Prof. Valmir F.Juliano 2º/2010 QUI624 I TRODUÇÃO AOS MÉTODOS I STRUME TAIS DE A ÁLISE Bibliografia 1. Holler, F. J.; SKOOG, D. A.; Crouch, S. R. Princípios de Análise Instrumental. 6ª ed. Bookman, Porto Alegre, 2009. 2. Skoog, D. A.; West, D. M.; Holler, F. J.; Crouch, S. R. Fundamentos de Química Analítica. 8ª ed. Pioneira Thomson Learning, São Paulo, 2006. 3. Skoog, D. A.; Holler, F. J.; Nieman, T. A. Princípios de Análise Instrumental. 5ª ed. Bookman, Porto Alegre, 2002. 4. Harris, D. A. Análise Química Quantitativa. 6ª ed. LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora, Rio de Janeiro, 2005. 5. Ohlweiler, O. A. Fundamentos da Análise Instrumental. Livros Técnicos e Científicos Ed. RJ. 1981. 6. Ewing, G. W. Métodos Instrumentais de Análise Química. Vol. I, Ed da USP, SP, 1977. 7. Willard, H. H. et al. Instrumental Methods of Analysis. 7th ed. Wadswoth Publishing Company, California, 1988. 8. Christian, G. D.: Reilly, J. E. Instrumental Analysis. 2 th ed. Allyn and Bacon, Inc. Boston, 1986. extração com solventes.A Química Analítica trata de métodos para a determinação Quí Analí mé determinaç da composição química das amostras. diluição Filtração. mistura para homogeneização. mediante métodos de rotina. Preparação de uma amostra analítica Exemplos de procedimentos Depende do tamanho e da natureza física da amostra Redução do tamanho das partículas. Apresentação dos resultados . a ciência que persegue o objetivo de quí Métodos os problemasede composição resolver Qualitativos Quantitativos composiç com operações de rotina”. calibração Cálculo dos resultados analíticos Impressão e arquivamento 3. operaç rotina” Informações numéricas Identidade das espécies atômicas ou relativas a um ou mais moleculares ou dos grupos funcionais componentes de uma amostra presentes em uma amostra Estágios de uma análise quantitativa Está aná Etapas 1. fusão. Dissolução da amostra 4. composiç quí Análise Química X Química Analítica = “A análise química é um aná quí conjunto de técnicas e manipulações destinadas a té manipulaç proporcionar o conhecimento da composição composiç qualitativa e quantitativa de uma amostra. Medidas na amostra 6. A química analítica é quí analí um ramo da química. uso de solvente. Resultados 7. ignição. determinação do peso ou do volume da amostra Aquecimento. separação cromatográfica Padronização. secagem. Remoção de interferentes 5. Amostragem 2. EXTRAÇÃO OU DESTILAÇÃO •Análise Qualitativa: reações específicas gerando produtos caracterizados por cor. solubilidade. Método Clássico: • Baseiam-se na separação dos ANALITOS por: PRECIPITAÇÃO.AMOSTRAGEM Análise de Alumínio em Água do Mar Análise de Sódio e Cálcio em Solo Métodos CLÁSSICOS versus INSTRUMENTAIS CLÁ Designação histórica. pois os dois métodos têm uma diferença temporal pouco maior que um século. etc. . •Análise Quantitativa: medidas titulométricas (volumétricos) ou gravimétricas. ponto de fusão ou ebulição. extração e destilação. Muitos dos fenômenos por trás de métodos instrumentais são conhecidos há um século ou mais. instrumentos . Potencial de eletrodo. A aplicação de tais fenômenos.Por analistas que conhecem os instrumentos! . • Técnicas eficientes de cromatografia e eletroforese substituíram os métodos de precipitação. O crescimento dos métodos instrumentais de análise mé aná modernos tem ocorrido paralelamente ao desenvolvimento das indústrias eletrônicas e de indú computadores. computadores Métodos INSTRUMENTAIS Métodos realizados em instrumentos.Não por instrumentos! . etc.Métodos CLÁSSICOS versus INSTRUMENTAIS CLÁ Método Instrumental – Início do século XX: • Baseiam-se em medidas físicas dos ANALITOS: Condutividade. Emissão ou absorção de luz. contudo. foi adiada pela falta de instrumentação simples e confiável. de preferência.Por analistas que conhecem os instrumentos! Um grande objetivo da química analítica quí analí moderna é o desenvolvimento de instrumentos e metodologias com a consciência “verde”. análises com a amostra in natura. Métodos com verde” Mé consumo mínimo de amostra. Classificação dos métodos analíticos CLÁSSICOS E INSTRUMENTAIS Chamados de métodos de via úmida Baseados em propriedades físicas (químicas em alguns casos ) Gravimetria Volumetria Eletroanalítico Cromatográfico Espectrométrico Propriedades elétricas elé Propriedades ópticas Propriedades mistas Algumas técnicas instrumentais são mais sensíveis que as té sensí técnicas clássicas.Não por instrumentos! . instrumentos . de etapas e. de mí reagentes. mas outras não o são! clá . aná reduzindo ao máximo a quantidade de má rejeitos.Métodos INSTRUMENTAIS Métodos realizados em instrumentos. UV. Vis. energia elétrica. luminescência) Espectroscopia de absorção atômica e molecular (UV. INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE ANÁ O instrumento converte a informação armazenada nas propriedades físicas ou químicas do analito em um tipo de informação que pode ser manipulada e interpretada. Estímulo Resposta Fonte de Energia Sistema em Estudo Informação Analítica . voltametria. cronopotenciometria Condutimetria Amperometria. É necessário um estímulo (radiação eletromagnética. IV.PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS EXPLORADAS PELOS FÍ QUÍ MÉTODOS INSTRUMENTAIS Propriedade característica Emissão de radiação Absorção de radiação Espalhamento de radiação Difração de radiação Potencial elétrico Resistência elétrica Corrente elétrica Massa Relação massa/carga Características térmicas Método instrumental Espectroscopia de emissão atômica e molecular (RX. mecânica ou nuclear) para provocar uma resposta. RX) Turbidimetria e nefelometria RX e elétrons Potenciometria. DTA Os métodos destacados em vermelho serão abordados nesta disciplina. Vis. polarografia Gravimetria (microbalança de cristal de quartzo) Espectrometria de massas (CG-EM e CL-EM) CGCLTGA. DSC. mas a técnica é usada para a emissão atômica em chama.Estímulo Resposta Espectrofotômetro UV/Visível INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE E SEUS COMPONENTES ANÁ Equipamentos e técnicas utilizados nesta disciplina. . Equipamento não utilizado. O instrumento atua direta ou indiretamente como um COMPARADOR. Definir claramente a natureza do problema analítico. respondendo às questões: • Que exatidão é necessária? • Qual é a quantidade de amostra disponível? • Qual é o intervalo de concentração do analito? • Que componentes da amostra causarão interferência? • Quais são as propriedades físicas e químicas da matriz da amostra? • Quantas amostras serão analisadas? • Qual o tempo requerido para a análise? . no sentido de que se avalia a amostra desconhecida em relação a um padrão. Os instrumentos transformam um sinal analítico que usualmente não é diretamente detectável ou entendido pelo ser humano em um sinal que pode ser medido.FUNÇÃO DO INSTRUMENTO FUNÇ Traduzir a composição química em uma informação diretamente observável pelo operador. FUNÇÃO DO ANALISTA FUNÇ Ter conhecimento do que está realmente medindo! Seleção de um método analítico Conhecer os detalhes práticos das diversas técnicas e seus princípios teóricos. etc. temperatura. atômica ou molecular) que se deseja determinar em uma amostra. o sinal analítico será sempre uma função da concentração do analito (atividade). Analito: Espécie (iônica. QCM. Sensor: Dispositivo analítico capaz de monitorar espécies químicas específicas de forma contínua e reversível (eletrodo de vidro. Equivale ao transdutor associado a uma fase de reconhecimento quimicamente seletiva.). fotocélulas.). elétrico ou químico que identifica. etc. Detector: Dispositivo mecânico.Qualquer que seja o método instrumental. registra ou indica uma alteração em uma das variáveis na sua vizinhança (pressão. Sistema de detecção: Conjunto inteiro que indica ou registra as quantidades físicas ou químicas. . S = f(C) Sinal analítico [Analito] Glossário da Química Analítica Instrumental Glossá Quí Analí Amostra: Porção de um determinado material que representa a totalidade. Matriz: Conjunto de todos os constituintes que compõem uma amostra. etc. Transdutor: Dispositivo que converte informação de domínio não-elétrico em informação de domínio elétrico e vice-versa (microfone.). Glossário da Química Analítica Instrumental Glossá Quí Analí Curva analítica: Representação gráfica da resposta do instrumento (sinal analítico) em função da concentração do analito proveniente de soluçõespadrão (padrão externo). Limite de detecção (LD ou cm): Concentração ou massa mínima do analito que pode ser detectada em um nível confiável. Limite de quantificação (LQ): Considera-se ser a concentração para a qual o sinal analítico excede em 10 desvios padrões o sinal do branco. aleatórios ou sistemáticos. Glossário da Química Analítica Instrumental Glossá Quí Analí Sinal Analítico LRL cm LQ FOT Concentração Faixa linear de trabalho (FLT) ou Faixa ótima de trabalho (FOT) ou Faixa dinâmica: Faixa de concentração que se estende de LQ até LRL. Também chamada de curva de trabalho ou curva de calibração. Compensa diversos tipos de erros. S − S br ksbr Sm = Sbr + k sbr (valor mais aceito k = 3) cm = m = m m onde Sm e Sbr são o sinal analítico mínimo e do branco e s é o desvio padrão do branco. Limite de resposta linear (LRL): Concentração limite a partir da qual não é mantida a linearidade. aos brancos e aos padrões de calibração em uma análise. . Branco (br): Sinal do instrumento para matriz (ou imitação) na ausência do analito ou de uma espécie que corresponda ao analito. Método do padrão interno: Consiste em adicionar uma substância em quantidade constante a todas as amostras. 2 0. Sensibilidade: A sensibilidade de um instrumento ou método é uma medida de sua habilidade em discriminar pequenas diferenças na concentração de um analito.2 1.1 1. Tendência (bias) ou viés (∆): Fornece uma medida do erro sistemático.2412 2 R = 0.0382x + 0.0 -10 -5 0 5 10 15 20 25 y = 0. de um método analítico. de uma análise. Fornece uma medida do erro aleatório.5 0. onde µ é a média de várias replicatas para a concentração de um analito em uma material de referência com a concentração verdadeira τ. a sensibilidade é a inclinação da curva (m). S = mc + Sbr. ou indeterminado. c é a concentração do analito e Sbr é sinal do instrumento para o branco. Precisão: Grau de concordância mútua entre os dados que foram obtidos do mesmo modo.4 0.6 0.3 0. ou determinado. Glossário da Química Analítica Instrumental Glossá Quí Analí Exatidão: Grau de concordância entre o valor medido (média de várias replicatas) e o valor de uma referência padrão. mL Método de adição de padrão: Consiste em uma série de medidas envolvendo a adição de incrementos de uma solução-padrão do analito à alíquotas da amostra de mesmo volume.1 0.9999 Volume de solução do padrão.0 0.7 0.9 0.Glossário da Química Analítica Instrumental Glossá Quí Analí Sinal analítico 1.8 0. onde S é o sinal medido. Em uma curva de calibração. ∆ = µ – τ. . AcB + kC. mas que pode distinguir a resposta de um analito da de outros é chamado seletivo Sinal Analítico 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 60 50 B A Um método que produz resposta para apenas um analito é chamado específico Concentração (mg/L) .AcC) + Sbr Glossário da Química Analítica Instrumental Glossá Quí Analí Um método que produz resposta para vários analitos. Seletividade: A seletividade de um método analítico refere-se ao grau em que o método esta livre de interferência de outras espécies contidas na matriz da amostra. assim. procura-se minimizá-las.Glossário da Química Analítica Instrumental Glossá Quí Analí Sensibilidade analítica: A sensibilidade analítica é definida com sendo o quociente da inclinação da curva pelo desvio padrão da medida: γ = m / sS . bem como B e C potencialmente interferentes: m m S = mAcA + mBcB + mCcC + Sbr. k B . • Define-se um coeficiente de seletividade que representa a resposta relativa do método a cada uma das espécies interferentes em relação ao analito de interesse. A = C mA mA S = mA(cA + kB. Esta medida é inume aos efeitos de amplificação e é independente das unidades de medida de S. Exemplo: Uma amostra contendo o analito A. A = B e kC . Infelizmente nenhum método analítico está totalmente livre de interferência de outras espécies e. pois está sujeita a uma série de erros determinados... O QUE O PROFESSOR ESPERA DOS ALUNOS EM QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL? QUÍ ANALÍ • Não desenvolvam a “Arte de Enrolar” “A exatidão é um parâmetro de difícil precisão.” . Em alguns contextos reprodutibilidade pode ser definida como o valor abaixo do qual a diferença absoluta entre dois resultados individuais com um material idêntico. Note que uma declaração completa de reprodutibilidade exige a especificação das condições experimentais que diferem.” “O ponto de equivalência é encontrado se interpolando por extrapolação o ponto no qual a curva muda de sua concavidade. em se tratando de uma amostra com várias matrizes.. Reprodutibilidade: Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob diferentes condições (diferentes operadores. mesmo laboratório em um pequeno intervalo de tempo). mesmo equipamento. uma vez que em condutimetria é possível determinar pequenas variações de potencial . diferentes equipamentos.” “Uma maior exatidão seria obtida condutimetricamente.Glossário da Química Analítica Instrumental Glossá Quí Analí Repetibilidade: Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob as mesmas condições (mesmo operador. aconteçam com a mesma probabilidade especificada....” “. este tipo de detector traria maior seletividade . obtido nas condições acima. A medida da reprodutibilidade é o desvio padrão qualificado com o termo reprodutibilidade. diferentes laboratórios e após diferentes intervalos de tempo). 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 d) Limite de detecção: O gráfico deve ser traçado com o sinal grá traç analítico.2 0.00 14.0079 / 0.0084 0.0079 0.702 0.35 ppm m .4 1.00 18.4 2.9 6. [X].422 0.173 0.0.00 18.2 0 -0.1 0.00 14.89 0.031 0.88 1.0 1. d) Determinar o limite de detecção do método.Exemplo 1: Dados de calibração obtidos para determinação do analito X em solução aquosa.0094 0. Exemplo 1: a) Inclinação: m= 0.067 ppm-1 b) γ = m / sS Cx.00 2.0085 0. analí descontando- cm = ksbr = 3 x 0.2 1 Sm = sinal analítico médio y = 0.0 7. % 5.067 = 0.956 1.00 6. b) Determinar a sensibilidade analítica.00 10.00 º replicatas 25 5 5 5 5 5 Sinal analítico médio 0. c) Determinar o coeficiente de variação para a média de cada grupo de replicatas.6 0.4 0.8 0. ppm 2.0 8.00 10.0084 0.9996 γ 7.00 c) CV = (sx / Sm)x100 CV.00 6. descontando-se o sinal do branco.0110 a) Determinar a sensibilidade de calibração.1 8. ppm 0.067x .248 Desvio padrão 0.001 R2 = 0. Desvio padrão da medida = 0. Exemplo 2: V.26 4. 0.0410 x 50 / 5 = 0.1 = 0.003 .0200 0.05 -0. 4.0600 0. 1. b) Usando o gráfico. µg/mL 0.410 x 0. a) Construa o gráfico com os dados.26. d) Calcule a concentração pela equação obtida em (c).00 1.41. µg/mL 0.00 mL.07 9.00 mL.0407 µg/mL Pela equação.00 mL e foram ajustados com KOH para tornarem-se básicas.9999 3.007957.000.03 0.500 1.50 2. Os seguintes volumes de soluçãopadrão contendo 2.410 µg/mL.41 8.000 0.01 0.0800 S Sinal analítico 12 10 8 6 4 2 y = 79. mL 0.00. Como a amostra foi diluída de 5.000 µg/mL de fenobarbital foram introduzidas em cada frasco: 0.0400 0.02 -0.500.246 / 79.007957 = 0.00 para 50.01 0.50 e 2. determine a concentração de fenobarbital na amostra desconhecida. para y = 0 x = -3.246 R2 = 0. c) Obtenha a equação por regressão linear (mínimos quadrados). 1.03 0 -0.56. 8.80.02 e 9.80 6.05 0. O volume foi completado e as leituras de cada frasco em um fluorímetro forneceu as seguintes respostas: 3. e) Calcule o desvio padrão para a concentração obtida em (d). 6. a sua concentração é 10 vezes maior: 0. Desvio padrão relativo da regressão.1x + 3. sc/c = 0.56 [F].000 0.Exemplo 2: Alíquotas de exatamente 5.00 mL de uma solução de fenobarbital foram transferidas para frascos volumétricos de 50.0410 µg/mL.00 C.