Centro Universitário Padre Anchieta

Transcrição

1 1) Quais as diferenças principais de um espectrofotômetro no infravermelho dispersivo em relação com transformada de Fourier? (Skoog, FQA, pg.732). 2) O que é um interferômetro de Michelson? Descreva o seu funcionamento. (Skoog, FQA, pg.734). Resposta: A Figura abaixo apresenta o esquema de um interferômetro típico, tipo Michelson. A radiação, proveniente da fonte F, atinge o detector D, após percorrer o caminho óptico indicado.

2 Esquema de um interferômetro de Michelson. Para propiciar tal percurso, uma lâmina fina, de faces paralelas, denominada divisor de feixe ( beam-splitter ), DF, é colocada num ângulo de 45 em relação aos espelhos E F e E M, respectivamente, espelho fixo e espelho móvel. O material com que é fabricado e a espessura do divisor de feixe, DF, são escolhidos de modo que seu poder de transmissão seja sensivelmente igual ao de reflexão na região de interesse, no infravermelho. Assim, o feixe proveniente da fonte é dividido em dois: F F e F M que têm aproximadamente a mesma intensidade. De acordo com o esquema da Figura acima, o feixe F F é refletido pelo espelho E F, e o feixe F M pelo espelho E M. Um dispositivo permite conhecer a distância x/2 deste plano, relativamente ao plano O, simétrico ao espelho E F em relação ao divisor do feixe. Após as reflexões nos espelhos E F e E M, os feixes F F e F M são recombinados no divisor de feixe, dando origem a um interferograma, como o representado na Figura abaixo.

3 Inteferograma No interferograma, a interferência construtiva (máximo) corresponde a uma situação na qual os caminhos ópticos dos feixes F F e F M são idênticos (em fase). A interferência destrutiva, por outro lado, se apresenta quando os feixes estão fora de fase. 3) O que significa vantagem Jaquinot? (Alves, O. L., LQES-1) A vantagem Jaquinot está relacionada ao incremento da energia de saída óptica, proveniente do uso do interferômetro. Contrariamente aos instrumentos convencionais, nos quais os elementos dispersivos e fendas definiam a resolução e a quantidade de energia que chegava ao detector, nos instrumentos interferométricos a "energia de saída" é limitada pelo tamanho dos espelhos e da abertura, sendo esta última responsável pela resolução. Assim, tal incremento pode ser da ordem de 100 a 200 vezes maior que no sistema dispersivo. É importante salientar que a área do feixe num instrumento com transformada de Fourier é vezes maior que a largura das fendas nos sistemas dispersivos. São decorrentes da Vantagem Jaquinot: possibilidade de se obter espectros de substâncias altamente absorventes; amostras espessas; utilização de acessórios que possuam longos caminhos ópticos, como criostatos ou celas de gases com multi-passagem, ou,

4 ainda, que reduzam drasticamente a energia de saída, a exemplo da técnica de refletância difusa (DRIFT). A região de baixos números de onda (< 200 cm -1 ) merece comentário destacado. Era conhecido que a obtenção de espectros utilizando-se instrumentos dispersivos era extremamente penosa. Isso decorria do fato das fontes apresentarem baixa intensidade nessa região espectral, havendo necessidade de se aumentar o ganho do detector, uma vez que, por razões óbvias, não se podia aumentar a largura das fendas. O preço pago, então, era um aumento muito grande do ruído, e, geralmente, uma linha de base muito irregular. A Vantagem Jaquinot, também nesse caso, se mostra extremamente importante, sendo uma vantagem adicional de sensibilidade. 4) O que significa vantagem vantagem Felgett ou Multiplex? (Alves, O. L., LQES-1) A Vantagem Felgett tem a ver com o fato de todos os números de onda, ṽ,chegarem ao detector ao mesmo tempo, durante cada varredura. Esta situação faz com que a Vantagem Felgett seja considerada sob dois aspectos: velocidade da realização da varredura e sensibilidade. Com relação ao primeiro aspecto, as velocidades do espelho móvel, E M (figura da resposta 2), permitem obter tempos de varredura da ordem de 0,2 s, para um espectro completo. Para efeito comparativo, consideraremos os seguintes dados: na obtenção de um espectro com a mesma sensibilidade, isto é, considerando-se a mesma relação sinal-ruído, S/R, de um espectro obtido em 1 s num instrumento interferométrico, gastar-se-ia de 10 a 15 minutos num instrumento dispersivo. Isto indica claramente a possibilidade de utilização da técnica de transformada de Fourier no estudo de fenômenos com tal dependência temporal, dentre eles, cinética rápida de reações químicas ou fotoquímicas. Ainda sob tal aspecto é importante salientar que os espectrofotômetros dispersivos, quando usados em estudos de cinética mediam, a cada instante, apenas uma única banda espectral estreita e perdiam tempo precioso na operação de varredura, o que praticamente os tornava inaptos para recolher a maior parte das informações provenientes de um fenômeno de curta duração. O segundo aspecto da Vantagem Felgett, ou seja, a sensibilidade, está relacionado ao fato do tempo de aquisição de dados em cada varredura ser pequeno. Assim, as

5 medidas podem ser repetidas e adicionadas coerentemente. Tal situação acarreta um aumento da sensibilidade que, por sua vez, liga-se à relação sinal/ruído, S/R. Para um melhor entendimento do que foi dito são necessárias, ainda, algumas considerações. A relação S/R é uma quantidade importante na espectroscopia infravermelho, e pode ser entendida como a razão entre a intensidade do feixe de medida e o ruído. É evidente que, para valores grandes (quando o sinal é várias ordens de magnitude maior que o ruído) nenhuma dificuldade é encontrada na medida espectral. Os problemas aparecem quando a intensidade de sinal diminui, sendo que, no caso dos instrumentos dispersivos tal diminuição era simplesmente dramática, principalmente quando o sinal tendia a se aproximar do nível de ruído. Nestes instrumentos, ou seja nos dispersivos, cada elemento de resolução, isto é, cada ponto do espectro era detectado e medido por um tempo T/N, onde T é o tempo total de varredura e N o número total de elementos de resolução da varredura. O sinal para cada elemento de resolução era, portanto, proporcional à T/N. Uma delas é que, sendo o sinal S uma quantidade constante e, o ruído R, aleatório, a adição coerente dos espectros faz com que haja um decréscimo do ruído R, enquanto o sinal S permanece constante, ocasionando portanto um aumento da relação S/R. Graças a isso, sinais de pequena intensidade podem ser observados pela diminuição do ruído a níveis satisfatórios. Outra conclusão a que se chega: correspondente a uma varredura; 16 varreduras acarretarão uma sensibilidade 2 vezes maior que 4 varreduras e, assim por diante. Tais resultados mostram o aumento da sensibilidade em função de N varreduras, o que tem implicações diretas sobre a quantidade de amostra capaz de ser detectada pela técnica interferométrica. 5) O que significa Vantagem Connes? (Alves, O. L., LQES-1) Resposta: A vantagem Connes está associada a calibração e o alinhamento dos instrumentos interferométricos é feita automaticamente, através de um laser de He- Ne. Assim, a função do laser é monitorar a posição do espelho móvel, durante a varredura. A invariança do padrão de interferência onda cosenoidal, de número de onda conhecido é, portanto, usada como calibração interna para a escala espectral de número de onda. Esta calibração apresenta grande precisão e exatidão, podendo

6 ser da ordem de 0,01 cm -1. Tal aspecto é de suma importância pois, mesmo em situação de rotina, é comum a realização de comparações de espectros via operações de subtração. Deve-se ressaltar, também, que a escala de número de onda num sistema interferométrico, dado ser internamente calibrada, não está sujeita a variações provenientes da temperatura e umidade, como ocorre nos sistemas dispersivos. 6) Quais as diferenças existentes nas janelas de espectroscopia no infravermelho? Quais os cuidados principais que devem ser seguidos? (Alves, O. L., LQES-2) Nos espectros obtidos no modo transmissão ou absorção, o feixe infravermelho atravessa os seguintes elementos, na sequência: uma primeira janela, a região onde se encontra o material que está sendo analisado e uma segunda janela, antes de atingir o detector. Este é um arranjo comum para sólidos, líquidos e gases, guardadas suas especificidades. Tais janelas, em função do material de que são fabricadas, delimitam a região espectral de uso, ou seja, a região onde diferentes materiais não absorvem a radiação infravermelho. Dependendo das características das amostras sob análise, e também da região espectral de interesse, podem ser usados vários tipos de janela. Na Tabela abaixo é apresentada uma lista dos tipos mais comuns, utilizados na região espectral de número de onda de cm-1, como também características adicionais sobre suas propriedades e preços. De modo geral, a disponibilidade de janelas de NaCl e KBr é suficiente para a maioria dos trabalhos. Tais janelas permitem, respectivamente, trabalhar na faixa de número de onda de cm -1 e cm -1, faixa na qual a maioria dos grupamentos químicos absorve. Todavia, se for necessário obter informações sobre vibrações que envolvem átomos pesados (Bromo, Telúrio, Bismuto, Mercúrio, etc.), sistemas com ligações fracas (tais como metal-ligante em complexos de coordenação) e modos externos de vibração (fônons) tem-se que trabalhar com números de onda menores, abaixo de 400 cm -1. Em tais casos, utilizam-se janelas de CsI (até 200 cm -1 ) ou TPX (polímero à base de tereftalato) ou Polietileno, até cerca de 50 cm -1.

7 As janelas normalmente são guardadas em suas próprias embalagens (pequenas latas de metal contendo dissecante) e, posteriormente, acondicionadas em dissecadores com sílica gel contendo íons cobalto, como indicador de saturação com H2O. Tais tipos de cuidados são suficientes para estocar as janelas quando não estão em uso. No caso das janelas de AgCl e AgBr, além dos cuidados mencionados, as mesmas devem ser, no máximo possível, resguardadas do contato com a luz ultra-violeta, dado que ficam enegrecidas quando entram em contato com tal radiação.

8 7) Quais as vantagens de usar Nujol ao preparo das amostras de espectroscopia no infravermelho e quais os cuidados necessários? (Alves, O. L., LQES-3) A técnica de dispersão em óleos (Nujol e Fluorolube) é muito usada na identificação de amostras sólidas, orgânicas e inorgânicas. É importante que sejam bem conhecidas as regiões nas quais os diferentes dispersantes absorvem, afim de se evitar erros de interpretação quanto a presença ou não dos diferentes grupos funcionais. Deve-se ainda ter em mente que a técnica de dispersão em óleos é praticamente destrutiva, ou seja: existem poucas possibilidades de que a amostra possa ser recuperada pura para ser analisada por outras técnicas. Assim, se a quantidade de amostra disponível é muito pequena, ou ainda se estamos trabalhando com uma substância de preço muito elevado, deve ser avaliada a pertinência do uso desta técnica, viz-à-viz, às outras possibilidades existentes para a obtenção de espectros de amostras sólidas. 8) Qual a grande vantagem em usar um espectrofotômetro no infravermelho? O que pode ser medido com esse equipamento? A espectroscopia de infravermelho (espectroscopia IV) é um tipo de espectroscopia de absorção a qual usa a região do infravermelho do espectro eletromagnético. Como as demais técnicas espectroscópicas, ela pode ser usada para identificar um composto ou investigar a composição de uma amostra. A espectroscopia no infravermelho se baseia no fato de que as ligações químicas das substâncias possuem frequências de vibração específicas, as quais correspondem a níveis de energia da molécula (chamados nesse caso de níveis vibracionais). Tais frequências dependem da forma da superfície de energia potencial da molécula, da geometria molecular, das massas dos átomos e eventualmente do acoplamento vibrônico. Se a molécula receber radiação eletromagnética com 'exatamente' a mesma energia de uma dessas vibrações, então a luz será absorvida desde que sejam atendidos a determinadas condições. Para que uma vibração apareça no espectro IV, a molécula precisa sofrer uma variação no seu momento dipolar durante essa vibração. As ligações podem vibrar de seis modos: estiramento simétrico, estiramento assimétrico, tesoura, torção (twist), balanço (wag) e rotação.

9 A fim de se fazer medidas em uma amostra, um feixe de radiação infravermelha passa pela amostra, e a quantidade de energia transmitida é registrada. Repetindose esta operação ao longo de uma faixa de comprimentos de onda de interesse (normalmente cm -1 ) um gráfico pode ser construído, com "número de onda" em cm -1 no eixo horizontal e transmitância em % no eixo vertical. Quando olhando para o gráfico de uma substância, um usuário experiente pode identificar informações dessa substância nele. Esta técnica trabalha quase que exclusivamente em ligações covalentes, e é de largo uso na Química, especialmente na Química orgânica. Gráficos bem resolvidos podem ser produzidos com amostras de uma única substância com elevada pureza. Contudo a técnica costuma ser usada para a identificação de misturas bem complexas. 9) A reação abaixo foi realizada e monitorada por análise espectroscópica no infravermelho. a) No espectro na região do infravermelho demonstre as principais bandas e consultando uma tabela de estiramento e deformações de ligações, descreva quais as bandas presentes (grupos funcionais ou ligações). Espectro 1: Possui uma banda intensa na região de 3300 cm -1 característica de banda de estiramento de alcino(c C-H). Na região de cm -1 há uma banda de intensidade média característico de deformação assimétrica de C-H de aromático. Em 2105 cm -1 há uma banda de característica da tripla de alcino (C C). Em 1450 cm -1 há uma banda característica de C=C de aromático. Espectro 2: Possui uma banda intensa na região de cm -1 há uma banda de intensidade média característico de deformação assimétrica de C-H de aromático. Em 1690 cm -1 há uma banda de característica de carbonila (C=O) de cetonas. Em cm -1 há bandas característica de C=C de aromático. Em 1370 cm -1 há uma banda de característica de deformação angular de CH3.

10 b) Dê o nome e a estrutura de todos os compostos envolvidos. Espectro 1: Estrutura C8H6 é correspondente a fenilacetileno. Espectro 2: Estrutura C8H8O é correspondente a Acetofenona c) Descreva quais foram os critérios para a escolha das estruturas/nomes dos compostos envolvidos. Espectro 1: Estrutura C8H6 é correspondente a fenilacetileno cm -1 banda intensa na região de alcino (C C-H); cm -1 banda de intensidade média C-H de aromático; 2105 cm -1 banda de alcino (C C) cm -1 banda característica de C=C de aromático. Espectro 2: Estrutura C8H8O é correspondente a Acetofenona cm -1 banda intensa na deformação assimétrica de C-H de aromático; 1690 cm -1 banda de característica de carbonila (C=O) de cetonas; cm -1 bandas característica de C=C de aromático; 1370 cm -1 banda de característica de deformação angular de CH3. d) Qual outra análise que você faria para certificar que a estrutura/ nome do composto apresentado no item b é correspondente. Descreva a característica importante nesta outra análise. Ressonância magnética nuclear de hidrogênio (RMN de 1 H) e Espectrometria de massas.

11 10) Qual a finalidade a análise por cromatografia? Por que hoje essa análise é amplamente empregada nos laboratórios de desenvolvimento e qualidade? A cromatografia (do grego χρώμα:chroma, cor e γραφειν:"grafein", grafia) é uma técnica quantitativa que tem por finalidade geral a identificação de substâncias e a separação-purificação de misturas. Usando propriedades como solubilidade, tamanho e massa, envolve uma série de processos de separação de misturas. A cromatografia acontece pela passagem de uma mistura através de duas fases: uma estacionária (fixa) e outra móvel. A grande variabilidade de combinações entre a fase

12 móvel e estacionária faz com que a cromatografia tenha uma série de técnicas diferenciadas. A cromatografia é uma poderosa ferramenta analítica para o controle de qualidade. Apresenta elevada exatidão nos resultados, permitindo a identificação e/ou a quantificação dos compostos presentes com confiabilidade. A cromatografia atua em várias áreas de atribuição do controle, como na determinação da porcentagem do princípio ativo, na quantificação das impurezas de um produto, na determinação da composição ou formulação de um produto, e também no estudo de estabilidade e degradação de um produto. Desta forma, o controle de qualidade se beneficia ao usar uma técnica que permite obter resultados em curto espaço de tempo (em geral, 1 a 20 minutos) e com alta precisão e exatidão. Outro ponto importante a se destacar é a praticidade de execução dessas análises, ajudadas também pelo avanço dos softwares que são utilizados nesses equipamentos. Entre as técnicas mais utilizadas estão a Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE) e a Cromatografia em Fase Gasosa (GC). A CLAE é uma técnica físico-química de separação de compostos em que a amostra é introduzida no equipamento através de um injetor. Os compostos dessa amostra são arrastados por uma fase móvel (solventes como metanol, acetonitrila, água e outros) e passam por uma fase chamada estacionária (colunas cromatográficas conhecidas como C18, C8 e outras). O objetivo é que os compostos de interesse sejam separados na coluna cromatográfica e cheguem a um detector que mede o sinal fornecido por cada composto. Este sinal é registrado em um gráfico (chamado cromatograma), em que as informações registradas podem revelar qual é o composto e a sua quantidade. Os componentes de um cromatógrafo líquido são: bomba, injetor, forno, coluna e todo o processo é realizado à alta pressão ( psi). A Cromatografia em Fase Gasosa (CG) é uma técnica físico-química de separação de compostos. O processo é semelhante à CLAE, porém, a fase móvel que arrasta os compostos da amostra é um gás (H2, He, N2 e outros). Os compostos também passam por uma coluna cromatográfica (empacotada ou capilar) e o objetivo é que haja a separação desses compostos para que o detector possa reconhecer o sinal de cada composto. Nesse processo também é produzido um cromatograma, e as

13 informações revelam o composto e sua quantidade. O equipamento CG é composto de um compartimento de injetor, forno para coluna e detector. A CLAE tem sido usada para determinação da porcentagem do produto ativo, na quantificação das impurezas de um produto, na determinação da composição ou formulação de um produto, e também no estudo de estabilidade e degradação de um produto. Em alguns casos, tem sido usada também para purificação de princípio ativo, área conhecida como cromatografia líquida preparativa. Outro campo de aplicação é quando usada como ferramenta analítica para descoberta de novos medicamentos ou estudos de bioequivalência. A CG em indústrias tem sido usada fundamentalmente para monitoramento de matérias-primas, avaliando o teor de impurezas orgânicas tóxicas e garantindo que os produtos finais estejam livres desses compostos. Vantagens e desvantagens A grande vantagem das técnicas cromatográficas está na capacidade de realizar separações e análises quantitativas de um grande número de compostos presentes em vários tipos de amostra, em uma escala de tempo relativamente pequena, com alta resolução, eficiência e sensibilidade. A única desvantagem da cromatografia gasosa é o fato de ser aplicável somente a amostras voláteis ou volatilizáveis. A Cromatografia Líquida de Alta Eficiência tem uma sensibilidade menor quando comparada à cromatografia gasosa. 12) Os seguintes dados foram obtidos para a cromatografia gás-líquido em uma coluna recheada de 40 cm: Calcular (a) o número médio de pratos a partir dos dados.

14 Nmch=16(10/0,76) 2 = NMCHE=16(10,9/0,82) 2 = NTol= 16(13,4/1,06) 2 = N médio = = 2551 (b) a altura média de prato da coluna. H = L N H = 40 cm 2551 = 0,015 cm (c) calcular a resolução para metilciclo-hexeno e metilciclo-hexano. R = 2[TRb TRa] Wa + Wb = 2[ ] 0,76 + 0,82 = 1,13 (d) calcular a resolução para metilciclo-hexeno e tolueno. R = 2[TRb TRa] Wa + Wb = 2[ ] 1,06 + 0,82 = 2,65 (e) calcular a resolução para metilciclo-hexano e tolueno. R = 2[TRb TRa] Wa + Wb = 2[ ] 1,06 + 0,76 = 3,73 Se a resolução de 1,5 for desejada na separação de metilciclo-hexano e metilciclohexeno (d) quantos pratos são necessários? R1 R2 = N1 N2 = 1,13 1,5 = 2270 = N2 = N2 (f) qual é o comprimento da coluna se o mesmo recheio for empregado? L = Nx H L = 3999 x 0,015 = 60 cm Ajuda extra: