Determinação do Ferro em Solução em Várias Águas Naturais

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1 Métodos Instrumentais de Análise Determinação do Ferro em Solução em Várias Águas Naturais Docente: Fernando Caldeira Engenharia do Ambiente (2º Ano) Métodos Instrumentais de Análise Trabalho elaborado em pelo grupo 5, constituído pelos alunos: André Andrade nº 18990, Pedro Sousa nº e Filipe Pereira nº

2 Índice 1.Resumo Introdução Material e reagentes: quantidades Procedimento experimental Resultados Discussão dos Resultados e Conclusões Bibliografia Apêndice

3 1.Resumo Universidade Fernando Pessoa No trabalho experimental objecto deste relatório, efectuou-se a determinação do ferro em solução em cinco águas naturais por absorção atómica. Através da determinação da concentração do ferro em solução nas várias amostras e comparando os valores obtidos com os valores indicados nos decretos-lei nº236/98 de 1 de Agosto e nº306/2007 de 27 de Agosto, verificou-se a qualidade da água das amostras em diferentes parâmetros. Os resultados obtidos, para a absorvância das soluções-padrão de ferro, não foram os esperados, possivelmente devido a interferências durante a realização do trabalho experimental ou durante a leitura das absorvâncias. 2.Introdução O objectivo do trabalho experimental objecto deste relatório é a determinação do ferro em solução em várias amostras de águas naturais. A determinação do ferro ocorreu por absorção atómica, usando a lâmpada de cátodo-oco respectiva e uma chama de ar/acetileno. Foram utilizadas 5 amostras de águas naturais, água da vala, água mineral, água salobra, água retirada da fonte do Paço e água retirada da fonte Azurva (Métodos Instrumentais de Análise, pág. 19). Para a determinação do ferro em solução prepararam-se 6 soluções-padrão de ferro com diferentes volumes de uma solução-padrão de ferro a 50 ppm com HNO₃ 1 M posteriormente preparada, permitindo estas soluções-padrão de ferro construir uma recta de calibração das absorvâncias atómicas registadas versus a concentração em ferro de cada solução-padrão. A partir da equação da recta obtida através da recta de calibração, e juntamente com as absorvâncias medidas das amostras, iremos determinar a concentração de ferro solúvel total nas várias amostras de águas naturais utilizadas no trabalho experimental. O Ferro, de símbolo químico Fe, é um dos principais componentes da crosta terrestre e é indispensável à vida para vegetais, animais e o próprio Homem. O Ferro é um metal de cor cinza prateado, com número atómico 26, massa atómica 56 e que se encontra no estado sólido à temperatura ambiente (Lima, 2001). Actualmente o ferro é o metal mais utilizado no mundo, essencialmente devido à sua dureza e baixo preço, sendo extensivamente utilizado para a produção de aço, ferramentas, máquinas, 3

4 veículos de transporte, como elemento estrutural de pontes, edifícios, e muitas mais aplicações (Lima, 2001). Raramente se encontra ferro na natureza na sua forma elementar, sendo este normalmente encontrado na natureza fazendo parte da composição de diversos minerais. Na água a presença de ferro pode surgir na forma dissolvida ou sólida. (Lima, 2001). No trabalho experimental efectuado, as soluções-padrão de ferro foram obtidas inicialmente a partir de nitrato de ferro (III) nonahidratado (Fe (NO₃)₃*9H₂O). A presença de ferro numa água pode também possibilitar o crescimento de bactérias que utilizam o ferro como fonte de energia, causando desta maneira uma contaminação bacteriológica. O ferro é um elemento altamente prejudicial para o consumo em geral e de difícil eliminação, apresentando normalmente, as águas muito contaminadas por ferro, um cheiro forte e uma coloração laranja (Lima, 2001). Relativamente aos problemas de saúde para os seres humanos que podem surgir após a ingestão prolongada de água contaminada com ferro, podem-se referir problemas de saúde ligeiros como tonturas, fadiga e dores de cabeça, mas também pode ocorrer o envenenamento por ferro, quando as doses de ferro na água são elevadas, denominado de hemocromatose, sendo o ferro em excesso acumulado no fígado e provocando danos neste órgão (Lima, 2001). A legislação em vigor que estabelece o regime da qualidade da água destinada ao consumo humano, e que foi utilizado neste relatório para efeitos comparativos para com as amostras de água analisadas, é o Decreto-Lei nº. 306/2007 de 27 de Agosto, que define que os valores de ferro presentes numa amostra de água não devem ultrapassar as 200 µg por litro de Fe. Um dos problemas associados à contaminação das águas por ferro é a libertação de resíduos industriais com elevadas concentrações deste metal. Os principais produtores responsáveis pela libertação destes resíduos com elevadas concentrações de ferro são a agropecuária, a actividade de mineração e a indústria siderúrgica (Lima, 2001). Neste relatório pretende-se analisar também as várias águas naturais quanto à qualidade das águas doces superficiais destinadas à produção de água para consumo humano, tendo-se utilizado para efeitos comparativos para com as amostras de água analisadas o Decreto-Lei nº. 236/98 de 1 de Agosto, que estabelece as normas, critérios e objectivos de qualidade com a finalidade de proteger o meio aquático e melhorar a qualidade das águas em função dos seus principais usos (Métodos Instrumentais de Análise, pág. 25). 4

5 3.Material e reagentes: quantidades Nitrato de ferro (III) nonahidratado (Fe (NO₃)₃ * 9H₂O): 1 g Ácido Nítrico, HNO₃, 1 M: 500 ml Espátula pequena: 1 Gobelé de 50 ml: 1 Balança Vareta de vidro: 1 Pipeta volumétrica de 5 ml: 1 Pipetas graduadas para medir volumes de 2,5 ml a 20 ml: 1 de cada Balões volumétricos de 100 ml: 2 Balões volumétricos de 50 ml: 6 Funil de vidro pequeno: 1 Água destilada Esguicho para água destilada: 1 Espectrofotómetro de absorção atómica Lâmpada para ferro Ar/acetileno 4. Procedimento experimental 1. Preparar 100 ml de uma solução-padrão-mãe de ferro (Fe) a 1000 ppm em HNO₃ 1 M, a partir de nitrato de ferro (III). 2. Por diluição da solução-padrão-mãe de Fe com HNO₃ 1 M, preparar 100 ml de uma segunda solução-padrão de ferro a 50 ppm, continuando a usar HNO₃ 1 M como solvente. O resto do procedimento experimental é realizado conforme consta no protocolo do trabalho prático de laboratório nº. 3. 5

6 5.Resultados Universidade Fernando Pessoa Em primeiro lugar determinou-se a concentração da Solução-padrão-mãe de ferro, que é de 0,0179 mol/l (1). Através dos cálculos efectuados determinou-se que a massa de nitrato de ferro (III) que deveria ser pesada para se obter uma Solução-padrão-mãe de ferro a 1000 ppm em HNO₃ 1 M, deveria ter um valor próximo de 0,72316 gramas (2). Para a preparação da Solução-padrão-mãe de ferro a 1000 ppm em HNO₃ 1 M foram efectivamente pesadas 0,771 gramas de nitrato de ferro (III). Concentração-Objectivo da Solução-Padrão (ppm) 0 2, Vol. Balão (ml) Vol. da Solução-Padrão Adicionada ao Balão (ml) (3) Concentração Efectiva da Solução-Padrão (ppm) (4) 0 2, ,499 4,998 9,997 14,995 19,993 Absorvância atómica 0,096 0,097 0,094 0,095 0,098 0,097 Tabela 1 Resultados experimentais que incluem a medição da absorvância atómica de cada solução-padrão de ferro e que incluem a concentração efectiva de cada solução-padrão de ferro. O volume da solução-padrão de ferro a 50 ppm com HNO₃ 1 M, adicionada a cada balão foi calculado pela fórmula: = Como a Concentração inicial (Ci = 50 ppm) e o Volume final (Vf = 50 ml) se mantêm durante o cálculo dos Volumes iniciais (Vi), o Volume inicial vai ser sempre igual à Concentração final (3). 6

7 Para o cálculo da absorvância atómica de cada solução-padrão de ferro utilizou-se um espectrofotómetro de absorção atómica. Para o cálculo da concentração efectiva de cada solução-padrão de ferro procedeu-se ao cálculo da concentração de ferro da solução-padrão de ferro a 50 ppm com HNO₃ 1 M, que representa uma diluição de 1:20 da concentração em ferro da solução-padrão-mãe de ferro a 1000 ppm, obtendo-se uma concentração de 8,95 * 10 ⁴ mol/l (5). Com esta concentração realizam-se as respectivas diluições para se obter a concentração efectiva de cada solução-padrão de ferro (4). 0,099 0,098 Curva de Calibração Absorvância Atómica 0,097 0,096 0,095 0,094 0,093 0, ,499 4,998 9,997 14,995 19,993 Concentração da Solução-padrão em ferro (ppm) Gráfico 1 Curva de calibração que compara a absorvância atómica de cada solução-padrão com a concentração em ferro dessa mesma solução-padrão. Através do programa Microsoft Office Excel 2007 e da fórmula estatística CORREL, obtivemos um coeficiente de correlação, entre a absorvância atómica de cada solução-padrão e a concentração em ferro dessa mesma solução-padrão, de 0, Para o cálculo da concentração em ferro das amostras utilizou-se a equação da recta de calibração na forma y = mx + b, onde m representa o declive e b representa a ordenada na origem. 7

8 O declive foi calculado através do programa Microsoft Office Excel 2007 e da fórmula estatística DECLIVE, obtendo-se um declive de 2191,569; a ordenada na origem foi calculada através do programa Microsoft Office Excel 2007 e da fórmula estatística INTERCEPTAR, obtendo-se b = 202,009. Substituindo m e b na forma utilizada para definir a equação da recta de calibração, obtém-se a equação da recta de calibração: y = 2191,569x 202,009. O valor das absorvâncias das amostras foram registados e substituindo x pelo valor da absorvância da amostra obtém-se a Concentração de Ferro Solúvel (ppm) em cada amostra (6). Tipos de Águas Naturais Absorvâncias das Amostras Concentração de Ferro Solúvel (ppm) Água de Vala 0,094 3,998 Água mineral 0,097 10,573 Fonte do Paço 0,095 6,19 Fonte Azurva 0,098 12,765 Água Salobra 0,094 3,998 Tabela 2 Resultados experimentais que incluem a medição da absorvância atómica de cada amostra de água e que incluem a concentração de ferro solúvel para cada amostra utilizada no trabalho experimental. 6.Discussão dos Resultados e Conclusões Em primeiro lugar deve-se referir que os valores de absorvância atómica encontrados para as soluções-padrão não são os esperados. Os valores não são os esperados, porque conforme se aumenta a concentração de uma solução, a absorvância atómica também deveria aumentar, obtendo-se um gráfico das absorvâncias atómicas registadas versus a concentração em ferro 8

9 de cada solução-padrão, semelhante a uma recta, o que não acontece neste trabalho experimental. O próprio índice de correlação da recta de calibração, que é igual a 0,418789, estando muito afastado de 1, indica que não existe uma variação na mesma proporção da absorvância atómica e da concentração de ferro das soluções-padrão. A fonte de erro do trabalho, poderá estar muito provavelmente relacionada com interferências durante a realização do trabalho experimental ou durante a leitura das absorvâncias. Durante a preparação e a realização do trabalho experimental objecto deste relatório poderão ter ocorrido interferências químicas, formando-se qualquer composto que evita a atomização do ferro, conduzindo isto a valores por defeito (Gonçalves, 2001). Apesar de raras, podem também ter ocorrido interferências de ionização, ocorrendo a ionização duma dada percentagem de átomos na chama (Gonçalves, 2001). Estas interferências levaram a que os valores de absorvância atómica encontrados fossem muito baixos e sem relação entre si. Devido a este erro na leitura das absorvâncias atómicas, os valores das concentrações de ferro solúvel das amostras são muito elevados, muito acima dos valores paramétricos permitidos na legislação portuguesa, não podendo ser efectuada uma comparação com o Decreto-Lei nº. 306/2007 de 27 de Agosto, que define o regime de qualidade da água para consumo humano; e o Decreto-Lei nº. 236/98 de 1 de Agosto, que estabelece as normas, critérios e objectivos de qualidade para as águas doces superficiais destinadas à produção de água para consumo humano. Concluindo, as concentrações de ferro solúvel das amostras foram muito elevadas, devido a interferências químicas ou de ionização, não podendo ser comparadas com a legislação em vigor, sendo recomendada a repetição do trabalho experimental utilizando as mesmas amostras de água. 9

10 7.Bibliografia Universidade Fernando Pessoa Gonçalves, M. (2001). Métodos Instrumentais para Análise de Soluções, Análise Quantitativa. 4ª ed. Lisboa, Fundação Calouste Gulbenkian, Serviço de Educação e Bolsas. Lima, I. e Pedrozo, M. (2001). Ecotoxicologia do Ferro e seus Compostos. [Em linha]. Disponível em [Consultado em 31/12/2008]. Métodos Instrumentais de Análise: Trabalhos Práticos de Laboratório. [Em linha]. Disponível em [Consultado em 31/12/2008]. 10

11 8.Apêndice Universidade Fernando Pessoa (1) Massa atómica (Fe) = 55,847 g/mol [Fe] = 1000 p.p.m = 1000 mg/l [Fe] = (1000 mg/l) / 1000 = (1 g/l) / 55,847 g/mol = 0, 0179 mol/l (2) Volume = 100 ml = 0,1 L M (Fe (NO₃)₃ * 9H₂O) = 404 g/mol n (Fe) = [Fe] * Volume = 0,0179 mol/l * 0,1 L = 0,00179 mol n (Fe) = n (Fe (NO₃)₃ * 9H₂O) = 0,00179 mol massa (Fe (NO₃)₃ * 9H₂O) = M (Fe (NO₃)₃ * 9H₂O) * n (Fe (NO₃)₃ * 9H₂O) = = 404 g/mol * 0,00179 mol = 0,72316 g (3) Exemplo: 50 p.p.m = 50 mg/l * 1000 = mg/ml 2, 5 p.p.m = 2, 5 mg/l * 1000 = 2500 mg/ml Ci * Vi = Cf * Vf mg/ml * Vi = 2500 mg/ml * 50 ml mg/ml * Vi = mg Vi = mg / mg/ml Vi = 2,5 ml (4) Exemplo: [Fe] (Solução-padrão de volume 2,5 ml) = [Fe] (Solução-padrão a 50 ppm) / 20 (1: 20) = (8,95 * 10 ⁴ mol/l) / 20 = 4,475 * 10 ⁵ mol/l Conversão a ppm: (4,475 * 10 ⁵ mol/l) * (55,847 g/mol) * 1000 = 2,499 ppm (5) [Fe] (Solução-padrão-mãe) = 0, 0179 mol/l [Fe] (Solução-padrão a 50 ppm) = [Fe] (Solução-padrão-mãe) / 20 = = (0, 0179 mol/l) / 20 = 8,95 * 10 ⁴ mol/l (6) Exemplo: [Fe] Amostra = (2191,569 * 0,094) 202,009 = 3,998 ppm 11