1. CO-FINANCIAMENTO: Fundo Social Europeu e Estado Português
NOME DO CURSO
2009/ 2010
Módulo: MÉTODOS INSTRUMENTAIS DE ANÁLISE
Sub -Tema: Métodos Espectrofotométricos
Formador(es): Cristina Couto
4. Métodos Instrumentais
Espectrais Electroanalíticos Separativos
Mede-se a radiação
electromagnética
Envolve
um sinal eléctrico
Envolve
uma separação
Absorvida
Emitida
Difractada
Potencial
Condutância
Em fase gasosa
Em fase líquida
Podem ser
detectados pelos
métodos anteriores
6. Espectrofotometria de Absorção Molecular –
EAM (UV/Vis)
Turbidimetria
Espectrofotometria de Absorção Atómica – EAA
Atomização com chama
Atomização com câmara de
grafite
Espectrofotometria de Emissão Atómica – EEA
Emissão com chama (FEC)
Emissão com plasma (ICP)
Métodos Espectrofotométricos
8. • Detecção por EAM
EAM UV/Vis – Absorção da
radiação electromagnética por
espécies moleculares presentes na
amostra Interacção da
matéria com a
radiação
electromagnética
16. Lei de Lambert – Bouguer –
Beer
LEI DE BEERLEI DE BEER
A = a.b.C
I0 I
A – Absorvância
a – Absortividade (cm-1
g-1
l)
b – Percurso óptico (cm)
C – Concentração (g/l)
quando C vem em mol/l
então a = ε - Absortividade molar
(cm-1
mol-1
l)
17. Transmitância
Transmitância T = I/I0
% de Transmitância %T = (I/I0)*100
Absorvância A = log (I0/I)
A = - log T; T = 10-A
I0 – Radiação incidente
I – Radiação emergente
A = log (100/%T) = 2 – log (%T)
19. Desvios à Lei de Beer
A lei de Beer refere o comportamento
ideal de uma solução quando
atravessada por um feixe de energia
radiante, o que na prática é
impossível fixar
– Desvios Reais, Químicos ou Físicos
20. Desvios à Lei de Beer
Desvios Reais – desvios à linearidade resultantes do
uso de:
soluções concentradas do analito;
soluções diluídas do analito e concentradas em
electrólitos.
Desvios Químicos – a causa encontra-se no próprio
sistema a analisar (a espécie absorvente sofre
associação, dissociação ou reacção com outras
espécies presentes em solução gerando produtos que
absorvem de uma forma diferente do analito)
A ocorrência dos desvios químicos é controlada
fixando o pH, a força iónica, a concentração de outras
espécies presentes.
21. Desvios à Lei de Beer
Desvios Físicos ou Instrumentais – a causa é
inerente aos instrumentos com os quais se opera:
Uso de radiação não monocromática;
Reflexão da radiação incidente;
Deficiente estado de conservação das faces de
incidência das células que suportam a amostra;
Não paralelismo da radiação incidente.
22. Desvios à Lei de Beer
1 - Verifica-se a lei de Beer
2 - Desvio negativo
3 - Desvio positivo
1
3
2Absorvância
Concentração
23. • Análise Quantitativa
A metodologia deve obedecer à lei de
Beer na mais ampla possível gama de
concentrações
Quando a espécie a determinar é
pouco ou nada absorvente deve ser
transformada
Reacção de desenvolvimento de cor
(derivatização)
Ex. crómio, ferro, etc
25. Método da curva de
calibração (padrão externo)
preparação de padrões de concentrações C1, C2,
C3, ... Cn, a que correspondem valores de
absorvância medidos A1, A2, A3, ... An
C1
A1
C2
A2
A3
An
C3 Cn
Ax
Cx
ab
A =
a.b.C
referente à
amostra
27. Método da Adição de padrão
Amostra de composição
desconhecida e/ou complexa
Espécie absorvente presente
em concentrações muito baixas
Não é fiável utilizar o método da curva de
calibração
28. Método da Adição de padrão
Amostra
problema Cx
Cx+C1 Cx+C2 Cx+C3 Cx+Cn
Amostra problema acrescida de
uma concentração C1, C2,...Cn
A2
A1
An
A3
C1
+
Cx
C2
+
Cx
C3
+
Cx
Cn
+
Cx
Cx
Pode-se medir o valor de Ax correspondente a Cx
29. Método absoluto
Aplicação directa da lei de Beer
A = abC
O valor a (absortividade) está
tabelado
b (percurso óptico) é conhecido
A (absorvância) é medida
Obtenção do valor de C
(concentração)
31. Titulações espectrofotométricas
Tem que obedecer à Lei de Beer
Facilita a detecção do ponto final
A variação da absorvância é provocada pela
adição de titulante e pela variação de volume
de titulado
32. Titulações espectrofotométricas
A
B
A + B AB
A
V
εA> 0
εB = 0
εAB = 0
A curva de titulação depende da absortividade das
espécies envolvidas na titulação e da
absortividade dos produtos de reacção
33. Instrumentos usados em
espectroscopia de UV/VIS
Fotómetros
O λ usado nas análises é
seleccionado de modo
discreto ou descontínuo;
A selecção do λ usado é
efectuada por filtros que
limitam a radiação
incidente a uma
determinada banda de
comprimentos de onda.
Espectrofotómetros
O λ usado nas análises é
seleccionado em gamas
limitadas, de forma
contínua e variável em toda
a zona do espectro;
A selecção do λ usado é
efectuado por um
monocromador.
36. Fontes de radiação
electromagnética
• Deve produzir um feixe de radiação com
intensidade suficiente para proporcionar a
medida
• Pode ter mais que uma fonte emissora
• O feixe deve ser estável
37. Fontes de radiação
electromagnética
Zona do visível: lâmpada de tungsténio de
filamento incandescente
Zona ultra-violeta: lâmpada de descarga
eléctrica de hidrogénio ou de deutério
38. Selectores de comprimento de
onda
São constituídos por:
Fendas de entrada e saída da
REM ajustáveis ( reduzem e fixam
as dimensões do feixe de radiação)
Lentes ou espelhos colimadores
(focam o feixe de radiação)
Unidades de dispersão da REM
39. • Unidade de dispersão
Componente mais importante do
monocromador que separa a radiação
policromática nos diversos comprimentos
de onda
Prismas
Redes de difracção
Fenda de
entrada
Fenda de
saída
Rede de
difracção
Espelhos
colimadores
λ1 λ2
Prisma
Rede de difracção
40. • Compartimento de células
Deve garantir um elevado grau
de estanquicidade à luz
ambiente
Pode ter mais que um tipo de
suporte de células
41. • Compartimento de células
Zona do visível: células de vidro ou de
plástico transparente
Zona ultra-violeta: células de quartzo, de
sílica fundida ou de plástico transparente
às radiações UV
42. • Sistema de detecção
Detector
Amplificador
Medidor do sinal eléctrico
amplificado
O sinal eléctrico deve ser uma função
linear da intensidade da radiação
43. Tipos de espectrofotómetros
Feixe simples - sempre que se varia o
comprimento de onda, é necessário
ajustar o zero de absorvância, porque a
sensibilidade do detector depende do
comprimento de onda: análise
quantitativa (a um só λ)
Feixe duplo - o feixe de radiação é
dividido em dois feixes: um atravessa
uma célula de referência e o outro
atravessa a célula contendo a amostra
45. Modo de utilizaçãoModo de utilização::
1 - Depois de ligar o equipamento, esperar cerca de ½ hora, para
garantir a estabilização térmica dos componentes eléctricos.
2 - Procede-se ao acerto do 0 de absorvância ou 100%T colocando no
trajecto óptico uma célula com o “branco” (solução com composição
semelhante à da amostra em que está ausente a espécie a determinar)
3 - Procede-se à leitura de soluções de calibração e amostras
utilizando a mesma célula do “branco”
As células devem ser colocadas na
mesma posição ou com a mesma
face para a REM incidente.
Feixe Simples
46. • Duplo Feixe
Apresentam duas vantagensvantagens importantes:
O sinal do branco e da amostra são comparados em simultâneo,
não sendo necessária a estabilização térmica do equipamento
Possibilitam o traçado dos espectros de modo automático:
1 - as duas células são preenchidas com o “branco”. O equipamento
corrige todos os valores de absorvância para 0.
2 - substitui-se a solução do branco pela amostra e procede-se ao
traçado do espectro.
48. Turbidimetria
• Baseia-se na dispersão da radiação pelas partículas
de matéria
• Quando a luz passa através de um meio
transparente em que existe uma suspensão de
partículas sólidas, parte da radiação é dispersada
em todas as direcções o que confere um aspecto
turvo à amostra.
• A diminuição da intensidade de um feixe, como
consequência da dispersão de radiação pelas
partículas constitui a base dos métodosbase dos métodos
turbidimétricos.turbidimétricos.
49. A intensidade de radiação que aparece
em qualquer ângulo depende:
• número de partículas
• tamanho e forma das partículas
• índices de refracção relativos das
partículas e do meio
• comprimento de onda da radiação
Turbidimetria
50. Turbidimetria
• Na turbidimetriaturbidimetria é medida a radiação que
atinge um detector colocado na direcção
do feixe de radiação
• Na nefelometrianefelometria é medida a radiação que
atinge um detector colocado com um
ângulo de 45 ou 90º em relação ao feixe
de radiação
51. Turbidimetria
• Os métodos turbidimétricos são
aplicáveis a suspensões sem cor e
opacas que não apresentam
absorção selectiva da radiação
• A turbidimetria tem uma sensibilidade
de 0,05 a 0,5 mg por 100 ml
53. Turbidimetria
Aplicação:
• Amostras gasosas, líquidas ou sólidas
• Estudos de poluição do ar e da água
HCl
(1:200)
H2SO4BaSO4Ba
HNO3 dil.NaClAgClAg
Comp.sol.ReagenteSuspensãoElemento
HCl
(1:200)
H2SO4BaSO4Ba
HNO3 dil.NaClAgClAg
Comp.sol.ReagenteSuspensãoElemento
54. Turbidimetria
Método analítico:
• As curvas de calibração são geralmente
empíricas pois dependem não só da
concentração como também do
tamanho das partículas
• A lei de Beer pode ser aplicada num
curto intervalo de concentrações e
normalmente é necessário o uso de
estabilizantes
55. Turbidimetria
Método da curva de calibração:Método da curva de calibração:
• A turvação de uma amostra é expressa em NTU
(nephlometric turbidity units)
• Por convenção, uma suspensão de 5 g de sulfato de
hidrazina e 50 g de hexametilenotetramina num 1l de
água destilada apresenta 4000 NTU
56. Turbidimetria
• Calibração prévia do
turbidímetro nefelométrico
com soluções padrão de
formazina.
• Leitura directa dos NTU das
suspensões em estudo.
Regra geral os turbidímetros nefelométricos
permitem leituras máximas de 1000 NTU, assim
caso as suspensões se apresentem demasiado
turvas é necessário proceder a diluições.
58. Espectrofotometria de Absorção
Atómica - EAA
• Aspectos Gerais
A EAA é uma técnica analítica muito utilizada quando as
concentrações do analito são muito baixas: ppm; ppb
Conceito base: absorção da radiação electromagnética por
átomos de um determinado elemento num conjunto limitado
de comprimentos de onda
Nesta técnica a solução em análise é vaporizada e
posteriormente atomizada: chama ou forno de grafite
61. Absorção
O sinal medido é absorvância
Lei de Lambert-Beer
Quando um feixe de luz monocromático paralelo incide num meio
absorvente, o decréscimo de energia radiante é proporcional à
trajectória através do meio (b) e da quantidade da espécie
absorvente (C)
A = abC
Nota: No caso concreto da absorção atómica por chama, b corresponde à largura da
chama
Espectrofotometria de Absorção
Atómica - EAA
62. Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
• Funcionamento
● A amostra em solução é aspirada como uma neblina fina
(aerossol) para uma chama onde é convertida em vapor atómico
(átomos livres)
● Os gases da chama servem para atomizar a amostra
● A maioria dos átomos mantém-se no estado fundamental
podendo absorver radiação de comprimento de onda conveniente
● As transições ocorrem passando o átomo do estado fundamental
para um estado energético mais elevado (excitado), caso a
energia da fonte externa o permita
65. • Etapas do processo de atomização por
chama
aspiração da amostra
formação do aerossol
formação do vapor atómico
absorção da radiação electromagnética
transições energéticas
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
66. Etapas do processo de atomização por chama
Evaporação do
solvente
1
Nebulizador
Queimador
Evaporação dos
solutos
2
Absorção de
radiação (excitação)
4
Quebra de
ligações
3
67. • Atomização por chama
A amostra é atomizada, numa chama, depois de aspirada através de
um nebulizador (aerossol) para a câmara de mistura, onde é
misturada com o combustível e o oxidante
Parte dos átomos formados pode combinar-se com átomos ou
radicais provenientes da chama ou da solução que continha os
elementos a determinar
Os átomos neutros (a maior parte, no estado fundamental) podem
absorver radiação incidente específica
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
68. • Atomização por chama
Principais tipos de chamas
Combustível Comburente Temperatura, ºC
Propano Ar 1925
Propano Oxigénio 2800
Hidrogénio Ar 2000-2050
Acetileno Ar 2100-2400
Acetileno Oxigénio 3050-3150
Acetileno Oxido nitroso 2600-2800
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
69. • Atomização por chama
Características da chama
Temperatura
Carácter oxidante/redutor
Velocidade de propagação
Estabilidade
Espectro não interfira com
os valores de absorção
A
B
A - zona de temperatura máxima
B - cone exterior
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
70. • Atomização por chama
Transformações durante a vaporização
Eliminação do solvente e formação de sais do elemento com a
possibilidade de formação de compostos intermédios
Recombinação de átomos com outros átomos ou radicais
Ionização de alguns átomos
A maior parte dos átomos livres está no estado fundamental
Regresso ao estado fundamental de átomos excitados
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
71. • Equipamento
Os equipamentos usados são vulgarmente designados por:
Espectrofotómetros de Absorção Atómica e são muito
semelhantes aos Espectrofotómetros de UV/Vis.
• Componentes de um EAA
Fonte emissora de radiação
Dispositivo de vaporização
Monocromador
Detector de radiação
Sistema de amplificação e medição do sinal
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
72. • Componentes básicos de um EAA
Fonte emissora de radiação
- Emissores de riscas, isto é bandas de emissão
muito estreitas 0,001 nm
- Emissores de banda contínua, bandas com pelo
menos 0,008 nm
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
73. • Componentes básicos de um EAA
Fonte emissora de radiação
Emissores de riscas
lâmpada de cátodo ôco
lâmpada de descarga de vapor
lâmpada de descarga sem eléctrodo
lâmpada de cátodo de intensidade elevada
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
74. • Componentes básicos de um EAA
Fonte emissora de radiação
Lâmpadas de cátodo oco
(Fonte de emissão mais usada)
-Constituída por um ânodo e um cátodo que contém o elemento ao
qual a lâmpada se destina:
-Hermeticamente fechados numa atmosfera de um gás monoatómico
ultra puro , néon ou árgon
-Só é possível analisar um elemento de cada vez
-É necessário substituir a lâmpada sempre que se analisam
elementos diferentes
-Requerem uma fonte de tensão muito estável
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
75. • Componentes básicos de um EAA
Fonte emissora de radiação
Lâmpadas multielemento
- Têm mais do que um elemento
- Mais caras que as monoelemento, mas mais económicas que o
somatório das várias lâmpadas
- O cátodo é constituído por amálgamas dos elementos ou compostos
dos elementos
- Apresentam intensidades de riscas mais baixas
- Requerem mais do monocromador
- Vantagens económicas ilusórias, por vezes
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
76. • Componentes básicos de um EAA
Atomizador de chama – nebulizador/queimador
- Converte a solução em vapor atómico em consequência da
acção conjunta do nebulizador e do queimador
- A amostra, na forma líquida, é transformada em gotículas no
nebulizador, sendo estas posteriormente encaminhadas para a
chama
- Para um aquecimento mais rápido
da amostra esta é dividida em
partículas muito pequenas - aerossol
o que aumenta a superfície de
transferência
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
77. • Componentes básicos de um EAA
Atomizador de chama – eficiência do nebulizador
Caudal de aspiração
Tensão superficial da solução
Densidade
Viscosidade
Tamanho e geometria
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
78. • Componentes básicos de um EAA
Queimador – fluxo laminar ou pré-mistura
A cabeça do queimador é constituída por uma série de
orifícios ou por uma fenda onde se dá a queima
Chamas de pequena velocidade de combustão
Ar-propano
Ar-acetileno
Óxido nitroso-acetileno
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
79. • Componentes básicos de um EAA
Monocromador
Isola os comprimentos de onda usados na análise
Deve fazer a distinção entre a risca seleccionada e outras
eventualmente próximas
Devem ter transmitâncias elevadas para não interferir no LD
Devem cobrir uma gama de trabalho entre os 200 nm e 850 nm
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
80. • Componentes básicos de um EAA
Detector
A energia radiante é detectada por fotomultiplicadores
A radiação incidente no detector pode decompor-se em:
radiação da fonte emissora não absorvida
radiação proveniente de átomos do elemento no regresso ao
estado fundamental
radiação proveniente da chama
difusão da radiação incidente em partículas existentes
A modulação do sinal emitido pela fonte emissora permite
ultrapassar este problema
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
81. • Atomização por chama
Interferências
Partículas presentes na chama - difracção da radiação
gotículas não evaporadas
partículas salinas não vaporizadas
Ligações entre os átomos metálicos na chama
a outros átomos idênticos
ao oxigénio
a constituintes da chama
Ionização dos átomos
Reacção com componentes presentes e formação de compostos de difícil
vaporização
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
82. • Preparação das Amostras
Solubilização da amostra
uso de reagentes muito puros, incluindo a H2O
Material muito bem lavado
Material adequado para guardar amostras e padrões
Manuseamento muito cuidadoso
Boa conservação dos padrões
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
83. • Aplicações da EAA
• Determinação da concentração total de elementos
químicos em amostras (especialmente metais)
• Método sensível, com boa reprodutibilidade e com limites
de detecção relativamente baixos (mg/L)
• Análise quantitativa e selectiva sem necessidade de
separação dos componentes da amostra
• Amostras líquidas ou sólidas (solubilizadas)
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
84. • Exemplos
Determinação de cobre em vinhos pelo método da
adição de padrão
Determinação de cobre em águas pelo método da
adição de padrão
Determinação de magnésio em cervejas pelo método
da curva de calibração
Espectrofotometria de Absorção
Atómica por chama
85. • A absorção atómica também pode ser sem
chama, utilizando uma câmara de grafite
• Uma câmara de grafite é um pequeno tubo
cilíndrico que é aberto em ambos os lados e que
possui uma zona central que permite a
introdução da amostra
• Um pequeno volume de amostra é injectado
– Amostra líquida, utilizando uma micropipeta
• O tubo tem 5 cm de comprimento e um diâmetro
interno inferior a 1cm
• Dá-se a sua atomização à custa de uma corrente
eléctrica entre dois eléctrodos ligados aos
extremos da câmara
– Atomizador electrotérmico
Espectrofotometria de Absorção
Atómica com atomização
electrotérmica (câmara de grafite)
87. • Com chama
• Desvantagem de só se
poderem aplicar a soluções
• É necessário um volume
apreciável
• Boa precisão
• Sem chama (câmara de
grafite)
• Pequenos volumes de amostras
• Mais sensibilidade
– 2 a 3 ordens de grandeza
– Maior tempo de estadia dos
átomos
• Aparelhagem mais dispendiosa
• Menor precisão
Espectrofotometria de Absorção
Atómica - EAA
89. Fotometria de Emissão Atómica -
FEC
• Aspectos gerais
É uma técnica analítica utilizada especialmente para determinações
de lítio, sódio e potássio (ppm)
Conceito base: átomos ou moléculas que se formam numa chama
quando nela é introduzida uma amostra, são levados a um estado
excitado pela colisão térmica com os constituintes dos gases da
chama, havendo emissão de radiação característica do elemento
ou molécula, quando estes retornam ao estado fundamental
90. Fotometria de Emissão Atómica -
FEC
DET AMP
Nebulizador
Queimador
0.841
Sinal = I (intensidade da radiação
emitida)
Filtro
91. Fotometria de Emissão Atómica -
FEC
λ1
E0 = Estado
fundamental
E1 = Estado
excitado
λ1
λ2
λ3
E3
E2
E1
E0
λ4
λ5
Abs
λ
λ1λ2λ3
0
λ5λ4
FEC Determinação de Li+, Na+ e K+ ∆E reduzido
92. Fotometria de Emissão Atómica -
FEC
• Funções da chama
evaporar o solvente
produzir o vapor atómico
excitar os átomos livres
A temperatura depende da composição da chama, e a
radiação também é condicionada pela composição e
proporção dos gases usados
93. Fotometria de Emissão Atómica -
FEC
Evaporação do
solvente
1
Evaporação dos
solutos
2
Quebra de
ligações
3
Nebulizador
Queimador
Excitação e Emissão
de radiação
4
94. Fotometria de Emissão Atómica -
FEC
• Equipamento
• Semelhante ao utilizado em EAA, sendo de assinalar a
ausência no fotómetro de chama, da fonte emissora de
radiação que interactua com a amostra e o
correspondente sincronizador com o sistema de
detecção
95. Fotometria de Emissão Atómica -
FEC
• Equipamento
atomizador: - reguladores de pressão
- mecanismo de introdução de amostra na chama
- queimador
selector de comprimentos de onda: - monocromador
- filtro (FEC)
sistema de detecção: - detector
- amplificador
- registador
96. Fotometria de Emissão Atómica -
FEC
Resumindo…
A fonte de radiação são os átomos do elemento químico
a analisar
Na chama, a maior parte dos átomos encontra-se no
estado fundamental; apenas os átomos excitados
emitem radiação (população minoritária)
A chama é a fonte de excitação dos átomos
97. Fotometria de Emissão Atómica -
FEC
A radiação emitida pela passagem dos átomos do
estado excitado ao fundamental é seleccionada no
filtro/monocromador
O sinal medido é a Intensidade de Emissão
(proporcional à concentração de átomos na chama)
98. Fotometria de Emissão Atómica -
FEC
Resumindo…
Amplificador
e leitura
Filtro /
Monocromador
Detector-
Átomos
99. Fotometria de Emissão Atómica -
FEC
• Aplicações
Determinação da concentração total de elementos químicos: K+
, Na+
e Li+
em amostras.
Método sensível, com boa reprodutibilidade e com LD relativamente
baixos – ppm
Análise quantitativa e selectiva sem necessidade de separação dos
componentes da amostra.
É mais sensível na determinação dos metais alcalinos.
100. Fotometria de Emissão Atómica -
FEC
• Aplicações
Determinação de potássio em vinho do
Porto pelo método da curva de calibração.
Determinação do potássio em vinho do
Porto pelo método da adição de padrão.
Determinação de sódio solúvel e sódio
disponível numa amostra de solo.
101. Comparação entre EAA e
FEC
Vantagens da EAA vs FEC
A variação da temperatura da chama afecta pouco a
população de átomos no estado fundamental;
A razão sinal/ruído é menor;
As interferências espectrais são menores;
Sensibilidade do método é geralmente maior.