ANALÍTICA AVANÇADA 1S

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ANALÍTICA AVANÇADA – 1S 2017

Preparo de Amostras

Métodos (2ª parte)

Prof. Rafael Arromba de Sousa

Departamento de Química - ICE

rafael.arromba@ufjf.edu.br

(2)

Considerações sobre amostragem Preservação de amostras

Tratamentos preliminares  Tratamentos convencionais

(dissolução, abertura, digestão (chapa, Microondas) Detalhes experimentais para o preparo de amostras para determinações inorgânicas

 Métodos de extração e detalhes para o preparo de amostras para determinações orgânicas

Estudo dirigido para aprofundamento

(3)

“PENDÊNCIAS” ...

1-

Entrega da Tarefa 1

2-

Data do “Experimento de Amostragem”

CRONOGRAMA  27-06-17 (última aula do mês) Pesquisar um procedimento para a dissolução de uma liga metálica, como preparo prévio à análise química de sua composição.

(4)

ÚLTIMO SLIDE:

Digestão de Amostras em Frasco Aberto

Características:

- Aplica-se a todos os tipos de amostras, exceto sólidos refratários

- Permite o uso de quantidades “flexíveis” de amostra ...

- Geralmente demora horas e consome quantidades relativamente grande de reagentes  favorece a preconcentração de impurezas

- Exige supervisão constante do analista ... - Favorece a perda de analitos voláteis

(5)

Digestão em bombas de alta-pressão com frascos de

PTFE

:

Decomposição de Amostras em

Sistemas Fechados

Teor de carbono residual em amostras decompostas com HNO₃ em sistemas abertos podem variar de 2 a 46% !

Pode ser melhorado:

decomposição sob pressão em temperaturas acima de 120 o_C

Frasco de teflon

(160 – 200 o_C) Cilindro de aço _{(mais comum)} Aquecimento _{- Chapa}

- Estufa termostatizada

(6)

Digestão de Amostras em

Frasco Fechado

Características:

- Aplica-se a todos os tipos de amostras, com a limitação de uso de massas

de amostras relativamente pequenas

- Geralmente demora menos que 3 horas e consome quantidades pequenas a moderadas de reagentes



Elevada frequência analítica



Adequada à análise de “traços”

- Possibilita utilizar apenas HNO₃ ou HNO₃e H₂O₂

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Microondas (MW) de laboratório b

Recursos para Digestão de amostras em Frasco Fechado

(a) www.paralab.pt/client/documentos/portuguese/parr/SamplePrep.pdf

(b) Existem também modelos para se trabalhar com frascos abertos (microondas focalizado).Vantagem: maior quantidade de amostra. Desvantagem: não compatível com analitos voláteis

Bombas de alta pressão a

i ii iii

i) Digestão “convencional”

ii) Digestão em MW --- iii) Digestões por combustão

(8)

Condições para digestão em bombas de alta-pressão com PTFE Parâmetros experimentais Valores médios

Temperatura 170 – 180 o_C

Massa de amostra (frasco de 35 mL) Correspondente a 100 mg C

Pressão final 20 bar

Tempo de decomposição 3 h (na temperatura de digestão) Volume de ácido nítrico (65 – 69%) 2 mL

EMBORA os sistemas tenham válvulas de alívio de pressão amostras que liberam muita quantidade de gases (gorduras)

devem ser digeridas com cuidado !

(9)

quartzo

:

Decomposição de Amostras em

Sistemas Fechados

- Possibilidade de se usar temperaturas de até 300 o_C  “High Pressure Asher” (HPA)

 Equilíbrio de pressões

- Resultados: satisfatórios em geral, inclusive para determinar As, Hg, P, S, Se

- SE necessário o digerido pode ser evaporado para eliminar vapores nitrosos dissolvidos

(10)

quartzo

:

Decomposição de Amostras em

Sistemas Fechados

10 (10 Mpa= 100 bar)

(11)

Condições para digestão em bombas de alta-pressão com

quartzo

Parâmetros experimentais Valores médios

Temperatura 320 o_{C (300}o_{C no inteior)}

Massa de amostra (frasco de 30 mL) Correspondente a 100 mg C**

Pressão final < 100 bar Tempo de decomposição de até 3 h

(na temperatura de digestão) Volume de ácido nítrico (65 – 69%) 2 mL

** Massas maiores PODEM ser usadas SE a digestão puder ser realizada em temperaturas menores, na ordem de 180 o_C.

(12)

O equipamento de

microondas

:

Decomposição de amostras em

Sistemas Fechados

Exaustão

(caso vazamentos)

Controlador computadorizado Porta “reforçada” e

projetada para não abrir Sensores para monitorar

(13)

• Microondas são radiações do espectro eletromagnético

• Região de comprimentos de onda: 1mm a 1m e freqüências de 300 a 30.000 MHz

• Freqüências para usos industrial, médico e cientifico: 915 MHz, 2450 MHz, 5800 MHz

e 22125 MHz, estabelecidas pela Comissão Federal de Comunicações - FCC (USA)

Correspondência entre Radiação e Energia

Digestão assistida por

microondas

?

(14)

• Microondas não são radiações ionizantes

• A energia das microondas é muito menor que a energia

necessária para quebrar as ligações das moléculas

orgânicas mais comuns

• Potência: faixa de trabalho geralmente entre

600 – 1500 W

microondas

(15)

• Equipamentos utilizam programas de aquecimento: • Temperatura x Tempo OU

• Potência x Tempo • Frascos reacionais: vidro

quartzo (até 12 Mpa)

teflon (até 7 Mpa)  politetrafluoretileno

15

Obtenção do material PTFE.

www.masterflex.com/TechLibraryArticle/828; acessado 06-07-14

microondas

(16)

• Os líquidos absorvem energia de microondas modificando:

• Rotação de dipolo

• Migração iônica Aumento da temperatura

microondas

CARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS

 Materiais podem refletir, absorver

ou não absorver microondas

(17)

ENTÃO: a absorção das microondas depende da:

• Constante dielétrica ε’

Capacidade de absorver radiação eletromagnética

• Perda dielétrica

ε”

Capacidade de dissipação da energia na forma de calor

• Fator de dissipação,

tan δ

(razão ε”/ ε’)

Habilidade do material em absorver energia das microondas, convertendo a energia da onda eletromagnética em calor

17 Digestão assistida por

microondas

(18)

Taxa de conversão de energia de microondas (tan δ) em diferentes materiais Água 25 1570 Quartzo fundido 25 0,6 Cerâmica F-66 25 5,5 Porcelana No 4462 25 11 Vidro fosfato 25 46 Vidro borossilicato 25 10,6 Vidro Corning No 0080 25 126 Acrílico (Plexiglass) 27 57 Nylon 6-6 25 128 Polietileno 25 3,1 Poliestireno 25 3,3 Teflon PFA 25 1,5 Material tand (x10-4₎ 18 Digestão assistida por

microondas

CARACTERÍSTICAS DAS MICROONDAS

(19)

Sistema de microondas

não focalizadas

(“cavity-type”)

Alguns exemplos:

-

Milestone

-

CEM

-

AntonPaar

-

Berghof, ...

Tipos de microondas

para digestão de amostras

(20)

Sistema de microondas

não focalizadas

(“cavity-type”)

Sistema nacional (Provecto)

Frasco Teflon

Proteção de cerâmica

Camisa para

(21)

Com o forno de microondas “carregado” com os

frascos

Sistema de microondas não focalizadas (“cavity-type”)

21 Aplica-se um programa de temperatura:

 Adequado para cada tipo de amostra

 Realizado em etapas (com durações diferentes):

- Aquecimento brando (rampa lenta)

- Aquecimento em temperatura alta (tempo determinado)

- Resfriamento

(dentro e/ou fora do MW até o digerido atingir a T ambiente)

(22)

Condições

para digestão assistida por

micro-ondas ?

Parâmetros experimentais Valores médios

Temperatura ou Potência Dependem da amostra e do

equipamento (verificar manuais) Massa de amostra Em geral até 500 mg

Tempo de decomposição Menos de 1 h

Reagentes

1) HNO₃ + H₂O₂

2) H₂SO₄ + H₂O₂

3) HNO₃ + HCl

1) Plantas, tecidos animais e alimentos

2) Óleo lubrificante, PVC, poliamidas, poliésteres e alimentos gordurosos

(23)

SEGURANÇA: monitoração do interior dos frascos:

Ex.: 10 mL de HNO₃ em 6 frascos de Teflon TFM fechados, aplicando-se 600 W por 15 min:

0 50 100 150 200 250 0 300 600 900 1200 0 5 10 15 20 25 30 Tempo (s) Te mpe ratura ( o C)

Sistema de microondas não focalizadas (“cavity-type”)

 A pressão de vapor gerada no interior dos frascos aumenta a temperatura de ebulição do HNO₃

(24)

Aquecimento por microondas em sistema fechado

VANTAGENS

• Reduz erros sistemáticos e obtêm-se menores limites de detecção • Não há perdas de analitos

• Reduz contaminações

• Possibilita menor consumo de ácidos

• Maior pressão  maior temperatura  decomposição apenas com HNO₃

• Reduz custos

•Diminui o consumo de ácidos ultrapuros (caros) ... • Minimiza impactos ambientais

LIMITAÇÕES

• Alto custo do equipamento (Berghof SW4: € 30000,00 _{final 2012})

(25)

Sistema com microondas focalizadas (“waveguide-type’’)

Tipos de microondas

para digestão de amostras

(26)

Ex de um forno de microondas que permite a realização

de 6 digestões diferentes

Sistema com microondas

focalizadas

(“waveguide-type’’)

26 Tubos de digestão



Equipamentos com diferentes configurações instrumentais

podem ser encontrados

(27)

Forno de Microondas

Focalizado

• Trabalha à pressão atmosférica

• Mais seguro, mas requer condições mais drásticas de reação (uso de H₂SO₄)

• Permite uso de até 10 g de amostras

• Permite adição automática de ácidos e/ou solventes orgânicos

• Ideal para amostras com alta concentração de orgânicos

• Vantagens em relação à chapa e bloco digestor • Permite melhor controle de temperatura e consequentemente melhor controle da reação

• Sistema de refluxo  reduz contaminação e perdas por

volatilização

(28)

Digestão assistida por microondas

Frasco adequado

+

Reagentes apropriados

+

Programa de aquecimento adequado

Decomposições eficiente

Orgânicos

Inorgânicos

(incluindo refratários)

Solução de leitura

(29)

d)

MÉTODOS DE EXTRAÇÃO

(determinações em geral)

Baseada na diferença de solubilidade entre duas substâncias em relação A DOIS SOLVENTES, geralmente água e um solvente orgânico

 Transferência de um soluto de uma fase para a outra

- Técnica simples

- Temperatura ambiente

- A substância separada ainda pode ser tratada (purificada, pré-concentrada, etc)

funil de separação

Sistema DESCONTÍNUO (batelada)



Extração

líquido-líquido

(30)

 Uso: separação e purificação de substâncias

Substâncias mais polares ou iônicas  fase aquosa

Substâncias mais apolares  fase orgânica ASPECTOS FÍSICO-QUÍMICOS:

Coeficiente de Partição (K_D)

É a constante de equilíbrio para a solubilidade de um composto em um solvente “1” em relação a um solvente “2”: K_D= C₁/C₂

C₁ e C₂ são as solubilidades do composto nos solventes “1” e “2”

Número alto de K_D:

grande parte do soluto irá ser transferida para o solvente “1”

 Eficiência da extração  Lei da distribuição de Nernst prevê: Mesmo em casos onde K_D é bastante alto, é mais eficiente se realizar sucessivas extrações usando volumes pequenos, em vez de uma única extração com a soma

(31)

 Extração sólido-líquido (mais efetiva para substâncias inorgânicas)

Sólido + solvente + substâncias extraídas Solvente destilado

(eventualmente) contendo substâncias voláteis extraídas

Extrator de Soxhlet

(1879):

 Uma das fases é um sólido, onde se encontra o soluto (analito)

 Uma ou mais substâncias vão passar para a fase líquida

Ex cotidiano: Preparação de bebidas como chá e café

Ex. indústria: análise inorgânica de solos e fertilizantes

(32)

Microextração

em fase sólida

(

SPME

)

Extração por purga

ou aprisionamento

I N J E T O R OU D E S S O R Ç Ã o

 Extração líquido-sólido (usada majoritariamente para analitos orgânicos)

Condições experimentais : temperatura, agitação e tempo de extração

(a serem avaliados) 32

(33)

 A posição do frasco de amostra influencia na eficiência do processo

Equipamentos auxiliares para o Preparo de amostras

Banhos de ultrasom

Agitador e misturador



Extração



Dissolução



Homogeneização

(34)

E)

Considerações “finais”

Validação do procedimento de preparo de amostras Utilizar amostras de referência

(preferencialmente amostras de Referência Certificadas)

 Comparar resultados analíticos com aqueles obtidos com métodos de referência ou oficiais (testes estatísticos)

 Participar de Ensaios Interlaboratoriais (testes estatísticos)

O método de análise deve ser confiável e adequado ao

tipo de amostra/analito

(35)

Estudo Dirigido

ATIVIDADES DE LEITURA

QUESTÕES PARA “PENSAR” E RESPONDER

INFORMAÇÕES ADICIONAIS PARA CONHECIMENTO E REFLEXÃO

35



Encaminhar as dúvidas e comentários por

(36)

Estudo Dirigido

Oliveira, E. “Sample Preparation for Atomic Spectroscopy: Evolution and FutureTrends”; J. Braz. Chem. Soc. 14 (2003) 174.

Nóbrega, JA; Santos, MC; Sousa, RA et al. “Sample preparation in alkaline medium”,

Spectrochim. Acta B, 61 (2006) 465.

LEITURA RECOMENDADA

(37)

- NOVÁKOVÁ, L.; VLČKOVÁ, H. A review of current trends and advances in modern bio-analytical methods: Chromatography and sample preparation. Analytica Chimica Acta, v.656, p.8-35, 2009.

- KATAOKA, HH. New trends in sample preparation for clinical and pharmaceutical analysis. Trends in Analytical Chemistry, v.22, p.232-244, 2003.

- MARTIN, G.; M.; BOUVIER, E.S.P.; COMPTON, B.J. Advances in sample preparation in electromigration, chromatographic and mass spectrometric separation methods.

Journal of Chromatography A, v.909, p.111-135, 2001.

37

Estudo Dirigido

LEITURA RECOMENDADA

(38)

Contaminações da amostragem e estocagem

 Hoening, M.; Kersabiec, AM. “Sample Preparation Steps for Analysis by Atomic pectroscopy Methods: Present status”; Spectrochim. Acta B 51 (1996) 1297

Contaminações durante a análise de traços

 S. Mitra. Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry; John Wiley & Sons, Inc., 2003

CONTEXTO:

determinações de metais, compostos orgânicos voláteis PRINCIPAIS FONTES:

poeira e atmosfera ambiente, reagentes, frascos e materiais que entram em contato com a amostra

LEITURA RECOMENDADA

(39)

 Exemplo de procedimento

PREPARO DE

Amostra de ÁGUA

PARA

Determinação de metais

Filtração (0,45 µm)

Coleta

Acidificação

Resultados

*

metais

“dissolvidos”

Digestão ou Análise direta

Acidificação - fração líquida

*

metais

“totais”

39

(40)

Exemplo de procedimento

Amostra de ÁGUA 

Determinação de metais

A digestão pelo Método EPA 3015

1) Adicionar em frasco de digestão - 45 mL de amostra

- 5 mL de HNO₃ conc.

2) Agitar vagarosamente a mistura

3) Fechar o frasco e introduzi-lo no rotor do MW

4) Submeter a amostra ao seguinte programa de aquecimento: - 10 min até 160 o_C

- 10 min até 165 o_C

5) Após o frasco resfriar, abri-lo e, se necessário, realizar a diluição do digerido

6) Armazenar a amostra em frasco de plástico limpo e analisar a solução de amostra

(41)



Considerações sobre

segurança

no laboratório

Massas elevadas de amostras maior que 0,5 g são inadequadas para sistemas fechados devido levarem à formação de grande quantidade de vapor

A abertura dos frascos fechados, após a digestão, deve ser feita após os mesmos voltarem à temperatura ambiente e

preferencialmente na “capela”

A adição de H₂O₂ em frasco aberto deve ser feita a frio

A reação de ácidos fortes com amostras finamente divididas são

(42)

Considerações sobre segurança no laboratório

Materiais muito reativos ou em quantidades relativamente elevadas

podem ser pré-digeridos antes do início do procedimento a ser adotado

 ~ 0,25g de fígado (triturado)

reage instantaneamente com HNO₃ conc.

Ácido fluorídrico é rapidamente absorvido pela pele e causa queimaduras profundas de forma lenta e de difícil remediação (para lembrar...)

 Preferir equipamentos com controle de pressão

(43)

Estudo Dirigido

QUESTÕES PARA REVISAR O CONTEÚDO

1) Liste as principais características da digestão em vaso aberto e da digestão em sistema fechado.

2) Considerando que um outro tipo de digestão ácida é a

digestão sulfúrica usada para a determinação de nitrogênio pelo método de Kjeldhal, descreva como esse método funciona.

3) Escolha uma amostra (do seu interesse), selecione um analito possível (ou uma classe de analitos) e proponha um procedimento de análise detalhando as etapas desde a coleta até o preparo de amostra.

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Referências consultadas

1) D. A. Skoog, D. M. West and F. J. Holler. Fundamentals of Analytical Chemistry; 7th_{Ed., Thomson Learning, 1996.}

2) Hoening, M.; Kersablec, A. M. “Sample Preparation Steps for Analysis by Atomic Spectroscopy Methods: Present Status”, Spectrochim. Acta B, 51 (1996) 1297-1307.

3) J. Mendham, R. C. Denney, J. D. Barnes, M. Thomas. Vogel - Análise Química Quantitativa; 6a_{ed., LTC, 2002.}

4) S. Mitra. Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry;

John Wiley & Sons, Inc., 2003.

5) Leite, F. “Amostragem Analítica em Laboratório”; Rev. Anal. 3 (2003) 52-59.

6) Oliveira, E. “Sample Preparation for Atomic Spectroscopy:

Evolution and Future Trends”; J. Braz. Chem. Soc. 14(2003) 174-182.

7) Borowski, K. Tips and Techniques for Ethos Series Microwave Lab Stations; Milestone Inc., 2003.

8) D. C. Harris. Análise Química Quantitativa; 7a_{ed., LTC, 2008.}

9) F. J. Krug. Métodos de preparo de amostras: fundamentos sobre o preparo de amostras orgânicas e inorgânicas para análise

elementar; 1ª ed., 2010.

10) Notas de aula do Prof Júlio César José da Silva, do DQ/ UFJF (www.ufjf.br/baccan).

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