QFL QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL

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1 QFL QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL BIBLIOGRAFIA (Teoria e Laboratório) Em língua portuguesa: 1. SKOOG, D.A.; WEST, D.M.; HOLLER, F.J.; CROUCH, S.R.; Fundamentos de Química Analítica, 8 a ed., Thomson, São Paulo, SKOOG, D.A.; HOLLER, F.J.; NIEMAN, T.A; Princípios de Análise Instrumental, 5 a ed., Bookman, São Paulo, HARRIS, D.C.; Análise Química Quantitativa, 6 a ed., Livros Técnicos e Científicos, Rio de Janeiro, WILLARD, H.; MERRITT, L.; DEAN, J.; Análise Instrumental, Fund. Gulbenkian, Lisboa, OHLWEILLER, O.A.; Fundamentos de Análise Instrumental, Livros Técnicos e Científicos, São Paulo, VOGEL, A.I.; Análise Inorgânica Quantitativa, Guanabara Dois, Rio de Janeiro, EWING, G.W.; Métodos Instrumentais de Análise Química, Blücher, São Paulo. 8. COLLINS, C.H.; BRAGA, G.L., Introdução aos Métodos Cromatográficos, 2 a ed., Edit. UNICAMP, Campinas, LANÇAS, F.M., Cromatografia em Fase Gasosa, Acta, São Carlos, Em língua inglesa: 10. SKOOG, D.A.; HOLLER, F.J.; NIEMAN, T.A.; Pinciples of Instrumental Analysis, 5 a ed., Harcourt Brace, 1998; 11. SKOOG, D.A.; WEST, D.M.; HOLLER, F.J.; Fundamentals of Analytical Chemistry, 6 a ed., Saunders, Philadelphia, SKOOG, D.A.; WEST, D.M.; HOLLER, F.J.; Analytical Chemistry, an Introduction, 6 a ed., Saunders, Philadelphia, HARRIS, D.C.; Quantitative Chemical Analysis, 4 a ed., Freeman, New York, KELLNER, R.; MERMET, J.M.; OTTO, M.; WIDMER, H.M.; Analytical Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, CHRISTIAN, G.D.; O'REILLY, J.E.; Instrumental Analysis, 2 a ed., Allyn & Bacon, Boston, SEWELL, P.A; CLARKE, B.; Chromatographic Separations, Wiley, Chichester, 1987 (Analytical Chemistry by Open Learning). 17. SNYDER, L.R.; KIRKLAND, J.J.; Introduction to Modern Liquid Chromatography, 2 a ed., John Wiley, NY, Tratamento mais aprofundado: 18. WILSON, C.L.; WILSON,D.W.; SVEHLA, G. (editores); Comprehensive Analytical Chemistry, Van Nostrand, New York, ROSSITER, B.W.; HAMILTON, E.J.F. (editores); Physical Methods of Chemistry, 2 a ed., John Willey, New York, RUZICKA, J.; HANSEN, E.H.; Flow Injection Analysis, 2 a ed., John Willey, New York, SMITH, R.M.; Gas and Liquid Chromatography in Analytical Chemistry, Wiley, New York,

2 ROTEIROS PARA OS EXPERIMENTOS DO 1 o CICLO ESPECTROFOTOMETRIA HARRIS (Cap ); SKOOG (Princípios de Análise Instrumental, Cap. 13 e 14); OHLWEILER (vol. 3); EWING (cap. 2, 3 e 5); KELLNER (cap. 9.1) Tópicos Importantes: 1. Absorção de radiação eletromagnética (UV-vis) pelas soluções. 2. Relação entre absorbância e concentração: Lei de Beer. 3. Uso de soluções de referência e brancos analíticos. 4. Absorção em diferentes comprimentos de onda: espectros de absorção. 5. Esquema fundamental dos fotômetros e espectrofotômetros. 6. Escolha do comprimento de onda de trabalho a partir do conhecimento do espectro de absorção. Instruções Gerais: 1. Inteirar-se do funcionamento dos espectrofotômetros antes de operá-los. 2. Os aparelhos não devem sofrer choques mecânicos, pois há risco de se danificar seus monocromadores. 3. As cubetas devem ser manuseadas com cuidado evitando-se que sejam riscadas; para sua limpeza não devem ser usadas escovas ou agentes de limpeza abrasivos; caso não estejam secas no momento de serem usadas devem ser lavadas com pequenas porções da solução em análise; antes de encaixar as cubetas em seu suporte suas faces polidas devem ser limpas com papel macio e absorvente. Determinação de Fe(III) em extrato ácido de solo A. Extrato em ácido clorídrico Para a extração de Fe(III) de um solo, pese em balança analítica cerca de 1 g de solo e transfira para um becker. Adicione 40 ml de HCl 0,1 mol/l e mantenha sob agitação por cerca de 30 min. Filtre diretamente em um balão volumétrico de 50 ml para obter uma solução límpida e complete o volume com a mesma solução ácida usada na extração. B. Método do tiocianato A partir de uma solução estoque de Fe(III) com concentração 50 mg/l em meio de HCl 0,1 mol/l prepare, por diluição adequada, soluções com concentrações 1,0; 2,0; 4,0; 6,0; 8,0 e 10,0 mg/l de Fe(III) em balões volumétricos de 50 ml. Em cada balão, adicione 5 ml de HCl 1 mol/l antes de acertar o menisco com água destilada. Pipete 10 ml de cada solução de Fe(III) diluída para tubos de ensaio secos e numerados. Acrescente 1 ml da solução de HCl 1 mol/l e 1 ml da solução de tiocianato de potássio (KSCN) 2 mol/l a cada um dos tubos, que devem ser agitados para promover a homogeneização. Prepare um branco constituído por 10 ml de HCl 0,1 mol/l, 1 ml de HCl 1 mol/l e 1 ml de KSCN 2 mol/l. Nas medidas espectrofotométricas, use água como referência. Obtenha o espectro de absorção do complexo de [Fe(SCN) 6] 3- utilizando a solução preparada com a solução de Fe(III) 6,0 mg/l e identifique o comprimento de onda de máxima absorção. No comprimento de onda de máxima absorção, determine a absorbância para as outras soluções e construa o gráfico de Absorbância x concentração de Fe(III). Estime o coeficiente de absortividade molar. Transfira duas porções de 10 ml do extrato clorídrico de solo para tubos identificados, acrescente 1 ml de HCl 1 mol/l e 1 ml da solução de tiocianato de potássio (KSCN) 2 mol/l. Medir a absorbância no comprimento de onda de máxima absorção. Se a absorbância for maior do que a observada empregando-se a solução de Fe(III) 10 mg/l faça uma diluição adequada da amostra. Questões 1. Descrever as diferenças entre os seguintes itens e listar as vantagens particulares de um sobre outro: a. Filtros e monocromadores como seletores de comprimento de onda; b. Espectrofotômetros e fotômetros; c. Obtenção de espectros de absorção com espectrofotômetros monocanal e multicanal. 2

3 2. Esboçar o diagrama de blocos do espectrofotômetro empregado e explicar, sucintamente, a função de cada componente. Quais componentes teriam que ser alterados para medidas na região do ultravioleta? 3. Considerando os dados obtidos, esboçar num mesmo gráfico a dependência da absorbância e da transmitância com a concentração para um sistema que segue a Lei de Beer. Estimar o coeficiente de absortividade molar dos complexos. 4. Calcular a concentração de Fe(III) extraída solo expressando o resultado em mg/kg. 5. Discuta possíveis interferências que podem ocorrer com o procedimento analítico adotado. 6. Compare os resultados com os obtidos pelos outros grupos. Foram observadas diferenças significativas entre os resultados ao nível de confiança de 95%? SKOOG (Princípios de Análise Instrumental, Cap. 15) FLUORIMETRIA OBSERVAÇÃO: Trazer 2 latinhas de água tônica de marcas diferentes. Determinação de Sulfato de Quinino na "Água Tônica" Instruções Gerais: 1. Ligar o fluorímetro Turner e a lâmpada, deixando aquecer por quinze minutos. 2. Preparar por diluição da solução estoque de sulfato de quinino 2,0 mg/l em 0,2 mol/l de H 2SO 4, soluções de referência contendo 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 e 0,8 mg/l de sulfato de quinino. Essas diluições devem ser feitas em balões de 10 ml e os volumes devem ser completados com solução 0,2 mol/l de H 2SO 4. Preparar também duas soluções 0,8 mg/l de sulfato de quinino, completando o volume com NaOH ou HCl 0,4 mol/l e uma solução com a mesma concentração do analito em meio contendo K 3[Fe(CN) 6] 2 x 10-4 mol/l (em H 2SO 4 0,2 mol/l). 3. Escolha dos filtros: os filtros primários são NB 360, 440, 490 e 540 e os filtros secundários são SC 415, 430, 515, 535, 585, 665. Escolha um filtro primário e dois secundários para a análise de sulfato de quinino, pela observação dos espectros dos filtros e do composto (máximos de excitação em λ exc = 250 nm ou 350 nm e de emissão em λ em = 440 nm) e pelo sinal de fluorescência obtido com cada filtro. 4. Posicionar no aparelho o filtro primário e um dos filtros secundários escolhidos; ajustar o zero com a solução branco (H 2SO 4 0,2 mol/l) e, com a solução de sulfato de quinino mais concentrada (0,8 mg/l) na cela de medida, acertar a escala em aproximadamente 100. Feito isto, medir a fluorescência das soluções 0,2; 0,4 e 0,6 mg/l. Repetir essas medidas após trocar o filtro secundário. Escolha o conjunto de filtros mais adequado para a determinação de quinino. Avaliar também a magnitude do sinal na ausência do filtro primário. 5. Com o aparelho equipado com os filtros mais adequados, acertar o zero usando a solução do branco (H 2SO 4) e o 100 com a solução mais concentrada de quinino. Em seguida, medir a intensidade de fluorescência das demais soluções de referência em H 2SO 4 e das soluções preparadas em HCl, NaOH e em meio contendo K 3[Fe(CN) 6] 2 x 10-4 mol/l. 6. Com os dados obtidos, construir a curva analítica com as unidades arbitrárias de fluorescência na ordenada e as concentrações das soluções de referência na abscissa. 7. Transferir uma quantidade da amostra de "água tônica" para um béquer e manter em banho com ultrassom por min. Em seguida, pipetar 1 ml para um balão de 100 ml, completar o volume do balão com solução 0,2 mol/l de H 2SO 4 e homogeneizar. 8. Com essa solução fazer leituras de fluorescência, em triplicata, usando o mesmo par de filtros utilizado para construir a curva analítica. Calcular a concentração de sulfato de quinino na "água tônica" em g/l. Questões 1. Esboce o diagrama de blocos do equipamento empregado destacando os principais componentes. Qual a principal diferença entre fluorímetros e espectrofluorímetros? 2. Qual é a posição mais favorável do detector do fluorímetro em relação à fonte de excitação? Por quê? 3. Qual a função dos filtros primário e secundário? Como são escolhidos? Explique. 4. Por qual motivo a amostra foi submetida a um banho de ultrassom e por que este motivo é importante? 3

4 5. Por que a amostra de água tônica teve que ser diluída com solução de H 2SO 4? A curva analítica poderia ter sido construída com soluções de referência mais concentradas? 6. Indique os cálculos da concentração de quinino nas amostras. Compare com os resultados obtidos pelos outros grupos e com o valor rotulado, se houver. 7. Cite pelo menos 2 causas de interferência que podem ocorrer em um procedimento para a determinação direta de quinino em amostras de urina por fluorimetria? ESPECTROFOTOMETRIA DE ABSORÇÃO ATÔMICA EWING (capítulo 8); HARRIS (cap. 22); SKOOG (Fundamentals, 7 a edição, cap. 26 ou Princípios, 5 a ed., Cap.9); KELLNER (cap. 8.2). J. Chem. Educ, 73(10), 1996, 982. OBSERVAÇÃO: Trazer amostra de aguardente (350 ml). Introdução Átomos no estado gasoso podem absorver energia sob a forma de radiação eletromagnética, resultando em transições eletrônicas (rearranjo dos elétrons que são promovidos a orbitais eletrônicos desocupados). Quando o átomo apresenta a distribuição eletrônica de menor energia diz-se que ele está no estado fundamental. Após interagir com a radiação eletromagnética e absorver parte dela, o átomo armazena essa energia adicional promovendo os elétrons de valência a orbitais eletrônicos vazios e diz-se que ele está num estado eletronicamente excitado. Os átomos excitados não são muito estáveis e, rapidamente, ocorre a perda da energia adicional e o retorno ao estado fundamental. A determinação espectroscópica de espécies atômicas é realizada em meio gasoso no qual os átomos individuais (e, algumas vezes, íons elementares como Fe +, Mg + ou Al + ) estão bem separados uns dos outros. Consequentemente, a primeira etapa em todos os procedimentos envolvendo espectrometria atômica é a atomização, um processo no qual a amostra (solução aquosa) é volatilizada e decomposta de maneira a produzir átomos no estado gasoso. No caso desse experimento, uma chama ar/acetileno será empregada para a atomização. A atenuação do feixe de radiação pela nuvem atômica será empregada para a determinação da concentração do analito, com base na lei de Beer. O diagrama de blocos do instrumento a ser utilizado é apresentado a seguir: saída de dados amplificador rede monocromador fonte lâmpada chama combustível nebulizador oxidante Determinação de Íons Cobre(II) amostra Obtenção da curva analítica em meio aquoso, a partir de soluções de referência 2, 4, 6, 8 e 10 mg/l, preparadas por diluição de uma solução estoque de 100 mg/l de Cu(II), em balões de 50 ml. 4

5 Determinação da concentração de cobre na aguardente pelo método das adições de padrão. Em 5 balões de 50 ml pipetam-se 25 ml da amostra. Antes de completar o volume com água, adicionam-se volumes apropriados de solução estoque 100 mg/l de Cu(II) para que a quantidade desse analito adicionada aos balões seja de 0, 2, 4, 6 e 8 mg/l. Repita o mesmo procedimento anterior, dessa vez pipetando-se 40 ml da amotra. Efetuar as leituras de absorbância das soluções de Cu(II) preparadas em água. Fazer a leitura da água destilada, utilizada para a preparação das soluções de referência, como branco da calibração. Após a calibração do aparelho, efetuar as leituras de absorbância da solução de aguardente preparada sem adição de analito e de uma solução de amostra de liga metálica (material de referência). Efetuar também 10 medidas para a solução-branco para a estimativa do limite de detecção. Em seguida efetuar as leituras de absorbância das soluções preparadas pelo método das adições de padrão. Comparar as inclinações das curvas analíticas obtidas e os resultados da determinação de Cu na amostra de aguardente. Medir as taxas de aspiração para água e para uma amostra de aguardente. Questões: 1. Explique a função dos principais componentes de um espectrofotômetro de absorção atômica. Quais dispositivos são empregados no equipamento utilizado? 2. Quais ajustes instrumentais são necessários para a determinação de um elemento por FAAS? 3. Construa gráficos de absorbância (A) versus concentração (para as soluções aquosas e aquoetanólicas). Calcule a concentração de Cu(II) na amostra de aguardente (lembrar da diluição), expressando-a em mg/l, com a estimativa do desvio das medidas. 4. Calcule a porcentagem de cobre na liga metálica e compare com o valor certificado. Existem diferenças significativas ao nível de confiança da 95% (aplicar o teste t Student)? 5. Estime o limite de detecção para a determinação de cobre em amostras aquosas ao nível de confiança de 99,7%. 6. Proponha um procedimento instrumental alternativo para a determinação de cobre em aguardente. 7. Discuta a diferença nos coeficientes angulares das duas retas obtidas (meio aquoso e aquo-etanólico). Por que o procedimento de adições de padrão deve ser empregado? 8. Compare os resultados obtidos com os relatados no artigo J. Chem. Educ., 73(10), 1996, 982. FOTOMETRIA DE CHAMA SKOOG (Princípios, 5 a ed., Cap. 10), OHLWEILLER, VOGEL, EWING. Instruções Gerais: Para realização do experimento, com uso dos equipamentos disponíveis no laboratório (Digimed - modelos NK-2004 e DM-61), devem-se seguir corretamente as instruções, no respectivo manual, dadas pelo fabricante. Determinação simultânea de sódio e potássio em sal light e potássio em fertilizante 1. Preparo das soluções de referência Preparar, a partir de diluições das soluções estoque de 100 mg/l, soluções de referência contendo 0, 2, 4, 8 e 10 mg/l de Na + e K +. O volume final da solução deverá ser 50 ml. Após a preparação das soluções, fazer a calibração adequada do instrumento, de acordo com as instruções do manual. Determinar, sucessivamente, as intensidades de emissão do sódio e potássio nas soluções de referência. As retas de calibração podem ser obtidas a partir da intensidade de emissão (unidade arbitrária) pela concentração ou diretamente acertando o 0% e o 100% de emissão, conforme instruções dadas pelo supervisor do experimento. 2. Determinação de Na + e K + no sal light Pesar cerca de 0,1 g da amostra e transferir para um copo de béquer, previamente limpo. Dissolver e diluir para 50 ml com água destilada. Caso tenha dificuldade na dissolução, manter o frasco de béquer em um banho com ultrassom por alguns minutos. Em seguida fazer uma diluição de 100 vezes e, após 5

6 homogeneização, usar essa solução para leitura de sódio e potássio no instrumento. Preparar pelo menos duas soluções da amostra. 3. Determinação de K + em fertilizante Com um almofariz e pistilho proceder a moagem de uma pastilha de fertilizante. Após completa homogeneização pesar cerca de 0,2 g da amostra em um copo de béquer, previamente limpo, dissolver e diluir para 50 ml com água destilada. Antes da diluição, manter o frasco de béquer em um banho com ultrassom por alguns minutos. Não é necessário filtração da solução. Em seguida fazer uma diluição de 100 vezes e, após homogeneização, usar essa solução para leitura de potássio no instrumento. Preparar pelo menos duas soluções da amostra. Questões 1. Explique brevemente o princípio de funcionamento de um fotômetro de chama com base em seus componentes principais. 2. Considerando a equação de Boltzmann, descreva qualitativamente o que ocorre com uma curva de calibração caso haja oscilações na temperatura da chama do fotômetro durante a sua confecção. (N*/N 0) = Z. e - ( E/kT) N * e N 0: número de átomos no estado excitado e fundamental respectivamente. E: diferença de energia entre o estado fundamental e excitado (joules) k: constante de Boltzmann (1, joules/kelvin) T: temperatura da chama (Kelvin) Z: constante dependente do elemento. 3. Considerando que a temperatura se mantenha constante durante a obtenção da curva de calibração, porém seja alterada durante a leitura das amostras, responda como essa alteração influencia no resultado da concentração do analito nos casos em que a temperatura é maior e menor. 4. Supondo que a concentração de potássio presente na amostra seja muito maior que a de sódio, responda: a) É possível que a concentração de potássio esteja interferindo na determinação de sódio? Como? b) Em caso afirmativo da questão anterior, sugira um procedimento para minimizar possíveis erros de interferência da matriz. 5. A fotometria de chama está sugeita a interferência física de transporte? Justifique. 6. Calcular as porcentagens de sódio e potássio na amostra de sal light e de potássio na amostra de fertilizante. Nesse último caso, expressar os valores em % de K 2O. 6