Espectrofotometria por Absorção Atômica


CONCEITO BÁSICO


  A espectrofotometria é é uma técnica de análise instrumental baseada na propriedade que os átomos de cada elemento têm , de absorver radiação de comprimentos de onda característicos quando estão no seu estado fundamental.A absorção é proporcional a quantidade de todos os átomos que se encontram no estado fundamental e esta é proporcional à concentração de átomos na solução.Os átomos são produzidos durante a queima da amostra nebulizada, na chama do queimador. Apenas 1% da fração dos átomos , fica excitado.


APLICAÇÕES DA TÉCNICA


  A espectrofotometria por absorção atômica, é usada para a determinação de pequeníssimas quantidades de elementos químicos, existem exceções, em amostras de origem : animal , vegetal, mineral ou ambiental.Na indústria usa-se, normalmente,para análise metais em tratamento de água, caldeiras e tratamento de efluentes.

  A absorção atômica é uma técnica que tem a capacidade de detectar e determinar quantitativamente a maioria dos elementos químicos .

  Ela tem aplicações em análises de:  águas, solos. Bioquímica ,toxicológicas, medicina, indústria farmacêutica, indústria alimentícia , indústria petroquímica, etc.  


MODALIDADES DE ANÁLISES POR ABSORÇÃO ATÔMICA

*  Chama (ar/acetileno e óxido nitroso/acetileno).

*  Forno de grafite

*  Gerador  de Hidretos


O ESPECTROFOTÔMETRO


  É a denominação dada ao aparelho que realiza as análises espectrofotométricas.Um espectrofotômetro AA ,basicamente,consiste nas seguintes partes e suas respectivas finalidades:

·  Fonte de emissão de radiação:Uma fonte que gere radiação que gere o comprimento de onda do elemento a ser analisado.As fontes mais usadas são as seguintes:

·  1-fonte de emissão:é gerada pela queima de uma grande quantidade do elemento,cuja fonte é uma solução padrão do mesmo elemento a ser analisado. O consumo do padrão torna a análise muito dispendiosa.

·  2-lâmpada de arco:são lâmpadas que contêm em seu interior, vapor do próprio átomo a ser analisado.

·  3-lâmpada de catodo oco:são lâmpadas que contêm em seu interior,o elemento a ser analisado, constituida de um tubo com atmosfera rarefeita e um gás nobre.São as mais usadas e melhores para a técnica de absorção atômica.Elas podem ser feitas de um ou mais elementos químicos.A corrente máxima de trabalho destas lâmpadas é de 30 mA mas, se trabalharmos com correntes mais baixas ,o tempo de vida útil desta,aumenta.Veja abaixo um desenho de uma lâmpada de catodo oco.



LÂMPADA




As lâmpadas operam em intervalos de comprimento de onda específicos e a seleção deste comprimento de onda é feita de acordo com a faixa de concentração do elemento na amostra , que iremos trabalhar.Abaixo veja a tabela com alguns exemplos de elementos de lâmpadas de catodo oco e seu modo de operar:

Elemento corrente(mA)  Comp. onda(nm) Faixa de operação-mg/l ou ppmTipo de chama (composição)
Ferro-Fe248,.32.5 – 10Ar acetileno / oxidante
Ferro-Fe372.025 – 100Ar acetileno / oxidante
Ferro-Fe386.050 – 200Ar acetileno / oxidante
Ferro-Fe392.0800 – 3200Ar acetileno / oxidante
Germânio-Ge265.170 – 280óxido nitroso / redutora
Germânio-Ge271.0150 – 600óxido nitroso / redutora
Germânio-Ge269.1350 – 1400óxido nitroso / redutora
Germânio-Ge303.91400 – 4200óxido nitroso / redutora

·  Sistema de nebulização e queima:é o sistema responsável pela condução da amostra até a chama.O nebulizador faz com que a amostra seja conduzida ao queimador sob a forma de uma cortina de água , dispersada em pequenas gotículas.


NEBULIZADOR



QUEIMADOR

·  Sistema ótico: São usadas cubetas com características , formas e tamanho apropriados de acordo com a região espectral na qual pretende-se trabalhar , onde a radiação deverá passar livremente. Na região do ultravioleta(abaixo de 350nm) usa-se cubetas de quartzo ou de sílicas fundidas.Na região espectral do visível( acima de 350nm até 2um ) podem ser usadas as mesmas cubetas da região do ultravioleta e também as cubetas de vidro à base de silicatos( estas podem ser usadas desde 350nm até 2um).a

·  Monocromador:Deve responder à energia radiante dentro de uma faixa espectral ampla

·  Sistema eletrônico:Amplificador para aumentar ou diminuir o sinal elétrico que vem do detetor.

·  Sistema de leitura:É o responsável pela integração dos picos,que gerarão um gráfico denominado espectrograma.


DETECTORES


  Os detectores são os responsáveis pela detecção dos componentes de uma amostra. Eles medem e indicam a intensidade de luz que passa através da cubeta.

  Os detectores mais usados são os de célula multiplicadoras.

  A escolha do comprimento de onda é importante pois, e depende do material a ser analisado.A fonte de radiação (lâmpada) será selecionada de acordo com o poder de absorção da substância a ser determinada,que compõe a amostra.

  As principais características que devem ser consideradas são as seguintes: seletividade,sensibilidade,resposta,ruído/quantidade mínima detectável e linearidade.


SENSIBILIDADE E LIMITE DE DETECÇÃO

Defini-se em espectrofotometria por absorção atômica , a sensibilidade como sendo a concentração do elemento em microgramas por mililitros um/ml , que é necessária para produzir  1% de absorção , ou 0,0044 unidades de absorbância para a mesma concentração.

Para se determinar o limite de detecção de um elemento, utiliza-se a seguinte equação :

SENSIBILIDADE= CONC do padrão X 0.0044 / ABS. MEDIDA

OBS: os valores das concentrações dos padrões  versus as leituras de absorbância, deverão ter uma relação linear.

Os fornecedores dos equipamentos, fornecem os valores de sensibilidade operacionais do seu sistema.

O limite de detecção, é a concentração que produz uma absorção  duas vezes maior que  o sinal de ruído de fundo e com ele defini-se qual a menor concentração que diferencia-se do zero do equipamento.

A CHAMA E O SEU PAPEL NA ABSORÇÃO

A energia térmica da chama é responsável pela produção da espécie absorvente, durante a análise de um elemento químico.

A temperatura é um  parâmetro muito importante pois, através da magnitude dela é  que deverá ou não ocorrer  a atomização de uma espécie absorvente ,durante o processo de queima.


MISTURA DOS GASES  PARA A ESCOLHA DA TEMPERATURA  DA CHAMA

  Através da mistura de gases, geramos a temperatura necessária para o processo de atomização de um elemento químico.São mais utilizadas, as seguintes composições (oxidante e combustível, respectivamente): 

·  Ar – metano: Que gera uma temperatura de 1875 OC.

·  Ar – gás natural:   Que gera uma temperatura entre  1700 OC e 1800 OC

·  Ar -hidrogênio: Que gera uma temperatura entre  2000 OC e 2050 OC

·  Ar – acetileno: Que gera uma temperatura entre  2125 OC e 2400 OC. É a mais usada e indicada para a maioria dos elementos.

·  N2O ( óxido nitroso ) – acetileno: Que gera uma temperatura entre  2600 OC e 2800 OC . É a mais usada para a determinação de elementos que formam sais refratários.

VAZÃO DOS GASES E SEU AJUSTE



  Para que ocorra a necessária atomização  de um elemento químico de uma amostra , é necessário que as vazões dos gases sejam ajustadas.

  Este ajuste é feito através do uso de manômetros calibrados, oriundo de um cilindro ou de uma  linha que contém os gases , para a formação da chama.


AS ETAPAS DO  PROCESSO DA ANÁLISE DURANTE A LEITURA NO EQUIPAMENTO

  1. NEBULIZAÇÃO : a solução transforma-se num aerosol 
  2. EVAPORAÇÃO : o aerosol transforma-se num sólido
  3. LIQUEFAÇÃO : o sólido transforma-se num líquido
  4. VAPORIZAÇÃO : o líquido transforma-se num gás
  5. ATOMIZAÇÃO : o gás transforma-se num gás
  6. EXCITAÇÃO : o gás transforma-se num gás
  7. IONIZAÇÃO : o gás transforma-se num gás

O número de metais no estado fundamental,formados na etapa 5 do diagrama acima, determinará a quantidade de luz absorvida. Se qualquer constituinte da amostra altera uma ou mais etapas deste processo do desempenho observado com os padrões, existirá uma interferência e uma medida errônea da concentração se a interferência não for conhecida. Existem três áreas onde este processo é vulnerável a interferência.


O GRÁFICO GERADO – ESPECTROGRAMA




Abaixo , encontramos um gráfico de absorção do ferro obtido pelo uso da chama ar-acetileno, a 248.3 nm.



TERMOS TÉCNICOS MAIS UTILIZADOS NA ESPECTROFOTOMETRIA


  Para se trabalhar com espectrofotometria ou outra técnica de análise instrumental,é necessário que conheçamos,pelo menos , os termos técnicos mais empregados,pois nos ajudará momento  em que precisarmos da opinião de outro profissional,quando tivermos uma dúvida ou problema.Veja abaixo uma tabela que poderá ajudá-lo.


TERMOS TÉCNICOS    e SIGNIFICADO


Absorbância________ é o logaritmo na base 10 do recíproco da transmitância.É também chamada de densidade ótica.

transmitância________   é a proporção da força radiante transmitida por uma amostra pela força radiante incidente sobre a amostra.A unidade de transmitância é a porcentagem.

Lei de Lambert-Beer________     A absorbância de uma amostra homogênea contendo uma substância absorvente, é diretamente proporcional a concentração. da substância absorvente.

comprimento de onda________   A distância , medida através da linha de propagação, entre dois pontos que estão em fase sobre ondas adjacentes expressas pelas seguintes unidades: nm ou um.

Espectro de absorção________   um gráfico de absorbância ou outra função de absorbância versus o comprimento de onda ou outra função do comprimento de onda.

background________     Leitura de absorção aparente , causada por qualquer coisa , que não seja a substância.Esta leitura deverá ser realizada no equipamento , sem a amostra, antes da leitura de qualquer amostra.

Linha de Base________              Uma linha desenhada num espectro de absorção para representar um ponto de referência estável uma função incidente de força radiante sobre uma amostra num dado comprimento de onda ou frequência.

concentração________   Quantidade da substância contida numa quantidade de amostra.Em espectrofotometria de absorção é usualmente expressa em gramas por litro (g/l).

amostra padrão________           Um material de composição definida com semelhança química e material de natureza física , com o qual o analista espera ser ideal,e dos quais é empregado para calibração.

nanômetro________       Unidade de comprimento igual a milésima parte do micrômetro.É aproximadamente , mais não exatamente , igual a 10 ângstrons.

banda de absorção________       Uma região do espectro de absorção da qual a absorbância atinge o máximo.

solvente grau espectrofotométrico________        é o solvente adequado para o uso em espectroscopia, preparado para ser de alta pureza química e especialmente para trabalhos em absorção atômica , com baixíssimos teores de metais.


A PREPARAÇÃO DE UM PADRÃO PARA ABSORÇÃO ATÔMICA


  Para se trabalhar com espectrofotometria de absorção atômica, é necessário  que façamos uma calibração com padrões cujas de concentrações do metal sejam  próximas as da amostra que iremos analisar.

A preparação do um padrão não é tarefa difícil de se realizar porém, é necessário que antes da preparação, conheçamos algumas propriedades da amostra como:

*a viscosidade;

*a concentração e composição teórica de metais na amostra, para saber se existe algum elemento químico em excesso, que cause uma interferência na leitura do elemento alvo;

*se o(s) elemento(s) já estão numa forma ionizável,para facilitar a sua atomização

*qual  e ou quais elememto(s) iremos determinar, para selecionar a lâmpada.

PROCEDIMENTOS

  Para se preparar de um padrão espectrofotométrico necessitamos realizar os seguintes passos: Como exemplo, uma preparação de padrões de ferro.

1)  selecionar os reagentes que farão parte do padrão com suas respectivas purezas conhecidas.

2)  selecionar os materiais e equipamentos que serão usados:balança analítica,vidro de relógio, espátula, balões volumétricos,pipetas volumétricas,papel absorvente,e o recipiente onde será preparado o padrão.Todo o material utilizado deverá estar limpo com detergentes ou com solução sulfocrômica , para que todo material orgânico seja eliminado e,após a lavagem,secar em estufa à 100oC POR 1 hora.

  O padrão deverá ser armazenado em frasco de polietileno.

3) preparar o padrão que será a solução trabalho, para a preparação dos padrões que farão parte da curva de calibração. Pesar 1 grama de ferro metálico de pureza elevada, num vidro de relógio ; transferir para um balão volumétrico de 1000 ml; na capela de exaustão, Adicionar 20ml de ácido clorídrico ou ácido sulfúrico, e diluir com água até a marca; para oxidar , gotejar solução diluída de permanganato de potássio até que a solução torne-se levemente rósea.Esta solução contém 1 mg de Fe em 1 ml e cuja concentração do padrão é 1000 ppm.

4)  Com base na possível concentração dos componentes da amostra, vamos considerar nesta preparação ,que os padrões deverão ter: p1= 10 ppm  , p2= 20 ppm , p3= 30 ppm e p4= 40 ppm.

Então utilizaremos o seguinte cálculo, determinar o volume do padrão concentrado, necessário para preparar 100 ml de cada padrão acima citado:

 VPCONC = VPADDIL X CONCPADDIL / CONCPADCONC

Onde: VPCONC- volume do padrão concentrado em ml

          VPADDIL- volume do padrão diluído – 100 ml

          CONCPADDIL- concentração do padrão diluído

          CONCPADCONC- concentração do padrão concentrado 1000 ppm.

4)  Transferir os padrões para recipientes de polietileno .

TABELA-1 : Concentração do metal  e volumes  a adicionar do padrão concentrado, para se preparar 100 ml de cada padrão diluído.

Após calculados, os volumes do padrão concentrado a ser adicionado , por padrão diluído serão os seguintes :

    Padrão _____concentração(ppm)______volume do padrão concentrado(ml)

      P1     __________ 20 ________________________2

      P2     __________ 30 ________________________3

      P3     __________ 40 ________________________4

      P4     __________ 50 ________________________5

CONDIÇÕES DE ANÁLISE  NO ESPECTROFOTÔMETRO: comprimento de onda= 372 nm , chama – ar/acetileno, lâmpada de catodo oco de ferro , 5 ma de corrente e fenda=1 nm.

LEITURA DAS ABSORBÂNCIAS DOS PADRÕES

 O ajuste do equipamento,para as condições acima citadas, é realizado pelas seguintes  etapas :

  1. ligue o aparelho e fixe o comprimento de onda e a fenda
  2. introduza a lâmpada no suporte do equipamento e ajuste a corrente desejada de 5ma
  3. ajuste o ganho do equipamento para otimizar o sinal
  4. ajuste o comprimento de onda para obter uma leitura mínima de absorbância através do medidor de energia
  5. coloque o equipamento no modo de calibração
  6. aspire a água destilada , o branco, e faça a leitura do primeiro padrão, pressione a tecla do equipamento referente a calibração.
  7. Realize a etapa acima , para fazer a leitura dos outros padrões.
  8. O equipamento traçará uma curva de calibração, que deverá ter linearidade entre a concentração e a absorbância entre os padrões.

TABELA-2 : Tabela  das absorbâncias correspondentes a cada padrão  de ferro.

Padrão _____concentração(ppm)______leituras de absorbância a 372 nm

      P1     __________ 20 ________________________0,099

      P2     __________ 30 ________________________0,146

      P3     __________ 40 ________________________0,198

      P4     __________ 50 ________________________0,245

CALIBRAÇÃO POR PADRONIZAÇÃO EXTERNA

  A calibração por padronização externa, é feita através da utilização da concentração dos padrões e de suas respectivas absorbâncias.

CONSTRUÇÃO DA CURVA DE CALIBRAÇÃO


   A  forma mais simples , de se construir a curva de calibração, é calcular a absortividade da espécie química a cada concentração , e no final tira-se a média destes. A absortividade , neste caso é calculada dividindo-se cada valor individual de concentração pela sua respectiva absorbância seguindo a fórmula:

Absortividade=absorbância / concentração

TABELA-3 : Tabela  das absortividades  correspondentes a cada padrão  de ferro.

Padrão _____concentração (ppm)____ absorbância a 372 nm___absortividades-mg/l

      P1     __________ 20 _______________0,099_______________0,00495

      P2     __________ 30 _______________0,146_______________0,00486

      P3     __________ 40 _______________0,198_______________0,00495

      P4     __________ 50 _______________0,245_______________0,00490

A média será igual a : absortividade(mg/l) ou ppm=0,00491

CÁLCULO DA CONCENTRAÇÃO DE UM COMPONENTE

  Abaixo encontramos o cálculo para determinar a concentração de cada componente de uma amostra desconhecida  que é o resultado da sua respectiva absorbância pela sua respectiva absortividade .
  Veja abaixo a fórmula de cálculo da concentração de um componente.

CONCENTRAÇÃO DO COMPONENTE = absorbância
                                                                                                                                     
absortividade

TABELA-2 : Concentração do Ferro de uma amostra desconhecida de água.

Absorbância__________absortividade_______concentração em ppm

0,170________________0,00491_________________34,62


ANÁLISE QUANTITATIVA POR ADIÇÃO DE PADRÃO


·  Determinação da concentração de uma substância através da adição de padrões:Consiste em elaborar padrões a partir da própria amostra ,seguindo as seguintes etapas:

1) obter o espectro da substância já conhecida,

2) medir a absorbância da banda do espectro, escolhida referente ao que se deseja quantificar,

3) preparar os padrões, adicionando-se quantidades conhecidas da substância pura,

4) fazer a leitura de cada padrão , e através dos espectros obtidos, medir a absorbância  de cada um . Anotar os valores.

5) traçar um gráfico de ABS em função da quantidade de substância adicionada,

6) extrapolar a curva obtida até a intersecção com o eixo X, encontrando-se o valor da substância na amostra.

Traçar um gráfico lançando em ordenadas os valores correspondentes às absorbâncias e nas abcissas os valores das concentrações individuais dos padrões  do ferro.

2) CONSTRUÇÃO DA CURVA DE CALIBRAÇÃO

MÉTODO DA REGRESSÃO LINEAR COM O PROGRAMA EXCEL

Exemplo de uma Seqüência da construção:

1) digitar  em duas colunas paralelas os valores das concentrações e das respectivas absorbâncias dos padrões.Veja a tabela abaixo.

0,0000      0,0

0,0099      0,1200

0,0297      0,3600

0,0495      0,6000

2) com a utilização do mouse, selecionar todos as  colunas da tabela elaborada.

0,0000       0,0000

0,0099       0,1200

0,0297       0,3600

0,0495       0,6000

3) clicar no ícone de construção de gráficos no EXCEL.

4) selecionar o tipo dispersão , o primeiro subtipo que compara pares de valores e clic  com o mouse em avançar duas vezes.

5) digitar em título do gráfico : CURVA DE FERRO POR AA

6) digitar em eixo dos valores(x): CONCENTRAÇÃO DO FERRO (ppm)

  • digitar em eixo dos valores (y): ABSORBÂNCIAS DOS PADRÕES, e em seguida clic em avançar ,em seguida clic com o mouse em concluir.

7) expandir a área do gráfico ,para uma melhor visualização, através do arraste do mouse.

8) com a ajuda do mouse, clic num dos pontos da curva no gráfico.Todos os pontos da curva ficarão amarelos.

9) clic em gráfico na barra superior e na janela que abre, clic em adicionar linhas de tendência. Na tela que abre , selecionar a opção linear.

10) clic na tela adicionar linhas de tendência, em opções. Marque os campos: definir interseção =0 , exibir equação no gráfico e exibir valor de R-quadrado no gráfico. Clic em OK. Para um melhor destaque dos valores de Y e R2, marque a área destes e clic em cor do preenchimento (selecione a sua cor) na barra superior do EXCEL.

11) Calcular a concentração do FERRO NA ÁGUA,usando a seguinte fórmula:

ppm Fe =  ABSORBÂNCIA /  0,00491

CÁLCULO DA CONCENTRAÇÃO DO FERRO NA ÁGUA

 Abaixo encontramos o cálculo  para determinar a concentração de FERRO de uma amostra desconhecida , a partir da  curva de regressão linear u.Veja abaixo a fórmula de cálculo da concentração de FERRO. A concentração do FERRO da amostra é com relação a uma leitura de absorbância igual a 0,148.

ppm Fe =  ABSORBÂNCIA /  0,00491

ppm Fe= 0,148 / 0,00491= 30


BIBLIOGRAFIA

ANÁLISE INORGÂNICA QUANTITATIVA – VOGEL

Basset , Denney ,Jeffrery,Menhham

Editora Guanabara Dois , 4ª Edição , Ano 1981

INTRODUÇÃO A ESPECTROFOTOMETRIA POR ABSORÇÃO ATÔMICA

Eleno Paes Gonçalves- Bel. Em Química e Bioquímica pela USP. Editora Universidade de São Paulo-USP e VARIAN ,Ano 1985