QUÍMICA ANALÍTICA JOSÉ CARLOS MARQUES

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1 QUÍMICA ANALÍTICA JOSÉ CARLOS MARQUES 2 Introdução Histórico / aspectos gerais Análise qualitativa / análise quantitativa Análise clássica / análise instrumental Análise espectrofotométrica Introdução à espectroscopia Análise por infra-vermelhos Análise por UV-vis Absorção atómica Técnicas de separação cromatográficas Teoria / critérios de classificação / modelos de equilíbrio / glossário Cromatografia em camada fina Cromatografia Gás-líquido Cromatografia Líquido-líquido Técnicas hifenadas Introdução a EM / NMR GCFTIR / GCMS / LCMS Tratamento de amostras / Tratamento de dados / Segurança Programa geral 1

2 Vibrações de um grupo CH2 3 Formaldeido - vibrações 4 2

3 CO -estrutura fina: vibração + rotação 5 Etilbenzeno 6 3

4 Interferogramas - FTIR 7 Interferogramas - FTIR 8 4

5 Gamas de infra-vermelhos IV próxim o IV médio IV longínquo Comp. Onda (λ em µm) Número de onda (N em cm -1 ) Energia de excitação (kc al) Tipo de excitação 0, ,3-36 Harmónicas das bandas de deform ação ,8 14,3 Deformação de ligações ,1 1,8 Deformação de ligações 9 Região dos cm-1 (CH alongamento) Alcinos ~3300 Compostos aromáticos e insaturados ausência de bandas entre 3100 e provável ausência de aromáticos ou insaturados Grupos saturados cm-1 (CH3) cm-1 (CH2) bandas acima e abaixo de 3000 cm-1 indica presença de grupos saturados e insaturados (ou cíclicos) Grupos saturados cíclicos absorvem entre 3100 e 2900 cm-1 Aldeídos bandas a 2820 e 2710 cm-1 (característica dos aldeídos) 10 5

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8 15 Região dos cm-1 (elong.do carbonilo) A banda do C=O é característica e pode situar-se entre os 2200 e os 1350 cm-1 ( cm-1 para a maior parte dos compostos orgânicos) a posição da banda caracteriza o composto b-lactonas (anéis de 4) ésteres aromáticos e insaturados esteres e lactonas aldeídos cetonas cetonas aromáticas cetonas conjugadas ureias 16 8

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11 Compostos aromáticos Bandas em 5 regiões: CH alongamento overtones CC alongamento CH deformação no plano CH deformação fora do plano AS BANDAS ENTRE CONJUNTAMENTE COM AS PEQUENAS BANDAS ENTRE 2000 E 1700 SÃO INDICADORAS DO TIPO DE SUBSTITUIÇÃO NO ANEL MONOSUBSTITUIDOS : 2 bandas fortes a 750 e 700 cm-1 DISUBSTIUÍDOS: dependente da posição orto, meta ou para

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15 Região dos cm-1: CH deformação Bandas intensas e características O-CH3 esteres, éteres N-CH3 aminas, amidas C-CH3 hidrocarbonetos S-CH3 Sulfóxidos P-CH3 fosfinas Si-CH3 silanos

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17 Gamas do espectro de Infra-vermelhos 34 17

18 36 18

19 Etilbenzeno 37 Acetona 38 19

20 Contaminação em água mineral Case study: crimes de Atlanta A Investigação de 28 mortes entre 179 e 1981 teve por base a identificação das fibras encontradas em 12 vitimas como tendo origem na carpete do assassino. Também a forma da fibra e as cores correspondiam (foi identificado o fabricante). A Investigação inclui ainda dados de HPLC, TLC e GCMS mas foi dada prioridade a métodos não destrutivos 40 20

21 41 Espectrofotometria de infra-vermelhos Técnica instrumental de identificação Qualitativa, por excelência Possibilidade de criar grandes bases de dados Compostos puros Possibilidade de pesquisa em base de dados Algoritmos baseados na comparação de 5 ou mais picos típicos de cada composto O uso como técnica quantitativa é diminuto Pode usar-se para determinar o grau de polimerização CH3/CH2 O infra-vermelho próximo é cada vez mais usado para identificação e mesmo quantificação Área ambiental (contaminações) O caso do winescan ph, ácidos totais, etanol, glucose, açucares redutores 42 21

22 Espectroscopia atómica A espectroscopia - estudo da interação da radiação electromagnética com a matéria Espectro electromagnético raios cósmicos transições nucleares raios gama raios x UV VIS IV micro ondas ondas rádio e - internos excitação electrónica vibração molecular rotação molecular spin electrónico RMN λ, cm 43 Absorção atómica 44 22

23 45 Absorção atómica Histórico no início, os estudos espectroscópicos baseavam-se na emissão a determinação da absorção atómica (AA) do Hg marca a mudança 60 s - aparecimento dos primeiros equipamentos comerciais Actual o aparelho moderno é automático e pode detectar até 70 elementos, a nível dos ppm Ppb - geração de hidretos e atomização electrotérmica para uma boa utilização é preciso: Conhecer os princípios básicos da técnica Conhecer métodos adequados de digestão de amostras a digestão com ácidos traz imensos problemas de corrosão (e ambientais) o uso dos digestores a micro-ondas vieram resolver parte dos problemas Conhecer a importância das interferências na técnica e bases para a eliminar 46 Emissão de chama Emissão versus absorção atómica os átomos e moléculas são levados a um estado electrónico excitado a energia é transmitida pelas colisões térmicas com os constituintes dos gases em combustão na chama ao voltarem ao estado electrónico fundamental são emitidas radiações características de cada elemento a intensidade destas radiações é proporcional à concentração Absorção atómica a radiação proveniente de uma fonte luminosa externa emite a risca correspondente à transição electrónica essa radiação é absorvida pelos átomos livres, não excitados a absorção é medida pela diferença entre o sinal transmitido na presença e na ausência do elemento Fluorescência atómica a radiação absorvida é libertada sob a forma de luz fluorescente a intensidade da fluorescência é proporcional à concentração do elemento na amostra 23

24 Métodos de espectroscopia atómica Para observar as propriedades ópticas dos átomos, a amostra deve estar no estado gasoso (volatilização - dissociação / atomização) Sem ligações químicas não existem níveis de energia rotacionais ou vibracionais (nem as correspondentes transições) 47 Dos métodos conhecidos para a quantificação de elementos (desde os metais alcalinos aos metais raros) a absorção atómica continua a aliar a velocidade de análise com a selectividade e custos moderados da aparelhagem à sensibilidade, pelo que se mantém como método instrumental de grande divulgação Equipamento base Absorção atómica - AA 48 Tal como todos os espectrómetros, um AA é constituído basicamente por uma fonte de energia, um analisador e um detector. A utilização de um atomizador é como um complemento do tratamento da amostra. A lâmpada de D2 serve para o alinhamento e correção do ruído de fundo. Atomização processo de conversão da mostra em átomos livres ou iões elementares queimador de chama atomizador sem chama / forno de grafite características do atomizador não ter efeito de memória fácil limpeza e fácil instalação / ajustamento (região óptima da chama) resistente à corrosão 24

25 nebulizador AA - atomizador de chama nebulizador - a solução amostra é convertida em aerossol antes de entrar no queimador - a amostra é aspirada pela passagem de gás a elevada pressão na ponta do capilar (efeito Bernoulli) o gás pulveriza a solução (aerossol) queimador (abertura com 5 a 10 cm) 49 ao passar na chama os solventes são evaporados e a amostra dá origem a pequenas partículas sólidas dispersas que, na parte mais quente da chama, originam os átomos livres e iões elementares 50 Funções da chama vaporizar / atomizar / excitar os átomos (emissão) Efeitos da temperatura T elevadas aumentam a atomização e a sensibilidade mas pode levar à ionização (metais alcalinos) T determina o número de átomos excitados / não excitados emissão - depende dos átomos excitados absorção - depende dos átomos no estado fundamental Características da chama o solvente evapora na zona A a Zona B é a parte mais quente - formação de átomos e iões na zona C pode acontecer oxidação - diminuindo a absorção os espectros de absorção de um átomo e do seu ião são diferentes pelo que o controlo de temperatura é importante de modo a evitar a ionização. Mg Cr AA - misturas e chamas Chamas usadas em AA Mistura Temp (C) gás / ar gás / O H 2 / ar H 2 / O C 2 H 2 / ar C 2 H 2 / O C 2 H 2 / N 2 O Zona inter-cones (desmaiada) Ag B Zona secundária (combustão) C Zona primária (azul) a melhor zona de queima não é a mesma para todos os elementos devido à maior ou menor facilidade de oxidação A 25

26 51 o forno electrotérmico AA - forno de grafite cada vez mais usado / pequeno tubo de grafite aquecido por corrente eléctrica características aumento de sensibilidade uso de pequenas quantidades de amostra melhor controlo de temperatura possibilidade de eliminação de matéria orgânica por aquecimento rampa de aquecimento o uso do forno exige um controlo rigoroso da subida da temperatura em passos bem determinados: TA secagem da amostra eliminação da água de hidratação eliminação da matéria orgânica incandescência da mufla atomização feixe de luz a velocidade de aquecimento em cada passo e o tempo de espera são determinantes para o bom êxito da experiência. Devem ser cuidadosamente determinados e validados antes do uso rotineiro do método. 52 Lâmpadas de cátodo oco (hollow-cathode) ânodo de tungsténio / cátodo do metal em análise invólucro selado com Ne / Ar a 1-5 torr um potencial de 300 V causa a ionização do Ar iões de Ar libertam átomos do metal - sputtering os átomos são ionizados na zona da descarga e emitem as riscas nos comprimentos de onda característicos Lâmpada de descarga sem electrodos (electrodless-discharge) a lâmpada (tubo de quartzo) contem o metal puro (ou sal) e um gás inerte (Ar) forte campo de microondas ioniza o gás que excita os átomos de metal - colisão resultados semelhantes às lâmpadas de cátodo oco mas menor reproductibilidade Fonte de energia contínua arco de xénon com um monocromador + fácil determinar vários elementos na mesma amostra (mas menor sensibilidade) AA - fonte de energia A lâmpada deixa de funcionar por perda do gás - adsorvido nas superfícies da lâmpada Lâmpadas podem conter dois ou mais elementos (en. de vaporização semelhante: Ca, Mg, Al; Fe, Cu, Mn; Cr, Co, Cu, Fe, Mn, Ni) 26

27 53 Sistema óptico AA - sistema óptico e detecção muitos instrumentos comerciais estão equipados com um monocromador tipo UV-VIS selecção da risca desejada / isolamento em relação às outras emitidas pela fonte nos aparelhos de duplo feixe, este é divido em dois apenas um passa pela chama e os dois entram alternadamente no monocromador o duplo feixe diminui a sensibilidade Detector Usa-se uma lâmpada UV para correção do ruído de fundo a energia detectada deve ser convertida num sinal eléctrico para ampliação e medicão - usualmente feito por um fotomultiplicador a radiação bombardeia o cátodo que contem material fotossensível os e - são acelerados (200 a 1000 V) para o ânodo mas passam por diversos estágios onde, devido à aceleração, a sua acção é multiplicada do detector saem os sinais dos dois feixes sendo registado o log I r /I a Atenção - a absorvência é dada pela expressão: A = - log T = log (I 0 /I) 54 Amostras AA - preparação de amostras soluções aquosas não necessitam de tratamento especial (event. concentração) Líquidos orgânicos podem ser aspirados sem tratamento mas exigem: dissolução da amostra / queima regular / puros (evitar presença de interferentes) / não produzam espécies tóxicas (por combustão) / baratos Amostras inorgânicas - analisadas em solução aquosa / meio ácido digestão ácida (HF) pode ser necessária Amostras orgânicas - necessitam destruição por digestão ácida ou combustão Digestão ácida apesar de perigoso, o ácido perclórico é o escolhido na maioria dos casos mas também são usadas misturas de ácidos incluindo: nítrico / HCl / H 2 SO 4 a digestão ácida é normalmente demorada e liberta demasiados vapores ácidos exigindo medidas importantes de controlo ambiental e de corrosão no laboratório Digestor a micro-ondas reduz drasticamente os tempos de digestão e a quantidade de ácidos usados melhora a dissolução das amostras - nomeadamente inorgânicas limita a perda de elementos voláteis (Hg) pode ser extremamente perigoso (explosão) dado que a amostra é aquecida muito rapidamente (microondas) num sistema fechado 27

28 55 Interferências espectrais AA - interferências acontece sempre que a radiação é dispersa pela amostra ou que haja proximidade ou sobreposição de riscas Va ( nm) / Al ( nm) - pode escolher-se outra risca - Al ( nm) presença de interferentes na chama - eliminação fazendo um branco presença de interferentes na matriz - exige p.ex.. chamas mais quentes (CaOH / Ba) a presença de óxidos estáveis (Ti / Zr / W) - aumenta a dispersão Interferências químicas vários processos químicos podem ocorrer durante a atomização / podem ser controlados (em parte) pela escolha criteriosa das condições de operação formação de espécies de alto ponto de ebulição (óxidos refractários / sulfato e fosfato de Cálcio) podem ser minimizados aumentando a temperatura ou usando agentes que reagem preferencialmente com a interferência (La reage com o fosfato e evita o aparecimento do fosfato de Ca - pouco volátil) Presença de espécies ionizadas muito importante a temperaturas elevadas - dão origem a um diferente espectro e diminuição de sensibilidade pode ser reduzida aumentando o número de e - na chama (sais de potássio) 28