ANALÍTICA AVANÇADA 2S Prof. Rafael Sousa. Notas de aula:

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1 ANALÍTICA AVANÇADA 2S 2011 Aulas 3 e 4 Preparo de Amostras Prof. Rafael Sousa Departamento de Química - ICE rafael.arromba@ufjf.edu.br Notas de aula:

2 Considerações sobre amostragem Preservação de amostras CONTEÚDO Tratamentos convencionais (dissolução, abertura, digestão,...) Tratamentos preliminares Detalhes sobre o preparo de amostras para determinações inorgânicas Detalhes sobre o preparo de amostras para análises cromatográficas Exemplos de procedimentos de preparo de amostras Considerações sobre segurança no laboratório 2

3 BIBLIOGRAFIA 1) D. A. Skoog, D. M. West and F. J. Holler, Fundamentals of Analytical Chemistry, 7 th Ed., Thomson Learning, ) J. Mendham, R. C. Denney, J. D. Barnes, M. Thomas Vogel - Análise Química Quantitativa, 6 a ed., LTC, ) D. C. Harris, Análise Química Quantitativa, 7 a ed., LTC, ) F. J. Krug Métodos de preparo de amostras: fundamentos sobre o preparo de amostras orgânicas e inorgânicas para análise elementar 1ª ed., ) S. Mitra Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry John Wiley & Sons, Inc.,

4 Preparo de amostra? AAS ICP OES ICP-MS HPLC GC CE Sample preparation involve digestion, extraction and preparation of the analytes before the analysis, so this step is time limiting, requiring ca. 61% of the total time to perform the complete analysis, and is responsible for 30% of the total analysis error. J. Braz. Chem. Soc. 14 (2003) 174 4

5 O Preparo de Amostra na Análise Química Definição do problema analítico Escolha do método de análise Amostragem Tratamento da amostra (e separação da espécie de interesse) Calibração Medida analítica Avaliação dos resultados AAS ICP OES ICP-MS HPLC GC CE Ação 5

6 1) Amostragem É a coleta de uma porção (ou alíquota) de uma amostra para a realização da análise, geralmente no laboratório Redução do tamanho da amostra 6

7 Amostragem Deverá levar a resultados representativos e reprodutivos Na prática: Estabelecer ou seguir um protocolo de amostragem apropriado (amostras homogêneas x amostras heterogêneas) Minimizando as incertezas relacionadas à amostragem: - Erros sistemáticos Acondicionar a amostra adequadamente para que se mantenha íntegra até o momento da análise - Erros de amostragem 7

8 1.1) Tipos de amostras Considerando as características das amostras: AMOSTRAS HOMOGÊNEAS Gases e líquidos, na maioria das situações Qualquer porção é representativa desde que não haja partículas 8

9 Tipos de amostras AMOSTRAS HETEROGÊNEAS Rochas, Minerais, Minérios, Solos e Sedimentos» Podem apresentar composição diferente em porções retiradas ao acaso os cuidados com a amostragem e preparação devem ser redobrados.» Deve ser considerado que a amostra de laboratório, com massas entre 0,1 a 10 g, pode representar toneladas de material, exigindo cuidadosa definição do procedimento de amostragem e preparação para análise. Os pontos escuros correspondem a determinados compostos e que não se distribuem de forma homogênea 9

10 1.2) Exemplos de amostragem Água de um rio ou lago (água superficial) Quantos pontos serão amostrados e como? Cada ponto será amostrado em replicata? Qual a quantidade mínima de amostra necessária para a realização das análises no laboratório? 10

11 Exemplos de amostragem Sólidos particulados e gases (emissões atmosféricas) 1) Adicionar um filtro que adsorva os analitos diretamente na fonte 2) Utilizar uma bomba que aspire as emissões no ambiente, de forma que os analitos fiquem retidos em um filtro Tratar os filtros como se fossem a própria amostra, de acordo com o tipo de análise a ser realizada 11

12 Exemplos de amostragem Materiais sólidos não pulverizados Retirada de uma ou mais porções representativas - Processamento - Homogeneização (quarteamento quarteamento) Obtenção da amostra laboratorial (no tamanho adequado) 12

13 2) Acondicionamento da amostra?? Coleta de Anomalocardia brasiliana. Nano, RMW. Determinação de Íons Metálicos em Moluscos Bivalves do Manguezal da Região Petrolífera de São Francisco do Conde Recôncavo Bahiano, Tese de doutorado, Unicamp, Campinas SP, 2006.?? 13

14 Acondicionamento da amostra Deve evitar que processos físicos, químicos e biológicos alterem a composição da amostra PROCESSOS FÍSICOS Volatilização Adsorção em superfícies Difusão PROCESSOS QUÍMICOS Reações fotoquímicas Oxidações Precipitações PROCESSOS BIOLÓGICOS Biodegradação Reações enzimáticas ENTRETANTO não há como manter a integridade de uma amostra indefinidamente 14

15 Parâmetro Preservação Frasco Validade ph e temperatura Imediatamente in situ Br -, Cl - e F Plástico ou vidro Cl --- Plástico ou vidro Até 28 dias Imediatamente in situ I- Refrigeração em 4 o C NO 3-, NO - 2 Refrigeração em 4 o C S 2- Refrigeração em 4 o C, adição de ZnAc 2 e NaOH até ph 9 Metais dissolvidos Metais totais Filtrar in situ, acidificar (ph 2) com HNO 3 acidificar (ph 2) com HNO 3 Cr(VI) Refrigeração em 4 o C Plástico ou vidro Plástico ou vidro Plástico ou vidro Plástico Plástico Plástico Até 24 horas Até 48 horas Até 7 dias 6 meses 6 meses 24 horas Hg acidificar (ph 2) com HNO 3 Plástico 28 dias Carbono orgânico Refrigeração em 4 o C, adição de H 3 PO 4 até ph 2 Plástico ou vidro âmbar 28 dias PCBs DBO e DQO Refrigeração em 4 o C Refrigeração em 4 o C Vidro ou teflon Plástico ou vidro Mitra S, Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry, dias para extrair, 40 dias depois 48 e 28 h (respectivamente) 15

16 Em posse da amostra: Escolha do Método A amostra é solução? Realização da dissolução, decomposição ou extração química Preparo de amostra 16

17 3) Tratamentos preliminares (ou prétratamentos) ANÁLISE DIRETA DE AMOSTRAS SÓLIDAS Fluorescência de raios-x, ablação com laser e ICP-MS/OES, emissão atômica com excitação por arco ou faísca,... 1) Polimento da superfície a ser analisada 2) Imobilização da amostra (tecido biológico) em um resina ANÁLISE DE AMOSTRAS SÓLIDOS APÓS SEPARAÇÃO DE UMA FRAÇÃO DE COMPONENTES 1) Secagem 2) Moagem 3) Separação de apenas alguns componentes (solubilização parcial) - Extração de espécies inorgânicas em solos - Lixiviação de compostos metálicos solúveis (testes com Resíduos sólidos uso de água e ácido acético) - Extração com solventes orgânicos (separação de compostos aromáticos em solos e sedimentos) 17

18 Tratamentos preliminares DETALHANDO ALGUNS PRÉTRATAMENTOS 1) Secagem eliminação da umidade aquecimento à 105 o C em estufa comum 60 0 C em estufa com circulação de ar (materiais biológicos) acondicionamento sob vácuo, em dessecador (garante a preservação completa da amostra) liofilização congelamento seguido de vácuo com ou sem temperatura 18

19 Tratamentos preliminares 2) Moagem fragmentação da amostra com a diminuição do tamanho de partícula conforme conveniência do método Diminuindo o tamanho das partículas aumenta-se a relação entre área superficial e volume de amostra, facilitando a dissolução Dependendo do método ou dos objetivos da preparação o tamanho das partículas devem ser controlados MOAGEM PENEIRAÇÃO Para determinar a Distribuição do Tamanho de Partícula (PSD, em Inglês): Microscopia óptica ou Microscopia eletrônica de varredura 19

20 Tratamentos preliminares Moagem 1) BRITAGEM (minerais) Consiste na primeira etapa da redução do tamanho da amostra, em geral, reduzindo para grãos de aproximadamente 1 a 5 mm. A liga metálica usada na construção do equipamento deve ser considerada para definir possíveis elementos que poderão ser incorporados à amostra neste processo. 20

21 Equipamentos utilizados PRENSA: 21

22 BRITADOR: 22

23 Tratamentos preliminares - Moagem 2) PULVERIZAÇÃO (Pode ser usada após a britagem) porcelana A amostra será colocada na granulometria desejada. Manualmente, por meio de um grau com pistilo, construído em ágata, porcelana, quartzo, ferro ou outro material, dependendo do interesse e da análise que será realizada. ágata 23

24 Tratamentos preliminares - Moagem PULVERIZAÇÃO Com sistemas automatizados a pulverização pode ser conseguida com maior facilidade e rapidez, tanto para volumes maiores como menores, garantindo também maior homogeneidade para a composição e para a granulometria. * MOINHOS DE BOLA 24

25 Tratamentos preliminares - Moagem PULVERIZAÇÃO * MOINHOS DE ANÉIS E CILINDRO (moinho de panelas) 25

26 Tratamentos preliminares - Moagem PULVERIZAÇÃO * MOINHOS DE FACAS Lâminas acopladas a um eixo de um motor Diversas geometrias e resistência mecânica simples sem controle automático de tempo e temperatura mais sofisticados com controle automático de tempo e temperatura 26

27 Tratamentos preliminares - Moagem Amostras gordurosas Alimentos (chocolate) Tecidos biológicos - Analitos orgânicos (DNAs) - Analitos inorgânicos PULVERIZAÇÃO POR CRIOGENIA (aplicável também para outros tipos de amostras como ossos e cabelo) * MOINHOS CRIOGÊNICOS Operam à baixas temperaturas (N 2 (l) ) Aplicam-se a pequenas quantidades (p. ex. 0,1 5 g de amostra) - Amostra cilindro de policarbonato congelamento (com barras moedoras de aço) - Moagem (agitação do cilindro) 27

28 Tratamentos preliminares - Moagem EX PULVERIZAÇÃO CRIOGÊNICA DE TECIDO DE SEIO* Antes da moagem Após dois ciclos de moagem *Amostras em estudo pela aluna Stefanny Febraio, do IQ-Unicamp 28

29 Tratamentos preliminares - Moagem ETAPA FINAL: PENEIRAÇÃO Controle do PSD UTILIZADA PARA SELECIONAR UMA GRANULOMETRIA ESPECÍFICA AS PENEIRAS PODEM APRESENTAR GRANULOMETRIA EM MESH e mm 80 mesh = 0,177 mm = 80 tyler 100 mesh = 0,149 mm = 100 tyler MAIOR VALOR mesh MENOR VALOR mm 29

30 4) Preparo de amostras para determinações inorgânicas e orgânicas DEPENDE DO TIPO DE TÉCNICA A SER USADA: Técnicas aplicáveis a amostras sólidas, líquidas e suspensões - Análise por ativação neutrônica - Fluorescência de raios-x - Absorção atômica com forno de grafite Técnicas aplicáveis a amostras sólidas - Espectrometria de emissão com arco ou faísca - Análise elementar, CHN (e S) - Emissão óptica em plasma induzido por laser (LIBS) Técnicas aplicáveis a amostras líquidas (rotinas) - Demais técnicas espectrométricas - Técnicas eletroanalíticas e de separação 30

31 Preparo de amostras para determinações Inorgânicas e orgânicas CUIDADOS GERAIS FRENTE À NECESSIDADE DE PREPARAÇÃO DA AMOSTRA A amostra não deve causar danos ao recipiente no qual a amostra será tratada Buscar a mínima manipulação experimental possível, para evitar contaminações da amostra É oportuno observar que, dentre todas as operações analíticas, a etapa de tratamento das amostras é a mais crítica. Em geral, é nesta etapa que se cometem mais erros e que se gasta mais tempo.. É também a etapa de maior custo. Por isso, os passos de um procedimento de tratamento de amostra deverão ser sempre considerados cuidadosamente. F. J. Krug,

32 O Preparo da Amostra ALÍQUOTA Com aquecimento DISSOLUÇÃO Sem aquecimento EXTRAÇÃO Líquido-líquido Sólido-líquido Líquido-sólido DECOMPOSIÇÃO Via úmida Via seca Convencional Microondas Fusão alcalina Combustão 32

33 4.1) Métodos convencionais para o preparo de amostras a) DISSOLUÇÃO (determinações em geral) É a transformação de uma amostra em uma solução (geralmente aquosa), envolvendo ou não uma reação química Exemplos para determinações inorgânicas: Amostra de sal de cozinha: NaCl (s) Na + H2O + Cl - Amostra de calcário: : CaCO 3 (s) + 2H + Ca 2+ + H 2 O + CO 2 (g) Amostra de plástico: : polímero-pb 2+ Pb 2+ + polímero (l) DMF (Solução aquosa) pesados/ 33

34 Métodos convencionais para o preparo de amostras DISSOLUÇÃO x DILUIÇÃO A diluição da alíquota amostrada ou preparada é uma etapa comum à maioria das análises, sendo que algumas poucas amostras necessitam apenas de diluição. NÃO CONFUNDIR dissolução com diluição! 34

35 Métodos convencionais para o preparo de amostras Para Casa Pesquisar um procedimento para a dissolução de uma liga metálica, como preparo prévio à análise química de sua composição. 35

36 b) ABERTURA Determinações inorgânicas em amostras orgânicas ou inorgânicas É a transformação química de uma amostra sólida em uma outra forma sólida, a qual é facilmente solúvel em água ou ácidos diluídos DOIS TIPOS: FUSÃO ALCALINA E COMBUSTÃO POR VIA SECA A decomposição de amostras por fusão é a decomposição de MATERIAIS INORGÂNICOS à alta temperatura e à pressão ambiente A queima é feita na presença de um fundente* e o método é aplicado quando se deseja determinar os componentes majoritários da amostra Exemplo: Amostra de sílica: SiO 2 (s) + O 2- SiO SiO 3 2- (fusão alcalina) PRODUTO: óxidos e/ou carbonatos (*) Hidróxidos de metais alcalinos, carbonatos e boratos 36

37 ABERTURA - Equipamentos usados na Fusão alcalina Geralmente* usam-se se fornos chamados de muflas ( o C) Antes do aquecimento cadinhos de porcelana (Pt: mais resistente) Após o aquecimento Alguns modelos de muflas * Outras fontes de aquecimento possíveis: chamas e microondas 37

38 ABERTURA - Fusão alcalina VANTAGENS É bastante eficiente para amostras geológicas e de difícil solubilização em ácidos Aplica-se a grandes quantidades de amostras (que podem ser solubilizadas em pequenos volumes de ácido!) DESVANTAGENS Requer até 8 vezes mais tempo do que outros métodos Consome quantidades grandes de reagentes - Compromete a exatidão das análises (possíveis contaminações) - O fundente, agregado à matriz, pode ser uma causa adicional de interferências Não recomendado para elementos voláteis, principalmente As, Hg e Se 38

39 ABERTURA - Combustão É a decomposição de materiais orgânicos à alta temperatura e à pressão ambiente. Parecida com a fusão (cadinhos, muflas,...), MAS: - Queima da amostra em ar ou atmosfera de oxigênio O O 2 atua como agente oxidante - Feita na presença de aditivos para evitar a perda de espécies voláteis Mg(NO 3 ) 2 recomendado para As, Hg e Pb H 2 SO 4 recomendado para Zn e Sn Produto de queima: resíduo inorgânico (cinzas)) solúvel em ácidos diluídos óxidos de metais silicatos fosfatos e sulfatos não voláteis 39

40 ABERTURA - Combustão VANTAGENS Aplica-se a grandes quantidades de amostras (que podem ser solubilizadas em pequenos volumes de ácido!) Geralmente não necessita de reagentes, exceto o O 2 do ar Aditivos como HNO 3, H 2 SO 4 e nitratos podem ser usados para catalisar a oxidação e evitar a perda de analitos voláteis (é como se fossem os modificadores químicos usados em ETAAS!) DESVANTAGENS Perdas de amostra como aerosol sólido Compromete a exatidão das análises (possíveis contaminações e aderência nos cadinhos especialmente os de porcelana e sílica) Não recomendado para elementos voláteis como F, Cl, Br, I, As, Ge, Hg, S, Se, Tl, Cd e Pb principalmente na forma de cloretos 40

41 ABERTURA - Decomposição por via seca em frascos de combustão com oxigênio - Método permite recuperar analitos voláteis da fase gasosa - A decomposição é feita em um frasco (Frasco de combustão de Schöniger) contendo uma solução absorvedora de íons: atmosfera de O 2 Ignição: - fora do frasco - recursos elétricos (lâmpada de IV + lente) fio de platina cesta de platina ou sílica: coloca-se a amostra embrulhada em Papel de filtro OBS: Figura retirada de slides didáticos do Prof. Edenir R. P. Filho (UFSCAR) 41

42 ABERTURA - Decomposição por via seca em frascos de combustão com oxigênio Características: - Utilizado para determinar elementos inorgânicos em tecidos biológicos - O tipo de frasco deve ser escolhido em função das espécies a serem determinadas (caso de F - : frascos de polietileno) - O tempo da queima é relativamente rápido, podendo-se gastar apenas 8 min para queimar 1 g de amostra - Os produtos de combustão não são absorvidos instantaneamente (usar soluções adequadas e agitação) e a combustão pode ser incompleta - Assim como na abertura convencional, pode-se empregar aditivos (misturados à amostra ou adicionados sobre o papel de filtro) 42

43 c) DIGESTÃO (ou MINERALIZAÇÃO) Determinações inorgânicas em amostras orgânicas ou inorgânicas É a decomposição de compostos inorgânicos em seus elementos constituintes, bem como a de orgânicos e organelas biológicas empregando-se ácidos minerais e aquecimento Muito utilizada por converter os analitos em uma forma química simples Calibração com padrões aquosos! Pequenas alterações na distribuição dos elementos nas amostras originais são mascaradas quando as amostras estão na forma de solução aquosa F. J. Krug, 2008,

44 DIGESTÃO (ou MINERALIZAÇÃO) Ácidos minerais oxidantes: (decomposição de orgânicos) ÁCIDO PERCLÓRICO (HClO 4 ) Alto poder de oxidação e que deve ser usado combinado com outros ácidos (como o nítrico) para evitar a formação de percloratos instáveis ÁCIDO SULFÚRICO (H 2 SO 4 ) Alto poder oxidante, mas a cinética de reação é bastante lenta. Por isso, é geralmente usado com outros ácidos, sendo que o uso com perclórico é perigoso 44

45 Ácidos minerais oxidantes (decomposição de orgânicos) ÁCIDO NÍTRICO (HNO 3 ) Solubilidade em água (20 C) solúvel Ponto de fusão -40 C Densidade 1.39 g/cm 3 (20 C) Ponto de Ebulição 121 C (1013 hpa) Pressão de Vapor 9.4 hpa (20 C) Poder de oxidação moderado, sendo usado em altas temperaturas e/ou em conjunto com outros reagentes É o ácido mais empregado (sozinho ou combinado) - Alta pureza - Formação de nitratos solúveis Reação genérica: (CH 2 ) n + 2HNO 3 + calor CO 2(g) + 2NO (g) + 2H 2 O O poder de oxidação depende da temperatura (fator limitante em sistemas abertos) 45

46 Ácidos minerais combinados entre si ou com peróxido: COMBINAÇÃO DE ÁCIDOS E REAGENTES HNO 3 + H 2 SO 4 : melhora a eficiência do nítrico em vaso aberto por possibilitar o uso de temperatura mais altas MAS o sulfúrico não é indicado para uso na espectrometria atômica (razões instrumentais e relacionadas à integridade da amostra) HNO 3 + HClO 4 : melhora a eficiência da digestão atuando como oxidante após todo o nítrico ter sido consumido HNO 3 + HCl: melhora a eficiência da digestão quando a amostra contem compostos inorgânicos Mas o clorídrico não é recomendado para uso em GF AAS nem ICP-MS Diversas proporções HNO3/ HCl podem ser otimizadas, sendo que a mistura de 3:1 v/v é bastante utilizada ( água régia ) HNO 3 + H 2 O 2 : aumenta a eficiência da digestão devido ser um poderoso agente oxidante. Vantagem: água é o produto de decomposição 46

47 DIGESTÃO (ou MINERALIZAÇÃO) Determinações inorgânicas em amostras orgânicas ou inorgânicas O ÁCIDOS FLUORÍDRICO (HF) TAMBÉM PODEM SER USADO COM CUIDADO! Dissolução de materiais silicatados (rochas, minerais, sedimentos) Também pode auxiliar na dissolução de aços A remoção do íon F - é necessária: forma complexos estáveis com muitos elementos químicos Alguns métodos, como a adição de ác. bórico (formação de B 2 F 6 que é volátil) As queimaduras com HF não são percebidas no momento e o mesmo pode chegar até os ossos! SE contato: lavar a região com água em abundância Utilizar solução contendo íons cálcio 47

48 Instrumentos para Digestão de Amostras em Frasco Aberto Formas de aquecimento (sistemas abertos): Chapa de aquecimento Banhos termostáticos - sem agitação - com agitação Bloco digestor Temperatura 48

49 Digestão de Amostras em Frasco Aberto Características: - Aplica-se a todos os tipos de amostras, exceto sólidos refratários ou que contenham compostos refratários - Permite o uso de quantidades flexíveis de amostra - Geralmente demora horas e consome quantidades relativamente grande de reagentes favorece a preconcentração de impurezas - Exige supervisão constante do analista - Favorece a perda de analitos voláteis 49