Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 1 Universidade Federal de Juiz de Fora Instituto de Ciências Exatas Departamento de Química Disciplina Metodologia Analítica QUI102 1 semestre 2013 AULA 02 Profa. Maria Auxiliadora Costa Matos Download aulas: http://www.ufjf.br/nupis/
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 2 TRATAMENTO DAS AMOSTRAS A primeira etapa de uma análise consiste em submeter a amostra a um tratamento adequado visando sua preparação para os passos subsequentes da análise. Pré-tratamento Tratamento Preliminares Preparo da amostra PREPARO DA AMOSTRA Processo que converte uma amostra bruta em uma amostra homogênea de laboratório. Também, refere-se, as etapas que eliminam as espécies interferentes ou que concentram os constituintes em análise. Melhor resultado no menor tempo; Mínima contaminação; Baixo consumo de reagentes; Menor geração de resíduos. a) Operações prévias. b) Dissolução, decomposição da amostra. c) Separação dos constituintes. d) Concentração do analito.
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 3 a) Operações prévias: normalmente são procedimentos físicos Análise direta de sólidos: ex. espectrometria de fluorescência de raios X (polimento da superfície). Lavagem: Normalmente é utilizado para remoção de poeiras, terra, areia e ou outros resíduos do local de coleta que poderiam causar contaminação. Neste procedimento é importante considerar o risco de perda de componentes de interesse por lixiviação, principalmente nos casos de microanálises. Ex procedimentos: lavagem com água ou detergente neutro ( 0,3 %v/v). Ex. Organismos (raízes, frutos e folhas de plantas; bivalves; amostras de cabelo, etc). Secagem: Utilizado principalmente em amostras sólidas com teor variável de águas. O processo e as condições de temperatura são selecionados conforme os riscos de perdas por volatilização ou decomposição térmica da amostra. Ex processos: Estufa, liofilizador ou dessecador. Ex amostras (compostos estudados): solos e sedimentos 105 C (não voláteis) e 45 C (poluentes orgânicos voláteis).
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 4 Moagem de sólidos: Na moagem em moinhos geralmente ocorre o choque entre a amostra e o material que compõem o moinho. O material do moinho poderá ser uma fonte de contaminação da amostra. A moagem da amostra promove: -Redução do tamanho das partículas aumenta a área superficial da amostra promovendo maior interação com os reagentes, facilitando a dissolução, extração, etc. da amostra. -Homogeneidade da amostra -Pode causar alteração da composição (calor, oxidação) Ex: Moagem grosseira 5 mm (moinhos de facas), Moagem fina 63 µm (almofariz, moinhos de discos), Moagem extrafina 63 µm (moinho de bolas, moinhos de jatos de ar, Moinho criogênicos). Filtração Em algumas técnicas analíticas é importante a remoção de partículas em suspensão. Ex. HPLC. -Pré-filtro de fibra de vidro com porosidade de 1 a 5 m para amostras com elevado teor de sólidos. -Filtros de membrana com porosidade de 0,45 m ou 0,20 m O líquido recolhido é considerado a fração solúvel da amostra. Ex.: Membrana de teflon, de celulose, de nylon, etc
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 5 Moinho de facas Moinho de discos Almofariz de ágata Moinho de jato de ar promove o choque entre as partículas da própria amostra. Moinho criogênicos Os materiais sensíveis ao calor ou com baixo ponto de fusão podem ser moídos através do processo criogênico. -Aumento da produtividade 2 a 3 vezes, -Partículas com distribuição granulométrica mais fina - Redução de desgaste das ferramentas de moagem - Atmosfera inerte. Moinho de bola
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 6 b) Separação dos constituintes: os objetivos são geralmente pré-concentração dos analitos, a eliminação ou redução de interferentes de forma que a informação analítica quantitativa sobre a mistura complexa possa ser obtida. Geralmente é realizada após a dissolução ou decomposição da amostra. Isolam o analito dos constituintes potencialmente interferentes. Extração líquida Extração em fase sólida (SPE) Cromatografia em colunas abertas Destilação, vaporização, etc
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 7 DECOMPOSIÇÃO E DISSOLUÇÃO DE AMOSTRAS A maioria das técnicas analíticas requer que a amostra esteja em solução, sendo geralmente uma solução aquosa. Vantagens Facilidade no preparo de curvas analíticas Fácil diluição da amostra Separação de constituintes Desvantagens Solubilidade Decomposição química drástica Dissolução (solubilização): Transformação direta da amostra em uma solução, envolvendo ou não uma reação química. Abertura (decomposição): Converter a amostra através de uma reação química em outra forma sólida que seja facilmente solúvel. São processos mais enérgicos de tratamento. Digestão termo empregado para decomposição materiais orgânicos.
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 8 DISSOLUÇÃO DE AMOSTRAS INORGÂNICAS 1. Dissolução direta em água sem reações químicas 2. Dissolução em ácido ou mistura de ácidos, com mudança do estado de oxidação do analito. 3. Dissolução após fusão da amostra com fundente. PROCEDIMENTO IDEAL Capaz de dissolver a amostra completamente, sem deixar nenhum resíduo. Razoavelmente rápido. Os reagentes utilizados não devem interferir na separação e na determinação do(s) analito(s) devem ser de fácil remoção da solução da amostra. Os reagentes devem ter alto grau de pureza para não contaminar a amostra. As perdas dos analitos por volatilização, formação de aerossóis, adsorção e absorção nas paredes dos recipientes de reação deverão ser desprezíveis. O recipiente onde ocorre a reação deve ser inerte aos reagentes e amostra. As contaminações do ambiente devem ser desprezeis Mínimo de insalubridade A solução final deverá conter todos os analitos de interesse.
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 9 DISSOLUÇÃO & DECOMPOSIÇÃO: FONTES DE ERROS Dissolução incompleta dos analitos. Perdas do analito por volatilização - ácidos fortes (CO 2, SO 2, H 2 S, etc.), meio alcalino (NH 3 ), agentes oxidantes (Cl 2, Br 2 ou I 2 ), agentes redutores (arsina AsH 3 ). Contaminação dos reagentes - critico para análise de componentes traços. Contaminação por recipientes da amostra - ocorre geralmente em decomposição envolvendo fusão a temperaturas elevadas, sendo um fato critico para análise de componentes traços. ASPECTOS ASSOCIADOS À SEGURANÇA Possibilidade de queimaduras com HF Possibilidade de explosões com uso de HClO 4 Formação de vapores tóxicos de ácidos voláteis e de produtos gasosos (H 2 S, SO 2, Cl 2, NO 2.
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 10 MÉTODOS PARA DISSOLUÇÃO EM ÁCIDOS Em alguns casos o tratamento com ácidos pode resultar em uma dissolução não quantitativa das amostras, ou seja, uma dissolução seletiva. A escolha do ácido ou mistura de ácidos: Composição da amostra, Propriedades químicas e concentração do analito, Forma associação do analito a matriz. Propriedades dos ácidos Força do ácido Ponto de ebulição Poder oxidante Poder complexante Solubilidade dos sais correspondentes Grau de pureza ou facilidade de purificação Segurança de manipulação HCl HNO 3 H 2 SO 4 HClO 4 (risco de explosões - concentração superior a 72%) HF (muito utilizado para silicatos)
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 11 A) ÁCIDOS MINERAIS DILUÍDOS Utilizado quando a amostra é insolúvel em água. Normalmente há a formação de um sal do metal solúvel em água, ou algum outro produto dependendo da natureza química da amostra. Recomendado com método preliminar Maioria dos metais mais eletropositivo que H, óxidos simples, carbonatos e sulfatos dos metais. (Exceção: Cu Cu 2+ ) Passivação: formação de uma película insolúvel dos óxidos que impedi a ação do ácido.ex.: Al, Cr, Mo e W. B) ÁCIDOS MINERAIS CONCENTRADOS Aplicados a materiais mais resistentes, ligas metálicas, minerais comuns, solos, rochas, argilas, aluminatos e silicatos (quente). Ebulição em frasco aberto coberto com vidro de relógio Ebulição com refluxo Ebulição com evaporação do ácido até quase a secura Sistema fechado
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 12 c) MISTURA DE ÁCIDOS A dissolução da amostra pode ser feita inicialmente com uma mistura de dois ácidos seguida da adição de um terceiro ácido ou vice-versa. Diferentes propriedades, químicas e físicas, úteis podem ser combinadas. Ex: Complexante e oxidante HF e HNO 3, HF e HClO 4 Reação entre os ácidos formando produtos mais reativos Ex: Água Régia HNO 3 /HCl (3:1), formação cloreto de nitrosila (NOCl) eficiente para metais nobres. Moderação de uma propriedade. Ex: HNO 3 e HClO 4 HNO 3 modera a ação oxidante do HClO 4 d) MISTURA DE ÁCIDOS COM OUTROS REAGENTES Agentes oxidantes Aumentar o poder oxidante Ex: H 2 O 2 é utilizada como oxidante auxiliar (agente oxidante poderoso, alto grau de pureza, forma H 2 O como produto de decomposição). Eletrólitos inertes Aumentar o ponto de ebulição do ácido promovendo uma maior temperatura final para a dissolução da amostra. Ex: Na 2 SO 4, K 2 SO 4, (NH 4 ) 2 SO 4 aumenta p.e. do H 2 SO 4.
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 13 DECOMPOSIÇÃO POR FUSÃO Método empregado quando as amostras sólidas não são dissolvidas com ácidos minerais concentrados a quente ou são lentamente atacados pelos ácidos ou parcialmente dissolvidos. É também empregado para amostras que formam soluções instáveis ou pouco solúveis com tratamento ácido. A amostra moída é misturada ao fundente em uma proporção adequada e colocada em um cadinho (de porcelana ou níquel ou platina). A mistura é aquecida até que a mistura fique totalmente dissolvida na solução fundida. Após resfriamento a temperatura ambiente, o líquido fundido se solidifica, porém deverá ser facilmente dissolvido em água ou ácido diluído. Ex amostras: Cimentos, aluminatos, silicatos, minérios Ti, Zr, minérios mistos de Be, Si, Al, resíduos insolúveis de Fe, óxidos de Cr, Si, e Fe, óxidos mistos de tungstênio, silício e alumínio. Fundente sal de um metal alcalino. Fundido mistura final solúvel em água ou ácidos.
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 14 DECOMPOSIÇÃO POR FUSÃO Características Alcança altas temperaturas (300 a mais de 1000 C). Normalmente necessita de alta proporção do fundente em relação a amostra (10:1). Perdas por volatilização Contaminação por impurezas do reagente Contaminação por material resultante do ataque ao recipiente. Tipos de fundentes a) Básicos - Usados para o tratamento de materiais ácidos. Ex: carbonatos, hidróxido, peróxidos e boratos de metais alcalinos. b) Ácidos - Usados para tratamento de materiais básicos. Ex: pirofosfato, fluoreto é óxidos de boro. Ex. Na 2 CO 3 é utilizado para decomposição de matérias contendo sílica. Após a fusão é obtido silicato de sódio. Na 2 CO 3 2Na + + CO 2 + O 2- Aquecimento em mufla Ex. fundentes (PF): Na 2 CO 3 (851 C), NaOH (318 C), B 2 O 3 (450 C), Li 2 B 4 O 7 (920 C) Na 2 O 2. SiO 2 + O 2- Na 2 SiO 3 (sílica) (silicato de sódio solúvel em água)
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 15 EXTRAÇÃO ASSISTIDA POR ULTRASSOM A irradiação de ultrassom em soluções induz o fenômeno de cavitação acústica no meio líquido. Na interface sólido-líquido ocorre, crescimento e implosão de bolhas de cavitação que leva a formação de micro jatos com energia suficiente para causar fragmentação e aumento da área superficial para extração. Há também o surgimento de fissuras nas partículasa da amostra através das quais a solução extratora poderá penetrar no interior das partículas. Há diminuição do gradiente de concentração pelo aumento do transporte de massas ocasionado pela turbulência e micro jatos. Micro jato Banhos Ultra-som: acoplamento de um ou mais cristais piezelétricos na parte inferior de um vaso metálico. Aplicando uma diferença de potencial nas faces laterais de um transdutor piezelétrico, são provocadas vibrações nas faces perpendiculares do dispositivo, e este vibrará a uma freqüência pré-determinada (20 e 40 khz)
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 16 DECOMPOSIÇÃO POR MICRO-ONDAS Micro-ondas são radiações eletromagnéticas, portadoras de energia, com frequências que varia de 300 a 300000 MHz. Para fins científicos a usual é 2450 MHz (comprimento de onda 12,2 cm e energia 10-5 ev). Decomposição assistida por micro-ondas facilita a medida da temperatura e pressão do mistura amostra-ácido durante a reação. Permiti realizar decomposição em recipientes fechados em pressões elevadas, sob temperaturas maiores que podem ser monitoradas continuamente. A programação do tempo e da potência aplicada podem ser controlados para melhorar a decomposição da amostra. Quando um material não transparente às micro-ondas absorve este tipo de radiação, o material sofre aumento considerável na sua temperatura devido a interação da radiação eletromagnética com íons dissolvidos e com o solvente, provocando os fenômenos de migração iônica e rotação de dipolos.
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 17 DECOMPOSIÇÃO POR MICRO-ONDAS Migração iônica (íons): os íons se deslocam produzindo fluxo de corrente. O movimento de outros íons no fluxo oposto produz calor, aumentando a temperatura no meio. Micro-ondas não são radiações ionizantes. A energia das microondas é muito menor que a energia necessária para quebrar as ligações das moléculas orgânicas mais comuns. Rotação de dipolos (Solvente): as moléculas dipolares se alinham com os polos do campo elétrico alternado gerado pela radiação micro-ondas. Aplicação: Decomposição de amostras orgânicas e inorgânicas.
FORNOS DE MICRO-ONDAS Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 18 Forno Micro-ondas com cavidades A radiação produzida pelo magnetron é transportada através do guia de ondas para a cavidade, sendo dispersa em direções especificas, permitindo maior irradiação da zona próxima a cavidade. Magnetrons Ânodo e cátodo e uma série de cavidades. Ao aplicar alta voltagem são gerados elétrons que entram em ressonância sob influência do campo magnético produzindo oscilações Forno Micro-ondas com cavidades Forno Micro-ondas focalizado Decomposição em frascos fechados (quartzo, vidro borosilicato ou PTFE) e sob pressão atmosférica. Uma tampa é adaptada na parte superior impedindo a contaminação pelo ar e permitido adição de reagentes. Forno Micro-ondas focalizado
EXTRAÇÃO LÍQUIDO-SÓLIDO Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 19 Amostra é a fase líquida e a fase extratora é um sólido. Concentração de compostos orgânicos semi-voláteis (demanda emergencial). EXTRAÇÃO EM FASE SÓLIDA (SPE) Polipropileno (grau médico) Técnica de separação baseada nos mecanismos de separação da cromatografia líquida clássica. A solução contendo a amostra é colocada no topo do cartucho de Reservatório extração (contem a fase sólida), sendo aspirada com um pequeno vácuo, ou pressionada com uma seringa ou gás. Fase sólida Disco polietileno (20 µm) Após a fase líquida ter sido drenada, o analito retido no cartucho é eluido com um pequeno volume de solvente, de forma a obter a solução do analito em concentração apropriada para a análise.
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 20 PRINCIPAIS ETAPAS EMPREGADAS EM SPE SPE_Manifold
MODOS DE OPERAÇÃO EM SPE Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 21 1. Concentração do analito: Enriquecimento Um grande volume de amostra é passado pelo cartucho, o analito é retido na fase estacionária, eluindo os interferentes e o solvente. Na etapa seguinte, o composto de interesse é eluido com pequeno volume de solvente obtendo-se uma solução concentrada do analito. 2. Isolamento do analito (clean up) O objetivo principal é isolar os analitos de interesse dos interferentes da matriz. Em alguns casos, o analito está presente na amostra em concentração adequada para a análise, porém alguns constituintes da matriz podem interferir na análise. Em outros casos, o isolamento e concentração da amostra são realizados no mesmo procedimento. Ex. Análise de HPAs em amostras de água potável.
MODOS DE OPERAÇÃO EM SPE Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 22 3. Isolamento do matriz (clean up) Apenas os interferentes da matriz são retidos na fase sólida. O analito elui direto com solvente e é coletado para a análise. 4. Estocagem do analito A amostra é passada pelo cartucho, os analitos são retidos na fase sólida e em seguida são conservados em baixas temperaturas até o momento de eluição. As vantagens deste método são: evitar transporte de grandes volumes de amostras, permitir análise de compostos lábeis ou voláteis, coleta de amostras em locais distante do laboratório de análise. Há necessidade de estudos preliminar sobre estabilidade do analito no cartucho (tempo de estocagem, temperatura, natureza da fase).
Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 23 MICROEXTRAÇÃO EM FASE SÓLIDA (SPME) Técnica baseada na sorção dos analitos por uma fibra de sílica modificada quimicamente com posterior dessorção térmica do analitos em um cromatógrafo a gás. A seringa é utilizada para introduzir a fibra no injetor e para protegê-la enquanto não estiver em uso. Fibras 10 cm (1 a 2 cm recoberto com fase estacionária) Di ext fibra 170 μm
MODO DE EXTRAÇÃO Metodologia Analítica I sem/2013 Profa Ma Auxiliadora - 24 1. Extração direta: (Volatilidade média a baixa Amostras gasosas, líquidas) O recobrimento da fibra é inserido na diretamente na amostra e os analitos são transportados da amostra par a fase extratora. A agitação mecânica é utilizada pra acelerar este processo. Em amostras gasosas, a convecção natural do ar é suficiente para estabelecer o equilíbrio. 2. Headspace: (Volatilidade média a alta Amostras líquidas e sólidas) Os analitos devem ser transportados através de barreiras de ar antes de atingirem o recobrimento da fibra. Este procedimento protege a fibra de possíveis danos causados por interferentes de elevada massa molar ou baixa volatilidade (materiais húmicos), proteínas, etc. Permiti modificação da matriz sem danos na fibra (ph). A concentração de equilíbrio independe da localização da fibra no headspace. 3. Extração indireta: (Volatilidade baixa amostras complexas) Membrana protetora sobre a fibra para sua proteção amostras de fluidos biológicos.