Técnicas analíticas

Existem várias técnicas analíticas utilizadas para avaliar as qualidades dos óleos essenciais. Por muito tempo, os componentes dos óleos essenciais foram identificados por espectroscopia de infravermelho (IR) com estereoquímica atribuída por ressonância magnética nuclear (RMN) e a espectroscopia de ultravioleta (UV) (ADAMS, 1995). No entanto, a técnica de cromatografia gasosa (CG) tornou-se a principal técnica para separação e análise de compostos voláteis (MCNAIR e MILLER, 1998), além de ser uma técnica de alta resolução e velocidade.

A técnica CG baseia-se em introduzir a amostra, por meio de um sistema de injeção, em uma coluna contendo uma fase estacionária (sólida ou líquida), usando temperaturas convenientes para garantir a vaporização das substâncias (analitos) contidas na amostra, as quais, de acordo com suas propriedades e da fase estacionária, são retidas em tempos determinados e chegam à saída da coluna em tempos diferentes, sendo identificadas

por um detector (BONATO, 2006). Além do tempo retenção, muitos autores utilizam o cálculo do índice de retenção (IR) para confirmar a estrutura de moléculas orgânicas. Este método utiliza uma série de alcanos normais como uma base de referência em vez de um único composto como no método de retenção relativo (KAISER e DEBBRECHT, 1977).

Existe uma grande variedade de métodos de detecção utilizados em cromatografia gasosa. Dentre os mais utilizados, pode-se citar os detectores de ionização como o Detector de Ionização de Chama (CG-FID), Detector de Ionização de Superfície (CG-SID) e o detector por espectrometria de massas (CG-EM) (EICEMAN et al., 1998).

Análise de cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de

massas (CG-EM)

A técnica de cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (CG-EM) tem se tornado a técnica analítica mais utilizada nos últimos tempos em análise de óleos essenciais. Esse conjunto permite uma boa análise qualitativa devido a sua alta sensibilidade além de dar informações espectrais dos componentes (MCFADDEN, 1973). A qualidade da análise depende do método de ionização. O método de ionização mais usado atualmente é o de ionização por Impacto de Elétrons (EI), podendo ser auxiliado por Ionização Química (IC), identificando o íon molecular e aumentando a sensibilidade do método. Outros métodos de ionização empregados em espectroscopia de massas são a Ionização de Plasma Indutivamente Acoplado (ICP) e a Ionização a Laser (EICEMAN et al., 1998).

O EI, embora seja um método de ionização relativamente simples, fornece alta sensibilidade e resposta uniforme a todas as moléculas e átomos. Além disso, os padrões de fragmentação observados, combinados com as bibliotecas ricas em espectros de massa com EI de 70 eV, produzem informações valiosas para identificação molecular substancial e capacidade de informação estrutural (DAGAN e AMIRAV, 1995).

A análise CG-EM, além dos dados qualitativos, fornece, também, informações quantitativas. Depois da obtenção do cromatograma, faz-se a integração dos sinais, que

transformam a intensidade do sinal emitido pelo detector em uma medida relacionada com a quantidade da substância analisada (BONATO, 2006). Os métodos de integração eletrônicos mais utilizados são: método da normalização, padronização externa, padronização interna (KAISER e DEBBRECHT, 1977). No método da normalização, uma amostra é injetada no cromatógrafo, o qual gera picos para todos os componentes da amostra, de modo que tenham respostas idênticas no detector. Em seguida, é feito uma comparação da área obtida no cromatograma com a porcentagem da composição da mistura.

Análise térmica

A análise térmica é uma técnica utilizada mundialmente e é utilizada frequentemente para a caracterização de materiais. Existe uma grande preocupação para quem trabalha com análise térmica no que diz respeito à nomenclatura, definições e forma de apresentação dos resultados utilizados em livros, artigos, teses e dissertações. No Brasil, a Associação Brasileira de Análise Térmica e Calorimetria (ABRATEC) é a principal responsável pela regularização ou normalização destes termos publicados em português. Nesta Dissertação, todos os termos sobre análise térmica foram postos de acordo com a ABRATEC.

Com bases nos documentos da ABRATEC, a análise térmica pode ser definida, basicamente, como sendo um conjunto de técnicas em que uma propriedade física de uma substância e/ou produto de reação é medido em função da temperatura enquanto a substância é submetida a um programa controlado de temperatura. Para que uma técnica possa ser considerada termoanalítica, ela deve atender a três princípios (WENDLANDT, 1986):

o uma propriedade física deve ser medida;

o a medida deve ser expressa (direta ou indiretamente) em função da temperatura; o a medida deve ser feita sob um programa controlado de temperatura.

Existem várias técnicas de análise térmica, dentre elas as mais usadas são a termogravimetria e termogravimetria derivada (TG-DTG), análise térmica diferencial (DTA), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e análise termomecânica (TMA). Essas técnicas permitem obter informações como ponto de fusão, ponto de ebulição, mudanças na estrutura cristalina, cinética da reação, etc. (BLAZEK, 1973). A análise térmica pode ser aplicada em diversas áreas de conhecimento, tais como: ciências naturais, forenses e geociências. Vários materiais podem ser analisados por meio da análise térmica como, materiais inorgânicos, orgânicos, poliméricos, metalúrgicos farmacêuticos, etc. (IONASHIRO, 2005).

Apesar das técnicas termoanalíticas serem amplamente usadas em várias áreas do conhecimento, sua aplicação em óleos essenciais ainda é pouco estudada. O controle de qualidade dos óleos essenciais normalmente inclui análise sensorial e química. Usualmente, é feita a caracterização físico-química dos óleos essenciais como massa específica, índice de refração e rotação ótica. Dessa forma, o aparecimento de técnicas instrumentais modernas complementa essas investigações, como é o caso da análise térmica (MONTEIRO, 2008).

Estudos de perda de massa em função do aquecimento são de grande importância na análise de materiais. Usualmente a técnica de DSC é utilizada para obter informações como ponto de fusão, ponto de ebulição, cujas propriedades são essenciais nas indústrias químicas.

Embora pouco usados na química de óleos essenciais, os métodos termoanalíticos são aplicados com sucesso no controle de qualidade de óleos vegetais (WESOLOWSKIE e ERECINSKA, 1998; SAMYN et al., 2011). OCHOCKA et al. (1990) e OCHOCKA et al. (1992) demonstraram que a análise térmica pode ser utilizada na avaliação da qualidade de óleos essenciais.

Nos últimos anos, o desenvolvimento da instrumentação termoanalítica tem se caracterizado pela combinação de métodos térmicos com outros métodos de análise (MOTHÉ e AZEVEDO, 2009). Ohrbach et al. (1983) estudaram a degradação térmica de complexos metálicos utilizando a termogravimetria acoplada a um equipamento de análise

térmica diferencial e um espectrômetro de massa (TG-DTA-EM). Este tipo de investigação é essencial quando se pretende conhecer a estabilidade térmica de um material, bem como os compostos que vão sendo gerados durante a ação térmica. A TG também tem sido combinada com espectroscopia de absorção na região do infravermelho e raios X, cromatografia gasosa, entre outras (KINOSHITA et al., 1993).

Além das técnicas combinadas, as técnicas de análises simultâneas também são muito utilizadas. As técnicas simultâneas envolvem a medida de duas ou mais propriedades numa mesma porção de amostra uma única programação de temperatura (BROWN, 1988). As técnicas de medidas simultâneas amplamente difundidas são as termogravimetria- análise térmica diferencial (TG-DTA), termogravimetria-calorimetria diferencial de varredura (TG-DSC) e análise termomecânica-análise térmica diferencial (TMA-DTA) (HUMBEECK, 1998).

Termogravimetria (TG)

Existem algumas definições aceitáveis para termogravimetria. Blazek (1973) define este método como sendo o registro contínuo da massa de uma amostra quando submetida a aquecimento ou resfriamento. Wendlandt (1986), por sua vez, define como o registro da alteração na massa de uma amostra (perda ou ganho) em função da temperatura e/ou do tempo. Estes equipamentos são também denominados de termobalança. Trata-se da combinação de uma microbalança eletrônica com um forno associado a um programador linear de temperatura (BROWN, 1988).

O experimento de análise termogravimétrica consiste, basicamente, em colocar a amostra em um cadinho (ou porta-amostra), o qual é levado para uma pequena plataforma suspensa por um fio metálico de platina conectado a uma balança. A atmosfera do forno deve ser escolhida de acordo com o tipo de amostra a ser estudada, podendo ser dinâmica ou estática. Os gases utilizados podem ser o hélio, nitrogênio ou argônio, como gases inertes ou de arraste, ou o oxigênio como gás oxidante (WENDLANDT, 1986). Os dados gerados como tempo, temperatura e massa da amostra são registrados automaticamente. Os

métodos de termogravimetria frequentemente usados são: termogravimetria isotérmica, termogravimetria quase-isotérmica e termogravimetria não-isotérmica (dinâmica).

Alguns fatores podem influenciar na curva TG, dentre os quais se podem citar: fatores instrumentais (razão de aquecimento, atmosfera do forno, geometria do recipiente) e características da amostra (quantidade de amostra, solubilidade dos gases envolvidos na amostra, natureza da amostra) (WENDLANDT, 1986).

Termogravimetria derivada (DTG)

As curvas de derivadas termogravimétricas (DTG) são normalmente empregadas para interpretar as curvas termogravimétricas (TG), principalmente quando ocorrem pequenas variações durante a ação térmica, que são impossíveis de se identificar apenas com a TG. A curva TG normalmente expressa a dependência da massa da amostra (m) com a temperatura (T) ou tempo (t), enquanto a curva DTG mostra a variação no peso com o tempo (dm/dt) em função da temperatura ou tempo (BLAZEK, 1973), segundo as Equações (2.1) e (2.2). ) , (T out f m (2.1) ) , (T out f dt dm  (2.2)

As curvas DTG apresentam os resultados em forma de picos, ou, dependendo da substância, em uma série de picos. Isso traz algumas vantagens como identificação mais clara das temperaturas inicial e final da reação, bem como a temperatura em que a taxa de perda de massa alcança o seu valor máximo, Tmáx. É importante frisar que a DTG apenas apresenta os resultados de forma diferente, cujas informações podem ser visivelmente mais acessíveis e os valores de DTG podem ser usados para obter informações cinéticas (WENDLANDT, 1986).

2.2.6 Grandezas termodinâmicas

A obtenção de parâmetros cinéticos sempre foi objeto de investigação na comunidade científica. Parâmetros termodinâmicos como calor molar de vaporização,

Hvap, e energia de ativação, Evap, são de grande importância para o dimensionamento e operação de plantas químicas (RAO e VISWANATHL, 1973). Nesse sentido, a termogravimetria tem se mostrado como uma ferramenta para obtenção de tais grandezas. Kumar et al. (1985) determinaram o perfil da taxa de evaporação de alguns líquidos por meio da termogravimetria. Aggarwal et al. (1997) usaram a análise termogravimétrica para determinar os dados cinéticos do benzoato de metila, composto de grande importância na fabricação de perfumes.

Não menos importante que Evap e Hvap, a pressão de vapor é uma propriedade de extrema importância na indústria química. Os projetos de colunas de destilação dependem crucialmente deste parâmetro (CASSERINO et al., 1996). Por muito tempo determinou-se a pressão de vapor de vários líquidos pelo método isoteniscópio e pelo ebuliômetro. No entanto, estes métodos além de necessitar de uma grande quantidade de substância, requerem um tempo longo para realização dos ensaios (CASSERINO et al., 1996). Neste caso, a termogravimetria demonstra-se ser boa ferramenta para determinação desses parâmetros, não só pela rapidez dos ensaios, como pela pequena quantidade de amostra necessária para realização dos ensaios experimentais. Este é um fator fundamental, principalmente quando se trabalha com materiais caros.

Existem diversos trabalhos que utilizam a análise termogravimétrica para determinação de pressão de vapor. Wright et al. (2004) determinaram as curvas de pressão de vapor do ácido adípico e trietanolamina pela técnica TG-DTA. Price (2001) determinou a pressão de vapor de plastificantes e absorventes UV por TGA. Price e Hawkins (1998) utilizaram a TGA para determinar a pressão de vapor de vários corantes. Butrow e Sayler (2003) demonstraram que a pressão de vapor de vários líquidos pode ser determinada por DSC.

Neste contexto, os óleos essenciais, devido a sua ampla variedade de aplicações, vêm se tornando uma fonte inesgotável de investigação científica e tecnológica, principalmente pela obtenção dos componentes majoritários. Por se tratarem de substâncias líquidas voláteis, os valores de Hvap, Evap e de pressão de vapor dos óleos essenciais são fundamentais não só para o projeto do equipamento, quando se pretende concentrar os componentes majoritários por meio da destilação, como para o próprio entendimento fenomenológico do processo de separação (CREMASCO e BRAGA, 2010).

2.2.7 Teoria

Energia molar de ativação

A evaporação pode ser acompanhada por meio da determinação da taxa de perda de massa quando uma substância sofre uma transição da fase líquida para vapor (DOLLIMORE e O’CONNELL, 1998). Dados de energia de ativação podem ser adquiridos diretamente da curva termogravimétrica (TG) de massa em função da temperatura ou tempo, convertidos em curva DTG, em que a taxa de perda de massa (dm/dt) é medida em função da temperatura ou do tempo.

O formato dos gráficos DTG é instrumental na atribuição de um mecanismo cinético preliminar para o processo. No caso de um mecanismo de ordem zero ideal, o gráfico DTG apresenta um aumento na taxa de perda de massa até um valor máximo de dm/dt em um ponto onde todo material é evaporado. A curva DTG então decresce verticalmente até a linha de base, caracterizando reação de ordem zero, comportamento típico de evaporação (CHATTERJEE et al., 2002; HAZRA et al., 2002; CREMASCO et al., 2010).

O método frequentemente usado para determinação dos parâmetros cinéticos de evaporação é baseado na equação de Arrhenius (Equação 2.3) (O’CONNELL, 1999).

         RT E A

em que k_vapé o coeficiente de evaporação; T, temperatura absoluta; R, a constante universal dos gases; A, o fator pré-exponencial e Evap, a energia molar de ativação necessária para que a evaporação ocorra. O valor do coeficiente de evaporação, k_vap, pode ser obtido segundo a Equação (2.4) (HAZRA et al., 2002).

1 (1 ) vap n d k dt     (2.4)

em que o expoente n é a ordem da reação e  a fração evaporada dada por

f i t i m m m m     (2.5)

em que mi e mf é a massa inicial e final em miligramas, respectivamente. Já mt é massa em um determinado tempo t (HAINES, 1995).

Quando acontece evaporação, a reação passa a ser caracterizada como processo de ordem zero. Desse modo, a Equação (2.4) pode ser descrita como (CREMASCO et al., 2010) vap d k dt   (2.6)

ou na forma, cuja fração evaporada fica sendo igual ao produto do tempo e o coeficiente de evaporação, kvap, ou seja (HAINES, 1995),

t k_vap.



 (2.6)

A uma temperatura constante, k_vapé igual a d/dt (HAINES, 1995). Nesse caso, a taxa de evaporação é dada por dm/dt e, para uma reação de ordem zero, o coeficiente de evaporação pode ser calculado dividindo dm/dt por unidade de área (DOLLIMORE e O’CONNELL, 1998).

Geralmente assume-se que o fator pré-exponencial, a ordem da reação e a energia de ativação não variam durante o curso da reação (SHEN e ALEXANDER, 1999). Dessa forma, construindo um gráfico na forma de ln(kvap)vs1/T nos dá o valor de Evap, por

meio do coeficiente angular da reta multiplicado pela constante universal dos gases, R, (DOLLIMORE et al., 1992; CREMASCO e BRAGA, 2011).

Calor molar de vaporização

A equação de Clausius-Clapeyron é frequentemente referida como a equação clássica e mais amplamente usada para avaliar as características de pressão de vapor com a temperatura, podendo ser usada para obter o calor molar de vaporização (HAZRA et al., 2004). Esta equação pode escrita, conforme (CREMASCO et al., 2010), como

2 ) ( RT H Δ dT p ln d vap  (2.7)

sendo (H_vap) o calor molar de vaporização, no caso de líquidos, ou calor molar de sublimação (Hsub), no caso de sólidos.

Price e Hawkins (1998) mostraram que é possível usar a técnica de análise térmica para determinar a pressão de vapor de uma substância por meio da equação de Langmuir para evaporação livre segundo (CREMASCO et al., 2010)

1 . ( _{i f}) . 2 d M p a dt m m RT      (2.8)

em que a é a área do recipiente (cadinho); p , pressão de vapor; M , massa molar da substância; , coeficiente de vaporização, usualmente constante com o valor igual a 1 (PRICE e HAWKINS, 1998), no entanto, na presença de um gás de arraste o valor desta constante tende a ser diferente de uma unidade (CHATTERJEE et al., 2001); R , constante universal dos gases; e T , a temperatura absoluta.

Identificando o coeficiente de evaporação da Equação (2.4), na Equação (2.8), esta passa a ser escrita como

( ) . . 2 vap i f M k a p m m RT     (2.9)

Dessa forma, a Equação (2.9) apresenta um resultado muito promissor ao ponto de se poder explicar a pressão de vapor em função do coeficiente de evaporação por meio de (CREMASCO et al., 2010; CREMASCO e BRAGA, 2011)

. _vap p Y (2.10) com 1 2 . a R     (2.11) e ( ) vap vap i f T Y k m m M   (2.12)

Substituindo a Equação (2.12) na Equação (2.10) e o resultado obtido na Equação (2.7), obtém-se 1/2 2 [ ( ) ( ) ] vap i f vap ΔH d ln k m m T dT    RT (2.13)

ou, a partir da Equação (2.12),

2 ) ( RT H Δ Y ln dT d vap vap  (2.14)

 

Assim sendo, o valor do calor molar de vaporização pode ser obtido, cujo valor advém do coeficiente angular da reta obtida ao se construir um gráfico na forma

1/T vs ) (Y ln vap .

Pressão de vapor

Para os cálculos da pressão de vapor, retomam-se as Equações (2.10), (2.11) e (2.12). Uma vez que  _{venha a ser constante para uma determinada configuração} experimental, então o gráfico p vs Y _vap fornece o valor de  , o qual se mantém constante para qualquer substância. Este valor pode ser obtido por meio do conhecimento de uma substância-padrão, cujos valores de pressão de vapor advêm de informações conhecidas da literatura, por exemplo, por intermédio da equação de Antoine,

C T B A (p) log    (2.16)

em que p é a pressão de vapor a uma pressão absoluta T; os termos A, B, e C são as constantes de Antoine para uma determinada substância a uma dada faixa de temperatura. Dessa maneira, ao se utilizar a Equação (2.16) em conjunto com a Equação (2.15), na Equação (2.10), torna-se possível construir um gráfico na forma de p vs Y_vap, o qual, caso resulte em uma reta, obtém-se o valor da constante  . O valor desta constante pode ser utilizado para calcular o valor da pressão de vapor para uma substância cujas constantes de Antoine não são conhecidas (WRIGHT et al., 2004). A determinação da curva de pressão para a substância desejada advirá do conhecimento da análise termogravimétrica por meio da obtenção curva obtida pela Equação (2.15) e da constante da célula de medição  .

Métodos convencionais de obtenção de parâmetros termodinâmicos

Os métodos convencionais de determinação experimental de grandezas termodinâmicas podem ser divididos em dois grupos. O primeiro é considerado como métodos diretos os quais se baseiam em medidas calorimétricas. Já o segundo, grupo dos métodos indiretos, utilizam-se de outros dados para obtenção de tais grandezas.

Em Majer e Svoboda (1989) há algumas abordagens em relação aos métodos mais convencionais de obtenção de grandezas termodinâmicas como pressão de vapor e calor de vaporização. Nesse caso, eles apresentam como principais métodos diretos: calorimétricos (condensação e vaporização), manométricos e isoteniscópicos (método estático), ebuliométricos (método dinâmico) e as células de Knudsen (método da efusão). Os principais métodos indiretos são: as determinações cromatográficas (cromatografia) e as determinações termogravimétricas (termogravimetria), as quais foram utilizadas neste trabalho.

Na literatura é possível encontrar diversos trabalhos que utilizam técnicas diretas. Kruif et al. (1981) determinaram a pressão de vapor de naftaleno líquido e sólido utilizando o método estático empregando manômetros. Na última década, Ewing e Ochoa (2004) determinaram pressões de vapor de acetonitrila por meio do método dinâmico utilizando ebuliometria comparativa. Silva e Monte (1990) determinaram pressões de vapor e entalpias de sublimação de compostos organometálicos sólidos e orgânicos por meio do método da efusão em célula de Knudsen. Em relação às técnicas indiretas, Kweskin et al. (2006) avaliaram entalpias de vaporização, fusão e sublimação de uma série de alcanos por correlações de cromatografia gasosa. Em relação à termogravimetria, Dollimore et al., (1992); Shen e Alexander (1999); Chatterjee et al. (2001); Hazra et al. (2002); Wright et al. (2004) são exemplos de autores que utilizaram e indicam o uso desta técnica como ferramenta de obtenção de grandezas termodinâmicas de várias substâncias. Um breve resumo das descrições, vantagens e desvantagens dos principais métodos convencionais e sua comparação com o método termogravimétrico pode ser visto nas Tabelas 2.3 e 2.4, respectivamente.

Tabela 2.3 - Descrição dos principais métodos convencionais de obtenção de dados

termodinâmicos e sua comparação com o método termogravimétrico (MAJER e SVOBODA, 1989).

Método Descrição

Condensação

Envolve determinação da quantidade de calor liberado na condensação de uma quantidade da unidade de vapor. O vaso calorímetro real (condensador) é um trocador de calor e o calor liberado é usualmente transferido para um fluxo de líquido de resfriamento. O calor de condensação é determinado a partir da diferença entre as temperaturas de entrada e de saída do líquido de resfriamento e por meio da capacidade calorífica (Cp) e a taxa de fluxo de massa do líquido de resfriamento e o calor condensado.

Vaporização

Baseia-se na determinação da quantidade de calor necessário para vaporização de uma quantidade da unidade da substância estudada. Durante cada experimento de vaporização, certa quantidade de líquido é vaporizada e transportada do vaso de vaporização para a saída do sistema calorimétrico. O calor pode ser medido de duas formas: quando o líquido é vaporizado completamente por meio da diferença nas contidas no recipiente cheio e vazio ou quando a vaporização é parcial através da diferença da massa contida no vaso de vaporização antes e após o experimento.

Estático

Consiste usualmente de três partes termostatas: câmara de equilíbrio, manômetro e detector nulo. De forma geral, neste tipo de experimento, o detector nulo indica a igualdade da pressão dentro do vaso de equilíbrio ajustada para fora. A pressão externa é medida por um manômetro, a qual corresponde a pressão externa da substância.

Dinâmico

Em ebuliômetros, uma mistura de vapor e líquido é bombeada para um sensor de temperatura, que mede a temperatura de ebulição correspondente a uma dada pressão. Essa mistura nem sempre está em equilíbrio, pois o vapor pode ser superaquecido.

Efusão

Baseia-se na determinação da taxa de perda de massa por meio da saída do vaso de efusão. Este método é empregado para determinar pressões de vapor em uma faixa