UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBACentro de Ciências Exatas e da Natureza Departamento de Química E-mail: [email protected] “Introdução aos Métodos Instrumentais de Análise Química” Disciplina: Química Analítica III Ministrante: Prof. Edvan Cirino da Silva Período: 08.2 João Pessoa - PB MÉTODOS INSTRUMENTAIS - Bibliografia Bibliografia 1. Apostila de Química Analítica Instrumental 2. D. A. Skoog e J. J. Leary - “Princípios de Análise Instrumental” – 5a Edição – Artmed Editora S.A. Porto Alegre (RS), 2002. 3. Otto Alcides Ohlweiler - “Fundamentos de Análise Instrumental” - Livros Técnicos e Científicos, Rio de Janeiro, Brasil, 1981. 4. M. L. S. S. Gonçalves - “Métodos Instrumentais para Análises de Soluções - Análise Quantitativa”, Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, Portugal, 1990. MÉTODOS INSTRUMENTAIS - Bibliografia Código: 26547 Autor: Douglas A. Skoog; F. James Holler; Timothy A. Nieman ISBN: 85-7307-976-2 Formato: 21x28 Ano: 2002 N. de páginas: 838 VALOR ATUAL: R$ 189,00 HOMEPAGE: http://www.artmed.com.br/WEB-PRODUTOS/resultado_busca.aspx INTRODUÇÃO - Terminologias AMOSTRA ANALÍTICA – pequena porção do material objeto da análise química que representa a composição média qualitativa e quantitativa da população. AMOSTRAGEM – conjunto de operações para obter uma pequena porção (amostra) representativa da composição média do todo. ANALITO – espécie química (cálcio, por exemplo) presente na amostra (p.e., leite) cuja concentração se deseja determinar em uma análise. SINAL ANALÍTICO (ou SINAL) - Resposta instrumental à propriedade do analito (absorbância, intensidade de emissão, etc.) MATRIZ – engloba todos os constituintes de amostra. Logo, além do analito a matriz contém os outros componentes chamados “concomitantes”. SENSIBILIDADE – capacidade de um instrumento em distinguir entre pequenas diferenças na concentração de um analito. LIMITE DE DETECÇÃO – é o menor nível de concentração (ou quantidade) de analito detectável por um instrumento. SELETIVIDADE – refere-se ao quão um método analítico está livre de interferências de outras espécies presentes na matriz. INTRODUÇÃO - Análise Química Análise Química Composição química de amostras Método Qualitativo Identifica espécies químicas Método Quantitativo Determinação do teor do analito, etc. Atômicas Análise Elementar Moleculares Elucidação Estrutural INTRODUÇÃO – Métodos Analíticos Métodos Analíticos Métodos Clássicos Métodos Instrumentais Gravimétricos Titulométricos Objeto de estudo deste curso! . etc . estatístico Clássico: Método graviméétrico. validação dos resultados: trat. etc.) .Tratamento químico (solventes. etc Instrumental: Método ótico ou elétrico. trituração.Tratamento mecânico (pesagem. etc. elétrica. reagentes.) Calibração. propriedade Óptica.ANÁLISE QUANTITATIVA TÍPICA 3 Problema Analítico 4 Tratamento dos dados analíticos 2 Tratamento Amostra Medida Analítica 1 Amostragem e Seleção do Método -Massa. . etc. PANORAMA DE UMA MEDIDA ANALÍTICA INSTRUMENTAL Dados Informação analítica Qualitativa (espectros. leituras em mostradores. etc) Quantitativa . Propriedades Medidas .MÉTODOS INSTRUMENTAIS . ♦ ♦ ♦ ♦ “ “ “ “ Eletroanalíticos. etc. Raman ♦ Espectrometria de Massa Atômica ou Molecular.MÉTODOS INSTRUMENTAIS . Cromatográficos.Classificação Métodos Quantitativos ♦ Métodos Espectroanalíticos. ♦ Espectroscopia no UV-Visível. de Identificação ou Caracterização ♦ Espectroscopia no Infravermelho. . Métodos Qualitativos. Termoanalíticos. Radioanalíticos. ♦ ♦ “ “ de Ressonância Magnética Nuclear. MÉTODOS INSTRUMENTAIS . Fluorescência e Difração . a) Espectrometria Atômica ♦ Espectrometria Atômica Óptica: Absorção.Classificação Métodos Espectroanalíticos Baseiam-se em medidas de absorção e emissão da radiação UV-Visível por espécies químicas atômicas ou moleculares. Emissão e Fluorescência ♦ Espectrometria de Massa Atômica ♦ Espectrometria Atômica de Raios X: Absorção. .Classificação b) Espectrometria Molecular ♦ Espectrometria Molecular Eletrônica: Absorção UV-VIS e Emissão por Luminescência (Fluorescência.MÉTODOS INSTRUMENTAIS . Fosforescência e Quimiluminescência) ♦ ♦ ♦ Espectrometrias no Infravermelho e Raman Espectrometria de Massa Molecular Espectrometria de Ressonância Magnética Nuclear OBS: Espectroscopia Termo geral para a ciência que estuda a interação das diferentes formas de energia com a matéria. ♦ Voltametria. ♦ Voltametria e potenciometria de redissolução anódica. ♦ Condutometria. ♦ Potenciometria. ♦ Coulometria. . tensão e resistência) das espécies químicas.MÉTODOS INSTRUMENTAIS . ♦ Eletrogravimetria.Classificação Métodos Eletroanalíticos São aqueles baseados em medidas de propriedades elétricas (corrente. por exemplo) com uma técnica de separação.MÉTODOS INSTRUMENTAIS . Métodos Cromatográficos São aqueles baseados na combinação de um método instrumental de análise (espectrofotométrico. Métodos Termoanalíticos Baseiam-se em medidas de calor emitido ou absorvido por espécies químicas. das . usando colunas empacotadas ou superfícies porosas..Classificação Métodos Radioanalíticos São os que se baseiam em medidas radioatividades emitidas por espécies químicas. CONCEITO DE DOMÍNIO DE DADOS Domínio de Dados Consiste nos diferentes modos de codificar a informação eletricamente. Tipos Não-elétricos Elétricos Veja a figura a seguir! . CONCEITO DE DOMÍNIO DE DADOS Mapa dos domínios de dados . INSTRUMENTO ANALÍTICO . CONVERSÃO ENTRE DOMÍNIO DE DADOS A figura abaixo ilustra as conversões entre os domínios de dados durante uma medida espectrofluorimétrica. . mostra-se o efeito do ruído sobre um sinal de uma corrente contínua.parte indesejada. Na figura abaixo (parte a).porta informação sobre o analito • o ruído .SINAIS E RUÍDO Toda medida analítica engloba: • o sinal analítico ou sinal . Na parte b. mostrase um gráfico teórico da mesma corrente sem ruído. . pois é informação espúria e afeta o limite de detecção. Relação Sinal-Ruído A relação sinal-ruído S/N é dada por S / N = média / desvio-padrão = xM / s Note que S/N corresponde ao inverso do desvio-padrão relativo. N.SINAIS E RUÍDO Observação Como a intensidade média do ruído. a relação sinal-ruído. RSD (Relative Standard Desviation). S / N = 1 / RSD . o efeito do ruído sobre o erro relativo de uma medida diminui com o aumento de S. é mais útil que o ruído sozinho para descrever qualidade da medida. praticamente independe da magnitude do sinal S. S/N (Signal-to-Noise Ratio). Por isso. Então. SINAIS E RUÍDO É difícil detectar um sinal quando S/N < 2 ou 3. . como ilustrado na figura abaixo que mostra o espectro de RMN da progesterona com S/N ≅ 4.3 (gráfico A) e 43 (gráfico B). ou seja. .TIPOS DE RUÍDO Os ruídos que afetam uma análise química podem se enquadrar em duas classes: ♦ Ruído Químico ♦ Ruído Instrumental Ruído Químico Origina-se de diversas variáveis que afetam a química do sistema analítico (ex. variações não-detectadas na temperatura que afetam a posição de um equilíbrio químico. etc.) Ruído Instrumental Ruído relacionado aos componentes eletrônicos do instrumento de medida. à fonte.: flutuação na umidade relativa. aos transdutores de entrada e de saída. etc. TIPOS DE RUÍDO Ruído Instrumental Tipos Térmico Shot Flicker . Quím. . A (matemática) constitui o modelo de calibração. 19 (1996) 268.CALIBRAÇÃO EM ANÁLISE QUÍMICA INSTRUMENTAL Calibração: Processo que busca relacionar o sinal analítico medido com a concentração relação funcional do analito. OBS: Para maiores detalhes. Nova. consultar o artigo da referência abaixo: ⇒ Calibração: Uma Revisão para Químicos Analíticos. CALIBRAÇÃO EM ANÁLISE QUÍMICA INSTRUMENTAL Regressão linear pelo Método dos Mínimos Quadrados (MMQ) . padrão. xi ^ • yi • b0 e b1 = estimativas dos coeficientes linear e angular da reta de regressão . o modelo linear fornece uma estimativa pela equação de regressão: onde: ^ yi = b 0 + b1x i = valor estimado ou previsto para a concentração das soluções.CALIBRAÇÃO EM ANÁLISE QUÍMICA INSTRUMENTAL Para cada resposta instrumental (ou sinal analítico). (ye)i = yi – b0 – b1 xi MMQ SQ r = ∑ e → mínimo 2 i .CALIBRAÇÃO EM ANÁLISE QUÍMICA INSTRUMENTAL O resíduo deixado pelo modelo (reta) é dado por: ei = yi . CALIBRAÇÃO EM ANÁLISE QUÍMICA INSTRUMENTAL Para minimizar SQr. deriva-se a função em relação a b1 e b0 e igualam-se as derivadas a zero obtendo-se: n ⋅ ∑ x i ⋅ yi − ∑ x i ⋅ ∑ yi b1 = 2 2 n ⋅ ∑ ( x i ) − (∑ x i ) b0 ∑ y i − b1 ⋅ ∑ x i = n onde: n ⇒ no total de medidas . obtém-se: ^ y0 − b0 ( xe ) 0 = b1 .CALIBRAÇÃO EM ANÁLISE QUÍMICA INSTRUMENTAL Estimando a concentração da amostra Por meio da equação curva analítica yi = b 0 + b1x i e do sinal analítico da amostra (y0). Estimando a concentração da amostra graficamente .CALIBRAÇÃO EM ANÁLISE QUÍMICA INSTRUMENTAL Curva Analítica Figura . ♦ xm = média das concentrações dos padrões. . ♦ s = desvio-padrão das concentrações estimadas. ♦ (xe)0 = valor estimado da concentração da amostra. ♦ n = no de níveis de concentração dos padrões.CALIBRAÇÃO EM ANÁLISE QUÍMICA INSTRUMENTAL Intervalo de confiança O intervalo de confiança para a concentração do analito na amostra é dado por: t⋅s x0 = ( xe ) 0 ± b1 Onde: 1 1 [( xe ) 0 − xm ] + + 2 q n ∑ ( xi − xm ) 2 ♦q = no de medidas do sinal da mesma amostra. Limite de detecção 5. Faixa dinâmica 6.MÉTODO ANALÍTICO . Tendência 3. Precisão 2.Figuras de Mérito A tabela abaixo mostra as figuras de mérito fundamentais que podem ser usadas na escolha de um método analítico. . Critério 1.: Figuras de mérito são critérios (ou características) numérico(a)s para avaliar a eficiência de um instrumento ou método analítico. variança Erros sistemáticos absoluto e relativo Sensibilidades de calibração e analítica Branco mais três vezes o desvio-padrão dos sinais do branco Limite de quantificação até o limite de linearidade Coeficiente de seletividade OBS. Sensibilidade 4. coeficiente de variação. Seletividade Figura de Mérito Desvios-padrão absoluto e relativo. Figuras de mérito para a precisão de métodos analíticos .Figuras de Mérito Tabela .MÉTODO ANALÍTICO . γ. E como desvantagem temos: • dependência da concentração (C). Mandel e Stiehler propuseram a sensibilidade analítica . pois s pode variar com C . Para resolver esse problema. definida por γ = b1 / s onde s é o desvio-padrão da medida e b1 representa a inclinação da curva analítica.MÉTODO ANALÍTICO . mas essa definição falha por não considerar a precisão das medidas individuais. Sensibilidade Analítica x Sensibilidade de Calibração Como vantagens da sensibilidade analítica destacam-se: • menor susceptibilidade aos fatores de amplificação do sinal • seu valor independe das unidades de medida de s.Figuras de Mérito Sensibilidade Segundo a IUPAC a sensibilidade de calibração é dada pela inclinação da curva analítica. 1987.Figuras de Mérito Limite de Detecção O sinal mínimo distinguível. o valor de Cm. Por fim. Ref. o valor 3 é adotado para o k. (*) Segundo Kaiser. Determinação Experimental de Smv Realizam-se 20 a 30 medidas do branco para obter sbr. 42. é encontrado pela expressão Cm = (Sm .: H. 53A . do branco é dado por: Sm = SMbr + k sbr (k = 3 com 95% de confiança*) onde SMbr e sbr são o sinal médio e o desvio-padrão das medidas do branco. Por isso. definido quantitativamente como limite de detecção. Kaiser. Chem. respectivamente. a distribuição não pode ser estritamente normal para os resultados das medidas do branco. Anal.SMbr) / b1 = 3 sbr / b1 que é derivada da equação de uma curva analítica. Sm.MÉTODO ANALÍTICO . bem como LOQ e LOL.Figuras de Mérito Faixa Dinâmica É a faixa que se estende do limite de quantificação (LOQ – limit of quantitation) até onde ocorre um desvio da linearidade (LOL .MÉTODO ANALÍTICO .limit of linearity). O LOQ = 10 sbr A figura abaixo ilustra graficamente a faixa dinâmica. Em termos de concentração: CD = 10 sbr / b1 . considere uma amostra que contém um analito A sujeita aos interferentes B e C. mB e mC são suas sensibilidades de calibração .Figuras de Mérito Seletividade Para avaliar quantitativamente a influência dos interferentes químicos.Sbr é o sinal do instrumento para o branco . CB e CC são as concentrações das espécies A.mA.CA. B e C .MÉTODO ANALÍTICO . Então o sinal instrumental total é dado por S = mA CA + mB CB + mC CC + Sbr onde: . A.A Ci) + Sbr Observações Sobre ki. embora não seja usada habitualmente. exceto para caracterizar o desempenho de eletrodos íon-seletivos.A CC + .A = mi / mA de modo que S = mA (CA + kB..A • pode assumir valores próximos 0 (baixa interferência) até maiores que 1 (alta interferência) • assume valor negativo quando a interferência promove uma redução no sinal do analito • é uma figura de mérito importante. ki. + ki.MÉTODO ANALÍTICO .. .Figuras de Mérito Coeficiente de Seletividade O coeficiente de seletividade para A com relação a i (interferente).A CB + kC. é dado por: ki. etc. difração.A Natureza da Radiação Eletromagnética (REM) REM é um tipo de energia transmitida através do espaço a velocidades altíssimas. ♦ Corpusculares . etc. . refração. reflexão.Absorção e emissão da REM por espécies químicas. polarização.Interferência. REM pode apresentar propriedades: ♦ Ondulatórias . O Modelo Ondulatório Campo Elétrico Radiação Não Polarizada E M Campo Magnético E M Radiação Plano Polarizada .REM . O Modelo Ondulatório Representação bidimensional do campo elétrico λ . comprimento de onda y Amplitude (A) Tempo ou distância y = A sen(2πν t + φ) Energia α quadrado de A .REM . comprimento de onda (λ) λ .freqüência (ν) – ν = 1 / p ν .índice de refração (ni=c / vi ) ⇒ nsólidos > nlíquidos > ngases .velocidade da onda (vi ) ⇒ vi = ν⋅λi (i = meio material qualquer). .amplitude (A) .potência radiante (P) ⇒ proporcional a lAl 2.período (p) . No vácuo ⇒ vi independe de ν e alcança o seu seu máximo (3 x 108 m/s).REM . .Parâmetros Ondulatórios O movimento ondulatório é caracterizado pelos seguintes parâmetros: . O Modelo Ondulatório Na figura abaixo. .REM . ilustra-se o efeito da mudança do meio sobre a REM. O Modelo Ondulatório Refração Densidade dos meios: M2 > M1 A Lei de Snell explica a magnitude da refração: senθ1 n2 v2 = = senθ 2 n1 v1 .REM . .REM . a interferência destrutiva é total (caso c). OBS: Se ocorrer um cancelamento. ♦ Destrutivas ⇒ quando diminui a amplitude (caso b).O Modelo Ondulatório Interferências ♦ Construtivas ⇒ quando aumenta amplitude (caso a). fenômenos óticos. .O Modelo Corpuscular Todavia. De acordo com esse modelo.6256 x 10-34 J s) ♦ ν é freqüência de radiação (em s-1 ou Hz) Se a REM se propaga no vácuo. a REM é constituída de partículas. A energia de um fóton é dado pela equação de Planck: E = hν ν onde: ♦ h é a constante de Planck (h = 6. tais como: ♦ o efeito fotoelétrico (elucidado por Einstein) ♦ absorção e emissão de luz por espécies químicas são explicados usando o modelo corpuscular da REM.REM . denominadas fótons. temos: E = h c/λ λ onde: ♦ c é a velocidade de propagação da REM no vácuo ♦ λ é o comprimento de onda. O Modelo Corpuscular Efeito fotoelétrico .REM . O Modelo Corpuscular Efeito fotoelétrico Aplicando a lei da conservação da energia: 1 2 hν =ω o + mv 2 ou (1 / 2) mv = hν − ωo 2 ωo = função trabalho .REM . REM .O Modelo Corpuscular Efeito fotoelétrico . REM .O Modelo Corpuscular Efeito fotoelétrico . 1021 Energia ν .Espectro Eletromagnético Distribuição da REM em função do comprimento de onda ou da freqüência (figura abaixo). Hz 107 1019 Raios γ Raios X 1016 1015 LUZ 1012 109 Microondas UV visível NIR MID . rotações moleculares e vibrações fracas 1011 .2x1014 1.5x1014 7.75 .rotações moleculares 1x10-3 .10-8 ν Hertz 1020 .V. Afastado Microondas 10-8 .V.1x103 6x1012 .elétrons das camadas intermediárias .) .200 ηm 200 .5 µm 2. V. 2s. V.100 cm λ Metro 10-12 .1000 µm 0.2x10-7 2x10-7 .5x1014 4x1014 4x1014 1.5x10-7 7.vibrações moleculares .108 . Afastado U.5 .400 ηm 400 .5x10-6 2.vibrações moleculares TRANSIÇÕES U.1 .1016 .V. próximo Visível I.2.1 .Intermedi ário I.102 Ao 10 . etc.4x107 1016 .5x10-6 5x10-5 5x10-5 . Próximo I.750 ηm 0.elétrons de orbitais internos (1s.elétrons de valência .1011 .1015 1015 7.elétrons de valência .5x10-72.50 µm 50 .2x1014 6x1012 4x10-7 7.Espectro Eletromagnético e Tipos de Transição FAIXAS RADIAÇÃO Unidade Usual Raio-X 10-2 . Espectro Eletromagnético e Tipos de Transição eeEstado excitado (Eexc) Absorção Emissão e- e- Estado fundamental (Efund) Efóton hc = = Eexc − Efund = ∆E λ λ fóton hc = ∆E . ♦ Cores primárias ⇒ Vermelho. ♦ Radiação monocromática ⇒ Composta de um único “λ”. ♦ Cor ⇒ A cor não é uma característica de um objeto ou da luz.Tipos de REM e Conceitos de Cores ♦ Radiação policromática ⇒ Composta de vários “λ”. verde e azul. ♦ Cores secundárias ⇒ Resultam da combinação de duas cores primárias com igual intensidade. ♦ Cor espectral pura ⇒ Cor da radiação monocromática na região do visível. uma sensação. mas uma percepção humana. ou seja. isto é: ♦ Magenta = vermelho + azul ♦ Ciano = verde + azul ♦ Amarelo = vermelho + verde . REM – Cores Secundárias . . ♦ ou cor branca ⇒ combinação de qualquer cor secundária com sua oposta.a vermelha é oposta ao ciano .a cor verde é oposta ao magenta .Tipos REM e Conceitos de Cores ♦ Cor oposta a uma secundária ⇒ cor primária que não entrou em sua composição. Exemplos: .a cor azul é oposta ao amarelo ♦ Cor branca ⇒ resultante da combinação das cores primárias com máxima intensidade. Conceito de Cor Complementar Cor complementar Resulta da interação entre um feixe de luz branca (policromática) e o material absorvente. ou seja. OBS. a cor de uma solução colorida que nossos olhos percebem é uma cor complementar da radiação absorvida. Um exemplo: a cor vermelho-púrpura das soluções de KMnO4 relaciona-se com a uma absorção mais intensa dessa substância na região verde (λ = 525 nm). . Assim.REM . a radiação emergente será um complemento da radiação branca menos a radiação absorvida por uma ou mais substâncias.: Cor Complementar é um conceito útil em espectrometria molecular UV-VIS. 576 576 .571 571 .587 587 .559 559 .Conceito de Cor Complementar A Tabela abaixo mostra as cores da radiação visível em função dos intervalos de λ.597 597 .617 617 – 780 violeta azul azul-esverdeado turquesa verde-azulado verde verde-amarelado amarelo-verde amareloesverdeado amarelo laranja-amarelado alaranjado laranjaavermelhado Vermelho Cor Complemento verde-amarelo amarelo alaranjado vermelhoalaranjado vermelho vermelho-púrpura púrpuraavermelhado púrpura violeta azul azul azul-esverdeado turquesa turquesa .487 487 . bem como suas cores complementares.465 465 .493 493 . Intervalo aproximado de λ(nm) 400 .530 530 .498 498 .580 580 .REM .482 482 .
Report "Introducao Ao Metodos Instrumentais de Analise"