Determinação de Sulfato por Nefelometria

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1 Determinação de Sulfato por Nefelometria Thiago C. Correra QBQ5825 Prática de Ensino de Química e Bioquímica 22 de junho de 2009

2 QBQ5825 Prática de Ensino de Química e Bioquímica 1 Introdução Esse relatório tem o objetivo de apresentar as atividades realizadas como monitor na disciplina QFL-3203 Analítica Instrumental, por ocasião da disciplina QBQ5825 Prática de Ensino de Química e Bioquímica. Além de tratar brevemente das atividades realizadas, será discutida também uma modificação nos experimentos didáticos realizados pelos alunos. Atividades realizadas A disciplina QFL-3203 Analítica Instrumental é uma disciplina tanto teórica quanto experimental, onde muitas técnicas são abordadas. A atividade principal realizada pelos monitores é, portanto, se responsabilizar por dois dos experimentos realizados. Nesse sentido, os monitores ficam responsáveis por testar os experimentos, preparar e apresentar o colóquio, corrigir os testes de laboratório e, caso desejar, propor pequenas mudanças na realização desses experimentos. Dos experimentos disponíveis, tanto a técnica de fluorimetria quanto de cromatografia gasosa foram de minha responsabilidade. Além do descrito acima, outras atividades, como avaliar seminários e auxiliar em duvidas e resolução de exercícios foram também realizadas. Por fim, foi proposta, além de mudanças menores nos roteiros dos experimentos, uma nova atividade para ser realizada em conjunto com o experimento de fluorimetria. Tal proposta, assim como sua motivação, é detalhada a seguir. Motivação O experimento de fluorimetria realizado atualmente consiste na determinação de quinino em água tônica. Apesar desse experimento ser bastante ilustrativo, ele é de fácil realização e, portanto, dura pouco menos de 2 horas, contando com o tempo utilizado no colóquio inicial. Como as aulas de laboratório, normalmente, duram 4 horas, acreditasse que este tempo possa ser usado de forma mais efetiva. Além disso, esse experimento se mostra pouco atraente aos alunos, principalmente pela amostra não representar elevada importância, além de não possuir valor de referência para comparação. Por este motivo, a fluorimetria foi escolhida como a técnica na qual deveriam ser focados os esforços para a proposta de um novo experimento. Além disso, como a própria natureza do fluorímetro utilizado faz com que os experimentos sejam extremamente rápidos, pensou-se não em substituir o experimento, e sim em adicionar um experimento ao já realizado, explorando tanto o tempo restante no laboratório, quanto outras características do equipamento, até então negligenciadas. Procurando na literatura[1] utilizações de fluorímetros no ensino de química, foi encontrada a utilização de métodos nefelométricos para determinar espalhamento de luz causados por colóides e sua quantificação. Desta forma, foi realizado o estudo da utilização do fluorímetro presente como um nefelômetro.

3 QBQ5825 Prática de Ensino de Química e Bioquímica 2 A amostra escolhida é outro fator que motiva este trabalho. O que se determina nesse experimento é a quantidade de sulfato em água. Esse método, conforme mostram os cálculos realizados, é capaz de determinar sulfato em fontes de interesse para a química ambiental, como em efluentes e em chuva ácida. Se lembrarmos que este curso é oferecido, entre outros, para estudantes de química ambiental, veremos o alto apelo que esse experimento teria, se adicionado ao quadro de técnicas. Cabe ressaltar que esse experimento, por ser também rápido, pode ser realizado em conjunto com o experimento de determinação de quinino por fluorimetria, sem causar perda de nenhum conteúdo para a disciplina, o que é um dos objetivos deste trabalho. Descrição do método O método utilizado foi adaptado da literatura[1], onde a fonte de radiação que se utiliza é um laser de He-Ne, e um fotodiodo como detector. Essa fonte, apesar de ser indicada para experimentos de espalhamento de luz, tanto por sua alta intensidade, quanto por ser monocromática, é muito dispendiosa, e além disso, não esta disponível em nossos laboratórios. Sendo assim, a própria fonte de radiação no visível do fluorímetro foi utilizada. Entretanto, apesar de existir a possibilidade de utilizar filtros primários que possibilitassem que a radiação escolhida fosse no vermelho (faixa de nm), o mais indicado para se realizar experimentos de espalhamento, não existe no laboratório nenhum par de filtros nesse intervalo. O único par de filtros de mesmo intervalo de comprimento de onda presente é o de 540 nm, ou seja, radiação correspondente ao verde. Outra pequena adaptação também foi realizada. Apesar dos filtros secundários serem mais transparentes a radiação, foram utilizados dois filtros primários, tanto para filtrar a radiação emitida pela fonte, quanto para filtrar a radiação que chega no detector. Esse procedimento é necessário, já que pelo fato do fluorímetro ter sido construído para medir pequenas intensidades de radiação, uma grande quantidade de luz espalhada satura o detector, e somente com um filtro menos transparente é possível trabalhar sem que esse problema ocorra. Para poder comparar os resultados aqui obtidos com o da literatura, o mesmo método de calibração proposto foi utilizado. O método consiste em preparar 5 soluções de concentração de sulfato variadas, e adicionar uma mesma quantidade de íons Ba 2+ em excesso, conforme mostra a Tabela 1.1 abaixo. As soluções estoque foram preparadas a partir dos sais de cloreto de bário dihidratado e sulfato de sódio, de modo que se obtivessem soluções de 0,100 M e 0,0100 M respectivamente. Cabe ressaltar que cada grupo utiliza cerca de 50 ml da solução de bário e 10 ml da solução de sulfato. A solução de sulfato de sódio de concentração 0,00100 M é preparada pela diluição de 10 vezes da solução de sulfato citada anteriormente. Cabe ressaltar aqui que as soluções preparadas a partir das soluções estoque foram, assim como na literatura, preparadas em provetas. Apesar da curva de calibração exibir uma boa sensibilidade, não se recomenda o uso de provetas, devido a grande incerteza associada a sua utilização. Outros métodos como a utilização de pipetas e balões volu-

4 QBQ5825 Prática de Ensino de Química e Bioquímica 3 Ponto da Solução Volume de Volume de Volume de Volume curva de Sulfato sol. sulfato água sol. Bario total M 2 ml 3 ml 5 ml 10 ml M 5 ml 0 ml 5 ml 10 ml M 1 ml 4 ml 5 ml 10 ml M 2 ml 3 ml 5 ml 10 ml M 3 ml 2 ml 5 ml 10 ml Tabela 1.1: Volumes de solução necessários para a preparação da curva de calibração para determinação de sulfato. métricos ou até mesmo de tubos Falcon, podem melhorar os resultados obtidos. Além disso, a utilização de provetas impede que os alunos pratiquem ações que, apesar de serem corriqueiras no laboratório de química, ainda apresentam-se como desafios a muitos alunos. A amostra foi preparada da mesma forma que o padrão, mas se utilizou 5 ml de amostra e 5 ml de solução de bário. Cabe ressaltar que o sulfato de bário utilizado para a quantificação não é um colóide verdadeiro. A influência desse fato é pequena nas soluções com baixo teor de sulfato, mas se torna muito importante nas mais concentradas. Apesar disso ser um fato que dificulte a quantificação, é extremamente ilustrativo para um experimento didático. Discussões a respeito dos métodos possíveis para resolver esta questão podem ser realizadas, assim como análises das causas deste problema, envolvendo conceitos da físico-química. Nesse experimento não foram testados estabilizantes para manter o sulfato de bário em suspensão, assim como sugerido pela literatura[1]. Testes mostram que, se a medida for feita imediatamente após a adição de bário nos padrões (curva a) Figura 1.1), ou se esperamos que o sólido precipite e o ressuspendamos por agitação (curva b) Figura 1.1), ocorrem variações na sensibilidade. Uma precaução que se recomenda é, portanto, utilizar algum estabilizante, como por exemplo um surfactante. Uma outra opção, que além de diminuir o custo, pode ser ilustrativa para os alunos, é utilizar albumina de ovo para este fim. Cabe ressaltar que realizar duas curvas, com e sem estabilizantes, não seria nem dispendioso, nem demorado. Resultados e discussão Da curva de calibração obtida vemos que é possível trabalhar com concentrações de sulfato na faixa de 0,00025 a 0,0030 mol L 1, o que corresponde a faixa de 0,024 a 0,288 g L 1. Apesar do artigo onde foram baseados estes estudos sugerir que água de torneira possa ser usada como amostra, isso não é válido para a água encontrada no Brasil, que tem teor de sulfato muito mais baixo do que a água norte-americana. O que se propõe, portanto, é que sejam utilizadas amostras de efluentes, ou de chuva

5 QBQ5825 Prática de Ensino de Química e Bioquímica 4 Unidades arbitrárias 500 a) leitura imediata b) após agitação Equação y = a + b*x R-quadrado 0, ,99912 Coef. Valor Desvio Padrão Leitura Imediata linear 3, ,54414 Leitura Imediata angular , ,99621 Após agitação linear 6,8238 3,5093 Após agitação angular , ,26723 a) b) ,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035 C/mol L -1 Figura 1.1: Curvas de calibração para determinação de sulfato para: a) leitura imediatamente após da adição de Ba 2+ e b) após agitação ácida, que apesar de necessitarem de diluição aproximada de 5 e 50 vezes respectivamente, podem ser facilmente quantificadas. Cabe ressaltar que amostras de águas minerais sulfatadas 1 apresentam teor de sulfato na faixa detectada pelo método descrito, sem necessitar, a princípio, de diluições ou pré-concentrações. Outra conclusão é a boa linearidade apresentada pelo método, que apesar dos problemas expostos anteriormente, possibilita uma determinação precisa do teor de sulfato nas amostras. Além disso, a linearidade apresentada ilustra que a escolha de radiação na região do verde, apesar de não ser a mais indicada, é adequada para esta aplicação. Por fim, ressaltamos que este experimento, desde a preparação da amostra até a lavagem das vidrarias, durou pouco mais de uma hora, quando realizado somente por um aluno e, portanto, pode ser facilmente integrado ao experimento já realizado. Devemos salientar que a discussão das características de um colóide para ser convenientemente quantificado, como cor e distribuição de tamanho das partículas, contribuirá 1 águas sulfatadas são aquelas que contém no mínimo 0,100g de SO 2 4 por litro, combinado com Na +, K + e Mg +.

6 QBQ5825 Prática de Ensino de Química e Bioquímica 5 sobremaneira com os conhecimentos envolvidos nos experimentos. Conclusão do método utilizado Apesar de possuir algumas deficiências, o método presente na literatura foi adaptado com sucesso, e se as mudanças propostas anteriormente forem utilizadas, melhores resultados podem ser obtidos. Pela utilização de reagentes de fácil acesso e de baixo risco, pelo tempo que este experimento demora, pela utilização de uma amostra de cunho ambiental e pela possibilidade de discutir muitos outros aspectos envolvidos tanto na química analítica, como em outras áreas da química, esse experimento, se utilizado, apresentará uma grande contribuição para a disciplina e para uma visão mais contextualizada do aluno. Conclusão O estágio em monitoria se mostrou de grande impotância, não só por propiciar contato mais efetivo entre o aluno de pós-graduação e o ensino superior, mas também por possibilitar uma experiência concreta com preparos de aulas e outras práticas envolvidas no cotidiano do ensino de química, o que é extremamente valioso para aqueles que desejam se tornar professores do ensino superior.

7 Referências Bibliográficas [1] S. W. Bigger, K. P. Ghiggino, G. A. Meilak, e B. Verity. Illustration of the principles of fluorimetry. J. Chem. Educ., 69(8): ,