de PbCl2 27810 gmol sólido é formada quando 200 mL de Pb2 0125 mol L1 são misturados com 400 mL de Cl 0175 mol L1 433 Exatamente 02220 g de Na2CO3 puro foram dissolvidos em 1000 mL de HCl 00731 mol L1 a Que massa em gramas de CO2 foi liberada b Qual é a concentração molar do reagente presente em excesso HCl ou Na2CO3 434 Exatamente 250 mL de uma solução de Na3PO4 03757 mol L1 foram misturados com 1000 mL de HgNO3 05151 mol L1 a Que massa de Hg3PO4 sólido foi formada b Qual é a concentração molar da espécie que não reagiu Na3PO4 ou HgNO3 após a reação ter sido completada 435 Exatamente 7500 mL de uma solução de Na2SO3 03132 mol L1 foram tratados com 1500 mL de HClO4 04025 mol L1 e fervidos para remover o SO2 formado a Qual foi a massa em gramas de SO2 que foi liberada b Qual a concentração da espécie que não reagiu Na2SO3 ou HClO4 após a reação ter sido completada 436 Qual a massa de MgNH4PO4 que precipitou quando 2000 mL de uma solução de MgCl2 a 1000 mv foi tratada com 400 mL de Na3PO4 01753 mol L1 e um excesso de NH4 Qual era a concentração molar do excesso de reagente Na3PO4 ou MgCl2 após a reação ter sido completada 437 Que volume de AgNO3 001000 mol L1 seria necessário para precipitar todo o I presente em 2000 mL de uma solução que continha 2432 ppmil de KI Exatamente 7500 mL de uma solução que continha 4804 ppm de BaNO32 foram misturados com 2000 mL de uma solução que era 003090 mol L¹ em Al2SO43 a Que massa de BaSO4 sólido foi formada b Qual era a concentração molar da espécie que não reagiu Al2SO43 ou BaNO32 Exercício Desafiador De acordo com Kenny et al o número de Avogadro NA pode ser calculado com base na seguinte equação usando medidas realizadas em uma esfera fabricada a partir de um monocristal ultrapuro de silício NA fracnMSi43pi r3ma3 em que NA número de Avogadro n número de átomos por célula unitária no retículo cristalino do silício MSi massa molar do silício r raio da esfera do silício m massa da esfera a parâmetro do retículo cristalino d220 sqrt22 22 02 a Derive a equação para o número de Avogadro b A partir dos dados coletados por Kenny et al descritos na tabela a seguir calcule a densidade do silício e sua incerteza Você pode querer adiar o cálculo da incerteza até que tenha estudado o Capítulo 6 Variável Valor Incerteza Raio da esfera m 0046817226 00000000015 Massa da esfera kg 1001132893 00000000075 Massa molar kg 0028085521 0000000004 Distância do retículo d220 m 192015585 10¹⁵ 0010 10¹⁵ Átomoscélula unitária 799999992 000000001 c Calcule o número de Avogadro e sua incerteza d Qual das variáveis na tabela tem influência mais significativa no valor que você calculou Por quê e Que métodos experimentais foram utilizados para fazer as medidas mostradas na tabela f Comente sobre as variáveis experimentais que podem contribuir para a incerteza em cada medida g Sugira maneiras por meio das quais a determinação do número de Avogadro poderia ser aprimorada h Procure os valores aceitos e suas incertezas 1998 ou anterior para o número de Avogadro no site do NIST em constantes físicas fundamentais e compare com seus valores calculados Qual é o erro em seu valor para o número de Avogadro Utilize o Google para localizar o site do NIST i Que inovações tecnológicas ocorridas nas últimas décadas têm levado à disponibilidade corriqueira de silício na forma ultrapura Algumas vezes os erros podem ser catastróficos como o famoso acidente de trem ocorrido na estação de Montpar nasse em Paris Um trem vindo de Granville França em 22 de outubro de 1895 atingiu a plataforma e as paredes da estação por causa de uma falha nos freios A locomotiva caiu 30 pés na rua abaixo matando uma mulher Feliz mente ninguém no trem ficou seriamente ferido embora os passageiros tenham sido bastante sacudidos Raramente os erros cometidos em uma análise química são tão drásticos mas podem ter efeitos igualmente sérios conforme será mostrado neste capítulo Entre outras aplicações os resultados analíticos são normalmen te utilizados no diagnóstico de doenças na avaliação de resíduos e poluentes perigosos na solução de grandes crimes e no controle de qualidade de produtos industrializados Os erros nesses resultados podem ter conseqüên cias pessoais e sociais sérias Este capítulo descreve os vários tipos de erros encontrados nas análises químicas e os métodos que podemos utilizar para detectálos CAPÍTULO 5 Erros em Análises Químicas A s medidas invariavelmente envolvem erros e incertezas Apenas alguns deles ocorrem devido a equívocos cometidos pelo analista Mais comumente os erros são causados por padronizações ou calibrações malfeitas ou variações aleatórias e incertezas nos resultados Calibrações freqüentes padronizações e análises de amostras conhecidas podem ser usadas algumas vezes para minimizar todos esses fatores exceto os erros e as incertezas aleatórios No limite entretanto os erros envolvi dos nas medidas são uma parte inerente do mundo quantitativo em que vivemos Por conta disso é impossível realizar uma análise química que seja totalmente livre de erros ou incertezas Apenas podemos desejar minimizar os erros e estimar sua grandeza com uma exatidão aceitável1 Neste capí tulo e nos dois seguintes exploramos a natureza dos erros experimentais e seus efeitos sobre os resul tados das análises químicas O efeito de erros em dados analíticos é descrito na Figura 51 que apresenta resultados para as determinações quantitativas de ferro Seis porções iguais de uma solução aquosa contendo uma concentração conhecida2 de 2000 ppm de ferroIII foram ana lisadas exatamente da mesma forma Observe que os resulta dos variaram entre um valor mínimo de 194 ppm e um máximo de 203 ppm de ferro O valor médio ou a média x dos dados é 1978 ppm que arredondamos para 198 ppm ver Seção 6D1 O termo erro tem dois significados ligeiramente diferentes Em primeiro lugar os erros referemse às diferenças existentes entre um valor medido e o valor verdadeiro ou conhecido Em segundo o erro geralmente denota a incerteza estimada associada a uma medida ou a um experimento 1 Infelizmente muitas pessoas não entendem essas verdades Por exemplo quando perguntado por um advogado de defesa em um conhecido caso de homicídio qual a margem de erro em um teste sangüíneo o assistente do promotor público respondeu que os seus laboratórios de análise não tinham os porcentuais de erros porque eles não tinham cometido nenhum erro San Francisco Chronicle 29 jun 1994 p 4 2 Embora as concentrações verdadeiras nunca possam ser exatamente conhecidas em muitas situações temos bastante certeza do valor como por exemplo quando este se refere a um padrão de referência de elevada qualidade O símbolo ppm representa partes por milhão isto é 2000 partes de ferroIII em um milhão de partes da solução As incertezas nas medidas fazem os resultados de réplicas variarem Figura 51 Resultados de seis réplicas de determinações de ferro em amostras aquosas de uma solução padrão contendo 2000 ppm de ferroIII para arredondamento de números e a convenção de algarismos significativos Toda medida é influenciada por muitas incertezas que se combinam para produzir uma dispersão dos resultados como exposto na Figura 51 Uma vez que as incertezas nas medidas nunca podem ser completamente eliminadas os dados de medidas podem nos fornecer apenas uma estimativa do valor verdadeiro Contudo a magnitude provável do erro envolvido em uma medida pode ser freqüentemente avaliada Assim é possível definir os limites entre os quais o valor verdadeiro de uma grandeza mensurável está inserido com um dado nível de probabilidade Embora nem sempre seja fácil estimar a confiabilidade de dados experimentais é importante fazêlo sempre que coletamos resultados no laboratório porque os dados com qualidade desconhecida são inúteis Por outro lado os resultados que não se mostram especialmente exatos podem ser interessantes se os limites das incertezas forem conhecidos Infelizmente não há um método simples e amplamente aplicável para a determinação da confiabilidade dos dados com certeza absoluta Geralmente a estimativa da qualidade de resultados experimentais requer tanto esforço quanto a própria coleta dos dados A confiabilidade pode ser avaliada de várias maneiras Experimentos planejados para revelar a presença de erros podem ser realizados Padrões de composição conhecida podem ser analisados e os resultados podem ser comparados com as composições conhecidas Alguns minutos na biblioteca dedicados à consulta da literatura química podem ser benéficos A calibração de equipamentos normalmente aumenta a qualidade dos dados Finalmente testes estatísticos podem ser aplicados aos dados Como nenhuma dessas opções é perfeita em última instância precisamos fazer julgamentos acerca da provável exatidão de nossos resultados Esses julgamentos tendem a tornarse mais críticos e menos otimistas com a experiência A garantia de qualidade de métodos analíticos e as maneiras de validar e relatar resultados são discutidas posteriormente na Seção 8D3 Uma das primeiras questões a serem respondidas antes do início de uma análise é Qual o maior erro que posso tolerar neste resultado A resposta para esta pergunta geralmente determina o método escolhido e o tempo requerido para completar a análise Por exemplo os experimentos para determinar se a concentração de mercúrio em uma amostra de água de rio excede a um certo valor podem ser feitos freqüentemente de forma mais rápida que aqueles para determinar a sua concentração específica exatamente Aumentar a exatidão de uma determinação por um fator de dez vezes pode tomar horas dias ou até mesmo semanas de trabalho árduo Ninguém pode se dar ao luxo de perder tempo gerando dados mais confiáveis que o necessário para o trabalho que se quer realizar 5A ALGUNS TERMOS IMPORTANTES Réplicas são amostras com aproximadamente o mesmo tamanho das que são submetidas a análises exatamente da mesma forma Uma vez que uma única análise não fornece informações sobre a variabilidade dos resultados geralmente os químicos utilizam entre duas e cinco porções réplicas de uma amostra para realizar um procedimento analítico completo Os resultados individuais obtidos para um conjunto de medidas raramente são iguais ver Figura 51 assim sendo normalmente consideramos que o melhor resultado é o valor central do conjunto Justificamos o esforço extra requerido para analisar várias amostras de duas formas Em primeiro lugar o valor central de um conjunto deveria ser mais confiável que quaisquer dos resultados individuais Normalmente a média ou a mediana é usada como valor central do conjunto de réplicas de medidas Em segundo uma análise da variabilidade dos dados nos permite estimar as incertezas associadas ao resultado central 5A1 A Média e a Mediana A medida mais amplamente usada como valor central é a média barx A média também chamada média aritmética ou simplesmente a média é obtida pela divisão da soma das réplicas de medidas pelo número de medidas do conjunto barx fracsumi1N xiN 51 em que xi representa os valores individuais de x que perfazem o conjunto de N réplicas de medidas A mediana é o resultado central quando as réplicas de dados são organizadas de acordo com uma sequência crescente ou decrescente de valores Existe um número igual de valores que são maiores e menores que a mediana Para um número ímpar de resultados a mediana pode ser avaliada diretamente Para um número par de resultados a média do par central é usada ver Exemplo 51 Em casos ideais a média e a mediana são idênticas mas quando o número de medidas do conjunto é pequeno normalmente seus valores diferem como mostrado no Exemplo 51 EXEMPLO 51 Calcule a média e a mediana para os dados mostrados na Figura 51 média barx frac194 195 196 198 201 2036 1978 approx 198 ppm de Fe Como o conjunto contém um número par de medidas a mediana é a média do par central mediana frac196 1982 197 ppm de Fe 5A2 Precisão A precisão descreve a reprodutibilidade das medidas em outras palavras a proximidade entre os resultados que foram obtidos exatamente da mesma forma Geralmente a precisão de uma medida é prontamente determinada simplesmente pela repetição da medida em réplicas da amostra A média de dois ou mais resultados é o valor médio obtido a partir deles O símbolo sum xi significa a soma de todos os valores xi para as réplicas A mediana é o valor central em um conjunto de dados que tenham sido organizados em ordem de magnitude A mediana é usada de forma vantajosa quando um conjunto de dados contém um valor crítico um resultado que difere significativamente dos outros do conjunto Um valor crítico pode ter um efeito significativo na média do conjunto mas não tem efeito sobre a mediana A precisão é a proximidade dos resultados em relação aos demais obtidos exatamente da mesma forma As Figuras 51 e 53 sugerem que as análises químicas são afetadas por pelo menos dois tipos de erros Um tipo chamado erro aleatório ou indeterminado faz que os dados se distribuam de forma mais ou menos simétrica em torno do valor médio Veja novamente a Figura 53 e observe que a dispersão dos dados e conseqüentemente o erro aleatório para os analistas 1 e 3 são sig nificativamente inferiores quando comparados com os dos analistas 2 e 4 Em geral o erro aleatório de uma medida é refletido por sua precisão Os erros aleatórios são discutidos em detalhes no Capítulo 6 Um segundo tipo de erro denominado erro sistemático ou deter minado faz que a média de um conjunto de dados seja diferente do valor aceito Por exemplo a média dos resultados mostrados na Figura 51 tem um erro sistemático de cerca de 02 ppm de Fe Os resultados dos analistas 1 e 2 na Figura 53 têm erros sistemáticos pequenos mas os dados dos analistas 3 e 4 re velam erros sistemáticos de cerca de 07 e 12 para o nitrogênio Geralmente os erros sistemáticos presentes em uma série de réplicas de medidas fazem que os resultados sejam muito baixos ou muito altos Um exemplo de um erro sistemático é a perda despercebida do analito durante o aquecimento de uma amostra Um terceiro tipo de erro sistemático é o erro grosseiro Os erros grosseiros diferem dos erros indeterminado e deteminado Ocorrem normalmente apenas de forma ocasional são freqüentemente grandes e podem causar resultados tanto altos quanto baixos Esses erros são com freqüência resultado de erros humanos Por exemplo se uma parte de um precipitado for perdida antes da pesagem os resultados analíticos serão mais baixos Tocar um pesafiltro com os dedos quando sua massa vazia já foi determinada fará a leitura da massa de um sólido pesado no frasco contaminado ser mais alta Os erros grosseiros levam à ocorrência de valores anômalos resultados que diferem marcadamente de todos os outros dados de um conjunto de réplicas de medidas Não há evidência da ocorrência de erros grosseiros nas Figuras 51 e 53 Se um dos resultados exibidos na Figura 51 fosse por exemplo de 212 ppm de Fe esse poderia ser um valor anômalo Vários testes estatísticos podem ser realizados para determinar se um resultado é anômalo ver Seção 7D 5B ERROS SISTEMÁTICOS Os erros sistemáticos têm um valor definido e uma causa identificável e são da mesma ordem de grandeza para réplicas de medidas realizadas de maneira semelhante Esses erros levam à ocorrência de um viés em um conjunto de resultados Observe que o viés afeta todos os dados de um conjunto na mesma direção e que ele apresenta um sinal positivo ou negativo 5B1 Fontes de Erros Sistemáticos Existem três tipos de erros sistemáticos 1 Erros instrumentais cau sados pelo comportamento não ideal de um instrumento por calibrações falhas ou pelo uso de condições inadequadas 2 Erros de método surgem do comportamento químico ou físico não ideal de sistemas analíticos 3 Erros pessoais resultam da falta de cuidado falta de atenção ou limitações pessoais do analista Erros Instrumentais Todos os dispositivos de medida são fontes potenciais de erros instrumentais sistemáticos Por exemplo pipetas buretas e frascos volumétricos podem conter ou dispensar quantidades levemente diferentes 88 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Os erros aleatórios ou indeterminados afetam a precisão dos resultados Os erros sistemáticos ou determinados afetam a exatidão dos resultados Um valor anômalo é um resultado ocasional que ocorre em uma série de réplicas de medidas que difere significativamente do restante dos resultados O viés representa o erro sistemático associado a uma análise Tem um sinal negativo se o resultado for mais baixo e um sinal positivo no caso oposto Grave o arquivo clicando no ícone salvar na barra de ferramentas ou no menu ArquivoSalvar ou pressionando CtrlB Neste exercício aprendemos a calcular a média usando ambas a função MÉDIA em butida no Excel e a nossa própria fórmula No Capítulo 6 vamos usar a função DESVPAD e outras funções para completar nossa análise dos dados da determinação gravimétrica de cloreto que ini ciamos no Capítulo 2 Agora você pode fechar o Excel digitando ArquivoSair ou prosseguindo para o Capítulo 6 para continuar com os exercícios com planilhas de cálculos Editando Fórmulas Para editar a fórmula para calcular o desvio médio dos dados clique em C13 e então clique na fórmula na barra de fórmulas Use as teclas de setas d e S e Backspace o Delete para substituir os Bs das fórmulas por Cs para lermos MÉDIAC2C7 Finalmente pressione e o desvio médio aparecerá na célula C13 Digite a legenda Desvio na célula C1 para que sua planilha se pareça com a seguinte SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 5 Erros em Análises Químicas 95 Métodos estatísticos são extremamente importantes não somente em química mas em todos os aspectos da vida Os jornais as revistas a tele visão e a rede mundial de computadores World Wide Web nos bom bardeiam com estatísticas freqüentemente confusas e desorientadoras Vá ao endereço httpwwwthomsonlearningcombr Acesse a página do livro e no item material suplementar para estudantes clique no menu do Capítulo Resource escolha Web Works e localize a seção do Chapter 5 Ali você irá encontrar uma conexão para um site da Web que contém uma apresentação interessante de estatísticas para escritores Use as conexões para observar as definições de média e mediana Você irá encontrar alguns bons exemplos que utilizam salários para esclarecer a distinção entre as duas medidas da tendência central mostra a utilidade de comparar as duas e explicita a importância de utilizar a medida apropriada para um conjun to de dados em particular Para os nove salários fornecidos qual é maior a média ou mediana Por que elas são tão diferentes neste caso EXERCÍCIOS NA WEB Total Dados N Média Desvio logicamente em uma tabela ou planilha de cálculo juntamente com os valores a partir de 1817 da tabela contida no artigo de Richards e Willard Construa um gráfico de massa atômica em fun ção do ano para ilustrar como a massa atômica do lítio tem mudado ao longo dos dois últimos séculos Sugira pos síveis razões pelas quais o valor mudou abruptamente perto de 1830 e Os experimentos incrivelmente detalha dos descritos por Richards e Willard sugerem que é improvável que a mas sa atômica do lítio varie muito Discuta esta afirmativa à luz dos seus cálculos no item c f Que fatores têm levado a alterações na massa atômica desde 1910 g Como você determinaria a exatidão de uma massa atômica SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 5 Erros em Análises Químicas 97 Erros Aleatórios em Análises Químicas CAPÍTULO 6 As distribuições probabilísticas a serem discutidas neste capítulo são fundamentais para o uso da estatística no jul gamento da confiabilidade de dados e para o teste de várias hipóteses O quincunce é um dispositivo mecânico que produz uma distribuição normal de probabilidade A cada dez minutos 30 mil bolas caem do centro superior da máquina que tem um conjunto regular de pinos com os quais as bolas colidem aleatoriamente Cada vez que uma bola bate em um pino ela tem 50 de chance de cair para a esquerda ou para a direita Após cada bola passar pelo arranjo de pinos ela cai em um dos compartimentos verticais da caixa transparente A altura da coluna de bolas em cada um é proporcional à probabilidade de cada bola cair em um dado compartimento T odas as medidas contêm erros aleatórios Neste capítulo vamos considerar as fontes de erros aleatórios a determinação de sua grandeza e seus efeitos nos resultados calculados de uma análise química Também vamos introduzir a convenção dos algarismos significativos e ilustrar seu uso na expressão de resultados analíticos 6A A NATUREZA DOS ERROS ALEATÓRIOS Os erros aleatórios ou indeterminados existem em todas as medidas Jamais podem ser totalmente eliminados e são muitas vezes a maior fonte de incertezas em uma determinação Os erros aleatórios são provocados por muitas variáveis incontroláveis que são parte inevitável de toda análise A maioria dos fatores contribuintes do erro aleatório não pode ser claramente identificada Mesmo que possamos identificar as fontes de incertezas geralmente é impossível medilas porque a maioria delas é tão peque na que não podem ser detectadas individualmente O efeito cumulativo das incertezas individuais en tretanto faz que as réplicas de medidas flutuem aleatoriamente em torno da média do conjunto de dados Por exemplo o espalhamento dos dados das Figuras 51 e 53 é resultado direto do acúmulo de peque nas incertezas aleatórias Representamos novamente os dados para nitrogênio Kjeldahl contidos na Figura 53 na forma de um gráfico de três dimensões mostrado na Figura 61 para melhor visualizar a precisão e a exatidão de cada analista Observe que o erro aleatório nos resultados dos analistas 2 e 4 é muito maior que aqueles apresentados nos resultados dos analistas 1 e 3 Os resultados do analista 3 indicam uma boa precisão mas uma baixa exatidão Os resultados do analista 1 apontam uma excelente precisão e uma boa exatidão As fontes de incertezas aleatórias na calibração de uma pipeta incluem 1 julgamentos visuais tais como o nível de água em relação à marca na pipeta e ao nível de mercúrio no termômetro 2 variações no tempo de escoamento e no ângulo da pipeta durante seu escoa mento 3 flutuações na temperatura que afetam o volume da pipeta a viscosidade do líquido e o desempenho da balança e 4 vibrações e correntes de ar que causam pequenas variações nas leituras da ba lança Indubitavelmente existem muitas outras fontes de incertezas aleatórias nesse processo de cali bração que não listamos aqui Mesmo o processo simples de calibração de uma pipeta é afetado por muitas variáveis pequenas e incontroláveis A influência cumulativa dessas variáveis é responsável pela distribuição dos resultados em torno da média 102 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Uma curva gaussiana ou curva normal de erro é aquela que apresenta uma distribuição simétrica dos dados em torno da média de um conjunto infinito de dados como aquele exibido na Figura 62c Figura 63 Histograma A mostrando a distribuição de 50 resultados contidos na Tabela 63 e uma curva gaussiana B para os dados tendo a mesma média e desvio padrão que os dados do histograma 28 24 20 16 12 8 4 0 Porcentagem de medidas 9969 9971 9972 9974 9975 9977 9978 9980 9981 9983 Faixa de valores medidos mL A B 9984 9986 9987 9989 9990 9992 9993 9995 Se você jogar uma moeda dez vezes quantas vezes vai tirar cara Tente e registre seus resultados Repita o experimento Seus resultados são os mesmos Peça a um amigo ou colega de sua classe para que ele faça o mesmo experimento e organize os resultados A tabela a seguir contém os resultados obtidos por estudantes de várias turmas de química analítica durante o período de 1980 a 1998 Número de caras 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Freqüência 1 1 22 42 102 104 92 48 22 7 1 Some seus resultados àqueles contidos na tabela e construa um histograma similar ao mostrado na Figura 6D1 Encontre a média e o desvio padrão ver Seção 6B3 para seus resultados e compareos com os valores indicados no gráfico A curva contínua na figura é aquela de erro normal para um número infinito de tentativas com a mesma média e desvio padrão daqueles do conjunto de dados Observe que a média de 506 é muito próxima do valor 5 que você iria prever com base nas leis da probabilidade À medida que o número de tentativas aumenta o formato do histograma se aproxima daquele da curva contínua e a média se aproxima de 5 Jogando Moedas Uma Atividade para Ilustrar uma Distribuição Normal DESTAQUE 61 As preparações foram aleatoriamente extraí das da mesma população a Encontre a média e o desvio padrão s para cada amostra b Obtenha o valor combinado scomb c Por que esta é uma melhor estimativa de s que o desvio padrão de qualquer amostra 618 Seis garrafas de vinho da mesma variedade foram analisadas para se determinar o con teúdo de açúcar residual gerando os se guintes resultados Garrafa Porcentagem de mv Açúcar Residual 1 099 084 102 2 102 113 117 102 3 125 132 113 120 112 4 072 077 061 058 5 090 092 073 6 070 088 072 073 a Avalie o desvio padrão s para cada con junto de dados b Combine os dados para obter um des vio padrão absoluto para o método 619 Nove amostras de preparações ilícitas de heroína foram analisadas em duplicata por um método baseado em cromatografia gaso sa As amostras podem ser consideradas como tendo sido retiradas aleatoriamente da mesma população Combine os dados que seguem para estabelecer uma estimativa de s para o procedimento Amostra Heroína Amostra Heroína 1 224 227 6 107 102 2 84 87 7 144 148 3 76 75 8 219 211 4 119 126 9 88 84 5 43 42 620 Calcule uma estimativa combinada de s a partir da seguinte análise espectrofotométri ca de NTA ácido nitrilotriacético em águas do Rio Ohio Amostra NTA ppb 1 12 17 15 8 2 32 31 32 3 25 29 23 29 26 621 Dirija seu navegador na Web para o endereço httpthomsonlearningcombr Acesse a página do livro e no item material suple mentar para estudantes clique no menu do Chapter Resources selecione Web Works e localize a seção do Chapter 6 Encontre a conexão com a página do NIST para medi das da velocidade da luz Após ter lido a página clique na conexão denominada Data file ASCII Format A página que você vê contém 100 valores para a velocidade da luz medida por E N Dorsey Transactions of the American Philosophical Society 1944 n 34 p 1110 Tabela 22 Uma vez que você tenha os dados na tela utilize seu mouse para selecionar somente os 100 valores para a velocidade da luz e clique em Editar Copiar para colocar os valores na memória de transferência Então inicie o Excel com uma planilha em branco e clique em EditarColar para colocar os dados na colu na A Agora determine a média e o desvio padrão e compare seus valores com aqueles apresentados quando você clica sobre Certified Values na página da Web do NIST Esteja seguro de ter aumentado o número de algarismos a serem mostrados na sua planilha de forma que você possa com parar todos os resultados Comente sobre quaisquer diferenças entre seus resultados e os valores certificados Sugira as possíveis fontes para as diferenças 622 Dirija seu navegador na Web para o endereço httpwwwthomsonlearningcombr Acesse a página do livro e no item material suple mentar para estudantes clique no menu do Chapter Resources selecione Web Works e localize a seção do Chapter 6 Encontre a conexão com a página do NIST que contém a massa atômica da prata determinada por L J Powell T J Murphy e J W Gramlich The absolute Isotopic Abundance Atoômic Weight of a Reference Sample of Silver NBS Journal of Research 1982 n 87 p 919 A página que você vê apresenta 48 valores para a massa atômica da prata 24 determinados por um instrumento e 24 deter minados por outro a Vamos primeiramente importar os da dos Uma vez que você tenha os dados na tela clique em ArquivoSalvar 130 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON como e AgAtomicWttdat irá apa recer como nome do Arquivo Clique em Salvar Então inicie o Excel clique em ArquivoAbrir estando seguro de que Todos os arquivos esteja sele cionado no campo Arquivos tipo Sele cione AgAtomicWttdat e clique em Abrir Logo após o aplicativo de Im portação aparecerá clique em Delimi tado e então em Próximo Na próxima janela esteja certo de que somente Es paço está sendo verificado e role para baixo até o final do arquivo para certi ficarse de que o Excel traça linhas ver ticais para separar as duas colunas de dados de massa atômica então clique em Terminar Os dados devem aparecer na planilha Os dados constantes das pri meiras 60 linhas aparecerão um pouco desorganizados porém a partir da linha 61 os dados de massa atômica deverão aparecer em duas colunas da planilha b Determine agora a média e o desvio padrão dos dois conjuntos de dados Determine também o coeficiente de variação para cada conjunto de dados c Em seguida determine o desvio padrão combinado dos dois conjuntos de da dos e compare seu valor com aquele para o desvio padrão residual certifica do apresentado quando você clica em Certified Values na página do NIST na Web Esteja certo de aumentar o nú mero de algarismos a serem mostrados em sua planilha de forma que você possa comparar todos os resultados d Compare sua soma dos quadrados dos desvios das duas médias com o valor fornecido pelo NIST para a soma dos quadrados certificada dentro do mes mo instrumento Comente sobre qual quer diferença que você encontre entre seus resultados e os valores certifica dos e sugira possíveis razões para essas diferenças e Compare os valores médios dos dois conjuntos de dados para a massa atô mica da prata com o valor atualmente aceito Assumindo que o valor aceito atualmente é o valor verdadeiro deter mine o erro absoluto e o erro relati vo porcentual SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 6 Erros Aleatórios em Análises Químicas 131 Tratamento e Avaliação Estatística de Dados CAPÍTULO 7 As conseqüências da ocorrência de erros em testes estatísticos muitas vezes são comparadas com as conseqüências de erros cometidos em procedimentos judiciais Na sala do júri podemos cometer dois tipos de erro Uma pessoa inocente pode ser condenada ou uma pessoa culpada pode ser absolvida Em nosso sistema judiciário conside ramos um erro mais sério condenar uma pessoa inocente do que absolver um culpado Similarmente em testes estatísticos utilizados para se determinar se duas quantidades são iguais dois tipos de erros podem ser cometidos Um erro tipo I ocorre quando rejeitamos a hipótese de que duas quantidades são iguais quando elas são estatisticamente idênticas Um erro tipo II ocorre quando aceitamos que elas são iguais sem que sejam estatisticamente idênticas As características destes erros em testes estatísticos e as maneiras pelas quais podemos minimizálos estão entre os assuntos deste capítulo O s cientistas empregam cálculos estatísticos para aprimorar seus julgamentos relacionados à qua lidade de medidas experimentais Neste capítulo consideramos várias das aplicações mais co muns dos testes estatísticos no tratamento de resultados analíticos Essas aplicações incluem 1 Definir o intervalo numérico ao redor da média de um conjunto de réplicas de resultados analíticos na qual se espera que a média da população possa estar contida com uma certa probabilidade Esse inter valo chamado intervalo de confiança IC relacionase ao desvio padrão da média 2 Determinar o número de réplicas de medidas necessário para assegurar que uma média experimental esteja contida em uma certa faixa com um dado nível de probabilidade 3 Estimar a probabilidade de a uma média experimental e um valor verdadeiro ou b duas médias experimentais serem diferentes isto é se a diferença é real ou simplesmente o resultado de um erro aleatório Esse teste é particularmente importante para se detectar a presença de erros sistemáticos em um método e para determinar se duas amostras são provenientes da mesma fonte 4 Determinar dentro de um dado nível de probabilidade se a precisão de dois conjuntos de resultados é diferente 5 Comparar as médias de mais de duas amostras para determinar se as diferenças nas médias são reais ou resultado de erros aleatórios Esse processo é conhecido como análise de variância 6 Decidir com uma certa probabilidade se um valor aparentemente crítico contido em um conjunto de réplicas de medidas é o resultado de um erro grosseiro que portanto pode ser rejeitado ou se é parte legítima de uma população que precisa ser mantida no cálculo da média do conjunto de resultados Topo Fundo 2630 2622 2643 2632 2628 2620 2619 2611 2649 2642 a Aplique o teste t em um nível de con fiança de 95 para determinar se as médias são diferentes b Agora use o teste t pareado e determine se há diferença significativa entre os va lores para o topo e fundo em um nível de confiança de 95 c Por que se chega a diferentes conclusões quando se usa o teste t pareado e quando apenas se combina os dados e se usa o teste t normal para diferenças nas médias 723 Dois métodos analíticos diferentes foram usados para determinar cloro residual em efluentes de esgoto Ambos os métodos foram usados nas mesmas amostras mas cada amostra foi coletada de vários locais com tempos de contato diferentes com o efluente A concentração de Cl expressa em mgL foi determinada pelos dois métodos e os seguintes resultados foram obtidos Amostra Método A Método B 1 039 036 2 084 135 3 176 256 4 335 392 5 469 535 6 770 833 7 1052 1070 8 1092 1091 a Que tipo de teste t deve ser usado para comparar os dois métodos Por quê b Os dois métodos fornecem resultados diferentes Defina e teste as hipóteses apropriadas c A conclusão depende dos níveis de con fiança de 90 95 ou 99 que forem empregados 724 Lord Rayleigh preparou amostras de nitro gênio por diversos métodos diferentes A densidade de cada amostra foi medida como a massa de gás necessária para encher um determinado frasco sob uma certa tempe ratura e pressão As massas de amostras de nitrogênio preparadas pela decomposição de vários compostos de nitrogênio foram 229280 g 229940 g 229849 g e 230054 g As massas de nitrogênio preparadas pela remoção de oxigênio do ar de várias formas foram 231001 g 231163 g e 231028 g A densidade do nitrogênio pre parado por compostos de nitrogênio difere daquela do nitrogênio preparado a partir do ar Quais as chances de as conclusões esta rem erradas O estudo dessa diferença le vou à descoberta dos gases nobres por Sir Willian Ramsey Lord Rayleigh 725 O teor de fósforo foi medido em três solos de diferentes locais Cinco réplicas de medi das foram feitas para cada amostra de solo Uma tabela ANOVA parcial é mostrada a seguir Fonte de Variação SQ gl QM F Entre os solos Nos solos 00081 Total 0374 a Preencha os campos vazios na tabela ANOVA b Defina as hipóteses nula e alternativa c Os três solos diferem nos teores de fós foro em um nível de confiança de 95 726 A concentração de ácido ascórbico em su cos de laranja de cinco marcas diferentes foi medida Seis réplicas de amostras de cada marca foram analisadas A seguinte tabela ANOVA parcial foi obtida Variação na Fonte SQ gl QM F Entre os sucos 845 Nos sucos 0913 Total a Preencha os campos vazios na tabela ANOVA b Defina as hipóteses nula e alternativa c Existe diferença na concentração de ácido ascórbico nos cinco sucos em um nível de confiança de 95 727 Cinco laboratórios diferentes participaram de um estudo interlaboratorial envolvendo determinações dos níveis de Fe em amostras de água Os seguintes resultados são répli 160 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON a Determine a média e o desvio padrão para cada conjunto de dados b Estabeleça os intervalos de confiança para 95 para cada conjunto de dados c Determine se o valor 121803 presente no primeiro conjunto é um valor anô malo para aquele conjunto em um nível de confiança de 95 d Use o teste t para determinar se a média dos dados do conjunto 3 é idêntica àque la do conjunto 1 em um nível de confian ça de 95 e Compare as médias de todos os três con juntos de dados usando a ANOVA Defina a hipótese nula Determine se as médias diferem a um nível de confiança de 95 f Combine os dados e determine uma média global e o desvio padrão combi nado g Compare a média global dos 11 dados com o valor aceito atualmente Relate o erro absoluto e o erro relativo porcentual considerando o valor aceito atualmente como o valor verdadeiro 162 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Amostragem Padronização e Calibração CAPÍTULO 8 A amostragem é uma das operações mais importantes em uma análise química As análises químicas empregam ape nas uma pequena fração da amostra disponível As frações de solos arenosos e argilosos que são coletadas para análises devem ser representativas de todo o material Conhecer quanto da amostra deve ser coletado e como subdi vidila posteriormente para se obter a amostra de laboratório são vitais no processo analítico A amostragem a padronização e a calibração são os pontos deste capítulo Todas as três etapas requerem conhecimento de estatística C omo discutido no Capítulo 1 um procedimento analítico consiste em várias etapas importantes A escolha de dado procedimento analítico depende da quantidade de amostra disponível e em um aspecto mais amplo da quantidade de analito presente Aqui discutiremos uma classificação geral dos tipos de determinação baseados nesses fatores Após a seleção do método específico a ser emprega do uma amostra representativa precisa ser coletada O processo de amostragem envolve a obtenção de uma pequena quantidade de material que represente de maneira exata todo o material que está sendo analisado A coleta de uma amostra representativa é um processo estatístico A maioria dos métodos analíticos não é absoluta e necessita que os resultados sejam comparados com aqueles obti dos para materiais padrão de composição exatamente conhecida Alguns métodos envolvem a com paração direta com padrões enquanto outros necessitam de um procedimento de calibração indireto Aqui discutiremos a padronização e a calibração com algum detalhe incluindo o uso do método dos mínimos quadrados para a construção de modelos de calibração Este capítulo será finalizado com uma discussão dos procedimentos utilizados para comparar os métodos analíticos pelo uso de vários critérios de eficiência denominados figuras de mérito 8A AMOSTRAS E MÉTODOS ANALÍTICOS Muitos fatores estão envolvidos na escolha de um método analítico específico como discutido na Seção 1C1 Entre os fatores mais importantes estão a quantidade de amostra e a concentração do analito 8A1 Tipos de Amostras e Métodos Os métodos analíticos podem ser classificados de muitas formas diferentes Às vezes distinguimos um método de identificação de espécies um método qualitativo de um que determina a quantidade de um cons tituinte uma análise quantitativa Os métodos quantitativos como discutidos na Seção 1B são classifica dos tradicionalmente como gravimétricos volumétricos ou instrumentais Outra maneira de se distinguir os métodos baseiase na dimensão da amostra e nos níveis dos constituintes Em casos extremos as determinações devem ser conduzidas em salas especiais que são mantidas meticulosamente limpas e livres de poeira e outros contaminantes Um problema geral em procedimentos envolvendo constituintes traço é que a confiabilidade dos resultados geralmente decresce drasticamente com a diminuição do nível do analito A Figura 83 mostra como o desvio padrão entre laboratórios aumen ta à medida que o nível do analito diminui 8A2 Amostras Reais A análise de amostras reais é complicada devido ao efeito da matriz da amostra A matriz pode conter espé cies que têm propriedades químicas similares às do analito Essas espécies podem reagir com os mesmos reagentes tal como o analito ou podem provocar uma resposta instrumental que não pode ser facilmente SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 8 Amostragem Padronização e Calibração 165 Figura 82 Classificação dos tipos de constituintes pelo nível do analito Traço Minoritário Majoritário Ultratraço Nível do analito 1 ppb 1 ppm 01 100 Tipo de constituinte Figura 83 Erros interlaboratoriais em função da concentração do analito Observe que o desvio padrão relativo aumenta drasticamente à medida que a concentração do analito diminui Na faixa de ultratraço o desvio padrão relativo se aproxima de 100 De W Horowitz Anal Chem 1982 v 54 p 67A76A 0 10 20 30 40 50 Desvio padrão relativo 2 1 001 1 ppm 1 ppb 4 6 8 10 0 log da concentração Para as análises realizadas no laboratório a amostra bruta é nor malmente reduzida em tamanho para uma quantidade de material homogêneo para tornarse a amostra de laboratório Em alguns casos como os de amostragem de pós líquidos e gases não temos itens obvia mente discretos Esses materiais podem não ser homogêneos e ser cons tituídos em partículas microscópicas de composições diferentes ou no caso de líquidos zonas onde as concentrações diferem Com esses mate riais podemos garantir a representatividade da amostra obtendo nossos incrementos a partir de diferentes regiões de todo o material A Figura 84 ilustra as três etapas comumente envolvidas na obtenção da amostra de laboratório Ordinariamente a etapa número 1 é direta com a popu lação sendo tão diversa quanto uma cartela de frascos contendo tabletes de vitaminas um campo de trigo o cérebro de um rato ou a lama do leito de um rio As etapas números 2 e 3 são raramente simples e podem demandar uma boa dose de esforço e engenhosidade Estatisticamente os objetivos do processo de amostragem são 1 Obter um valor médio que seja uma estimativa sem tendências da média da população Esse objetivo pode ser atingido apenas se todos os membros da população tiverem uma probabilidade igual de estarem incluídos na amostra 2 Obter uma variância que seja uma estimativa sem vieses da variância da população para que os limites de confiança válidos para a média possam ser encontrados e vários testes de hipóteses possam ser apli cados Esse objetivo pode ser alcançado apenas se toda amostra pos sível puder ser igualmente coletada Ambos os objetivos requerem a obtenção de uma amostra aleatória Aqui o termo aleatório não su gere que as amostras sejam escolhidas de uma maneira casual Em vez disso um procedimento randômi co é aplicado na obtenção dessa amostra Por exemplo considere que nossa amostra consista em 10 tabletes farmacêuticos a serem tirados de 1000 tabletes de uma linha de produção Uma maneira de garan tir uma amostra aleatória é escolher os tabletes a serem testados a partir de uma tabela com números aleatórios Isso pode ser convenientemente gerado a partir de uma tabela de números aleatórios ou a par tir de uma planilha de cálculo como mostrado na Figura 85 Aqui designaríamos um número de 1 a 1000 para cada tablete e usaríamos os números escolhidos aleatoriamente exibidos na coluna C da planilha reti rando para análise os tabletes 37 71 171 e assim por diante SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 8 Amostragem Padronização e Calibração 167 Figura 84 Etapas envolvidas na obtenção de uma amostra de laboratório A amostra de laboratório consiste em alguns gramas até no máximo algumas centenas de gramas Pode ser constituída de tão pouco quanto 1 parte em 107 ou 108 partes de todo o material Identificar a população Coletar uma amostra bruta Reduzir a amostra bruta para uma amostra de laboratório A amostragem é o processo pelo qual uma amostra da população é reduzida em tamanho para uma quantidade de material homogêneo que pode ser convenientemente manuseado no laboratório e cuja composição seja representativa da população Figura 85 Geração de 10 números aleatórios de 1 a 1000 por meio do uso de uma planilha A função número aleatório do Excel ALEATÓRIO gera números aleatórios entre 0 e 1 O multiplicador mostrado na documentação garante que os números gerados na coluna B estejam entre 1 e 1000 Para obter números inteiros usamos o comando FormatarCélulas na barra de menus escolhemos o Número e então 0 casas decimais Assim o número de dígitos não varia a cada cálculo os números aleatórios contidos na coluna B são copiados e colados como valores na coluna C utilizandose o comando CopiarColar Especial contido na barra de menus Na coluna C os números foram colocados em ordem crescente usandose o comando DadosClassificar contido na barra de menus do Excel analito são exibidos na Figura 87c As amostras são introduzidas no amostrador como pequenas zonas de composição uniforme plugues à esquerda Um alargamento devido à dispersão ocorre até o momento em que a amostra alcança o detector Além disso os sinais mostrados à direita da figura são usados tipicamente para obter informações quantitativas sobre o analito As amostras podem ser analisadas a uma velocidade de 30 a 120 por hora O sistema denominado análise por injeção em fluxo do inglês Flow Injection Analysis FIA é um desenvolvimento mais recente11 Nesse processo as amostras são injetadas a partir de uma alça de injeção em um fluido transportador contendo um ou mais reagentes como mostrado na Figura 88a A amostra dispersase de uma forma controlada antes de alcançar o detector como ilustrado na Figura 88b A injeção da amostra em uma corrente de reagente gera o tipo de resposta descrito à direita da figu ra Nos sistemas FIA de zonas coalescentes ambos a amostra e o reagente são injetados em fluxos transportadores e misturados em um misturador em forma de T te Tanto nos sistemas FIA normal quanto no de zonas coalescentes a dispersão da amostra é controlada pela dimensão da amostra a vazão do fluido transportador e o comprimento e o diâmetro do tubo Também é possível parar o fluxo quando 176 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Figura 87 Analisador em fluxo contínuo segmentado a As amostras são aspiradas a partir de frascos pelo amostrador e bombeadas para dentro do dispositivo no qual são misturadas com um ou mais reagentes O ar também é introduzido para segmentar as amostras com bolhas Geralmente as bolhas são removidas por um dispositivo antes que o fluxo alcance o detector A amostra segmentada é exibida mais detalhadamente em b As bolhas minimizam a dispersão da amostra que pode causar alargamento das zonas e contaminação entre as diferentes amostras Os perfis de concentração do analito no amostrador e no detector são apresentados em c Normalmente a altura do pico da amostra está relacionada com a concentração do analito Ar Amostra Reagente Bomba Para o descarte Bobina de mistura Dispositivo para retirada de bolhas Para o descarte Detector Computador 0 1 2 Direção do fluxo Ar Líquido Segmento inicial da amostra Tempo 1 1 2 3 2 3 Amostra Fluido de lavagem Concentração do analito a b c 11 Para mais informações sobre FIA ver J Ruzicka e E H Hansen Flow Injection Analysis 2 ed Nova York Wiley 1988 M Valcarcel e D M Luque de Castro Flow Injection Analysis Principles and Applications Chichester Inglaterra Ellis Horwood 1987 B Karlberg e G E Pacey Flow Injection Analysis A Practical Guide Nova York Elsevier 1989 J P Smith e V HinsonSmith Anal Chem 2002 n 74 p 385A a amostra alcança o detector para permitir que perfis de concentração em função do tempo sejam medi dos em métodos cinéticos ver Capítulo 29 Os sistemas por injeção em fluxo também podem incorporar várias unidades de processamento de amostras como módulos de extração com solventes módulos de aquecimento e outros Em sistemas FIA as amostras podem ser processadas a taxas que variam entre 60 e 300 por hora Em trabalhos recentes os sistemas FIA têm sido miniaturizados tanto para dimensão de capilares diâmetro interno entre 20 e 100 mm quanto para microchips ver Destaque 8112 Esses analisadores em miniatura têm o potencial de per mitir manipulações e medidas em amostras tão pequenas quanto células individuais e de minimizar a quan tidade de reagentes consumida na análise SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 8 Amostragem Padronização e Calibração 177 Figura 88 Analisador por injeção em fluxo Em a a amostra é carregada a partir de um amostrador para uma alça de amostragem em uma válvula de amostragem A válvula mostrada na posição de carregamento da amostra apresenta também uma segunda posição de injeção identificada por linhas pontilhadas Quando posicionada para injeção a corrente líquida contendo o reagente flui através da alça de amostragem A amostra e o reagente misturamse e reagem na bobina de mistura antes de alcançar o detector Nesse caso a zona da amostra dispersase antes de atingir o detector b O perfil de concentração resultante resposta do detector depende do grau de dispersão Detector Computador Válvula de injeção Alça de amostragem Para o descarte Bobina de mistura Bobina de mistura Bomba Reagente 1 Reagente 2 Amostra a b Difusão Dispersão por Direção do fluxo Resposta do detector Convecção Convecção e difusão Amostra inicialmente injetada como um segmento de volume bem definido 12 Exemplos de sistemas FIA em miniatura podem ser encontrados em D M Spence e S R Crouch Anal Chem 1997 n 69 p 165 A G Hadd D E Raymond J W Halliwell S C Jacobson e J M Ramsey Anal Chem 1997 n 69 p 3407 8C PADRONIZAÇÃO E CALIBRAÇÃO Uma parte muito importante de todos os procedimentos analíticos é o processo de calibração e padroniza ção A calibração determina a relação entre a resposta analítica e a concentração do analito Geralmente isso é realizado pelo uso de padrões químicos No estudo de caso das mortes dos cervos do Destaque 11 a concentração de arsênio foi encontrada pela calibração da escala de absorbância de um espectrofotômetro com soluções com concentrações conhecidas de arsênio Quase todos os métodos analíticos requerem algum tipo de calibração com padrões químicos Os métodos gravimétricos ver Capítulo 12 e alguns métodos coulométricos ver Capítulo 22 estão entre os poucos métodos absolutos que não dependem da calibração com padrões químicos Diversos tipos de procedimentos de calibração são descritos nesta seção 8C1 Comparação com Padrões Dois tipos de métodos de comparação são descritos nesta seção a técnica de comparação direta e o pro cedimento de titulação Comparação Direta Alguns procedimentos analíticos comparam uma propriedade do analito ou o produto de uma reação com o analito com um padrão de maneira que a propriedade que está sendo avaliada se iguale com aquela do padrão Por exemplo nos primeiros colorímetros a cor produzida como resultado de uma reação química do analito era comparada com aquela produzida pela reação dos padrões Se a concentração do padrão variava devido à diluição era possível obter uma cor relativamente parecida A concentração do analito era então igual à concentração do padrão após a diluição Esse procedimento é chamado de comparação de nulo ou método de igualização15 Em alguns instrumentos modernos uma variação desse procedimento é usada para determinar se a concentração do analito excede ou é menor que algum nível de referência O Destaque 82 fornece um exemplo de como um comparador pode ser empregado para determinar se o nível de aflatoxina em uma amostra excede o nível que seria indicativo de uma situação tóxica A concentração exata de aflatoxina não é necessária apenas uma indicação de que o nível de referência tenha sido excedido é necessária Alternativamente uma comparação simples com vários padrões pode ser usada para indicar a concentração aproximada do analito SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 8 Amostragem Padronização e Calibração 179 15 Ver por exemplo H V Malmstadt e J D Winefordner Anal Chem Acta 1960 v 20 p 283 L Ramaley e C G Enke Anal Chem 1965 v 37 p 1073 16 P R Kraus A P Wade S R Crouch J F Holland e B M Miller Anal Chem 1988 v 60 p 1387 As aflatoxinas são potenciais carcinogênicos pro duzidos por certos fungos que podem ser encon trados no milho amendoim e outros alimentos Eles não têm cor odor nem sabor A natureza tó xica das aflatoxinas tornouse evidente devido a uma grande mortandade de perus ocorrida na Inglaterra em 1960 Um método de detecção de aflatoxinas consiste em um imunoensaio baseado em ligação competitiva Esses ensaios serão dis cutidos posteriormente no Destaque 111 Na análise os anticorpos específicos para as aflatoxinas recobrem a base de um compartimen to plástico ou cavidade microtituladora em um arranjo Um Método Comparativo para Aflatoxinas16 DESTAQUE 82 continua 180 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON A aflatoxina comportase como o antígeno Durante a análise uma reação enzimática leva à formação de um produto azul À medida que a concentração de aflatoxina na amostra aumenta a cor azul diminui de intensidade O instrumento de medida da cor é o comparador de fibra óptica básico exibido na Figura 8D2 O instrumento pode ser usado para comparar a intensidade da cor da amostra com aquela da solução de referência para indicar se o nível de aflatoxina excede o nível limite Em outro modo uma série de padrões com concentrações crescentes pode ser colocada no compartimento da referência A concentração de aflatoxina na amostra é aquela entre os dois padrões com concentrações ligeiramente mais altas e ligeiramente mais baixas que a do analito como mostrado pelos indicadores verde e vermel ho dos diodos emissores de luz LEDs Fotodetectores c Eletrônica de comparação Amostras Referência LED Verde LED Fotodetectores b Eletrônica de comparação Amostras Referência LED Vermelho LED Fibra óptica LED Fotodetectores Suporte para placas microtituladoras Amostras Referência a Figura 8D2 Comparador óptico a Uma fibra óptica que se divide em dois segmentos carrega a luz do diodo emissor de luz LED até as cavidades que contêm a amostra e a referência em um suporte para placa microtituladora As amostras contendo quantidades desconhecidas do analito são colocadas no suporte de cavidades microtituladoras Se a amostra contém mais aflatoxina que o padrão b a cavidade da amostra absorve menos luz que a do padrão a 650 nm Um circuito eletrônico acende um LED vermelho para indicar uma quantidade perigosa de aflatoxina Se a amostra tiver menos aflatoxina que o padrão c um LED verde se acende Observe que inúmeras funções estatísticas aparecem na janela denominada Selecionar uma função Use o mouse para rolar para baixo a lista de funções até que você chegue à função INCLINAÇÃO então clique nela A função aparece em negrito sob a janela à esquerda e uma descrição da função aparece abaixo Leia a descrição da função inclinação e então clique em OK A seguinte janela aparece logo abaixo da barra de fórmulas Leia as informações que são fornecidas na janela e na barra de fórmulas A função INCLINAÇÃO aparece na barra de fórmulas sem argumentos então precisamos selecionar os dados que o Excel usará para determinar a inclinação da linha Agora clique no botão de seleção localizado à extrema direita do campo Valconhecidosy use o mouse para selecionar as células C2C6 e digite De maneira similar clique no botão de seleção para o campo Valconhecidosx e selecione as células B2B8 seguido de que pro duz a seguinte janela Argumentos da função INCLINAÇÃO Cancelar Valconhecidosy Valconhecidosx Retorna a inclinação da reta de regressão linear para os pontos de dados determinados Resultado da fórmula 2092506513 Ajuda sobre esta função Valconhecidosx é uma matriz ou inervalo de pontos de dados independentes podendo ser números ou nomes matrizes ou referências que contenham números C2C6 B2B6 109 178 26 303 4 0352 0803 108 13 Argumentos da função INCLINAÇÃO Cancelar Valconhecidosy Valconhecidosx Retorna a inclinação da reta de regressão linear para os pontos de dados determinados Resultado da fórmula Ajuda sobre esta função Valconhecidosy é uma matriz ou inervalo de pontos de dados dependentes podendo ser números ou nomes matrizes ou referências que contenham números matriz matriz Inserir função Procure por uma função Selecione uma função BETAACUMINV CONTNÚM CONTSE CONTVALORES CONTARVAZIO CORREL COVAR BETAACUMINVprobabilidadealfabetaAB Digite uma breve descrição do que deseja fazer e clique em Ir Ou selecione uma categoria Estatística Ir Cancelar Retorna o inverso da função de densidade da probabilidade beta cumulativa DISTBETA Ajuda sobre esta função SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 8 Amostragem Padronização e Calibração 189 A janela mostra não apenas as células de referência para os dados de x e y como também os primeiros dados à direita e ainda o resultado do cálculo da inclinação Mais uma vez clique em OK e a inclinação aparece na célula B8 Clique na célula B9 e em seguida no ícone Inserir Função e repita o processo que acabamos de desen volver exceto que agora você deve selecionar a função INTERCEPÇÃO Quando a janela da função inter cepção surgir selecione Valconhecidosy e então Valconhecidosx como anteriormente e clique em OK Quando você tiver terminado a planilha terá a seguinte aparência Neste ponto você pode querer comparar esses resultados com aqueles obtidos para a inclinação e o inter cepto no Exemplo 84 Devemos observar que neste momento o Excel fornece muitos dígitos que não são significativos Devemos ver agora quantos algarismos são significativos após encontrarmos os desvios padrão da inclinação e da interceção Uso do PROJLIN Agora veremos como a função PROJLIN pode realizar muitas funções importantes em um único proce dimento Comece usando o mouse para selecionar um arranjo de células com duas células na horizontal e cinco na vertical como E2F6 Então clique no ícone Inserir Função selecione ESTATÍSTICA e PROJLIN nas janelas da esquerda e da direita respectivamente e clique em OK Selecione Valconheci dosy e Valconhecidosx como antes logo após clique no campo denominado Constante e digite ver dadeiro Também digite verdadeiro no campo chamado Estatística Quando você clicar em cada um dos dois últimos campos observe que uma descrição do significado destas variáveis lógicas aparece abaixo do campo Para ativar a função PROJLIN você precisa digitar simultaneamente a combinação pouco usual CtrlShift Essa combinação precisa ser usada quando você desenvolve uma função em um arranjo de células A planilha neste instante deve estar parecida com a que segue 190 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Outra vez clique em qualquer ponto graficado com o botão direito do mouse e depois clique em Adicionar Linha de Tendência Na opção Tipo selecione Linear Em opções marque Exibir equação no gráfico e Exibir valor do quadrado de R no gráfico Então clique em OK A espessura da linha pode ser ajustada clicandose com o botão direito do mouse sobre a linha e selecionando Formatar Linha de Tendência Em Padrões selecione uma linha com a espessura desejada Você também pode mover o texto da equação e do R2 para um local mais conveniente como indicado no gráfico a seguir Como uma extensão a esse exercício modifique sua planilha para incluir uma coluna de resíduos co mo mostrado na Tabela 82 Crie um gráfico dos resíduos em função de x Os gráficos dos resíduos podem ajudálo a detectar qualquer desvio sistemático dos pontos experimentais a partir da reta dos mínimos quadrados Tenha a certeza de gravar sua planilha em um arquivo para referência e para uso na análise de dados de laboratório Embora tenhamos focalizado nas calibrações com base em relações lineares existem casos na química analítica nos quais a calibração nãolinear é empregada Algumas vezes a relação entre a resposta analítica e a concentração é inerentemente nãolinear Em outras os desvios da linearidade surgem porque as soluções não se comportam idealmente Em ambos os casos a regressão nãolinear pode ser utilizada para desenvolver o modelo de calibração18 Erros na Calibração com Padrão Externo Quando os padrões externos são usados considerase que quando a mesma concentração do analito esti ver presente na amostra e no padrão a mesma resposta será obtida Assim a relação funcional da cali bração entre a resposta e a concentração do analito também devese aplicar à amostra Normalmente em uma determinação a resposta original do instrumento não é utilizada Em vez disso a resposta analítica é corrigida por meio da medida de um controle branco O branco ideal é idêntico à amostra mas sem o analito Na prática com amostras complexas é muito dispendioso ou impossível preparar um branco ideal e um compromisso precisa ser estabelecido Muito freqüentemente um branco real é tanto um branco do solvente contendo o mesmo solvente no qual a amostra foi dissolvida como um branco do reagente contendo o solvente mais os reagentes usados no preparo da amostra Mesmo com correções para o branco vários fatores podem causar falhas nas considerações básicas do método do padrão externo Os efeitos de matriz decorrentes da existência de espécies estranhas na amostra que não estão presentes nos padrões ou no branco podem fazer que os analitos e os padrões de igual con centração forneçam respostas diferentes As diferenças em variáveis experimentais no momento da medida do branco da amostra e dos padrões também podem invalidar uma calibração estabelecida Mesmo quando a consideração básica é válida os erros podem ocorrer devido à contaminação durante a amostragem ou nas etapas de preparação da amostra 192 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON 18 Ver D M Bates e D G Watts Nonlinear Regression Analysis and Its Applications Nova York Wiley 1988 Figura 812 Ilustração do método do padrão interno Uma quantidade fixa da espécie contida no padrão interno é adicionada a amostras padrões e brancos Os gráficos da curva de calibração contêm a razão entre o sinal do analito e o do padrão interno contra a concentração do analito 0 05 1 15 2 25 3 35 4 Resposta 0 1 2 3 4 5 Tempo 0 05 1 15 2 25 3 35 4 Resposta 0 1 2 3 4 5 Tempo 0 05 1 15 2 25 3 35 4 Resposta 0 1 2 3 4 5 Tempo Padrão interno Padrão interno Padrão interno Analito Analito Analito O método do padrão interno pode compensar certos tipos de erros se estes influenciam tanto o analito como a espécie de referência na mesma proporção Por exemplo se a temperatura influencia ambos o anali to e a espécie de referência com a mesma intensidade o uso da razão pode compensar as variações na tem peratura Para a compensação ocorrer devese escolher uma espécie de referência que tenha propriedades químicas e físicas similares àquelas do analito O uso de um padrão interno em espectrometria de chama é ilustrado no Exemplo 87 Método das Adições de Padrão Usamos o método das adições de padrão quando for difícil ou impossível fazer uma cópia da matriz da amostra Em geral a amostra é contaminada com uma quantidade ou quantidades conhecidas de uma solução padrão contendo o analito No método das adições de padrão de um único ponto duas porções da amostra são tomadas Uma porção é medida como de costume mas uma quantidade conhecida da solução padrão é adicionada à segunda porção As respostas para as duas porções são então empregadas para calcular a concentração desconhecida assumindose uma relação linear entre a resposta e a concen tração do analito ver Exemplo 88 No método das adições múltiplas são feitas as adições de quanti 196 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON dades conhecidas da solução padrão do analito a várias porções da amostra e uma curva de calibração com as múltiplas adições é obtida O método das adições múltiplas permite verificar se existe uma relação linear entre a resposta e a concentração do analito Posterior mente discutiremos o método das adições múltiplas no Capítulo 26 em que ele é utilizado em conjunto com a espectroscopia de absorção molecular Figura 268 O método das adições de padrão é bastante poderoso quando uti lizado adequadamente Primeiro precisamos ter uma boa medida do branco para que espécies estranhas não contribuam para a resposta analítica Segundo a curva de calibração para o analito precisa ser linear na matriz da amostra O método das múltiplas adições permite uma ve rificação dessa consideração Uma desvantagem significativa do méto do das adições múltiplas é o tempo extra requerido para se fazer as adições e medidas O principal benefício é a potencial compensação de efeitos de interferências complexas que podem ser desconhecidas para o usuário SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 8 Amostragem Padronização e Calibração 197 As intensidades das linhas de emissão em chama podem ser influenciadas por uma variedade de fatores instrumentais incluindo a temperatura da chama a vazão da solução e a eficiência do nebu lizador Podemos compensar as variações desses fatores pelo uso do método do padrão interno Aqui adicionamos a mesma quantidade do padrão interno a misturas contendo quantidades conheci das do analito e de amostras com concentrações desconhecidas do analito Então tomamos a razão entre as intensidades da linha do analito e aquela do padrão interno O padrão interno deve estar ausente na amostra a ser analisada Na determinação de sódio por emissão em chama o lítio é freqüentemente adicionado como um padrão interno Os seguintes dados foram obtidos para soluções contendo Na e 1000 ppm de lítio EXEMPLO 87 ppm de Na Intensidade de emissão de Na Intensidade de emissão de Li 010 011 86 050 052 80 100 18 128 500 59 91 1000 95 73 Amostra 44 95 continua No método das adições de padrão uma quantidade conhecida da solução padrão contendo o analito é adicionada a uma porção da amostra As respostas antes e depois da adição são medidas e posteriormente usadas para obter a concentração do analito Alternativamente as múltiplas adições são feitas a diversas porções da amostra A adição de padrão considera uma resposta linear Isso deve ser sempre confirmado ou o método das adições múltiplas deve ser empregado para se verificar a linearidade Construa uma planilha para determinar a razão entre as intensidades para o sódio e para o lítio e faça um gráfico da razão versus ppm de sódio Faça também um gráfico da intensidade para o sódio versus ppm de sódio Determine a concentração da amostra e seu desvio padrão A planilha é apresentada na Figura 813 Os dados são inseridos nas colunas de A a C Nas células de D4 até D9 as razões entre as intensi dades são calculadas pela fórmula mostrada na célula de documentação A22 Um gráfico da curva de calibração normal está representado como o gráfico superior na figura O gráfico infe rior é o da curva de calibração para o padrão inter no Observe a melhoria na curva de calibração quando se utiliza o padrão interno As regressões lineares são calculadas nas células de B11 a B20 usando a mesma estratégia descrita na Seção 8C2 Os cálculos são realizados pelas fórmulas exi bidas nas células de documentação A23 a A31 A concentração de sódio na solução desconhecida é de 355 005 ppm Estrutura do peróxido de benzoíla Modelo molecular do peróxido de benzoíla Em outro exemplo um gráfico de controle foi usado para monitorar a produção de medicamentos contendo peróxido de benzoíla os quais são usados no tratamento de acne O peróxido de benzoíla é um bactericida que é efetivo quando aplicado à pele como um creme ou gel contendo 10 do ingrediente ativo Essas substâncias são reguladas pela agência governamental denominada Food and Drug Administration FDA As concentrações de peróxido de benzoíla precisam portanto ser monitoradas e mantidas sob con trole estatístico O peróxido de benzoíla é um agente oxidante que pode ser combinado com um excesso de iodeto para produzir iodo que é titulado com uma solução padrão de tiossulfato de sódio para fornecer uma medida da concentração de peróxido de benzoíla na amostra O gráfico de controle da Figura 816 mostra os resultados para 89 corridas da produção de um creme contendo uma concentração nominal de 10 em peróxido de benzoíla medidos em dias consecutivos Cada amostra é representada por um porcentual médio de peróxido de benzoíla determinado a partir dos resultados de cinco titulações de diferentes amostras analíticas do creme O gráfico mostra que até o 83o dia o processo de produção estava sob controle estatístico com flutuações aleatórias normais na quantidade de peróxido de benzoíla No 83o dia o sistema ficou fora de controle com um drástico aumento sistemático no LIC Esse aumento provocou uma preocupação considerável na planta de produção até que sua fonte foi descoberta e corrigida Esses exemplos revelam como gráficos de controle são efetivos na apresentação de dados de controle de qualidade em uma variedade de situações Validação A validação determina a adequação de uma análise no sentido de fornecer a informação desejada Pode ser aplicada a amostras metodologias e dados Muitas vezes é feita pelo analista como também por um supervisor Freqüentemente a validação de amostras é empregada para aceitar amostras como membros de uma população que está sob estudo para admitir amostras para medidas para estabelecer a autenticidade de amostras e para permitir uma nova amostragem se necessário No processo de validação as amostras podem ser rejeitadas devido a questões relacionadas com sua identidade com a manipulação das amostras ou o conhecimento de que o método de coleta das amostras não era apropriado ou inspirava dúvidas Por exem plo a contaminação de amostras de sangue a ser usada como prova em um exame forense durante a coleta seria uma razão para rejeição das amostras C O O C O O 202 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Figura 815 Gráfico de controle para uma balança analítica moderna Os resultados parecem flutuar normalmente ao redor da média exceto aquele obtido no 17o dia Após investigações concluiuse que o valor questionável foi resultado do fato de o prato da balança não estar limpo 200002 200001 200000 199999 199998 5 15 0 10 Amostra dia LIC LSC Massa do padrão g 20 25 Existem várias maneiras diferentes de validar os métodos analíticos Algumas delas foram discutidas na Seção 5B4 Os métodos mais comuns incluem a análise de materiais padrão de referência quando disponíveis a análise por um método analítico diferente a análise de amostras fortificadas e a análise de amostras sintéticas que têm composição química próxima da amostra real Muitas vezes analistas indivi duais e de laboratórios precisam demonstrar a validade dos métodos e técnicas empregados A validação de dados é a última etapa antes da liberação dos resultados Esse processo tem início com a validação das amostras e dos métodos utilizados Então os dados são apresentados com limites de incerteza válidos após uma verificação global ter sido realizada com o intuito de eliminar erros na amostragem e no manuseio de amostras na realização das análises na identificação das amostras e nos cál culos empregados Apresentação de Resultados Analíticos Os formatos e procedimentos específicos de apresentação variam de laboratório para laboratório Entretanto algumas recomendações gerais podem ser mencionadas aqui Se apropriado a apresentação deve seguir o procedimento de boas práticas de laboratório BPL24 Geralmente os resultados analíticos devem ser apresentados como um valor médio e o desvio padrão Algumas vezes o desvio padrão em relação à média é fornecido no lugar do desvio em relação ao con junto de dados Ambos são aceitáveis desde que esteja claro qual está sendo apresentado Um intervalo de confiança para a média também deve ser informado Normalmente o limite de confiança de 95 repre senta um compromisso aceitável entre ser muito restritivo e muito permissivo De novo o intervalo e seu nível de confiança devem ser explicitamente mencionados Os resultados de vários testes estatísticos rea lizados com os dados também devem ser incluídos quando apropriado assim como deve ser incluída a rejeição de qualquer valor com o respectivo critério empregado na rejeição O algarismos significativos são importantes na apresentação dos resultados Devem ser baseados na avaliação estatística dos dados A convenção do número de algarismos significativos apresentada na Seção 6D1 deve ser seguida quando possível e o arredondamento de dados deve ser feito com atenção às regras gerais A apresentação gráfica deve incluir barras de erros nos pontos indicando quando possível as incer tezas Alguns programas computacionais para a produção de gráficos permitem que o usuário escolha SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 8 Amostragem Padronização e Calibração 203 NRT O termo amostras fortificadas utilizado no lugar de spiked em inglês significa que as amostras sofreram uma adição conhecida proposital do analito de tal forma que a recuperação do método analítico pode ser verificada 24 J K Taylor Quality Assurance in Chemical Measurements Chelsea MI Lewis Publishers 1987 p 113114 Figura 816 Um gráfico de controle para a monitoração da concentração de peróxido de benzoíla presente em uma preparação comercial para a acne O processo de produção ficou fora de controle estatístico a partir da 83a amostra e exibiu uma variação sistemática no valor médio da concentração LSC limite superior de controle LIC limite inferior de controle 102 101 100 99 98 20 60 0 40 Amostra número da análise LIC LSC µ Porcentagem de peróxido de benzoíla 80 100 x Concentração de y Concentração de Mercúrio ppm Mercúrio ppm tradicional microondas 732 548 1580 1300 460 329 904 684 716 600 680 584 990 1430 2870 1880 a Efetue uma análise de mínimos quadra dos com os dados da tabela conside rando que o método tradicional x é a variável independente Determine a in clinação o intercepto o valor de R2 o erro padrão e qualquer outro parâmetro estatístico relevante b Construa um gráfico com os resultados obtidos na parte a e forneça a equação para a reta de regressão c Agora considere que o método de digestão por microondas y é a variável independente novamente desenvolva uma análise de regressão e determine os parâmetros estatísticos relevantes d Faça um gráfico com os dados da parte c e determine a equação da regressão e Compare a equação da regressão obtida em b com a equação obtida em d Por que essas equações são diferentes f Há algum conflito entre o procedimento que você acabou de desenvolver e as considerações do método dos mínimos quadrados Que tipo de análise estatísti ca seria mais apropriado que o dos mí nimos quadrados para lidar com dados como estes g Veja a referência número 25 do artigo e compare seus resultados com aqueles apresentados no artigo para o Exemplo 4 da Tabela 2 Você notará que seus resultados para o item d diferem dos resultados dos autores Qual a expli cação mais provável para essa dis crepância h Carregue os dados de teste da Tabela 1 da referência 25 do endereço no site do livro httpwwwthomsonlearningcom br efetue o mesmo tipo de análise para o Exemplo 1 e o Exemplo 3 e compare seus resultados com aqueles da Tabela 2 do artigo Observe que no Exemplo 3 você deve incluir todos os 37 pares de dados i Quais outras técnicas para lidar com a comparação de métodos são sugeridas no artigo j O que está implícito quando compara mos dois métodos por regressão linear e a inclinação não é igual à unidade O que está implícito quando o intercepto não é igual a zero 210 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Equilíbrios Químicos PARTE II Capítulo 9 Soluções Aquosas e Equilíbrios Químicos Capítulo 10 Os Efeito de Eletrólitos nos Equilíbrios Químicos Capítulo 11 Resolução de Problemas de Equilíbrio de Sistemas Complexos 212 Uma conversa com Sylvia Daunert S ylvia Daunert mora em Kentucky mas seu sotaque não é sulista isso reflete sua formação cosmopolita Ela é de Barcelona Espanha e tem origem alemã Freqüentou uma escola alemã e passou os verões em escolas da Europa e dos Estados Unidos Daunert estudou na Universidade de Barcelona para ser uma farmacêutica como bolsista da Fundação Fulbright recebeu o título de mestre em química medicinal na Universidade de Michigan Lá ela conheceu seu marido Leonidas Bachas que é grego Após Leonidas ter aceito o emprego como profes sor de química na Universidade de Kentucky ela viajou entre Lexington e a Espanha até obter seu doutorado na Universidade de Barcelona Agora também é professora de química na Universidade de Kentucky Daunert está interessada no uso da tecnologia de recombinação de DNA para desenvolver novas técnicas bioanalíticas Atualmente ela está desenvolvendo ensaios baseados em bioluminescência para detectar biomoléculas e compostos tóxicos Brevemente os produtos de sua pesquisa serão implantados em pacientes com doenças crônicas ou serão utilizados para manter a saúde de astronautas em missões espaciais de longa duração Para somar a sua vida frenética Daunert tem três filhos dois adolescentes e um bebê P Como você se interessou pela química R Quando eu era jovem gostava de misturar coisas especial mente na cozinha Os químicos costumam ser cozinheiros Sempre tivemos um cozinheiro em casa mas nos fins de sema na eu costumava cozinhar Meus pais sempre me disseram que o fato de eu ser uma mulher não devia me limitar Eles me diziam que eu poderia fazer qualquer coisa que quisesse e alcançar o que desejasse P Onde você recebeu seu treinamento R Como bolsista da Fundação Fulbright eu poderia ir para qualquer lugar Estava interessada na Universidade de Michigan porque queria trabalhar na interface entre farmácia e química e eles tinham o melhor programa A coisa mais impor tante que aconteceu comigo lá além de conhecer meu mari do foi ter sido apresentada aos biossensores Eu os amei e decidi trabalhar nessa área do conhecimento Meu marido estava três anos à minha frente Após ter ter minado seu doutorado ele conseguiu um emprego perma nente na Universidade de Kentucky Eu tive de decidir entre ficar em Michigan para terminar meu doutorado e viver longe dele por três anos ou terminar meu mestrado em ciências ir com ele e pensar em como fazer meu doutorado É claro que eu fui com ele Eu consegui uma colaboração com um pro fessor na Espanha e voei de um lado para outro fazendo pesquisa no laboratório do meu orientador na Espanha e no laboratório do meu marido em Kentucky Durante esse período dei à luz aos meus dois filhos mais velhos no início eu viajava grávida depois viajava grávida e com uma criança pequena Quando meu segundo filho estava com quatro meses defendi minha tese Foi muito compensador porque recebi um prêmio da Academia Real Espanhola de Doutores pela minha dissertação Então me tornei professora e pesquisadora na Universidade de Kentucky Como tive sucesso trazendo recursos para a institui ção eles criaram uma vaga permanente para mim Iniciei em 1994 e tive uma das promoções mais rápidas do departamento para professor associado e uma das mais rápidas para professor titular Em 2002 recebi o título de Professor Eminente Gill em Química Analítica e Biológica P Quais os focos de interesse da pesquisa em seu laboratório R No meu laboratório projetamos geneticamente proteínas e células para fazer química analítica Usamos proteínas de uma águaviva bioluminescente encontrada nas proximidades de Seattle Quando um predador está próximo ou se o organismo está interessado em acasalarse ocorre uma reação interna ini ciada por cálcio fazendo que a águaviva emita um flash de luz azul muito forte A bioluminescência vem de uma proteína contida em certas células no guardachuva da águaviva Quando a águaviva está em águas profundas ou muito geladas a água é azul e a luz azul não pode ser vista Portanto essa luz excita outra proteína bioluminescente que emite luz verde fluo rescente que pode ser vista Em nosso laboratório imitamos a natureza Projetamos geneticamente as proteínas para que elas desenvolvam ensaios para biomoléculas drogas hormônios neuropeptídeos que são difíceis de serem detectados devido às suas baixas concentrações Como o sinal da bioluminescên cia é bastante forte podemos detectálos em níveis extrema mente baixos de concentração que alcançam uma única célula Sangue saliva e urina são coloridos então a detecção por métodos ópticos apresenta sinais basais que precisam ser leva dos em consideração Com a bioluminescência praticamente não há sinais de fundo assim não há qualquer interferência na amostra Além disso a emissão na forma de um flash permite NT O prêmio Professor Eminente Gill é oferecido pelo Gill Heart Institute órgão da Universidade de Kentucky para pesquisadores que atuam na área de cardiologia preventiva 213 uma detecção rápida que é vantajosa quando uma resposta rápida se faz necessária como na situação de uma sala de emergência P Existem outras aplicações potenciais para a bioluminescência R Projetamos células inteiras geneticamente de bactérias leveduras ou mesmo de mamí feros para detectar moléculas no meio ambiente Em bacté rias desenvolvemos um plas módio para abrigar uma proteína capaz de detectar um composto tóxico juntamente com uma proteína que atua como repórter A proteína de detecção reco nhece o composto tóxico então permite que a proteína repórter seja produzida e gera um sinal geralmente luz A intensidade da luz é diretamente proporcional à quantidade do composto tóxico Podemos desenvolver as células para brilhar em um arranjo de cores diferentes cores para diferentes compostos Também estamos trabalhando com engenheiros na micro fabricação de canais em um disco como um CD que usamos em um dispositivo semelhante a um discman Os canais são micrométricos ou submicrométricos colocamos neles sis temas biossensíveis baseados tanto em bactérias genetica mente desenvolvidas quanto proteínas ligantes racionalmente planejadas Dispomos de uma câmara de detecção no final do sistema e o sinal de luminescência nos diz quanto nós temos do composto Estamos interessados no desenvolvimento desses detectores para a Nasa para monitorar a saúde de astronautas e o ambiente das espaçonaves Eles estão sendo projetados para ir à estação espacial ou para Marte algum dia onde é preciso monitorar continuamente os compostos bioquímicos nos fluidos corporais dos astronautas Em última instância esses sistemas poderão ser utilizados para detectar organismos em outros planetas P Em quais produtos sua empresa a ChipRx tem trabalhado R Sou uma das fundadoras da ChipRx Estamos desenvol vendo sistemas de resposta terapêuticos para tratamentos indi viduais de pacientes Esses sistemas integram biossensores a tecnologias de liberação de medicamentos para produzir dis positivos inteligentes implantáveis Os biossensores são basea dos em diferentes tipos de proteínas geneticamente projetadas Quando se ligam a um analito eles se abrem e se fecham como uma dobradiça e geram um sinal muito específico Como não existem dois pacientes que respondam de maneira semelhante ante a fármacos a detecção de uma molécula em particular permite que você administre a quantidade exata do medica mento Um exemplo é a proteína que se liga à glicose Estamos prontos para incorporar um biossensor a um dispositivo que será posteriormente implantado subcutaneamente que monito ra continuamente os níveis de glicose Quando esses níveis estão muito elevados o biossensor emite um sinal que ordena a liberação da quantidade correta de insulina A droga encon trase em câmaras microfabricadas presentes no dispositivo que são explodidas e abertas O dispositivo opera com uma pequena bateria e funciona por telemetria então não necessita de fios Os pacientes diabéticos que precisam testar os níveis de insulina muitas vezes ao dia podem ser acometidos de hi poglicemia durante a noite e podem entrar em coma diabé tico Esses indivíduos serão muito beneficiados com esse dispositivo pois atuará como um alarme no início da hipo glicemia Outras aplicações que nós estamos buscando estão na área de cardiologia trata mento da dor e tratamentos com hormônios P Você tem algum conselho para os estudantes interessados em química analítica R Estudantes ingressantes no campo da química analítica precisam ter a mente aberta Se você é um químico analítico bem treinado não pode ter medo de tocar outras áreas para resolver seus problemas Não existem fronteiras Os avanços na química analítica serão obtidos importandose de técnicas de outras áreas ciência dos materiais nanotecnologia mi crofabricação microeletrônica e certamente proteômica e genômica Os estudantes precisam aprender a falar com as pessoas de outras áreas P Você tem obtido reconhecimento pelo seu trabalho R Em 2001 ganhei o prêmio Findeis da Divisão de Química Analítica da American Chemical Society que é oferecido para um químico analítico jovem que é doutor há menos de dez anos Foi especial porque foi dado pelos meus colegas da comunidade de química analítica Houve uma sessão científica em minha homenagem e eu escolhi os palestrantes que queria Foi realmente maravilhoso Fezme lembrar do primeiro artigo que enviei para o periódico Analytical Chemistry Um dos revi sores envioume um comentário dizendo que meu artigo não era sobre química analítica mas o outro disse que era uma ciência linda Afortunadamente o editor gostou Ele pensou que seria o futuro da química analítica e aceitou o artigo Naquela época não havia praticamente nada relacionado com o DNA no jornal minha pesquisa era alienígena Agora você vê tantos trabalhos envolvendo o DNA quando abre um livro sobre química analítica P É difícil compatibilizar sua carreira e sua vida familiar R Meu marido tem me encorajado sempre em minha carreira e ele me ajuda muito com as crianças Para darmos conta de tudo temos que nos coordenar muito bem Mas ainda assim é difícil Eu trabalho muito em casa à noite e nos fins de semana Nas férias sempre levo meu computador e todos os meus dis positivos eletrônicos e trabalho no meu tempo livre Nunca há um momento no qual eu não esteja trabalhando Gosto tremen damente da minha pesquisa então trabalhar nela não me parece trabalho I Os avanços na química analítica serão obtidos importandose técnicas de outras áreas ciência dos materiais nanotecnologia microfabricação microeletrônica e certamente proteômica e genômica SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 9 Soluções Aquosas e Equilíbrios Químicos 245 50 40 30 20 10 0 40 50 60 pH pH Porcentagem dos lagos 70 80 50 40 30 20 10 0 40 50 1975 216 lagos Década de 1930 320 lagos Montanhas Adirondack Nova York 60 70 80 Figura 9D1 Variações no pH de lagos entre 1930 e 1975 Muitos aspectos contribuem para com as variações no pH de águas subterrâneas e de lagos em uma dada área geográfica Esses aspectos incluem os padrões de vento e clima prevalecentes tipos de solos fontes de água natureza do terreno características das plantas atividades humanas e carac terísticas geológicas A suscetibilidade de águas naturais à acidificação é fortemente determinada pela sua capacidade tamponante e o principal tampão de águas naturais é uma mistura contendo o íon bicarbonato e o ácido carbônico Lembrese de que a capacidade tamponante de uma solução é 20 10 0 5 Ausência de peixes Presença de peixes 6 pH Situação da população de peixes Número de lagos 7 Figura 9D2 Efeito do pH dos lagos sobre suas populações de peixes continua SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 9 Soluções Aquosas e Equilíbrios Químicos 247 instalação de sistemas de abate para remover os óxidos de enxofre das emissões de usinas termelétri cas movidas a carvão Para minimizar os efeitos da chuva ácida sobre os lagos o calcário em pó tem sido aplicado em suas águas para aumentar sua capacidade tamponante As soluções para esses pro blemas requerem investimentos que envolvem tempo recursos financeiros e energia Algumas vezes tomamos decisões onerosas em termos econômicos para preservar a qualidade do meio ambiente e para reverter tendências que têm sido observadas por muitas décadas As emendas do Código do Ar norteamericano Clean Air Act de 1990 forneceram uma nova maneira de regulamentar o dióxido de enxofre O Congresso estabeleceu limites de emissão específi cos para as usinas termelétricas como mostrado na Figura 9D4 mas não foram propostos os méto dos específicos para se atingir esses padrões O Congresso norteamericano estabeleceu um sistema de bônus pelo qual as usinas de geração de energia compram vendem e negociam direitos para poluir Embora uma análise científica e econômica detalhada dos efeitos dessas medidas políticas ainda este ja sendo realizada está claro a partir dos resultados obtidos até o presente momento que as emendas do Clean Air Act têm provocado um profundo efeito positivo nas causas e efeitos da chuva ácida6 120 100 80 60 40 20 0 1985 Ano Dióxido de enxofre em milhões de toneladas 1990 1995 2000 2005 2010 Verdadeiro Previsto pela EPA sem considerar a legislação de 1990 Limites de emissão Figura 9D4 As emissões de dióxido de enxofre de usinas selecionadas dos Estados Unidos têm diminuído para níveis abaixo daqueles requeridos pela legislação Reimpresso com a permissão de R A Kerr Science 1998 n 282 p 1024 Copyright 1998 da American Association of the Advancement of Science Fonte A E Smith et al 1998 e D Burtaw 1998 6 R A Kerr Science 1998 n 282 p 1024 A Figura 9D4 mostra que as emissões de dióxido de enxofre têm diminuído drasticamente desde 1990 e que estão bem abaixo dos níveis recomendados pela EPA Agência de Proteção Ambiental norteamericana e dentro dos limites estabelecidos pelo Congresso dos Estados Unidos Os efeitos dessas medidas sobre a chuva ácida são apresentados no mapa da Figura 9D5 que mostra mudanças porcentuais na acidez de várias regiões do leste dos Estados Unidos de 1983 até 1994 Os avanços significativos na questão da chuva ácida indicados no mapa têm sido atribuídos à flexibili dade dos estatutos normativos impostos em 1990 Outro resultado surpreendente dos estatutos é que continua SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 11 Resolução de Problemas de Equilíbrio de Sistemas 289 Uma forma conveniente de separar D e AgD é preparar frascos de poliestireno recobertos internamente com moléculas do anticorpo como ilustrado na Figura 11D2a Uma amostra de soro sangüíneo urina ou outro fluido corporal contendo uma quantidade desconhecida de D é adicionada no frasco juntamente com um volume de solução com a droga marcada D como mostrado na Figura 11D2b Após terse atingido o equilíbrio no frasco Figura 11D2c a solução contendo D ou D residual é decantada e o frasco lavado mantendose uma quantidade de D ligada ao anticorpo que é inversamente proporcional à concentração de D na amostra Figura 11D2d Finalmente a intensi dade de fluorescência de D ligada é determinada utilizandose um fluorímetro como pode ser visto na Figura 11D2e Esse procedimento é repetido para diversas soluções padrão de D para se produzir uma curva analítica nãolinear intitulada curvaresposta de dose similar à curva apresentada na Figura 11D3 A intensidade de fluorescência de uma solução de concentração desconhecida de D é localizada na curva de calibração e a concentração é lida a partir do eixo das concentrações a Anticorpo específico para a droga Frasco b d Droga não marcada Droga marcada c e Detector de fluorescência Figura 11D2 Procedimento para a determinação de drogas por imunoensaios com marcador fluorescente a O frasco é preparado com anticorpos específicos para a droga b o frasco é preenchido com a solução contendo tanto a droga marcada como a não marcada c as drogas marcada e não marcada ligamse aos anticorpos d a solução é descartada deixando a droga que se ligou no frasco e a fluorescência da droga marcada ligada é medida A concentração da droga é encontrada utilizandose a curvaresposta de dose da Figura 11D3 continua 290 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON O imunoensaio é uma ferramenta poderosa nos laboratórios clínicos e é uma das técnicas analíti cas mais amplamente utilizadas Os kits de reagentes para diversos imunoensaios estão disponíveis comercialmente assim como instrumentos automáticos para processar imunoensaios fluorescentes ou de outro tipo Além de concentrações de drogas vitaminas proteínas hormônios de crescimen to hormônios de gravidez câncer e outros indicadores de doenças e resíduos de pesticidas em águas naturais e alimentos são determinados por meio de imunoensaios A estrutura de um complexo antígenoanticorpo é representada na Figura 11D4 Figura 11D3 Curvaresposta de dose para determinar drogas por imunoensaio baseado em fluorescência Intensidade de fluorescência Conc da amostra Intensidade da amostra Região de trabalho da curva log D Antígeno a b Anticorpo Figura 11D4 Estrutura molecular de um complexo antígenoanticorpo São mostradas duas representações do complexo formado entre um fragmento de digestão do anticorpo intacto A6 de rato e uma cadeia gamainterferon receptora alfa humana produzida por engenharia genética a O modelo espacial compacto da estrutura molecular do complexo b O diagrama de fitas apontando as cadeias de proteínas no complexo De Protein Data Base Rutgers University Structure 1JRH S Sogabe F Stuart C Henke A Bridges G Williams A Birch F K Winkler e J A Robinson 1997 httpwwwrcsborg Métodos Clássicos de Análise PARTE III Capítulo 12 Métodos Gravimétricos de Análise Capítulo 13 Métodos Titulométricos Titulometria de Precipitação Capítulo 14 Princípios das Titulações de Neutralização Capítulo 15 Curvas de Titulação para Sistemas ÁcidoBase Complexos Capítulo 16 Aplicações das Titulações de Neutralização Capítulo 17 Reações e Titulações de Complexação Uma conversa com Larry R Faulkner 296 L arry R Faulkner foi um dos principais químicos analíticos do mundo O uso do verbo no tempo passado tornase apropriado pois ele deixou de lado sua carreira em química ana lítica em nome de uma segunda carreira na administração universitária Atualmente Faulkner é o reitor da Universidade do Texas em Austin onde pensa mais na melhoria do ensino de gra duação e em como tornar a Universidade em mais um recurso para a economia do Texas do que nos problemas de eletroquímica que inicialmente dirigiram seus interesses profissionais Faulkner iniciou sua carreira na Southern Methodist University na qual terminou o ba charelado em química em 1966 Então mudouse para Austin pela primeira vez para trabalhar em seu doutorado em química na Universidade do Texas O orientador de Faulkner foi Allen J Bard cuja entrevista aparece na Parte IV deste livro Após o término do doutorado Faulkner esteve como bolsistaprofessor nas universidades de Harvard Illinois e Texas Ele transitou pela administração quando retornou para a Universidade de Illinois para ser o chefe do departa mento de química Então tornouse diretor do College of Liberal Arts and Sciences e depois reitoradjunto e vicechanceler para assuntos acadêmicos E retornou para a Universidade do Texas como seu presidente em 1998 Como químico analítico Faulkner publicou mais de 120 artigos Ele e Bard são coautores do livrotexto Eletrochemical Methods Fundamentals and Applications em sua segunda edição Faulkner também é coinventor de um potenciostato cibernético um instrumento para pesquisa em eletroquímica e para análise Entre os prêmios em pesquisa recebidos por Faulkner estão o American Chemical Society Award por realizações inovadoras na química dos materiais e o Charles N Reilly Award da Society for Electroanalytical Chemistry P Que influência sua educação fundamental teve na escolha de sua carreira R Eu estava interessado em eletricidade luz e óptica ainda no início do ensino médio É interessante que eu tenha carregado esses interesses ao longo da minha carreira em um engaja mento com a eletroquímica a luminescência e as reações que produzem luz Tive dois professores espetaculares de química introdutória um no colégio e outro na faculdade Ambos de monstravam uma grande afinidade com suas aulas amor pelo assunto e uma maneira de conduzir as coisas que transmitia muito entusiasmo Como aluno de graduação desenvolvi pesquisas sobre a suscetibilidade magnética de compostos inorgânicos com um físicoquímico Ele mantinha um compro metimento impressionante com a ciência e padrões muito ele vados aos quais eu realmente queria estar vinculado P Que interesses o guiaram em seu trabalho de doutorado R Quando eu vim para o Texas Al Bard era um professor associado aos 32 anos Ele era jovem e entusiasmado um pro fessor maravilhoso Al é um químico brilhante com um senso elevado de dedicação à ciência isto é com a ciência enten dida de forma ampla Eu fui cativado por seu entusiasmo pelo seu objeto de estudo Você não consegue estar perto dele sem ganhar um tremendo respeito por sua pessoa e sem que isso afete sua opinião com relação ao que você deseja fazer Eu vim para o Texas cerca de dois anos após a descoberta da eletrogeração de quimiluminescência no laboratório de Al onde se aprendeu que as espécies que sofriam reações envol vendo a transferência de elétrons podiam produzir luz Eu fui um dos primeiros estudantes de pósgraduação de Al nessa área e trabalhei com isso por duas décadas em Harvard e Illinois O trabalho tinha muito a mostrar sobre como as rea ções de transferência de elétrons ocorriam e como as molécu las lidavam com a necessidade de dissipar uma grande quanti dade de energia em reações de transferência de elétrons muito energéticas O trabalho nos levou à teoria de transferência de elétrons e a toda a química e física associadas a isso P O que o fez escolher uma carreira acadêmica R Eu me tornei interessado pelo mundo acadêmico no se gundo ano da faculdade quando comecei a perceber o escopo das coisas que aconteciam em uma universidade a interação do ensino e da pesquisa e a geração de novos conhecimentos Eu tive a sorte de estar perto de um grupo de pessoas cujo ní vel de dedicação e fascinação me atraiu muito Fui direciona do para a academia ao longo da pósgraduação embora não exclusivamente Mesmo em meu último ano pensei em me dirigir para a indústria mas fui atraído de volta para a universidade por causa da independência e da atividade intelectual P Qual sua maior realização na pesquisa R Meu grupo de pesquisa fez muito para o avanço da arte da instrumentação eletroquímica O início dos anos 1980 trouxe um novo conceito na coordenação de métodos instrumentais que introduziram a inteligência arti ficial nas interações entre máquinas e operadores Antes dessa época os pesquisadores em eletroquímica ou tinham disposi tivos separados para realizar cada um dos vários métodos ex perimentais ou tinham instrumentos multiusos extremamente complicados Nós integramos cerca de 40 métodos em um único instrumento que empregava um computador para simpli ficar as tarefas desempenhadas pelo operador para permitir a otimização de condições experimentais baseadas na inteligên cia artificial e para fornecer apresentações elaboradas dos re sultados por meios gráficos Aquelas coisas são o padrão de hoje em dia mas quando apresentamos o primeiro protótipo na Conferência de Pittsburgh foi realmente impressionante Ter tido a imaginação em nosso grupo para criar o conceito e para trazêlo à realidade tem sido motivo de muita satisfação O sinal do verdadeiro sucesso é que quase tudo no mundo da instrumentação eletroquímica e no mundo da instrumentação de grande porte também funciona dessa maneira atualmente Obviamente nem tudo se deve à nossa contribuição mas eu realmente acredito que contribuímos significativamente Meu grupo também foi um dos primeiros na nanotecnolo gia embora não a chamássemos assim em 1970 quando começamos Eu adentrei em estruturas baseadas em filmes muito finos de eletrodos na transferência de elétrons em estru turas controladas de eletrodos e naquilo que podia ser feito para criar ambientes eletroquímicos locais sofisticados P Qual sua opinião sobre a química analítica R A química analítica é um domínio extraordinário da química É uma área que tem de pegar as técnicas e os conhecimentos de todo o restante da química e colocar aquele conhecimento na di reção do objetivo de desenvolver métodos e técnicas que possam gerar respostas a questões muito pragmáticas em circunstâncias muito práticas Eu sempre tive interesse pela ciência fundamen tal mas também estou interessado em sua relação com o mundo industrial com o mundo clínico e com o meio ambiente Ou seja como pegamos as coisas do laboratório e as trazemos para o imenso mundo da sociedade humana Ao longo dos anos tenho assistido à química analítica tornar se central em enormes questões de interesse público A questão global de como prestar cuidados à saúde de maneira eficiente repousa em grande parte na química analítica A questão de como vamos controlar o terrorismo tem a química analítica como um sério componente Entender o meio ambiente e aprender como protegêlo é centralmente dependente da química analítica A maior qualidade dos proces sos de fabricação é fortemente dependente da química analíti ca Na minha época a química analítica literalmente saiu de um período de ausência de con fiança em seu futuro para um pon to no qual desempenha um papel central em políticas públicas Eu tenho tido a sorte de vivenciar alguns dos avanços mais impressionantes da química analítica Quando eu era um estudante de graduação uma grande parte da prática analítica envolvia os métodos clássicos como as titulações Nos meus anos de prática científica a re volução eletrônica não apenas ocorreu na química analítica como também surgiram avanços tremendos baseados na ciên cia da superfície e áreas correlatas na ressonância magnética em poderosos métodos de separação e um exército inteiro de abordagens instrumentais que não existiam nos anos 1960 É um tremendo privilégio ter tomado parte de tudo isso P Como você se interessou em se tornar reitor de uma universidade R Eu não estive sempre interessado na liderança universitária certamente não no nível da reitoria De fato nunca havia pen sado seriamente nessa possibilidade até ter me tornado reitor Existe o mesmo número de reitores e presidentes assim em um dado momento você tem de decidir se pretende ou não se tornar reitor da universidade Eu decidi que queria fazer aquilo apenas por uma instituição pela qual eu me importava muito assim não precisei me candidatar muitas vezes No Texas eu fui tanto estudante como professor Minhas raízes familiares estão todas nessa região e eu estava interessado em ajudar a construir o futuro do Texas P Quais os objetivos de sua administração R Na condição de reitor meu grande desejo é preservar e es tender essa tremenda invenção que foi criada pela sociedade norteamericana Para atingir esse objetivo eu e outros que li deramos instituições semelhantes precisamos ser efetivos em comunicar o papel social essencial da universidade norte americana que desenvolve pesquisa É muito importante para as pessoas observar que a integração de nossa capacidade na cional de desenvolver pesquisa básica com suas poderosas universidades é uma inovação norteamericana Existem ou tros países que têm seguido na mesma linha depois que os Es tados Unidos inventaram o modelo mas a maioria dos países não o emprega Ao contrário essas nações separam a pesquisa em institutos ou corporações e deixam às universidades o papel do ensino Neste país temos ganhado muito sinergismo e produzido tanto uma grande empresa educacional quanto uma grande empresa de pesquisa fazendo as duas coisas con juntamente É um conceito poderoso com resultados compro vados que precisa ser entendido pelos fazedores de políticas e pelos cidadãos I 297 Na minha época a química analítica literalmente saiu de um período de ausência de confiança em seu futuro para um ponto no qual desempenha um papel central em políticas públicas Métodos Titulométricos Titulometria de Precipitação CAPÍTULO 13 As titulações são amplamente utilizadas em química analítica para determinar ácidos bases oxidantes redutores íons metálicos pro teínas e muitas outras espécies As titulações são baseadas em uma reação entre o analito e um reagente padrão conhecido como titulante A reação é de estequiometria conhecida e reprodutível O volume ou a massa do titulante necessário para reagir essencial e completamente como o analito é determinado e usado para obter a quantidade do analito Uma titulação baseada em volume é mostrada nessa figura na qual a solução padrão é adicionada de uma bureta e a reação ocorre em um frasco Erlenmeyer Em algu mas titulações conhecidas como titulações coulométricas é obtida a quantidade de cargas necessária para consumir completamente o analito Em qualquer titulação o ponto de equivalência química experimentalmente chamado ponto final é assinalado pela varia ção da cor de um indicador ou da resposta de um instrumento Este capítulo introduz o princípio da titulação e dos cálculos nela envolvidos São introduzidas as curvas de titulação que mostram o progresso da titulação O processo de titulação é ilustrado por reações que envolvem a formação de precipitados O s métodos titulométricos incluem um amplo e poderoso grupo de procedimentos quantitativos baseados na medida da quantidade de um regente de concentração conhecida que é consumida pelo anali to A titulometria volumétrica envolve a medida de volume de uma solução de concentração conhecida necessária para reagir essencial e completamente com o analito A titulometria gravimétrica difere uni camente em relação ao fato de que a massa do reagente é medida em vez do seu volume Na titulometria coulométrica o reagente é uma corrente elétrica direta constante de grandeza conhecida que con some o analito Nesse caso o tempo requerido e assim a carga total para completar a reação eletroquímica é medido Este capítulo fornece material introdutório que se aplica a todos os tipos de métodos titulométricos de análise empregando a titu lometria de precipitação para ilustrar os vários aspectos teóricos do processo de titulação Os capítulos 14 15 e 16 são devotados a vários tipos de titulações de neu tralização na qual o analito e o titulante são submetidos a reações ácidobase O Capítulo 17 fornece Charles D Winters A Titulometria inclui um grupo de métodos analíticos baseados na determinação da quantidade de um reagente de concentração conhecida que é requerida para reagir completamente com o analito O reagente pode ser uma solução padrão de uma substância química ou uma corrente elétrica de grandeza conhecida A titulação volumétrica corresponde a um tipo de titulometria no qual o volume de um reagente padrão é a quantidade medida 374 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON 1448 Problema desafiador Esta foto mostra uma bureta que apresenta pelo menos dois defeitos na escala que foram originados durante a sua fabricação Responda às seguintes perguntas a respeito da bureta sua origem e seu uso a Sob quais condições a bureta pode ser utilizada b Pressupondose que o usuário não note o defeito na bureta que tipo de erro poderia ocorrer se o nível do líquido estiver entre a segunda marca de 43 mL e a marca de 48 mL c Supondo que a leitura inicial na titu lação seja 000 mL muito improvavel mente calcule o erro relativo no vo lume se a leitura final for 4300 mL marca superior Qual é o erro relativo se a mesma leitura for feita na marca inferior Realize o mesmo cálculo para uma leitura final realizada na marca de 4800 mL O que esses cálculos mos tram com relação ao tipo de erro cau sado pelo defeito na bureta d Especule sobre a época em que essa bureta foi construída Como você ima gina que as marcas foram feitas na bureta Seria provável que o mesmo defeito aparecesse nas buretas feitas atualmente Explique sua resposta e Presumese que os instrumentos quí micos eletrônicos modernos como pHmetros balanças tituladores e espectrofotômetros estejam livres de defeitos análogos aos mostrados na foto Comente sobre a correção dessa suposição f As buretas nos tituladores automáticos contêm um motor conectado a um pis tão tipo parafuso que libera o titulan te do mesmo modo que as seringas hipodérmicas liberam os líquidos A distância deslocada pelo pistão é pro porcional ao volume de líquido libe rado Que tipo de defeitos de fabri cação pode conduzir a uma inexatidão ou imprecisão no volume de líquido liberado por esses aparelhos g Que providências você deve tomar pa ra evitar erros de medida ao utilizar instrumentos químicos modernos Cortesia de J E OReilly Bureta erroneamente graduada 426 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON c Se o indicador estava inicialmente em sua forma ácida qual é o erro do indi cador expresso como porcentagem da capacidade de neutralização de ácido d Qual é o valor correto para a determi nação da capacidade de neutralização de ácido e Liste quatro outras espécies diferentes de carbonato ou bicarbonato que podem contribuir para a capacidade de neu tralização de ácido f É normalmente pressuposto que outras espécies além do carbonato ou bicar bonato não contribuam apreciavel mente para a capacidade de neutraliza ção de ácido Sugira as circunstâncias sob as quais essa afirmação pode não ser válida g A matéria particulada pode trazer uma contribuição significativa para a ca pacidade de neutralização de ácido Explique como você trataria esse pro blema h Explique como você determinaria se paradamente a contribuição para a ca pacidade de neutralização de ácido vinda do material particulado e a con tribuição vinda das espécies solúveis PARTE IV Capítulo 18 Introdução à Eletroquímica Capítulo 19 Aplicações dos Potenciais Padrão de Eletrodo Capítulo 20 Aplicações das Titulações de OxidaçãoRedução Capítulo 21 Potenciometria Capítulo 22 Eletrólise Quantitativa Eletrogravimetria e Coulometria Capítulo 23 Voltametria Métodos Eletroquímicos 462 Uma conversa com Allen J Bard A llen J Bard é um novaiorquino que se tornou texano através de Boston Obteve seu bacharelado no City College de Nova York completou seu doutorado em Harvard e é professor na Universidade do Texas em Austin desde 1958 No Texas conserva a cadeira denominada Norman HackermanWelch Regents e é fundador e diretor do Laboratório de Eletroquímica O laboratório desenvolve métodos eletroanalíticos e instrumentos e os aplica em estudos de problemas de química eletroinorgânica fotoeletroquímica e química eletroanalítica Bard e seu laboratório detêm mais de 20 patentes Juntamente com seu exaluno de pósgra duação Larry R Faulkner é autor do importante livrotexto Métodos Eletroquímicos Em 2002 Bard juntou a Medalha Priestly o maior prêmio da American Chemical Society a inú meros outros prêmios nacionais e internacionais em química que possui Recentemente deixou o cargo de editor do Journal of the American Chemical Society uma posição que manteve por 20 anos P Como você se interessou pela química R No colégio estudei na Escola de Ciências do Bronx Eu gostava de química e era bom nesse assunto Eu também gos tava de estudar os organismos e poderia ter estudado biologia mas não via futuro naquilo Eu enxergava a biologia como classificatória e coletora o que mostra como eu era inexpe riente De fato isso ocorreu antes de a biologia molecular entrar em cena P Onde você desenvolveu seu trabalho de pós graduação R Escolhi Harvard porque era uma boa escola e eu queria dei xar Nova York Comecei trabalhando com química inorgânica Eu fazia pesquisa com Geoff Wilkinson um professorassis tente que trabalhava com ferrocenos e compostos correlatos Ele ainda não havia sido efetivado durante meu primeiro semestre em Harvard e então tive de encontrar outra coisa para fazer Mais tarde ele recebeu o Prêmio Nobel pelo seu trabalho com compostos sanduíches organometálicos Eu gostava de ins trumentação e também de eletrônica assim minha próxima escolha foi a química analítica James J Lingane era muito co nhecido nessa área e então decidi ir trabalhar com ele P Em sua experiência você tem visto alguma mudança na forma de fazer ciência R Quando eu estava na pósgraduação a ciência não era apoiada por fundos especiais tão intensamente Meu orientador no PhD em Harvard nunca teve financiamento do governo federal Havia pouco financiamento do governo federal à ciên cia antes da Segunda Guerra Mundial e durante a guerra o financiamento do governo federal era específico A grande mu dança veio em 1957 quando o Sputnik foi lançado e nos vimos em uma corrida científica e tecnológica com a Rússia De re pente os cientistas passaram a ser altamente financiados A grande ciência realmente teve início naquela época No início da minha carreira comprei alguns reagentes com dinheiro do meu próprio bolso mas logo aprendi as regras do jogo e então consegui um financiamento da Fundação Nacional de Ciên cias e da Fundação Welch que começou a financiar pesquisa no Texas nos anos 1950 A obtenção de financiamentos cada vez maiores tornouse mais e mais importante à medida que os anos se passavam E pode realmente melhorar o escopo da ciência que alguém desenvolve mas um cientista precisa dedicar mais tempo escrevendo e lendo projetos e relatórios do que antes Isso é uma tremenda perda de tempo e pode afetar a criatividade da pessoa P Você também tem visto alguma mudança nas relações da academia com a indústria R A natureza das interações entre a academia e a indústria e pequenas companhias tem mudado bastante ao longo dos anos Quando terminei a pósgraduação as consultorias para as in dústrias não eram comuns Se você fosse consultor de uma indústria e dissesse estar fazendo isso para expandir seu conhe cimento o dinheiro iria geralmente para o departamento e não para o seu bolso Não se ouvia falar na idéia de que o professor poderia ser um empreendedor e ter sua própria empresa As universidades também não estavam famintas por patentes como elas estão atualmente Por exemplo inicialmente a Fundação Welch disse que uma descoberta deveria ser dedicada à hu manidade e não ser patenteada Logo perceberam entretanto que se você não patenteasse alguma coisa ninguém ia fazer nada com aquilo É bom ter interações com a indústria para ampliar seu conhecimento para expandir sua visão da ciência e para conhecer mais pessoas Também pode ter efeitos ruins contudo por exemplo encorajando mais a pesquisa aplicada Se você se envolve seriamente em esforços empreendedores isso toma o tempo de que você dispõe para se dedicar a outras funções universitárias tais como interagir com os alunos P Que avanços você tem feito no campo da microscopia eletroquímica de varredura R Nos últimos dez anos temos desenvolvido a técnica de mi croscopia eletroquímica de varredura MEQV que usa eletro 463 dos muito pequenos Para algumas aplicações quanto menor melhor Os maiores têm 10 micrômetros e vão até a faixa de 50 nanômetros Podemos levar esses eletrodos mui to próximo de uma superfície que contenha um sistema de interesse como uma célula ou um pedaço de material que está sofrendo alguma transformação química e com uma resolução muito elevada examinar a química da superfície Podemos aplicar a técnica a sistemas biológi cos para entender como as coisas são transportadas através de mem branas isto é observar o fluxo de material através de mem branas e enxergar as enzimas e entender como elas estão dis tribuídas do lado externo de uma célula Agora estamos ten tando combinar a técnica com a microscopia óptica de uma forma chamada microscopia óptica de varredura de campo próximo MOVCP que não é limitada pelo comprimento de onda da luz Nessa técnica você leva a ponta de uma fibra de vidro ou quartzo a um ponto muito pequeno muito menor que o comprimento de onda da luz então gera um laser nessa ponta A resolução é determinada pelo tamanho da ponta Esta mos tentando combinar essa técnica com a microscopia eletro química de varredura colocando um eletrodo em torno dessa ponta Então podemos fazer medidas ópticas e elétricas si multâneas nos sistemas em estudo Uma das forças motrizes de todas as técnicas de varredura com sensores consiste em examinar as coisas sob elevadas re soluções espacial e temporal O objetivo é fazer análises não de uma amostra como um todo mas de pequenos pedaços ou áreas de células ou superfícies um chip semicondutor ou qual quer outra coisa P Que trabalho você vem desenvolvendo em quimiluminescência eletrogerada R Outra área de que gostamos muito e com a qual estamos envolvidos desde 1960 e que tem realmente desabrochado é a quimiluminescência eletrogerada QLE A QLE é a ge ração de luz em decorrência das reações eletroquímicas Pe gamos um eletrodo e escolhemos dois reagentes que sofrem uma reação de transferência de elétrons no eletrodo A reação selecionada é tão energética que não forma produtos no es tado fundamental mas em vez disso em um estado excitado que gera luz É um pouco parecido como fluorescência porém em vez de empregar um fóton para gerar um estado excitado emissor você faz isso usando uma reação de trans ferência de elétrons Você pode medir a luz com uma sensibi lidade muito alta Como a luz está saindo do sistema mas não há luz indo para dentro dele não há problemas com o espa lhamento ou com as impurezas A técnica é seletiva para moléculas capazes de produzir QLE e é muito sensível Ela tem sido utilizada por empresas que têm desenvolvido mar cadores baseados em QLE que formam moléculas para uso em imunoensaios ou como um sensor de DNA Agora esta mos tentando encontrar novos marcadores e novas aplicações analíticas Nosso sonho é olhar em uma única molécula em uma superfície por essa técnica mas ainda não esta mos próximos disso P Como você prefere trabalhar R Há todo tipo de cientistas que gostam de fazer suas tenta tivas de maneiras diferentes Existem os cientistas como eu que gostam de se dedicar a uma área por algum tempo para testar coisas novas e buscar as fron teiras Eu costumo sair de uma área à medida que ela se torna popular Agora há uma enorme tendência de se estar em áreas da moda O Congresso e as instituições financeiras entram nesses bondes agora é o caso da nanociência e eles in vestem grande soma em dinheiro nessas áreas assim os jovens cientistas tendem a gravitar em torno delas Eu prefiro estar em minha própria fronteira P Como você se sente recebendo prêmios e honrarias por seu trabalho R A maioria dos prêmios que tenho recebido reconhece uma parte do trabalho Eu me sinto orgulhoso de ser o premiado com a medalha Priestly de 2002 Acho que na vida você tanto pode ser subestimado como superestimado Quando jovem eu era completamente subestimado agora tenho a certeza de que sou completamente superestimado P O que você mais gosta no trabalho com os alunos de pósgraduação R Eu gosto de assistir ao desenvolvimento dos alunos O maior prazer no trabalho com os alunos de pósgraduação é que você pode vêlos se desenvolvendo desde o ponto onde eles não sabem muito sobre as coisas que estão fazendo que não têm qualquer idéia sobre o significado da ciência até três ou quatro anos quando se tornam maduros cientistas de valor que você odeia ver deixando o laboratório Ministrando disci plinas você também enxerga isso embora não seja possível perceber o mesmo nível de desenvolvimento É fascinante as sistir aos alunos quando de repente eles entendem uma idéia ou um conceito P Você tem algum conselho para os jovens que almejam uma carreira científica na academia R O grande aspecto acerca de uma carreira em ciências é que provavelmente você não vá ganhar muito dinheiro mas nor malmente interage com muita gente boa Você está fazendo coisas interessantes e se está na academia a vida é sua Você é o mestre do seu destino Para mim essas coisas valem muito a pena Esta para mim é a melhor parte da ciência I O objetivo das técnicas de sensores de varredura é fazer análises não de uma amostra em seu todo mas de pequenas partes ou áreas em células ou superfícies um chip semicondutor ou qualquer outra coisa Aplicações das Titulações de OxidaçãoRedução CAPÍTULO 20 Linus Pauling 19011994 foi um dos químicos mais influentes e famosos do século XX Seu trabalho sobre as li gações químicas cristalografia de raios X e áreas correlatas teve grande impacto na química física e biologia durante oito décadas e ganhou praticamente todos os prêmios oferecidos para os químicos É a única pessoa a ter recebido sozinho dois Prêmios Nobel o de química 1954 e em razão de seus esforços pelo banimento das armas nucleares o prêmio pela paz 1962 Nos últimos anos Pauling devotou seu imenso intelecto e energia ao estudo de várias doenças e suas curas Tornouse convicto de que a vitamina C ou ácido ascórbico era uma panacéia Seus inúmeros livros e artigos sobre o tema impulsionaram a popularidade das terapias alternativas e especialmente o amplo uso da vitamina C na manutenção preventiva da saúde Do seu trabalho se compreende a importância de se determinarem as concentrações de ácido ascórbico em todos os níveis em frutas vegetais e preparações comerciais de vitaminas As titulações redox com iodo são largamente utilizadas para determinar o ácido ascórbico 1 Para leituras adicionais sobre a titulometria redox ver J A Dean Analytical Chemistry Handbook Seção 3 Nova York McGrawHill 1995 p 365375 2 Para um breve resumo sobre os reagentes auxiliares ver J A Goldman e V A Stenger em Treatise on Analytical Chemistry I M Kolthoff e P J Elving Eds Parte I v 11 Nova York Wiley 1975 p 72047206 N este capítulo descrevemos a preparação de soluções padrão de oxidantes e redutores e suas aplicações na química analítica Além disso os reagentes auxiliares que convertem um analito a um único estado de oxidação são discutidos1 REAGENTES OXIDANTES E 20A REDUTORES AUXILIARES Em uma titulação redox o analito precisa estar em um único estado de oxidação Geralmente entretanto as etapas que precedem a titulação tais como a dissolução da amostra e a separação de interferências con vertem o analito a uma mistura de estados de oxidação Por exemplo quando uma amostra contendo ferro é dissolvida normalmente a solução resultante contém uma mistura de íons FeII e FeIII Se utilizamos um oxidante padrão para determinar o ferro primeiro precisaremos tratar a solução contendo a amostra com um agente redutor auxiliar para converter todo o ferro para FeII Contudo se planejarmos titu lar com um redutor padrão o prétratamento com um reagente oxidante auxiliar será necessário2 SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 20 Aplicações das Titulações de OxidaçãoRedução 539 C e E os minerais como o selênio e as ervas tais como ginko bilo ba alecrim e milk thistle Silimarina Vários mecanismos de ação antioxidante têm sido propostos A presença de antioxidantes pode resultar na diminuição da formação do oxigênio reativo e de espécies de nitrogênio em um primeiro momento Os antioxidantes também podem seqüestrar as espécies reativas ou seus precursores A vitamina E é um exemplo desse últi mo comportamento em sua inibição da oxidação de lipídios pela reação com os radicais intermediários gerados a partir de ácidos graxos poliinsaturados Alguns antioxidantes podem se ligar aos íons metálicos necessários para catalisar a formação dos oxidantes reativos Outros oxidantes podem reparar o dano oxidativo a bio moléculas ou podem influenciar as enzimas que catalisam os meca nismos de reparação Acreditase que a vitamina E ou atocoferol possa deter a arte riosclerose acelerar a cicatrização de feridas e proteger os tecidos pulmonares de poluentes inalados Também pode reduzir o risco de doenças do coração e prevenir o envelhecimento prematuro da pele Os pesquisadores suspeitam de que a vitamina E possa ter vários outros efeitos benéficos desde aliviar a artrite reumática até prevenir a catarata A maioria de nós absorve vitamina E suficiente a partir de nossa dieta e não requer suplementos Os vegetais de folhas verdeescuras castanhas óleos vegetais frutos do mar ovos e abacates são alimentos ricos em vitamina E O selênio tem efeitos antioxidantes que complementam aqueles da vitamina E O selênio é um constituinte essencial de várias enzimas que removem os oxidantes reativos O metal pode dar suporte à função imunológica e pode neutralizar alguns venenos à base de metais pesados Também pode ajudar a deter doenças do coração e alguns tipos de câncer Boas fontes de selênio na dieta são os grãos integrais aspargo alho ovos cogumelos carnes magras e frutos do mar Normalmente apenas a dieta normal fornece selênio suficiente para a boa saúde Os suplementos devem ser tomados apenas se prescritos por um médico porque doses elevadas podem ser tóxicas Modelo molecular da vitamina E Modelo molecular do íon dicromato Por muitos anos os sais de dicromato de amônio potássio ou sódio foram empregados em praticamente todas as áreas da química como um poderoso agente oxidante Além do seu emprego como um padrão primário na química analítica o dicromato tem sido utilizado como agente oxidante na química orgânica sintética pigmento na indústria de tintas corantes e fotografia agente alvejante e inibidor de corrosão A solução de ácido crômico preparada a partir do dicromato de potássio em ácido sulfúrico era utilizada na limpeza pesada de vidraria O dicromato tem sido empregado como reagente analítico para álcool nos bafômetros mas recentemente esses dispositivos têm sido substituídos por analisadores baseados na absorção de radiação infravermelha Em seus primórdios a fotografia colorida utilizava as cores produzidas por compostos de cromo no processo conhecido como goma bicromada mas este foi substituído pelo processo baseado no brometo de prata O emprego dos compostos de cromo em geral e do dicromato em particular tem diminuído ao longo das últimas décadas em virtude da descoberta de que os compostos de cromo são carcinogênicos A despeito desse fato muitos milhões de quilos de compostos de cromo são produzidos e consumidos pela indústria a cada ano Antes de usar o dicromato no trabalho de laboratório leia o Material Safety Data Sheet MSDS para o dicromato de potássio httpmsdspdccornelledu ou verifique suas propriedades químicas toxicológicas e carcinogênicas Observe todas as precauções no manuseio desse produto químico útil porém potencialmente perigoso tanto em sua forma sólida quanto em solução 552 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON d Calcule a porcentagem de recuperação para o ácido ascórbico total em cada amostra e Encontre a média e o desvio padrão do porcentual recuperado primeiro para o kiwi e depois para o espinafre f Determine se as variâncias dos por centuais recuperados entre o kiwi e o espinafre são diferentes em um nível de confiança de 95 g Determine se a diferença entre os por centuais recuperados do ácido ascór bico é significativa em um nível de confiança de 95 h Discuta como você aplicaria o méto do iodométrico para a determinação de ácido ascórbico a várias amostras de frutas e vegetais Em particular co mente como você aplicaria os resulta dos de sua análise dos dados nas aná lises de novas amostras i As referências relativas a vários artigos sobre determinação de ácido ascórbico empregando diferentes técnicas ana líticas são fornecidas a seguir Se os ar tigos estiverem disponíveis em sua biblioteca examineos e descreva bre vemente os métodos utilizados em cada um deles j Comente como cada um dos métodos mencionados no item i poderia ser utilizado e sob quais circunstâncias po deriam ser escolhidos no lugar da iodo metria Para cada método incluindo a iodometria compare fatores tais co mo velocidade conveniência custo da análise e qualidade dos dados resul tantes Referências CAMPIGLIO A Analyst v 118 1993 p 545 CASSELLA L GULLOTI M MARCHESINI A PETRARULO M J Food Sci v 54 1989 p 374 GAO Z IVASKA A ZHA T WANG G LI P ZHAO Z Talanta v 40 1993 p 399 LAU O W SHIU K K CHANG S T J Sci Food Agric v 36 1985 p 733 MARCHESINI A MONTUORI F MUFFATO D MAESTRI D J Food Sci v 39 1974 p 568 MOESLINGER T BRUNNER M VOLF I SPIECKERMANN P G Gen Clin Chem v 41 1995 p 1177 PACHLA L A KISSINGER P T Anal Chem v 48 1976 p 364 Potenciometria CAPÍTULO 21 O s métodos potenciométricos de análises baseiamse na medida do potencial de células eletro químicas sem o consumo apreciável de corrente Há cerca de um século as técnicas poten ciométricas têm sido utilizadas para localizar o ponto final em titulações Em métodos mais recentes as concentrações de espécies iônicas são medidas diretamente a partir do potencial de eletrodos de membranas seletivas a íons Esses eletrodos são relativamente livres de interferência e representam uma forma rápida conveniente e não destrutiva de se determinar quantitativamente inúmeros cátions e ânions importantes1 Os analistas realizam mais medidas potenciométricas do que talvez qualquer outro tipo de medi da química instrumental O número de medidas potenciométricas feitas diariamente é surpreendente Os fabricantes medem o pH de muitos produtos comerciais os laboratórios clínicos determinam gases sangüíneos como importantes indicadores no diagnóstico de doenças os efluentes industriais e muni cipais são continuamente monitorados para determinar o pH e a concentração de poluentes os oceanógrafos determinam dióxido de carbono e outras propriedades relacionadas em água do mar Medidas potenciométricas também são empregadas em estudos fundamentais para se determinar constantes de equilíbrio termodinâmicas tais como Ka Kb e Kps Esses exemplos são apenas alguns poucos das milhares de aplicações das medidas potenciométricas O equipamento empregado nos métodos potenciométricos é simples e barato e inclui um eletro do de referência um eletrodo indicador e um dispositivo de medida do potencial Os princípios de operação e a variedade de cada um desses componentes são descritos em seções iniciais deste capí tulo Após essas discussões investigamos as aplicações analíticas das medidas potenciométricas 1 R S Hutchins e L G Bachas in Handbook of Instrumental Techniques for Analytical Chemistry F A Settle Ed Capítulo 38 p 727748 Upper Saddle River NJ PrenticeHall 1997 O navio de pesquisa Meteor pertence à República Federal da Alemanha por intermédio do Ministério da Pesquisa e Tecnologia e é operado pela Fundação Alemã de Pesquisa Normalmente é utilizado por um grupo multidiscipli nar de oceanógrafos químicos na coleta de dados em um esforço para entender as alterações químicas que ocor rem na atmosfera e nos oceanos Por exemplo entre dezembro de 1992 e janeiro de 1993 o Meteor navegou do Rio de Janeiro à cidade do Cabo na África do Sul monitorando a concentração de dióxido de carbono e de outras espécies e parâmetros oceânicos importantes incluindo a alcalinidade total empregando titulações potenciométri cas as quais são discutidas neste capítulo 572 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA O transistor de efeito de campo tipo metalóxido MOSFET é um semicondutor de estado sólido amplamente utilizado para produzir sinais em computadores e inúmeros outros tipos de circuitos eletrônicos A Figura 21D2 mostra um diagrama com um corte transversal a e o símbolo emprega do em desenhos de circuitos b para um MOSFET de canal tipo n de modo intensificado Técnicas modernas de fabricação de semicondutores são empregadas para construir MOSFETs na superfície de uma peça de semicondutor do tipo p chamada substrato Para uma discussão das características de se micondutores do tipo p e n leia os parágrafos sobre fotodiodos de silício na Seção 25A4 Conforme mostrado na Figura 21D2a duas ilhas de semicondutores do tipo n são formadas na superfície do subs trato do tipo p e então a superfície é recoberta por SiO2 isolante A última etapa no processo de fabri cação é a deposição de condutores metálicos que são utilizados para conectar o MOSFET a circuitos externos Existem um total de quatro conexões desse tipo para o dreno a porta a fonte e para o subs trato como pode ser visto na figura A área da superfície do material tipo p entre o dreno e a fonte é denominada canal ver a área som breada escura na Figura 21D2a Observe que o canal é separado da conexão da porta por uma cama da isolante de SiO2 Quando um potencial elétrico é aplicado entre a porta e a fonte a condutividade elétrica do canal é intensificada por um fator que está relacionado à grandeza do potencial aplicado A Estrutura e o Desempenho de Transistores de Efeito de Campo Seletivos a Íons DESTAQUE 212 SiO2 isolante Semicondutor do tipo p Semicondutor do tipo n n n p Porta Porta Dreno Dreno Fonte a b Fonte Substrato Substrato Canal Figura 21D2 Um transistor de efeito de campo tipo metalóxido MOSFET a Diagrama do corte transversal b símbolo empregado em desenhos de circuitos O transistor de efeito de campo seletivo a íons ou ISFET é muito similar em construção e fun cionamento ao MOSFET de canal n de modo intensificado O ISFET difere apenas no fato de que as variações na concentração dos íons de interesse fornecem a voltagem variável na porta para controlar a condutividade do canal Como mostrado na Figura 21D3 em vez do contato metálico usual a face do ISFET é recoberta com uma camada isolante de nitreto de silício A solução analítica contendo íons hidrônio nesse exemplo está em contato com essa camada isolante e com o eletrodo de referência A superfície da porta isolante funciona de forma muito semelhante à superfície de um eletrodo de vidro Os prótons dos íons hidrônio presentes na soluçãoteste são absorvidos pelos sítios microscópicos disponíveis no nitreto de silício Qualquer variação na concentração ou atividade dos íons hidrônio na solução resulta em uma variação na concentração dos prótons absorvidos Então a variação na concen Os ISFETs oferecem numerosas e significativas vantagens sobre os elétrodos de membrana incluindo robustez pequeno tamanho o fato de serem inertes em ambientes agressivos resposta rápida e baixa impedância elétrica Em contraste a elétrodos de membrana os ISFETs não requerem hidratação antes do uso e podem ser armazenados indefinidamente na forma seca Não obstante essas inúmeras vantagens ne nhum eletrodo ISFET seletivo a íons apareceu no mercado até o início dos anos 90 mais de 20 anos após sua invenção A razão para esse atraso é que os fabricantes não eram capazes de desenvolver a tecnologia para encapsular os dispositivos de modo que gere um produto que não exibisse instabilidade ou flutuações na sua resposta Diversas companhias produzem ISFETs para medidas de pH hoje em dia mas certamente ainda não são tão rotineiramente utilizados como o eletrodo de vidro 21D8 Sondas Sensíveis a Gases A Figura 2117 ilustra os detalhes essenciais de uma sonda poten ciométrica sensível a gás que consiste em um tubo contendo um eletro do de referência um eletrodo seletivo a íons e uma solução de um eletrólito Uma membrana fina substituível permeável a gases encaixada na extremidade de um tubo serve de barreira entre as soluções interna e do analito Como pode ser visto na Figura 2117 esse CAPÍTULO 21 Potenciometria 573 tração dos prótons absorvidos dá origem a uma modificação no potencial eletroquímico entre a porta e a fonte o que por sua vez altera a condutividade do canal do ISFET A condutividade do canal pode ser monitorada eletronicamente para gerar um sinal que é proporcional ao logaritmo da atividade dos íons hidrônio na solução Note que todo o ISFET exceto a porta isolante é recoberto com um encap sulante polimérico para isolar todas as conexões elétricas da solução do analito A superfície seletiva a íons do ISFET é naturalmente sensível a variações no pH mas o dispositi vo pode ser modificado para tornarse sensível a outras espécies pelo recobrimento da porta isolante de nitreto de silício com um polímero contendo moléculas que tendem a formar complexos com outras espécies que não os íons hidrônio Dessa forma vários ISFETs podem ser fabricados no mesmo subs trato permitindo a realização de múltiplas medidas simultaneamente Todos os ISFETs podem detec tar as mesmas espécies para aumentar a exatidão e a confiabilidade ou ainda cada ISFET pode ser recoberto com um polímero diferente possibilitando a medida de várias espécies diferentes Seu pequeno tamanho cerca de 1 a 2 mm2 resposta rápida em relação aos elétrodos de vidro e robustez sugerem que os ISFETs podem se tornar os detectores iônicos do futuro para inúmeras aplicações Figura 21D3 Um transistor de efeito de campo seletivo a íons ISFET para medida de pH n n p Porta isolante Si3N4 Solução do analito Eletrodo de referência Encapsulante Dreno Fonte Substrato Uma sonda sensível a gás é uma célula galvânica cujo potencial está relacionado à concentração da espécie gasosa em solução Geralmente esses dispositivos são chamados eletrodos sensíveis a gás em folhetos de propaganda de instrumentos o que é impróprio 606 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA Esses limites de separação teóricos podem ser obtidos apenas mantendose o potencial do eletrodo de trabalho geralmente o cátodo no qual o metal se deposita no nível requerido Entretanto o potencial desse eletrodo pode ser controlado apenas pela variação do potencial aplicado à célula A Equação 224 indica que variações no Eaplicado afetam não apenas o potencial do cátodo mas também o do ânodo a queda IR e o sobrepotencial Como conseqüência a única maneira prática de realizar a separação de espécies cujos potenciais de eletrodo diferem de alguns décimos de um volt é medindo o potencial do cátodo con tinuamente contra um eletrodo de referência cujo potencial seja conhecido Então o potencial de célula aplicado pode ser ajustado para manter o potencial do cátodo em um nível desejado Uma análise realiza da dessa forma é chamada eletrólise a potencial controlado Métodos de potencial controlado são discu tidos nas Seções 22C2 e 22D4 22C MÉTODOS ELETROGRAVIMÉTRICOS A deposição eletrolítica tem sido empregada por mais de um século na determinação gravimétrica de metais Na maioria das aplicações o metal é depositado em um cátodo de platina previamente pesado e o aumento da massa é determinado Alguns métodos empregam a depo sição anódica por exemplo a determinação de chumbo como dióxido de chumbo em platina ou cloreto como cloreto de prata em prata Existem dois tipos gerais de métodos eletrogravimétricos Em um deles não é exercido qualquer controle no potencial do eletrodo de trabalho e o potencial de célula aplicado é mantido em um nível mais ou menos constante o que fornece uma corrente suficientemente alta para completar a eletrólise em um intervalo de tempo razoável O segundo tipo é um método de potencial controlado ou método poten ciostático 22C1 Eletrogravimetria sem Controle do Potencial Os procedimentos eletrolíticos nos quais nenhum esforço é realizado no sentido de controlar o potencial do eletrodo de trabalho utilizam equipamentos simples e de baixo custo e requerem pouca atenção do operador Nesses procedimentos o potencial aplicado à célula é mantido em um nível mais ou menos constante durante a eletrólise Instrumentação Como mostrado na Figura 226 o equipamento para a eletrodeposição analítica sem controle do potencial do cátodo consiste em uma célula adequada e uma bateria de corrente contínua de 6 a 12 V A voltagem aplicada à célu la é controlada por um resistor variável R Um medidor de corrente e um voltímetro indicam a corrente aproximada e a tensão aplicada Para realizar uma eletrólise analítica com esse sistema a tensão aplicada é ajustada com o potenciômetro R para fornecer uma corrente de vários décimos de ampère Então a voltagem é mantida próxima do nível inicial até que se considere a deposição completa Um método potenciostático é um procedimento eletrolítico no qual o potencial no eletrodo de trabalho é mantido em um nível constante contra um eletrodo de referência como o ESC Um eletrodo de trabalho é aquele no qual a reação analítica ocorre 6 a 12 V dc Medidor de corrente Voltímetro Motor Béqu alto Ânodo de Pt átodo de ede de Pt R A V Figura 226 Equipamento para a eletrodeposição de metais sem controle do potencial do cátodo Note que esta é uma célula com dois eletrodos 610 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA durante a eletrólise O ajuste manual do potencial é tedioso particularmente no início e acima de tudo demorado As eletrólises de potencial controlado modernas são realizadas com instrumentos chamados potenciostatos os quais mantêm automaticamente o potencial do eletrodo de trabalho em um valor con trolado em relação ao eletrodo de referência Células de Eletrólise As células de eletrólise são similares àquelas mostradas na Figura 226 Normalmente são empregados béqueres altos e geralmente as soluções são agitadas mecanicamente para minimizar a polarização de con centração freqüentemente o ânodo gira de maneira a funcionar como um agitador mecânico Em geral o eletrodo de trabalho consiste em uma malha cilíndrica metálica como mostrado na Figura 226 Normalmente os eletrodos são construídos com platina embora o cobre o latão e outros metais encontrem uso ocasional Alguns metais como o bismuto o zinco e o gálio não podem ser depositados dire tamente sobre a platina sem causar danos permanentes ao eletrodo Em decorrência dessa incompatibilidade uma camada protetora de cobre é depositada no eletrodo de platina antes da eletrólise desses metais O Cátodo de Mercúrio O cátodo de mercúrio como pode ser visto na Figura 2210 é particularmente útil para remover elemen tos facilmente reduzíveis em uma etapa preliminar de uma análise Por exemplo cobre níquel cobalto prata e cádmio são prontamente separados nesse eletrodo de íons como alumínio titânio metais alcalinos sulfatos e fosfatos Os metais depositados dissolvemse no mercúrio com pouca evolução de hidrogênio porque mesmo a potenciais aplicados elevados a formação do gás é prevenida pela elevada sobrevoltagem em mercúrio Os metais se dissolvem no mercúrio para formar amálgamas que são importantes em várias formas de voltametria ver Seção 23B2 Normalmente os metais depositados não são determinados após a eletrólise sendo meramente removidos da solução do analito Aplicações da Eletrogravimetria de Potencial Controlado O método do potencial controlado é uma ferramenta potente para a separação e determinação de espécies metálicas que tenham potenciais padrão que diferem por apenas alguns décimos de volt Por exemplo cobre bismuto chumbo cádmio zinco e estanho podem ser determinados em misturas por deposições sucessivas dos metais em um cátodo de platina previamente pesado Os três primeiros elementos deposi tamse a partir de soluções praticamente neutras contendo íons tartarato para complexar o estanhoIV e assim prevenir sua deposição O cobre é o primeiro a ser reduzido quantitativamente pela manutenção do Fio do ânodo Solução Cátodo de Hg Fio de cátodo Figura 2210 Um cátodo de mercúrio para a remoção eletrolítica de íons metálicos de uma solução 614 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA Então a carga requerida para converter o analito ao seu produto de reação é determinada registrandose e integrandose a curva corrente versus tempo durante a eletrólise Instrumentação A instrumentação necessária para a coulometria potenciostática é composta por uma célula de eletrólise um potenciostato e um dispositivo para determinar a carga consumida pelo analito Células A Figura 2211 ilustra dois tipos de células que são utilizadas na coulometria potenciostática A primeira consiste em um eletrodo de trabalho de rede de platina um fio de platina como contraeletrodo e um eletrodo de referência de calomelano saturado O contraeletrodo está separado da solução do analito por uma ponte salina que geralmente contém o mesmo eletrólito que a solução que está sendo analisada Esta ponte é necessária para prevenir que os produtos de reação formados no contraeletrodo difundam para a solução contendo o analito interferindo no processo Por exemplo o gás hidrogênio é um produto comum formado em um contraeletrodo catódico A menos que essa espécie esteja fisicamente isolada da solução por meio da ponte contendo o analito ela vai reagir com muitos analitos que serão determinados por oxidação no ânodo de trabalho A segunda célula mostrada na Figura 2211b é do tipo de poço de mercúrio Um cátodo de mercúrio é particularmente útil na separação de elementos facilmente reduzíveis em uma etapa preliminar na análise Além disso contudo tem encontrado uma utilidade considerável na determinação coulométrica de vários cátions metálicos que formam metais que são solúveis no mercúrio Nessas aplicações pouca ou quase nenhuma evolução de hidrogênio ocorre mesmo em potenciais aplicados elevados em virtude da grande sobrevoltagem do hidrogênio sobre o mercúrio Uma célula coulométrica como a ilustrada na Figura 2211b também é útil na determinação coulométrica de certos tipos de compostos orgânicos Eletrodo de referência ESC Tubos da ponte salina Eletrodo de trabalho de rede de platina de 45 mesh Gás inerte a b Descarte Descarte Mercúrio Fio de platina Poço de mercúrio Contraeletrodo Tubo de vidro poroso Vycor Fio do eletrodo de trabalho de platina Agitador Contraeletrodo Tampa de Teflon da célula 22 cm 08 cm Solução Torneira de Teflon Torneira de Teflon Tampa da célula de Teflon Gás inerte Agitador Eletrodo de referência ESC Tubo da ponte salina do eletrodo de referência Figura 2211 Células de eletrólise para coulometria potenciostática Eletrodo de trabalho a rede de platina b poço de mercúrio Reimpresso com permissão de J E Harrar e C L Pomernacki Anal Chem 45 p 571973 Copyright da American Chemical Society 1973 CAPÍTULO 22 Eletrólise Completa Eletrogravimetria e Coulometria 617 Instrumentação Conforme mostrado na Figura 2213 o equipamento necessário para realizar uma titulação coulométrica inclui uma fonte de corrente constante que opere na faixa de um a várias centenas de miliampères uma célula de titulação uma chave um cronômetro e um dispositivo para medida da corrente A mudança da chave para a posição 1 inicia simultaneamente o cronômetro e a corrente na célula de titulação Quando a chave é colocada na posição 2 a eletrólise e a cronometragem são interrompidas Com a chave nessa posição contudo a corrente continua a ser drenada da fonte e passa através do resistor dummy RD que tem aproximadamente a mesma resistência elétrica que a célula Esse arranjo assegura a operação contínua da fonte que auxilia na manutenção da corrente em um valor constante Fontes de Corrente A fonte de corrente constante para a titulação coulométrica é um dispositivo eletrônico capaz de manter uma corrente de 200 mA ou mais que seja constante em alguns centésimos de porcentagem Tais fontes de corrente constantes estão disponíveis no mercado a partir de diversos fabri cantes O tempo da eletrólise pode ser medido de maneira bastante exata com um cronômetro digital ou com um sistema baseado em um computador Células para as Titulações Coulométricas A Figura 2214 exibe uma célula de titulação coulométrica típica que consiste em um eletrodo de trabalho no qual o reagente é produzido e um con traeletrodo eletrodo auxiliar para completar o circuito O eletrodo de trabalho empregado para gerar reagentes in situ é freqüentemente denominado eletrodo gerador Geralmente é um retângulo de platina uma folha um fio enrolado ou uma rede cilíndrica com uma área superficial relativamente alta para minimizar os efeitos de polarização Normalmente o contraeletrodo é isolado do meio reacional por um disco sinterizado ou algum outro meio poroso para prevenir suas interferências nos produtos de reação Por exemplo algumas vezes o hidrogênio é liberado nesse eletrodo Dado que o hidrogênio é um agente redutor um erro sistemático positivo pode ocorrer a menos que o gás seja produzido em um compartimento separado Uma alternativa para o isolamento do contraeletrodo é a geração do reagente externamente por meio de um dispositivo similar àquele exposto na Figura 2215 A célula geradora externa é montada de maneira que um fluxo do eletrólito continue brevemente após a corrente ser desligada o que introduz o reagente residual no frasco de titulação Obeserve que o dispositivo gerador mostrado na Figura 2215 fornece tanto hidrogênio quanto íons hidróxido dependendo do braço utilizado As células geradoras externas também têm sido empregadas na geração de outros reagentes tais como iodo 326 mA Medidor de corrente Célula de titulação RD Fonte de corrente constante Cronômetro Chave 1 1 2 2 856 Figura 2213 Diagrama representativo de um aparato de titulação coulométrica Os tituladores coulométricos comerciais são totalmente eletrônicos e freqüentemente controlados por computador CAPÍTULO 22 Eletrólise Completa Eletrogravimetria e Coulometria 621 Titulações Coulométricas Automáticas Vários fabricantes de instrumentos oferecem tituladores coulométricos automáticos a maioria dos quais emprega o ponto final potenciométrico Alguns desses instrumentos são do tipo multipropósito e podem ser empregados na determinação de uma variedade de espécies Outros são projetados para um único tipo de análise Os exemplos desses últimos são tituladores para cloreto nos quais íons prata são gerados coulometricamente medidores de dióxido de enxofre em que o bromo produzido anodicamente oxida o analito a íons sulfato medidores de dióxido de carbono nos quais o gás absorvido em monoetanolami na é titulado com uma base gerada coulometricamente tituladores de água nos quais o reagente de Karl Fischer ver Seção 20C5 é gerado eletroquimicamente Observação Os dados numéricos representam con centrações analíticas em mol por litro se a fórmula completa da espécie é fornecida As concentrações em mol por litro no equilíbrio são dadas para as espécies apresentadas na forma de íons 221 Faça uma breve distinção entre a polarização de concentração e pola rização cinética b um galvanostato e um potenciostato c um coulomb e um faraday d um eletrodo de trabalho e um contra eletrodo e o circuito de eletrólise e o circuito de controle para os métodos de potencial controlado 222 Defina brevemente a densidade de corrente b potencial ôhmico c titulação coulométrica d eletrólise com potencial controlado e eficiência de corrente f um equivalente eletroquímico 223 Descreva três mecanismos responsáveis pelo transporte de espécies dissolvidas para a superfície de um eletrodo e a partir dela 224 Como a existência de uma corrente afeta o potencial de uma célula eletroquímica 225 Como as polarizações de concentração e cinética se assemelham entre si Como elas diferem 226 Que variáveis experimentais afetam a pola rização de concentração em uma célula eletroquímica 227 O que é o eletrólito de suporte e qual seu papel na eletroquímica 228 Descreva as condições que favorecem a polarização cinética em uma célula eletro química 229 Como os métodos eletrogravimétrico e coulométrico diferem dos métodos poten ciométricos Considere as correntes volta gens e instrumentação em sua resposta 2210 Identifique três fatores que influenciam as características físicas de um depósito ele trolítico 2211 Qual é o propósito de um despolarizador 2212 Qual a função de a um galvanostato e b um potenciostato 2213 Evidencie as diferenças entre a coulome tria a potencial controlado e a coulometria a corrente constante 2214 Por que é normalmente necessário isolar o eletrodo de trabalho do contraeletrodo em uma análise coulométrica a potencial con trolado Acesse o endereço wwwthonsomlearningcombr e na página do livro clique em menu Chapter Resources escolha Web Works Localize a seção do Capítulo 22 e clique no link para Bioanalytical Systems Investigue os instrumentos eletroquímicos produzidos por essa empresa Em particular descreva as características e especificações da célula para eletrólise quan titativa Use o dispositivo de pesquisa do Google para encontrar empresas que produzam coulômetros Compare as características de dois instru mentos de dois fabricantes diferentes EXERCÍCIOS NA WEB QUESTÕES E PROBLEMAS Cortesia de Bioanalytical Systems Inc Voltametria CAPÍTULO 23 O envenenamento de crianças por chumbo pode provocar anorexia vômito convul sões e danos permanentes ao cérebro O chumbo pode contaminar a água por meio da lixiviação de soldas empregadas para conectar tubos de cobre A voltametria de redissolução anódica discutida neste capítulo é um dos métodos analíticos mais sensíveis para a determinação de metais pesados tais como o chumbo A foto exibe uma célula de três eletrodos empregada na voltametria de redissolução anódica O eletrodo de trabalho é de carbono vítreo no qual foi depositado um filme de mer cúrio Uma etapa de eletrólise é utilizada para depositar chumbo no filme de mercú rio na forma de um amálgama Após a etapa de eletrólise é feita uma varredura anódica na direção de valores positivos para oxidar redissolver o metal presente no filme Níveis tão baixos quanto algumas partes por bilhão podem ser determinados O s métodos eletroanalíticos que dependem da medida da cor rente em função do potencial aplicado são chamados métodos voltamétricos Esses métodos empregam condições que favorecem a polarização do eletrodo de trabalho Geralmente para aumentar a polarização os eletrodos de trabalho utilizados na voltametria são relativamente pequenos com áreas superficiais de alguns milímetros quadrados no máximo e em algumas aplicações apenas alguns micrômetros quadrados A voltametria baseiase na medida da corrente em uma célula eletroquímica sob condições de completa polarização de concen tração na qual a velocidade de oxidação ou redução do analito é limitada pela velocidade de trans ferência de massa do analito para a superfície do eletrodo A voltametria difere da eletrogravimetria e da coulometria uma vez que nesses últimos métodos tomamse cuidados para minimizar ou com pensar os efeitos da polarização de concentração Mais do que isso na voltametria ocorre um consumo mínimo do analito ao passo que na eletrogravimetria e coulometria essencialmente todo o analito é convertido em produto Historicamente os eletrodos de trabalho com áreas superficiais menores que alguns poucos milímetros quadrados foram denominados microeletrodos Recentemente esse termo passou a significar eletrodos com áreas na escala de micrômetros Na literatura mais antiga os eletrodos com dimensão micrométrica foram geralmente chamados ultramicroeletrodos O campo da voltametria desenvolveuse a partir da polarografia um tipo de voltametria que foi descoberto pelo químico checoslovaco Jaroslav Heyrovsky no início dos anos 19201 A polarografia que ainda é um ramo importante da voltametria difere de outros tipos de voltametria porque nesse caso um eletrodo gotejante de mercúrio EGM é empregado como eletrodo de trabalho A construção e as propriedades únicas desse eletrodo são discutidas na Seção 23B52 A voltametria é amplamente empregada por químicos analíti cos inorgânicos físicoquímicos e bioquímicos para estudos funda mentais de 1 processos de oxidação e redução em vários meios 2 processos de adsorção às superfícies e 3 mecanismos de transfe rência de elétrons em superfícies modificadas de eletrodos Para fins analíticos várias formas da voltametria encontramse em uso atualmente3 A voltametria de redissolução é atualmente um método relevante na análise de traços particularmente na determinação de metais em amostras de interesse ambiental A polarografia de pulso diferencial e a voltametria de varredura rápida são importantes na determinação de espécies de interesse farmacêutico Os detectores voltamétricos entre outros são freqüentemente empregados na cromatografia líquida de alta eficiência CLAE e na eletroforese capilar ver Seções 32A e 33C Técnicas amperométricas são amplamente utilizadas na tecnologia de sensores e no acompanhamento de titulações e reações de interesse biológico Os métodos voltamétricos modernos continuam a ser ferramentas poderosas empregadas por vários tipos diferentes de químicos interessados no estudo e no emprego de processos de oxidação redução e adsorção 23A SINAIS DE EXCITAÇÃO Na voltametria a voltagem no eletrodo de trabalho varia sistematicamente enquanto a resposta de corrente é medida Várias funções voltagemtempo chamadas sinais de excitação podem ser aplicadas ao eletro do A mais simples delas é a varredura linear na qual o potencial no eletrodo de trabalho muda linearmente com o tempo Tipicamente o potencial no eletrodo de trabalho varia em uma faixa de 1 ou 2 V Outras for mas de onda que podem ser aplicadas são as ondas pulsadas e triangulares As formas de onda de quatro dos sinais de excitação mais comuns empregados na voltametria são mostradas na Figura 231 O sinal de excitação voltamétrico clássico corresponde à varredura linear exposta na Figura 231a na qual uma ten são dc aplicada à célula aumenta linearmente em função do tempo Então a corrente que se desenvolve na célula é medida em função da voltagem aplicada Dois sinais de excitação do tipo pulso são apresentados na Figura 231b e 231c As correntes são medidas em vários instantes durante o tempo de vida dos pulsos como discutido na Seção 23C Com a função de onda triangular mostrada na Figura 231d o potencial varia linearmente entre um valor máximo e um valor mínimo Esse processo pode ser repetido diversas vezes enquanto a corrente é registrada em função do potencial Os tipos de voltametria que empregam os vários tipos de sinais de excitação também são listados na Figura 231 As três primeiras entre as técnicas exibidas nas partes ac da Figura 231 são discutidas em detalhes nas seções que seguem A voltametria cíclica tem encontrado aplicação considerável como uma ferramenta de diagnóstico que fornece informações acerca de mecanismos de reações redox realizadas sob várias condições A voltametria cíclica é discutida na Seção 23D 628 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA 1 J Heyrovsky Chem Listy v 16 p 256 1922 2 Para um retrospecto sobre polarografia e voltametria ver A J Bard e C G Zoski Anal Chem v 72 p 346A 2000 3 Para mais informações sobre métodos voltamétricos ver J A Dean Analytical Chemistry Handbook Seção 14 p 14571493 Nova York McGrawHill 1995 Analytical Voltammetry M R Smyth e F G Vos Eds Nova York Elsevier 1992 A J Bard e L R Faulkner Electrochemical Methods 2 ed Nova York Wiley 2001 Laboratory Techniques in Electroanalytical Chemistry 2 ed P T Kissinger e W R Heinemann Eds Nova York Marcel Dekker 1996 Métodos voltamétricos baseiamse na medida da corrente em função do potencial aplicado a um pequeno eletrodo Polarografia é a voltametria em um eletrodo gotejante de mercúrio As correntes voltamétricas dependem do gradiente de concentração que é estabelecido muito próxi mo do eletrodo durante a eletrólise Para visualizar esses gradientes considere os perfis de concen traçãodistância quando a redução descrita na seção anterior for realizada em um eletrodo planar imerso em uma solução agitada vigorosamente Para entender esses perfis primeiro consideramos os diferentes tipos de fluxos de líquidos que possam existir em uma solução mantida sob agitação Podemos identificar dois tipos de fluxo dependendo da velocidade média como mostra a Figura 236 O fluxo laminar ocorre a baixas velocidades e apresenta um movimento suave e regular O fluxo turbulento ao contrário acon tece em altas velocidades e possui um movimento irregular e flutuante Em uma célula eletroquímica agi tada temos uma região de fluxo turbulento no seio da solução distante do eletrodo e também uma região de fluxo laminar à medida que se aproxima do eletrodo Essas regiões são ilustradas na Figura 237 Na região do fluxo laminar as camadas do líquido deslizam umas sobre as outras em uma direção paralela à superfície do eletrodo Na região muito próxima ao eletrodo a uma distância d cm da superfície forças de atrito resultam em uma região onde a velocidade do fluxo é essencialmente zero A fina camada de solução nesta região é uma camada estagnada conhecida como camada de difusão de Nernst É apenas nos limites da camada de difusão de Nernst que as concentrações de reagentes e produtos variam em função da distância da superfície do eletrodo e nos quais existe um gradiente de concentração Isto é nas regiões de fluxo laminar e de fluxo turbulento a convecção mantém a concentração de A em seu valor original e a concentração de P em níveis muito baixos 636 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA Figura 236 Visualização dos padrões de fluxo em uma corrente de fluido O fluxo laminar mostrado à esquerda tornase um fluxo turbulento à medida que a velocidade do fluido aumenta No fluxo turbulento as moléculas se movem de uma forma irregular em ziguezague e existem redemoinhos e turbilhões no movimento No fluxo laminar as linhas são estáveis conforme as camadas do líquido deslizam umas sobre as outras de uma forma regular De An Album of Fluid Motion montado por Milton Van Dyke n 152 fotografia de Thomas Corke e Hassan Nagib Parabolic Press Stanford Califórnia 1982 Figura 237 Padrões de fluxo e regiões de interesse próximas ao eletrodo de trabalho na voltametria hidrodinâmica δ Camada de difusão de Nernst de solução estagnada Eletrodo Região de fluxo laminar Região de fluxo turbulento seio da solução A voltametria cíclica é amplamente utilizada na química orgânica e inorgânica Freqüentemente é a primeira técnica selecionada na investigação de um sistema que contém espécies eletroativas Geralmente os voltamogramas cíclicos deverão revelar a presença de intermediários em reações redox ver Figura 2315 por exemplo Normalmente eletrodos de platina são empregados em voltametria cíclica Para potenciais negativos os eletrodos de filme de mercúrio podem ser utilizados Outros eletrodos de trabalho populares incluem o de carbono vítreo ouro grafite e pasta de carbono Eletrodos quimicamente modifi cados são discutidos no Destaque 232 658 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA DESTAQUE 232 Eletrodos Modificados18 Uma área de pesquisa ativa na eletroquímica é o desenvolvimento de eletrodos que são produzidos por meio da modificação química de vários substratos condutores Tais eletrodos podem em princípio ser produzidos para desempenhar várias funções As modificações incluem a presença de substratos adsorvidos irreversivelmente com funcionalidades desejadas ligação covalente de componentes à superfície e recobrimento do eletrodo com filmes poliméricos de outras substâncias O processo de ligação covalente é mostrado nas Figuras 23D3 e 23D4 Agentes ligantes tais como organossilanos e aminas são fixados à superfície antes da ligação do grupo de interesse Filmes poliméricos podem ser preparados a partir de polímeros dissolvidos por dipcoating recobrimento por imersão spincoating recobrimento por rotação eletrodeposição e ligação covalente Também podem ser produzidos a partir do monômero por meio de métodos de polimerização térmicos por plasma fotoquímicos ou eletroquímicos Biossensores com enzimas imobilizadas como os sensores amperométricos descritos na Seção 23B4 são um tipo de eletrodo modificado Podem ser preparados por ligação covalente adsorção ou aprisionamento em gel 18Para mais informações ver R W Murray Molecular Design of Electrode Surfaces em Techniques in Chemistry v XXII W Weissberger Founding Ed Nova York Wiley 1992 A J Bard Integrated Chemical Systems Nova York Wiley 1994 O2 ou oxidação eletroquímica O2 ou oxidação eletroquímica C C C C C C O M O OH C OH O C O O C OH M OH M C C C C C C M Metal Carbono Figura 23D3 Grupos funcionais formados na superfície de metais ou carbono por oxidação Geralmente os agentes ligantes tais como os organossilanos são ligados à superfície funcionalizada Os componentes reativos como ferrocenos viologenos e complexos de metais com bipiridinas são então fixados para formar a superfície modificada mostrada na Figura 23D4 De A J Bard Integrated Chemical Systems Nova York Wiley 1994 Esse material é utilizado com permissão de John Wiley Sons Inc Análise Espectroquímica PARTE V Capítulo 24 Introdução aos Métodos Espectroquímicos Capítulo 25 Instrumentos para Espectrometria Óptica Capítulo 26 Espectrometria de Absorção Molecular Capítulo 27 Espectroscopia de Fluorescência Molecular Capítulo 28 Espectroscopia Atômica 668 Uma conversa com Gary M Hieftje G ary Hieftje tem muitas histórias para contar sobre como brincar com compostos perigosos quando criança mexer na linha de gás no porão da casa de sua família ou sobre como levar pessoas a fugir de edifícios quando esqueceuse de acompanhar suas reações químicas Ele diz que sua facilidade de comunicação vem dos seus dias na universidade quando vendia sapatos para manter sua família Também diz que nunca fez um planejamento de vida mas que os lu gares nos quais foi parar têm sido tão bons para ele que parece estar vivendo um longo sonho O motivo é que tem trabalhado duro porém em problemas que considera fascinantes Hieftje é professor do departamento de química da Universidade de Indiana desde 1969 onde é reconhecido como Distinguished Professor e Mann Chair Como pesquisador sua meta é a de tornar as técnicas e os instrumentos melhores Ele investiga os mecanismos fundamen tais em emissão atômica absorção fluorescência e análise espectrométrica e está continua mente desenvolvendo métodos de análise atômicos Está interessado em encontrar um méto do de controle online de instrumentação química e de experimentos utilizar processos lumi nescentes resolvidos no tempo em análise aplicar a teoria da informação em química analíti ca espectrometria de massas analítica e análise por refletância no infravermelho próximo e empregar processos estocásticos para extrair informações químicas básicas e cinéticas Dentre seus inúmeros prêmios incluise o de ser nomeado Fellow pela Associação Americana para o Avanço da Ciência e os prêmios em Química Analítica ourtogados pela Sociedade Americana de Química American Chemical Society ACS e de Excelência em Ensino da Divisão de Química Analítica da ACS P O que o atraiu inicialmente para a área da química R Minha vida foi profundamente influenciada por Marvin Overway um professor de química da universidade que mora va do outro lado da rua Foi ele quem despertou meu interesse pela ciência A maioria dos químicos gostou de luzes bri lhantes cores flashes e explosões quando crianças Eu brinca va com um conjunto Gilbert de química e rapidamente apren di como produzir pólvora Minha mãe ficava muito zangada com o mau cheiro terrível de dióxido de enxofre e então subs tituí o enxofre por canela o que resultou em um cheiro muito bom mas não queimava muito bem Então o professor de química me falou sobre a natureza dos agentes oxidantes Portanto fiz a minha própria pólvora empregando perclorato de potássio o qual é extremamente perigoso em vez de nitrato de potássio canela no lugar de enxofre e pó de carvão Essa era a fórmula Eu poderia atirar uma bolinha de gude pelo quarteirão Quando tinha quase 13 anos eu queria soprar vidro usan do meu conjunto de química porém a chama do álcool era muito fria para o vidro Pyrex Nesse caso decidi que precisava de um bico de Bunsen e o professor que morava do outro lado da rua deume um Meu tio era encanador portanto obtive dele um cano Meu pai ficou louco seis meses depois quando desco briu que eu tinha montado uma linha de gás Meu tio verificou a linha e constatou que estava montada corretamente Meus pais sempre apoiaram meu interesse pela ciência mesmo quan do eu fazia coisas estúpidas como fabricar pólvora P Como foram seus anos de graduação R Já na universidade eu tinha uma família Para sustentála trabalhava no turno da noite como técnico de laboratório em uma indústria química local e também vendia sapatos Eu vivia próximo ao Hope College em Holland Michigan Hope é uma pequena universidade de artes que apresenta três áreas de destaque química era uma delas e por isso escolhi minha área Iniciei minhas atividades de pesquisa com o chefe do departa mento de química que era um químico orgânico sintético Certa vez eu estava fazendo uma reação de Grignard combi nando tiofeno com diferentes aldeídos insaturados Deixei a reação em andamento enquanto estava na sala de cálculo no entanto alguém fechou a torneira dágua O resultado esvaziou o prédio da química por inteiro P E sobre a sua experiência na pósgraduação R Depois da graduação eu tinha a intenção de conseguir um emprego em química orgânica mas o chefe do departamento convenceume a me inscrever na pósgraduação Escolhi a Universidade de Illinois porém o custo de vida era cinco vezes mais alto que nas proximidades de Holland Então por um ano trabalhei como físicoquímico no Levantamento Geográfico do Estado e à noite vendia sapatos Durante aquele ano encontrei 669 Howard Malmstadt Ele exerceu uma enorme influência sobre mim e ainda exerce Convenceume de que eu era realmente um químico analítico Não era o fenômeno físi co que me intrigava tanto quanto como saber medir as coisas corre tamente Iniciei a pósgraduação em 1965 e sustentei minha família com uma bolsa da Fundação Nacional de Ciência Trabalhei no grupo de Malmstadt que propor cionava um ambiente produtivo e estimulante Todos trabalhavam arduamente porque não queríamos parecer mal aos olhos de Malms tadt ou aos olhos dos outros P Como finalmente escolheu sua carreira acadêmica R Malmstadt me encorajou a procurar por um trabalho na aca demia No final consegui uma posição acadêmica mas pressentia desde o início que não seria efetivado Eu pensava que após cinco anos de diversão iriam me chutar para fora e eu iria para a indústria para ganhar duas vezes mais Surpreen dentemente fui efetivado e tenho estado na Universidade de Indiana desde essa época P Você está mais interessado nos fundamentos ou em aplicações R Eu sempre estive mais interessado em coisas fundamentais que em aplicações Para mim é mais excitante descobrir por que as coisas acontecem como produzir melhores técnicas e instru mentos e como obter melhores medidas Se vejo uma nova área que é interessante brincamos com ela por algumas semanas Se formos bemsucedidos escrevemos um projeto para trabalhar nesta área e vamos lá Eu fico seguindo os afluentes interes santes que às vezes se tornam mais importantes que o próprio rio A coisa surpreendente é que quanto mais desses afluentes você acompanha mais pode ver como eles se interligam P Que tipo de trabalho você tem feito para entender os plasmas R Empregamos os princípios fundamentais da física de plasma para entender os mecanismos de interferência em espectrome tria atômica Um dos projetos é estudar os plasmas tais como o plasma acoplado indutivamente ICP do inglês inductively coupled plasma com muito mais detalhe do que foi possível até o momento Nos plasmas os elétrons zunem a velocidades enormes Provocamos um choque de um feixe de laser em um plasma para medir o efeito Doppler na radiação espalhada dos elétrons Isso nos diz quantos elétrons existem ali quanto mais maior o espalhamento e a distribuição de energia dos elétrons isto é suas velocidades Podemos obter essas informações em base resolvida no tempo e no espaço por causa do laser pulsado seu pulso é de poucos nanossegundos de forma que podemos medir nessa escala de tempo Empregando o espalhamento Rayleigh também podemos medir a concentração de argônio no plasma da qual conseguimos a temperatura cinética do gás Sabemos que da lei dos gases ideais se a temperatura for alta há poucas espécies em um volume e o espalhamento é fraco A coisa interessante é que as temperaturas do gás e do elétron são diferentes Isso nos diz que o ICP é controlado pela cinética e não pela termo dinâmica Essa observação leva nos a todo tipo de novas direções P Quais outros tópicos você está estudando R Temos também uma nova fonte de luz com características interes santes Ela tem apenas 20 mícrons de tamanho e produz pulsos de luz tão curtos como 10 picossegundos com uma taxa de repetição de centenas de milhões por segundo O feixe é incrivelmente estável Ela não precisa de alimentação porque usa um radionu clídeo uma fonte que contém energia e um meio de conversão para produzir feixes de fótons a partir de pulsos de radiação beta ou alfa Nós a empregamos para estudar eventos ultrarápidos como as características cinéticas rápidas de vários processos químicos e físicos Desenvolvemos um espectrômetro de massas ICP baseado em tempo de vôo que é agora um instrumento comercial Temos também um novo dispositivo um espectrômetro de massas de duplo foco com um arranjo de detectores para moni torar muitos elementos diferentes ao mesmo tempo O terceiro novo tipo de geometria para espectrômetros de massas consiste em um instrumento de tempo de vôo que emprega duas fontes simultaneamente Um terço das proteínas contêm átomos metálicos e esperamos separálas com eletroforese capilar e então utilizar esse espectrômetro para caracterizar as proteínas e medir seus átomos metálicos ao mesmo tempo P Qual a sua opinião com relação ao ensino R Há dois aspectos importantes no ensino para os estudantes de graduação e para os de pósgraduação um deles está na sala de aula e o outro no laboratório de pesquisa No labo ratório você aprende a natureza da ciência e a da química analítica Há um excitamento incrível em descobrir algo que ninguém sabia antes Não existem muitas outras coisas que sejam tão compensadoras A única coisa que chega perto é ver o brilho nos olhos dos estudantes quando aprendem algo que não sabiam antes Para desenvolver uma pesquisa original uma pessoa deve se concentrar focar mas existe um grande perigo em se tornar muito focada Para se tornar um bom solucionador de proble mas todo cientista tem de passar por uma ampla gama de experiências Muitas descobertas são feitas por pessoas que juntaram coisas No meu grupo de pesquisa os estudantes têm uma extensa gama de atividades e trabalham lado a lado Cada cientista faz progressos em uma área específica para graduar se mas ao mesmo tempo aprende coisas com as outras pessoas a sua volta Atualmente os estudantes podem fazer muito mais por causa da sofisticação da instrumentação como resultado eles são mais bem treinados I Eu fico seguindo os afluentes interessantes que às vezes se tornam mais importantes que o próprio rio A coisa supreendente é que quanto mais desses afluentes você acompanha mais pode ver como eles se interligam CAPÍTULO 24 Introdução aos Métodos Espectroquímicos 677 A era moderna da espectroscopia começou com a observação do espectro solar feita por Sir Isaac Newton em 1672 No experimento de Newton os raios do sol passaram por uma pequena abertura para dentro de uma sala escura na qual encon traram um prisma e se dispersaram nas cores do espectro A primeira descrição das características do espectro além da simples observação de suas cores foi atribuída a Wollaston em 1802 ao notar as linhas escuras em uma imagem fotográfica do espectro solar Estas linhas juntamente com outras mais de 500 as quais são mostradas no espectro solar da Figura 24D1 foram descritas poste riormente em detalhes por Fraunhofer Com base nas suas observações a primeira das quais foi feita em 1817 Fraunhofer atribuiu letras às linhas mais proeminentes começando com A na extremi dade do vermelho do espectro Ficou contudo para Gustav Kirchhoff e Robert Wilhelm Bunsen em 1859 e 1860 a explicação da origem das linhas Fraunhofer Bunsen inventou o seu famoso queimador Figura 24D2 poucos anos antes o que tornou possível as observações espec trais do fenômeno de emissão e absorção em uma chama quase transparente Kirchhoff concluiu que as linhas D de Fraunhofer eram decorrentes do sódio presente na atmosfera solar e as linhas A e B eram conseqüência do potássio Ainda chama mos as linhas de emissão do sódio linhas D Estas são responsáveis pela coloração observada nas chamas contendo sódio ou nas lâmpadas de vapor de sódio A ausência de linhas de lítio no espectro solar levou Kirchhoff a concluir que havia pouco lítio existente no sol Durante esses estudos Kirchhoff também desenvolveu as suas famosas leis relacio nando a absorção e a emissão de luz pelos corpos e em interfaces Juntamente com Bunsen Kirchhoff observou que diferentes elementos poderiam pro duzir diferentes cores de chamas e gerar espectros que exibiam diferentes bandas coloridas ou linhas Kirchhoff e Bunsen são considerados os descobri dores do uso da espectroscopia na análise química O método foi rapidamente empregado para muitas outras finalidades práticas incluindo a descoberta de novos elementos Em 1860 os elementos césio e rubídio foram descobertos seguidos em 1861 pelo tálio e em 1864 pelo índio A era da análise espec troscópica tinha claramente se iniciado A Espectroscopia e a Descoberta dos Elementos 380 400 420 440 460 480 500 520 540 λ nm 560 580 600 620 640 660 680 700 720 Figura 24D1 O espectro solar As linhas verticais escuras são as linhas de Fraunhofer Ver a figura 18 do caderno colorido para uma versão completa do espectro Imagens criadas pelo Dr Donald Mickey da University of Hawaii Institute for Astronomy dos dados espectrais do National Solar Observatory Os dados NSOSKitt Peak FTS empregados foram produzidos pelo NSFNOAO Figura 24D2 Queimador de Bunsen do tipo empregado nos primórdios dos estudos espectroscópicos com um espectroscópio de prisma do tipo usado por Kirchhoff Obtido de H Kayser Handbuch der Spectroscopie Stuttgart Alemanha S Hirzel Verlag GmbH Co 1900 DESTAQUE 241 Medida da Transmitância e da Absorbância Ordinariamente a transmitância e a absorbância como definidas nas Equações 244 e 245 e descritas pela Figura 247 não podem ser medidas como mostrado considerandose que a solução a ser estudada deva estar contida em algum tipo de recipiente células ou cubeta Perdas por reflexão ou espalhamento podem ocorrer nas paredes das células como pode ser observado na Figura 249 Essas perdas podem ser subs tanciais Por exemplo cerca de 85 de um feixe de luz amarela é perdido por reflexão quando este passa por uma célula de vidro A luz pode também ser espalhada em todas as direções a partir da superfície de moléculas grandes ou de partículas como poeira presentes no solvente e esse espalhamento pode causar uma atenuação adicional do feixe quando este passa através da solução CAPÍTULO 24 Introdução aos Métodos Espectroquímicos 679 Figura 248 Planilha de cálculo de conversão estabelecendo a relação entre a transmitância T porcentagem de transmitância T e a absorbância A Os dados de transmitância a ser convertidos devem ser inseridos nas células de A3 até A16 A porcentagem de transmitância é calculada na células B3 pela fórmula mostrada na seção de documentação célula A19 Essa fórmula é copiada para as células de B4 até B16 A absorbância é calculada pelo log T nas células C3 a C16 e de 2 log T nas células D3 até D16 As fórmulas para a primeira células nas coluna C e D são mostradas nas células A20 e A21 Perdas por reflexão nas interfaces Perdas por espalhamento na solução Feixe emergente Pe Perdas por reflexão nas interfaces Feixe incidente Pi Figura 249 Perdas por reflexão e espalhamento com uma solução contida em uma célula de vidro típica As perdas por reflexão podem ocorrer em todas as fronteiras entre os diferentes materiais Nesse exemplo a luz passa pelas seguintes fronteiras denominadas interfaces arvidro vidrosolução soluçãovidro e vidroar com o estado eletrônico fundamental da molécula Quatro dessas transições são expostas na parte inferior à esquerda da Figura 2412 l1 a l4 Para que a absorção ocorra a fonte tem de emitir radiação nas fre qüências correspondentes exatamente às energias indicadas pela extensão das quatro setas Absorção da Radiação Ultravioleta e Visível As setas centrais na Figura 2412 sugerem que as molécu las consideradas absorvem a radiação visível de cinco comprimentos de onda dessa forma promovendo os elétrons para os cinco níveis vibracionais do nível eletrônico excitado E1 Os fótons ultravioletas mais energéticos são necessários para produzir a absorção indicada pelas cinco setas à direita Como sugerido pela Figura 2412 a absorção molecular nas regiões do ultravioleta e visível consiste em bandas de absorção constituídas por linhas próximas entre si Uma molécula real apresenta muito mais níveis energéticos que aqueles mostrados aqui assim uma banda de absorção típica consiste em um número muito grande de linhas Em uma solução a espécie absorvente é circundada pelo solvente e a natureza da banda da absorção molecular tornase indistinta pois as colisões tendem a desdobrar as ener gias dos estados quânticos originando picos de absorção suavizados e contínuos A Figura 2114 mostra alguns espectros na região do visível da 1245tetrazina que foram obtidos sob diferentes condições em fase gasosa em fase líquida e em solução aquosa Observe que na fase gasosa as moléculas individuais da tetrazina estão suficientemente separadas umas das outras para vibrarem e girarem livremente portanto muitos picos de absorções individuais que resultam de transições entre os vários estados vibracionais e rotacionais aparecem no espectro No estado líquido e em solução contudo as moléculas da tetrazina não conseguem girar livremente assim não vemos uma estrutura fina no espec tro Além disso as colisões freqüentes e as interações entre a tetrazina e as moléculas de água causam uma modificação energética irregular nos níveis vibracionais e geram um espectro com o formato de uma banda única e larga As tendências mostradas nos espectros da tetrazina nessa figura são típicas dos espectros de outras moléculas obtidos sob condições similares 688 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA Absorbância a Vapor c Solução aquosa b Solução de hexano 450 500 Comprimento de onda nm 550 H C C H N N N N 600 Figura 2414 Espectros de absorção típicos na região visível O composto é a 1245tetrazina Em a o espectro é o da fase gasosa no qual muitas linhas em razão das transições eletrônicas vibracionais e rotacionais são distinguíveis Em um solvente nãopolar b as transições eletrônicas podem ser observadas contudo a estrutura vibracional e rotacional é perdida Em um solvente polar c as forças de interação intermoleculares levam os picos eletrônicos a se fundirem para fornecer uma única absorção contínua De S F Mason J Chem Soc p 1265 1959 Configuração Eletrônica Nível eV 1s22s1 000000 1s22p1 1847819 1847861 1s23s1 3373130 1s23p1 3834260 3834260 1s23d1 3878609 3878614 1s24s1 4340944 1s24p1 4521650 4521650 1s24d1 4540722 4540725 a Construa um diagrama parcial de ener gia similar àquele da Figura 2420 Identifique cada nível de energia com o seu orbital correspondente Observe a energia da primeira ionização do lítio no site do NIST e indiquea com uma linha horizontal no seu diagrama b Navegue na página do NIST na Web e selecione o link Physical Reference Data Localize e selecione o banco de dados atômicos espectrais Atomic Spectral Data e clique no ícone Lines Utilize o formulário para obter as lin has espectrais para o Li I entre 300 nm e 700 nm incluindo as informações de níveis de energia Observe que a tabela obtida contém os comprimentos de onda a intensidade relativa e as mudanças na configuração eletrônica para as transições que originam cada uma das linhas Adicione linhas conectando os níveis de energia parcial do diagrama do item a para ilustrar as transições e identifique cada linha com o comprimento de onda de emissão Quais das transições em seu diagrama se referem a dubletos c Empregue os dados de intensidade ver sus comprimento de onda que você obteve em b para esquematizar um espectro de emissão para o lítio Colo candose uma amostra de Li2CO3 em uma chama qual seria a cor da chama d Descreva como o espectro da chama de um composto iônico de lítio como o Li2CO3 produz o espectro de átomos neutros de lítio e Aparentemente não há linhas de emis são para o lítio entre 544 nm e 610 nm Por quê f Descreva como a informação obtida nesse problema poderia ser empregada para se detectar a presença de lítio em urina Como você determinaria a quan tidade de lítio quantitativamente CAPÍTULO 24 Introdução aos Métodos Espectroquímicos 703 Em 23 de fevereiro de 1987 houve o aparecimento da Supernova 1987a a primeira estrela visível a olho nu a sur gir em mais de 400 anos Coincidindo com a supernova ocorreu uma rajada de neutrinos nãousual a qual foi observada pelo detector subterrâneo IrvineMichiganBrookhaven recentemente reformado Esse detector con siste em um volume de 6800 metros cúbicos de água cercado por 2048 tubos fotomultiplicadores de grande área e alta sensibilidade alocados em uma mina de sal sob o Lago Erie Quando pelo menos 20 fotomultiplicado ras detectam um pulso de radiação Cherenkov azul gerado pelo impacto dos neutrinos com as moléculas de água dentro de um intervalo de tempo de 55 ns atestase a ocorrência de um neutrino Esse detector e outros como ele foram construídos com a finalidade de detectar o decaimento espontâneo de prótons nas moléculas de água Esses experimentos são de longa duração e os dados do detector registrados continuamente Em conseqüência o detector estava preparado para monitorar a rajada de neutrinos da Supernova 1987a O tubo fotomultiplicador é um dos tipos de detectores de radiação descritos neste capítulo Instrumentos para a Espectrometria Óptica CAPÍTULO 25 O s componentes básicos dos instrumentos analíticos para a espectroscopia de absorção bem como para espectroscopia de emissão e fluorescência são notavelmente semelhantes em sua função e nos seus requisitos de desempenho quer sejam desenhados para a radiação ultravioleta UV visível ou infravermelha IV Em razão dessas semelhanças esses instrumentos são freqüentemente designados por instrumentos ópticos mesmo sabendose que o olho humano é sensível somente à região do visível Neste capítulo examinaremos primeiro as características dos componentes comuns a todos os instrumentos ópticos Então iremos considerar as carac terísticas de instrumentos típicos projetados para a espectroscopia de absorção no UV visível e IV 25A COMPONENTES DOS INSTRUMENTOS Muitos instrumentos espectroscópicos para uso nas regiões do UVvisível e IV apresentam cinco compo nentes 1 uma fonte estável de energia radiante 2 um seletor de comprimento de onda que isola uma região limitada do espectro para a medida 3 um ou mais recipientes para a amostra 4 um detector de radiação o qual converte a energia radiante para um sinal elétrico mensurável e 5 uma unidade Com freqüência denominamos as regiões do UVvisível e IV do espectro de região óptica Mesmo sabendo que o nervo óptico responde somente à radiação visível as outras regiões são incluídas pelo fato de que as lentes espelhos prismas e redes empregados são semelhantes e operam de maneira comparável Portanto a espectroscopia nas regiões do UVvisível e IV é sempre chamada espectroscopia óptica de processamento e de leitura do sinal geralmente constituída por um circuito eletrônico e nos instrumen tos modernos por um computador A Figura 251 ilustra as três configurações resultantes do arranjo destes componentes destinadas a efetuar as medidas espectroscópicas ópticas Como pode ser visto na figura os componentes 3 4 e 5 apresentam configurações semelhantes independentemente do tipo de medida Os primeiros dois tipos de arranjo para a espectroscopia de absorção e fluorescência requerem uma fonte de radiação externa Nas medições de absorção ver Figura 251a a atenuação da fonte de radiação a um comprimento de onda selecionado é medida Nas medições da fluorescência ver Figura 251b a fonte excita o analito que produz a emissão de radiação característica a qual é normalmente medida a um ângulo de 90 com respeito ao feixe incidente proveniente da fonte Na espectroscopia de emissão ver Figura 251c a amostra é um emissor por si mesma e nenhuma fonte de radiação externa fazse necessária Em métodos de emissão a amostra é em geral introduzida em um plasma ou uma chama que provê ener gia térmica suficiente para levar o analito a emitir uma radiação característica Os métodos de fluorescên cia e emissão são descritos em mais detalhes nos Capítulos 27 e 28 respectivamente SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 25 Instrumentos para a Espectrometria Óptica 705 Seletor de comprimento de onda Seletor de comprimento de onda Seletor de comprimento de onda 3 Amostra 3 Amostra 2 4 5 a c b 2 4 5 1 Fonte 1 Fonte Processador e leitor de saída do sinal Processador e leitor de saída do sinal 2 Detector Detector 0 50 100 0 50 100 3 Amostra 2 1 Fonte 4 5 Processador e leitor de saída do sinal Detector Seletor de comprimento de onda 0 50 100 Figura 251 Componentes de vários tipos de instrumentos para a espectroscopia óptica Em a é mostrado o arranjo para as medidas de absorbância Observe que a radiação de comprimento de onda selecionado atravessa por meio da amostra e a radiação transmitida é medida na unidade de detecçãoprocessamento de sinalleitura Em alguns instrumentos as posições da amostra e do seletor de comprimento de onda são invertidas Em b é indicada a configuração para as medidas de fluorescência Aqui dois seletores de comprimento de onda são necessários para selecionar os comprimentos de onda de excitação e da emissão A radiação da fonte é selecionada e incidida na amostra e a radiação emitida é medida geralmente em ângulo reto para evitar o espalhamento Em c é indicada a configuração para a espectroscopia de emissão Aqui uma fonte de energia térmica como uma chama ou plasma produz um vapor do analito que emite uma radiação isolada pelo seletor de comprimento de onda e convertida a um sinal elétrico pelo detector 25A1 Materiais Ópticos As células janelas lentes espelhos e elementos de seleção de comprimento de onda devem nos instru mentos de espectroscopia óptica transmitir a radiação na região de comprimento de onda investigada A Figura 252 mostra as faixas de comprimento de onda úteis para vários materiais ópticos que são empre gados nas regiões do UV visível e IV do espectro O vidro silicato comum é completamente adequado para o uso na região do visível e apresenta a grande vantagem de ser de baixo custo Na região do UV em com 710 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Os lasers de corante são líquidos e contêm um corante fluorescente como as rodaminas cumari na ou fluorisceína Esses lasers têm sido construídos para operar em comprimentos de onda desde a região do IV até a região do UV O efeitolaser ocorre geralmente entre o primeiro estado singleto e o estado fundamental Os lasers podem ser bombeados por lâmpadas flash ou por outro laser como aque les previamente discutidos O efeitolaser pode ser sustentado sobre uma faixa contínua de compri mentos de onda da ordem de 40 a 50 nm A faixa larga sobre a qual o efeitolaser ocorre torna o laser de corante adequado para ser sintonizado por meio da inserção de uma rede um filtro um prisma ou de um elemento interferométrico dentro da cavidade do laser Os lasers de corante são muito úteis na espectroscopia de fluorescência molecular e para muitas outras aplicações Os lasers de semicondutores também denominados lasers de diodo obtêm a inversão de popu lação entre uma banda de condução e a banda de valência de uma junção pn de um diodo Várias com posições do material semicondutor podem ser empregadas para fornecer comprimentos de onda de saída diferentes Os lasers de diodo podem ser sintonizados sobre um pequeno intervalo de comprimento de onda Esses lasers produzem saídas na região do IV do espectro Têmse tornado extremamente úteis em aparelhos de CD drivers de CDROM impressoras a laser e em aplicações espectroscópicas como em espectroscopia Raman A radiação laser é altamente direcional espectralmente pura coerente e de alta intensidade Essas propriedades têm tornado possível aplicações em pesquisa que são únicas e que não poderiam ser fa cilmente realizadas com o uso de fontes convencionais Apesar dos muitos avanços na tecnologia e ciência dos lasers apenas recentemente esses se tornaram rotineiramente úteis para os instrumentos analíticos Mesmo atualmente os lasers de alta potência de NdYAG e de exímeros são difíceis de ser alinhados e de se usar Deveremos observar muitos desenvolvimentos inovadores na tecnologia dos lasers no futuro próximo a b Espelho Chave Q Polarizador Lâmpada flash Lâmpada flash Filtro Espelho de saída Saída do laser Cilindro de YAG 730 nm 800 nm Transições bombeadas Transições nãoradiativas Saída do laser a 106 mm Figura 25D2 Esquema de um laser de NdYAG a e níveis de energia b As transições bombeadas se situam na região do vermelho do espectro e a saída do laser se situa no infravermelho próximo O laser é bombeado por uma lâmpada flash A região entre os dois espelhos constitui a cavidade do laser 716 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON A dispersão da radiação UVvisível pode ser obtida dirigindose um feixe policromático através de uma rede de transmissão ou sobre uma superfície de uma rede de reflexão A rede de reflexão é de longe a mais comum As réplicas de redes que são empregadas como monocromadores são manufaturadas a partir de uma rede mestra A rede mestra consiste em um número muito grande de ranhuras gravadas em uma superfície dura e polida com uma ferramenta de diamante de formato adequado Para a região do UVvisível uma rede conterá de 50 a 6000 ranhuras mm1 sendo mais comuns as de 1200 a 2400 As redes mestras são gravadas por uma ferramenta de diamante operada por uma máquina de gravação A construção de uma rede mestra é tediosa demorada e de alto custo porque as ranhuras pre cisam ter tamanhos idênticos devem ser exatamente paralelas e igualmente espaçadas sobre a exten são da rede tipicamente de 3 a 10 cm Por causa da dificuldade de construção poucas redes mestras são produzidas A era moderna das redes data dos anos de 1880 quando Rowland construiu uma máquina capaz de gravar redes de até 6 polegadas de largura com mais de 100000 ranhuras Um desenho simplificado da máquina de Rowland é mostrado na Figura 25D3 Nessa máquina uma rosca de alta precisão move o carro da rede enquanto uma ponta de diamante corta as ranhuras finas paralelas Imagine a gravação manual de uma rede com 100 mil ranhuras em uma extensão de 6 polegadas A máquina requeria cerca de cinco horas apenas para aquecerse até uma temperatura aproximadamente uniforme Depois disso aproximadamente 15 horas a mais eram necessárias para se obter uma camada uniforme de lubrificante sobre a superfície Somente após esse tempo o diamante era abaixado para iniciar o processo de gravação As redes grandes requeriam quase uma semana para ser produzidas Dois importantes aper feiçoamentos foram introduzidos por Strong nos anos 1930 O mais significativo foi a deposição de alumínio sobre o vidro para produzir o material a ser trabalhado A fina camada de alumínio formava uma superfície muito mais uniforme e reduzia o desgaste da ferramenta de diamante O segundo aper feiçoamento consistiu em mover a rede em vez da ferramenta de diamante Construção de Redes DESTAQUE 253 Figura 25D3 Diagrama simplificado da máquina de gravação de Rowland Uma única rosca de alta precisão movimenta o carro da rede Uma ponta de diamante se movimenta então sobre a rede a qual é gravada em uma superfície espelhada côncava As máquinas desse tipo serviram como modelos para muitas máquinas de gravação construídas desde o tempo de Rowland As máquinas de gravação estão entre os dispositivos mecânicos macroscópicos de maior precisão jamais construídos As redes que elas produziram desempenharam um papel fundamental em muitos avanços importantes na ciência durante o século passado Filtros de Radiação Os filtros operam pela absorção de toda a radiação de uma fonte contínua com exceção de uma banda estreita Como mostrado na Figura 2510 dois tipos de filtro são empregados em espectroscopia filtros de interferência e filtros de absorção Os filtros de interferência são tipicamente utilizados para medidas de absorção sendo que eles geralmente transmitem uma fração muito maior de radiação nos seus compri mentos de onda nominais do que fazem os filtros de absorção SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 25 Instrumentos para a Espectrometria Óptica 717 Hoje as máquinas de gravação empregam o controle interferométrico ver Destaque 257 do processo de gravação Pouco menos de 50 máquinas de gravação estão em uso ao redor do mundo Mesmo que todas essas máquinas fossem operadas 24 horas por dia elas não atingiriam nem de longe a demanda por redes Felizmente as técnicas modernas de recobrimento e a tecnologia das resinas tornaram possível a produção de réplicas de redes de alta qualidade As réplicas de redes são formadas a partir de uma rede mestra por deposição a vácuo de alumínio sobre a rede mestra gravada A camada de alumínio é subseqüentemente recoberta com um material do tipo epóxido O material é então polimerizado e a réplica separada da rede mestra As redes replicadas atualmente são superiores às redes mestras produzidas no passado Outra forma de se fabricar redes resulta da tecnologia dos lasers Essas redes holográficas são feitas por meio do recobrimento de uma placa de vidro com um material que é fotossensível Os feixes de um par idêntico de lasers atingem a superfície do vidro As franjas de interferência ver Destaque 257 dos dois feixes sensibilizam o fotorresiste formando áreas que podem ser removidas por dis solução gerando a estrutura de ranhuras Depois depositase alumínio sob vácuo para produzirse uma rede refletora O espaçamento entre as ranhuras pode ser modificado alterandose o ângulo dos dois feixes de laser um em relação ao outro Redes virtualmente perfeitas com até 6 mil linhas por mm podem ser manufaturadas dessa forma a um custo relativamente baixo As redes holográficas não são tão eficientes em termos de luminosidade quanto as redes gravadas mecanicamente contudo elas eliminam o problema de linhas falsas denominado fantasmas de rede e reduzem o espalhamento de luz que resulta de erros na gravação mecânica Comprimento de onda nm Porcentagem de transmitância 400 80 60 40 20 450 500 550 Largura da banda 10 nm Comprimento de onda nominal 448 nm Comprimento de onda nominal 500 nm Filtro de interferência Largura de banda 50 nm Filtro de absorção Figura 2510 Larguras de banda para dois tipos de filtros Detectores Térmicos Os detectores de fótons convenientes discutidos na seção anterior não podem ser empregados para medir a radiação infravermelha porque os fótons dessas freqüências não apresentam energia para produzir a foto emissão de elétrons em conseqüência os detectores térmicos devem ser empregados Infelizmente as características de desempenho dos detectores térmicos são muito inferiores àquelas dos fototubos tubos fotomultiplicadores diodos de silício e células fotovoltaicas Um detector térmico apresenta uma superfície pequena enegrecida que absorve radiação infraverme lha aumentando conseqüentemente a sua temperatura O aumento de temperatura é convertido em um sinal elétrico que é amplificado e medido Sob as melhores circunstâncias as variações de temperatura envolvidas são mínimas e atingem poucos milésimos de graus Celsius A dificuldade de medição é agrava da também pela radiação térmica do ambiente que é sempre uma fonte potencial de incerteza Para mi nimizar os efeitos desse ruído externo o feixe vindo da fonte é recortado por um disco rotatório inserido entre a fonte e o detector O recorte produz um feixe que flutua regularmente de intensidade zero à máxi ma O transdutor converte esse sinal periódico de radiação em um sinal de corrente elétrica alternada que pode ser amplificada e separada da radiação de fundo Apesar dessas precauções as medidas no infraver melho são significativamente menos precisas que as medidas das radiações ultravioleta e visível Como mostrado na Tabela 252 p 760 quatro tipos de detectores térmicos são utilizados para a espectroscopia no infravermelho O mais empregado é constituído por um pequeno termopar ou um grupo de termopares denominado termopilha Esses dispositivos consistem em um ou mais pares de junções de metais diferentes que desenvolvem uma diferença de potencial quando suas temperaturas diferem entre si A grandeza do potencial depende da diferença de temperatura Um bolômetro é um elemento condutor cuja resistência elétrica varia em função da temperatura Os bolômetros são fabricados de tiras de metais tais como o níquel ou a platina ou de semicondutores cons tituídos por óxido de níquel ou cobalto esses últimos são chamados termistores Um detector pneumático consiste em uma pequena câmara cilíndrica preenchida com xenônio e que contém uma membrana enegrecida para absorver a radiação infravermelha e aquecer o gás Uma extremi dade do cilindro é vedada com um diafragma flexível que se move para dentro ou para fora à medida que a pressão do gás varia com o seu resfriamento ou aquecimento A temperatura é determinada pela posição do diafragma Os detectores piroelétricos são manufaturados com cristais de materiais piroelétricos como o titana to de bário ou sulfato de triglicina Quando um cristal de um desses compostos é interposto entre um par de eletrodos um deles sendo transparente à radiação infravermelha uma voltagem dependente da tem peratura desenvolvese e pode ser amplificada e medida 25A5 Processadores de Sinal e Dispositivos de Leitura Um processador de sinal ordinariamente é um dispositivo eletrônico que amplifica o sinal elétrico prove niente de um detector além disso pode alterar o sinal de cc para ca ou de forma reversa variar a fase do sinal e filtrálo para remover os componentes indesejados O processador de sinal pode também ser soli SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 25 Instrumentos para a Espectrometria Óptica 727 5 V Eletrodos Isolante de SiO2 Silício dopado tipo n Substrato 10 V hν Figura 2517 Seção transversal de um dos pixels de um dispositivo de transferência de carga A vacância positiva produzida pelo fóton hn é coletada sob o eletrodo negativo empregam um filtro para seleção do comprimento de onda juntamente com um transdutor de radiação ade quado Os espectrofotômetros oferecem a vantagem considerável de que o comprimento de onda pode ser alterado continuamente tornando possível registrarse um espectro de absorção Os fotômetros apresentam as vantagens da simplicidade da robustez e do baixo custo Várias dezenas de modelos de espectro fotômetros estão disponíveis comercialmente A maioria dos espectrofotômetros cobre a região do UVvisível e ocasionalmente a região do infravermelho próximo enquanto os fotômetros são quase exclusivamente utilizados na região do visível Os fotômetros encontram uso considerável como detectores para cromatografia eletroforese imunoensaios ou análise em fluxo contínuo Ambos os fotômetros e os espectrofotômetros podem ser encontrados nas variedades de feixe único ou duplo 25B1 Instrumentos de Feixe Único A Figura 2519 mostra um desenho de um espectrofotômetro de baixo custo o Spectronic 20 o qual é pro jetado para uso na região do visível do espectro Esse instrumento surgiu inicialmente no mercado em meados dos anos 1950 e a versão modificada que está representada na figura ainda é produzida e bastante vendida O número de instrumentos desse tipo que está correntemente em uso ao redor do mundo é maior que o de qualquer outro modelo de espectrofotômetro 730 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Dispositivo de leitura digital Compartimento da célula Ajuste de 0 T Ajuste de 100 T Seleção do comprimento de onda Lente de campo Fenda de entrada Lâmpada de tungstênio Lente objetiva Disco excêntrico de controle do comprimento de onda Rede Controle de luminosidade Obturador Fenda de saída Amostra Filtro b a Detector de estado sólido Figura 2519 O espectrofotômetro Spectronic 20 Uma fotografia do instrumento é mostrada em a enquanto o seu diagrama óptico pode ser visto em b A radiação de uma fonte de filamento de tungstênio passa através de uma fenda de entrada para o monocromador Uma rede refletora difrata a radiação e uma faixa selecionada de comprimentos de onda passa através da fenda de saída para a câmara da amostra Um detector de estado sólido converte a intensidade de luz em um sinal elétrico que é amplificado e apresentado em um mostrador digital Cortesia de ThermoElectron Corp Madison WI 25B3 Instrumentos Multicanais Os arranjos de fotodiodos e os dispositivos de transferência de carga discutidos na Seção 25A4 cons tituem a base dos instrumentos multicanais para absorção UVvisível Esses instrumentos geralmente apresentam o desenho de feixe único ilustrado na Figura 2521 Nos sistemas multicanais o sistema dis persivo é um espectrógrafo de rede colocado após a célula da amostra ou de referência O arranjo de foto diodos é colocado no plano focal do espectrógrafo Esses detectores permitem a medida do espectro total em menos de 1 s Com desenhos de feixe único a corrente de escuro do arranjo é adquirida e armazena da na memória do computador Depois o espectro da fonte é obtido e armazenado na memória após a subtração da corrente de escuro Finalmente o espectro original da amostra é obtido e depois da sub tração da corrente de escuro os valores da amostra são divididos pelos valores da fonte a cada compri mento de onda e as absorbâncias são calculadas Os instrumentos tipo multicanais podem também ser configurados como espectrofotômetros de feixe duplo temporal 732 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Amplificador P0 P Espelho estriado Espelho setorizado Motor Transparente Vista frontal Espelho Espelho Cunha óptica Detector de nulo Célula de referência Célula da amostra 100 50 0 Fotodetector 0 Fonte hν Filtro ou monocromador 0 50 100 Fonte a b c h P0 ν Obturador Dispositivo de leitura Célula de referência Célula da amostra Fotodetector Amplificador Filtro ou monocromador 0 50 100 P0 P Dispositivo de leitura Fotodetector 1 Foto detector 2 Amplificador diferencial Fonte hν Obturador Espelho Divisor de feixes Célula da amostra Filtro ou monocromador Célula de referência Figura 2520 Desenhos de instrumentos para fotômetros ou espectrofotômetros UVvisível Em a é apresentado um instrumento de feixe único A radiação vinda de um filtro ou monocromador passa por uma célula de referência ou célula da amostra antes de atingir o fotodetector Em b é mostrado um instrumento de feixe duplo espacial Nesse caso a radiação vinda do filtro ou monocromador é dividida em dois feixes que passam simultaneamente pela célula de referência e da amostra antes de atingir dois detectores casados No instrumento de feixe duplo temporal c o feixe é alternadamente enviado através das células de referência e da amostra antes de atingir um único fotodetector Somente poucos milissegundos separam os feixes quando eles passam pelas duas células SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 25 Instrumentos para a Espectrometria Óptica 735 Os espectrômetros com transformada de Fourier utilizam um dispositivo engenhoso denominado interferômetro de Michelson o qual foi desen volvido há muitos anos por A A Michelson para efetuar medidas precisas do comprimento de onda da radiação eletromagnética e para fazer medidas de distância com incrível exatidão Os princípios da interferometria são utilizados em muitas áreas da ciência incluindo a química físi ca astronomia e metrologia sendo aplicados em muitas regiões do espectro eletromagnético Um diagrama de um interferômetro de Michelson é exposto na Figura 25D6 Este con siste em uma fonte de luz colimada mostrada à esquerda do diagrama um espelho estacionário acima um espelho móvel à direita um divisor de feixe e um detector A fonte de luz pode ser uma fonte contínua como na espectroscopia de FTIR ou pode ser uma fonte monocromática como um laser ou uma lâmpada de arco de sódio para ou tros usos por exemplo medidas de distância Os espelhos são de vidro polido ultraplanos com uma camada refletora depositada na forma de vapor em suas superfícies O espelho móvel é em geral montado em um posicionador linear preciso que permite que ele se mova ao longo da direção do feixe de luz enquanto se mantém perpendicular a este como representado no diagrama A chave para a operação do interferômetro é o divisor de feixe o qual é geralmente cons tituído por um espelho semiprateado similar aos espelhos de um só lado vistos nas lojas e nas salas policiais de interrogatório O divisor de feixe permite que uma fração do feixe que o atinge passe através do espelho enquanto outra fração é refletida Esse dispositivo funciona nas duas direções de forma que a luz que atinge qualquer um dos lados do divisor de feixe seja parcialmente refletida e parcialmente trans mitida Como Funciona um Espectrômetro com Transformada de Fourier DESTAQUE 257 Espelho estacionário Espelho móvel Divisor de feixe Detector Fonte A A A B B B A Amostra Figura 25D6 Diagrama de um interferômetro de Michelson Um feixe da fonte de luz à esquerda é dividido em dois feixes pelo divisor de feixes Os dois feixes percorrem caminhos separados e convergem sobre o detector Os dois feixes A e B convergemse na mesma região do espaço e formam um padrão de interferência À medida que o espelho móvel à direita se desloca o padrão de interferência se desloca sobre o detector e modula o sinal óptico O interferograma de referência resultante é registrado e empregado como medida da potência do feixe incidente em todos os comprimentos de onda Uma amostra absorvente é inserida então no feixe e o interferograma da amostra é registrado Os dois interferogramas são empregados para computar o espectro de absorção da amostra continua SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 25 Instrumentos para a Espectrometria Óptica 737 como duas fontes pontuais de luz representadas na parte superior da figura Quando os dois feixes se interferem formam um padrão similar àquele mostrado Em regiões nas quais as ondas se inter ferem construtivamente aparecem bandas claras e onde a interferência destrutiva ocorre são formadas bandas escuras As bandas claras e escuras alter nadas são chamadas franjas de interferência Essas franjas aparecem no detector como a imagem de saída indicada na parte de baixo da figura Nas primeiras versões do interferômetro de Michelson o detector era o olho humano auxiliado por um telescópio As franjas podiam ser contadas ou medidas através do telescópio Quando o espelho móvel se desloca para a esquerda a uma velocidade constante um padrão de interferência gradualmente se move sobre o detector à medida que o caminho que o feixe B percorre é gradualmente reduzido A forma do padrão de interferência permanece a mesma mas as posições das interferências construtiva e destrutiva são deslocadas conforme a diferença de caminho se altera Por exemplo se o comprimen to de onda da nossa fonte de laser for l à pro porção que movemos o espelho de uma distância de l4 a diferença de caminho entre os dois fei xes muda de l2 e onde tínhamos interferência construtiva temos agora interferência destrutiva Se movermos o espelho por mais l4 a diferença de caminho se altera de l2 novamente e retor namos mais uma vez à interferência construtiva À medida que o espelho se move as duas frentes de onda são deslocadas no espaço uma em relação à outra e franjas claras e escuras alternadas se movem sobre o detector como ilustrado na Figura 25D8a No detector encontramos o per fil senoidal de intensidade mostrado na Figura 25D8b Esse perfil é denominado interferogra ma O efeito líquido da movimentação uniforme e constante do espelho é que a intensidade da luz na saída do interferômetro é modulada ou varia da sistematicamente de uma forma precisamente controlada como indicado na figura Na prática constatase que não é muito fácil mover o espelho do interferômetro a uma velocidade constante e precisamente controlada Há uma forma melhor e muito mais precisa de monitorar a movimentação do espelho por meio do uso de um interferômetro paralelo9 Nesse caso presumimos que podemos medir ou monitorar o movimento do espelho e compensar qualquer movimentação nãouniforme computacionalmente Estabelecemos que um interferômetro de Michelson com uma fonte de luz monocromática produz um sinal que varia senoidalmente no detector quando o espelho se move à velocidade constante Agora devemos investigar o que acon tece com o sinal uma vez que este é registrado Embora as características dos interferômetros de Michelson sejam muito bem conhecidas por mais de um século e a ferramenta matemática para tratar os dados esteja por aí há mais de dois sé culos o dispositivo não pôde ser empregado rotineiramente em espectroscopia até que dois desenvolvimentos acontecessem 1 os computa dores de alta velocidade e baixo custo tiveram de se tornar disponíveis e 2 os métodos computa cionais apropriados tiveram de ser inventados para manusear a enorme quantidade de cálculos mesmo que simples que devem ser aplicados aos dados adquiridos nos experimentos interfero métricos Em resumo os princípios da síntese e análise de Fourier nos dizem que qualquer forma ondulatória pode ser representada como uma série de ondas senoidais e de forma correspon dente que qualquer combinação de ondas senoidais pode ser decomposta em uma série de senóides de freqüência conhecida Podemos aplicar essa idéia ao sinal senoidal detectado na saída do interferômetro de Michelson apontada na Figura 25D8b Se sujeitarmos o sinal da figura a uma análise de Fourier por meio de um algoritmo computa cional denominado transformada de Fourier rápi da FFT do inglês fast fourier transform obte mos a freqüência do espectro ilustrado na Figura 25D8c Observe que a forma de onda original na Figura 25D8b é um sinal dependente do tempo a saída resultante da FFT é um sinal dependente da freqüência Em outras palavras a FFT toma os sinais de amplitude no domínio do tempo e os converte em potência no domínio de freqüência 9D A Skoog F J Holler e TA Nieman Principles of Instrumental Analysis 5 ed Capítulo 5 p 393 Belmont CA BrooksCole 1998 continua 738 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Uma vez que a saída do interferômetro é uma onda senoidal o espectro de freqüências mostra um único valor definido de freqüência n a fre qüência da onda senoidal original Essa freqüên cia é proporcional à freqüência óptica emitida pela fonte de laser mas de valor muito menor de forma que possa ser medida e manipulada com a eletrônica moderna Agora modificamos o inter ferômetro de maneira que possamos obter uma segunda onda senoidal na saída Uma forma de se fazer isso consiste simplesmente em adicionar um segundo comprimento de onda à nossa fonte de luz Experimentalmente um segundo laser ou outra fonte monocromática de luz na entrada do interferômetro nos fornece um feixe que contém apenas dois comprimentos de onda Por exemplo suponha que o segundo com primento de onda seja de um quarto do primeiro isto é a segunda freqüência é 4n Além disso pressuponha que sua intensidade seja a metade da intensidade da fonte original Como resultado o sinal que aparece na saída do interferômetro exibiria um padrão de algo mais complexo que no exemplo de comprimento de onda único como pode ser visto na Figura 25D8d O registro gráfi co do sinal do detector mostrase como a soma de duas ondas senóides Figura 25D8e Então apli camos a FFT ao sinal senoidal complexo para pro duzir o espectro de freqüência da Figura 25D8f Esse espectro revela somente duas freqüências a n e 4n e as grandezas relativas das duas freqüên cias são proporcionais às amplitudes das duas Amplitude b Tempo Amplitude e Tempo Fonte com um comprimento de onda Fonte com dois comprimentos de onda a d Potência c Freqüência Transformada de Fourier ν Potência f Freqüência Transformada de Fourier ν 4ν Figura 25D8 Formação de interferogramas na saída do interferômetro de Michelson a Padrão de interferência na saída do interferômetro resultante de uma fonte monocromática b Sinal de variação senoidal produzido no detector pelo padrão em a c Espectro de freqüência da fonte de luz monocromática resultante da transformação de Fourier do sinal em b d Padrão de interferência na saída do interferômetro resultante de uma fonte de duas cores e Sinal complexo produzido pelo padrão de interferência de d quando este atinge o detector f Espectro de freqüência da fonte de duas cores ver encarte colorido SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 25 Instrumentos para a Espectrometria Óptica 739 Intensidade Amplitude Comprimento de onda a b Tempo Figura 25D9 a Espectro de uma fonte de luz contínua b Interferograma da fonte de luz em a produzido na saída do interferômetro de Michelson 10J D Ingle Jr e S R Crouch Spectrochemical Analysis p 425426 Upper Saddle River NJ PrenticeHall 1988 ondas senoidais que compõem o sinal original As duas freqüências correspondem às duas freqüên cias na nossa fonte de luz do interferômetro e a FFT revelou as intensidades da fonte naqueles dois comprimentos de onda Para ilustrar como o interferômetro de Michelson é empregado em experimentos práti cos colocamos uma fonte de luz infravermelha contínua contendo um número enorme de com primentos de onda na entrada do interferômetro À medida que o espelho se move ao longo do seu caminho todos os comprimentos de onda são modulados simultaneamente o que produz o in terferograma muito interessante apresentado na Figura 25D9b Esse interferograma contém toda a informação que queremos em um experimento de espectroscopia com respeito à intensidade da fonte de luz a todos os seus comprimentos de onda Como sugerido na seção anterior há inú meras vantagens em adquirirse a informação sobre intensidade dessa forma do que empregan do um espectrômetro de varredura10 Primeiro há a vantagem da velocidade O espelho pode ser movimentado em poucos segundos e um com putador conectado ao detector pode coletar os dados necessários durante o deslocamento do espelho Em poucos segundos mais o computa dor pode realizar a FFT e produzir o espectro de freqüência contendo toda a informação de inten sidade Segundo há ainda a vantagem de Fellgett que sugere que os interferômetros de Michel son são capazes de produzir razões sinalruído maiores em tempo menor que os instrumentos dispersivos equivalentes Finalmente temos a alta luminosidade ou vantagem de Jacquinot que permite cerca de 10 a 200 vezes mais radiação passando pela amostra do que permitem os espec continua QUESTÕES E PROBLEMAS trômetros dispersivos Essas vantagens são fre qüentemente reduzidas pela menor sensibilidade dos detectores que são empregados em FTIR Sob essas circunstâncias a velocidade do proces so de medida a simplicidade e a confiabilidade dos espectrômetros FTIR tornamse consider ações primordiais Discutimos algumas dessas questões adiante no Capítulo 26 Até este ponto das nossas discussões sobre o espectrômetro FTIR temos mostrado como o in terferômetro de Michelson pode fornecer infor mação sobre as intensidades para uma fonte de luz em função do comprimento de onda O espectro de uma amostra pode ser adquirido obtendose primeiramente um interferograma de referência da fonte sem a amostra no caminho óptico como exposto na Figura 25D6 Então a amostra é colocada no caminho indicado pela seta e pelo retângulo tracejado na figura e uma vez mais varremos o espelho e adquirimos um segundo interferograma Em espectrometria FTIR a amostra absorve a radiação infraverme lha o que atenua os feixes no interferômetro A diferença entre o segundo interferograma amostra e o interferograma de referência é computada Uma vez que o interferograma resul tante da diferença depende somente da absorção da radiação pela amostra a FFT é realizada apenas nos dados resultantes o que produz o espectro de IV da amostra Vamos discutir um exemplo específico desse processo no Capítulo 26 Finalmente deveríamos notar que a FFT pode ser efetuada empregandose os computa dores pessoais modernos mais simples equipa dos com os programas adequados Muitos pacotes de programas como o Mathcad Mathe matica Matlab e mesmo o Pacote de Ferramentas de Análise de Dados do Excel apresentam funções de análise de Fourier intrínsecas Essas ferramentas são amplamente empregadas na ciência e na engenharia por uma larga faixa de tarefas de processamento de sinal 740 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Use o seu programa de busca favorito para encontrar firmas que manufatu ram monocromadores Navegue em diversos sites dessas companhias na Web e encontre um monocromador UVvisível com o desenho de Czerny Turner que apresente resolução melhor que 01 nm Liste diversas outras especificações importantes dos monocromadores e descreva o que elas sig nificam e como afetam a qualidade das medidas espectroscópicas analíti cas A partir das especificações e se disponíveis dos preços determine os fatores que afetam mais significativamente o custo dos monocromadores EXERCÍCIOS NA WEB 251 Descreva as diferenças entre os seguintes itens e liste qualquer vantagem particular apresentada de um sobre o outro a filtros e monocromadores como sele tores de comprimento de onda b fotodiodos de estado sólido e foto tubos como detectores de radiação eletromagnética c fototubos e tubos fotomultiplicadores d espectrômetros convencionais e com arranjos de diodos 252 Defina o termo largura efetiva de banda de um filtro 253 Por que os tubos fotomultiplicadores não são adequados para a detecção de radiação infravermelha 254 Por que as análises quantitativas e qualita tivas requerem com freqüência monocro madores com fendas diferentes 255 Por que algumas vezes introduzse iodo em uma lâmpada de tungstênio 256 Descreva as diferenças entre os seguintes itens e liste qualquer vantagem particular apresentada de um sobre o outro a espectrofotômetros e fotômetros b espectrógrafos e policromadores 742 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON minada Psolvente é o sinal de referência obtido somente com o solvente na célula após a subtração do sinal de escuro Encontre a transmitância a cada compri mento de onda Faça um gráfico do espec tro do composto Comprimento de onda nm Psolvente Psolução 350 0002689 0002560 375 0006326 0005995 400 0016975 0015143 425 0035517 0031648 450 0062425 0024978 475 0095374 0019073 500 0140567 0023275 525 0188984 0037448 550 0263103 0088537 575 0318361 0200872 600 0394600 0278072 625 0477018 0363525 650 0564295 0468281 675 0655066 0611062 700 0739180 0704126 725 0813694 0777466 750 0885979 0863224 775 0945083 0921446 800 1000000 0977237 2524 Problema Desafiador Horlick descreveu os princípios matemáticos da transformada de Fourier interpretouos graficamente e descreveu como podem ser empregados em espectroscopia analítica11 Leia o arti go e responda às seguintes questões a Defina o que é domínio do tempo e domínio da freqüência b Escreva as equações para a integral de Fourier para sua transformação e de fina cada um dos termos das equações c O artigo mostra os sinais para o domí nio do tempo para uma onda cosenoi dal de 32 ciclos uma onda cosenoidal de 21 ciclos bem como as transfor madas de Fourier desses sinais Como se altera a forma do sinal no domínio das freqüências quando o número de ciclos das ondas originais se modifica d O autor descreve o fenômeno de atenua ção damping Que efeito a atenuação exerce sobre as ondas cosenoidais orig inais Que efeito isso acarreta no resul tado da transformada de Fourier e O que é uma função de resolução f O que é o processo de convolução g Discuta como a escolha da função de resolução pode afetar a aparência do espectro h A convolução pode ser empregada para diminuir a quantidade de ruído no es pectro Considere os gráficos abaixo de sinais no domínio do tempo e no domínio da freqüência Identifique os eixos para os cinco gráficos Por exem plo o gráfico b deve ser rotulado com amplitude versus tempo Caracterize cada gráfico como pertencendo ao domínio do tempo ou da freqüência i Descreva as relações matemáticas entre os gráficos Por exemplo como se pode chegar ao gráfico a a partir dos gráficos d e e j Discuta a importância prática de se po der reduzir o ruído nos sinais espec troscópicos a b d e c 11G Horlick Anal Chem 1971 v 43 n 8 p 61A66A o clorofórmio A fluorescência da solução orgânica é então medida Para um resumo mais completo sobre os métodos fluorimétricos para a determinação de substâncias inorgânicas ver o manual escrito por Dean3 A relaxação nãoradiativa de quelatos de metal de transição é tão eficiente que essas espécies rara mente fluorescem É importante observar que a maioria dos metais de transição absorve na região do UV e visível enquanto os íons de metais que não são de transição não o fazem Por essa razão a fluorescên cia é freqüentemente considerada complementar à absorção para a determinação de cátions 27D2 Métodos para Espécies Orgânicas e Bioquímicas O número de aplicações de métodos fluorimétricos a problemas orgânicos é impressionante Dean resume as aplicações mais importantes em uma tabela4 Mais de 200 entradas são encontradas sob o cabeçalho Espectroscopia de Fluorescência de Alguns Compostos Orgânicos incluindo vários compostos como adenina ácido antranílico hidrocarbonetos policíclicos aromáticos cisteína guanina isoniazida naftóis gases de nervo sarin e tabun proteínas ácido salicílico escatol triptofano ácido úrico e varfarina Coumadin Muitos agentes medicinais que podem ser determinados fluorimetricamente são listados incluindo a adrenalina morfina penicilina fenobarbital procaína reserpina e ácido lisérgico dietilamida LSD Sem sombra de dúvida a mais importante aplicação da fluorimetria está na análise de produtos ali mentícios fármacos amostras clínicas e produtos naturais A sensibilidade e seletividade do método o tor nam uma ferramenta particularmente valiosa nesses campos Uma quantidade numerosa de compostos fisiologicamente importantes fluorescem 27E ESPECTROSCOPIA DE FOSFORESCÊNCIA MOLECULAR A fosforescência é um fenômeno de fotoluminescência bastante similar à fluorescência A compreensão da diferença entre esses dois fenômenos requer a compreensão do spin eletrônico e da diferença entre o estado singleto e o estado tripleto As moléculas comuns que não sejam radicais livres existem no estado funda mental com seus spins de elétrons emparelhados Um estado eletrônico molecular no qual todos os spins dos elétrons estão emparelhados é denominado estado singleto O estado fundamental de um radical livre por outro lado é um estado dubleto porque o elétron pode assumir duas orientações em um campo magnético Quando um elétron de um par de elétrons é excitado em uma molécula para um nível de energia mais alto um estado singleto ou tripleto pode ser produzido No estado excitado singleto o spin do elétron pro movido é ainda oposto àquele do elétron que permaneceu no nível fundamental No estado tripleto contu do os spins dos dois elétrons tornamse desemparelhados sendo então paralelos Esses estados podem ser representados como ilustrado na Figura 2710 O estado excitado tripleto é menos energético que o estado excitado singleto correspondente SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 27 Espectroscopia de Fluorescência Molecular 791 3J A Dean Analytical Chemistry Handbook p 560562 Nova York McGrawHill 1995 4J A Dean Analytical Chemistry Handbook p 563569 Nova York McGrawHill 1995 Figura 2710 Estados de spin eletrônico das moléculas Em a é apresentado o estado eletrônico fundamental No estado de menor energia ou fundamental os spins são sempre emparelhados e o estado é dito ser do tipo singleto Em b e c são mostrados os estados eletrônicos excitados Se os spins permanecem emparelhados no estado excitado a molécula está no estado singleto b Se os spins tornamse desemparelhados a molécula está em um estado excitado tripleto c Estado excitado singleto b Estado excitado tripleto c Estado fundamental singleto a 28B PRODUÇÃO DE ÁTOMOS E ÍONS Em todas as técnicas espectroscópicas atômicas devemos atomizar a amostra convertendoa em átomos e íons em fase gasosa Na maioria das vezes as amostras são apresentadas ao atomizador na forma de solução embora algumas vezes introduzamos gases e sólidos Portanto o dispositivo de atomização deve realizar a tarefa complexa de converter as espécies do analito em solução para átomos ou íons elementares ou ambos em fase gasosa 28B1 Sistemas de Introdução da Amostra Os dispositivos de atomização pertencem a duas classes atomizadores contínuos e atomizadores dis cretos Nos atomizadores contínuos como os plasmas e as chamas as amostras são introduzidas de forma contínua Nos atomizadores discretos as amostras são introduzidas de forma discreta com um dispositi vo como uma seringa ou um autoamostrador O atomizador discreto mais comum é o atomizador eletrotérmico Os métodos gerais de se introduzir as soluções das amostras no plasma e nas chamas são ilustrados na Figura 285 A nebulização direta é empregada com maior freqüência Nesse caso o nebulizador intro duz constantemente a amostra na forma de uma nuvem de gotículas denominada aerossol Com essa introdução contínua da amostra na chama ou no plasma é produzida uma população em estado estacionário de átomos moléculas e íons Quando se emprega a análise por injeção em fluxo ou a cromatografia líquida uma zona da amostra que varia com o tempo é nebulizada pro duzindo uma população no estado de vapor que varia com o tempo Os processos complexos que devem ocorrer para que se produzam átomos livres ou íons elementares são ilustrados na Figura 286 800 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Figura 284 Espectro de massas de uma amostra padrão de rocha obtida por ablação a laserICPMS Componentes majoritários Na 52 Mg 021 Al 61 Si 263 K 53 Cu 14 Ti 018 e Fe 46 De Inorganic Mass Spectrometry F Adams R Gijbek e R Van Grieken Eds p 297 Nova York Wiley 1988 Esse material é utilizado com a permissão da WileyLiss Inc uma subsidiária da John Wiley Sons Inc Massa Da 200 100 0 Contagem do canal 103 0 20 40 60 28Si 27Al 23Na 16O 14N 12C 24Mg 39K 40Ca 56Fe 48Ti 40Ar Nebulizar significa converter um líquido em um jato gasoso spray ou névoa Um aerossol é uma suspensão de partículas líquidas ou sólidas finamente divididas em um gás Amostras discretas de soluções são introduzidas transferindose uma alíquota da amostra para o atomi zador A nuvem de vapor produzida nos atomizadores eletrotérmicos é transiente por causa da quantidade limitada de amostra disponível As amostras sólidas podem ser introduzidas nos plasmas sendo vaporizadas com uma centelha elétri ca ou com um feixe de laser A volatilização pelo uso de laser chamada freqüentemente ablação a laser temse tornado um método popular para se introduzir amostras em plasmas acoplados indutivamente Nesse caso um laser de alta potência geralmente um laser de NdYAG ou exímero é dirigido para uma porção da amostra sólida A amostra é então vaporizada por aquecimento radiativo A pluma de vapor pro duzida é varrida para o plasma por um gás carregador SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 28 Espectroscopia Atômica 801 Figura 285 Métodos contínuos de introdução da amostra As amostras são freqüentemente introduzidas em plasmas e em chamas por meio de nebulizadores os quais produzem uma névoa ou jato gasoso As amostras podem ser introduzidas diretamente no nebulizador por meio de um sistema de análise por injeção em fluxo AIF ou cromatografia líquida de alta eficiência CLAE Em alguns casos as amostras são convertidas separadamente em vapor por um gerador de vapor como um gerador de hidreto ou vaporizador eletrotérmico Nebulizador CLAE AIF Chama ou plasma Solução da amostra Gerador de vapor Figura 286 Processos que levam à produção de átomos moléculas e íons em sistemas contínuos de introdução de amostras em um plasma ou em uma chama A solução da amostra é convertida em um jato gasoso pelo nebulizador A alta temperatura da chama ou do plasma causa a evaporação do solvente formando um aerossol de partículas secas O aquecimento adicional volatiliza as partículas produzindo espécies atômicas moleculares e iônicas Essas espécies estão freqüentemente em equilíbrio pelo menos em certas regiões localizadas Jato gasoso spray Aerossol seco Íons Átomos livres Solução da amostra Nebulização Dessolvatação Volatilização Moléculas 28B2 Fontes de Plasma Os atomizadores de plasma os quais tornaramse disponíveis comercialmente em meados dos anos 1970 oferecem diversas vantagens em espectroscopia atômica analítica4 A atomização em plasma tem sido empregada para emissão fluorescência e espectrometria de massa atômica Por definição um plasma é uma mistura gasosa condutiva con tendo uma concentração significativa de cátions e elétrons No plasma de argônio utilizado para a espectroscopia atômica os íons argônio e elétrons são as espécies condutoras principais embora os cátions da amostra possam também contribuir Os íons argônio uma vez formados no plasma são capazes de absorver potência suficiente de uma fonte externa para manter a temperatura em um dado nível de forma que a ionização adicional sustenta o plasma indefinidamente temperaturas tão altas como 10000 K são obtidas Três fontes de potência têm sido empregadas em espectroscopia com plasma de argônio Uma delas é a fonte de arco elétrico cc capaz de sustentar uma corrente de vários ampères entre eletrodos imersos no plasma de argônio A segunda e terceira são os geradores de radiofreqüência e de freqüência de microon das pelos quais flui o argônio Das três a fonte de radiofreqüência ou plasma acoplado indutivamente ICP do inglês inductively coupled plasma oferece as maiores vantagens em termos de sensibilidade e menor efeito de interferências Essa fonte está comercialmente disponível a partir de um grande número de fabricantes de instrumentos para uso em espectrometria de massa e de emissão óptica Uma segunda fonte a fonte de plasma cc DCP do inglês dc plasma tem apresentado algum sucesso comercial mostrando as virtudes da simplicidade e do baixo custo Plasmas Acoplados Indutivamente A Figura 287 exibe um desenho esquemático de uma fonte de plasma acoplado indutivamente ICP Esta consiste em três tubos concêntricos de quartzo por meio dos quais correntes de argônio fluem a uma vazão total entre 11 e 17 Lmin O diâmetro do tubo mais largo é em torno de 25 cm Envolvendo a parte supe rior desse tubo encontrase uma bobina de indução refrigerada a água e alimentada por um gerador de radiofreqüência capaz de produzir cerca de 2 kW de energia a 27 MHz ou 40 MHz A ionização da cor rente de argônio é iniciada por uma centelha produzida por uma bobina de Tesla Os íons resultantes e seus elétrons associados interagem então com o campo magnético oscilante indicado por H na Figura 287 produzido pela bobina de indução I Essa interação leva os íons e os elétrons no interior da bobina a fluir em caminhos anelares fechados mostrados na figura o aquecimento ôhmico é conseqüência da sua resistência a este movimento A temperatura de um ICP é tão alta que este precisa ser isolado termicamente do cilindro de quartzo O isolamento é obtido por meio de um fluxo de argônio tangencial às paredes do tubo conforme indicado pelas setas na Figura 287 O fluxo tangencial resfria as paredes internas do tubo central e centraliza o plas ma radialmente A observação do plasma em ângulos retos como pode ser visto na Figura 288a é denominada geometria de observação radial Os instrumentos de ICP mais modernos têm incorporado uma geome tria de observação axial exposta na Figura 288b Nesse caso a tocha é girada a 90 A geometria axial foi popular originalmente para tochas empregadas como fontes de ionização para espectrometria de mas sas porque os íons podiam ser extraídos facilmente do topo da tocha para o interior da região de alto vácuo do espectrômetro de massas Mais recentemente as tochas axiais tornaramse disponíveis para espectrometria de emissão Diversas companhias manufaturam tochas que podem ser comutadas da 802 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON 4 Para uma discussão detalhada de várias fontes de plasma ver S J Hill Inductively Coupled Plasma Spectrometry and Its Applications Boca Raton FL CRC Press 1999 Inductively Coupled Plasmas in Analytical Atomic Spectroscopy 2 ed A Montaser e D W Golightly Eds Nova York WileyVCH Publishers 1992 Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry A Montaser Ed Nova York Wiley 1998 Inductively Coupled Plasma Emission Spectroscopy Partes 1 e 2 P W J M Boumans Ed Nova York Wiley 1987 Um plasma é um gás quente e parcialmente ionizado que contém uma concentração relativamente alta de elétrons e íons geometria de observação axial para a radial em espectrometria de emissão atômica A geometria radial fornece melhor estabilidade e precisão enquanto a geometria axial é usada para se obter limites de detecção mais baixos Durante os anos 1980 as tochas de baixas vazões e baixas potências apareceram no mercado Tipica mente essas tochas requerem um fluxo total de argônio menor que 10 Lmin e uma potência de radiofre qüência menor que 800 W SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 28 Espectroscopia Atômica 803 Figura 287 Fonte de plasma acoplado indutivamente De V A Fassel Science 1978 v 202 p 185 Reproduzida com permissão Copyright 1978 pela American Association for the Advancement of Science Bobina de indução de radiofreqüência Fluxo de argônio tangencial de suporte do plasma Aerossol ou vapor da amostra em argônio I I H H Figura 288 Geometrias de observação de fontes de ICP a Geometria radial empregada em espectrômetros de emissão atômica de ICP b geometria axial utilizada em espectrômetros de massas de ICP e em diversos espectrômetros de emissão atômica de ICP Espectrômetro a Espectrômetro b 28B4 Atomizadores Eletrotérmicos Os atomizadores eletrotérmicos que apareceram no mercado por volta de 1970 fornecem de forma geral um aumento de sensibilidade porque toda a amostra é atomizada em um curto intervalo de tempo e o tempo de residência médio dos átomos no caminho óptico é de 1 s ou maior5 Também as amostras são introduzidas em um forno de volume confinado o que significa que não são diluídas tanto como estariam em um plasma ou em uma chama Os atomizadores eletrotérmicos são empregados para as medidas de absorção atômica e de fluorescência atômica porém não têm sido de forma geral aplicados em trabalhos de emissão Contudo são empregados para vaporizar as amostras em espectroscopia de emissão em plas ma acoplado indutivamente Com o uso de atomizadores eletrotérmicos poucos microlitros da amostra são primeiramente deposi tados no forno com uma seringa ou por um autoamostrador Posteriormente uma série programada de eventos de aquecimento ocorre As etapas são a secagem a pirólise e a atomização Durante a etapa de secagem o solvente da amostra evaporase a uma temperatura relativamente baixa geralmente de 110 C Então elevase a temperatura entre 300 e 1200 C e a matéria orgânica é calcinada ou convertida em H2O e CO2 Após a pirólise aumentase rapidamente a temperatura até entre 2000 e 3000 C o que vaporiza e atomiza a amostra a atomização da amostra ocorre em um intervalo de tempo de poucos milissegundos a segundos A absorção ou a fluorescência das partículas atomizadas é então medida na região imediata mente acima da superfície aquecida Modelos de Atomizadores Os atomizadores eletrotérmicos comerciais são fornos tubulares pequenos e aquecidos eletricamente A Figura 2813a fornece uma visão do corte longitudinal de um atomizador eletrotérmico comercial A atomização ocorre em um tubo cilíndrico de grafite aberto em suas duas extremidades e que contém um orifício central para a introdução da amostra O tubo tem cerca de 5 cm de comprimento e um diâmetro interno um pouco menor que 1 cm O tubo descartável de grafite adaptase perfeitamente a um par de con tatos elétricos feitos de grafite localizados nas duas extremidades do tubo Esses contatos são mantidos em um compartimento metálico refrigerado a água Dois fluxos de gás inerte são providos O fluxo exter no previne a entrada de ar externo e a conseqüente incineração do tubo A corrente interna flui pelas duas extremidades do tubo e sai pelo orifício central Essa corrente de gás não só exclui o ar como também serve para carregar para fora os vapores gerados pela matriz da amostra durante os dois estágios iniciais de aquecimento A Figura 2813b ilustra a plataforma de Lvov a qual é freqüentemente empregada em fornos de grafite A plataforma é também feita de grafite e está localizada abaixo do orifício de introdução de amostra A amostra é evaporada e calcinada sobre essa plataforma da forma usual Quando a tempe ratura do tubo se eleva rapidamente contudo atrasase a atomização uma vez que a amostra não se encontra mais em contato direto com a parede do forno Em conseqüência a atomização ocorre em um ambiente no qual a temperatura não está se alterando tão rapidamente Como resultado os sinais mais reprodutíveis são obtidos Muitos outros modelos de atomizadores eletrotérmicos estão disponíveis comercialmente Sinais de Saída Os sinais de saída em absorção atômica eletrotérmica são transientes diferente daqueles em estado esta cionário observados na atomização em chama A etapa de atomização produz um pulso de vapor atômico que dura somente alguns segundos no máximo A absorbância do vapor é medida durante esse estágio SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 28 Espectroscopia Atômica 809 5Para uma discussão detalhada sobre os atomizadores eletrotérmicos ver B E Erickson Anal Chem 2000 v 72 p 543A Electrothermal Atomization for Analytical Atomic Spectrometry K W Jackson Ed Nova York Wiley 1999 D J Buther e J Sneddon A Practical Guide to Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry Nova York Wiley 1998 C W Fuller Electrothermal Atomization for Atomic Absorption Spectroscopy Londres The Chemical Society 1978 28B5 Outros Atomizadores Inúmeros outros dispositivos atomizadores têm sido empregados em espectroscopia As descargas em gás operadas a pressões reduzidas têm sido investigadas como fontes de emissão e de íons para espectrometria de massas A descarga luminescente glow discharge é gerada entre dois eletrodos planares em um tubo de vidro preenchido com gás a uma pressão de poucos torr Os lasers de alta potência têm sido utilizados no processo de ablação de amostras e para produzir a análise induzida por laser laserinduced break down Nessa última técnica a quebra dielétrica de um gás ocorre no ponto focal do laser No início da espectroscopia atômica os arcos de cc e ca e as cen telhas de alta voltagem eram populares para ser empregados na exci tação da emissão atômica Essas fontes foram quase totalmente subs tituídas pelo ICP 28C ESPECTROMETRIA DE EMISSÃO ATÔMICA A espectrometria de emissão atômica é amplamente usada em análise elementar O ICP é no momento a fonte mais popular para a espectrometria de emissão atômica embora o DCP e as chamas sejam ainda empregados em alguns casos 28C1 Instrumentação O diagrama de blocos de um espectrômetro típico de ICP é mostrado na Figura 2814 A emissão atômica ou iônica do plasma é separada em seus comprimentos de onda constituintes por um dispositivo isolador de comprimentos de onda Essa separação pode ocorrer em um monocromador em um policromador ou em um espectrógrafo O monocromador isola um só comprimento de onda por vez em uma única fenda Um dielétrico é um material não condutor de eletricidade Aplicando se altas voltagens ou radiação de um laser de alta potência um gás pode ser decomposto em íons e elétrons esse fenômeno é conhecido como quebra dielétrica 810 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Figura 2813 a Corte longitudinal de um atomizador de forno de grafite b A plataforma de Lvov e sua posição no forno de grafite A parte a é cortesia da PerkinElmer Corp Norwalk CT a parte b foi reproduzida com a permissão de W Slavin Anal Chem 1982 v 54 689A Copyright 1982 da American Chemical Society Para o espectro fotômetro Forno de grafite Fluxo interno de gás Tubo de grafite Janela Janela Anel de vedação Anel de vedação Feixe de luz Fluxo externo de gás a b Tubo de grafite Plataforma de saída enquanto um policromador isola vários comprimentos de onda simultaneamente em múltiplas fendas de saída O espectrógrafo provê uma grande abertura na sua saída permitindo a saída de uma faixa de comprimentos de onda A radiação isolada é convertida em sinais elétricos por um único transdutor por múltiplos transdutores ou por um arranjo de detectores Os sinais elétricos são então processados e supri dos como entrada para o sistema computacional Os espectrômetros de emissão em chama e aqueles de emissão de DCP seguem o mesmo diagrama de blocos exceto que a chama ou o DCP substitui o ICP como pode ser visto na Figura 2814 Espectrômetros de chama freqüentemente isolam múltiplos comprimentos de onda com um policromador Isolamento do Comprimento de Onda A espectrometria de emissão é normalmente utilizada em determinações mulielementares Em geral exis tem dois tipos de instrumentos disponíveis para esse propósito O espectrômetro seqüencial usa um monocromador e varre diferentes linhas de emissão em seqüência Geralmente os comprimentos de onda a ser empregados são determinados pelo usuário em um programa computacional e o monocromador movese rapidamente de um comprimento de onda para o próximo Alternativamente monocromadores podem varrer uma faixa de comprimentos de onda Os espectrômetros simultâneos verdadeiros empregam policromadores ou espectrógrafos O espectrômetro de leitura direta usa um policromador com até 64 detectores localizados em fendas de saída no plano focal Diversos espectrômetros modernos utilizam os espectrógrafos e um ou mais arranjos de detectores para monitorar múltiplos comprimentos de onda simultaneamente Alguns deles podem até combinar a função de varredura com a do espectrógrafo para projetar diferentes regiões de comprimento de onda no arranjo de detectores Os dispositivos disper sores desses espectrômetros podem ser grades combinações de grades e prismas ou grades tipo echelle Os instrumentos simultâneos são mais caros que os sistemas seqüenciais Para as determinações de rotina de metais alcalinos e alcalinos terrosos por emissão em chama de fotômetros de filtro simples são freqüentemente suficientes Uma chama de baixa temperatura é emprega da para prevenir a excitação de muitos outros metais Em conseqüência o espectro é simples e os filtros de interferência podem ser usados para isolar as linhas de emissão desejadas A emissão em chama foi ampla mente utilizada nos laboratórios clínicos para a determinação de sódio e potássio Esses métodos têm sido substituídos intensivamente por métodos que empregam eletrodos íonseletivos ver Seção 21D Transdutores de Radiação Os instrumentos de um único comprimento de onda empregam quase exclusivamente os transdutores foto multiplicadores como os espectrômetros de leitura direta O dispositivo de acoplamento de carga DAC SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 28 Espectroscopia Atômica 811 Figura 2814 Diagrama de blocos de um espectrômetro típico de emissão de ICP Dispositivo de isolamento de comprimento de ondas Processador de sinal Sistema computacional Nebulizador Transdutores Plasma Amostra Para a fonte de potência de rf temse tornado muito popular atualmente em arranjos de detectores em espectrômetros simultâneos e em alguns seqüenciais Esses dispositivos estão disponíveis contendo mais de 1 milhão de pixels para permi tir uma cobertura ampla de comprimentos de onda Um instrumento comercial usa um detector constituí do por uma matriz segmentada de dispositivos de acoplamento de carga de forma a permitir que mais de uma região de comprimento de onda seja monitorada simultaneamente Sistemas Computacionais e Programas Os espectrômetros comerciais vêm atualmente com computadores e programas potentes A maioria dos novos sistemas de emissão de ICP provê programas que podem auxiliar na seleção dos comprimentos de onda na calibração na correção de fundo na correção de efeitos interelementos na deconvolução espectral na cali bração por meio da adição de padrão na produção de gráficos de controle e na geração de relatórios 28C2 Fontes de Nãolinearidade em Espectrometria de Emissão Atômica Os resultados quantitativos em espectrometria de emissão atômica são baseados geralmente no método dos padrões externos ver Seção 8C2 Por muitas razões desejamos que as curvas de calibração analíti cas sejam lineares ou que pelo menos sigam uma relação preestabelecida A altas concentrações a maior causa da nãolinearidade quando se emprega as transições de ressonância é a autoabsorção Mesmo a altas concentrações a maior parte dos átomos do analito está no estado fundamental com apenas uma pequena fração sendo excitada Quando o átomo excitado emite os fótons emitidos podem ser absorvi dos pelos átomos que estão no estado fundamental uma vez que estes apresentam os níveis de energia apropriados para os absorver Em um meio no qual a temperatura não é homogênea as linhas de ressonância podem ser severamente alargadas e podem mesmo apresentar um pico negativo no centro devido ao fenômeno conhecido como autoreversão Em emissão em chama a autoabsorção é geral mente observada para as soluções de concentração entre 10 e 100 mgmL Em plasmas a autoabsorção freqüentemente não é observada até que as concentrações sejam altas em razão do caminho óptico menor para a absorção Em concentrações baixas a ionização do analito pode causar nãolinearidade na curva de calibração Nas fontes de ICP e de DCP as altas concentrações de elétrons no plasma tendem a agir como um tampão contra as alterações na extensão da ionização do analito com a concentração As linhas de emissão iônicas são com freqüência empregadas em ICP sendo estas menos suscetíveis à ionização adicional As alterações nas características do atomizador tais como vazões temperatura e eficiência com a concentração do anal ito podem também ser a causa da nãolinearidade Os métodos de emissão em chama mostram freqüentemente linearidade em faixas de concentração que se estendem por duas ou três décadas As fontes de ICP e de DCP podem apresentar faixas lineares muito amplas em geral entre quatro e cinco décadas de concentração 28C3 Interferências em Espectroscopia de Emissão Atômica em Plasma e em Chama Muitos efeitos de interferência causados por concomitantes em emissão atômica em plasma ou em chama são similares Algumas técnicas contudo podem estar sujeitas a certos tipos de interferência e livres de outros tipos Os efeitos de interferência são convenientemente divididos em interferências do branco ou aditivas e interferências do analito ou multiplicativas Interferências do Branco Uma interferência do branco ou aditiva produz um efeito que é in dependente da concentração do analito Esses efeitos poderiam ser reduzidos ou eliminados se um branco perfeito pudesse ser preparado e analisado sob as mesmas condições Um exemplo é a interferência As interferências espectrais são exemplos de interferências do branco Elas produzem um efeito independente da concentração do analito 812 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON espectral Em espectroscopia de emissão qualquer elemento que não o analito que emita radiação na banda de passagem do dispositivo de seleção de comprimento de onda ou que cause o aparecimento de radiação espúria dentro da mesma banda de passagem causa uma interferência do branco Um exemplo de interferência do branco é o efeito da emissão de Na a 28528 nm sobre a determinação de Mg a 28521 nm Em um espectrômetro de resolução moderada qualquer quantidade de sódio presente na amostra vai gerar leituras mais altas para o magnésio a menos que um branco com a quantidade corre ta de sódio seja subtraído Essas interferências de linha podem em princípio ser reduzidas melhorandose a resolução do espectrômetro No entanto o usuário raramente tem a possibilidade de alterar essa re solução Nos espectrômetros multielementares as medidas tomadas em múltiplos comprimentos de onda podem ser empregadas às vezes para se determinar os fatores de correção a ser aplicados para as espécies interferentes Essas correções interelementos são comuns nos modernos espectrômetros de ICP controla dos por computador A emissão de banda molecular pode também causar uma interferência do branco Esse tipo de inter ferência é particularmente problemático em espectrometria de chama em que a baixa temperatura e a atmosfera reativa apresentam maior probabilidade de produzir espécies moleculares Por exemplo uma alta concentração de Ca em uma amostra pode produzir uma banda de emissão de CaOH a qual pode causar uma interferência do branco se esta ocorrer no comprimento de onda do analito Geralmente a melhoria da resolução do espectrômetro não reduz a emissão de banda uma vez que as linhas estreitas do analito estão sobrepostas em uma banda de emissão molecular larga A radiação de fundo em chama ou plasma é geralmente compensada com sucesso por meio de medidas de uma solução do branco Interferências do Analito As interferências do analito alteram a grandeza do sinal do analito em si Essas interferências não são normalmente de natureza espectral mas de efeitos físicos ou químicos As interferências físicas podem alterar os processos de aspiração de nebulização de dessolvatação e de volatilização As substâncias pre sentes na amostra e que alteram a viscosidade da solução por exemplo podem alterar a vazão e a eficiên cia do processo de nebulização Os constituintes combustíveis como solventes orgânicos podem alterar a temperatura do atomizador e dessa forma afetar indiretamente a eficiência de atomização As interferências químicas são geralmente específicas a certos analitos Elas ocorrem após a dessol vatação na conversão das partículas sólidas ou fundidas em átomos ou íons elementares Os constituintes que influenciam a volatilização das partículas do analito causam esse tipo de interferência e são denomi nados interferências de volatilização do soluto Por exemplo em alguns tipos de chama a presença de fosfato na amostra pode alterar a concentração atômica de cálcio na chama em decorrência da formação de complexos relativamente nãovoláteis Esses efeitos podem algumas vezes ser eliminados ou mini mizados pelo uso de altas temperaturas Alternativamente os agentes liberadores constituídos por espécies que reagem preferencialmente com o interferente e previnem sua interação com o analito podem ser empregados Por exemplo a adição de excesso de Sr ou La minimiza a interferência do fosfato sobre o cálcio porque esses cátions formam compostos mais estáveis com o fosfato do que o Ca liberando dessa forma o analito Os agentes de proteção previnem a interferência formando preferencialmente com o analito espécies estáveis porém voláteis Três reagentes comuns empregados para esse fim são o EDTA 8hidroxiquinoli na e o APDC sal amoniacal do ácido 1pirrolidina carboditiótico Por exemplo a presença de EDTA é efetiva em minimizar ou eliminar a interferência de silicato fosfato e sulfato na determinação de cálcio As substâncias que alteram a ionização do analito podem causar interferências de ionização A pre sença de um elemento facilmente ionizável como o K pode alterar a extensão da ionização de um ele mento menos ionizado como o Ca Em chamas efeitos relativamente intensos podem ocorrer a menos que SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 28 Espectroscopia Atômica 813 As interferências químicas físicas e de ionização são exemplos de interferências do analito Estas influenciam a grandeza do sinal do analito em si mesmo Os agentes liberadores são cátions que reagem seletivamente com os ânions e previneos de interferir na determinação de um analito catiônico absorção mas também uma linha que é mais estreita Por exemplo uma lâmpada de vapor de mercúrio é empregada como fonte externa na determinação de mercúrio Os átomos gasosos de mercúrio excitados eletricamente nessa lâmpada retornam para o estado fundamental emitindo radiação cujos comprimentos de onda são idênticos àqueles absorvidos pelos átomos de mercúrio presentes na chama Uma vez que a lâmpada é operada a temperaturas e pressões menores que aquelas da chama o alargamento Doppler e de pressão das linhas de emissão do mercúrio da lâmpada é menor que o alargamento correspondente das linhas de absorção do analito na chama quente que contém a amostra As larguras de bandas efetivas das li nhas emitidas pela lâmpada são portanto significativamente menores que as larguras de banda das linhas de absorção do analito na chama A Figura 2815 ilustra a estratégia geralmente empregada para se medir a absorbância em métodos de absorção atômica A Figura 2815a mostra quatro linhas de emissão estreitas de uma fonte típica de absor ção atômica Também é mostrado como uma dessas linhas é isolada por meio de um filtro ou um monocro mador A Figura 2815b apresenta o espectro de absorção do analito entre os comprimentos de onda l1 e l2 observe que a largura da linha de absorção na chama é significativamente maior que a largura da linha de emissão da lâmpada Como pode ser visto na Figura 2815c a potência radiante do feixe incidente P0 decresceu para P após a passagem pela amostra Uma vez que a largura de banda da linha de emissão da lâmpada é significativamente menor que a largura de banda da linha de absorção na chama o log P0P provavelmente será linearmente correlacionado com a concentração 28D2 Instrumentação A instrumentação para AA pode ser muito simples como mostrado na Figura 2816 para um espec trômetro de AA de feixe único SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 28 Espectroscopia Atômica 815 Largura de banda do monocromador A log Potência radiante Potência radiante Absorbância a Espectro de emissão da fonte b Espectro de absorção da amostra c Espectro de emissão após a passagem pela amostra e pelo monocromador P0 P P0 P 0 0 0 10 λ1 λ2 Comprimento de onda Figura 2815 Absorção atômica de uma linha de emissão de uma fonte A fonte de linhas em a é muito estreita Uma linha é isolada pelo monocro mador A linha é absorvida pela linha de absorção mais larga do analito na chama b resultando na atenuação c da radiação da fonte Uma vez que a maior parte da radiação da fonte ocorre no pico da linha de absorção a lei de Beer é obedecida do analito mais a absorbância do fundo são medidas AT Durante o pulso de corrente alta a linha de emis são do cátodo oco tornase mais larga O centro da linha pode ser fortemente autoabsorvido de forma que a maior parte da intensidade no comprimento de onda de absorção do analito seja atenuada Portanto durante o pulso de corrente alta é obtida uma boa estimativa da absorbância do fundo AF O computador do instrumento calcula a diferença que é uma estimativa de AA a absorção verdadeira do analito Correção de Fundo por meio do Efeito Zeeman A correção de fundo em atomizadores eletrotérmicos pode ser feita por meio do efeito Zeeman Nesse caso um campo magnético é empregado para separar as linhas espectrais normalmente degeneradas em componentes com diferentes características de polarização A absorção do analito e do fundo pode ser diferenciada por causa dos seus comportamentos magnéticos e de polarização distintos 28D3 Absorção Atômica em Chama A absorção atômica em chama fornece um meio sensível de determinar cerca de 60 a 70 elementos Esse método é bastante adequado para as medidas de rotina feitas por operadores relativamente pouco treinados A maior limitação da AA está na sua natureza monoelementar ou seja apenas um analito é avaliado a cada vez Isso é determinado pelo fato de que se necessita de uma lâmpada diferente para cada elemento Região da Chama para Medidas Quantitativas A Figura 2819 exibe a absorbância de três elementos em função da distância da extremidade do queimador Para o magnésio e a prata o aumento inicial da absorbância é conseqüência de uma exposição mais longa ao calor o que leva a uma concentração de átomos maior no caminho da radiação Para o mag nésio contudo a absorbância atinge um máximo próximo ao centro da chama e então decresce à medida que a oxidação do elemento a óxido de magnésio começa a ocorrer Esse efeito não é observado para a prata porque esse elemento é muito mais resistente à oxidação Para o cromo que forma óxidos muito estáveis o máximo de absorbância ocorre imediatamente acima do queimador Para esse elemento a for mação de óxido iniciase assim que os átomos de cromo são formados Fica claro a partir da Figura 2819 que a parte da chama a ser empregada em análises deve variar de elemento para elemento e que a posição da chama em relação à fonte deve ser mantida constante durante a calibração e a análise Geralmente a posição da chama é ajustada para obterse um máximo de leitura de absorbância Análise Quantitativa Freqüentemente as análises quantitativas são baseadas em calibração com padrões externos ver Seção 8C2 Em absorção atômica os desvios da linearidade são encontrados com maior freqüência do que em absorção molecular Assim as análises nunca devem ser baseadas na medida de um único padrão presu SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 28 Espectroscopia Atômica 819 Figura 2819 Absorbância versus altura acima do queimador para três elementos em EAA em chama Mg Ag Cr 0 Absorbância 25 Altura cm 50 mindose que a lei de Beer esteja sendo obedecida Além disso a produção do vapor atômico envolve va riáveis não controladas o suficiente para que se possa assegurar a necessidade de que uma medida de absorbância de pelo menos uma solução padrão seja feita cada vez que uma análise é realizada Com fre qüência dois padrões são empregados cujas absorbâncias definem uma faixa que incorpora a absorbância da amostra desconhecida Qualquer desvio do padrão do seu valor original de calibração pode então ser aplicado como correção aos resultados analíticos Os métodos de adição de padrão discutidos na Seção 8C3 também são utilizados extensivamente em espectroscopia atômica com a finalidade de compensar as diferenças entre a composição dos padrões e das amostras Limites de Detecção e Exatidão A coluna 2 da Tabela 284 mostra os limites de detecção para uma série de elementos comuns determina dos por absorção atômica em chama e os compara com aqueles obtidos com outros métodos espec troscópicos atômicos Sob condições usuais o erro relativo de uma análise por absorção atômica em chama é da ordem de 1 a 2 Com precauções especiais essa figura pode ser reduzida a poucos décimos por cento Observe que os limites de detecção para AA em chama são geralmente melhores que os limites de detecção para EA em chama exceto para os metais alcalinos que são facilmente excitáveis 28D4 Absorção Atômica com Atomização Eletrotérmica Os atomizadores eletrotérmicos oferecem simultaneamente as vantagens de uma alta sensibilidade e de empregar pequenos volumes de amostra Tipicamente são utilizados os volumes de amostra entre 05 e 10 mL sob essas circunstâncias os limites de detecção tipicamente estão na faixa de picogramas Em geral os limites de detecção da AA eletrotérmica são melhores para os elementos mais voláteis Os limites de detecção para AA eletrotérmica variam consideravelmente de um fabricante para outro porque dependem do desenho do atomizador e das condições de atomização 820 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON TABELA 284 Limites de Detecção ngmL para Alguns Elementos em Espectrometria Atômica Elemento AA em Chama AA Eletrotérmica Emissão em Chama Emissão de ICP ICPMS Ag 3 002 20 02 0003 Al 30 02 5 02 006 Ba 20 05 2 001 0002 Ca 1 05 01 00001 2 Cd 1 002 2000 007 0003 Cr 4 006 5 008 002 Cu 2 01 10 004 0003 Fe 6 05 50 009 045 K 2 01 3 75 1 Mg 02 0004 5 0003 015 Mn 2 002 15 001 06 Mo 5 1 100 02 0003 Na 02 004 01 01 005 Ni 3 1 600 02 0005 Pb 5 02 200 1 0007 Sn 15 10 300 1 002 V 25 2 200 8 0005 Zn 1 001 200 01 0008 Valores obtidos de V A Fassel e R N Knisely Anal Chem 1974 v 46 p 111A J D Ingle Jr e S R Crouch Spectrochemical Analysis Upper Saddle River NJ PrenticeHall 1988 C W Fuller Electrothermal Atomization for Atomic Absorption Spectroscopy Londres The Chemical Society 1977 Ultrapure Water Specifications Quantitative ICPMS Detection Limits Fremont CA Balazs Analytical Services 1993 Com permissão Com base em uma amostra de 10 mL A precisão relativa dos métodos eletrotérmicos situase geralmente na faixa de 5 a 10 comparada com aquela de 1 ou melhor que pode ser esperada para a atomização em chama ou plasma Além disso os métodos que empregam fornos são lentos e tipicamente requerem vários minutos por determinação de um elemento Outra desvantagem ainda é que os efeitos de interferência química são freqüentemente mais severos na atomização eletrotérmica que na atomização em chama Uma desvantagem final é que a faixa analítica é estreita geralmente menor que duas ordens de grandeza Conseqüentemente a atomização eletrotérmica é aplicada somente quando a atomização por plasma ou por chama produz limites de detecção inadequados ou quando a quantidade da amostra é extremamente limitada Outro método de AA que se aplica a elementos voláteis é a técnica de vapor frio O mercúrio é um metal volátil e pode ser determinado pelo método descrito no Destaque 281 Outros metais formam hidretos voláteis que podem ser determinados também pela técnica de vapor frio SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 28 Espectroscopia Atômica 821 Nossa fascinação pelo mercúrio iniciouse quando os habitantes préhistóricos das cavernas desco briram o mineral cinábrio HgS e o utilizaram como pigmento Nosso primeiro registro escrito do elemento vem de Aristóteles que o descreveu no século IV aC como prata líquida Hoje há milhares de usos para o mercúrio e para seus com postos em medicina metalurgia agricultura e muitos outros campos Em virtude do fato de ser um metal líquido à temperatura ambiente é em pregado para fabricar contatos elétricos flexíveis eficientes em aplicações científicas industriais e domésticas Os termostatos os interruptores de luz silenciosos e as lâmpadas fluorescentes cons tituem apenas poucos exemplos de sua aplicação em eletricidade Uma propriedade útil do mercúrio metálico é que este forma amálgamas com outros metais que apresentam uma grande quantidade de usos Por exemplo o sódio metálico é produzido como amálgama por eletrólise de cloreto de sódio fundi do Os dentistas empregam um amálgama a 50 com uma liga de prata para fazer obturações Os efeitos toxicológicos do mercúrio são conhecidos há muitos anos O comportamento bizarro do Chapeleiro Maluco na obra Alice no País das Maravilhas de Lewis Carroll era um resultado dos efeitos do mercúrio e de seus com postos sobre o cérebro do Chapeleiro O mercúrio absorvido através da pele e dos pulmões destrói as células do cérebro as quais não podem ser rege neradas Os chapeleiros do século XIX usavam compostos de mercúrio no processamento das pe les para confeccionar o feltro dos chapéus Esses e outros trabalhadores de outras indústrias sofre ram de sintomas debilitantes do mercurismo tais como a perda dos dentes tremores espasmos musculares alterações de personalidades irri tabilidade e nervosismo A toxicidade do mercúrio é complicada por causa da sua tendência a formar compostos orgânicos e inorgânicos Pelo fato de o mercúrio inorgânico ser relativamente insolúvel nos tecidos e fluidos corporais ele é expelido do corpo cerca de dez vezes mais rapidamente que o mercúrio orgânico O mercúrio orgânico geralmente na for ma de compostos alquílicos como o metilmer cúrio é mais solúvel em tecidos gordurosos como o fígado O metilmercúrio acumulase em níveis tóxicos e é expelido do corpo muito lentamente Mesmo os cientistas experientes devem ser extremamente cautelosos ao manipular os com postos orgânicos de mercúrio Em 1997 a Dra Karen Wetterhahn do Colégio Dartmouth morreu em conseqüência de envenenamento por mercúrio apesar do fato de ser uma especialista líder em manipulação de metilmercúrio O mercúrio concentrase no meio ambiente como ilustrado na Figura 28D1 O mercúrio inor gânico é convertido em mercúrio orgânico por bactérias anaeróbicas nos sedimentos depositados no fundo dos lagos riachos e outros corpos dágua Pequenos animais aquáticos consomem o mercúrio orgânico e por sua vez são comidos por Determinação de Mercúrio por Espectroscopia de Absorção Atômica de Vapor Frio DESTAQUE 281 continua eletrônica em geoquímica nas análises ambientais em pesquisas médica e biológica e em muitas outras áreas Os limites de detecção para ICPMS estão listados na Tabela 284 na qual são comparados com aque les de diversos outros métodos espectrométricos atômicos A maioria dos elementos podem ser detectada em níveis abaixo de partes por bilhão Os instrumentos quadrupolares permitem tipicamente a detec ção em nível de ppb em toda a sua faixa de massas Os instrumentos de alta resolução podem atingir limi tes de detecção rotineiros de subpartes por trilhão pelo fato de os níveis de fundo nesses instrumentos serem extremamente baixos A análise quantitativa normalmente é realizada por meio da preparação de curvas de calibração empre gandose padrões externos Para compensar os desvios instrumentais as instabilidades e os efeitos de matriz um padrão interno é comumente adicionado aos padrões e à amostra Os padrões internos múlti plos são empregados às vezes para otimizar a semelhança das características dos padrões com aquelas dos vários analitos Para as soluções simples nas quais a composição é conhecida ou a matriz das amostras e dos padrões pode ser igualada a exatidão pode ser melhor do que 2 para concentrações do analito de 50 vezes o limite de detecção Para as soluções de composição desconhecida conseguese uma exatidão típica de 5 SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 28 Espectroscopia Atômica 827 Faça uma busca empregando o Google para encontrar o Laboratory for Spectrochemistry na Indiana University Encontre uma lista de projetos de pesquisa que abordam a espectrometria de massas por tempo de vôo Descreva em detalhes o objetivo do projeto a instrumentação empregada e os resultados obtidos EXERCÍCIOS NA WEB 281 Descreva as diferenças básicas entre a es pectroscopia de absorção a e de emissão atômicas 282 Defina a atomização b alargamento por pressão c alargamento Doppler d nebulizador e plasma f lâmpada de cátodo oco g sputtering h supressor de ionização i interferência espectral j interferência química k tampão de radiação l agente liberador m filtro de massas quadrupolar n multiplicador de elétrons 283 Por que a emissão atômica é mais sensível à instabilidade da chama que absorção e à fluorescência atômica 284 Por que as interferências de ionização não são geralmente tão severas em ICP como o são em chamas 285 Por que os monocromadores com melho res resoluções são encontrados em espec trômetros de emissão atômica com ICP e não nos espectrômetros de absorção atô mica 286 Por que se emprega a modulação da fonte em espectroscopia de absorção atômica 287 Em AA com uma chama de hidrogênio oxigênio a absorbância do ferro decresce na presença de uma grande concentração de íons sulfato a Sugira uma explicação para essa obser vação b Sugira três métodos possíveis de con tornar a interferência potencial do sul fato em uma determinação quantitativa de ferro 288 Por que as linhas de uma lâmpada de cátodo oco são em geral mais estreitas que as li nhas emitidas pelos átomos em uma chama 289 Enumere quatro características dos plas mas acoplados indutivamente que os tor nam adequados para a espectrometria de emissão e de massa atômicas QUESTÕES E PROBLEMAS ICPMS Foram obtidos os seguintes resul tados Concentração Intensidade pgmL Unidades Arbitrárias 00 21 20 50 40 92 60 125 80 174 100 209 120 247 a Determine a reta de regressão por quadrados mínimos b Estabeleça os desvios padrão da incli nação e do intercepto c Teste a hipótese de que a inclinação é igual a 200 d Teste a hipótese de que o intercepto é igual a 200 e Três soluções de água do mar fornece ram leituras para V de 35 107 e 159 Avalie suas concentrações e seus des vios padrão f Determine os limites de 95 de con fiança para as três amostras na parte e g Estime o limite de detecção para a determinação de V em água do mar a partir dos dados ver Seção 8D1 Use um valor de k igual a 3 em sua estima tiva do limite de detecção h A segunda amostra de água com uma leitura de 107 unidades era um padrão de referência certificado com uma con centração conhecida de 50 pgmL Qual foi o erro absoluto na sua determinação i Teste a hipótese de que o valor determi nado na parte e para a segunda amostra de água do mar leitura de 107 é idêntico à concentração certifi cada de 50 pgmL SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 28 Espectroscopia Atômica 829 Cinética e Separações PARTE VI Capítulo 29 Métodos Cinéticos de Análise Capítulo 30 Introdução às Separações Analíticas Capítulo 31 Cromatografia Gasosa Capítulo 32 Cromatografia Líquida de Alta Eficiência Capítulo 33 Outros Métodos de Separação Uma conversa com Isiah M Warner À primeira vista a história de Isiah M Warner é parecida com aquelas de qualquer outro químico acadêmico Ele se interessou cedo pela ciência e escolheu graduarse em química O que distingue a carreira de Warner é que ele sempre esteve em escolas fundamental cole gial e universidade que eram segregadas Obteve seu bacharelado em química da Southern University uma universidade historicamente de negros então trabalhou para Battelle Labs du rante a guerra do Vietnã Após cinco anos seu desejo de ser uma pessoa que tivesse suas próprias idéias o levou à pósgraduação na University of Washington e daí para as posições no corpo docente nas Texas AM University e Emory University em Atlanta Atualmente ocupa uma cadeira de química e é o vicechanceler para Iniciativas Estratégicas na Louisiana State University LSU Entre seus muitos prêmios e honrarias estão o Prêmio da Presidência pela Ex celência como mentor em ciência matemática e engenharia 1997 e o Prêmio AAAS pela longa dedicação como mentor A pesquisa de Warner envolve os estudos fundamentais em química analítica bem como o desenvolvimento e aplicação de novos métodos químicos instrumentais e matemáticos em medidas analíticas Sua meta é produzir melhores metodologias para a análise de sistemas complexos Embora seus interesses englobem a química analítica em geral muitos de seus estudos estão focados em análises ambientais 832 P Qual foi a sua primeira experiência analítica R Eu tinha um interesse inato pela ciência Nós usávamos lâmpadas a querosene e quando eu tinha dois anos estava cu rioso em saber qual composto químico era responsável pelo brilho daquela luz Abri o armário no qual o querosene estava guardado e o provei Essa foi a minha primeira experiência analítica Eu fiquei em um hospital por muitos dias enquanto tentavam bombear o querosene para fora de mim P Tendo crescido no sul você teve experiências com relação à segregação R Aqui na Louisiana as escolas eram segregadas assim como em quase todo o sul Nossos livros eram de segunda mão vindos das escolas dos brancos e tínhamos equipamentos muito pobres Isso era uma desvantagem em termos de conteúdo mas a minha vantagem era que meus professores acreditavam em mim Eles me disseram que eu era excepcional que não havia limites Esse tipo de mentor encorajoume a ir além dos livros textos Eu tinha um apetite voraz por material de fora da sala de aula E não deixei que as minhas circunstâncias me detivessem P Como você decidiu estudar química R Eu ganhei uma bolsa para a Southern University e minha professora de inglês do colégio me falou sobre o programa de verão em química daquela escola Com base em suas recomen dações ingressei Eu me saí muito bem e no final da sessão o diretor da química disseme que se eu me formasse nessa área não precisaria do curso ministrado aos ingressantes Pensei que isso era um bom negócio portanto dessa forma escolhi meu curso Como graduando fiz pesquisa em química orgâni ca A partir desse momento fui fisgado pela pesquisa P Você também teve alguma experiência na indústria R O trabalho na indústria teve muito a ver com o que aconte cia naquela época Era o auge da guerra do Vietnã e as dispen sas do serviço militar não estavam mais sendo dadas aos estu dantes Uma grande proporção de afroamericanos havia sido recrutada e minha junta de recrutamento em Louisiana me dis sera que iriam me recrutar de qualquer maneira No Battelle Labs em Hanford Washington fui contratado para a Comissão de Energia Atômica e isso me deu um adiamento para o recru tamento Nunca tinha vivido no norte e aquela foi a minha primeira vez em um ambiente integrado Foi uma grande adap tação Eu fazia o trabalho de técnico em química analítica mas como um técnico você não tem a oportunidade de pensar por si mesmo Após cinco anos no Battelle eu tinha a necessidade de obter o meu doutorado Eu queria ser igual àqueles que estão lá em cima tendo as idéias P Onde você realizou seu trabalho de pós graduação R A melhor escola na área era a University of Washington Minha sogra havia se mudado para o estado de Washington e a partir daí fui para a pósgraduação Minha esposa e eu tínhamos um filho e uma sobrinha vivendo conosco Foi muito importante ter uma família para nos ajudar Na pósgraduação eu era um dos dois estudantes afroamericanos em química mas tive poucos problemas Eu possuía uma vantagem pois já tinha tra balhado na indústria e era mais maduro que muitos estudantes P Agora você está de volta à LSU Você sente que a instituição mudou com o passar dos anos 833 R O corpo docente e a admistração da LSU fizeramme sentir muito bemvindo Definitivamente não é mais a LSU da qual me lembro na infância essa é uma nova LSU em uma nova era Somos agora a uni versidade número um da nação na formação de doutores afroameri canos em química Formamos dez estudantes no último ano ao passo que o restante do país formou entre 1960 e 1970 Tudo isso ocorreu desde que cheguei em 1992 À me dida que tivemos mais estudantes afroamericanos reconhecendo a LSU como um lugar onde eles podem se sentir confortáveis a qualidade dos nossos estu dantes foi ao topo Agora como vicechanceler para Iniciati vas Estratégicas estou trabalhando para aumentar o número de estudantes de pósgraduação e membros do corpo docente em toda a universidade Se podemos fazer isso em química deve ria ser mais simples em outras áreas P Qual é o foco atual de seu trabalho no laboratório R Estamos tentando desenvolver novas técnicas espectros cópicas para servir de sonda para as interações entre hós pedehospedeiro em drogas quirais com os novos polímeros quirais desenvolvidos em meu laboratório A quiralidade é o destro ou o canhoto das moléculas e é muito importante para os sistemas vivos os aminoácidos são quirais Os corpos dos organismos vivos são seletivos à quiralidade Por exemplo nossos corpos empregam somente a forma L dos aminoácidos e rejeitam a forma D Com os açúcares usamos apenas a forma D Um exemplo é a droga talidomida na qual ambas as formas L e D estão presentes Tempos atrás essa droga foi dada para as mulheres grávidas para combater as náuseas matinais Uma das formas é benéfica mas a outra leva os bebês a nascerem sem as pernas ou os braços e com outros problemas muito sérios Desde aquela época o Food and Drug Administration reconheceu que as drogas quirais neces sitavam ser monitoradas com cuidado porque enquanto uma das formas pode ser benéfica a outra pode ser perigosa No meu laboratório queremos quantificar a quiralidade empre gando a anisotropia fluorescente para medir as diferenças nas interações das duas formas diferentes da droga com um reagente quiral Esse trabalho pode ser diretamente rela cionado com a cromatografia que fazemos P Você também está estudando o efeito de pesticidas quirais sobre o meio ambiente R Assim como as drogas muitos pesticidas e herbicidas são quirais Quando os pesticidas são sintetizados ambas as for mas são produzidas mas tipicamente apenas uma forma é útil Após a aplicação ambas as formas são lixiviadas para a água Estamos olhando os produtos de degradação desses compostos em sistemas aquáticos Se ambas as formas estão nos pestici das que são empregados e as for mas de vida tendem a interagir de forma seletiva com moléculas quirais as bactérias comeriam so mente uma das formas E se for a forma boa que elas comem isso aumentaria a concentração rela tiva da forma ruim e criaria um problema ambiental P Você também está realizando pesquisa sobre a formação das placas no coração correto R Eu estou trabalhando junta mente com inúmeros outros quí micos para entender a formação das placas cardíacas Cada um de nós está trabalhando em diferentes aspectos do problema empregando diferentes ferramentas Uma coisa que estamos olhando é a química de uma das artérias nativas de paciente com ponte e as artérias das pontes A artéria nativa reflete a química ao longo da vida da pessoa e a artéria da ponte reflete a química da pessoa desde o implante da ponte Estamos com parando essas duas químicas Esperamos aprender se as mu danças da química do corpo que ocorrem tarde na vida causam o desenvolvimento da placa cardíaca Se conseguirmos desco brir a causa da placa poderemos encontrar os mecanismos da sua formação P Finalmente quais são suas idéias como mentor e professor R Eu gosto de ativar as mentes jovens na sala de aula e no la boratório A pesquisa não é diferente do ensino é ensinar aos estudantes como criar novos conhecimentos Se posso ativar uma mente jovem para ir além dos livrostextos acho isso excitante Minha esposa diz que sou a única pessoa que ela conhece que absolutamente ama seu trabalho Eu amo traba lhar com os estudantes e vêlos transformarse de jovens in gênuos a químicos muito bem treinados com as empresas brigando para empregálos Ajudálos a passar por essa tran sição me dá uma grande felicidade Eu sinto que se eu ou ou tros iguais a mim não estivessem por aqui muitos deles não conseguiriam isso Estou onde estou porque houve mentores importantes olhando por mim e que a despeito dos livros e equipamentos ultrapassados me disseram que eu poderia vencer Eu devo muito a eles e a forma como eu os pago é trabalhando com as novas gerações que vieram depois de mim Por causa da alta concentração de estudantes afroamericanos estudando na LSU tenho sido sempre solicitado para ser o mentor das mino rias Sou um mentor em parte por apenas estar aqui em parte pelos três ou quatro estudantes afroamericanos que oriento como também para os outros estudantes do departamento Quando os estudantes afroamericanos têm problemas eles vão a minha sala conversar comigo Apenas por estar aqui e poder relatar minhas experiências os ajudará com freqüência a vencer seus problemas I Estou onde estou porque houve mentores importantes olhando por mim e que a despeito dos livros e equipamentos ultrapassados me disseram que eu poderia vencer Eu devo muito a eles e a forma como eu os pago é trabalhando com as novas gerações que vieram depois de mim 842 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON assume Existem dois tipos de estruturas secun dárias a hélice a e a fita bpregueada bpleated sheet A hélice a apresentada na Figura 29D2 é a forma mais comum adotada pelas proteínas animais Nessa estrutura a forma helicoidal é mantida pelas ligações de hidrogênio entre os resíduos vizinhos A estrutura de fita bpreguea da é mostrada na Figura 29D3 Nessa estrutura a cadeia peptídica está quase completamente estendida e as ligações de hidrogênio se dá entre as secções paralelas das cadeias em vez de en tre os vizinhos próximos como na hélice a A estrutura de fita bpregueada pode ser encontrada em fibras como na seda Muitos outros modelos complexos como o modelo de encaixe induzido têm sido propostos glicina gli CH C O H OH H2N serina ser CH C O CH2 OH OH H2N alanina ala CH C O CH3 OH H2N cisteína cis CH C O CH2 SH OH H2N valina val CH C O CH CH3 CH3 OH H2N tirosina tir CH C O CH2 OH OH H2N Figura 29D1 Alguns aminoácidos importantes Há 20 amonoácidos diferentes encontrados na natureza Figura 29D2 A hélice a No modelo à esquerda são apresentadas as ligações de hidrogênio entre os resíduos de aminoácidos vizinhos que levam à estrutura helicoidal No modelo à direita somente os átomos na cadeia polipeptídica são mostrados para revelar com mais clareza a estrutura helicoidal De D L Reger S R Goode e E E Mercer Chemistry Principles and Practice Belmont CA BrooksCole 1993 Se a segunda etapa for consideravelmente mais lenta que a primeira caso 1 os reagentes e ES estarão essencialmente sempre em equilíbrio Essa situação denominada situação de equilíbrio é prontamente derivada do caso geral Nas seções que se seguem mostramos que em ambos os casos as condições da reação podem ser arranjadas de modo a produzir relações simples entre a concentração do analito e a velocidade Situação de Estado Estacionário No tratamento mais geral a lei de velocidade correspondente ao mecanismo da Equação 2913 é derivado utilizandose a aproximação do estado estacionário Nessa aproximação a concentração de ES é con siderada pequena e relativamente constante no decorrer da reação O complexo enzimasubstrato formase na primeira etapa com uma constante de velocidade k1 Ele se decompõe por dois caminhos pela reversão SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 29 Métodos Cinéticos de Análise 843 A estrutura terciária é a forma global tridi mensional na qual a hélice a ou fita bpregueada se dobra em conseqüência das interações entre resíduos distantes na estrutura primária As pro teínas podem também apresentar uma estrutura quaternária a qual descreve como as cadeias de polipeptídeos se juntam em uma proteína que contém mais de uma cadeia A efetividade de uma enzima como cata lisador é denominada atividade enzimática A atividade está relacionada de perto com o forma to tridimensional da proteína particularmente do seu sítio ativo Em geral o sítio ativo é a parte da proteína à qual o substrato se liga A especifici dade da enzima depende em grande parte da estrutura da região do sítio ativo Uma explicação do papel do sítio ativo é o modelo fechadura e chave Nesse modelo o encaixe estereoquímico preciso do substrato no sítio ativo é responsável pela especificidade da catálise Um número enorme de enzimas tem sido descoberto porém apenas uma fração dessas tem sido isolada e purificada A disponibilidade comercial de algumas das enzimas mais úteis tem impulsionado um grande interesse no seu uso analítico As enzimas têm sido ligadas cova lentemente em suportes sólidos ou têm sido encapsuladas em geis e membranas para tor naremse reutilizáveis e para reduzir o custo das análises Figura 29D3 A fita bpregueada Observe que as ligações de hidrogênio ocorrem entre diferentes secções da cadeia polipeptídica ou entre as diferentes cadeias levando a uma estrutura mais estendida De D L Reger S R Goode e E E Mercer Chemistry Principles and Practice Belmont CA BrooksCole 1993 SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 29 Métodos Cinéticos de Análise 849 Bloco de interrupção Enchi mento Enchi mento Foto detector Purga Êmbolos Célula de observação Seringa de interrupção Seringas de propulsão Mecanismo de atuação Reagente Amostra Para o descarte Fonte de luz Misturador B A C Figura 29D4 Aparato para mistura seguida por interrupção de fluxo é empurrado de volta de forma a purgar essa seringa de seu conteúdo seta tracejada A válvula C é fechada e as válvulas A e B são abertas e o mecanismo de propulsão movese para baixo para encher as seringas com as soluções setas pretas largas Nesse ponto o aparelho está pronto para outro experimento de mistura rápida Todo o instrumento pode ser controlado por um computador o qual pode também coletar e analisar os dados da veloci dade da reação A mistura seguida por interrupção de fluxo tem sido empregada em estudos fundamentais de reações rápidas e para determinações cinéticas rotineiras de analitos envolvidos em reações rá pidas Os princípios da dinâmica dos fluidos que tornam a mistura seguida por interrupção de fluxo possível e a capacidade deste e de dispositivos si milares de manipular soluções são empregados em muitos contextos para misturar automaticamente as soluções e medir as concentrações do analito em inúmeros laboratórios industriais e clínicos Introdução às Separações Analíticas CAPÍTULO 30 As separações são extremamente importantes em síntese na química industrial nas ciências biomédicas e nas análises químicas Por exemlo a primeira etapa no processo de refino do petróleo é separálo em duas frações com base no ponto de ebulição em grandes torres de destilação O petróleo é enviado a um grande destilador e a mistura aquecida Os materiais com os menores pontos de ebulição vaporizamse primeiro O vapor movese para cima na torre ou coluna de destilação onde se recondensa na forma de um líquido muito mais puro Con trolandose as temperaturas da caldeira e da coluna podese controlar a faixa de ponto de ebulição da fração condensada As separações analíticas ocorrem em uma escala de laboratório muito menor que na escala industrial Os méto dos de separação introduzidos neste capítulo incluem a precipitação a destilação a extração a troca iônica e várias outras técnicas cromatográficas P oucas técnicas de medidas empregadas na análise química são específicas para uma única espé cie química em conseqüência uma parte importante da maioria das análises lida com as espécies concomitantes que ou atenuam o sinal do analito ou produzem um sinal que é indistinguível daquele do analito A substância que afeta o sinal analítico ou o sinal de fundo é denominada interferência ou interferente Muitos métodos podem ser empregados para se lidar com as interferências nos procedimentos analíticos como discutido na Seção 8C3 As separações isolam o analito dos constituintes potencial mente intereferentes Além disso as técnicas como a de modificação de matriz o mascaramento a diluição e a saturação são freqüentemente empregadas para compensar ou reduzir o efeito de inter ferentes Neste capítulo focalizaremos os métodos de separação os quais constituem os métodos mais empregados e poderosos de tratamento de interferências Os princípios básicos de uma separação são apresentados na Figura 3011 Como exibido as separações podem ser completas ou parciais O processo de separação envolve o transporte do mate rial e a redistribuição espacial dos seus componentes Notase que uma separação requer sempre energia porque o processo reverso de mistura a volume constante é espontâneo sendo acompa nhado de um aumento de entropia As separações podem ser preparativas ou analíticas Focaliza remos aqui as separações analíticas embora muitos dos princípios estejam também envolvidos nas separações preparativas 1 Veja J C Giddings Unified Separation Science p 17 Nova York Wiley 1991 Um interferente é uma espécie química que produz um erro sistemático em uma análise pelo aumento ou atenuação do sinal analítico ou do sinal de fundo Os objetivos de uma separação analítica são geralmente a eliminação ou redução de interferentes de forma que a informação analítica quantitativa sobre uma mistura complexa possa ser obtida As separações também podem permitir a identificação dos constituintes separados se as correlações apropriadas forem feitas ou se uma técnica de medida sensível à estrutura como espectrometria de massas for empregada Em técnicas como a cromatografia a informação quantitativa é obtida quase simultaneamente com a separação Em outros procedimentos a etapa de separação é distinta e bas tante independente da etapa de medida posterior A Tabela 301 lista vários métodos de separação que são de uso comum incluindo 1 a precipi tação química ou eletrolítica 2 a destilação 3 a extração por solventes 4 a troca iônica 5 a cromatografia 6 a eletroforese e 7 o fracionamento por campo e fluxo Os quatro primeiros são discutidos da Seção 30A até a 30E deste capítulo Uma introdução à cromatografia é apresentada na Seção 30F Os Capítulos 31 e 32 abordam a cromatografia gasosa e líquida respectivamente enquanto o Capítulo 33 aborda a eletroforese fracionamento por campo e fluxo e outros métodos de separação 30A SEPARAÇÃO POR PRECIPITAÇÃO As separações por precipitação requerem uma alta diferença de solubilidade entre o analito e os potenciais interferentes A viabilidade teórica desse tipo de separação pode ser determinada por meio de cálculos de solubilidade tais como aqueles mostrados na Seção 11C Infelizmente muitos outros fatores podem impedir o uso da precipitação para produzir uma separação Por exemplo os vários fenômenos de co precipitação descritos na Seção 12A5 podem causar uma contaminação extensiva do precipitado por um componente indesejado mesmo que o produto de solubilidade do contaminante não tenha sido excedido SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 30 Introdução às Separações Analíticas 863 Figura 301 Princípios de uma separação Em a uma mistura de quatro componentes é separada completamente de forma que cada componente ocupa uma região do espaço diferente Em b uma separação parcial é mostrada Nesse caso a espécie A é isolada do restante da mistura de B C e D O inverso dos processos de separação apresentados é a mistura a volume constante Separação completa a Separação parcial b Mistura ABCD Mistura ABCD Mistura BCD A A C D B 30C3 Extração em Fase Sólida Existem diversas limitações nas extrações líquidolíquido Com as extrações a partir de soluções aquosas os solventes que podem ser empregados devem ser imiscíveis com a água e não devem formar emul sões Outra dificuldade é que as extrações líquidolíquido usam volumes de solventes relativamente grandes o que causa problemas com o descarte de resíduos Também muitas dessas extrações são realizadas manualmente e como tal são demoradas e tediosas A extração em fase sólida ou extração líquidosólido pode con tornar muitos desses problemas5 As técnicas de extração em fase sólida empregam membranas pequenas colunas descartáveis na forma de seringas ou cartuchos Um composto orgânico hidrofóbico recobre ou está quimicamente ligado à sílica granulada formando a fase sólida extratora Os compostos podem ser nãopolares moderadamente polares ou polares Por exemplo um octadecil C18 ligado à sílica ODS é uma fase sólida comum Os grupos funcionais ligados à fase sólida atraem os compostos hidrofóbicos presentes na amostra por meio de interações de van der Waals e os extraem da solução aquosa Um sistema típico de cartucho para as extrações em fase sólida é apresentado na Figura 304 A amostra é colocada no cartucho e aplica se pressão através de uma seringa ou por uma linha de ar ou nitrogênio Alternativamente vácuo pode ser empregado para passar a amostra pelo extrator As moléculas orgânicas são extraídas da amostra e concen tradas na fase sólida Estas podem ser posteriormente desalojadas da fase sólida por um solvente como o metanol Os componentes podem ser concentrados através da extração de um grande volume de água e posterior remoção com um pequeno volume de solvente Os métodos de préconcentração são freqüentemente necessários para os métodos analíticos de traços Por exemplo as extrações em fase sólida são uti lizadas para a determinação de constituintes orgânicos em água potável por meio de métodos aprovados pela Agência de Proteção Ambiental EPA Environmental Protection Agency Em alguns procedimentos de extração as impurezas são extraídas pela fase sólida enquanto os compostos de interesse passam sem ser retidos Além dos cartuchos recheados a extração em fase sólida pode ser feita pelo uso de pequenas mem branas ou discos de extração Estes apresentam as vantagens de reduzir o tempo de extração e a quantidade de solvente A extração em fase sólida pode ser feita em sistemas de fluxo o que pode automatizar o processo de préconcentração Uma técnica correlata denominada microextração em fase sólida emprega uma fibra de sílica fun dida recoberta com um polímero nãovolátil para extrair os analitos orgânicos diretamente de amostras aquosas ou do espaço livre headspace sobre as amostras6 O analito distribuise entre a fibra e a fase líquida Os analitos são posteriormente desorvidos termicamente na cabeça de um injetor de um cro matógrafo a gás ver Capítulo 31 A fibra extratora é montada em um suporte que se parece com uma seringa comum Essa técnica combina a amostragem e a préconcentração em uma única etapa SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 30 Introdução às Separações Analíticas 871 Figura 304 Extração em fase sólida realizada em um pequeno cartucho A amostra é colocada no cartucho e aplicase pressão por meio do êmbolo da seringa Alternativamente vácuo pode ser empregado para aspirar a amostra através do agente extrator Seringa Amostra Vidro sinterizado Adaptador Extrator de fase sólida 5 Para mais informações ver SolidPhase Extractions Principles Techniques and Applications N J K Simpson Ed Nova York Dekker 2000 J S Fritz Analytical SolidPhase Extraction Nova York Wiley 1999 E M Thurman e M S Mills SolidPhase Extraction Principles and Pratice Nova York Wiley 1998 6 Para mais informações ver SolidPhase Microextraction A Practical Guide S A S Wercinski Ed Nova York Dekker 1999 Applications of Solid Phase Microextraction J Pawliszyn Ed Londres Royal Society of Chemistry 1999 30E3 Eluição em Cromatografia em Coluna A Figura 306 revela como dois componentes de uma amostra A e B são resolvidos por eluição em uma coluna recheada A coluna consiste em um tubo estreito recheado com um sólido inerte finamente dividi do que retém a fase estacionária na sua superfície A fase móvel ocupa os espaços entre as partículas do recheio Inicialmente a solução da amostra contendo a mistura de A e B na fase móvel é introduzida na cabeça da coluna como uma zona estreita como mostrado na Figura 306 no tempo t0 Os dois compo nentes distribuemse entre a fase móvel e a fase estacionária A eluição ocorre forçando os componentes da amostra através da coluna intro duzindose a fase móvel continuamente Com a primeira introdução da fase móvel nova o eluente a porção da amostra contida na fase móvel deslocase através da coluna e uma par tição adicional entre a fase móvel recémintroduzida e a fase estacionária vai ocorrer tempo t1 A partição entre a fase nova recémintroduzida e a fase estacionária ocorre simultaneamente no local da amostra original Outras adições do solvente transportam as moléculas do soluto através da coluna em uma série con tínua de transferências entre as duas fases Em virtude do fato de que o movimento do soluto pode ocorrer somente na fase móvel a velocidade média com a qual o soluto migra depende da fração de tempo que permanece nessa fase Essa fração é pequena para os solutos que são fortemente retidos pela fase esta cionária componente B na Figura 306 por exemplo e maior quando a retenção na fase móvel for mais provável componente A Idealmente as diferenças resultantes nas velocidades levam os componentes da mistura a se separar em bandas ou zonas ao longo do comprimento da coluna ver Figura 307 O isola mento das espécies separadas pode ser conseguido passandose uma quantidade suficiente de fase móvel através da coluna de forma a transportar as bandas individuais para além do final da coluna para ser eluí das da coluna onde elas possam ser coletadas ou detectadas tempos t3 e t4 na Figura 306 876 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON A eluição é um processo no qual os solutos são lavados através da fase estacionária pelo movimento de uma fase móvel A fase móvel que deixa a coluna é denominada eluato Um eluente é um solvente empregado para transportar os componentes de uma mistura através de uma fase estacionária Figura 306 a Diagrama descrevendo a separação de uma mistura dos componentes A e B por eluição em cromatografia em coluna b O sinal do detector em vários estágios da eluição mostrados em a A A B Coluna recheada Detector B A t0 a b Tempo A B Sinal do detector t1 t2 t3 t4 t0 t1 t2 t3 t4 B A B B Amostra Fase móvel Um último método para melhorar a resolução consiste em incorpo rar à fase estacionária espécies que complexam ou interagem com um ou mais componentes da amostra Um exemplo bem conhecido do uso dessa opção ocorre quando um adsorvente impregnado com sal de prata é empregado para melhorar a separação de olefinas A melhoria é con seqüência da formação de complexos entre os íons prata e os compos tos orgânicos insaturados O Problema Geral da Eluição A Figura 3020 mostra alguns cromatogramas hipotéticos para uma mistura de seis componentes constituída por três pares de componentes com ampla diferença de constantes de distribuição e dessa forma com fatores de retenção também bastante diferentes No cromatograma a as condições foram ajustadas de forma que os fatores de retenção para os componentes 1 e 2 k1 e k2 estejam na faixa ótima de 1 a 5 Contudo 894 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Figura 3019 O efeito da alteração do solvente nos cromatogramas Analitos 1 910antraquinona 2 2metil910antraquinona 3 2etil910antraquinona 4 14dimetil910antraquinona 5 2tbuti1910antraquinona Tempo de retenção min 0 10 20 c 50 metanol 50 água d 40 metanol 60 água b 60 metanol 40 água a 70 metanol 30 água 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 30 40 50 Injeção Injeção Injeção Injeção Modelo molecular da 910 antraquinona Figura 3020 O problema geral da eluição em cromatografia Tempo Sinal do soluto 1 12 2 2 1 3 34 4 3 4 a b c 6 5 5 6 5 6 os fatores para os outros componentes estão longe do ótimo Assim as bandas correspondentes aos com ponentes 5 e 6 aparecem somente após um longo intervalo de tempo além disso as bandas são tão largas que torna difícil a sua identificação de forma inequívoca Como mostrado no cromatograma b a alteração das condições para se otimizar a separação dos componentes 5 e 6 aproxima os picos dos quatro primeiros componentes de forma que sua resolução não seja satisfatória No entanto o tempo de eluição é ideal O fenômeno ilustrado na Figura 3020 é encontrado com freqüência o suficiente para receber um nome o problema geral de eluição Uma solução comum para esse problema está na alteração das condições que determinam os valores de k à medida que a separação se processa Essas alterações podem ser realizadas em batelada ou de forma contínua Assim para a mistura exibida na Figura 3020 as con dições de saída podem ser aquelas que produzem o cromatograma a Imediatamente após a eluição dos componentes 1 e 2 as condições podem ser alteradas para aquelas que melhor separam os componentes 3 e 4 como no cromatograma c Com o aparecimento dos picos para esses componentes a eluição pode ser finalizada sob condições empregadas para produzir o cromatograma b Freqüentemente esse proce dimento leva a uma separação satisfatória de todos os componentes da mistura em um tempo mínimo Em cromatografia líquida as alterações em k são produzidas pela variação da composição da fase móvel durante a eluição Esse procedimento é denominado eluição por gradiente ou programação de sol vente A eluição sob condição de composição constante da fase móvel é chamada eluição isocrática Em cromatografia gasosa a temperatura pode ser alterada em uma forma conhecida para modificar os valores de k Esse modo de programação de temperatura pode auxiliar a encontrar as condições ótimas para muitas separações 30E8 Aplicações da Cromatografia A cromatografia é uma ferramenta versátil e poderosa para separar espécies químicas semelhantes Além disso ela pode ser empregada para a identificação qualitativa e determinação quantitativa das espécies se paradas Exemplos de aplicações dos vários tipos de cromatografia são dados nos Capítulos 31 e 32 SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 30 Introdução às Separações Analíticas 895 Utilize o programa Google para realizar uma busca sobre cauda de picos em cromatografia líquida de fase reversa Descreva o fenômeno e discuta as formas pelas quais a cauda pode ser minimizada Faça também uma busca sobre os efeitos da temperatura em cromatografia líquida Descreva como a temperatura influencia as separações cromatográficas Com base no que você aprendeu a programação de temperatura poderia ser de algum valor para auxiliar na separação em cromatografia líquida Por que sim ou por que não EXERCÍCIOS NA WEB 301 O que é um agente mascarante e como ele funciona 302 Quais são os dois eventos que acompa nham o processo de separação 303 Identifique três métodos baseados na sepa ração mecânica de fase 304 Qual é a diferença entre as estruturas de uma resina trocadora de íons ácida forte e uma fraca 305 Defina a eluição b fase móvel c fase estacionária d razão de partição e tempo de retenção f fator de retenção g fator de seletividade h altura de prato QUESTÕES E PROBLEMAS 900 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON A cromatografia gáslíquido é baseada na partição do analito entre a fase móvel gasosa e uma fase líquida imobilizada na superfície de um material sólido inerte de recheio ou nas paredes de um tubo capilar O conceito de cromatografia gáslíquido foi enunciado pela primeira vez em 1941 por Martin e Synge que foram também respon sáveis pelo desenvolvimento da cromatografia de partição líquido líquido Contudo mais de uma década se passou antes que o valor da cromatografia gáslíquido fosse demonstrado experimentalmente e que essa técnica passasse a ser empregada como uma ferramenta rotineira no laboratório Em 1955 o primeiro instrumento comercial para a cromatografia gáslíquido surgiu no mercado Desde essa época o crescimento nas aplicações dessa técnica tem sido fenome nal Atualmente muitas centenas de milhares de cromatógrafos a gás estão em uso em todo o mundo INSTRUMENTOS PARA A CROMATOGRAFIA 31A GÁSLÍQUIDO Muitas alterações e melhorias nos instrumentos para a cromatografia gasosa apareceram no mercado desde o seu lançamento comercial Nos anos 1970 os integradores eletrônicos e os processadores de dados basea dos em computadores tornaramse comuns Os anos 1980 e 90 testemunharam o uso dos computadores para o controle automático da maioria dos parâmetros instrumentais como a temperatura da coluna vazões e a injeção da amostra o desenvolvimento de instrumentos de alto desempenho a custos moderados e talvez o mais importante o desenvolvimento das colunas tubulares abertas que são capazes de separar os componentes de misturas complexas de forma relativamente rápida Hoje cerca de 50 fabricantes de instru mentos oferecem cerca de 150 modelos diferentes de equipamentos cromatográficos a gás a preços que variam de US 1000 até mais de US 50000 Os componentes básicos de um instrumento típico que per mite realizar a cromatografia gasosa são mostrados na Figura 311 e são brevemente descritos nesta seção 31A1 Sistema de Gás de Arraste A fase móvel em cromatografia gasosa é denominada gás de arraste e deve ser quimicamente inerte O hélio é a fase móvel gasosa mais comum embora o argônio o nitrogênio e o hidrogênio sejam também empregados Esses gases estão disponíveis em cilindros pressurizados Reguladores de pressão manôme tros e medidores de vazão são necessários para se controlar a vazão do gás Selo postal honrando os bioquímicos Archer J P Martin 19102002 e Richard L M Synge 19141994 que ganharam o Prêmio Nobel de Química de 1952 pelas suas contribuições ao desenvolvimento da cromatografia moderna Figura 311 Diagrama de blocos de um cromatógrafo a gás típico Cilindro do gás de arraste Regulador de vazão Sistema de dados Mostrador Detector Medidor de vazão Câmara de injeção da amostra Forno Termostato Amostra Coluna 902 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON 31A3 Configurações de Colunas e Fornos para as Colunas Dois tipos gerais de colunas são encontrados em cromatografia gasosa colunas recheadas e colunas tubulares abertas ou colunas capilares No passado a ampla maioria das análises cromatográficas empre gava as colunas recheadas Para a maioria das aplicações atuais as colunas recheadas têm sido substituídas pelas colunas tubulares abertas mais eficientes e mais rápidas As colunas cromatográficas variam em comprimento desde menos que 2 m até 50 m ou mais São construídas de aço inoxidável vidro sílica fundida ou Teflon Para serem inseridas nos fornos para ter mostatização as colunas são geralmente enroladas em bobinas com diâmetro de 10 a 30 cm Figura 316 Uma discussão detalhada sobre as colunas recheios de colunas e fases estacionárias pode ser encontrada na Seção 31B A temperatura da coluna é uma variável importante que deve ser controlada dentro de poucos décimos de grau para se obter boa precisão Assim a coluna é normalmente abrigada em um forno termostatizado A temperatura ótima da coluna depende do ponto de ebulição da amostra e do grau de separação reque rido Grosseiramente uma temperatura igual ou ligeiramente superior ao ponto de ebulição médio da amostra proporciona tempos de eluição razoáveis 2 a 30 min Para as amostras com uma ampla faixa de ponto de ebulição é freqüentemente desejável que se empregue uma programação de temperatura pela qual a temperatura da coluna é aumentada quer seja continuamente quer em etapas à medida que a sepa ração se processa A Figura 314 mostra a melhoria que se consegue em um cromatograma por meio da programação de temperatura Geralmente a resolução ótima está associada com uma temperatu ra mínima o preço de se reduzir a temperatura contudo é um aumento no tempo de eluição e portanto no tempo necessário para se completar a análise As Figuras 314a e 314b ilustram esse princípio 31A4 Sistemas de Detecção Dezenas de detectores têm sido investigados e empregados em separações cromatográficas a gás Des creveremos primeiramente as características que são as mais desejáveis para um detector em cromatografia gasosa e então discutiremos os sistemas de detecção mais amplamente utilizados Características de um Detector Ideal O detector ideal para a cromatografia gasosa apresenta as seguintes características 1 Sensibilidade adequada Em geral as sensibilidades nos detectores atuais situamse na faixa de 108 a 1015 g do solutos 2 Boa estabilidade e reprodutibilidade 3 Resposta linear aos solutos que se estenda a várias ordens de grandeza Figura 313 Válvula de amostragem tipo rotatória A válvula permanece na posição a para que a alça ACB seja preenchida com a amostra na posição b a amostra é introduzida na coluna Entrada do eluente Entrada da amostra a Saída da amostra Entrada da amostra Saída da amostra A A B B C C Eluente para a coluna Entrada do eluente Eluente e amostra para a coluna b A programação de temperatura em cromatografia gasosa envolve o aumento da temperatura da coluna continuamente ou em etapas durante a eluição SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 31 Cromatografia Gasosa 905 Os detectores são incorporados a dois braços de um circuito de ponte ver Figura 316 de forma que a con dutividade térmica do gás de arraste seja cancelada Além disso os efeitos de variação na temperatura pressão e alimentação elétrica são minimizados As condutividades térmicas do hélio e hidrogênio são aproximadamente de seis a dez vezes maiores que aquelas da maioria dos compostos orgânicos Assim mesmo pequenas quantidades de espécies orgânicas proporcionam um decréscimo relativamente grande na condutividade térmica do efluente da coluna o que resulta em um aumento apreciável da temperatura do detector A detecção por condutividade térmica é menos satisfatória quando se emprega gases cujas con dutividades se aproximam muito daquelas dos componentes da amostra As vantagens do detector de condutividade térmica estão na sua simplicidade na sua ampla faixa dinâmica linear cerca de cinco ordens de grandeza na sua resposta abrangente a espécies orgânicas e inorgânicas e na sua característica nãodestrutiva que permite que os solutos sejam coletados após a detecção A principal limitação dos detectores de condutividade térmica está na sua sensibilidade relativa mente baixa Outros tipos de detectores excedem essa sensibilidade por fatores de 104 a 107 Detectores de Captura de Elétrons O detector de captura de elétrons DCE tornouse um dos mais amplamente empregados para as amostras ambientais em virtude de ele responder seletivamente aos compostos orgânicos contendo halogênios como pesticidas e bifenilas policloradas Nesse detector a amostra eluída de uma coluna passa sobre uma fonte radiativa emissora b geralmente níquel63 Um elétron do emissor causa a ionização do gás carregador freqüentemente nitrogênio e a produção de uma rajada de elétrons Na ausência de espé cies orgânicas produzse uma corrente constante entre um par de eletrodos em decorrência desse proces so de ionização Contudo a corrente decresce significativamente na presença de moléculas orgânicas que contêm grupos funcionais eletronegativos que tendem a capturar elétrons Os compostos halogenados peróxidos quinonas e grupos nitro são detectados com alta sensibilidade O detector é insensível a grupos funcionais como aminas alcoóis e hidrocarbonetos Figura 316 Esquema de a uma cela de um detector de condutividade térmica e b de um arranjo de duas celas de detecção da amostra e duas celas de referência de J Hinshaw LCGC 1990 n 8 p 298 Com permissão Saída do fluxo Entrada do fluxo a b Fonte de alimentação Referência Referência Amostra Amostra Amplificador Saída 908 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Analisadores O analisador de massas separa os íons de acordo com os valores de mz Os analisadores mais comuns são listados na Tabela 3134 Os analisadores mais comuns para CGEM são os filtros de massa tipo quadrupolo e os que empregam armadilha de íons ion trap Os espectrômetros de massas de alta resolução utilizam o analisador de duplo foco o analisador de ressonância ciclotrônica ou o ana lisador de tempo de vôo Detectores de Íons Em muitos espectrômetros os íons são detectados após colidirem com a superfície de um detector As colisões causam a emissão de elétrons fótons ou outros íons Estes podem ser medidos por detectores de carga ou radiação Por exemplo um detector comum é o multiplicador de elétrons que foi descrito na Seção 28F3 No detector de ressonância ciclotrônica de íons estes induzem um sinal cujas fre qüências são inversamente relacionadas aos valores de mz As freqüências são decodificadas por técnicas de transformada de Fourier O Instrumento Completo de CGMS O esquema de um sistema completo de CGMS é mostrado na Figura 319 A amostra é injetada no capilar da CG ver Seção 31B1 e o efluente penetra em uma entrada de um espectrômetro de massas tipo quadrupolo As moléculas são fragmentadas e ionizadas pela fonte e analisadas e detectadas pelo multiplicador de elétrons 4 Para uma discussão mais extensiva sobre os analisadores de massas ver referência 3 p 514518 TABELA 313 Analisadores de Massas Comuns para a Espectrometria de Massas Tipo Básico Princípio da Análise Setor magnético Deflexão dos íons em um campo magnético As trajetórias dos íons dependem do valor de mz Dupla focalização Focalização eletrostática seguida de deflexão por campo magnético As trajetórias dependem do valor de mz Quadrupolo Movimentação do íon em campos cc e de radiofreqüência Somente certos valores de mz passam Armadilha de íons Retenção de íons no espaço definido por eletrodos anelares e casquete O campo elétrico ion trap ejeta seqüencialmente os íons de valores crescentes de mz Ressonância ciclotrônica Retenção de íons em uma cela cúbica sob influência da voltagem e do campo magnético de íons A freqüência orbital está relacionada ao inverso do valor de mz Tempo de vôo Íons com energia cinética iguais entram em um tubo onde se movem livremente A velocidade e assim o tempo de chegada ao detector dependem da massa Figura 319 Esquema de um instrumento CGMS típico capilar O efluente do CG passa para a entrada do espectrômetro de massas no qual as moléculas de gás presentes são fragmentadas ionizadas analisadas e detectadas Sílica fundida Entrada do gás de arraste Porta de injeção Coluna de CG Forno do cromatógrafo a gás Linha de transferência Lentes de focalização b Região da fonte de íons Região do analisador de massas Multiplicador de elétrons Sistema de dados SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 31 Cromatografia Gasosa 909 Em CGMS o espectrômetro de massas varre as massas repetidamente durante o experimento cro matográfico Se o cromatograma ocorre em dez minutos por exemplo e uma varredura é obtida a cada segundo 600 espectros de massas serão registrados Os dados podem ser analisados pelo sistema de dados de diversas formas Primeira a abundância dos íons em cada espectro pode ser somada e colocada em um gráfico em função do tempo para fornecer um cromatograma do total de íons Esse gráfico é similar a um cromatograma convencional Podese também mostrar o espectro de massas em um tempo particular durante o cromatograma para identificarse as espécies que estão eluindo naquele momento Finalmente podese selecionar um valor único de mz e monitorálo durante o experimento cromatográfico uma téc nica que é denominada monitoramento de íon selecionado Outros Tipos de Detectores Outros detectores importantes para CG incluem o detector termiônico o detector de condutividade eletrolítica ou de efeito Hall e o detector de fotoionização O detector termiônico apresenta uma construção similar ao DIC No detector termiônico os compostos contendo nitrogênio e fósforo produzem um aumen to da corrente em chamas nas quais um sal de metal alcalino é vaporizado O detector termiônico é ampla mente empregado para pesticidas organofosforados e compostos farmacêuticos Nos detectores de condutividade eletrolítica os compostos contendo halogênios enxofre ou nitrogênio são misturados com um gás reagente em um pequeno tubo de reação Os produtos são então dissolvidos em um líquido o qual produz uma solução condutora A alteração na condutividade resultante da presença de um composto ativo é medida No detector de fotoionização as moléculas são fotoionizadas por radiação ultravioleta Os íons e elétrons produzidos são coletados com um par de eletrodos polarizados e a corrente resultante é medida O detector é freqüentemente usado para as moléculas aromáticas ou outras moléculas que são facilmente fotoionizáveis A cromatografia gasosa é geralmente acoplada a técnicas seletivas da espectroscopia ou eletroquími ca Discutimos CGMS porém a cromatografia gasosa pode ser combinada também com muitas outras téc nicas como a espectroscopia no infravermelho e espectroscopia de ressonância magnética nuclear suprindo o químico de ferramentas poderosas de identificação de componentes de misturas complexas Essas técnicas combinadas são muitas vezes chamadas métodos hifenados5 Nos primeiros métodos hifenados os eluatos da coluna cromato gráfica eram coletados como frações separadas em um coletor resfriado e um detector nãodestrutivo e nãoseletivo era empregado para indicar seu aparecimento A composição da fração era investigada por ressonância magnética nuclear espectrometria no infravermelho ou de massas ou medidas eletroanalíticas Uma limitação séria a essa abordagem era a quantidade muito peque na normalmente micromols de soluto presente em uma fração A maioria dos métodos hifenados modernos monitora o efluente da coluna cromatográfica continua mente por meio de métodos espectroscópicos A combinação de duas técnicas baseadas em diferentes princípios pode levar a uma alta seletividade Os instrumentos atuais de CG baseados no uso de computa dores incorporam grandes bases de dados para a comparação de espectros e identificação de compostos COLUNAS E FASES ESTACIONÁRIAS PARA 31B A CROMATOGRAFIA GASOSA Os estudos pioneiros em cromatografia gasosa foram realizados no início dos anos 1950 em colunas re cheadas nas quais a fase estacionária era constituída de um filme fino de líquido retido por adsorção na superfície de um suporte sólido inerte finamente dividido A partir de estudos teóricos feitos durante esse período inicial tornouse aparente que as colunas não recheadas com diâmetro de poucos décimos de Os métodos hifenados acoplam a capacidade de separação da cromatografia com a capacidade de detecção qualitativa e quantitativa dos métodos espectrais 5 Para revisões sobre métodos hifenados ver C L Wilkins Science 1983 n 222 p 251 Anal Chem 1989 n 59 p 571A SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 31 Cromatografia Gasosa 911 TABELA 314 Propriedades e Características de Colunas Típicas para CG Tipo de Coluna CTAS TAPR TARS FSOT WCOT SCOT Recheada Comprimento m 10100 10100 10100 16 Diâmetro interno mm 0103 025075 05 24 Eficiência pratom 20004000 10004000 6001200 5001000 Tamanho da amostra ng 1075 101000 101000 10106 Pressão relativa Baixa Baixa Baixa Alta Velocidade relativa Rápida Rápida Rápida Lenta É flexível Sim Não Não Não Estabilidade química Melhor Pior Coluna tubular aberta de sílica fundida Coluna tubular aberta de parede recoberta Coluna tubular aberta revestida com suporte também chamada coluna tubular aberta com camada porosa TACP PLOT do inglês porous layer open tubular As colunas tubulares abertas de sílica mais amplamente empregadas apresentam diâmetros de 032 e 025 mm As colunas de alta resolução são vendidas com diâmetros de 020 e 015 mm Essas colunas são de uso mais complexo e são mais restritivas com relação aos sistemas de injeção e detecção Assim um divisor de amostra deve ser empregado para reduzir o tamanho da amostra injetada na coluna e um sistema de detecção mais sensível com baixo tempo de resposta é necessário Recentemente capilares de 530 mm algumas vezes denominados colunas megabore têm surgido no mercado Essas colunas toleram amostras de tamanho similar àqueles para as colunas recheadas As ca racterísticas de desempenho das colunas tubulares abertas megabore são tão boas como aquelas de diâme tros menores porém são significativamente melhores que aquelas das colunas recheadas A Tabela 314 compara as características de desempenho de colunas capilares de sílica fundida com outros tipos de colunas de parede recoberta bem como com as de colunas com suporte revestido e re cheadas 31B2 Colunas Recheadas As colunas recheadas são atualmente fabricadas de tubos de vidro ou metal elas apresentam um compri mento típico entre 2 e 3 m e diâmetro interno de 2 a 4 mm Esses tubos são densamente recheados com um material uniforme e finamente dividido ou suporte sólido que é recoberto com uma camada fina 005 a 1 mm de fase estacionária líquida Os tubos são enrolados na forma de bobinas com diâmetros aproxima dos de 15 cm para possibilitar uma termostatização conveniente no forno Materiais Sólidos de Suporte O recheio ou suporte sólido em uma coluna recheada serve para fixar a fase estacionária líquida de forma que a maior área superficial possível esteja exposta à fase móvel O suporte ideal consiste em pequenas partículas uniformes e esféricas com boa resistência mecânica e com uma área superficial de pelo menos 1 m2g Além disso o material deve ser inerte a temperaturas elevadas e deve ser molhado uniformemente pela fase líquida Nenhuma substância que preencha perfeitamente todos esses critérios se encontra disponível Os recheios empregados inicialmente e ainda os mais amplamente utilizados para a cromatografia gasosa eram preparados com terra diatomácea de ocorrência natural a qual consiste em esqueletos de milhares de espécies de plantas unicelulares que habitaram os antigos lagos e mares Esses materiais de suporte são freqüentemente tratados quimicamente com dimetilclorosilano o qual produz uma cama da de grupos metila Esse tratamento reduz a tendência de o recheio absorver moléculas polares 914 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON As ligações entrecruzadas são feitas in situ após a coluna ter sido recoberta com um dos polímeros lis tados na Tabela 315 Uma forma de se obter as ligações entrecruzadas baseiase na incorporação de um peróxido no líquido original Quando o filme é aquecido uma reação entre os grupos metílicos das cadeias do polímero é iniciada por um mecanismo radicalar livre As moléculas do polímero são então ligadas entre si por ligações carbonocarbono Os filmes resultantes são mais difíceis de serem extraídos e apresentam maior estabilidade térmica que os filmes não tratados As ligações entrecruzadas podem ser iniciadas tam bém por exposição das colunas recobertas à radiação gama Espessura do Filme As colunas comerciais contendo fases estacionárias cujas espessuras variam de 01 a 5 mm estão dispo níveis A espessura do filme afeta primariamente o caráter da retenção e a capacidade da coluna como dis cutido na Seção 30E6 Os filmes espessos são empregados com compostos altamente voláteis porque esses filmes retêm os solutos por um tempo mais longo provendo assim maior intervalo de tempo para que a separação ocorra Os filmes finos são úteis para separar as espécies de baixa volatilidade em um tempo razoável Para muitas aplicações de colunas de 025 ou 032 mm uma espessura de filme de 025 mm é recomendada Nas colunas megabore são geralmente empregados filmes de 1 a 15 mm Atualmente colu nas com filmes de 8 mm de espessura estão sendo comercializadas 31C APLICAÇÕES DA CROMATOGRAFIA GÁSLÍQUIDO A cromatografia gáslíquido pode ser aplicada às espécies relativamente voláteis e termicamente estáveis a temperaturas de até poucas centenas de graus Celsius Um grande número de compostos de interesse possui essas qualidades Conseqüentemente a cromatografia gasosa tem sido amplamente aplicada na se paração e determinação de componentes em variados tipos de amostras A Figura 3114 mostra os cro matogramas para algumas dessas aplicações Alcoóis Aromáticos clorados a Alcalóides Alcoóis em sangue b Esteróides Óleo de sementes c 4 3 5 2 1 4 3 16 15 14 13 12 8 1 2 3 4 5 6 7 8 2 3 4 5 6 8 7 456 2 3 1 11 10 9 1 9 10 11 9 10 11 6 5 7 4 3 1 2 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314min 7 min d e f 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617 min 0 1 2 3 4 5 6 min 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415 min 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 min Figura 3110 Cromatogramas típicos obtidos em colunas tubulares abertas recobertas com a polidimetilsiloxano b 5 fenilpolidimetilsiloxano c 50 fenilpolimetilsiloxano d 50 trifluorpropil polidimetilsiloxano e polietileno glicol e f 50 cianopropil polidimetilsiloxano Cortesia de J W Scientific SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 31 Cromatografia Gasosa 915 31C1 Análise Qualitativa Os cromatogramas obtidos por CG são amplamente utilizados para se estabelecer a pureza de compostos orgânicos Os contaminantes se presentes são revelados pelo aparecimento de picos adicionais as áreas sob esses picos fornecem estimativas grosseiras da extensão da contaminação A técnica é também útil para se avaliar a eficiência dos processos de purificação Em teoria os tempos de retenção em CG deveriam ser úteis para identificarse os componentes em misturas Na verdade contudo a aplicabilidade desses dados é limitada pelo número de variáveis que devem ser controladas para se obter resultados reprodutíveis Contudo a cromatografia gasosa provê um meio excelente de confirmação da presença ou ausência de compostos suspeitos em uma mistura supon do que uma amostra autêntica da substância esteja disponível Nenhum outro pico deve aparecer no cromatograma da mistura em adição ao do composto conhecido e o aumento de intensidade de um pico previamente existente deve ser observado A evidência é particularmente convincente se o efeito puder ser duplicado em colunas diferentes e a diferentes temperaturas Por outro lado porque um cromatograma fornece uma informação única sobre cada espécie da mistura o tempo de retenção a aplicação da téc nica na análise qualitativa de amostras complexas de composição desconhecida é limitada Essa limitação tem sido contornada em sua maior parte pela ligação das colunas cromatográficas dire tamente a espectrômetros ultravioleta infravermelho e de massas Os instrumentos hifenados resultantes constituem ferramentas poderosas para a identificação de componentes de misturas complexas ver Seção 31A4 Um exemplo do uso da espectrometria de massas combinada com a cromatografia gasosa para a identificação de constituintes do sangue é dado no Destaque 311 Embora um cromatograma possa não levar a uma identificação positiva das espécies presentes em uma amostra este freqüentemente provê uma evidência segura da ausência de uma espécie Assim se a amostra falha em produzir um pico com o mesmo tempo de retenção que um padrão obtido sob condições idênti cas isso é uma evidência forte de que o composto em questão está ausente ou presente em concentração abaixo do limite de detecção do procedimento 31C2 Análise Quantitativa A cromatografia gasosa deve seu enorme crescimento em parte à sua velocidade simplicidade custo re lativamente baixo e ampla aplicabilidade a separações É duvidoso contudo que a CG poderia ter se tor nado tão amplamente utilizada se não fosse capaz de fornecer informações quantitativas sobre as espécies separadas A CG quantitativa está baseada na comparação da altura ou da área de um pico analítico com aquele de um ou mais padrões Se as condições são controladas adequadamente ambos os parâmetros variam li nearmente com a concentração A área de um pico é independente dos efeitos de alargamento discutidos anteriormente Portanto considerando esse fato a área é um parâmetro analítico mais satisfatório que a altura do pico Contudo as alturas de pico são medidas de forma mais fácil e para os picos estreitos mais exata A maioria dos instrumentos cromatográficos modernos é equipada com computadores que fornecem medidas de áreas relativas Se esse equipamento não está disponível uma estimativa manual deve ser feita Um método simples que funciona bem para os picos simétricos de largura razoável consiste em multiplicar a altura do pico pela sua largura medida na metade da sua altura Calibração com Padrões O método mais direto de análise cromatográfica gasosa quantitativa envolve a preparação de uma série de soluções padrão cuja composição se aproxima daquela da amostra método do padrão externo Os cro matogramas para os padrões são obtidos e as alturas dos picos ou suas áreas são empregadas em um grá fico em função da concentração para se obter uma curva analítica Um gráfico dos dados deve fornecer uma linha reta passando pela origem as análises quantitativas são baseadas nesse gráfico A calibração deve ser freqüente para maior exatidão 916 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Uso da CGMS na Identificação de um Metabólito de um Medicamento no Sangue8 Um paciente em coma estava sob suspeita de ter ingerido uma dose excessiva de um medicamento a glutetimida Doriden tendo em vista um fras co vazio do medicamento encontrado próximo a ele Um cromatograma a gás foi obtido de um extrato de plasma do seu sangue e dois picos foram encontrados como mostrado na Figura 31D1 O tempo de retenção para o pico 1 corre spondeu ao da glutetimida mas o composto responsável pelo pico 2 não era conhecido A pos sibilidade de que o paciente tivesse ingerido outra droga foi considerada Contudo o tempo de retenção para o pico 2 sob as condições empre gadas não correspondia a nenhum outro medica mento acessível ao paciente nem a qualquer droga ilícita Portanto uma cromatografia acoplada à espectrometria de massas foi utilizada para se estabelecer a identidade do pico 2 e para confir mar a identidade do pico 1 antes de se submeter o paciente a qualquer tratamento O extrato de plasma foi submetido a uma análise por CGMS e o espectro de massas apre sentado na Figura 31D2a confirmou que o pico 1 era devido à glutetimida Um pico no espectro de massas com razão massacarga de 217 repre senta a razão correta para o íon molecular da glutetimida e o espectro de massas mostrouse igual àquele de uma amostra conhecida de glute timida O espectro de massas do pico 2 contudo mostrou uma massa para o íon molecular na razão massacarga de 233 como pode ser visto na Figura 31D2b Isso difere da massa molecu lar do íon da glutetimida por 16 unidades de massa Vários outros picos no espectro de mas sas do pico 2 diferem daqueles da glutetimida por 16 unidades de massa indicando a incorpo ração de oxigênio na molécula de glutetimida Isso levou os cientistas a acreditar que o pico 2 era devido a um metabólito 4hidroxi da droga original droga pai 8 De J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3 ed p 2225 Nova York LippincottRaven 1997 DESTAQUE 311 Tempo Pico 1 Pico 2 Inensidade do sinal Figura 31D1 Cromatograma a gás de um extrato de plasma sangüíneo de uma vítima de superdosagem de medicamento O pico 1 ocorreu a um tempo de retenção apropriado para ser identificado como a glutetimida porém o composto responsável pelo pico 2 era desconhecido até que foi feita uma CGMS CH2 CH3 H N O O Estrutura e modelo molecular da glutetimida continua SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 31 Cromatografia Gasosa 921 311 Quais são as diferenças entre a cromato grafia gáslíquido e gássólido 312 Quais tipos de misturas são separados por cromatografia gássólido 313 Por que a cromatografia gássólido não é extensivamente utilizada como a cromato grafia gáslíquido 314 Como funciona um medidor de vazão de bolha de sabão 315 O que é um cromatograma 316 O que significa programação de tempe ratura em cromatografia gáslíquido 317 Descreva as diferenças físicas entre as co lunas tubulares e as recheadas Quais são as vantagens e desvantagens de cada uma delas 318 Quais variáveis devem ser controladas para se obter dados quantitativos satis fatórios de um cromatograma 319 Qual é o material de recheio empregado na maioria das colunas para cromatografia gasosa 3110 Descreva o princípio no qual cada um dos seguintes detectores para cromatografia ga sosa está baseado a condutividade térmi ca b ionização em chama c captura de elétrons d termiônico e e fotoionização 3111 Quais são as principais vantagens e as principais limitações dos detectores lista dos no Problema 3110 3112 O que são métodos cromatográficos hife nados Descreva brevemente três métodos hifenados 3113 O que são colunas tubulares abertas tipo megabore Por que elas são empregadas 3114 Quais são as diferenças entre as seguintes colunas tubulares abertas a colunas TACP b colunas TAPR c colunas TARS 3115 Quais propriedades uma fase líquida esta cionária deve apresentar para ser utilizada em cromatografia gasosa 3116 Quais são as vantagens das colunas capi lares de sílica fundida quando comparadas às colunas de vidro ou metal 3117 Qual é o efeito da espessura da fase esta cionária nos cromatogramas a gás 3118 Por que as fases estacionárias para croma tografia gasosa são freqüentemente ligadas e interligadas ligadas de forma entre cruza da O que significam esses termos 3119 Liste as variáveis que levam a a alarga mento de banda e b separação de bandas em cromatografia gáslíquido 3120 Um método de determinação quantitativa da concentração de constituintes de uma amostra analisada por cromatografia gaso sa é a normalização de área Nesse proce dimento a eluição completa de todos os constituintes da amostra é necessária A área de cada pico é medida e corrigida para a resposta do detector para os dife rentes eluatos Essa correção envolve a divisão da área por um fator de correção empiricamente determinado A concen Dirija seu navegador para o endereço httpchemistrybrookscolecom skoogfac A partir do menu do Chapter Resources selecione Web Works Localize a seção do Capítulo 31 e você vai encontrar várias conexões com os fabricantes de instrumentos para a cromatografia gasosa Clique em uma dessas conexões e investigue as características de um instrumento tipo premium de CG e de um instrumento de rotina Compare e mostre as diferenças dessas características Preste muita atenção em sua comparação ao tamanho do forno à incerteza na tem peratura do forno à capacidade da unidade em realizar a programação de temperatura aos tipos de detectores disponíveis e aos tipos de sis temas de análise de dados EXERCÍCIOS NA WEB QUESTÕES E PROBLEMAS 922 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON tração do analito é encontrada a partir da razão entre a sua área corrigida e a área total corrigida de todos os picos Para um cromatograma contendo três picos as áreas relativas foram determinadas como 164 452 e 302 na ordem do aumento do tempo de retenção Calcule a porcen tagem de cada composto se as respostas relativas do detector forem 060 078 e 088 respectivamente 3121As áreas sob os picos e as respostas rela tivas do detector são empregadas para determinar as concentrações de cinco es pécies em uma amostra O método da normalização de área descrito no Pro blema 3120 é utilizado As áreas relati vas para os cinco picos cromatográficos são dadas na tabela Também são mos tradas as respostas relativas do detector Calcule a porcentagem de cada compo nente na mistura Resposta Área Relativa Relativa Composto do Pico do Detector A 325 070 B 207 072 C 601 075 D 302 073 E 183 078 3122 Para os dados fornecidos no Exemplo 31 1 compare o método dos padrões externos com o método do padrão interno Faça um gráfico da altura do pico do analito versus a porcentagem do analito e determine a sua quantidade na amostra empregando os resultados para o padrão interno Seus resultados são mais precisos quando o método do padrão interno é utilizado Se forem forneça algumas possíveis razões para isso 3123 Problema Desafiador O cinamaldeído é o componente responsável pelo aroma de canela Também é um potente composto antimicróbico presente nos óleos essen ciais ver M Friedman N Kozukue e L A Harden J Agric Food Chem 2000 v 48 p 5702 A resposta de CG de uma mistura artificial contendo seis compo nentes de óleo essencial e benzoato de metila como padrão interno é mostrada na figura Cromatograma a gás Reproduzido com permissão de M Friedman N Kozukuc e L A Harden J Agric Fed Chem 2000 v 48 p 570 Copyright da American Chemical Society a A seguinte figura é uma ampliação idealizada de uma região próxima ao pico do cinamaldeído Cromatograma ampliado Determine o tempo de retenção para o cinamaldeído b A partir da figura na parte a deter mine o número de pratos teóricos para a coluna c A coluna de sílica fundida apresentava um diâmetro de 025 mm por um com primento de 30 cm com um filme de 025 mm de espessura Determine a altura equivalente de prato teórico a par tir dos dados das partes a e b d Os dados quantitativos foram obtidos empregandose o benzoato de metila como padrão interno Os seguintes re sultados foram obtidos para as curvas de calibração de cinamaldeído eugenol e timol Os valores abaixo de cada com ponente representam a área do pico do componente dividida pela área do pico do padrão interno Tempo min Corrente total de íons 18 182 184 186 188 19 192 194 196 198 20 Corrente total de íons 100 Tempo de retenção min 1143 1823 2503 3823 3143 Benzoato de metila Linalol Cinamaldeído Carvona Timol Carvacrol Eugenol Componentes do óleo essencial Cromatografia Líquida de Alta Eficiência CAPÍTULO 32 A cromatografia líquida de alta eficiência CLAE tornouse uma ferramenta analítica indispensável Os laboratórios criminais e os programas de televisão policiais e forenses como CSI CSI Miami Crossing Jordan e Law and Order freqüentemente empregam a CLAE no processo de obtenção de evidências criminais Este capítulo aborda a teoria e a prática da CLAE incluindo as cromatografias por adsorção por troca iônica por exclusão por afinidade e cromatografia quiral A CLAE encontra aplicações não apenas em química forense como também em bioquímica ciências ambientais ciências dos alimentos química farmacológica e em toxicologia A cromatografia líquida de alta eficiência CLAE é o tipo mais versátil e mais amplamente empre gado de cromatografia por eluição Essa técnica é utilizada pelos químicos para separar e deter minar espécies em uma grande variedade de materiais orgânicos inorgânicos e biológicos Na cro matografia líquida a fase móvel é um solvente líquido o qual contém a amostra na forma de uma mistura de solutos O tipo de cromatografia líquida de alta eficiência é geralmente definido pelo mecanismo de separação ou pelo tipo de fase estacionária Estes incluem 1 partição ou croma tografia líquidolíquido 2 adsorção ou cromatografia líquidosólido 3 troca iônica ou cro matografia de íons 4 cromatografia por exclusão 5 cromatografia por afinidade e 6 cromatografia quiral Inicialmente a cromatografia líquida era realizada em colunas de vidro com diâmetro interno de talvez 10 a 50 mm As colunas eram recheadas com partículas sólidas recobertas com um líquido adsorvido que formava a fase estacionária Para assegurar vazões razoáveis através desse tipo de fase estacionária o tamanho das partículas sólidas era mantido acima de 150 a 200 mm mesmo assim as vazões eram de poucos décimos de mililitro por minuto na melhor das hipóteses As tentativas de acelerar esse procedimento clássico por meio da aplicação de vácuo ou pressão não foram efetivas porque o aumento na vazão era acompanhado pela elevação na altura de prato e pela redução da efi ciência da coluna Bem cedo durante o desenvolvimento da teoria da cromatografia líquida foi reconhecido que uma diminuição significativa das alturas de prato poderia ser obtida se o tamanho das partículas do recheio pudesse ser reduzido Esse efeito é apontado pelos dados na Figura 321 Observe que o mí nimo mostrado na Figura 3013a página 930 não é atingido em quaisquer dessas curvas A razão para essa diferença é que a difusão em líquidos é muito mais lenta que em gases conseqüentemente seu efeito na altura de prato somente é observado a vazões muito pequenas SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP32 Cromatografia Líquida de Alta Eficiência 925 Não foi antes do final dos anos 1960 que se desenvolveu a tecnologia para produzir e utilizar recheios com diâmetros de partículas tão pequenos como 3 a 10 mm Essa tecnologia necessitou de instrumentos capazes de fornecer pressões de bombeamento muito mais altas que os dispositivos simples que os precederam Simultaneamente os detectores foram desenvolvidos para permitir o monitoramento contínuo dos efluentes das colunas O termo cromatografia líquida de alta eficiência é sempre empregado para distinguir essa tecnologia dos procedimentos cromatográficos realizados em colunas simples que os precederam1 A cromatografia de coluna simples contudo ainda encontra considerável uso para propósitos preparativos As aplicações dos tipos mais comuns de CLAE para várias espé cies de analitos são mostradas na Figura 322 Observe que os vários tipos de cromatografia líquida tendem a ser complementares do ponto de vista das aplicações Por exemplo para os analitos com massas molares maiores que 10000 um dos dois tipos de métodos de exclusão por tamanho é freqüentemente empregado permeação em gel para as espécies nãopolares e filtração em gel para os com postos polares ou iônicos Para as espécies iônicas de baixa massa molar a cromatografia por troca iônica é geralmente o método selecionado As espécies pequenas polares mas nãoiônicas são separadas com melhor eficiência pelos métodos por partição 32A INSTRUMENTAÇÃO Pressões de bombeamento de muitas atmosferas são requeridas para se obter vazões razoáveis com recheios na faixa de tamanho de 3 a 10 mm que é comum na cromatografia líquida moderna Em conse qüência dessas altas pressões o equipamento para a cromatografia líquida de alta eficiência tende a ser consideravelmente mais complexo e caro do que aquele encontrado em outros tipos de cromatografia A Figura 323 apresenta um diagrama especificando os componentes importantes de um instrumento típico de CLAE Figura 321 O efeito do tamanho de partícula do recheio e da vazão sobre a altura de prato em cromatografia líquida De R E Majors J Chromatogr Sci 1973 v 11 p 92 Reproduzido do Journal of Chromatographic Science com permissão da Preston Publications uma divisão da Preston Industries Inc 0 0 Altura de prato H mm 10 10 20 30 40 50 k 12 447 µm m 349 µm 226 µm 132 µm 88 µm 61 µm 20 30 40 Velocidade linear cms m m m m m 1 Para uma discussão detalhada sobre os sistemas CLAE ver L R Snyder e J J Kirkland Introduction to Modern Liquid Chromatography 3 ed Nova York Wiley 1996 S Lindsay High Performance Liquid Chromatography Nova York Wiley 1992 R P W Scott Liquid Chromatography for the Analyst Nova York Marcel Dekker 1995 A cromatografia líquida de alta eficiência CLAE é um tipo de cromatografia que emprega uma fase móvel líquida e uma fase estacionária muito finamente dividida Para se obter vazões satisfatórias o líquido deve ser pressurizado a muitas centenas de libras por polegada quadrada 926 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Figura 322 Aplicações da cromatografia líquida Observe que os tipos de cromatografia à direita do diagrama são mais adequados para os compostos polares As técnicas na parte de baixo do diagrama são mais adequadas para as espécies de alta massa molecular De D L Saunders in Chromatography 3 ed E Heftmann Ed p 81 Nova York Van Nostrand Reinhold 1975 Polar nãoiônico Nãopolar Iônico Solúvel em água Insolúvel em água Aumento da polaridade Partição Peso molecular Adsorção 102 103 104 105 106 Troca iônica Partição normal Partição em fase reversa Permeação em gel Filtração em gel Exclusão Figura 323 Diagrama de blocos mostrando os componentes típicos de um sistema para CLAE Cortesia da Perkin Elmer Corp Norwalk CT Fonte de hélio regulada Reservatórios de solvente Sparger Válvula de mistura proporcional Para o detector Coluna Transdutor de pressão Bomba Válvula de injeção Filtro de entrada Válvula de controle de saída Válvula de controle de entrada Amortecedor de pulsos Regulador de contrapressão Filtro Seringa de preparação inicial Para o descarte Válvula de drenagem SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP32 Cromatografia Líquida de Alta Eficiência 927 32A1 Reservatórios de Fase Móvel e Sistemas de Tratamento de Solventes Um instrumento moderno de CLAE é equipado com um ou mais reservatórios de vidro cada um deles tendo 500 mL ou mais de um solvente Freqüentemente são tomadas medidas para a remoção de gases dissolvidos e de partículas presentes nos líquidos Os primeiros produzem bolhas na coluna causando assim um alarga mento de banda além disso as bolhas e os particulados interferem no desempenho da maioria dos detectores Os desgaseificadores podem ser constituídos por sistemas de aplicação de vácuo sistemas de destilação um dispositivo de aquecimento e agitação ou como mostrado na Figura 323 um sistema de sparging no qual os gases dissolvidos são arrastados para fora da solução por pequenas bo lhas de um gás inerte que não é solúvel na fase móvel Uma eluição com um único solvente ou com uma mistura de sol ventes de composição constante é isocrática Na eluição por gradiente dois e às vezes mais sistemas solventes que diferem significativamente em polaridade são empregados A razão entre os dois solventes varia em uma forma préprogramada durante a separação algumas vezes de forma contínua e por vezes em etapas Como exposto na Figura 324 a eluição por gradiente geralmente melhora a eficiência da separação da mesma forma que a programação de temperatura o faz na cromatografia gasosa Os instrumentos modernos de CLAE são equipados com válvulas que introduzem líquidos a partir de dois ou mais reservatórios em proporções que podem ser variadas continuamente ver Figura 323 Sparging é o processo pelo qual os gases dissolvidos são arrastados para fora de um solvente por pequenas bolhas de um gás inerte e insolúvel Uma eluição isocrática em CLAE é aquela na qual a composição do solvente permanece constante Uma eluição por gradiente em CLAE é aquela na qual a composição do solvente é alterada continuamente ou em uma série de etapas Figura 324 Melhoria na eficiência de separação por eluição por gradiente De J J Kirkland Ed Modern Practice of Liquid Chromatography p 88 Nova York Interscience 1971 0 30 25 20 15 10 5 10 9 7 8 9 8 7 2 1 3 4 5 6 10 3 2 1 a Identidade dos picos Eluição por gradiente b Eluição isocrática 1 Benzeno 2 Monoclorobenzeno 3 Ortodiclorobenzeno 4 123triclorobenzeno 5 135triclorobenzeno 6 124triclorobenzeno 7 1234tetraclorobenzeno 8 1245tetraclorobenzeno 9 Pentaclorobenzeno 10 Hexaclorobenzeno 4 5 6 Tempo de retenção min 930 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON 32A5 Detectores Os detectores em CLAE devem apresentar um volume morto pequeno de forma a minimizar o alarga mento de banda extra coluna O detector deve ser pequeno e compatível com a vazão de líquido Nenhum sistema de detecção universal de alta sensibilidade como aqueles encontrados para a cromatografia gasosa está disponível para a cromatografia líquida de alta eficiência Assim o detector a ser emprega do vai depender da natureza da amostra A Tabela 321 lista alguns dos detectores comuns e suas pro priedades Os detectores mais amplamente empregados em cromatografia líquida são baseados na absorção da radiação ultravioleta ou visível Figura 328 Os fotômetros e os espectrofotômetros projetados especificamente para uso com colunas cromatográficas estão disponíveis comercialmente O primeiro geralmente faz uso das linhas a 254 nm e 280 nm de uma fonte de mercúrio porque muitos grupos fun cionais orgânicos absorvem nessa região As fontes de deutério ou de filamento de tungstênio com fil de graus desde a temperatura próxima à ambiente até 150 ºC As colunas podem também ser munidas de uma camisa de termostatização pela qual flui a água de um banho termostático de forma a promover um controle preciso da temperatura Modelo molecular do pxileno Existem três isômeros do xileno orto meta e para O paraxileno é utilizado na produção de fibras artificiais O xilol é uma mistura dos três isômeros e é empregado como solvente CH3 CH3 TABELA 321 Desempenho dos Detectores para CLAE Disponível LD em Massa Faixa Linear Detector para CLAE Comercialmente típico décadas Absorbância Sim 10 pg 34 Fluorescência Sim 10 fg 5 Eletroquímico Sim 100 pg 45 Índice de refração Sim 1 ng 3 Condutividade Sim 100 pg1 ng 5 Espectrometria de massas Sim 61 pg 5 FTIR Sim 1 mg 3 Espalhamento de luz Sim 1 mg 5 Atividade óptica Não 1 ng 4 Seletivo a elementos Não 1 ng 45 Fotoionização Não 61 pg 4 Do manual do fabricante Handbook of Instrumental Techniques for Analytical Chemistry F Settle Ed Upper Saddle River NJ PrenticeHall 1997 E S Yeung and R E Synovec Anal Chem 1986 v 58 p 1237A Limites de detecção LD expressos em massa são dependentes do composto instrumento e condições da CLAE os valores fornecidos são típicos de sistemas comerciais quando disponíveis Valores típicos extraídos da fonte citada SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP32 Cromatografia Líquida de Alta Eficiência 931 tros de interferência fornecem um meio simples de detectar as es pécies absorventes Alguns dos instrumentos modernos são equipados com discos que contêm vários filtros de interferência os quais podem ser rapidamente trocados Os detectores espectrofotométricos são consideravelmente mais versáteis que os fotômetros e são ampla mente empregados nos instrumentos de alto desempenho Os instru mentos modernos usam arranjos lineares de fotodiodos que podem adquirir um espectro completo à medida que o analito deixa a coluna O uso de uma combinação de CLAE com detector de espectrometria de massas está atualmente tornandose bastante popular Esses sis temas de cromatografia líquidaespectrometria de massas podem identificar os analitos que deixam a coluna de CLAE2 como discuti do no Destaque 321 A combinação da cromatografia líquida com a es pectrometria de massas poderia ser vista como a fusão ideal entre a separação e a detecção Assim como na cromatografia gasosa o espectrômetro de massas poderia identificar as espécies à medida que elas fossem eluídas da coluna cromatográfica Contudo existem dois problemas principais no acoplamento dessas duas técnicas Uma amostra no estado gasoso é necessária para a espectrome tria de massas enquanto a saída de uma coluna de CL é constituída por um soluto dissolvido em um solvente Em uma primeira etapa o solvente deve ser evaporado Quando vaporizado contudo o sol vente da CL produz um volume de vapor que é cerca de 10 a 1000 vezes maior que o volume do gás de arraste em cromatografia gasosa Portanto a maior parte do solvente deve também ser removi da Diversos dispositivos têm sido desenvolvidos para resolver esse problema de remoção do sol vente e para o interfaceamento da coluna de CL Hoje em dia a abordagem mais popular é usar a técnica de ionização à pressão atmosférica de baixa vazão O diagrama de blocos de um sistema típico CLMS ou LCMS do inglês Liquid Chromato graphyMass Specrometry é mostrado na Figura 32D1 O sistema de CLAE é tipicamente um sis tema capilar de CL em nanoescala com vazões na faixa de mLmin Alternativamente algumas inter faces permitem vazões tão altas como de 1 a 2 mLmin as quais são típicas da CLAE conven cional As fontes de ionização mais comuns são a ionização por eletrospray e a ionização química à pressão atmosférica ver Seção 31A4 A combi nação de CLAE e espectrometria de massas pro porciona uma alta seletividade uma vez que picos nãoresolvidos podem ser isolados monitorandose somente um valor de massa selecionado A técnica de CLMS pode fornecer uma impressão digital de um eluato em particular em vez de recorrer ao tempo de eluição como na CLAE convencional A combinação também pode fornecer a massa molar e informação estrutural e uma análise quantitati va exata3 Cromatografia Líquida CLEspectrometria de Massas MS e CLMSEM DESTAQUE 321 Fonte de íons Sistema CLAE Analisador de massas Sistema de vácuo Detector de íons Sistema de dados Figura 32D1 Diagrama de blocos de um sistema CLMS O efluente da coluna de CL é introduzido em uma fonte de ionização à pressão atmosférica como um sistema de eletrospray ou ionização química Os íons produzidos são selecionados pelo analisador de massas e detectados pelo detector de íons Figura 328 Um detector UVvisível para CLAE Janelas de quartzo Da coluna Detector Fonte UV Para o descarte 2 Ver R Willoughby E Sheehan S Mitrovich A Global View of LCMS Pittsburgh Global View Publishing 1998 W M A Niessen Liquid ChromatographyMass Spectrometry 2 ed Nova York Dekker 1999 3 Para uma revisão sobre os sistemas comerciais CLMS ver B E Erickson Anal Chem 2000 v 72 p 711A continua 932 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Outro tipo de detector que tem encontrado uma considerável aplicação é baseado na mudança de índice de refração do solvente causada pelas moléculas do analito Em contraste com a maioria dos outros detectores listados na Tabela 321 o detector de índice de refração é de uso geral em vez de seletivo e responde à presença de todos os solutos A desvantagem desse detector está em sua sensibilidade limitada Muitos detectores eletroquímicos baseados em medidas potenciométricas condutimétricas e voltamétricas foram também desenvolvidos Um exemplo de detector amperométrico encontrase na Figura 329 Para algumas misturas complexas a combi nação da CL com MS não fornece uma reso lução suficiente Nos anos mais recentes tornou se factível o acoplamento de dois ou mais ana lisadores de massas em conjunto em uma técni ca conhecida como espectrometria de massas tandem4 Quando se combina a CL com a espec trometria de massas tandem o instrumento recebe o nome de CLMSMS ou LCMS MS5 Os espectrômetros de massas tandem são do tipo de triplo quadrupolo a célula de colisão também é um quadrupolo ou espectrômetros com quadrupolo e armadilha de íons Um sis tema de triplo quadrupolo de espectrometria de massas é mostrado na Figura 32D2 Nesse caso o primeiro quadrupolo age como um filtro de massas selecionando o íon de interesse Esse íon é então fragmentado por colisão com um gás inerte em uma célula de colisão O sistema quadrupolo final analisa os fragmentos produzi dos O sistema de triplo quadrupolo pode operar em outros modos Por exemplo se o primeiro quadrupolo for operado como um filtro largo de massas de forma a transmitir ampla faixa de íons e se nenhum gás de colisão estiver presente na célula de colisão o instrumento está operando como um sistema CLMS O instrumento pode ser operado varrendose um ou ambos os quadrupolos para produzir espectros de massas dos fragmentos dos íons selecionados pelo primeiro quadrupolo à medida que aquele qua drupolo é varrido Para se obter maior resolução que a que poderia ser obtida com um quadrupolo o anali sador de massas final em um sistema MS tandem pode ser um espectrômetro de massas de tempo de vôo Os espectrômetros de massas de setor também podem ser combinados para gerar sis temas tandem A ressonância ciclotrônica de íons e os espectrômetros com armadilha de íons po dem ser operados de forma a prover não somente dois estágios mas n estágios de análise de massa Esses sistemas MSn promovem as etapas de análise sequencialmente com um único analisador de massas Esses têm sido combinados com sis temas CL em instrumentos CLMSn 4 Para uma descrição de espectrômetros de massas tandem comerciais ver D Noble Anal Chem 1995 v 67 p 265A 5 Para desenvolvimentos recentes em CLMSMS ver R Thomas Spectroscopy 2001 v 16 p 28 Fonte de íons Quadrupolo de filtro de massas Quadrupolo analisador de massas Célula de colisão Sistema de vácuo Entrada Detector de íons Figura 32D2 Um sistema de espectrometria de massas tandem Os íons produzidos na fonte são filtrados no primeiro quadrupolo de forma que somente o íon selecionado passe para a célula de colisão Um gás de colisão promove a fragmentação do íon selecionado Os fragmentos são selecionados pelo quadrupolo analisador de massas e detectados Geralmente a célula de colisão também é um quadrupolo operado de forma que os fragmentos de íons sejam dirigidos para o analisador de massas 942 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON 32F CROMATOGRAFIA POR AFINIDADE A cromatografia por afinidade envolve a ligação covalente de um reagente denominado ligante de afinidade a um suporte sólido15 Os ligantes de afinidade típicos são anticorpos inibidores enzimáticos ou outras moléculas que se ligam reversivamente e seletivamente com as moléculas do analito na amostra Quando uma amostra passa através da coluna somente as moléculas que se ligam seletivamente ao ligante de afinidade são retidas As moléculas que não se ligam passam pela coluna juntamente com a fase móvel Após a remoção das moléculas indesejadas os analitos retidos podem ser eluídos alterandose as condições da fase móvel A fase estacionária para a cromatografia por afinidade é um sólido como a agarose ou microesferas de vidro poroso no qual o ligante de afinidade é imobilizado A fase móvel em cromatografia por afinidade desempenha dois papéis distintos Primeiro ela deve permitir uma forte ligação das moléculas do analito com o ligante Segundo uma vez que as espécies indesejáveis tenham sido removidas a fase móvel deve enfraquecer ou eliminar a interação entre o analito e o ligante de forma que o analito possa ser eluído Geralmente as alterações no pH ou na força iônica são empregadas para se alterar as condições de eluição durante os dois estágios do processo A cromatografia por afinidade apresenta uma extraordinária seletividade como sua vantagem princi pal O seu principal uso é no isolamento de biomoléculas durante a etapa preparativa 32G CROMATOGRAFIA QUIRAL Um avanço enorme tem sido realizado nos últimos anos em relação à separação de compostos que são ima gens especulares nãosobreponíveis um do outro os chamados compostos quirais Essas imagens especu lares são denominadas enantiômeros Os aditivos na fase móvel ou fases estacionárias quirais são requeridos para essas separações16 A complexação preferencial entre o agente de resolução quiral adi tivo ou fase estacionária e um dos isômeros resulta na separação dos enantiômeros O agente de resolução quiral deve apresentar por si um caráter quiral para reconhecer a natureza quiral do soluto molécula menor C60 deveria ser retida mais intensamente que a C70 e os fulerenos superiores Tem sido sugerido que a interação entre as moléculas o soluto e o gel acontece na superfície deste em vez de ocorrer nos poros Uma vez que o C70 e os fulerenos superiores apresentam áreas superficiais maiores que o C60 os fulerenos supe riores são retidos mais fortemente na superfície do gel e assim são eluídos após o C60 Com um instrumento automático esse método de sepa ração pode ser empregado na preparação de vários gramas de C60 com pureza igual a 998 a partir de 5 a 10 g de uma mistura de C60 a C70 em um período de 24 horas Essas quantidades de C60 podem ser então usadas para estudar a química e a física de derivados dessas formas do carbono interessantes e raras Atualmente temse empregado extensiva mente a fase estacionária ligada de sílica octadecil SOD na separação de fulerenos por CLAE14 As fases monoméricas e poliméricas SOD têm sido empregadas produzindo maior seletividade quando comparada a outras fases A Figura 32D5 mostra uma separação preparativa a partir do extrato total de fuligem e da fração contendo os fulerenos supe riores em uma coluna de SOD polimérica Essas estão entre as primeiras separações dos fulerenos superiores individuais Observe a excelente reso lução quando comparada com a separação por exclusão por tamanho da Figura 32D4 14 K Jinno H Ohta e Y Sato in Separation of Fulerenes by Liquid Chromatography K Jinno Ed Ch 3 Londres Royal Society of Chemistry 1999 15 Para detalhes sobre a cromatografia por afinidade ver R R Walton Anal Chem 1985 v 57 p 1097A Handbook of Affinity Chromatography T Kline Ed Nova York Dekker 1993 Analytical Affinity Chromatography I M Chaiken Ed Boca Raton FL CRC Press 1987 16 Chiral Separations Aplications and Technology S Ahuja Ed Washington American Chemical Society 1996 S Ahuja Chiral Separations by Chromatography Nova York Oxford University Press 2000 944 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON 321 Liste os tipos de substâncias para as quais os seguintes métodos cromatográficos são mais adequados a gáslíquido b partição em líquido c troca iônica d adsorção em líquido e permeação em gel f filtração em gel g gássólido 322 Defina a eluição isocrática b eluição por gradiente c injeção com parada de fluxo d recheio de fase reversa e recheio de fase normal f cromatografia por pares de íons g cromatografia de íons h coluna supressora do eluente i filtração em gel j permeação em gel 323 Indique a ordem pela qual os seguintes compostos deverão ser eluídos de uma co luna de CLAE contendo um recheio de fase reversa a benzeno éter dietílico nhexano b acetona dicloroetano acetamida 324 Indique a ordem de eluição para os seguintes compostos e uma coluna de fase normal de CLAE a acetato de etila ácido acético dimeti lamina b propileno hexano benzeno dicloro benzeno 325 Descreva a diferença fundamental entre as cromatografias por adsorção e por partição 326 Descreva a diferença fundamental entre as cromatografias por troca iônica e por ex clusão por tamanho 327 Descreva a diferença entre as cromato grafias por permeação em gel e por fil tração em gel 328 Quais espécies podem ser separadas por CLAE mas não podem ser separadas por CG 329 Descreva os diversos tipos de bombas em pregados em cromatografia líquida de alta eficiência Quais são as vantagens e des vantagens de cada um 3210 Descreva as diferenças entre as croma tografias de íons de coluna única e com coluna de supressão 3211 A espectrometria de massas constitui um sistema de detecção extremamente versátil para a cromatografia gasosa Contudo o interfaceamento de um sistema CLAE com um espectrômetro de massas é uma tarefa muito mais difícil Descreva as razões prin cipais pelas quais é mais difícil combinar a CLAE com a espectrometria de massas do que a CG com a espectrometria de massas 3212 Quais detectores para CG listados na Tabela 311 são adequados para a CLAE Por que alguns deles são inadequados para a CLAE 3213 O detector ideal para CG é descrito na Seção 31A4 Quais das oito características de um detector ideal para CG se aplicam aos de tectores para a CLAE Que características adicionais deveriam se adicionadas para des crever um detector ideal para a CLAE 3214 Embora a temperatura não exerça um gran de efeito sobre as separações em CLAE como em CG ela também pode exercer um papel importante Discuta como a tempe ratura pode ou não influenciar as seguintes separações a uma separação de esteróides por cro matografia de fase reversa Conectese a httpchemistrybrookscolecomskoogfac A partir do menu das Chapter Resources selecione Web Works e localize a seção do Capítulo 32 Encontre a conexão com a revista LCGC A partir da página inicial da LCGC procure por artigos sobre LCMS Encontre um artigo escrito em 2001 que compare os analisadores de massas para aplicações de LCMS Quais são as fontes de ionização mais empregadas para LCMS Descreva as diferenças na faixa de massas e na resolução entre os analisadores de massas do tipo quadrupolo tempo de vôo e aprisionamento de íons trans formada de Fourier Esses analisadores mostram diferenças com relação ao uso em análises qualitativas e quantitativas EXERCÍCIOS NA WEB QUESTÕES E PROBLEMAS N este capítulo discutiremos vários outros métodos para realizar as separações analíticas cro matografia supercrítica cromatografia em camada delgada cromatografia em papel eletroforese capilar e fracionamento por campo e fluxo 33A CROMATOGRAFIA SUPERCRÍTICA A cromatografia supercrítica CS na qual a fase móvel é um fluido supercrítico é uma técnica híbrida entre a cromatografia gasosa e líqui da que combina algumas das melhores características de cada uma de las Para certas aplicações ela parece ser claramente superior a ambas a cromatografia gáslíquido e a cromatografia líquida de alta eficiência1 33A1 Propriedades Importantes dos Fluidos Supercríticos Um fluido supercrítico é formado sempre que uma substância é aque cida acima da sua temperatura crítica Acima dessa temperatura a substância não pode mais ser condensada como um líquido aumentan dose simplesmente a sua pressão Por exemplo o dióxido de carbono é Outros Métodos de Separação CAPÍTULO 33 A eletroforese capilar EC tem assumido um papel de importância crescente na identificação forense de DNA No desas tre do World Trade Center os materiais coletados no local foram transportados em comboios e embarcados para Fresh Lills Landfill no centro de Staten Island Os restos mortais humanos foram então separados e utilizados na aquisição de provas de DNA A eletroforese capilar foi a ferramenta mais empregada no processo de identificação A EC é particular mente útil quando se dispõe de uma pequena quantidade de amostra e quando as amostras podem ter sido degradadas com o tempo A EC tem sido usada para a identificação de DNA em ossos sangue sêmen saliva e cabelo Este capítulo trata de diversos métodos de separação que não podem ser classificados diretamente incluindo a cromatografia supercrítica a cromatografia em papel a eletroforese capilar e o fracionamento por campo e fluxo O uso de EC para seqüenciamento de DNA é o assunto de destaque na seção de eletroforese deste capítulo 1 T L Chester e J D Pinkston Anal Chem 2002 v 74 p 2901 T L Chester e J D Pinkston Anal Chem 2000 v 72 p 129R T L Chester J D Pinkston e D B Raynie Anal Chem 1998 v 70 p 301R K Anton e C Berger Eds Supercritical Fluid Chromatography with Packed Columns Techniques and Applications Nova York Dekker 1998 M Caude e D Thiebaut Eds Practical Supercritical Fluid Chromatography and Extraction Amsterdã Harwood 2000 Um fluido supercrítico é um estado físico de uma substância mantida acima de sua temperatura crítica A temperatura crítica é aquela acima da qual uma substância não pode ser liquefeita A Figura 335 ilustra a separação dos aminoácidos de uma mistura pelo desenvolvimento em duas direções cromatografia em camada delgada bidimensional A amostra foi colocada em um canto de uma placa quadrada que foi desenvolvida na direção ascendente com o solvente A Esse solvente foi então removido por evaporação e a placa foi submetida a uma rotação de 90 graus e a seguir foi desenvolvida com o solvente B Após a remoção do solvente as posições dos aminoácidos foram determinadas por aspersão com ninidrina um reagente que forma um produto de cor entre rosa e vermelha com aminoáci dos As manchas foram identificadas por comparação de suas posições com aquelas de padrões Localização dos Analitos na Placa Muitos métodos são empregados para se localizar os componentes da amostra após a separação Dois métodos comuns que podem ser aplicados a muitas misturas orgânicas envolvem a aspersão com solução de iodo ou ácido sulfúrico ambos reagem com os compostos orgâ nicos formando produtos de cor amarelaescura Muitos reagentes específicos como a ninidrina são úteis também para localizar as es pécies separadas Outra forma de detecção é baseada na incorporação de um material fluorescente na fase estacionária Após o desenvolvimento a placa é examinada sob a luz ultravioleta Os componentes da amostra suprimem a fluorescência do material de forma que toda a placa fluoresce exceto os locais onde os com ponentes nãofluorescentes da amostra estão localizados 33B3 Cromatografia em Papel As separações em cromatografia em papel são realizadas da mesma forma que em placas de camada del gada Os papéis são fabricados com celulose altamente purificada com controle rigoroso da porosidade e espessura Esses papéis contêm água adsorvida suficiente para formar uma fase aquosa estacionária Contudo outros líquidos podem substituir a água fornecendo diferentes tipos de fases estacionárias Por 952 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Figura 334 a Câmara de desenvolvimento de fluxo ascendente b Câmara de desenvolvimento de fluxo horizontal na qual as amostras são colocadas em ambas as extremidades da placa e desenvolvidas para o centro dobrando assim o número de amostras que podem ser processadas Amostra a b Desenvolvedor Amostras Mecha Tampa Figura 335 Cromatograma em camada delgada bidimensional sílica gel de alguns aminoácidos Solvente A tolueno2cloroetanolpiridina Solvente B clorofórmioálcool benzílicoácido acético Aminoácidos 1 ácido aspártico 2 ácido glutâmico 3 serina 4 balanina 5 glicina 6 alanina 7 metionina 8 valina 9 isoleucina e 10 cisteína 1 x Ponto inicial de aplicação da amostra 10 2 3 5 6 7 8 9 Solvente A 4 Solvente B O processo de localizar os analitos em uma placa de camada delgada é denominado visualização ou revelação 33E FRACIONAMENTO POR CAMPO E FLUXO O fracionamento por campo e fluxo FCF em inglês FFF fieldflow fractionation descreve um grupo de técnicas analíticas que têmse tor nado bastante úteis para a separação e caracterização de matérias em suspensão como polímeros partículas grandes e colóides Embora o conceito do FCF tenha sido primeiramente descrito por Giddings em 196616 apenas recentemente suas vantagens sobre outros métodos e suas aplicações práticas foram demonstradas17 33E1 Mecanismos de Separação As separações em FCF ocorrem em um canal estreito e plano como o mostrado na Figura 3316 O canal tem comprimento típico de 25 a 100 cm e de 1 a 3 cm de largura A espessura da estrutura planar é normal mente de 50 a 500 mm O canal é geralmente recortado em um espaçador fino que é inserido entre duas paredes Um campo elétrico térmico ou centrífugo é aplicado perpendicularmente à direção do fluxo Alternativamente um fluxo transversal perpendicular ao fluxo principal pode ser empregado Na prática a amostra é injetada na entrada do canal O campo externo é aplicado logo após através da face do canal como ilustrado na Figura 3316 Na presença do campo os componentes da amostra migram em direção à parede de acumulação a uma velocidade determinada pela intensidade da interação do com ponente com o campo Os componentes da amostra rapidamente atingem uma distribuição de concentração estacionária próximo à parede de acumulação como pode ser visto na Figura 3317 A espessura média da camada do componente l está relacionada com o coeficiente de difusão D da molécula e a velocidade induzida pelo campo em direção à parede u Quanto mais rapidamente o componente se move no campo mais fina será a camada próxima à parede Quanto maior for o coeficiente de difusão maior será a espes sura da camada Uma vez que os componentes têm valores de D e u diferentes a espessura média da cama da vai variar entre os componentes Uma vez que os componentes tenham atingido seus perfis estacionários próximo à parede de acumu lação o fluxo no canal é iniciado O fluxo é laminar resultando em um perfil parabólico como mostrado à esquerda na Figura 3317 O fluxo principal de arraste apresenta sua maior velocidade no centro do canal e a sua menor velocidade próximo às paredes Os componentes que interagem mais fortemente com o campo são comprimidos muito próximos à parede como exposto pelo componente A na Figura 3318 SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 33 Outros Métodos de Separação 963 16 J C Giddings Sep Sci 1966 v 1 p 123 17 Para uma revisão sobre os métodos FCF ver J C Giddings Anal Chem 1995 v 67 p 592A Modelo molecular da cafeína A cafeína estimula o córtex cerebral por inibição de uma enzima que inativa uma certa forma de trifosfato de adenosina a molécula que supre energia A cafeína é encontrada no café chá e bebidas tipo cola Figura 3316 Diagrama esquemático de um canal de FCF inserido entre duas paredes Um campo externo elétrico térmico centrífugo é aplicado perpendicularmente à direção do fluxo Campo Entrada Saída para o detector Espaçador Parede de acumulação b w Canal de fluxo Nesse caso eles são eluídos pelo solvente que se move lentamente nas proximidades da parede Os com ponentes B e C projetamse mais no canal e experimentam uma região de maior velocidade do solvente A ordem de eluição portanto é C depois B e então A Os componentes que são separados por FCF fluem através de um detector de absorção de ultravioletavisível de índice de refração ou fluorescência loca lizado ao final do canal 33E2 Métodos de Fracionamento por Campo e Fluxo As subtécnicas de FCF diferentes resultam da aplicação de diferentes tipos de campos ou gradientes18 Até o momento os métodos que têm sido empregados são FCF por sedimentação campos elétrico tér mico e por fluxo Fracionamento por Campo e Fluxo por Sedimentação A FCF por sedimentação é de longe a forma mais utilizada Nessa téc nica o canal é enrolado e colocado dentro de uma centrífuga Os com ponentes com maior massa e densidade são dirigidos para a parede pela força de sedimentação centrifugação e eluem por último As espécies de massa menor são eluídas primeiro Existe uma seletividade alta entre as partículas de tamanhos diferentes em FCF por sedimentação A sep aração de pequenas esferas de poliestireno de vários diâmetros em FCF por sedimentação é mostrada na Figura 3319 964 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Figura 3317 Quando o campo é aplicado em FCF os componentes migram para a parede de acumulação na qual um perfil exponencial de concentração existe como visto à direita Os componentes se estendem por uma distância y para dentro do canal A espessura média da camada é igual a l que difere para cada componente O fluxo principal do canal é então iniciado e o perfil parabólico do fluxo do solvente de eluição é apresentado à direita Eixo do campo Perfil parabólico do fluxo Parede de acumulação w y l y w y 0 c Figura 3318 Os três componentes A B e C são mostrados no estado comprimido contra a parede de acumulação em FCF em quantidades diferentes em razão das diferentes intensidades de interação com o campo externo Quando o fluxo iniciase o componente A experimenta a menor velocidade do solvente O componente B projetase mais no canal no qual experimenta uma velocidade de fluxo maior O componente C que interage menos com o campo experimenta a maior velocidade de fluxo do solvente e assim é deslocado mais rapidamente pelo fluxo Perfil do fluxo Fluxo Campo aplicado A B C 18 Para uma discussão sobre os vários métodos de FCF ver J C Giddings Unified Separation Science Capítulo 9 Nova York Wiley 1991 M E Schimpf K Caldwell e J C Giddings Eds FieldFlow Fractionation Handbook Nova York Wiley 2000 No fracionamento por campo e fluxo os componentes que interagem mais fortemente com o campo aplicado são dirigidos para a parede de acumulação Um fluxo de arraste elui os componentes que se projetam no canal antes daqueles que foram comprimidos próximo à parede de acumulação Uma vez que as forças centrífugas são relativamente fracas para as moléculas pequenas a FCF por sedimentação é mais aplicada para moléculas com peso molecular acima de 106 Os sistemas como polímeros macromoléculas biológicas colóides naturais e industriais emulsões e partículas subcelulares parecem ser adequadas para a separação em FCF por sedimentação Fracionamento por Campo Elétrico e Fluxo Em FCF elétrica um campo elétrico é aplicado perperdicularmente à direção do fluxo A retenção e a se paração ocorrem com base na carga elétrica As espécies com maior carga são dirigidas com mais eficiên cia para a parede de acumulação As espécies de menor carga não são tão compactadas e projetamse mais para a região de maior velocidade Dessa forma as espécies de menor carga são eluídas primeiro e as de maior carga são mais retidas Em virtude de os campos elétricos serem muito intensos mesmo os íons pequenos podem estar sujeitos à separação por FCF elétrica Contudo os efeitos de eletrólise têm limitado as aplicações desse método à separação de misturas de proteínas e outras moléculas grandes Fracionamento por Campo Térmico e Fluxo Em FCF térmico um campo térmico é empregado perpendicularmente à direção do fluxo pela formação de um gradiente de temperatura através do canal de FCF A diferença de temperatura induz a difusão térmica na qual a velocidade de movimentação está relacionada com o coeficiente de difusão térmica das espécies A FCF térmica é particularmente adequada para a separação de polímeros sintéticos com pesos mole culares na faixa de 103 a 107 A técnica apresenta vantagens significativas em relação à cromatografia por exclusão por tamanho para os polímeros com altos pesos moleculares Contudo os polímeros com baixos pesos moleculares parecem ser mais bem separados por métodos por exclusão por tamanho Além dos polímeros partículas e colóides têm sido separados por FCF térmica19 Fracionamento por Campo de Fluxo e Fluxo Talvez a técnica mais versátil de todas as subtécnicas de FCF seja a FCF de fluxo na qual um campo exter no é substituído por um fluxo lento transversal ao líquido de arraste O fluxo perpendicular transporta material para a parede de acumulação de uma forma não seletiva No entanto as espessuras das camadas de estado estacionário são diferentes para os vários componentes porque elas dependem não só da veloci dade de transporte mas também da difusão molecular As distribuições exponenciais de diferentes espes suras são formadas assim como na FCF normal SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 33 Outros Métodos de Separação 965 Figura 3319 Fractograma ilustrando a separação de pequenas esferas de poliestireno de vários diâmetros em FCF por sedimentação O fluxo no canal foi de 2 mLmin Cortesia da FFFractionation LLC Salt Lake City UT Tempo min 0652 0198 0 30 15 45 60 0272 mm 0360 mm 0494 mm 0862 mm 19 P M Shiundu G Liu e J C Giddings Anal Chem 1995 v 67 p 2705 A FCF de fluxo tem sido aplicada na separação de proteínas polímeros sintéticos e uma variedade de partículas coloidais A Figura 3320 ilustra a separação de três proteínas por FCF de fluxo A repetibili dade é mostrada pelos fractogramas para três injeções 33E3 Vantagens do Fracionamento por Campo e Fluxo sobre os Métodos Cromatográficos O fracionamento por campo e fluxo parece apresentar muitas vantagens sobre os métodos cromatográfi cos comuns para algumas aplicações Primeiro nenhum material de recheio ou fase estacionária é necessário para que a separação ocorra Em alguns sistemas cromatográficos podem existir interações indesejáveis entre o material de recheio ou a fase estacionária com os constituintes da amostra Alguns solventes ou materiais da amostra adsorvem ou reagem com a fase estacionária ou com seu suporte As macromoléculas e partículas são particularmente sujeitas a esses tipos de interações adversas A geometria e os perfis de fluxo envolvidos em FCF são muito bem caracterizados Da mesma forma os efeitos de muitos campos externos podem ser prontamente modelados Em conseqüência previsões teóricas muito exatas da retenção e altura de prato podem ser feitas em FCF Em comparação as previ sões em cromatografia ainda são bastante imprecisas Finalmente o campo externo governa a retenção em FCF Com FCF elétrica centrífuga e de fluxo as forças perpendiculares podem ser variadas rapidamente e de forma programada no tempo Isso intro duz certa versatilidade na FCF que permite sua adaptação a diferentes tipos de amostras Igualmente os métodos podem ser prontamente otimizados em relação à resolução e ao tempo de separação Embora o fracionamento por campo e fluxo seja a mais recente contribuição aos métodos de sepa ração analíticos este temse mostrado ser altamente complementar à cromatografia Os métodos FCF são mais adequados no presente para partículas e macromoléculas as quais na sua maioria situamse fora da faixa de massa molecular dos métodos cromatográficos No entanto os métodos cromatográficos são claramente superiores para as substâncias de baixa massa molecular 966 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Figura 3320 Separação de três proteínas por FCF de fluxo Três injeções distintas são apresentadas No experimento mostrado a amostra foi concentrada no início do canal por um fluxo oposto Reproduzido com permissão de H Lee S K R Williams e J C Giddings Anal Chem 1998 v 70 p 2495 Copyright da American Chemical Society Tempo min Tiroglobulina BSA Globulina γ Resposta Inj 1 Inj 2 Inj 3 0 10 5 15 Aspectos Práticos da Análise Química PARTE VII Capítulo 34 Análises de Amostras Reais Capítulo 35 Preparação de Amostras para Análise Capítulo 36 Decomposição e Dissolução da Amostra Capítulo 37 Métodos Selecionados de Análise Este capítulo somente está disponível como arquivo PDF do Adobe Acrobat na página do site do livro em httpwwwthomsonlearningcombr no item material suplementar para estudantes 970 Uma conversa com Julie Leary P Sabemos que originalmente você estudou psicologia Você gostou dessa área do conhecimento R Iniciei com o grau de bacharel em psicologia e trabalhei com pacientes com síndrome de Korsakoff A síndrome de Korsakoff é uma desordem neurológica caracterizada por uma severa amnésia Eu não gostei dessa carreira e acabei como secretária em uma empresa de pesquisa biomédica Então fiquei bastante interessada neste assunto e freqüentei um curso intensivo de verão em química orgânica Saíme bem e real mente apreciei o curso daí decidi prosseguir na carreira de química P Qual foi seu treinamento subseqüente em química R Após ter me formado torneime uma técnica especialista nos Laboratórios SmithKline Clinical Eu estava envolvida com o desenvolvimento de um novo laboratório para teste de novas drogas do Departamento de Saúde do Estado de Nova York O laboratório foi planejado para a análise de overdoses de drogas em soro sangüíneo e urina de pacientes hospitaliza dos e na determinação dos teores das drogas em cavalos de corrida Adquiri uma boa experiência prática mas para mim estava claro que se eu almejasse uma posição mais elevada na indústria ou na academia em uma universidade que desen volvesse pesquisa eu necessitaria do título de doutora Após estar inserida no mercado de trabalho e de ter um salário con siderável foi difícil tomar a decisão de voltar para a escola Mas valeu muito a pena P Atualmente você leciona R Sim sou professoraadjunta e diretora dos laboratórios analíticos da Faculdade de Química Eu ponho dois chapéus na maior parte do tempo Metade do meu tempo é gasto na con dução de pesquisa com estudantes de pósgraduação e esta giários de pósdoutorado e a outra metade na supervisão dos laboratórios analíticos Também dou aulas durante um semes tre por ano Em minha função administrativa estabeleço e supervisiono os orçamentos para cada um dos cinco labo ratórios de instrumentação RMN difração de raios X micro análise computação gráfica e espectrometria de massas e dirijo o pessoal e projetos institucionais quando necessário Por exemplo determino que equipamento precisamos ter em nossos laboratórios que seja realmente de ponta Se uma parte de um equipamento é necessária inicio o processo de organi zação e redação de um projeto a ser enviado para a National Science Foundation NSF1 ou para os Institutos Nacionais de Saúde para a obtenção de financiamento Como professo raadjunta lidero um grupo de pesquisa obtenho financia mento externo para a pesquisa e participo de vários comitês acadêmicos P Uma das áreas de seu interesse é a espectrometria de massas Você poderia explicar esse assunto R A espectrometria de massas fornece a massa molar de um composto e a espectrometria de massas de alta resolução per mite que você determine a massa exata com quatro algarismos significativos Existem vários tipos diferentes de espectrôme tros de massas temos sete ou oito em Berkeley e várias for mas diferentes pelas quais você pode ionizar uma amostra por exemplo o bombardeamento por átomos rápidos ou ainda a ionização por spray eletrônico Basicamente você introduz a amostra no instrumento de forma que ele lhe forneça infor mações acerca da massa molecular Então empregando diver sos métodos sofisticados para perturbar os elétrons você pega um íon que represente a massa molecular e o força a ser sepa rado em seus componentes Após essa etapa você pode utilizar dados de alta resolução para trabalhar no sentido inverso para determinar a composição elementar Quando você faz que um composto seja separado em seus componentes pode obter informações sobre como o composto é estruturado J ulie Leary cresceu em uma pequena cidade economicamente pouco desenvolvida no leste dos Estados Unidos Como primeira pessoa de sua extensa família a ir à faculdade ela se tornou bacharel em psicologia pela Universidade de Massachusetts Todavia ela não era feliz na psicologia e logo descobriu a paixão pela química Leary voltou à faculdade para se formar bacharel em química pelo Instituto Técnico Lowell e de novo para obter seu PhD em química analítica no Instituto de Tecnologia de Massachusetts MIT Após um ano no MIT como estagiá ria de pósdoutorado mudouse para Berkeley para trabalhar como docente na Universidade da Califórnia na qual atualmente é professora adjunta e diretora dos Laboratórios Analíticos da Faculdade de Química a uma longa distância da pequena cidade onde ela cresceu No ano 2000 Leary recebeu a medalha Biemann da American Chemical Society na área de espectro metria de massas um prêmio concedido a pesquisadores em início de carreira A medalha a pre mia pelo emprego da coordenação metalligante a carboidratos para análises estereoquímicas 1 NT A National Science Foundation NSF é uma agência que financia pesquisa científica nos Estados Unidos 971 P Como você tem usado a espectrometria de massas na superfície de células R Temos caracterizado car boidratos na superfície de células Isso é importante porque muitas doenças têm origem em interações entre células Compostos presentes na superfície de células são utiliza dos na comunicação com outras células para iniciar ou finalizar certos processos bioquímicos Em particular temos olhado os car boidratos presentes na superfície de bactérias Fatores sinalizadores das bactérias podem disparar respostas nos seres humanos tanto para iniciar uma reação do sistema imunológico quanto para permitir a infiltração de bactérias Com o objetivo de caracterizar esses carboidratos desenvolvemos um método que utiliza metais e ligantes metálicos que são sintetizados nos carboidratos eles são empregados como etiquetas nos carboidratos Isso nos per mite obter informações estereoquímicas empregando a espec trometria de massas O ligante metálico ajuda na confirmação dos carboidratos marcados em fase gasosa de maneira que a memória em solução seja mantida em fase gasosa Este é o tra balho pelo qual ganhei a medalha Biemann P Você também está envolvida com a química sintética R Durante as investigações envolvendo esses oligômeros metálicos descobrimos um composto que é único quando coordenado à glicose deu origem a um ligante que formou uma ponte entre duas glicoses Isolamos e purificamos o com posto e o enviamos para o Instituto Nacional do Câncer Eles estão interessados em estudar compostos puros para testar em suas 60 linhagens celulares cancerosas na procura por agentes quimioterápicos Nosso composto mostrou atividade contra linhagens celulares relacionadas com câncer de mama e ovário De fato mostrou atividade quatro vezes superior ao tamoxifeno contra o câncer de mama in vitro o que nos colo cou na busca pelo mecanismo do efeito quimioterápico do composto Nossos dados preliminares indicam que ele se liga ao receptor de estrogênio Isso está nos levando para uma área de síntese fora da química analítica para preparar vários aná logos e testar sua eficácia contra o receptor de estrogênio P Como você emprega a espectrometria de massas para medir constantes cinéticas R Atualmente nosso laboratório está muito envolvido na medida de constantes cinéticas de possíveis inibidores de várias enzimas usando a espectrometria de massas Utilizando um método baseado na espectrometria de massas temos medi do Km Vmáx e Ki de enzimas substratos e inibidores sem o emprego de curvas de calibração Agora estamos testando uma variedade de bibliotecas combinatórias sintetizadas pelo grupo de Bertozzi em Berkeley A intenção consiste em utilizar a bi blioteca de compostos para gerar um ou mais inibidores de algumas das enzimas sulfotranferases mais importantes Por exemplo uma das enzimas é a estrogênio sulfotransferase que envolve a sulfatação no estrodial Esse processo está relacionado com o início do câncer de ovário Uma vez que identifiquemos os inibidores mediremos suas cons tantes cinéticas P Na sua avaliação qual o valor da química analítica R O emprego da química analíti ca está revolucionando a biologia celular Grandes avanços têm sido obtidos no entendimento da genô mica e da proteômica e as técni cas que fundamentam todas essas novas descobertas têm origem na química analítica A espectrome tria de massas tem sido particu larmente importante na área da proteômica e agora atenção especial tem sido dada a especialidades da química analítica na maioria dos livrostexto de bioquímica A química analítica realmente permeia todas as áreas da ciência P Você tem visto mudanças envolvendo as mulheres na ciência R Quando eu era menina as mulheres eram ensinadas a serem zelosas e tinham a tendência de migrar para aquelas carreiras que envolviam cuidar de alguma coisa Não éramos encora jadas a almejar carreiras na ciência Quando eu era uma estu dante de pósgraduação existiam poucas mulheres ao meu redor para conversar sobre a química e minha vida como estu dante do sexo feminino Nesse caso ou eu conversava com meus colegas rapazes ou não conversava com ninguém O número de mulheres envolvidas com a ciência mudou consi deravelmente durante os últimos 20 anos Quando compareci ao nosso encontro nacional sobre espectrometria de massas em 1980 as mulheres presentes podiam ser contadas nos dedos da mão agora um terço ou mais entre os 3 mil membros são mulheres Tenho tentado encorajar as mulheres a não serem tímidas ou não terem medo de almejar uma carreira dentro da química analítica se isto é o que elas querem fazer Existem tantas oportunidades disponíveis P Como você concilia ser química e ser mãe R Tanto como mãe quanto como mulher com uma carreira exigente as duas coisas são realmente importantes No tipo de trabalho que eu faço você precisa estabelecer os obje tivos e priorizar seu tempo assim uma boa capacidade orga nizacional é imperativa É bastante compensador saber que ao final da semana você alcançou a maioria dos objetivos estabelecidos para aquele período Dessa forma estabelecer objetivos razoáveis e alcançálos é essencial tanto psicoló gica quanto realisticamente A segunda coisa extremamente importante se você for casada e tiver uma família é ter um marido que deseja lhe dar suporte e que carregue metade da carga Em nossa família o trabalho diário e a atenção às crianças são divididos quase à metade Sem esse tipo de suporte é extremamente difícil senão impossível ter sucesso e eficiência no trabalho e ainda fazer da sua família uma prioridade O emprego da química analítica está revolucionando a biologia celular Grandes avanços têm sido obtidos na compreensão nos campos da genômica e da proteômica e as técnicas que fundamenam todas essas novas descobertas têm origem na química analítica A análise de amostras reais tais como aquelas de solo e de rochas trazidas da Lua para a Terra pelos astronautas da Apolo é geralmente bastante complexa quando comparada com amostras analisadas em laboratórios de ensino Como discutido neste capítulo a escolha do método analítico para amostras reais não é simples normal mente requer consulta à literatura modificação de métodos existentes e testes extensivos para determinar a vali dade do método As amostras de solo lunar coletadas pelos astronautas da Apolo foram valiosas na determinação da história geológica da Lua e sua relação com a história de nosso planeta Análise de Amostras Reais CAPÍTULO 34 B em no início deste livrotexto Seção 1C evidenciamos que uma análise quantitativa envolve uma seqüência de etapas 1 seleção do método 2 amostragem 3 preparação da amostra de labo ratório 4 definição do número de réplicas por medidas de massa ou volume 5 preparação de soluções contendo as amostras 6 eliminação de interferências 7 realização das análises por meio das medidas que se relacionam de forma conhecida com a concentração do analito e 8 cálculos dos resultados e estimativa de sua confiabilidade Até aqui focamos fortemente nas etapas 6 7 e 8 e com menor detalhe nas etapas 2 e 4 Não escolhemos essa ênfase em razão de as primeiras etapas serem fáceis ou menos importantes De fato as etapas preliminares podem ser mais difíceis e demoradas que as duas etapas finais de uma análise e podem ainda ser as maiores fontes de erros As razões para adiarmos uma discussão sobre as etapas preliminares até este ponto são pedagó gicas A experiência tem mostrado que é mais fácil introduzir os estudantes às técnicas analíticas pela realização de experimentos envolvendo materiais mais simples para os quais é desnecessário sele cionar o método e para os quais não existem problemas relacionados com a preparação e dissolução da amostra Portanto até o momento estivemos mais preocupados com a medida da concentração de analitos em soluções aquosas simples contendo poucas espécies interferentes 34A AMOSTRAS REAIS A determinação de um analito em uma amostra simples é freqüentemente mais fácil que em materiais com plexos porque o número de variáveis que devem ser controladas é menor e as ferramentas disponíveis são numerosas e fáceis de serem utilizadas Da mesma forma em sistemas simples nossos conhecimentos dos fundamentos químicos e das medidas permitemnos antecipar os problemas para podermos corrigilos Na verdade porém na academia ou na indústria os químicos estão sempre interessados em materiais que geralmente não são simples Ao contrário em sua maioria as amostras analíticas são misturas com plexas de espécies em alguns casos centenas de espécies Esses materiais têm comportamentos freqüen temente longe do ideal quanto à solubilidade volatilidade estabilidade e homogeneidade e assim sendo muitas etapas devem preceder à etapa final de medida Mais do que isso a medida final pode ser mais fácil e menos demorada que todas as etapas precedentes Em capítulos anteriores por exemplo mostramos que a concentração de íons cálcio em uma solução aquosa é prontamente determinada pela titulação com uma solução padrão de EDTA ou pela medida do potencial realizada com um eletrodo íonseletivo De maneira alternativa a quantidade de cálcio em uma solução pode ser estabelecida tanto por medidas envolvendo absorção atômica quanto emissão atômica ou por precipitação de oxalato de cálcio seguida de pesagem ou por titulação com uma solução padrão de permanganato de potássio Todos esses métodos podem ser empregados na determinação da quantidade de cálcio de um sal sim ples como o carbonato Entretanto raramente os químicos estão interessados na quantidade de cálcio pre sente no carbonato de cálcio Geralmente o que é necessário é o porcentual desse elemento em um tecido animal em uma rocha à base de silicato ou em um pedaço de vidro Dessa forma a análise adquire um novo nível de complexidade Por exemplo nenhum desses materiais é solúvel em água ou em soluções diluídas Antes de o cálcio ser determinado portanto a amostra precisa ser decomposta por um tratamen to sob temperaturas elevadas com reagentes concentrados Se não tomarmos cuidado podemos perder parte do cálcio presente durante essa etapa ou de maneira igualmente prejudicial podemos introduzir cálcio como um contaminante em decorrência de quantidades relativamente elevadas de reagentes normalmente necessários na decomposição da amostra Mesmo após a amostra ter sido decomposta para gerar uma solução contendo íons cálcio os procedi mentos mencionados nos dois parágrafos anteriores não podem ser aplicados imediatamente para comple tar a análise uma vez que as reações ou propriedades utilizadas não são específicas para o cálcio Assim uma amostra de tecido animal rocha de silicato ou vidro quase certamente contém um ou mais compo nentes que também reagem com EDTA que age como um interferente químico em uma medida de absorção atômica ou que forma um precipitado com o íon oxalato Além disso a elevada força iônica resul tante dos reagentes empregados na decomposição da amostra poderia complicar uma medida poten ciométrica direta Por causa dessas complicações várias operações adicionais são requeridas para eliminar as interferências antes que a medida final seja feita Escolhemos o termo amostras reais para descrever materiais como aqueles citados nos exemplos anteriores Nesse contexto a maioria das amostras encontradas em uma disciplina de laboratório de análise quan titativa elementar não são definitivamente reais ao contrário são homogêneas estáveis prontamente solúveis e quimicamente simples Igualmente existem métodos bem estabelecidos e extensivamente testados para suas análises Há uma importância considerável na introdução dessas técnicas analíticas porque elas permitem que você se concentre nas operações e manipulações necessárias a uma análise Mesmo os analistas experientes empregam tais amostras quando estão apren dendo uma nova técnica calibrando um instrumento ou padronizando uma solução No mundo real a determinação da composição de amostras reais freqüentemente demanda mais habi lidade intelectual e intuição química do que aptidão manual Geralmente devese estabelecer um compro misso entre o tempo disponível e a exatidão considerada necessária Ficamos normalmente satisfeitos em estabelecer uma exatidão de uma ou duas partes por cem em vez de uma ou duas partes por mil sabendo que uma exatidão como esta última pode demandar várias horas ou até mesmo dias de esforços adicionais De fato quando se trabalha com amostras reais mesmo uma exatidão em níveis porcentuais pode ser pouco realística As dificuldades encontradas na análise de amostras reais ocorrem em razão de sua complexidade Em conseqüência a literatura pode não conter uma rota analítica bem estabelecida para o tipo de amostra que está sendo considerado Nesses casos um procedimento existente precisa ser modificado para levar em SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 34 Análise de Amostras Reais 973 Amostras reais são muito mais complexas que a maioria das amostras empregadas em laboratórios de ensino 34C EXATIDÃO NA ANÁLISE DE MATERIAIS COMPLEXOS Para fornecer uma idéia clara da exatidão que pode ser esperada na análise de um material complexo dados relacionados à determinação de quatro elementos em uma variedade de materiais são apresentados nas Tabelas 341 a 344 Esses dados foram tirados de um conjunto muito mais amplo de resultados obtidos por W F Hillebrand e G E F Lundell do National Bureau of Standards e publicado na primeira edição de seu livro clássico sobre análise inorgânica2 SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 34 Análise de Amostras Reais 979 TABELA 341 Determinação de Ferro em Vários Materiais Material Ferro Número de Análises Erro Absoluto Médio Erro Relativo Médio Vidro alcalino 0064 Fe2O3 13 001 156 Bronze 012 14 002 167 Chromel 045 6 003 67 Refratário 090 Fe2O3 7 007 78 Bronze de manganês 113 12 002 18 Refratário 238 Fe2O3 7 007 29 Bauxita 566 5 006 11 Chromel 228 5 017 075 Minério de ferro 6857 19 005 007 W F Hillebrand e G E F Lundell Applied Inorganic Analysis Nova York Wiley p 878 1929 Reimpresso com permissão de Ernst D Lundell TABELA 342 Determinação de Manganês em Vários Materiais Material Manganês Número de Análises Erro Absoluto Médio Erro Relativo Médio Ferrocrômio 0225 4 0013 58 Ferro metálico 0478 8 0006 13 0897 10 0005 056 Bronze de manganês 159 12 002 13 Ferrovanádio 357 12 006 17 Ferro de Spiegel 1993 11 006 030 Minério de manganês 5835 3 006 010 Ferromanganês 8067 11 011 014 W F Hillebrand e G E F Lundell Applied Inorganic Analysis Nova York Wiley p 880 1929 Reimpresso com permissão de Ernst D Lundell NT National Bureau of Standards é o antigo nome do atual National Institute of Standards and Technology NIST 2W F Hillebrand e G E F Lundell Applied Inorganic Analysis Nova York Wiley p 874887 1929 TABELA 343 Determinação de Fósforo em Vários Materiais Material Fósforo Número de Análises Erro Absoluto Médio Erro Relativo Médio Ferrotungstênio 0015 9 0003 20 Minério de ferro 0014 31 0001 25 Refratário 0069 P2O5 5 0011 16 Ferrovanádio 0243 11 0013 54 Refratário 045 4 010 22 Ferro metálico 088 7 001 11 Rocha de fosfato 4377 P2O5 11 05 11 Misturas sintéticas 5218 P2O5 11 014 027 Rocha fosfática 7756 Ca3PO42 30 085 11 W F Hillebrand e G E F Lundell Applied Inorganic Analysis Nova York Wiley p 882 1929 Reimpresso com permissão de Ernst D Lundell Esses materiais analisados incluem substâncias de ocorrência natural e itens comerciais foram espe cialmente preparados para gerar amostras uniformes e homogêneas e distribuídos entre químicos que estavam em sua maioria fortemente engajados na análise de materiais similares Era permitido aos ana listas utilizar os métodos que eles consideravam os mais confiáveis e mais adequados para o problema que tinham em mãos Na maior parte dos casos foram tomadas precauções especiais e os resultados obtidos foram conseqüentemente melhores que aqueles esperados para análises rotineiras Os números contidos na segunda coluna das Tabelas 341 a 344 representam os melhores valores obti dos pela análise mais cuidadosa e demorada da quantidade medida Cada um é considerado como o valor verdadeiro para o cálculo dos erros relativos e absolutos mostrados na quarta e quinta colunas A quarta co luna foi obtida descartandose resultados extremamente divergentes determinandose o desvio entre os da dos individuais remanescentes e o melhor valor segunda coluna e determinandose a média entre os desvios A quinta coluna foi obtida dividindose os dados contidos na quarta coluna pelo melhor valor segunda coluna e multiplicando por 100 Os resultados mostrados nessas tabelas são aqueles típicos dos dados para 26 elementos relatados na publicação original Podemos concluir que 1 análises com confiabilidade de alguns décimos porcentuais em termos relativos representam a exceção em vez de serem a regra na análise de misturas complexas por métodos comuns e 2 a menos que desejemos investir enorme quantidade de tempo na análise erros da ordem de 1 ou 2 devem ser aceitos Se a amostra contiver menos que 1 do analito devemos esperar erros relativos ainda maiores 980 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON TABELA 344 Determinação de Potássio em Vários Materiais Material Potássio Número de Análises Erro Absoluto Médio Erro Relativo Médio Vidro alcalino 004 8 002 50 Rocha calcária 115 15 011 96 Refratário 137 6 009 66 211 6 004 19 283 6 010 35 Vidro chumbobário 838 6 016 19 W F Hillebrand e G E F Lundell Applied Inorganic Analysis Nova York Wiley p 883 1929 Reimpresso com permissão de Ernst D Lundell TABELA 345 Desvio Padrão de Resultados para Sílica Ano do Relato Tipo de Amostra Número de Resultados Desvio Padrão Absoluto 1931 Vidro 5 028 1951 Granito 34 037 1963 Tonalita 14 026 1970 Feldspato 9 010 1972 Granito 30 018 1972 Sienita36 106 1974 Granodiorita 35 046 De S Abbey Anal Chem v 53 p 529A 1981 009 após eliminar um resultado menores que cerca de 8 ambos os hidratos perdem água e o compos to anidro tornase a espécie estável Assim podemos ver que a com posição da amostra contendo água essencial depende fortemente da umidade relativa do seu ambiente Vários compostos hidratados podem ser convertidos à sua forma anidra pela secagem em estufa entre 100 C e 120 C por uma ou duas horas Esse tratamento geralmente precede uma análise de amostras contendo compostos hidratados Compostos Contendo Água Adsorvida A Figura 352 mostra uma isoterma de adsorção na qual a massa de água adsorvida em um sólido típico é mostrada em um gráfico contra a pressão parcial da água na atmosfera vizinha O diagrama indica que a extensão da adsorção é particularmente sensível a variações na pressão de vapor da água a baixas pressões parciais A quantidade de água adsorvida em um sólido diminui com o aumento da temperatura do sólido e geral mente se aproxima de zero quando o sólido é aquecido acima de 100 C A adsorção ou dessorção de umidade em geral ocorre rapidamente com o equilíbrio sendo atingido após 5 ou 10 min A velocidade do processo é freqüentemente observável durante a pesagem de sólidos anidros fina mente divididos quando um aumento contínuo da massa ocorrerá a menos que o sólido seja mantido em um frasco muito bem tampado Compostos Contendo Água Absorvida A quantidade de umidade absorvida por um sólido coloidal varia muito com as condições atmosféricas como mostra a Figura 352 Em contraste ao comportamento da água adsorvida entretanto o processo de absorção pode requerer dias ou mesmo semanas para atingir o equilí brio particularmente à temperatura ambiente Além disso as quantidades de água retidas pelos dois processos são normalmente muito diferentes entre si Tipicamente as quantidades de umidade adsorvidas são da ordem de alguns décimos de porcen tagem da massa do sólido enquanto a água absorvida pode atingir valores entre 10 e 20 A quantidade de água absorvida em um sólido também decresce à medida que o sólido é aquecido No entanto a remoção completa desse tipo de umidade a 100 C nunca é completamente certa como indica do pelas curvas de secagem de um composto orgânico ilustradas na Figura 353 Após esse material secar por cerca de 70 min a 105 C sua massa tornase aparentemente constante Note contudo que umidade adicional foi removida pelo aumento adicional da temperatura Mesmo a 230 C a desidratação provavel mente não foi completa Analisadores comerciais de vapor absorvido podem automatizar a obtenção das isotermas de absorção e dessorção de umidade 986 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Absorção Adsorção Pressão parcial de H2O g H2O retidag sólido Figura 352 Isotermas de adsorção e absorção típicas 230C 184C 130C 105C 20 16 12 08 04 00 40 80 120 160 Tempo de aquecimento min Água perdida A água adsorvida reside na superfície das partículas de um material A água absorvida está contida nos interstícios da estrutura molecular de um composto coloidal Figura 353 Remoção de água absorvida de um composto orgânico sob várias temperaturas Dados com permissão de C O Willits Anal Chem v 23 p 1058 1951 Copyright em 1958 da American Chemical Society Compostos Contendo Água de Oclusão A água de oclusão não se encontra em equilíbrio com a atmosfera e portanto não é sensível a variações na umidade O aquecimento de um sólido contendo água de oclusão pode provocar a difusão gradual da umi dade para a superfície onde ela se evapora Freqüentemente o aqueci mento é acompanhado pela crepitação na qual os cristais do sólido são repentinamente fragmentados pela pressão criada pela vaporização da umidade contida nas cavidades internas 35B3 Secagem da Amostra Analítica A maneira como lidamos com a umidade presente em amostras sólidas depende da informação desejada Quando a composição do material necessária for aquela na forma em que foi ele recebido a principal preocupação é que a umidade contida nele não seja alterada como con seqüência da trituração ou outro tratamento preliminar e armazena mento Se essas alterações forem inevitáveis ou prováveis normalmente será vantajoso determinar a massa perdida durante a secagem por algum procedimento reprodutível digamos aquecimento a 105 C até massa constante imediatamente após a amostra ter sido recebida Então quando chegar o momento de realizar a análise a amostra é novamente seca a essa temperatura assim os dados podem ser corrigidos em função da condição inicial De fato observamos que a quantidade de umidade de algumas substâncias é consideravelmente alte rada por variações na umidade e temperatura Materiais coloidais contendo grandes quantidades de umi dade absorvida são particularmente suscetíveis aos efeitos dessas variáveis Por exemplo a quantidade de umidade de um amido de batata tem sido determinada na faixa entre 10 e 21 como conseqüência de um aumento na umidade relativa de 20 para 70 Com substâncias desse tipo a comparação de dados analíticos de um laboratório para outro ou até mesmo dentro do próprio laboratório só pode ser realizada especificandose cuidadosamente um procedimento para se levar o teor de umidade em consideração Por exemplo amostras são freqüentemente secas até massa constante a 105 C ou sob alguma outra tempera tura especificada Então são realizadas análises e os resultados são relatados considerandose a massa seca Apesar de esse procedimento não tornar o sólido completamente livre de água geralmente ele diminui os teores de umidade a um nível reprodutível 35C DETERMINAÇÃO DE ÁGUA EM AMOSTRAS Normalmente a única forma segura de se obter um resultado em termos da base seca consiste em deter minar a umidade em um conjunto de amostras tomadas ao mesmo tempo que as amostras a serem anali sadas Existem vários métodos de determinação de água em amostras sólidas O mais simples envolve a determinação da perda de massa após a amostra ter sido aquecida entre 100 C e 110 C ou alguma outra temperatura especificada até que a massa da amostra seca se torne constante Infelizmente esse procedi mento simples não é específico para a água e grandes erros sistemáticos positivos ocorrem em amostras que produzem produtos de decomposição voláteis outros além da água quando elas são aquecidas Esse método também pode gerar erros negativos quando aplicado a amostras contendo umidade absorvida por exemplo veja a Figura 354 Métodos de análise térmica modernos tais como a análise termogravimétri ca análise térmica diferencial e a calorimetria diferencial de varredura também são amplamente utilizados no estudo da perda de água e várias reações de decomposição em amostras sólidas2 Vários métodos altamente seletivos têm sido desenvolvidos para a determinação de água em amostras sólidas e líquidas Um deles o método de Karl Fischer é apresentado na Seção 20C5 Diversos outros são descritos nas monografias de Mitchell e Smith3 SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 35 Preparação de Amostras para Análise 987 2Veja D A Skoog et al Principles of Instrumental Analysis Belmont CA BrooksCole 1998 cap 31 3J J Mitchell Jr e D M Smith Aquametry 2 ed V 13 Nova York Wiley 19771980 A água de oclusão fica aprisionada em bolsas microscópicas aleatoriamente distribuídas em sólidos particularmente minerais e rochas Crepitação é um processo no qual um material cristalino contendo água de oclusão explode repentinamente durante o aquecimento em razão do aumento na pressão interna resultante da formação de vapor 988 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Vá ao endereço httpwwwthomsonlearningcombr com seu navegador Acesse a página do livro e no item material suplementar para estu dantes clique no menu Chapter Resources e escolha Web Works Localize a seção do Chapter 35 e encontre o link para o Handbook of Sample Preparation and Handling Spex CertiPrep Encontre a seção sobre Pulverising and Blending Pulverização e Mistura Procure informações sobre pulverização e mistura Descreva como o triturador shatterbox pul veriza amostras Como o shatterbox difere de um misturadormoinho Que tipos de amostras são trituradas em moinhos criogênicos EXERCÍCIOS NA WEB QUESTÕES E PROBLEMAS 351 Descreva alguns dos erros que podem surgir durante o estágio de preparação de amostras 352 Diferencie entre a água absorvida água adsorvida água de oclusão b água de cristalização e água de consti tuição c água essencial e água nãoessencial d a amostra bruta e a amostra de labo ratório veja a Seção 8B 353 Por que é geralmente recomendado diminuir o tamanho das partículas de uma amostra bruta antes da produção de uma amostra de laboratório para análise 354 Que tipos de contaminação e alteração na composição podem ocorrer durante a moa gem e trituração 355 Problema Desafiador Dois métodos dife rentes de preparação de amostras são compara dos em uma mesma amostra para determinar se os resultados de ambos são diferentes Método 1 ppm de Pb Método 2 ppm de Pb 105 97 117 108 111 99 106 118 114 102 102 98 104 96 a Determine se as médias para as con centrações de Pb obtidas pelos dois métodos diferem em um nível de con fiança de 95 b A média verdadeira para essa amostra conhecida a partir de resultados pré vios é de 113 ppm de Pb Existe dife rença em um nível de confiança de 95 entre a média obtida pelo método 1 e a média verdadeira E quanto ao método 2 c Se as médias na Parte a não diferem em um nível de confiança de 95 pode um dos métodos diferir do valor verdadeiro se o outro não difere Por que sim ou por que não d A partir dos dados apresentados deter mine se o valor de 118 obtido pelo método 2 é um valor anômalo ao nível de confiança de 95 e Quão discrepante do valor verdadeiro um valor obtido pelo método 1 deve ria ser para ser considerado um valor anômalo A maioria das medidas analíticas é realizada em soluções geralmente aquosas do analito En quanto algumas amostras se dissolvem prontamente em água para formar soluções aquosas de ácidos e bases comuns outras requerem reagentes mais poderosos e um tratamento mais drástico Por exemplo quando enxofre ou halogênios devem ser determinados em um composto orgânico a amostra deve ser submetida a elevadas temperaturas e a reagentes potentes para romper as fortes ligações existentes entre esses elementos e o carbono De maneira similar condições drásticas são normalmente requeridas para destruir a estrutura de silicato de um mineral à base de silício liberan do os íons para a análise A escolha apropriada entre os vários reagentes e técnicas para a decomposição e dissolução de amostras analíticas pode ser o aspecto crítico no sucesso de uma análise particularmente quando substâncias refratárias estão envolvidas ou quando o analito está presente em quantidadestraço Neste capítulo primeiro vamos consider os tipos de erros que podem surgir na decomposição e dis solução de uma amostra analítica Então descreveremos quatro métodos gerais de decomposição de amostras sólidas e líquidas para a obtenção de uma solução aquosa do analito Os quatro métodos incluem 1 aquecimento com ácidos fortes aquosos ou ocasionalmente bases em frascos abertos 2 aquecimento por microondas na presença de ácidos 3 ignição sob altas temperaturas na presença de ar ou oxigênio 4 fusão em meios salinos fundidos1 Esses métodos diferem na temperatura na qual são desenvolvidos e na força dos reagentes utilizados Decomposição e Dissolução da Amostra CAPÍTULO 36 1Para uma discussão extensiva sobre esse assunto veja R Bock A Handbook of Decomposition Methods in Analytical Chemistry Nova York Wiley 1979 Z Sulcek e P Povondra Methods of Decomposition in Inorganic Analysis Boca Raton FL CRC Press 1989 J A Dean Analytical Chemistry Handbook Seção 17 Nova York McGrawHill 1995 Uma substância refratária é um material que é resistente ao calor e ao ataque por agentes químicos fortes Sistemas de digestão por microondas têmse tornado muito popular na decomposição de amostras Nesses sis temas frascos de Teflon para amostras podem ser empregados em temperaturas de até 2300 C e 625 psi Este capítulo considera os métodos de decomposição e dissolução de amostras reais São considerados também os métodos de decomposição ácida por microondas por combustão e por fusão bromo ou peróxido de hidrogênio a ácidos minerais aumenta sua ação solvente e acelera a oxidação de materiais orgânicos presentes na amostra Misturas de ácido nítrico e ácido perclórico também são úteis para esses propósitos sendo menos perigosas que o ácido perclórico sozinho Todavia é preciso tomar cuidado com essas misturas de forma a prevenir a evaporação de todo o ácido nítrico antes do término da oxidação de todo o material orgânico A ausência de cuidados em relação a esses aspectos tem resultado na ocorrência de graves explosões e ferimentos 36B6 Ácido Fluorídrico O principal uso do ácido fluorídrico está associado à decomposição de rochas e minerais à base de sili catos na determinação de espécies outras que a sílica Nesse tratamento o silício é liberado na forma do tetrafluoreto Após a completa decomposição o excesso de ácido fluorídrico é removido por evaporação por meio da adição de ácido sulfúrico ou ácido perclórico A remoção completa é normalmente essencial para o sucesso de uma análise porque o íon fluoreto reage com vários cátions para formar complexos extraordinariamente estáveis que interferem na determinação dos cátions Por exemplo a precipitação do alumínio como Al2O3 xH2O com amônia é incompleta se o fluoreto estiver presente mesmo em peque nas quantidades Freqüentemente a remoção dos últimos traços de fluoreto é tão difícil e demorada que as vantagens do uso do ácido fluorídrico acabam sendo desprezadas O ácido fluorídrico encontra emprego ocasional em conjunto com outros ácidos no ataque a aços que se dissolvem com dificuldade em outros solventes Uma vez que o ácido fluorídrico é extremamente tóxi co a dissolução de amostras e a evaporação para remover o excesso de reagente devem ser feitas sempre em uma capela de exaustão bem ventilada O ácido fluorídrico provoca sérios danos e ferimentos dolorosos quando entra em contato com a pele Seus efeitos podem não se tornar evidentes até horas após a ocorrência da exposição Se o ácido entrar em contato com a pele a área afetada deve ser imediatamente lavada com grandes quantidades de água O tratamento com uma solução diluída de íons cálcio que pre cipita com o íon fluoreto também pode ajudar 36C DECOMPOSIÇÕES POR MICROONDAS Nos dias atuais o emprego de fornos de microondas na decomposição tanto de amostras inorgânicas quanto orgânicas proposto primeiramente na metade dos anos 1970 constitui um importante método de preparação de amostras3 A digestão por microondas pode ser realizada tanto em frascos abertos quanto fechados mas frascos fechados são mais populares porque podem ser alcançadas pressões e temperaturas mais altas Uma das maiores vantagens da decomposição por microondas comparada com os métodos conven cionais empregando chama ou placa de aquecimento a despeito do uso de frascos fechados ou abertos é a velocidade Tipicamente mesmo as decomposições por microondas de amostras difíceis podem ser reali zadas em cinco a dez minutos Ao contrário os mesmos resultados requerem várias horas quando se emprega aquecimento em chama ou placa A diferença se deve aos vários mecanismos pelos quais a ener gia é transferida para as moléculas da solução pelos dois métodos No método convencional a transferên cia de calor ocorre por condução Como os frascos utilizados em aquecimento por condução são na ver dade condutores pobres requerse tempo para se aquecer e então transferir calor para a solução por meio de condução Além disso em decorrência da convecção o interior da solução apenas uma pequena fração do líquido é mantida na temperatura do frasco e portanto no ponto de ebulição Em contraste a energia das microondas é transferida diretamente para todas as moléculas da solução quase simultaneamente sem o aquecimento do frasco Dessa forma a temperatura de ebulição é alcançada em toda a solução muito rapidamente 992 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON 3Para discussões mais detalhadas sobre preparo de amostras por microondas e instrumentação comercial veja H M Kingston e S J Haswell MicrowaveEnhanced Chemistry Fundamentals Sample Preparation and Applications Washington DC American Chemical Society 1997 B E Erickson Anal Chem V 70 p 467A471A 1998 R C Richter D Link e H M Kingston Anal Chem 73 31A37A 2001 A amostra fica comprometida quando isso acontece A pressão interna na bomba pode ser estimada pela distância que o parafuso de pressão se desloca em relação à tampa Essa bomba para microondas é particularmente útil na dissolução de materiais altamente refratários que são decompostos de forma incompleta nos frascos de pressão moderada descritos anteriormente Quando ligas e metais são digeridos em frascos de alta pressão existe um risco de explosão provocado pela produção de gás hidrogênio Materiais poliméricos lineares comuns podem não ser capazes de atingir as temperaturas necessárias para decompor totalmente materiais orgânicos Outra limitação é que a maioria dos frascos para alta pressão é limitada em relação à quantidade de amostra que deve ser de menos de 1 g de material Também é necessário esperar um tempo para o resfriamento e despressurização do sistema 36C3 Digestores à Pressão Atmosférica As limitações dos sistemas de digestão por microondas em frascos fechados levaram ao desenvolvimento de unidades que funcionam sob pressão atmosférica freqüentemente denominados sistemas de frascos abertos Esses sistemas não têm um forno e ao contrário empregam uma cavidade de microondas focali zadas Eles podem ser purgados com gases e podem ser equipados com tubos que permitem a inserção ou remoção de reagentes Não existem preocupações relacionadas à formação de gases durante o processo de digestão uma vez que o sistema opera sob pressão atmosférica Existem até mesmo sistemas em fluxo disponíveis para dissolução em linha antes da introdução de amostras em chamas ou ICP para determi nações espectroscópicas atômicas 36C4 Fornos de Microondas A Figura 363 é um esquema de um forno de microondas projetado para aquecer simultaneamente 12 dos frascos sob pressão moderada descritos na Seção 36C1 Os frascos são mantidos em um suporte que gira continuamente para que os frascos recebam aproximadamente a mesma energia 36C5 Muflas de Microondas Recentemente foram desenvolvidas muflas de microondas para a rea lização de fusões e para a digestão a seco de amostras contendo grandes quantidades de matéria orgânica antes da dissolução ácida Essas muflas consistem em uma pequena câmara construída com carbeto de silício que é recoberta por um sistema de isolamento de quartzo Quando as microondas são dirigidas para essa câmara temperaturas de 1000 C podem ser alcançadas em dois minutos A vantagem desse tipo de mufla em relação às convencionais é a velocidade com a qual tem peraturas elevadas são alcançadas Em contraste as muflas conven cionais são geralmente operadas de forma contínua por causa do tempo necessário para leválas à temperatura desejada Além disso com a mufla de microondas não ocorre queima de resistências que normal mente acontece com as muflas convencionais Finalmente o operador não fica exposto a altas temperaturas quando as amostras são introduzi das ou removidas da mufla Uma desvantagem das muflas de microon das é o pequeno volume da cavidade de aquecimento que acomoda ape nas um único cadinho de tamanho normal 36C6 Aplicações das Decomposições por Microondas Durante os últimos 25 anos têm aparecido centenas de relatos na lite ratura relacionados ao emprego de decomposições realizadas em fornos 994 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Frasco de digestão Suporte giratório Figura 363 Um forno microondas projetado para utilizar 12 frascos do tipo mostrado na Figura 361 Cortesia da CEM Corp Matthews NC de microondas com os reagentes descritos na Seção 36B Essas aplicações podem ser enquadradas em duas categorias 1 decomposições oxidativas de amostras orgânicas ou biológicas digestão por via úmida e 2 decomposição de materiais inorgânicos refratários encontrados na indústria Em ambos os casos essa nova técnica está substituindo os métodos convencionais mais antigos em virtude de grandes ganhos econômicos resultantes da economia significativa de tempo As digestões sob pressão atmosférica também têm se tornado popular nos últimos anos e suas aplicações estão aumentando MÉTODOS DE COMBUSTÃO PARA A DECOMPOSIÇÃO 36D DE AMOSTRAS ORGÂNICAS4 36D1 Combustão em Chama Aberta Mineralização a seco O método mais simples de se decompor uma amostra orgânica antes de se determinar os cátions nela con tidos consiste em aquecer a amostra de um cadinho aberto até que todo o material carbonáceo tenha sido oxidado a dióxido de carbono O aquecimento ao rubro é com freqüência requerido para uma oxidação completa A análise dos componentes nãovoláteis é realizada após a dissolução do sólido residual Infelizmente existe sempre uma incerteza significativa sobre a extensão da recuperação dos elementos suposta mente nãovoláteis de uma amostra mineralizada a seco Alguma perda provavelmente resulta do arraste de partículas finamente divididas pelas correntes convectivas existentes à volta do cadinho Além disso os compostos metálicos voláteis podem ser perdidos durante a ignição Por exemplo o cobre o ferro e o vanádio são significativamente volatizados quando as amostras que contêm porfirina são mineralizadas Embora a mineralização a seco seja o método mais simples de decomposição de compostos orgânicos ele é freqüêntemente o menos confiável Esse método não deve ser empregado a menos que testes tenham demonstrado sua aplicabilidade a um determinado tipo de amostra 36D2 Métodos de Combustão em Tubos Diversos componentes elementares comuns e importantes de compostos orgânicos são convertidos a pro dutos gasosos à medida que uma amostra é pirolizada na presença de oxigênio Pelo uso de dispositivos adequados é possível aprisionar esses compostos voláteis quantitativamente tornandoos assim dispo níveis para a análise do elemento de interesse O aquecimento é comumente realizado em um tubo de com bustão de vidro ou quartzo através do qual flui uma corrente de um gás carregador A corrente transporta os produtos voláteis para as partes do equipamento onde eles são separados e retidos para serem medidos o gás pode servir também de agente oxidante Os elementos suscetíveis a esse tipo de tratamento são o carbono hidrogênio nitrogênio os halogênios enxofre e oxigênio Analisadores automáticos de combustão em tubos estão atualmente disponíveis no mercado tanto para a determinação de carbono hidrogênio e nitrogênio quanto para carbono hidrogênio e oxigênio em uma única amostra5 O sistema praticamente não requer atenção do operador e a análise é finalizada em menos de 15 minutos Em um analisador desse tipo a amostra é submetida à combustão em um fluxo de hélio e oxigênio passando por um catalisador que consiste em uma mistura de vanadato de prata e tungstato de prata Os halogênios e o enxofre são removidos com uma mistura de sais de prata Um cartucho com cobre aquecido que fica localizado no final do sistema de combustão é empregado na remoção de oxigênio e conversão de óxidos de nitrogênio a nitrogênio O gás de saída que consiste em uma mistura de água dióxido de carbono nitrogênio e hélio é coleta do em um bulbo de vidro A análise dessa mistura é realizada com três medidas de condutividade térmica SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 36 Decomposição e Dissolução da Amostra 995 4Para um tratamento completo sobre esse tópico veja T S Ma e R C Rittner Modern Organic Elemental Analysis Nova York Marcel Dekker 1979 5Para uma descrição desses instrumentos veja os Capítulos 2 3 e 4 e a referência da nota de rodapé acima A mineralização a seco é o processo de oxidação de uma amostra orgânica com oxigênio ou ar a altas temperaturas conservando os componentes inorgânicos para análise veja a Seção 31A4 A primeira é feita na mistura intacta a segunda na mistura após a remoção de água feita pela passagem do gás por um agente secante e a terceira é realizada na mistura após a remoção de dióxido de carbono por um sistema de absorção A relação entre a condutividade térmica e a concentração é linear e a inclinação da curva para cada constituinte é estabelecida por calibração com um composto puro como a acetanilida 36D3 Combustão com Oxigênio em um Frasco Vedado Um método relativamente direto de decomposição de muitas substâncias orgânicas envolve a combustão com oxigênio em um frasco vedado Os produtos de reação são absorvidos em um solvente adequado antes de o frasco de reação ser aberto Subseqüentemente eles são analisados por métodos comuns Um sistema extremamente simples para realizar tais oxidações foi sugerido por Schöniger Figura 36 46 O sistema é composto por um frasco de paredes reforçadas de 300 a 1000 mL de capacidade munido de uma rolha de vidro esmerilhado Ligado à rolha há um pequeno cesto feito de malha de fios de platina que pode conter amostras de 2 a 200 mg Se a substância a ser analisada for um sólido ele fica embrulha do em um pedaço de papelfiltro virtualmente isento de cinzas com formato semelhante ao mostrado na Figura 364 Amostras líquidas são pesadas em cápsulas de gelatina que são embrulhadas de forma simi lar A ponta do papel serve de ponto de ignição Um pequeno volume de uma solução absorvedora normalmente carbonato de sódio é colocado no frasco e o ar contido no interior do mesmo é substituído por oxigênio A ponta do papel é acesa a rolha é rapidamente colocada no frasco e este é invertido para prevenir o escape dos produtos de oxidação voláteis Em geral a reação ocorre rapidamente sendo catalisada pela malha de platina que envolve a amostra Durante a combustão o frasco é blindado para minimizar danos provocados em caso de explosão Após o resfriamento o frasco é agitado vigorosamente e desmontado e as superfícies internas são cuidadosamente enxaguadas Então a análise é realizada na solução resultante Esse procedimento tem sido aplicado em determinações de halogênios enxofre fósforo flúor arsênio boro carbono e vários metais presentes em compostos orgânicos DECOMPOSIÇÃO DE MATERIAIS INORGÂNICOS 36E POR FUNDENTES Várias substâncias comuns notadamente silicatos alguns óxidos minerais e algumas ligas de ferro são atacadas vagarosamente mesmo pelos métodos considerados anteriormente Em tais casos é indicado o emprego de um meio de fusão salino Aqui a amostra é misturada com sal de metal alcalino chamado fundente e então a combinação é levada à fusão para formar um produto solúvel em água denominado fundido Os fundentes decompõem a maioria das substâncias em decorrência de elevadas temperaturas 996 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON 6W Schöniger Mikrochim Acta 1955 p 123 1956 p 869 Veja também os artigos de revisão de A M G MacDonald In Advances in Analytical Chemistry and Instrumentation C N Reilley Ed Nova York Interscience V 4 p 75 1965 Amostra Amostra envolta no suporte de papel Rolha com S junta esmerilhada Amostra no suporte Líquido de absorção Ponto de ignição Figura 364 Sistema de combustão de Schöniger Cortesia de Thomas Scientific Swedesboro NJ SKOOG WEST HOLLER CROUCH CAP 36 Decomposição e Dissolução da Amostra 999 361Explique a diferença entre digestão a seco e digestão por via úmida 362O que é um fundente Quando ele é empre gado 363Quais são os fundentes adequados para determinações de metais alcalinos em sili catos 364 Qual fundente é comumente utilizado na decomposição de certos óxidos refratários 365Sob quais condições o emprego do ácido perclórico pode ser perigoso 366Como compostos orgânicos são decompos tos para a determinação de a halogênios b enxofre c nitrogênio d espécies contendo metais pesados 367Apresente três vantagens principais da de composição por microondas 368Quais as maiores limitações das digestões por microondas em sistemas fechados de alta pressão QUESTÕES E PROBLEMAS APÊNDICE 1 A Literatura da Química Analítica Tratados Como usado aqui o termo tratado significa uma apresentação completa de uma ou mais áreas abrangen tes da química analítica FURMAN N H e WELCHER F J Eds Standard Methods of Chemical Analysis 6 ed Nova York Van Nostrand19621966 Em cinco partes amplamente dedicado a aplicações específicas KOLTHOFF I M ELVING P J Eds Treatise on analytical Chemistry 2 ed Nova York Willey19611986 Parte I 14 volumes é dedicado à teoria Parte II 17 volumes ocupase com métodos analíticos para compostos orgânicos e inorgânicos Parte III quatro volumes trata da quí mica analítica industrial MEYERS Robert A Ed Encyclopedia of Analytical Chemistry Applications Theory and Instrumentation Nova York Wiley 2000 Uma série de consulta com 15 volumes para todas as áreas de química analítica ROSSITER B W BAETZOLD R C Eds Physical Methods of Chemistry 2 ed Nova York Wiley 19861993 Essa série consiste em 12 volumes dedicados a vários tipos de medidas físicas e químicas realizadas pelos químicos WILSON C L e WILSON D W Eds Comprehensive Analytical Chemistry Nova York Elsevier 19592003 Em 2003 foram publicados 39 volumes desse trabalho Métodos Oficiais de Análises Essas publicações são freqüentemente constituídas por um único volume e constituem uma fonte útil de métodos analíticos para a determinação de substâncias específicas em produtos comerciais Os métodos têm sido desenvolvidos por várias sociedades científicas e servem como padrões tanto em arbitragens como em tribunais Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 20 ed CLESCERI L S et al Eds Nova York Associação Americana de Saúde Pública 1998 Annual Book of ASTM Standard Filadélfia Sociedade Americana de Testes de Materiais Esse trabalho com 70 volumes é revisado anualmente e contém métodos não só para testes físicos como também aná lises químicas Os volumes 305 e 306 Analytical Chemistry for Metals Ores and Related Materials são fontes particularmente úteis WATSON C A Official and Standardized Methods of Analysis 3 ed Londres Sociedade Real de Química 1994 Official Methods of Analysis 17 ed Washington DC Association of Official Analytical Chemists 2002 Essa é uma fonte muito útil de métodos para análise de materiais tais como drogas alimentos pestici das materiais agrícolas cosméticos vitaminas e nutrientes Revisões Seriadas As revisões listadas a seguir são revisões gerais no campoda Química Analítica Além disso há revisões seriadas específicas dedicadas a avanços em áreas tais como cromatografia eletroquímica espectrometria de massas e muitas outras Analytical Chemistry Fundamental Review American Chemical Society Washington DC Essas revisões são publicadas em anos pares do Analytical Chemistry no fascículo do dia 15 de junho Estão cobertos os desenvolvimentos mais significativos que ocorreram nos últimos dois anos em várias áreas da quí mica analítica Analytical Chemistry Application Reviews American Chemical Society Washington DC Essas revisões são publicadas nos anos impares do Analytical Chemistry no fascículo do dia 15 de junho Estes arti gos dedicamse a trabalhos analíticos recentes em áreas especificas tais como análise de águas quími ca clínica produtos de petróleo e poluição do ar Critical Reviews in Analytical Chemistry Boca Raton FL CRC Press Essa publicação ocorre trimestral mente e provê artigos detalhados que cobrem os mais novos desenvolvimentos em análise de substân cias bioquímicas Reviews in Analytical Chemistry TelAviv Freund Publishing Um jornal dedicado a revisões na área Compilações Tabulares BARD A J et al Eds Standard Potencials in Aqueous Solution Nova York Marcel Dekker 1985 DEAN J A Analytical Chemistry Handbook Nova York McGrawHill 1995 MARTELL A E SMITH R M Critical Stability Constants Nova York Plenum Press 19741989 Seis volumes Milazzo et al Tables of Standard Electrode Potencial Nova York Wiley 1978 LivrosTextos de Analítica Avançada e Instrumental BUTLER J N Ionic Equilibrium A mathematical Approach Reading MA AddisonWesley 1964 Ionic Equilibrium Solubility and pH Calculations Nova York Wiley 1998 CHRISTIAN G D OReilly J E Instrumental Analysis 2 ed Boston Allyn e Bacon 1986 GUENTHER W B Unified Equilibrium Calculations Nova York Wiley 1991 LAITINEN H A e Harris W E Chemical Analysis 2 ed Nova York McGrawHill 1975 SETTLE F A Ed Handbook of Instrumental Techniques for Analytical Chemistry Upper Saddle River NJ PrenticeHall 1977 SKOOG D A et al Principles of Instrumental Analysis 5 ed Filadélfia Saunders College Publishing 1998 STROBEL H HEINEMAN W R Chemical Instrumentation A Systematic Approach 3 ed Boston AddisonWesley 1989 Monografias Estão disponíveis centenas de monografias dedicadas a áreas especializadas da química analítica Em geral são escritas por especialistas e consistem em excelentes fontes de informação Algumas monogra fias representativas em várias áreas são listadas a seguir A2 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Métodos Gravimétricos e Titulométricos ASHWORTH M R F Titrimetic Organic Analysis Nova York Interscience 1965 Dois volumes DELEVIE R Aqueous AcidBase Equilibria and Titrations Oxford Oxford University Press 1999 ERDEY L Gravimetric Analysis Oxford Pergamon 1965 FRITZ J S AcidBase Titration in Nonaqueous Solvents Boston Allyn e Bacon 1973 HILLEBRAND W F et al Applied Inorganic Analysis 2 ed Nova York Wiley 1953 Reeditado em 1980 KOLTHOFF I M et al Volumetric Analysis Nova York Interscience 19421957 Três volumes MA T S RITNER R C Modern Organic Elemental Analysis Nova York Marcel Dekker 1979 SAFARIK L STRANSKY Z Titrimetic Analysis in Organic Solvents Amsterdã Elsevier 1986 SERJEANT E P Potenciometry and Potentiometric Titrations Nova York Wiley 1984 WAGNER W HULL C J Inorganic Titrimetic Analysis Nova York Marcel Dekker 1971 Análise Orgânica SIGGIA S HANNA J G Quantitative Organic Analysis via Functional Groups 4 ed Nova York Wiley 1979 WEISS F T Determination of Organic Compounds Methods and Procedures Nova York Wiley Interscience 1970 Métodos Espectrométricos BOLTZ D F HOWELL J A Colorimetric Determination of Nonmetals 2 ed Nova York Wiley Interscience 1978 BROEKAERT Jose A C Analytical Atomic Spectrometry with Flames and Plasmas Weinheim Cambridge University Press Wiley VCH 2002 HILL S J Inductively Coupled Plasma Spectrometry and Its Applications Boca Raton FL CRC Press 1999 INGLE J D CROUCH S R Spectrochemical Analysis Upper Saddle River NJ PrenticeHall 1988 LAJUNEN L H J Spectrochemical Analysis by Atomic Absorption and Emission Cambridge Royal Society of Chemistry 1992 LAKOWIZ J R Principles of Fluorescence Spectroscopy Plenum Press 1999 MONTASER A Golightly D W Eds Inductively Coupled Plasmas in Analytical Atomic Spectroscopy 2 ed Nova York WileyVCH 1992 MONTASER A Ed Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry Nova York Wiley 1998 SANDELL E B ONISHI H Colorimetric Determination of Traces of Metals 4 ed Nova York Wiley 19781989 Dois volumes SCHULMAN S G Ed Molecular Luminescence Spectroscopy Nova York Wiley 1985 Em duas partes SNELL F D Photometric and Fluorometric Methods of Analysis Nova York Wiley 19781981 Dois volumes Métodos Eletroanalíticos BARD A J FAULKNER L R Eletrochemical Methods 2 ed Nova York Wiley 2001 KISSINGER P T HEINEMANN W R Eds Laboratory Techniques in Eletroanalytical Chemistry 2 ed Nova York Marcel Dekker 1996 LINGANE J J Eletroanalytical Chemistry 2 ed Nova York Interscience 1954 SAWYER D T et al Experimental Eletrochemistry for Chemists 2 ed Nova York Wiley 1995 WANG J Analytical Eletrochemistry Nova York Wiley 2000 SKOOG WEST HOLLER CROUCH APÊNDICE 1 A Literatura da Química Analítica A3 Separações Analíticas ANTON K BERGER C Eds Supercritical Fluid Chromatography with Packed Columns Techniques and Applications Nova York Dekker 1998 CAUDE M THIEBAUT D Eds Practical Supercritical Fluid Chromatography and Extraction Amsterdã Harwood 2000 CAMILLERI P Ed Capillary Electrophoresis Theory and Practice Boca Raton FL CRC Press 1993 FRIED B SHERMA J Thin Layer Chromatography 4 ed Nova York Marcel Dekker 1999 GIDDINGS J C Unified Separation Science Nova York Wiley 1991 KATZ E Quantitative Analysis Using Chromatographic Techniques Nova York Wiley 1987 MCMASTER M MCMASTER C GCMS A Practical Users Guide Nova York WileyVCH 1998 MCNAIR H M MILLER J M Basic Gas Chromatography Nova York Wiley 1988 NIESSEN W M A Liquid ChromatographyMass Spectrometry 2 ed Nova York Marcel Dekker 1999 SCHIMPF et al Eds FieldFlow Fractionation Handbook Nova York Eiley 2000 SCOTT R P W Introduction to Analytical Gas Chromatography 2 ed Nova York Marcel Dekker 1997 Liquid Chromatography for the Analyst Nova York Marcel Dekker 1995 SMITH R M Gas and Liquid Chromatography in Analytical Chemistry Nova York Wiley 1988 SNYDER L R KIRKLAND J J Introduction to Modern Liquid Chromatography 3 ed Nova York Wiley 1996 WEINBERGER R Practical Capillary Electrophoresis Nova York Academic Press 2000 Miscelânea BATES R G Determination of pH Theory and Practice 2 ed Nova York Wiley 1973 BOCK R A Handbook of Decomposition Methods in Analytical Chemistry Nova York Wiley 1979 CHRISTIAN G D CALLIS J B Trace Analysis Nova York Wiley 1986 DEVORE J L FARNUM N R Applied Statistic for Engineers and Scientists Belmont CA Duxbury Press at Brooks Cole Publishing Co 1999 MOTTOLA H A Kinetic Aspects of Analytical Chemistry Nova York Wiley 1988 PEREZBENDITO D SILVA M Kinetic Methods in Analytical Chemistry Nova York Halsted Press Wiley 1988 PERRIN D D Masking and Demasking Chemical Reactions Nova York Wiley 1970 RIEMAN W WALTON H F Ion Exchange in Analytical Chemistry Oxford Pergamon 1970 RUZICKA J HANSEN E H Flow Injection Analysis 2 ed Nova York Wiley 1988 WATSON J T Introduction to Mass Spectrometry 3 ed Nova York LippincottRaven 1997 Periódicos Numerosos periódicos são dedicados à química analítica São as principais fontes de informação no campo Alguns dos melhores títulos conhecidos estão aqui listados As partes em negrito dos títulos são as abre viaturas do Chemical Abstracts para os periódicos American Laboratory Analyst The Analytical and Bioanalytical Chemistry Analytical Biochemistry Analytical Chemistry Analytica Chimica Acta Analytical Letters Applied Spectroscopy Clinical Chemistry International Journal of Mass Spectrometry Instrumentation Science and Technology A4 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Journal of the American Society for Mass Spectrometry Journal of the Association of Official Analytical Chemists Journal of Chromatographic Science Journal of Chromatography Journal of Eletroanalytical Chemistry Journal of Liquid Chromatography and Related Techniques Journal of Microcolumn Separation Microchemical Journal Mikrochimica Acta Separation Science Spectrochimica Acta Talanta SKOOG WEST HOLLER CROUCH APÊNDICE 1 A Literatura da Química Analítica A5 APÊNDICE 8 Compostos Recomendados para a Preparação de Soluções Padrão de Alguns Elementos Comuns Elemento Composto Massa Molar Solvente Notas Alumínio Alumínio metálico 2698 HCl dil a quente a Antimônio KSbOC4H4O6 H2O 33393 H2O c Arsênio As2O3 19784 HCl diluído ibd Bário BaCO3 19735 HCl diluído Bismuto Bi2O3 46596 HNO3 Boro H3BO3 6183 H2O de Bromo KBr 11901 H2O a Cádmio CdO 12840 HNO3 Cálcio CaCO3 10009 HCl diluído i Cério NH42CeNO36 54823 H2SO4 Cromo K2Cr2O7 29419 H2O id Cobalto Cobalto metálico 5893 HNO3 a Cobre Cobre metálico 6355 HNO3 diluído a Flúor NaF 4199 H2O b Iodo KIO3 21400 H2O i Ferro Ferro metálico 5585 HCl a quente a Lantânio La2O3 32582 HCl a quente f Chumbo PbNO32 33120 H2O a Lítio Li2CO3 7389 HCl a Magnésio MgO 4031 HCl Manganês MnSO4 H2O 16901 H2O g Mercúrio HgCl2 27150 H2O b Molibdênio MoO3 14394 1 M NaOH Níquel Níquel metálico 5870 HNO3 a quente Fósforo KH2PO4 13609 H2O Potássio KCl 7456 H2O a KHC8H4O4 20423 H2O id K2Cr2O7 29419 H2O id Silício Silício metálico 2809 NaOH conc SiO2 6008 HF j Prata AgNO3 16987 H2O a Sódio NaCl 5844 H2O i Na2C2O4 13400 H2O id Estrôncio SrCO3 14763 HCl a Enxofre K2SO4 17427 H2O Estanho Estanho metálico 11869 HCl 2 1 Espectro contínuo Radiação que consiste em uma banda de comprimentos de onda e não de linhas discretas Sólidos incan descentes fornecem um sinal contínuo radiação de corpo negro nas regiões do visível e infravermelho as lâmpadas de deutério e hidrogênio produzem espectros contínuos na região do ultravioleta Gráfico de controle Gráfico que demonstra o controle estatístico de um produto ou serviço em função do tempo Circuito de controle Dispositivo eletroquímico de três eletrodos que mantém um potencial constante entre o eletrodo de trabalho e o eletrodo de referência ver potenciostato Métodos de potencial controlado Métodos eletroquímicos que usam um potenciostato para manter um potencial cons tante entre o eletrodo de trabalho e o eletrodo de referência Convecção Transporte de uma espécie em um meio líquido ou gasoso por meio de movimento agitação mecânica ou gra diente de temperatura Compostos de coordenação Espécies formadas entre íons metálicos e grupos doadores de pares de elétrons o produto pode ser aniônico catiônico ou neutro Coprecipitação Arraste de uma espécie solúvel no interior de um sólido ou na sua superfície quando este precipita Coulomb C A quantidade de cargas fornecida por uma cor rente constante de um ampère em um segundo Coulômetro Instrumento que permite a medida da quanti dade de cargas Coulômetros eletrônicos avaliam a integral da curva correntetempo coulômetros químicos baseiamse na extensão da reação em uma célula auxiliar Titulação coulométrica Tipo de análise coulométrica que envolve medidas do tempo necessário para uma corrente cons tante produzir reagente suficiente para reagir completamente com o analito Contraeletrodo O eletrodo que juntamente com o eletrodo de trabalho forma o circuito de eletrólise em uma célula de três eletrodos Camada do contraíon Região da solução ao redor de uma partícula coloidal onde existe uma quantidade de íons sufi ciente para balancear as cargas existentes na superfície da partícula Creeping Tendência de alguns precipitados de se espa lharem sobre uma superfície úmida Temperatura crítica Temperatura acima da qual uma subs tância não pode mais existir no estado líquido independente mente da pressão Fase estacionária com ligações entre cruzadas Fase esta cionária polimérica em uma coluna cromatográfica na qual li gações covalentes unem diferentes cadeias do polímero crian do assim uma fase mais estável Eletrodo de membrana cristalina Eletrodo no qual o elemen to sensível é um sólido cristalino que responde seletivamente perante a atividade de uma espécie iônica de interesse Precipitados cristalinos Sólidos que possuem a tendência de formar partículas grandes facilmente filtráveis Suspensões cristalinas Partículas com dimensões maiores que as coloidais dispersas temporariamente em um líquido Corrente i Quantidade de carga elétrica que passa através de um circuito elétrico por unidade de tempo unidades são dadas em ampères A Densidade de corrente Corrente por unidade de área de um eletrodo em Am2 Eficiência de corrente Medida da efetividade de uma quan tidade de eletricidade necessária para produzir uma quantidade equivalente de uma alteração química em um analito o méto do coulométrico requer uma eficiência de corrente de 100 Máximos de corrente Picos anômalos na corrente de uma célula polarográfica podem ser eliminados pela introdução de um agente tensoativo Conversor correntevoltagem Dispositivo para conversão de corrente elétrica em voltagem que é proporcional ao circuito do dispositivo Cubeta Recipiente que mantém o analito no caminho da luz em espectroscopia de absorção D Dalton Sinônimo de unidade de massa atômica Corrente de escuro Pequenas correntes que ocorrem mesmo quando nenhuma radiação incide no transdutor fotométrico Espectroscopia de plasma cc PCC Método que faz uso de um plasma de argônio induzido eletricamente para excitar o espectro de emissão de analitos Tempo de morto Em cromatografia em coluna referese ao tempo tM requerido para uma espécie nãoretida atravessar uma coluna em cinética com fluxo interrompido é o tempo entre a mistura dos reagentes e a chegada da mistura à célula de observação Equação de DebyeHückel Expressão que permite o cálcu lo do coeficiente de atividade em meios com força iônica menor que 01 Lei limite de DebyeHückel Forma simplificada da equação de DebyeHückel aplicável a soluções cuja força iônica é menor que 001 Decantação Transferência do líquido sobrenadante de um recipiente para um filtro sem perturbação do sólido precipita do contido no recipiente Crepitação Fragmentação de um sólido cristalino devido ao aquecimento causada pela vaporização de água de oclusão Graus de liberdade O número de membros de uma amostra estatística que fornece uma medida independente da precisão do conjunto Desidratação Perda de água por um sólido Dehidrita Nome comercial do perclorato de magnésio um agente secante Densidade A razão entre a massa de um objeto e seu volume Camada de depleção Região não condutora de um semi condutor reversamente polarizado Despolarizador Aditivo que sofre reação em um eletrodo preferencialmente a um processo indesejado Veja despola rizador do cátodo Curva de titulação derivada Gráfico da variação da quan tidade medida por unidade de volume contra o volume de ti tulante adicionado a curva derivada exibe um máximo que corresponde ao ponto de inflexão em uma curva de titulação convencional Ver também curva da segunda derivada Dessecante Agente absorvente de umidade Dessecador Recipiente que fornece uma atmosfera livre de umidade usado no armazenamento de amostras cadinhos e precipitados GLOSSÁRIO G5 Interferência destrutiva Diminuição na amplitude de ondas resultante da superposição de duas ou mais ondas que não estão em fase uma com a outra Limite de detecção Quantidade mínima de analito que um método ou sistema é capaz de medir Detector Dispositivo que responde a alguma característica de um sistema em observação e converte esta resposta em um sinal mensurável Erro determinado Classe de erros que pelo menos em princípio tem causa conhecida sinônimo de erro sistemático Lâmpada de deutério Fonte que fornece um espectro con tínuo na região do ultravioleta radiação resultante da aplicação de cerca de 40 V a um par de eletrodos mantidos em atmosfera de deutério Liga de Devarda Liga de cobre alumínio e zinco usada para reduzir nitratos e nitritos a amônia em meio alcalino Desvio Diferença entre uma medida individual e o valor médio ou mediano de um conjunto de dados Terra diatomácea Esqueleto à base de silício de algas unicelulares empregada como suporte sólido em CG Solvente diferenciador Solventes nos quais as diferenças nas forças de ácidos ou bases são aumentadas Compare com solventes niveladores Ordem de difração n Múltiplos inteiros de comprimentos de onda nos quais ocorre interferência construtiva Difusão Migração de espécies de uma região de elevada con centração para uma região mais diluída em uma solução Coeficiente de difusão polarográfico D cromatográfico Dm medida da mobilidade de espécies em unidades de cm2s Corrente de difusão id Corrente limite em voltametria quan do a difusão é a forma predominante de transporte de massa Digestão Prática de manter uma mistura não perturbada do precipitado formado recentemente e a solução no qual ele foi formado sob temperaturas próximas do ponto de ebulição resulta em aumento da pureza e tamanho das partículas Dimetilglioxima Agente precipitante que é específico para níquelII Sua fórmula é CH3CNOH2CH3 Detector de arranjo de diodos Circuito integrado de silício que acomoda inúmeros fotodiodos tem a capacidade de cole tar dados de regiões espectrais inteiras simultaneamente Normalmente contém entre 64 e 4096 fotodiodos dispostos linearmente Difeniltiocarbazida Agente quelante também conhecido como ditizona adutos formados com cátions possuem solubi lidade reduzida em água mas são extraídos facilmente por sol ventes orgânicos Dissociação Separação de moléculas de uma substância comumente em duas espécies mais simples Constante de distribuição A constante de equilíbrio para a distribuição do analito em dois solventes imiscíveis é aproxi madamente igual à razão das concentrações molares nos dois solventes Ditizona Sinônimo de difeniltiocarbazida Dopagem Introdução intencional de traços de elementos dos grupos III ou IV para melhorar as propriedades de semicondu tores de cristais de silício e germânio Alargamento Doppler Absorção ou emissão de radiação por uma espécie em rápido movimento que resulta no alarga mento de linhas espectrais comprimento de onda ligeiramente mais curto ou longo que o normal que é recebido pelo detec tor dependendo da direção do movimento da espécie no ca minho óptico Instrumento de feixe duplo Instrumento óptico projetado para eliminar a necessidade de alternar manualmente soluções do controle branco e do analito no caminho óptico Um di visor de feixe separa a radiação em dois feixes em espec trômetros espaciais um modulador direciona o feixe alter nadamente entre o branco e o analito em instrumentos de duplo feixe temporais Precipitação dupla Sinônimo de reprecipitação Drierita Nome comercial do sulfato de cálcio um agente secante Eletrodo gotejante de mercúrio Eletrodo no qual o mer cúrio é forçado a passar por um tubo capilar produzindo gotas idênticas Mineralização a seco Eliminação da matéria orgânica de uma amostra por aquecimento direto ao ar Método de Dumas Método de análise baseado na com bustão de amostras orgânicas contendo nitrogênio por CuO converte nitrogênio orgânico em N2 que então é medido volu metricamente Métodos dinâmicos Sinônimos de métodos cinéticos estão relacionados com mudanças que ocorrem em sistemas quími cos com o tempo Ao contrário de métodos estáticos Dinodo Eletrodo intermediário de um tubo fotomultipli cador E Rede echelle Rede que é confeccionada com superfícies refletoras que são mais largas que as faces não refletoras Termo de múltiplos caminhos Termo relacionado à movi mentação de solutos que contribui para o alargamento de ban das cromatográficas resultado de diferenças no percurso das moléculas do soluto quando elas atravessam a coluna EDTA Abreviação para o ácido etilenodiaminotetracético agente quelante largamente usado em titulações que en volvem a formação de complexos Sua fórmula é HOOCCH22NCH2CH2NCH2COOH2 Largura de banda efetiva Largura de banda de um monocromador ou filtro de interferência no qual a transmitân cia é 50 daquela do comprimento de onda nominal Dupla camada elétrica Referese à carga localizada na superfície de uma partícula coloidal e à camada do contraíon que neutraliza essa carga também corresponde à camada car regada da superfície de um eletrodo de trabalho usado em voltametria Métodos eletroquímicos Um extenso grupo de métodos que têm em comum a medida de uma propriedade elétrica do sis tema que é proporcional à quantidade da espécie de interesse presente na amostra Célula eletroquímica Arranjo que consiste em dois eletro dos cada um deles em contato com uma solução eletrolítica Tipicamente os dois eletrólitos estão em contato elétrico através de uma ponte salina um condutor metálico externo conecta os dois eletrodos Reversibilidade eletroquímica Capacidade de algumas células em reverter a si próprias quando a direção da corrente é invertida em uma célula irreversível a inversão da corrente provoca uma reação diferente em um ou ambos os eletrodos G6 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Nebulização Transformação de um líquido em um aerossol de gotas minúsculas Camada de difusão de Nernst D Camada fina de líquido estagnado na superfície de um eletrodo é causada pela fricção entre a superfície e o líquido que flui passando pela superfície Equação de Nernst Expressão matemática que relaciona o potencial de um eletrodo com as atividades daquelas espécies em solução responsáveis pelo potencial Fonte de Nernst Fonte de radiação no infravermelho que consiste em um cilindro de óxidos de zircônio e ítrio aqueci dos a altas temperaturas pela passagem de uma corrente elétrica Níquelcrômio Liga de níquelcromo quando está incandes cente é uma fonte de radiação no infravermelho Ruído Flutuações aleatórias de um sinal analítico que resul tam de um grande número de variáveis não controláveis e que afetam o sinal referese a qualquer sinal que interfira na detecção do sinal do analito Comprimento de onda nominal O comprimento de onda principal fornecido por um dispositivo de seleção de compri mentos de onda Água nãoessencial Água retida em um sólido por forças físicas em vez de forças químicas Curva de erro normal Gráfico de uma distribuição gaus siana da freqüência de resultados de erros aleatórios em uma medida Eletrodo normal de hidrogênio ENH Sinônimo de eletrodo padrão de hidrogênio Normalidade CN O número de pesos equivalentes de uma espécie em um litro de solução Cromatografia em fase normal Tipo de cromatografia de partição que envolve uma fase estacionária polar e uma fase móvel nãopolar compare com cromatografia de fase reversa Nucleação Processo envolvendo a formação de agregados muito pequenos de um sólido durante a precipitação Hipótese nula Alegação de que uma característica de uma população única seja igual a algum valor específico ou que duas ou mais características da população sejam idênticas testes estatísticos são recomendados para validar ou invalidar a hipótese nula em um nível de probabilidade especificado Número de pratos teóricos N Característica de uma coluna cromatográfica empregada para descrever sua eficiência O Água de oclusão Água nãoessencial que foi arrastada por um cristal em formação Oclusão Associação física de impurezas solúveis a um cristal em formação Administração de Saúde e Segurança Ocupacional Occupational Safety and Health Administration OSHA Agência federal norteamericana encarregada de proporcionar segurança em laboratórios e demais locais de tra balho Sal de Oesper Nome comum para o sulfato de etilenodiami na de ferroII tetrahidratado Queda ôhmica de potencial Sinônimo de queda IR Coluna tubular aberta Coluna capilar de vidro ou sílica fundida usada em cromatografia gasosa as paredes do tubo são recobertas com uma fina camada da fase estacionária Amplificador operacional Amplificador eletrônico analó gico versátil empregado para realizar tarefas matemáticas e para condicionar sinais de saída dos transdutores de instrumentos Instrumentos ópticos Termo amplo utilizado para instru mentos que medem absorção emissão ou fluorescência do analito baseado em radiação no ultravioleta visível ou no infravermelho Métodos ópticos Sinônimo de métodos espectroquímicos Cunha óptica Dispositivo cuja transmissão decresce linear mente com seu comprimento usado em espectroscopia óptica Ordem de reação Expoente associado com a concentração de uma espécie na lei de velocidade de uma reação química Valor Anômalo Resultado que parece ser discrepante de outros membros de um conjunto de resultados Ordem de reação global Soma dos expoentes associados com as concentrações das espécies que fazem parte de uma reação química Desvio padrão global so Raiz quadrada da soma das va riâncias dos processos de medida e das variâncias das etapas da amostragem Sobrepotencial sobrevoltagem Excesso de voltagem necessária para produzir corrente em uma célula eletroquímica polarizada Oxidante Sinônimo de agente oxidante Oxidação Perda de elétrons por uma espécie em uma reação de oxidaçãoredução Potencial de oxidação Potencial de um processo de eletrodo que é escrito como uma oxidação Agente oxidante Substância que recebe elétrons em uma reação de oxidaçãoredução Oxina Nome comum para a 8hidroxiquinolina Onda do oxigênio No eletrodo gotejante de mercúrio o oxigênio produz duas ondas a primeira é devido à formação de peróxido e a segunda à redução subseqüente à água isso pode constituirse em uma interferência na determinação de outras espécies porém é empregada na determinação de oxigênio dis solvido P Colunas recheadas Colunas cromatográficas preenchidas com materiais porosos para gerar uma área superficial elevada visando promover a interação com os analitos presentes na fase móvel Trava do prato Dispositivo para dar suporte aos pratos de uma balança quando a carga está sendo colocada neles Paralaxe Mudança aparente na posição de um objeto que ocorre em razão da mudança de posição do observador resul ta em erros sistemáticos em leituras de buretas pipetas e em equipamentos com ponteiros Crescimento de partícula Estágio da formação de sólidos Propriedades de partícula da radiação eletromagnética Comportamento que é consistente com a radiação agindo como pequenas partículas ou quanta de energia Cromatografia por partição Tipo de cromatografia basea da na distribuição de solutos entre uma fase móvel líquida e uma fase estacionária líquida retida na superfície de um sólido Coeficiente de partição Constante de equilíbrio para a dis tribuição de um soluto entre duas fases líquidas imiscíveis ver constante de distribuição GLOSSÁRIO G13 Partes por milhão ppm Forma conveniente de expressar a concentração de um soluto que existe em quantidadestraço para soluções aquosas diluídas ppm é sinônimo de miligramas do soluto por litro de solução Área do pico altura do pico Propriedades de sinais em forma de pico que podem ser utilizadas para análise quantita tiva podem ser usadas em cromatografia absorção atômica eletrotérmica e outras técnicas Peptização Processo no qual um colóide coagulado retorna a seu estado disperso Período da radiação eletromagnética Tempo requerido para picos sucessivos de uma onda eletromagnética passarem por um ponto fixo no espaço pH Logaritmo negativo da atividade do íon hidrogênio em uma solução Fosforescência Emissão de luz de um estado excitado tri plete fosforescência é mais lenta que fluorescência e pode ocorrer por muitos minutos Pentóxido de sódio P2O5 Agente secante Célula fotocondutiva Detector de radiação eletromagnética cuja condutividade elétrica aumenta com a intensidade de radiação nele incidente Fotodecomposição Formação de novas espécies a partir de moléculas excitadas por radiação uma das várias formas pelas quais a energia de excitação é dissipada Fotodiodo 1 Tubo com vácuo que consiste em um ânodo na forma de fio e uma superfície fotossensível que produz um elétron para cada fóton absorvido na superfície 2 Semicondutor de silício reversamente polarizado que produz elétrons e lacunas quando irradiado por radiação eletromag nética A corrente resultante fornece uma medida do número de fótons que incide no dispositivo a cada segundo Arranjo de fotodiodos Arranjo linear de fotodiodos que podem detectar múltiplos comprimentos de onda simultanea mente ver detector de arranjo de diodos Colorímetro fotoeletrônico Fotômetro que responde à radiação visível Fotoelétron Elétron liberado pela absorção de um fóton que incide em uma superfície fotoemissiva Detector de fotoionização Detector cromatográfico que usa radiação no ultravioleta intensa para ionizar os analitos as cor rentes resultantes que são amplificadas e registradas são pro porcionais à concentração do analito Fotômetro Instrumento para a medida da absorbância que incorpora um filtro para a seleção do comprimento de onda e um detector de fótons Tubo fotomultiplicador Detector sensível de radiação eletromagnética a amplificação do sinal é efetuada por uma série de dinodos que produzem uma cascata de elétrons para cada fóton recebido pelo tubo Detector de fótons Termo genérico usado para transdutores que convertem um sinal óptico em sinal elétrico Fótons Pacotes de energia de radiação eletromagnética tam bém conhecidos como quanta Fototubo Transdutor que consiste em um cátodo fotoemissi vo um fio metálico como ânodo e uma fonte de tensão que mantém um potencial adequado entre os eletrodos Indicadores ftaleínicos Indicadores ácidobase derivados do anidrido ftálico o mais comum deles é a fenolftaleína Medidor de pÍon Instrumento que mede diretamente a con centração estritamente a atividade de um analito consiste em um eletrodo indicador íonespecífico um eletrodo de refe rência e um dispositivo de medida de potencial Pipeta Dispositivo que permite a transferência de volumes conhecidos de solução de um frasco para outro Pixel Elemento único de detecção em um detector de arran jo de diodos ou detector de transferência de carga Cromatografia em camada delgada Termo usado para descrever métodos cromatográficos que fazem uso de uma fase estacionária fina e plana a fase móvel migra ao longo da superfície por gravidade ou capilaridade Plasma Meio gasoso cuja condutividade se deve a quanti dades apreciáveis de íons e elétrons Altura de prato H Quantidade que descreve a eficiência de uma coluna cromatográfica Eletrodo de platina Usado extensivamente em sistemas eletroquímicos nos quais um eletrodo metálico inerte se faz necessário Almofariz Plattner de diamante Dispositivo para triturar pequenas quantidades de materiais quebradiços Detector pneumático Detector de calor que se baseia em variações na pressão que um gás exerce sobre um diafragma flexível Diodo de junção pn Dispositivo semicondutor que contém uma junção entre uma região rica e uma região deficiente em elétrons permite movimento de corrente em uma única direção Polarização 1 Em uma célula eletroquímica fenômeno no qual a grandeza da corrente é limitada pela baixa velocidade de reação eletródica polarização cinética ou pela lentidão no transporte de reagentes para a superfície do eletrodo polariza ção de concentração 2 Processo que leva a radiação eletro magnética a vibrar em um padrão definido Polarograma Gráfico de correntevoltagem obtido por uma medida polarográfica Polarografia Voltametria com eletrodo gotejante de mer cúrio Radiação policromática Radiação eletromagnética que consiste em mais de um comprimento de onda compare com radiação monocromática Ácidos e bases polifuncionais Espécies que contêm mais de um grupo funcional ácido ou básico Média da população M Valor médio para uma população de dados valor verdadeiro para uma quantidade que é livre de erros sistemáticos População de dados Número total de valores algumas vezes infinito que uma medida pode ter é também expressa como universo de dados Desvio padrão da população S Parâmetro de precisão baseado em uma população de dados Coluna tubular aberta com camada porosa TACP Coluna capilar para cromatografia gássólido na qual uma fi na camada de uma fase estacionária é adsorvida nas paredes da coluna Titulação potenciométrica Método titulométrico que envolve a medida do potencial gerado entre um eletrodo de referência e um eletrodo indicador em função do volume de ti tulante adicionado Potenciometria Ramo da eletroquímica que trata das relações existentes entre o potencial de uma célula eletro química e a concentração de espécies que compõem a célula G14 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON Métodos espectroquímicos Sinônimo de métodos espec trométricos Espectrofluorímetro Instrumento para fluorescência que emprega monocromadores para seleção dos comprimentos de onda de excitação e emissão em alguns casos instrumentos híbridos empregam um filtro e um monocromador Espectrógrafo Instrumento óptico equipado com um ele mento dispersivo como por exemplo uma rede ou um prisma que permite que uma faixa de comprimentos de onda atinja um detector espacial sensível como um arranjo de diodos dispo sitivo de acoplamento de carga ou placa fotográfica Espectrômetro Instrumento equipado com um monocro mador ou um policromador um fotodetector de radiação eletromagnética e um dispositivo de leitura eletrônico que mostra um número proporcional à intensidade de uma banda espectral isolada Métodos espectrométricos Métodos baseados na absorção emissão ou fluorescência da radiação eletromagnética que está relacionada com a quantidade de analito presente na amostra Espectrofotômetro Espectrômetro projetado para a medida da absorção de radiação no ultravioleta visível ou no infraver melho O instrumento inclui uma fonte de radiação um monocromador e uma maneira de medir eletricamente a razão das intensidades dos feixes da amostra e de referência Titulação espectrofotométrica Titulação monitorada por espectrometria no ultravioletavisível Espectroscópio Instrumento óptico similar ao espectrômetro exceto que a linha espectral pode ser observada visualmente Espectroscopia Termo genérico usado para descrever técni cas baseadas na medida da absorção emissão ou luminescên cia da radiação eletromagnética Espalhamento w de dados Estimativa da precisão sinôni mo de faixa Sputtering Processo pelo qual um vapor atômico é produzi do por meio de colisões com íons excitados sobre uma super fície como o cátodo em uma lâmpada de cátodo oco Polarografia de onda quadrada Uma variedade de polaro grafia de pulso Método das adições de padrão Método de determinação da concentração de um analito em solução Pequenas quantidades conhecidas do analito são adicionadas à solução da amostra e as leituras do instrumento são registradas após uma ou mais adições O método compensa as interferências causadas pelos efeitos de matriz Desvio padrão S ou s Medida de quão próximos os dados de replicatas agrupamse em torno da média em uma dis tribuição normal esperase que 67 dos dados possam estar dentro de um desvio padrão em relação à média Desvio padrão de uma regressão sr Desvio padrão basea do nos desvios da reta de regressão de quadrados mínimos Potencial padrão de eletrodo E0 O potencial relativo ao eletrodo padrão de hidrogênio da semireação escrita como redução quando as atividades de todos os reagentes e produtos são iguais à unidade Erro padrão da média Sm ou sm O desvio padrão dividido pela raiz quadrada do número de medidas no conjunto Eletrodo padrão de hidrogênio EPH Um eletrodo de gás que consiste em um eletrodo de platina platinizada imersa em uma solução que apresenta uma atividade do íon hidrogênio de 100 e que é mantida saturada com hidrogênio à pressão de 100 atm Ao seu potencial é atribuído o valor 0000 V a qual quer temperatura Padronização Determinação da concentração de uma solução por calibração direta ou indiretamente com um padrão primário Materiais padrão de referência MPRs Amostras de diversos materiais para os quais as concentrações de uma ou mais espécies são conhecidas com exatidão muito alta Solução padrão Uma solução na qual a concentração de um soluto é conhecida com grande confiabilidade Métodos estáticos Métodos baseados na observação dos sis temas em equilíbrio compare com métodos cinéticos Fase estacionária Em cromatografia referese a um sólido ou um líquido imobilizado no qual os analitos são distribuídos durante a passagem da fase móvel Termo de transferência de massa de fase estacionária CSu Medida da razão com a qual a molécula do analito entra e é liberada de uma fase estacionária Controle estatístico Condição na qual estimase que o desempenho de um produto ou serviço esteja dentro de valores estabelecidos para assegurar sua qualidade são definidos pelos limites de controle inferior e superior Amostra estatística Um conjunto finito de medidas retira do de uma população de dados freqüentemente de um número infinito de possíveis medidas Aproximação do estado estacionário Suposição de que a concentração de um intermediário em uma reação com múlti plas etapas permanece essencialmente constante com o tempo Estribo Ligação entre o braço e o prato ou pratos em uma balança analítica mecânica Convenção de Estocolmo Conjunto de convenções rela cionadas às células eletroquímicas e seus potenciais também é conhecida como a Convenção da IUPAC Estequiometria Referese às razões de combinação entre quantidades molares de espécies envolvidas em uma reação química Deslocamentos Stokes Diferenças nos comprimentos de onda da radiação incidente e emitida ou espalhada Injeção em fluxo interrompido Em cromatografia líquida de alta eficiência corresponde à introdução da amostra na cabeça da coluna enquanto a vazão do solvente é temporaria mente descontinuada Mistura em fluxo interrompido Técnica na qual os reagentes são misturados rapidamente e o curso da reação é monitorado a partir do momento no qual o fluxo foi interrompido Radiação espúria Radiação de comprimento de onda dife rente daquele selecionado para a medida óptica Ácidos fortes e bases fortes Ácidos e bases que são com pletamente dissociados em um dado solvente Eletrólitos fortes Solutos que são completamente dissocia dos em íons em um determinado solvente Teste t de student Ver teste t Substrato 1 Substância sobre a qual geralmente a enzima atua 2 Sólido no qual são realizadas modificações na superfície Aproximações sucessivas Procedimento para resolução de equações de ordens superiores por meio do uso de aproxi mações intermediárias da quantia estimada Separação por sulfeto Uso de precipitações com sulfeto para separar cátions Grupo ácido sulfônico RSO3H Fluido supercrítico Substância que é mantida acima de sua temperatura crítica suas propriedades são intermediárias entre aquelas do líquido e as do gás G18 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON A48 FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA EDITORA THOMSON forma que não pode ser condensada na forma líqui da independentemente de quão alta seja a pressão c Na cromatografia de camada delgada bidimensio nal o desenvolvimento é realizado com dois solventes que são aplicados sucessivamente em ângulos retos um ao outro e A concentração crítica micelar é o nível acima do qual as moléculas de tensoativos começam a for mar agregados esféricos constituídos por 40 a 100 íons com suas caudas de hidrocarbonetos voltadas para o interior do agregado e suas cargas terminais expostas à água do lado externo 333 As propriedades do fluido supercrítico importantes na cromatografia incluem sua densidade viscosidade e as velocidades com as quais os solutos nele se difundem A grandeza de cada uma dessas propriedades situase entre aquelas de um gás típico e um líquido típico 335 A pressão aumenta a densidade do fluido supercrítico que altera os fatores de retenção k dos analitos Geral mente aumentos na pressão resultam na diminuição dos tempos de retenção dos solutos 337 Sua habilidade em dissolver moléculas não voláteis grandes tais como nalcanos e hidrocarbonetos aromá ticos policíclicos 339 a Um aumento na vazão resulta na diminuição do tempo de retenção b Um aumento na pressão resulta em uma diminui ção no tempo de retenção c Um aumento na temperatura resulta em uma dimi nuição na densidade de fluidos supercríticos e por tanto aumenta o tempo de retenção 3311 O fluxo eletrosmótico pode ser suprimido pela redução das cargas no interior do capilar por meio de tratamen to químico da sua superfície 3313 Sob a influência de um campo elétrico íons móveis na solução são atraídos ou repelidos pelo potencial negati vo de um dos eletrodos A velocidade da movimentação em direção a ou em direção oposta ao eletrodo negativo é dependente da carga líquida do analito e do tamanho e forma das suas moléculas Essas propriedades variam de espécie a espécie Conseqüentemente a velocidade na qual as moléculas migram sob a influência do campo elétrico varia e o tempo que levam para atravessar o capilar também varia tornando possível as separações 3315 39 min 3317 Maiores eficiências da coluna e a facilidade com que a fase pseudoestacionária pode ser modificada 3319 Tamanho da partícula e massa Capítulo 35 351 Amostragem inválida perda de amostra durante a pesa gem ou dissolução contaminação por impurezas nos reagentes e alterações na composição devido a variação do teor de umidade 352 a A água de absorção é a que se mantém como uma fase líquida condensada nos capilares de um colói de A água adsorvida é aquela retida na superfície de um sólido finamente granulado A água de oclu são é a que se mantém nas cavidades internas dis tribuídas irregularmente em um sólido cristalino c A água essencial é aquela quimicamente ligada que ocorre como uma parte integral da estrutura mole cular ou cristalina de um composto em seu estado sólido A água nãoessencial é aquela retida por um sólido como conseqüência de forças físicas 354 Perdas de componentes voláteis como resultado do aquecimento reações com a atmosfera alterações no teor de água perdas como poeira e contaminação devi do ao desgaste mecânico e abrasão da superfície dos moinhos Capítulo 36 361 A mineralização a seco é produzida pela ignição da amostra ao ar ou às vezes em oxigênio A mineraliza ção via úmida é feita pelo aquecimento da amostra em um meio aquoso contendo agentes oxidantes tais como H2SO4 HClO4 HNO3 H2O2 ou uma combinação deles 363 B2O3 ou CaCO3NH4Cl 365 Quando o HClO4 concentrado entra em contato com materiais orgânicos ou outras substâncias oxidáveis as explosões são muito prováveis 366 a As amostras para a determinação de halogênios podem ser decompostas em um frasco de combus tão de Schöniger queimadas em um forno tubular sob corrente de oxigênio ou fundidas em uma bomba de peróxido c As amostras para a determinação de nitrogênio são decompostas em H2SO4 concentrado a quente em um frasco de Kjeldahl ou oxidadas por CuO em um forno tubular no método de Dumas