19/09/2016 AMOSTRAGEM. Análise Química = Química Analítica. Análise de Alumínio em Água do Mar. Análise de Sódio e Cálcio em Solo

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Docente: Carlos Roberto da Silva Júnior Quinto semestre flex / Sexto semestre

Química – 2016.2

ANÁLISE

INSTRUMENTAL

Noções básicas

A Química Analítica trata de métodos para a determinação da composição química das amostras.

Identidade das espécies atômicas ou moleculares ou dos grupos funcionais

presentes em uma amostra

Informações numéricas relativas a um ou mais componentes de uma amostra

Análise Química = Química Analítica

_⊂

Métodos Qualitativos e Quantitativos

“A análise química é um

conjunto de técnicas e manipulações destinadas a proporcionar o conhecimento da composição qualitativa e quantitativa de uma amostra, mediante

métodos de rotina. A química analítica é um ramo da química, a ciência que persegue o objetivo de

resolver os problemas de composição com operações de rotina”.

Estágios de uma análise quantitativa

Etapas Exemplos de procedimentos

1. Amostragem Depende do tamanho e da natureza física da amostra

2. Preparação de uma amostra analítica

Redução do tamanho das partículas, mistura para homogeneização, secagem, determinação do peso ou do volume da amostra

3. Dissolução da amostra Aquecimento, ignição, fusão, uso de solvente, diluição

4. Remoção de interferentes Filtração, extração com solventes, separação cromatográfica 5. Medidas na amostra Padronização, calibração

6. Resultados Cálculo dos resultados analíticos

7. Apresentação dos resultados Impressão e arquivamento

AMOSTRAGEM

Análise de Alumínio

em Água do Mar

Análise de Sódio e

Cálcio em Solo

Métodos CLÁSSICOS versus INSTRUMENTAIS

Método Clássico:

Baseiam-se na separação dos ANALITOS por: PRECIPITAÇÃO, EXTRAÇÃO OU DESTILAÇÃO

Análise Qualitativa: reações específicas gerando produtos caracterizados por cor, ponto de fusão ou ebulição, solubilidade, etc.

Análise Quantitativa: medidas titulométricas (volumétricos) ou gravimétricas.

Métodos CLÁSSICOS versus INSTRUMENTAIS

Método Instrumental – Início do século XX: Baseiam-se em medidas físicas dos ANALITOS: Condutividade, Potencial de eletrodo, emissão ou absorção de luz, etc.

Técnicas eficientes de cromatografia e eletroforese substituíram os métodos de precipitação, extração e destilação.

O crescimento dos métodos instrumentais de análise modernos tem ocorrido paralelamente ao desenvolvimento das indústrias eletrônicas e de computadores.

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O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?

São métodos realizados em instrumentos. Não por instrumentos!

Por analistas que conhecem os instrumentos!

Instrumentos simples....

O que são Métodos INSTRUMENTAIS ?

São métodos realizados em instrumentos. Não por instrumentos!

Por analistas que conhecem os instrumentos!

Ou complexos ....

Métodos INSTRUMENTAIS

Cada tipo de instrumento tem uma aplicação: Distinta e limitada e...

Possui vantagens e desvantagens.

• Medidas de pH. Fornece informações a respeito da concentração de íons H3O+_.

• Baixo custo inicial e manutenção barata. Fácil de usar.

• Caracterização de sólidos cristalinos. Fornece informações sobre a estrutura cristalina.

• Custo inicial elevado e manutenção relativamente cara.

Métodos INSTRUMENTAIS

Um grande objetivo da química analítica

moderna é o desenvolvimento de

instrumentos e metodologias com a

consciência “verde”.

Métodos com consumo mínimo de amostra,

de reagentes, de etapas e, de preferência,

análises com a amostra in natura, reduzindo

ao máximo a quantidade de rejeitos.

Classificação dos métodos analíticos

CLÁSSICOS E INSTRUMENTAIS

Chamados de métodos de via úmida

Baseados em propriedades físicas (químicas em alguns casos)

Algumas técnicas instrumentais são mais sensíveis que as técnicas clássicas, mas outras não o são!

Gravimetria Volumetria Eletroanalítico

Espectrométrico Cromatográfico Propriedades elétricas Propriedades ópticas Propriedades diversas

PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS EXPLORADAS PELOS MÉTODOS INSTRUMENTAIS

Propriedade característica Método instrumental Emissão de radiação Espectroscopia de emissão atômica e

molecular (RX, UV, Vis, luminescência) Absorção de radiação Espectroscopia de absorção atômica e

molecular (UV, Vis, IV, RX) Espalhamento de radiação Turbidimetria e nefelometria Difração de radiação RX e elétrons

Potencial elétrico Potenciometria; cronopotenciometria Resistência elétrica Condutimetria

Corrente elétrica Amperometria; voltametria; polarografia Massa Gravimetria (microbalança de cristal de

quartzo)

Relação massa/carga Espectrometria de massas (CG-EM e CL-EM) Características térmicas TGA, DSC, DTA

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INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE

O instrumento converte a informação armazenada nas propriedades físicas ou químicas do analito em um tipo de informação que pode ser manipulada e interpretada. É necessário um estímulo (radiação eletromagnética, energia elétrica, mecânica ou nuclear) para provocar uma resposta.

Fonte de

Energia

Sistema em

Estudo

Informação

Analítica

Estímulo

Resposta

Estímulo

Resposta

Espectrofotômetro UV/Visível

INSTRUMENTOS PARA ANÁLISE E SEUS

COMPONENTES

FUNÇÃO DO INSTRUMENTO

Traduzir a composição química em uma informação diretamente observável pelo operador.

Transformar um sinal analítico que usualmente não é diretamente detectável ou entendido pelo ser humano em um sinal que pode ser medido (observado).

O instrumento atua direta ou indiretamente como um COMPARADOR, no sentido de que se avalia a amostra desconhecida em relação a um padrão.

FUNÇÃO DO ANALISTA

Ter conhecimento do que está realmente medindo!

Seleção de um método analítico

Conhecer os detalhes práticos das diversas técnicas e seus princípios teóricos.

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?

Qualquer que seja o método instrumental, o

sinal analítico será sempre uma função da

concentração do analito (atividade).

S = f(C)

Vtitulante S in a l an al ít ic o

Curva de titulação

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Qualquer que seja o método instrumental, o

sinal analítico será sempre uma função da

concentração do analito (atividade).

S = f(C)

Vtitulante S in a l an al ít ic o

Curva de titulação

Curva de titulação condutométrica

condutométrica

condutométrica ou

condutométrica

ou

espectrométrica

Qualquer que seja o método instrumental, o

sinal analítico será sempre uma função da

concentração do analito (atividade).

S = f(C)

[Analito] S in a l an al ít ic o SA= mCA+ Sbr

Curva Analítica

Química Analítica Instrumental

Curva analítica

Curva analítica: Representação gráfica da resposta

Curva analítica

do instrumento (sinal analítico) em função da

concentração do analito proveniente de

soluções-padrão (soluções-padrão externo). Também chamada de

curva de trabalho ou curva de calibração.

Branco (

Branco (br

Branco (

br

br)))): Sinal do instrumento para matriz (ou

br

imitação) na ausência do analito ou de uma

espécie que corresponda ao analito.

Química Analítica Instrumental

Limite de detecção (LD ou c Limite de detecção (LD ou c Limite de detecção (LD ou c

Limite de detecção (LD ou cmmmm)))): Concentração ou massa mínima do

analito que pode ser detectada em um nível confiável. Sm= Sbr+ k sbr (valor mais aceito k = 3)

onde Sme Sbrsão o sinal analítico mínimo e do branco e s é o

desvio padrão do branco.

Limite de quantificação (LQ) Limite de quantificação (LQ) Limite de quantificação (LQ)

Limite de quantificação (LQ): Considera-se ser a concentração para a qual o sinal analítico excede em 10 desvios padrões o sinal do branco.

Limite de resposta linear (LRL) Limite de resposta linear (LRL) Limite de resposta linear (LRL)

Limite de resposta linear (LRL): Concentração limite a partir da qual não é mantida a linearidade.

m ks m S S c m br br m = − =

Faixa linear de trabalho (FLT) ou Faixa ótima de trabalho (FOT) ou Faixa Faixa linear de trabalho (FLT) ou Faixa ótima de trabalho (FOT) ou Faixa Faixa linear de trabalho (FLT) ou Faixa ótima de trabalho (FOT) ou Faixa Faixa linear de trabalho (FLT) ou Faixa ótima de trabalho (FOT) ou Faixa dinâmica

dinâmica dinâmica

dinâmica: Faixa de concentração que se estende de LQ até LRL.

Química Analítica Instrumental

LQ LRL c_m FOT S in al A n al ít ic o Concentração

Método do padrão interno Método do padrão interno Método do padrão interno Método do padrão interno: Consiste em adicionar uma substância em quantidade constante a todas as amostras,

aos brancos e aos padrões de calibração em uma análise. Compensa diversos tipos de

erros, aleatórios ou sistemáticos.

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Método de adição de padrão Método de adição de padrão Método de adição de padrão

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 com a finalidade de corrigir a interferência da matriz sobre o sinal analítico.

Química Analítica Instrumental

-10 -5 0 5 10 15 20 25 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 y = 0,0382x + 0,2412 R2 = 0,9999 S in a l a n a lí ti c o

Volume de solução do padrão, mL

Exatidão ExatidãoExatidão

Exatidão: Grau de concordância entre o valor medido (média de várias replicatas) e o valor de uma referência padrão.

Precisão PrecisãoPrecisão

Precisão: Grau de concordância mútua entre os dados que foram obtidos do mesmo modo. Fornece uma medida do erro aleatório, ou indeterminado, de uma análise.

Tendência (bias) ou viés (

Tendência (bias) ou viés (Tendência (bias) ou viés (

Tendência (bias) ou viés (∆∆∆∆)))): Fornece uma medida do erro sistemático, ou

determinado, de um método analítico. ∆ = µ –τ, onde µ é a média de várias replicatas para a concentração de um analito em uma material de referência com a concentração verdadeira τ.

Sensibilidade SensibilidadeSensibilidade

Sensibilidade: A sensibilidade de um instrumento ou método é uma medida de sua habilidade em discriminar pequenas diferenças na concentração de um analito. Em uma curva de calibração, a sensibilidade é a inclinação da curva (m).

S = mc + Sbr, onde S é o sinal medido, c é a concentração do analito e

Sbré sinal do instrumento para o branco.

Química Analítica Instrumental

Sensibilidade analítica Sensibilidade analítica Sensibilidade analítica

Sensibilidade analítica: A sensibilidade analítica é definida com sendo o quociente da inclinação da curva pelo desvio padrão da medida:

γ= m / sS. Esta medida é inume aos efeitos de amplificação e é

independente das unidades de medida de S.

Seletividade Seletividade Seletividade

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. Infelizmente nenhum método analítico está totalmente livre de interferência de outras espécies e, assim, procura-se minimizá-las.

•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. Exemplo: Uma amostra contendo o analito A, bem

como B e C potencialmente interferentes:

S = mAcA+ mBcB+ mCcC+ Sbr; e

S = mA(cA+ kB,AcB+ kC,AcC) + Sbr

Química Analítica Instrumental

A B A B m m k, = A C A C m m k , =

Química Analítica Instrumental

Um método que produz resposta para apenas um analito é chamado específico.

Um método que produz resposta para vários analitos, mas que pode distinguir a resposta de um analito da de outros é chamado seletivo. 0 2 4 6 8 10 0 10 20 30 40 50 60 S in a l A n a lí ti c o Concentração (mg/L) B A Repetibilidade Repetibilidade Repetibilidade

Repetibilidade: Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob as

mesmas condições(mesmo operador, mesmo equipamento, mesmo

laboratório em um pequeno intervalo de tempo).

Reprodutibilidade Reprodutibilidade Reprodutibilidade

Reprodutibilidade: Grau de concordância entre resultados independentes obtidos com o mesmo método para um material de teste idêntico sob

diferentes condições(diferentes operadores, diferentes equipamentos,

diferentes laboratórios e após diferentes intervalos de tempo). A medida da reprodutibilidade é o desvio padrão qualificado com o termo reprodutibilidade. Em alguns contextos reprodutibilidade pode ser definida como o valor abaixo do qual a diferença absoluta entre dois resultados individuais com um material idêntico, obtido nas condições acima, aconteçam com a mesma probabilidade especificada. Note que uma declaração completa de reprodutibilidade exige a especificação das condições experimentais que diferem.

Glossário da Química Analítica Instrumental

• Não desenvolvam a “Arte de Enrolar”

O QUE O PROFESSOR ESPERA DOS ALUNOS EM

QUÍMICA ANALÍTICA INSTRUMENTAL?

“A exatidão é um parâmetro de difícil precisão, pois está sujeita a uma série de erros determinados.”

“O ponto de equivalência é encontrado se interpolando por extrapolação o ponto no qual a curva muda de sua

concavidade.”

“Uma maior exatidão seria obtida condutimetricamente, uma vez que em condutimetria é possível determinar

pequenas variações de potencial ...”

“... em se tratando de uma amostra com várias matrizes, este tipo de detector traria maior seletividade ...”

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Alíquotas de exatamente 5,00 mL de uma solução de fenobarbital foram transferidas para frascos volumétricos de 50,00 mL e foram ajustados com KOH para tornarem-se básicas. Os seguintes volumes de solução-padrão contendo 2,000 µg/mL de fenobarbital foram introduzidas em cada frasco: 0,000, 0,500, 1,00, 1,50 e 2,00 mL. O volume foi completado e as leituras de cada frasco em um fluorímetro forneceu as seguintes respostas: 3,26, 4,80, 6,41, 8,02 e 9,56.

a) Construa o gráfico com os dados.

b) Usando o gráfico, determine a concentração de fenobarbital na amostra desconhecida.

c) Obtenha a equação por regressão linear (mínimos quadrados). d) Calcule a concentração pela equação obtida em (c). e) Calcule o desvio padrão para a concentração obtida em (d).

Exemplo 1:

y = 79,1x + 3,246 R2 = 0,9999 0 2 4 6 8 10 12 -0,05 -0,03 -0,01 0,01 0,03 0,05 0,07 [F], µµµµg/mL S in a l a n a lí ti c o

Pela equação, para y = 0 x = -3,246 / 79,1 = 0,0410 µg/mL. Como a amostra foi diluída de 5,00 para 50,00 mL, a sua concentração é 10 vezes maior: 0,0410 x 50 / 5 =

0,410 µ

µ

µg/mL

.

Desvio padrão relativo da regressão, sc/c = 0,007957 (ou 0,7957%) Desvio padrão da medida = 0,410 x 0,007957 = 0,003 (ou 0,3%)

V, mL C, µµµµg/mL S 0,000 0,000 3,26 0,500 0,0200 4,80 1,00 0,0400 6,41 1,50 0,0600 8,02 2,00 0,0800 9,56