Aula 4 - Abertura de Amostras - UFJF | Universidade ... · Mecanismos de aquecimento provocado por...

Aula 4 - Abertura de Amostras

Prof. Julio C. J. Silva

Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)Instituto de Ciências Exatas

Depto. de Química

Juiz de For a, 2011

Metodologia Analítica

Métodos de dissolução

VIA SECA

Fusão Cinzas

Bico de gás

Forno –

mufla

Forno –

mufla de

microondas

Forno –

mufla

VIA ÚMIDA

Sistema

fechado

- Frasco de

combustão com

O2

- Frasco de

combustão de

Schöniger

- Frasco de

Carius

- Bomba de

teflon

- Placa

Aquecedora

- Banho Maria

- Bloco Digestor

- Estufa

- Mufla

- Chama (bico de

Bunsen)

PREPARO DA AMOSTRA

Sistema

aberto

Energia Energia

• Decomposição por fusão

“É uma reação heterogênea, realizada em altas temperaturas, entre

um fundente e o material da amostra. Como resultado deste

procedimento, um mineral original ou fases refratárias são

convertidas em formas sólidas diferentes que são facilmente

dissolvidas em ácidos, bases ou em água”

• Fundente reagente utilizado para reduzir a temperatura de

fusão de uma amostra

Métodos de dissolução (via seca)

• Decomposição por fusão

• Reagentes para dissolver uma amostra:

• Deve fornecer uma solução final contendo todos os componentes a

serem determinados

• Os reagentes não devem interferir nas etapas seguintes da análise

• O tempo de dissolução deve ser o mais rápido possível

• Os reagentes devem ter a pureza adequada

• As perdas do analito deverão ser desprezíveis

• O procedimento de dissolução da amostra não deve atacar, de forma

significativa, o recipiente

• A execução das operações de laboratório necessárias não devem

apresentar periculosidade ou instabilidade


Ácidos:

• Podem ser purificados com

facilidade

• Podem ser removidos por

evaporação

• A temperatura máxima de uso é

limitada pelo ponto de ebulição do

ácido

• A temperatura de utilização pode

ser mais elevada com o uso de

Autoclaves

Fundentes:

• São usados em altas temperaturas

• São de purificação difícil

• Resultam em matrizes com teores

elevados de eletrólitos

• A dissolução final da massa fundida

pode ser lenta ou difícil

• Há riscos de contaminação ou

perdas por volatilização

• São mais eficientes que os ácidos

na decomposição de materiais

refratários


• Decomposição por fusão (Ataque ácido x Fusão)

• Fusão – vantagens

• Ideal para materiais cerâmicas de difícil digestão, tais como, minérios

refratários, aluminas, óxidos, etc.

• Método rápido

• Baixo custo

• Produtos de reação isentos de gases tóxicos ou corrosivos

• Fusão – Limitações

• Inadequado para elementos voláteis

• Solução da amostra com elevado conteúdo de sólidos dissolvidos

• Interferências espectrais causadas pelo fundente



→

↓

Procedimento (exemplo): Fusão com metaborato de lítio (LiBO2)

Decomposição por via úmida-Sistemas abertos

Aquecimento por condução

A temperatura da superfície

externa do frasco é maior que

o ponto de ebulição da

solução

Métodos de dissolução (via úmida)

Sistemas abertos – aquecimento condutivo

Vantagens:

• Baixo Custo

• Simplicidade Operacional

Desvantagens:

• Aquecimento não-uniforme

• Problemas de contaminação

• Possibilidade de perda dos analitos por projeção

e/ou volatilização


Sistemas abertos – aquecimento condutivo


Abertura em chapa usando HF e béqueres de TEFLONchapa de aquecimento

• Sistemas fechados - Bomba de decomposição (PTFE)

• HNO3 concentrado e programa de temperatura

• Desvantagens:

• Em PTFE: 170ºC – 180ºC; o material não é indicado para temperaturas

mais altas

• Decomposição incompleta

• Perda de Hg nas paredes do frasco (PTFE)


Aquecimento assistido por energia microondas

• Microondas são radiações do espectro eletromagnético (portadoras de energia)

• Região de comprimentos de onda: 1mm a 1m e freqüências de 300 a 300000 MHz.

• Freqüências para usos industrial, médico e cientifico: 915MHz, 2.450MHz (12,2cm),

5.800MHz and 22.125MHz. Estabelecidas pela Comissão Federal de Comunicações -

FCC (USA)

Microondas


Espectro Eletromagnético

Tipo de radiação Freqüência típica

(MHz)

Quantum de

energia (eV)

Raios-X 3,0 x 1013 1,24 x 105

Ultravioleta 1,0 x 109 4,1

Visível 6,0 x 108 2,5

Infravermelho 3,0 x 106 0,012

Microonda 2450 0,0016

Energia de uma microonda vs energia de outras radiações

eletromagnéticas


• 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

Energia das microondas


Quantum de energia de microonda de 2450 MHz = 0,0016 eV

Ligação química Energia da ligaçãoquímica (eV)

H-CH3 4,5

H-NHCH3 4,3

H3C-CH3 3,8

H-OH 5,2

Ligação de hidrogênio 0,21

Mecanismos de aquecimento provocado por microondas

• Os líquidos absorvem energia de microondas por dois

mecanismos que atuam simultaneamente:

• Rotação de dipolo

• Condução iônica


• Rotação Dipolo

• Refere-se ao alinhamento de moléculas na amostra, que

tenham momentos de dipolo induzido ou permanente,

devido a aplicação de um campo elétrico.

• Depende da temperatura e viscosidade da amostra

Rotação de dipolo

• Moléculas polarizadas são alinhadas com a aplcação do campo elétrico

• Quando campo é removido ou reduzido, a desordem induzida termicamente é

restaurada e energia térmica é liberada.

• A 2450 MHz, o alinhamento das moléculas, seguido do seu retorno a desordem

ocorre 4,9 x 109 vezes por segundo, e resulta em rápido aquecimento.


• Refere-se à migração dos íons dissolvidos no campo eletromagnético aplicado

• A condução iônica depende da mobilidade, carga e concentração do íon

Condução Iônica

Rotação de dipolo


• A absorção da microonda depende da:

• constante dieléctrica e’ (capacidade de uma molécula ser

polarizada por radiação eletromagnética)

• perda dielétrica e” (eficiência de conversão da energia da

microonda em calor)

• “loss tangent” ou tand = e”/e’ (habilidade do material em absorver

energia da microonda, convertendo a energia da onda

eletromagnética em calor)

Absorção da microonda e aquecimento


Constantes

Taxa de conversão de energia de microondas (tand) 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 Temperatura (°C) tand (x10-4)

Absorção da microonda e aquecimento


Interação de materiais com microondas

Materiais podem refletir,

absorver ou não absorver

microondas

Aquecimento assistido por energia microondas


• As paredes do frasco são

transparentes à energia da microonda

e apresentam temperatura menor que a

temperatura da solução

• Primeira aplicação

• MW caseiro (600W)

• 4:1 HNO3+HClO4

•0,5 g amostra + 10 mL mescla

(erlenmeyer 125 mL)

• t = 15 min

• Fígado bovino (Zn e Cu)

• Folhas de pomar (Zn, Cu e Pb)

• AAS

Aquecimento por microondas


Abu-Samra, A. Morris, J. S.; Koirtyohann, S. R.; Anal. Chem., 47(1975)1475

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

Tipo:

-Milestone

- CEM

- Perkin Elmer

- Provecto


Milestone – MLS 1200

Frascos de baixa pressão

(vapor ácido)

Não recomendado para As


Sistema Provecto

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

Forno de microondas com radiação focalizada

(sistema aberto)

Forno de Microondas Focalizado

• Trabalha a 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 orgânico

Vantagens em relação à chapa e bloco digestor

• Permite melhor controle de temperatura e conseqüentemente melhor controle da reação

• Sistema de refluxo reduz contaminação e perdas por

volatilização


Forno de microondas com frascos

fechados alta pressão

Aquecimento por microondas em sistema fechado

• 10ml de HNO3 em 6 frascos de Teflon TFM fechados, aplicando-se600 watt por 15 min

• A pressão de vapor gerada no interior dos frascos aumenta atemperatura de ebulição do HNO3

0

50

100

150

200

250

0 300 600 900 1200

0

5

10

15

20

25

30

Tempo (s)


Aquecimento por microondas em sistema fechado

Vantagens da decomposição em frascos fechados

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

• Reduz contaminação

• Reduz valores de branco (menor consumo de ácido)

• Maior pressão maior temperatura decomposição apenas com HNO3

• Reduz custos• Pequeno consumo de ácidos ultrapuros (caros)

• Minimiza impactos ambientais

limitações:

• Alto custo do equipamento

• Baixa freqüência analítica


Forno de microondas com frascos

fechados baixa pressão (P < 15 bar)

Melhor freqüência analítica: 36 amostras/rodada

Extração líquida usando radiação microondas

Síntese de Hidrotérmica

Decomposição de Substâncias Orgânicas

• Carbonização seca

• Carbonização úmida

• Microondas

• Digestão Kjeldahl (H2SO4) nitrogênio

• Método de Carius (HNO3) Elementos voláteis

• Método de combustão de Schöniger

halogênios, S, P, F, C, As, B.

Decomposição de Substâncias Orgânicas

FRASCO DE CARIUS 1860

Amostra

Mistura de ácidos

Frasco selado vidro

borossilicato ou quartzo

paredes grossas

MÉTODO DE KJELDAHLMÉTODO DE SCHONIGER

Métodos de Separação

• Exemplo: Extração líquido-líquido

Separação por Extração

Separação em Fase Sólida

• Limitações da extração líquido-líquido:

1 – Solventes devem ser imiscíveis com a água e não formar emulsões

2 – Grandes volumes de solventes

3 – Procedimento moroso

• Extração em fase sólida (extração liquido sólido) boa alternativa

• Membranas, pequenas colunas descartáveis (seringas ou cartuchos)

• Funcionamento:


Separação em Fase Sólida/Pré-Concentração

• Funcionamento:


Referências

• Krug, F.J. I workshop on methods of sample decomposition.

CENA, USP, Piracicaba, 1996.

• Russel, J.B. Química Geral. Volume Único, Mcgraw-Hill, 1981.

• Harris, D.C. Análise Química Quantitativa, Editora LTC, 5a Ed.,

2001

• Skoog, West, Holler, Crouch. Fundamentos de Química

Analítica, Editora Thomson, 8a Ed., 2006

• Stoeppler, M. Sampling and Sample Preparation, Editora

Springer, 1997.

• Filho, E.R.P. Notas de Aula. UFSCar. 2008.

• Nascentes, C.C. Notas de Aula. UFMG. 2005.

• Boaventura, G. Notas de Aula. UnB, 2003.

• Orlando, R. M., Cordeiro, D. D., Mathias, A. E. B., Rezende, K.

R., Gil, E. S. Pré-tratamento de amostras. Vita et Sanitas,

Trindade-Go, n. 03, jan.-dez./2009

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