Separação, Técnicas Electroanalítica e
Espectroquímica
Separação, Técnicas Electroanalítica e Espectroquímica
Elaborado por: Vincent MAKOKHA
Universidade Virtual Africana
Universidade Virtual africana
Índice
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
Separação, Técnicas Electroanalítica e Espectroquímica
Conhecimentos ou Cursos Prepedéuticos
Tempo
Materiais
Módulo
Racional
Contéudo
6.1 Resumo
6.2 Esboço
6.3 Organização gráfica
VII. Objectivo geral
VIII. Objectivo(s) especifico (s)
IX.
Actividades de Ensino e Aprendizagem
X.
Conceitos chave
XI. Orientações para a Aprendizagem
XII. Leitura compulsória
XIII. Conecções úteis
XIV. Recursos Multimédia
XV. Actividades de Aprendizagem
XVI. Síntese do Módulo
XVII. Avaliação sumativa
XIII. Autor principal do Módulo
XIX. Referências
XX. Estrutura do ficheiro
3
3
3
3
4
4
4
5
7
8
8
12
18
23
24
26
34
36
106
108
110
111
111
Universidade Virtual Africana 2
I. Separação, Técnicas electroanalítica e
Espectroquímica
Por: Vincent Makokha
Traduzido por: Prof. Doutor André Gulube
II. Conhecimento Prévio
•
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•
•
Estrutura atómica e conceito de níveis de energia
Introdução às equações Redox
Acerto de Equações Redox
Potencial Padrão de redução
Equação de Nernst
Conceitos de Sampling
Erros e estatísticas
Teorias de ligação
Electroquímica
III. Horas
•
•
•
•
•
•
Separação,Técnicas cromatográficas
Técnicas Electroquímicas
Espectroscopia e Técnicas de Espectroscopia atómica
Espectroscopia Molecular 1(UV e IR)
Espetroscopia Molecular 2 (NMR)
Espectrometria de Massas
25 horas
15 horas
20 horas
30 horas
15 horas
15 horas
IV. Materiais
Serão necessários os seguintes materias e recursos para completar o módulo:
•
Computador, CD-ROM e uma biblioteca eletrónica;
•
Aceder ao módulo, exames e outros materias relevantes, através de um computador;
•
Conecção à Internet para aceder ao módulo e a outros materiais sugeridos;
•
Discussões interactivas/ sessões de conversas;
•
Fichas de leitura recomendadas e materiais para ajudar no processo de aprendizagem
e compreessão dos tópicos do módulo;
•
Macromédia flash player.
V. Módulo Racional
A Separação, as técnicas Electroanalítica e Espectroscópica são bases duma análise
instrumental aplicada na Indústria, Química, Bioquímica, Meio Ambiente e Escolas. Estas
técnicas são baseadas nos princípios básicos da Química abordados nas escolas. Assim, neste
módulo iremos estudar os princípios nos quais estas técnicas são básicas e requerem
habilidades para o uso das mesmas.
Tendo conhecimentos profundos nesta área, irá ajudar o estudante a ensinar melhor na escola.
VI. Conteúdo
6.1
Resumo
Este módulo consiste na inter-relação de três áreas; separação e técnicas cromatográficas,
técnicas electroanalíticas e métodos espectroscópicos.
Este módulo será abordado em seis unidades de aprendizagem reflectindo nos conceitos
comuns e metodologias.
As unidades de técnicas de separacao e cromatográfica irão relembrar as técnicas de separação
elementares que são sempre abordadas nas escolas seguido de discussões sobre as técnicas de
cromatografia; estas são abrangidas na introdução das teorias gerais de cromatografia,
seguido por suas aplicações em diferentes técnicas do plano e técnicas de colunas
cromatográficas.
As técnicas electroanalíticas irão introduzir os princípios básicos para a Potenciometria,
elaborando as aplicações comuns de Potenciometria; mais adiante seguir-se-á a Voltametria
(Voltametria cíclica e anódica) e as técnicas polarográficas.
A unidade sobre a espectroscopia e técnicas espectroscópicas irão relembrar os conceitos de
energia, níveis de energia no átomo e moléculas e terminará com um debate sobre técnicas de
espetroscopia atómica.
A Espectroscopia molecular-I começará com uma discussão sobre a teoria da espectroscopia
UV-VIS, como ela é usada nas análises quantitativas e qualitativas e a sua instrumentação
(Espectrofotómetro). Esta unidade termina com uma discussão sobre a Espectroscopia no
Infravermelho (IR, do Inglês InfraRed), sua estrutura, os diferentes picos exibidos pelos grupos
funcionais, assim como a sua aplicação na identificação de grupos funcionais e componentes.
A Espectroscopia molecular-II irá introduzir fenómenos de Ressonância Magnética Nuclear
(RMN, do Inglês MNR), seguido da discussão protónica, a relação entre o deslocamento
químico e ambiente químico do protão, assim como a aplicação do método na identificação dos
grupos funcionais. Esta unidade termina com a discussão da RMN do carbono (C-MNR), a
qual é complementar da RMN do Hidrogénio (MNR-H).
A última unidade de aprendizagem será a Espectrometria de Massas (MS), sua estrutura e como
ela
é
usada
na
identificação
de
componentes
orgânicos.
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6.2
Esboço
Unidade I: Separação e técnicas cromatográficas - 25 Horas
•Técnicas de Separação:
o Extração do solvente;
o Destilação.
•Cromatografia:
o Teoria cromatográfica;
o Desenvolvimento do processo.
•Tipos de técnicas Cromatográficas:
o Cromatografia plana;
o Cromatografia plana;
o Cromatografia líquida;
o Cromatografia gasosa.
Unidade II: Técnicas Electroanalíticas - 15 Horas
•Potenciometria:
o Eléctrodos de iões selectivos;
o Eléctrodos de Vidro (pH);
o Titrações potenciométricas;
•Voltametria
o Polarografia;
o Pulso Polarográfico;
o Voltametria cíclica;
o Voltametria anódica.
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Unidade III:
Espectroscopia e Técnicas Espectroscópicas Atómicas- 20Horas
•Espectroscopia:
o Radiação Electromagnética;
o Átomo e Espectrocopia atómica;
o Lei de Beer.
•Técnicas espectroscópicas atómicas.
Unidade IV: Espectroscopia Molecular-I: UV-VIS e IR
30 Horas
•Espectroscopia UV-VIS:
o Transição Electrónica;
o Identificação de grupos funcionais;
o Instrumentação.
•Espectroscopia IR:
o Vibração Molecular e Espectroscopia IR;
o Energia relativa de absorção no IR;
o Identificação de grupos funcionais.
Unidade V : Espectroscopia Molecular-II: Resonância Nuclear Magnética 15 Horas
•Espectroscopia NMR:
o Protão NMR;
o Deslocamento químico;
o Correlação do Protão (H-NMR) e estrutura.
•Espectroscopia C-NMR.
Unidade VI: Espectrometria de Massas - 15 Horas
•Espectrometria de Massas:
oFragmentações;
o Espectro “Finger Print” (Impressão digital).
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6.3 Organização gráfica
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VII. Objectivo Geral
Os objectivos gerais deste módulo são:
 Explicar os conceitos focalizando mais nas técnicas analíticas modernas;
 Dar ao estudante as habilidades básicas para aplicar os conceitos e resolver os problemas do
mundo real e por fim, serem capazes de entender e usar as técnicas bem como os princípios
químicos.
VIII. Objectivos específicos
Unidade: 1. Separação e técnicas cromatográficas
Objectivos de Aprendizagem
No fim desta unidade o estudante deve ser capaz de:
•Recordar o método de separação abordado na escola;
•Explicar os princípios de extração do solvente;
•Resolver problemas numéricos hipotéticos de extração do solvente;
•Desenhar e nomear a aparelhagem usada para a extração do solvente;
•Nomear as colunas comuns e as técnicas cromatográficas planas;
•Explicar a teoria referente a cada coluna e as respectivas técnicas cromatográficas
planas;
• Recordar a instrumentação para a cromatografia plana e de coluna.
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Unidade: 2. Técnicas Electroanalíticas
Objectivos de Aprendizagem
No fim desta unidade o estudante deve ser capaz de:
•Recordar as bases teóricas da potenciometria;
•Explicar a aplicação da potenciometria na medição do pH e titrações automáticas usando eléctrodos
de iões selectivos;
•Recordar a teoria da Voltametria;
•Interpretar quantitativa e qualitativamente dados voltamétricos;
• Explicar as bases da análise polorográfica;
• Interpretar dados polarográficos na identificação e quantificação de espécies químicas.
Unidade: 3. Introdução às Técnicas Espectroscópicas e Espectroscopia atómica
Objectivos de Aprendizagem
No fim desta unidade o estudante deve ser capaz de:
•Nomear as partes do espetro electromagnético;
•Recordar os efeitos da radiação nos átomos e moléculas;
•Recordar a lei de Plank e aplicá-la na espectroscopia;
•Recordar os níveis de energia electrónica nos átomos e moléculas;
•Recorrer à lei de Beer e aplicá-la na resolução de problemas quantitativos;
•Explicar os níveis de energia electrónica e as transições causadas pela absorção da radiação;
•Explicar as bases da AAS, AES, AFS;
•Recordar a instrumentação de AES, AFS e AAS;
•Efectuar cálculos baseados em observações hipotéticas de AAS, AFS e AES.
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Unidade: 4. Espectroscopia molecular-I :UV- VIS
Objectivos de Aprendizagem
No fim desta unidade o estudante deve ser capaz de:
•Lembrar as transições electrónicas causadas pela absorção da radiação UV-VIS;
•Correlacionar a absorção das frequências da radiação UV-VIS com os grupos (moleculares)
funcionais;
•Usar dados hipotéticos para determinar concentrações usando informação do UV;
•Recordar as partes de um espectrofotómetro UV moderno e suas funções;
•Recordar as transições electrónicas causadas pela absorção da radiação IR;
•Correlacionar a absorção das frequências do IR específico com os grupos funcionais moleculares;
•Correlacionar a absorção das frequências do IR específico com estruturas moleculares de
substâncias orgânicas simples;
•Recordar as partes de um espectrofotómetro moderno IR e as suas funções.
Unidade: 5. Espectroscopia Molecular-II (NMR)
Objectivos de Aprendizagem
No fim desta unidade o estudante deve ser capaz de:
• Explicar o fenómeno da Ressonância Magnética Nuclear RMN (Inglês: MNR);
• Recordar os núcleos que apresentam Ressonância Magnética;
• Explicar o fenómeno do protão RMN;
• Correlacionar a absorção de frequências H-NMR específicas com grupos funcionais
moleculares;
• Correlacionar a absorção de frequências H-NMR com estruturas moleculares de substâncias
orgânicas simples;
• Explicar as principais características do fenómeno da RMN do Carbono-13 (C-13 NMR);
• Recordar a natureza de informação providenciada por C-13 NMR;
• Recordar a estrutura de um espectrofotómetro moderno NMR e as suas funções.
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Unidade: 6. Espectrometria de Massas
Objectivos de Aprendizagem
No fim desta unidade o estudante deve ser capaz de:
•Explicar o fenómeno da Espectrometria de Massas;
•Explicar as regras seguidas para a fragmentação na Espectrometria de Massas;
•Correlacionar o espectro de massa com estruturas específicas elementares da molécula;
•Usar o espectro de massa para identificar espécies moleculares;
•Usar espectros de massa de alta resolução e cálculo molecular da massa para identificação estrutural
dos elementos;
•Recordar a estrutura de um espectrofotómetro de massa moderno e as suas funções.
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IX. Exercícios práticos
1) Um átomo de berílio tem 4 protões, 5 neutrões e 4 electrões. Qual é o número de massa deste
átomo?
a) 4 b) 9 c) 8 D) 7
2) O número quântico principal para um electrão é:
a) 1 b) 0 c) 2 D) -1
3) Qual das afirmações concernente aos ácidos e às bases é correcta?
a) Os ácidos e bases não reagem entre si.
b) Os ácidos misturados com as bases neutralizam-se entre si.
c) Os ácidos misturados com as bases formam bases fortes.
d) Os ácidos misturados com as bases formam ácidos fortes.
4) As soluções neutras têm um pH de:
a) 0 b) 1 c) 7 d)10
5) Comparando a carga e a massa de um protão, o electrão tem:
a) A mesma carga e massa menor.
b) A mesma carga e a mesma massa.
c) Uma carga oposta e massa menor.
d) Uma carga oposta e mesma massa.
6) Qual é a fórmula empírica do composto cuja fórmula molecular é P4 O10?
a)
b)
c)
d)
PO
PO2
P2 O5
P8 O20
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7) Qual das seguintes conversões exige um agente oxidante?
a) Mn 3+ → Mn 2+
b) C2H4 → C2H6
c) (2CrO4)2 → (Cr2O7)2d) SO2 → SO3
8) Haletos de Hidrogénio são todas as moléculas polares que formam soluções ácidas. Qual das
seguintes substâncias correspondem a um ácido muito fraco?
a) HI
b) HF
c) HBr
d) HCl
9) Calcula a [H+] numa solução que apresenta um pH de 8,38.
a)
b)
c)
d)
1.21 x 10-2
3.8 x 10-8
2.40 x 108
4.17 x 109
10) Em todas as células electroquímicas, o processo que ocorre no ânodo é_______
e o processo que ocorre no cátodo é ____________.
a) oxidação, redução.
b) redução, redução.
c) redução, oxidação.
d) oxidação, oxidação.
11) Qual é o estado de oxidação do S em H2SO3 ?
a)
b)
c)
d)
+4
+2
0
+6
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12) O eléctrodo padrão de hidrogénio tem um potencial de:
a) -1.00 volts
b) 0.76 volts
c) 0
d) 1.00 volts
13) A equação que representa uma reacção que nao é reacção redox é:
a) Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu
b) 2H2O2 →
2H2O + O2
c) H2O + CO2 →
H2CO3
d) 2H2 + O2 → 2H2O
14) Um mole de Eletrões tem uma carga de 96,485 Coulombs por mole de electrões. Esta quantidade
é conhecida pelos químicos como:
a) 1 watt
b) 1 Ampere
c) 1 joule
d) 1 faraday
15) Qual das seguintes propriedades da água explica a sua habilidade para dissolver o ácido
acético?
a) A elevada tensão superficial da água, que é usada na formação da ligação do hidrogénio entre
moléculas da água.
b) A habilidade de servir como solução tampão, absorvendo o protão cedido pelo ácido acético.
c) A habilidade de formar pontes de hidrogénio com o grupo carbonil e hidroxilo do ácido
acético.
d) Nenhuma das alternativas.
16) Uma solução de pH é igual a:
a) Concentração iónica de hidrogénio [H+]
b) log [H+]
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c) -log [H+]
d) ln [H+]
e) -ln [H+]
17) Se a concentração de H+ numa solução é 10-3M, qual será a concentração de OH- na mesma
solução a 25° C?
a)
b)
c)
d)
e)
10-3 M
10-11 M
1011 M
2 x 10-11 M
10-14 M
18) Quantos ml da solução 0.4 M HCl são necessários para levar o pH de 10 ml de uma solução de
0.4 M NaOH a 7.0 (pH neutro)?
a) 4
b) 40
c) 10
d) 20
e) 2
19) Que átomo, dos seguintes elementos tem largas possibilidades de atrair
electrões?
a) Silício
b) Enxofre
c) Nitrogénio
d) Cloro
20) Qual dos elementos abaixo apresenta a primeira energia de ionização elevada?
a) Alumínio
b) Sódio
c) Cálcio
d) Fósforo
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Respostas
1. b
2. a
3. b
4. c
5. a
6. c
7. d
8. b
9. d
10. a
11. a
12. c
13. c
14. d
15. c
16. c
17. b
18. c
19. d
20. d
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Comentário pedagógico para os estudantes
Menos que 30%
O estudante deverá rever muito antes de começar a usar o módulo.
Entre 30-60%
O estudante está preparado para continuar com o módulo, mas deverá rever algumas áreas.
Acima de 60%
O estudante reúne os pré-requisitos.
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X. Glosário
Separação e cromatografia
Solvente: componente maioritário de uma solução (é o termo para a camada orgânica).
Diluente: é um termo para um líquido inerte usado para dissolver um extracto e para diluir um
sistema.
Extractante: é um termo para um agente de extração do metal.
Refinado: é um termo para uma camada aquosa após a extração.
Purificação/friccionamento: é o termo usado para a extração reversa de um soluto indesejável
da fase orgânica.
Tiramento: é o termo usado para a extração reversa da fase orgânica.
Assimetria: factor que descreve a forma de um pico cromatográfico. Teoria que assume a forma
Gaussiana como pico simétrico. O factor de assimetria do pico é a relação (a 10 por cento da altura
do pico) da distância entre o ápice do pico e o lado da parte traseira da curva cromatográfica em
relação à distância entre o ápice do pico e o lado dianteiro da curva cromatográfica. O valor >1 é um
pico da parte traseira, enquanto o valor < 1 é um pico frontal.
Linha de base: a linha de base é a linha desenhada pelo sistema de dados quando o único sinal do
detector é proveniente da fase móvel.
Cromatografia: técnica na qual as moléculas presentes na fase móvel são separadas devido às suas
diferentes afinidades com a fase estaciocionária. Quanto maior a afinidade com a fase estacionária,
mais tempo a molécula ficará retida.
Volume morto (V): o volume da fase móvel fora das partículas de gel numa coluna cromatográfica
de exclusão molecular.
Detector: dispositivo electrónico que responde a alguma característica de um sistema em observação
e converte esta resposta num sinal mensurável. Há diferentes tipos de detectores. Os comuns são:
luz de absorvância no UV-VIS, índex diferencial refractiva, electroquímica, condutividade e
fluorescência.
Cromatografia de deslocamento: um processo cromatográfico no qual a amostra é colocada sobre a
ponta superior da coluna e é deslocado por um composto que é fortemente solvido nos compostos da
mistura original. As amostras de moléculas são deslocadas uma por uma, através do componente
fortemente solvido. As técnicas de deslocamento têm sido usadas principalmente em aplicações
preparativas de EPLC.
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Padrões externos: uma amostra separada que contém quantidades conhecidas dos mesmos
compostos de interesse. Padrões externos são principalmente usados para a identificação de picos
comparando os tempos de eluição.
Hidrofílico: desiga frequentemente algo que gosta da água; que tem acção absorvente, em especial
para a água. A maioria das colunas usadas para separar as proteínas são hidrofílicas por natureza e
não devem desnaturar a proteína no ambiente aquoso.
Injector: um mecanismo para a injecção duma quantidade predeterminada de amostra com precisão
no fluxo de fase móvel. O injector pode ser um dispositivo manual simples, ou um amostrador
automático sofisticado que permite injecções automatizadas de muitas amostras diferentes numa
operação não acompanhada.
Coeficiente de partição (K): a quantidade de soluto na fase estacionária relativa para com a
quantidade de soluto na fase móvel. Também pode ser entendido como coeficiente de distribuição.
Tempo de Retenção (tR '): o tempo, medido a partir da injeção, necessário para um soluto ser
deluido de uma coluna cromatográfica.
Volume de Retenção (VR): volume de solvente necessário para deluir um soluto de uma coluna
cromatográfica.
Fase estacionária: em Cromatografia, refere-se a um sólido ou líquido imobilizado no qual os
analitos são distribuídos durante a passagem da fase móvel.
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Análise Electroquímica
Corrente do segundo plano: corrente que não resulta da reacção química do analito.
Corrente capacitiva: corrente secundária que resulta da acção do eléctrodo como condensador
passando a ter carga.
Corrente de carregamento: vide corrente capacitiva.
Difusão: movimento aleatório das moléculas em um líquido ou gás (ou, muito lentamente, em um
sólido).
Potencial de meia-onda (E1/2): potencial ( originalmente contra o ECS) no qual a corrente de uma
onda voltamétrica equivale à metade da corrente-limite.
Eléctrodo indicador: eléctrodo cujo potencial está relacionado ao logarítmo da actividade de uma ou
mais espécies que estejam em contacto com o electrodo.
Voltametria de varredura linear: método electroquímico que envolve a medida da corrente em
uma célula quando o potencial é linearmente aumentado, ou diminuido, em função do tempo; é a base
para a voltametria hidrodinâmica e polarográfica.
Migração: movimento de iões induzido electrostaticamente em uma solução sob a influência de um
campo eléctrico.
Polarografia: Voltametria com eléctrodo gotejante de mercúrio.
Potencial (potencial electroquímico): referente à medição da energia numa reacção electroquímica.
Janela de Potencial: faixa de potências para um determinado sistema de solvente/eléctrodo onde
podem ser feitas medições analíticas.
Eléctrodo de referência: eléctrodo cujo potencial (potencial electroquímico constante) em relação
ao eléctrodo padrão de hidrogénio é conhecido e contra o qual os potenciais de eléctrodos não
conhecidos podem ser medidos; o potencial de um eléctrodo de referência é completamente
independente da contração do analito.
Eléctrodo de Prata/Cloreto de Prata: eléctrodo de referência no qual um arame de prata é coberto
com cloreto de prata e mergulhado numa solução aquosa saturada.
Espectroscopia
Espectroscopia de absorção: um tipo de espectroscopia onde se mede a absorção da quantidade de
radiação, de um dado comprimento de onda duma amostra. O comprimento de onda que é absorvido
depende da molécula, assim como das diferentes transições que ocorrem em comprimentos de onda
diferentes.
Lei de LAMBERT e BEER: uma equação relativa à absorvância, ao comprimento, ao coeficiente
molar de absorção e à concentração da amostra. A = ε c l
CROMÓFORO: grupo funcional responsável pela absorção, p.ex., um alqueno absorve a λmax= 177
nm; parte de uma molécula responsável pela absorção de luz de uma determinada frequência.
CONJUGAÇÃO: uma série alternada de ligações simples, duplas e triplas, que provocam a
sobreposição de orbitais p. sistemas conjugados tendem a absorver na região do visível.
LIGAÇÃO DUPLA: uma ligação onde (p. ex. no carbono) a orbital s e duas orbitais p hibridizam,
originando 3 orbitais sp2, formando ligações δ (p. ex. com o hidrogénio ou carbono). A orbital p
restante forma a ligação π, com o outro carbono sp2 hibridizado.
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO: a faixa inteira de radiação electromagnética, incluindo luz
visível, ondas de rádio, raios X etc. A faixa estende-se entre as ondas de rádio (105 m) até 10-14 m
(radiação gama,γ). Entre estes extremos encontram-se as regiões do infravermelho, visível,
ultravioleta e raios-X.
Fluorescência: acontece quando um electrão é promovido do estado fundamental para o estado
excitado. Quando se perde energia do electrão, este o faz perdendo-a em forma de calor através do
relaxamento vibracional, distribuindo posteriormente a luz (fluorescendo) ao voltar ao estado
fundamental.
HOMO: Orbital Molecular Altamente Ocupada, do inglês, Highest Occupied Molecular Orbital.
Orbital ocupada na molécula, onde o nível mais elevado de energia no electrão encontra-se ocupado
no zero absoluto.
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LUMO: Orbital Molecular mais Baixa Desocupada, do inglês, Low Unoccupied Molecular Orbital.
Orbital de baixa energia, a qual se encontra desocupada no electrão no zero absoluto.
COEFICIENTE MOLAR DE ABSORÇÃO: Medida da quantidade de radiação absorvida por
unidade de concentração da amostra, rearranjando assim a equação para: ε = A / c l (Lei de Lambert
e Beer). Este valor é constante para cada tipo de substância.
ORBITAIS MOLECULARES: descrevem a distribuição do electrão na molécula. Orbitais que
resultam da interação das orbitais atómicas durante a formação de ligações. As orbitais de ligação
apresentam baixa energia em relação às orbitais atómicas orginais. As orbitais anti-ligantes e não
ligantes apresentam elevada energia.
ESPECTROSCOPIA: Método de produção e análise de dados que permitam a determinação de
estruturas moleculares.
TRANSMITÂNCIA: Quantidade de radiação que passa através da amostra, isto é, que não é
absorvida. Fracção da Quantidade de radiação que entra, e da quantidade de radiação que atravessa a
amostra. Quando esta fracção é multiplicada por 100, o valor obtido é a percentagem da transmissão.
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REGIÃO ULTRAVIOLETA: A região do espectro electromagnético que apresenta comprimentos
de onda entre 400 nm a 4 nm. A região no UV distribui-se por três zonas: UV PRÓXIMO (400-300
nm), UV DISTANTE/LONGÍQUO (300-200 nm) e UV EXTREMO/VÁCUO (menos que 200
nm). A última é conhecida como a região do UV do vácuo ( região vazia de UV) como a radiação é
absorvida pelo oxigénio. Isto significa que se a radiação no UV vazio estiver em uso, então a
aparelhagem deve ser evacuada.
REGIÃO VISÍVEL: A região do espectro eletromagnético (700-400 nm), a qual o olho humano é
sensível à luz e vê-la como branca e a cores.
COMPRIMENTO DE ONDA: A medição das ondas de um pico para o outro, p.ex., ondas de rádio
tem o comprimento de onda de até 10 km, enquanto a radiação gama γ, tem comprimentos de onda
curtos de 10-14 m.
Espectrometria de Massas
Espectrometria de Massas: esta é uma técnica na qual um instrumento é usado para produzir iões a
partir de átomos ou moléculas (a fonte), os quais são separados e detectados de acordo com a razão
entre a massa e a carga (vide m/z) (o analisador).
Foco Duplo: uma combinação de campos electrostáticos (E) e magnético (B), usada para compensar
a variação de energias dos iões formados na fonte e por conseguinte melhorar a resolução (qv) do
analisador (vide também geometria frontal e reversa).
Voltagem de Aceleração: A voltagem aplicada à fonte para acelerar os iões formados no analisador.
Unidade de Massa Atómica: unidade de massa baseada em 1/12 da massa do isotopo de carbono
mais abundante, 12C=12 u exactamente; m/z é a razão massa e carga do ião detectado. Z é
normalmente uma unidade, mas pode ser um número inteiro maior especialmente na ESI-MS.
Ião Molecular: o ião formado a partir da molécula original na fonte.
Ião Radical: um ião contendo iões desemparelhados.
Massa média ou relativa (Mr): a massa de uma partícula ou molécula de determinada fórmula
empírica, calculada usando pesos atómicos para cada elemento.
Massa Exacta: os isotopos têm massas únicas e precisas e como consequência disto, a composição
elementar de qualquer molécula ou fragmento, pode ser calculada a partir da sua massa, se esta tiver
sido suficientemente calculada com precisão.
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XI. Recomendações
O material neste módulo é apresentado em ordem crescente de complexidade dos contéudos. Assim
aconselha-se ao estudante que faça o seu estudo duma forma sequencial até ao fim de cada unidade.
Deve também orientar-se com rigor ao horário proposto para a unidade.
Há quatro fontes principais a citar, respectivamente, o módulo à disposição, as referências on-line, as
referências bibliográficas e a avaliação formativa.
O estudante dever usar o material apresentado como a primeira ferramenta de aprendizagem cobrindo uma unidade completa antes de recorrer aos livros e fontes on-line.
Ao longo do módulo está identificado o local onde o estudante pode recorrer às fontes on-line.
As avaliações formativas estão inclusas no módulo para reforçar a compreensão dos
conceitos fundamentais e das habilidades.
Estes devem ser tratados imediatamente depois do estudo da secção e usados como exercícios
práticos.
A Avaliação sumativa examina a compreensão de conceitos e retenção de factos
de uma determinada unidade de aprendizagem.
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XII. Leitura obrigatória
Referência 1
Título: Métodos Espectrométricos de identificação de Compostos orgânicos.
Autores: Robert M Silverstein; Francis X Webster; David J Kiemle.
Editora: Wiley; 7ª Edição, 2005.
Abstrato: este livro providencia uma introdução completa das três áreas da Espectrometria, usadas
amplamente na identificação espectrométrica: Espectrometria de massa, Espectroscopia no infravermelho e na Ressonância Magnética Nuclear. O texto usa o método de resolução de problema,
com grande ênfase nas tabelas e gráficos. Oferece vários exercícios, típicos para um químico
praticante.
Raciocínio: esta referência dá ao estudante oportunidade para aquisição de habilidades na
interpretação de espectros. O estudante é aconselhado a usar este livro para a prática asim como para
aprimorar as técnicas espectroscópicas. Partindo do domínio de dois a três problemas em cada
técnica, estar-se-á na iminência de alcançar o domínio das outras técnicas de Espectroscopia.
Este livro é a referência primária para as Espectroscopias UV, IR, NMR e Espectrometria de Massa
Referência 2
Título: Princípios de Análise Instrumental.
Autores: Douglas A. Skoog, F. James Holler, e Stanley R. Crouch.
Editora: Brooks Cole; 6ª edição 2006.
Abstrato: este livro dá mais ênfase às bases teóricas de cada tipo de instrumento, sua óptima área de
aplicação, sua sensibilidade, sua precisão e suas limitações.
Raciocínio: este livro dá cobertura a todos os aspectos do módulo, de um modo muito simplificado,
mas é a referência primária das técnicas Electro-analíticas bem como dos métodos cromatográficos.
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Referência 3
Título: Guia Essencial de Química Analítica.
Autor: Georg Schewdt.
Editora: John Wiley e Filhos 2ª Edição 1997.
Abstrato: este livro é escrito como uma referência rápida para este módulo, e todo o material é
abordado de forma compacta. Apresenta diagramas coloridos o que torna o texto mais conciso e
fácil de encontrar informação relevante. Os diagramas são claros e os esquemas ilustram
procedimentos e instrumentação duma forma simples.
Raciocínio: este livro é tido como a referência final para “polir” a compreensão do módulo para os
estudantes; não deve ser usado para aprendizagem inicial dos tópicos.
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XIII. “Links” úteis
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey/student/olc/ch13ir,html
Resumo: este “Link” é parte do curso de química, contudo para os propósitos deste módulo,
o estudante é exigido a ler apenas o capítulo 13. Apresenta o material abordado no módulo de um
modo simples e compreensível. Esta referência prevê métodos alternativos para o estudo do módulo,
com tutorias de conceitos teóricos.
Justificação: os exemplos nesta referência providenciam exercícios práticos associados ao módulo e
reforçam a compreensão dos conceitos.
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http://ull.chemistry.uakron.edu/analytical/Spectrophotometry /
Resumo: este “site” contém notas resumidas dos conceitos abordados no módulo.
Justificação: devem-se criar facilidades ao estudante para recordar factos e conceitos importantes
tratados no módulo.
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http://www.nd.edu/~smithgrp/structure/workbook.html
Resumo: este “site” contém uma colecção de problemas práticos.
Justificação: estes problemas são importantes para entender
espectrometria de massa.
a espectroscopia
molecular e
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http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/Spectrpy/spectro.htm#contnt
Resumo: este “site” providencia o curso compreensivo de Química orgânica.
Justificação: o método usado neste curso pode providenciar uma compreensão profunda
do abordado no módulo.
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http://www.chromatography-online.org/topics/gas/chromatography/detectors.
html
Resumo: este é um dos sites mais compreensivos da cromatografia.
Justificação: a profundidade do tratamento deste módulo está um pouco acima do que é exigido,
daí que este deve servir de referência.
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http://www.cis.rit.edu/htbooks/nmr/bnmr.htm
Resumo: este site oferece um tratamento profundo da Espectroscopia de RMN do Carbono-13, com
explicações acompanhadas de espectros.
Justificação: a abordagem vai de acordo com os requisitos do módulo, contudo aconselha-se ao
estudante a usá-lo apenas como referência.
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http://weather.nmsu.edu/Teaching_Material/soil698/Student_Reports/
Spectroscopy/report.htm
Resumo: este é o relatório de um estudante sobre a Espectroscopia de Absorção Atómica (EAA).
Justificação:
esta
página
apresenta
a
EAA
de
forma
simplificada.
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http://www.chemguide.co.uk/index.html#top
Resumo: este site foi originalmente criado para responder às necessidades dos estudantes de Química de “Nível
A” do Reino Unido, mas também tem sido usado para abordar matérias de outros níveis, tais como IB, sistema Escocês
avançado e o Cambridge internacional. De facto, agora tem sido usado para cursos equivalentes e por estudantes
universitários dos primeiros anos.
Justificação: este site contém explicações simplificadas do material abordado neste módulo.
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XIV. Recursos Multi Media
http://www.colby.edu/chemistry/NMR/H1pred.html
Resumo: uma excelente colecção de aplicações para a interpretação de espectros de RMN, IV e de
Massas. Criado pelo Colégio de Colby.
.
Justificação: este site providencia muitos instrumentos multimedia para reforçar a aprendizagem
nesta unidade.
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http://www.shsu.edu/~chemistry/primers/primers.html
Resumo: este site apresenta uma vasta colecção de recursos multimedia de todos os temas
abordados no módulo.
Justificação: este site deve ser usado como fonte de recursos multimedia
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XV. Actividades de Aprendizagem
Unidade I
Separação e Técnicas Cromatográficas
Resumo das actividades
No final desta unidade o estudante deve ser capaz de:
• Recordar os métodos de separação abordados na escola;
• Explicar os princípios de extração de solvente;
• Resolver problemas numéricos e hipotéticos referentes à extração do solvente;
• Desenhar e nomear a instrumentação usada para a extração de solvente;
• Nomear colunas comuns e técnicas cromatográficas planas;
• Explicar a teoria básica da técnica de cada coluna e da cromatografia plana;
• Recordar a instrumentação para as cromatografias plana e de coluna.
Leituras recomendadas
Separação:
http://en.wikipedia.org/wiki/Separation_process
http://en.wikipedia.org/wiki/Distillation#Laboratory_scale_distillation
http://en.wikipedia.org/wiki/Liquid-liquid_extraction
http://en.wikipedia.org/wiki/Separating_funnel
http://en.wikipedia.org/wiki/Distillation
Cromatografia:
http://en.wikipedia.org/wiki/HPLC
http://en.wikipedia.org/wiki/Chromatography
http://hplc.chem.shu.edu/HPLC/index.html
http://www.waters.com/watersdivision/ContentD.asp?watersit=JDRS-5LTGBH
http://www.chemguide.co.uk/analysis/chromatography/hplc.html
http://www.chemguide.co.uk/analysis/chromatography/column.html#top
Lista de sites relevantes:
http://www.chromatography-online.org/Principles/Introduction/rs1.html
http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/matter/chromatography.shtml
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http://www.chemguide.co.uk/analysis/chromatogrmenu.html#top
http://www.chemguide.co.uk/analysis/chromatography/thinlayer.html#top
http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/CHROMO/be_types.htm
http://www.forumsci.co.il/HPLC/modes/modes3.htm
http://www.chem.ubc.ca/courseware/121/tutorials/exp3A/columnchrom/
http://teaching.shu.ac.uk/hwb/chemistry/tutorials/chrom/gaschrm2.htm
Técnicas de Separação
Extração do Solvente
Extração líquido-líquido, também conhecida como extração solvente e partição, é um método
usado para separar componentes, baseado nas suas solubilidades relativas em dois diferentes líquidos
não miscíveis, normalmente água e um solvente orgânico. É uma extração de uma substância de uma
fase líquida em outra fase líquida. Nesta técnica uma solução (normalmente aquosa) contendo um
soluto ou solutos entra em contacto com um segundo solvente (normalmente orgânico) com a
finalidade de transferir um ou mais solutos da solução para o segundo solvente. A solução é agitada
para estabelecer um contacto com o solvente. A Aparelhagem deve se encontrar na posição vertical
para permitir separar as fases.
Coeficiente de Partição
Partição ou coeficiente de distribuição (KD) é a relação de concentrações de um composto em
duas fases de uma mistura de dois solventes não miscíveis em equilíbrio e consequentemente estes
coeficientes são uma medida da diferença de solubilidade do composto entre estes solventes.
Normalmente um dos solventes escolhido é água, enquanto o segundo é hidrofóbico como p.ex.
octanol. Consequentemente ambos, a partição e o coeficiente de distribuição, são medidas de quão
uma substância química é Hidrofílica (amiga da água) ou Hidrofóbica (inimiga da água).
Factores que afectam a Extração do Solvente
Polaridade do soluto e do solvente: em geral o solvente polar é distribuído no solvente mais polar,
enquanto os solutos apolares dissolvem-se facilmente em solventes orgânicos, a não ser que estes
incorporem número suficiente de grupos funcionais hidrofílicos como hidroxilo, sulfónico.
Geralmente não se espera que os compostos iónicos se extraiam em orgânicos, apenas pode-se
esperar que estes possam se extrair reagindo-os com “agentes complexantes” formando identidades
apolares neutras.
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Destilação
A destilação é o modo de separação baseado no fenómeno de equilíbrio líquido-vapor de misturas.
Em termos práticos, quando temos duas ou mais substâncias formando uma mistura líquida, a
destilação pode ser um método adequado para purificá-las. Simplificando, a destilação é um processo
no qual duas substâncias são separadas através do aquecimento. Ex.: solução de água e sal.
Aquecendo a solução, quando a água entrar em ebulição (vapor de água) e passar pelo condensador,
sairá como água líquida, enquanto o sal ficará no primeiro recipiente; separando assim a água
destilada e o sal.
Destilação simples
Em destilação simples, todos os vapores quentes produzidos são imediatamente canalizados para um
condensador onde são esfriados e condensados. Assim, o destilado não será puro - sua composição
será idêntica à composição dos vapores a determinada temperatura e pressão, e pode ser avaliada a
partir da lei de Raoult. A destilação simples é um processo que permite a separação de um líquido de
uma substância não volátil (tal como um sólido, p.ex.) ou de outro(s) liquído(s) que possue(m) uma
diferença no ponto de ebulição maior do que cerca de 80 °C. É um método rápido de destilação, e
deve ser usado sempre que possível – é uma técnica rápida, fácil e, se respeitado seus limites, eficaz.
Destilação fraccionária
Este processo consite no aquecimento de uma mistura de mais de dois líquidos que possuam pontos
de ebulição diferentes. Assim, a solução é aquecida e separa-se inicialmente o líquido com menor
ponto de ebulição e, em seguida, o líquido com o ponto de ebulição maior.
A destilação fracionária é usada para separar os componentes por ciclos de vaporização-condensação
repetidos
dentro
de
uma
coluna
fraccionária.
Os derivados de petróleo são separados por destilação fraccionada, onde cada componente é
destilado em uma temperatura diferente: baixas temperaturas separam a gasolina e o querosene,
já na temperatura em torno de 300 ° C, são destilados os óleos e as parafinas.
Figura 1: Aparelho de destilação Fracionária:
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http://en.wikipedia.org/wiki/Fractional_distillation
A quantidade de placas teóricas leva a melhores separações. Um sistema de destilação de banda
de fiação usa uma faixa de giro de teflon ou metal para a força de vapores em contacto
com o condensado descendente, aumentando deste modo o número de pratos teóricos.
Destilação a vapor
Figura 2: destilação a vapor:
http://en.wikipedia.org/wiki/Steam_distillation acessed March 2008
Como funciona a Destilação a vapor
A destilação a vapor é uma destilação de mistura de substâncias imiscíveis de compostos
orgânicos e água (vapor) e baseia-se no facto de a pressão total de vapor de uma mistura de
líquidos imiscíveis ser igual à soma das pressões de vapor de cada componente, individualmente.
Misturas imiscíveis não se comportam como soluções. Os componentes de uma mistura
imiscível evaporam a temperaturas menores do que os pontos de ebulição dos componentes
individuais, por isso, uma mistura de compostos de alto ponto de ebulição e água poderá ser
destilada à temperatura menor que 100 °C (ponto de ebulição da água). A pressão total de vapor
da mistura torna-se igual à pressão atmosférica (e a mistura pode ebulir) numa temperatura
menor que o ponto de ebulição de qualquer um dos componentes.
A destilação a vapor pode ser utilizada nos seguintes casos:
1. Quando se deseja separar ou purificar uma substância cujo ponto de ebulição é alto e/ou
apresente risco de decomposição;
2. Para separar ou purificar substâncias contaminadas com impurezas resinosas;
3. Para retirar solventes com elevado ponto de ebulição, quando em solução existe uma
substância não volátil;
4. Para separar substâncias pouco miscíveis em água cuja pressão de vapor seja próxima a da
água a 100 °C, o que é muito importante para as substâncias que se decompõem nestas
temperaturas.
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Destilação a Vácuo
Figura 3: Aparelho de destilação a vácuo
Destilação a vácuo
Destilação que se realiza numa coluna de fraccionamento a uma pressão inferior à pressão
atmosférica. À destilação no vácuo são submetidos os resíduos (fracção mais pesada) obtidos por
destilação atmosférica. A redução da pressão baixa o ponto de ebulição das fracções pesadas
permite-lhes separá-las dos resíduos a uma temperatura que não corre o risco de os decompor.
Aplica-se, por exemplo, no início da cadeia de fabrico dos óleos base.
Cromatografia
Teoria de Cromatografia
Cromatografia é um processo de separação que é alcançado distribuindo os componentes de uma
mistura entre duas fases, uma fase estacionária e outra fase móvel.
Estes componentes são retidos preferencialmente na fase estacionária mais tempo no sistema do que
esses que são distribuídos selectivamente na fase móvel. Como consequência, os solutos são eluados
do sistema em tempos diferentes de acordo com a ordem crescente dos coeficientes de distribuição.
As amostras podem ser gasosas, líquidas ou sólidas e podem variar na complexidade de uma mistura
simples de dois enantiomeros para uma mistura multivariada de componentes contendo espécies
químicas muito diferentes. Além disso, a análise pode ser levada a cabo, a um extremo, num
instrumento muito caro e complexo, e no outro, num simples prato. Cromatografia é a base de um
elevado número de técnicas analíticas. Esta unidade apresenta as técnicas cromatográficas mais
comuns e suas aplicações.
O Processo de Desenvolvimento
Desenvolvimento é o termo usado para descrever como os componentes são separados durante o
processo
cromatográfico.
Existem três métodos básicos de desenvolvimento cromatográfico; frontal, deslocamento,
e desenvolvimento por eluição. A maior parte do desenvolvimento analítico de cromatografia é
feito pelo desenvolvimento de eluição
Desenvolvimento por eluição
Desenvolvimento de eluição é melhor descrito como uma série de processos de extração e
absorção que são contínuas desde o tempo em que a amostra é injectada no
sistema até ao momento da saída de analitos. O processo de eluição é ilustrado na
figura abaixo.
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Figura 4: Desenvolvimento por Eluição
Quando o soluto entra no sistema cromatográfico na fase móvel sua concentração é maior que a
concentração de equilíbrio para distribuição na fase estacionária, o que permite a sua entrada imediata
para a fase estacionária.
Assim a concentração da fase móvel alcançará a da fase estacionária, continuando esta a aumentar até
se atingir o equilíbrio. Alcançado o equilíbrio das concentrações, observa-se então a Desorpção para
a fase móvel, onde é transportado para uma novo local na fase estacionária.
A fase móvel deslocará o perfil de concentração do soluto continuamente a dentro. Este
deslocamento causa excesso de concentração de equilíbrio do soluto na fase móvel à frente do pico,
em relação à fase estacionária. Como consequência, uma certa quantidade de soluto na parte
dianteira do pico, continua eluindo a fase estacionária a partir da fase móvel, na tentativa de
restabelecer o equilíbrio. Na parte traseira do pico, acontece o inverso. Com o avanço do perfil de
concentração do soluto na fase estacionária, observa-se assim um excesso de concentração de
equilíbrio na parte traseira do pico.
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A quantidade líquida de soluto deve agora sair da fase estacionária e entrar na fase móvel para
re-estabelecer o equilíbrio. Assim, o soluto move-se através do sistema cromatográfico como
resultado da entrada de solutos na fase móvel na parte traseira do pico e retorna para a fase
estacionária à frente do pico. No entanto, o soluto é sempre transferido entre as duas fases ao
longo de todo o pico, na tentativa de atingir ou manter o equilíbrio termodinâmico. No entanto, a
banda de soluto progride através do sistema como resultado de uma transferência líquida de
soluto a partir da fase móvel para a fase estacionária na frente da metade do pico. Esta
transferência líquida de solutos é compensada pela passagem de soluto da fase estacionária para
a fase móvel a metade traseira do pico.
Eficiência de Separações Cromatográficas
A distribuição de analitos entre fases pode ser descrita frequentemente de forma bastante simples.
Um analito está em equilíbrio entre as duas fases:
Móvel ↔ Estacionária
A constante de equilíbrio, K, chama-se, na cromatografia, por coeficiente de partição; e é definido
como o quociente da concentração molar do analito na fase estacionária e da concentração do analito
na fase móvel.
O tempo necessário (para cada componente), a partir da injecção da mistura na coluna, para que o
componente alcance o detector, chama-se tempo de retenção (tR).
Cada analito numa amostra terá um tempo de retenção diferente. O tempo que a fase móvel leva a
percorrer a coluna é o tempo nulo (tM).
Figura 5: O Conceito de Tempo de Retenção
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O termo factor de retenção, k ', é usado frequentemente para descrever a velocidade de migração de
um analito numa coluna. Também é designado por factor de capacidade. O factor de retenção de um
analito A, é definido com:
k’A = t R - tM / tM
Os valores de tR e tM são obtidos geralmente a partir de um cromatograma.
Quando o factor de retenção do analito é menor que um, a eluição é tão rápida, dificultando desta
forma a determinação exacta do tempo de retenção. Factores de alta Retenção (maiores que 20)
indicam uma eluição demorada (eluição leva muito tempo). O ideal para um analito está entre um e
cinco.
Para além das grandezas acima descritas, existe também o factor de selectividade,  que descreve a
separação de duas espécies (A e B) na coluna;
 = k ‘B / k ‘A
Ao calcular o factor de selectividade, deve tomar em consideração que a espécie A, elui mais rápido
que a espécie B. O factor de selectividade é sempre maior que um.
Banda de Ampliação e Eficiência de Coluna
Para a obtenção de óptimas separações, é necessário que os picos cromatográficos sejam nítidos
e simétricos. Isso pressupõe que o alargamento da banda seja limitado, o que também é
benéfico para a medição da eficiência da coluna.
Modelo de Prato Teórico de Cromatografia
O modelo de pratos teóricos supõe que a coluna cromatográfica é formada por muitas camadas
separadas, tidas teoricamente por pratos teóricos. É nestes pratos onde ocorrem as separações das
amostras entre a fase estacionária e móvel.
O analito atravessa a coluna pela transferência equilibrada da fase móvel de um prato para o
próximo.
Figura 6: Conceito Teórico de Prato
Prato é um conceito teórico para medir a eficiência da coluna, considerando ou, o número de pratos
teóricos numa coluna, N (o melhor), ou a altura do prato; A Altura Equivalente de um Prato Teórico,
em Inglês HETP, (quanto menor, melhor).
Se o cumprimento da coluna for L, então o HETP é
HETP = L / N
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O número de pratos teóricos que uma coluna real possui, pode-se encontrar examinando o pico
cromatográfico após a eluição;
Onde w1/2 é a largura do pico à meia altura do prato.
Como pode ser visto a partir desta equação, as colunas comportam-se como se elas tivessem
diferentes números de pratos para solutos diferentes numa mistura.
Teoria de velocidade na Cromatografia
A descrição mais realística dos processos cromatográficos no interior da coluna basea-se no tempo
que o soluto leva a atingir o equilíbrio entre a fase estacionária e móvel (diferentemente do modelo de
pratos que assume que o equilíbrio é infinitamente rápido).
A Banda resultante do pico cromatográfico é então afectada pela velocidade de eluição. Também é
afectada pelas diferentes vias desponíveis de que as moléculas do soluto percorrem até a fase
estacionária. Considerando os vários mecanismos que contribuem para o alargando, chega-se a
equação de Van Deemter para altura de prato:
HETP = A + B / u + C u
Onde, u é a velocidade média da fase móvel. A, B, e C são factores que contribuem para o
alargamento da Banda.
A- difusão de Eddy
A fase móvel movimenta-se pela coluna a qual é previamente empacotada com a fase estacionária.
As Moléculas de soluto seguem ao acaso caminhos diferentes pela fase estacionária. Isto causará o
alargando da faixa de soluto, pois os caminhos percorridos são de diferentes comprimentos.
B - difusão Longitudinal
A concentração do analito é menor nas extremidades da faixa em relação ao centro. Esta dispersão
causa o alargamento da banda. Se a velocidade da fase móvel for alta, então o analito gasta menos
tempo na coluna, levando assim à diminuição dos efeitos de difusão longitudinal.
C - Resistência à transferência de massa
O analito leva um certo tempo a equilibrar-se entre a fase estacionária e a fase móvel. Se a
velocidade da fase móvel for alta, e o analito tiver uma forte afinidade com a fase estacionária, então
o analito na fase móvel mover-se-á para frente do analito na fase estacionária. A banda do analito
nestas condições é alargada. Quanto maior for a velocidade da fase móvel, menor será o alargamento.
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Curvas de Van Deemter
Representação gráfica da altura de prato vs velocidade média linear da fase móvel.
Figura 7: Curva deVan Deemeter
Tais curvas são de uso considerável na determinação do fluxo óptimo da velocidade da fase móvel.
Resolução
Embora o factor de selectividade a descreva a separação dos centros da banda, ele não influencia na
largura do pico. Outra medida de como as espécies foram bem separadas, é dada pela Resolução. A
Resolução de duas espécies, A e B, é definida como:
A linha de base da Resolução é alcançada quando R = 1.5.
É útil relacionar a Resolução ao número de pratos na coluna, ao factor de seletividade e ao factor de
retenção dos dois solutos;
Para a obtenção de alta Resolução, os três termos devem ser maximizados. O aumento em N,
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e do número de pratos teóricos, alonga a coluna, o que leva ao aumento do tempo de retenção,
possibilitando assim o aumento da banda – o que pode não ser desejável. Ao invés de aumentar o
número de pratos, a altura equivalente a um prato teórico pode ser reduzido, reduzindo o tamanho das
partículas da fase estacionária.
Pensa-se que controlando o factor de capacidade, k', as separações podem ser melhoradas
substancialmente. Isto pode ser alcançado alterando a temperatura (em Cromatografia Gasosa) ou a
composição da fase móvel (em Cromatografia Líquida).
O factor de selectividade a, também pode ser manipulado para melhorar as separações. Quando a,
está próximo da unidade, a optimização de k' e o aumento de N não oferecem boas separações em
tempo útil. Nestes casos, optimiza-se primeiro o k', e depois o a, e observar-se-á o aumento seguindo
um dos seguintes procedimentos:
Mudando a composição da fase móvel;
Variar a Temperatura da coluna;
Variar a composição da fase estacionária;
Uso de efeitos químicos especiais (incorporação de espécies cujos complexos apresentam um dos
solutos na fase estacionária).
Tipos de Técnicas Cromatográficas
Cromatografia plana
Cromatografia Planar é uma técnica de separação na qual a fase estacionária apresenta-se na forma
plana. A forma planar pode ser um papel, que serve de fase estacionária (Cromatografia de Papel) ou
uma camada fina de partículas sólidas numa placa (Cromatografia de Camada Fina).
Cromatografia de papel
Esta técnica é assim chamada porque utiliza para a separação e identificação das substâncias ou
componentes da mistura, a migração diferencial sobre a superfície de um papel de filtro de qualidade
especial (fase estacionária). A fase móvel pode ser um solvente puro ou uma mistura de solventes.
Este método é muito útil para separar substâncias muito polares, como açúcares e aminoácidos.
Possui o inconveniente de poder-se cromatografar poucas quantidades de substância de cada vez.
As cubas deverão ser perfeitamente fechadas para permitir a saturação interna. A cromatografia
pode ser ascendente ou descendente, sendo que esta última é mais rápida e consome menos eluente.
Apenas 2cm de altura de eluente na cuba é suficiente para a cromatografia ascendente.
Cromatografia da camada fina
Cromatografia de camada fina (em inglês TLC) é semelhante à cromatografia de papel. Porém, em
vez de se usar papel como fase estacionária, envolve-se uma fase estacionária de uma camada fina de
adsorvente como gel de silica, alumina, ou celulose num substrato inerte, usualmente material de
vidro ou plástico. Esta técnica é vantajosa comparada à cromatografia de papel, pois é rápida,
eficiente e permite o uso de diversos adsorventes. Diferentes compostos na mesma mistura
apresentam distâncias diferentes de acordo com a sua interacção com o
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o adsorvente. Isto permite calcular o valor de Rf, o qual pode ser comparado à substâncias padrão,
possibilitando desta forma a identificação de compostos desconhecidos.
Figura 8: Desenvolvimento de uma separação de TLC: fonte http://www.waters.com/water sdivision/ContentD.asp?watersit=JDRS-5LTGBH
Aparelhagem para a cromatografia de camada fina e de papel
Preparação da placa
A cromatografia de camada fina apresenta uma variedade de materiais para a sua execução, contudo
o gel de silica é que se usa com maior frequência. As camadas finas de celulose são preparadas
espalhando a massa aquosa de pó celuloso sobre aplicadores previamente preparados e que se
encontram à venda no mercado. A massa aquosa de pó celuloso prepa-se misturando
aproximadamente 15 g desta em 90 cm3 de água destilada, passando posteriormente à dispersão
durante 1 minuto com ajuda de um liquidificador. O pó celuloso usado para TLC inorgânico é de
natureza micro cristalina. Para a cromatografia de partição existe uma gama de absorventes que
estão previamente preparados. Existem também no mercado folhas plásticas impregnadas com
celulose (que incorporam também material fluorescente), que são muito convenientes para os
trabalhos de cromatografia de camada fina para compostos inorgânicos, e podem ser cortados para os
tamanhos preferidos.
Aplicação da amostra.
A amostra a ser aplicada deve ser neutra ou apresentar uma acidez fraca e sua composição deve estar
entre 0.1 e 10mg do catião por cm3 ; desta solução apenas se usa 1µl. A calibração dos cromatopratos
não é necessária.
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Desenvolvimento na placa. O cromatograma normalmente é desenvolvido na forma ascendente,
técnicas na qual a placa emerge no solvente em desenvolvimento numa profundidade de 0.5cm. A
câmara usada deve estar forrada com papel de filtro que deve também emergir no solvente na base da
câmara, isto permite assegurar a saturação da câmara com o vapor do solvente. É permitido Proceder
o desenvolvimento até que a frente solvente alcance a distância requerida (normalmente 10-15cm), a
placa é então afastada da câmara e a frente solvente imediatamente marcada com uma linha de lápis.
Identificação de Analito em Cromatografia de camada fina e em Papel
As Substâncias coloridas podem ser vistas directamente quando observadas contra a fase
estacionária, enquanto as espécies incolores normalmente podem ser detectadas pulverizando a placa
com um reagente apropriado que produz áreas coloridas nas regiões que eles ocupam.
Algumas substâncias apresentam fluorescência na presença da luz ultravioleta e podem ser
localizadas facilmente. Alternativamente se o material fluorescente é incorporado no absorvente, o
soluto pode ser observado como uma mancha escura num fundo fluorescente usando a luz
ultravioleta, (Quando localizamos zonas usando este método os olhos devem estar protegidos, usando
óculos de protecção.) As manchas localizadas por este método podem ser delineadas marcando com
uma agulha.
Cromatografia de coluna
Cromatografia de coluna é uma técnica de separação na qual a cama estacionária é
colocada dentro de um tubo.
Figura 9: Aparelho Cromatográfico de coluna
A fase estacionária consiste em partículas muito pequenas ou partículas cobertas com um líquido na
qual os sólidos agem como suporte colocado numa coluna. As partículas da fase estacionária
podem ser sólidas e normalmente enchem todo o volume do tubo (coluna compacta) ou
concentradas no interior do tubo ao longo da parede, deixando um espaço aberto, para a fase móvel
(coluna tubular aberta).
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Cromatografia líquida
A cromatografia líquida (LC) é um tipo de cromatografia de coluna na qual a fase móvel
é um líquido. Cromatografia líquida pode ser levada a cabo numa coluna ou no plano . Hoje em dia
a cromatografia líquida que geralmente utiliza pequenas partículas empacotadas sob pressão
relativamente alta, daí a designação de Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (CLAE; do
Inglês: High Perfomance/Pressur Liquid Chromatograhy, HPLC).
Cromatografia Líquida de Alta Eficiência é uma técnica cromatográfica. Se distingue por usar a
fase móvel à alta pressão (daí o "pressure" da sigla em inglês).
O uso de pressões elevadas permite uma redução no diâmetro das partículas da fase estacionária,
localizada no interior da coluna cromatográfica. O uso de partículas menores (na ordem de 5,0 µm)
no recheio da coluna resulta em uma área superficial, o sítio de absorção, maior (geralmente da
ordem de centenas de metros quadrados por grama de fase estacionária), o que promove uma
separação mais eficiente dos componentes da amostra. Essa "miniaturização" das partículas da
coluna permite o uso de colunas menores, volumes menores de amostras e um gasto menor de fase
móvel. Assim sendo, em cromatografia líquida de alta eficiência trabalha-se na faixa dos microlitros
(µL).
O advento dessa técnica analítica só foi possível graças à produção de cromatógrafos líquidos
totalmente automatizados (embora mesmo hoje ainda existam cromatógrafos que não oferecem
opção de injecção automática de amostragem). Nesses cromatógrafos as bombas de fase móvel
permitem o trabalho geralmente na faixa média de 2.500 psi. Hoje em dia são oferecidos, também as
máquinas da chamada CLUE - Cromatografia Líquida de Ultra Eficiência (Em inglês, UPLC), que
funcionam com partículas de colunas ainda menores (até 0,01 µm) e pressões ultra-elevadas (da
ordem de 15.000 psi).
Componentes de um HPLC
Figura 10: Componentes de um HPLC
O Sistema de recepção do solvente empurra o fluxo do solvente pelo instrumento a uma velocidade
constante de fluxo.
Sistema de injecção de amostra – introduz-se a amostra no fluxo líquido do instrumento.
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Coluna - um tubo inoxidável de aço empacotado com contas de silicone que separam o que se
procura (p.ex. a cafeína) de outras substâncias (p.ex. açúcar).
Detector - um sensor óptico (normalmente) que detecta as mudanças nas características do fluxo do
solvente.
Sistema de dados – média de controlo dos componentes do sistema de armanezamento,
processamento e exibição dos dados.
Uma bomba de alta pressão é necessária para forçar a fase móvel pela coluna nas típicas velocidades
de fluxo de 0.1-2 ml/min. A amostra a ser separada é introduzida na fase móvel através de
dispositivo de injecção, manual ou automaticamente, antes da coluna.
Escala Cromatografica:
HPLC aplica-se para vários propósitos;
Analítico - só para Dados de alta Sensibilidade;
Semi-Preparativo – dados e pequenas quantidades de analitos purificados (grama);
Preparativo - quantidades enormes de analitos purificados (Quilogramas) [Alta Capacidade].
Modos de Separação de HPLC
A Separação de analitos está baseada em vários mecanismos e cada um destes mecanismos resultam
no modo diferente de aplicação de HPLC.
Cromatografia de fase normal
A separação de analitos na fase normal de HPLC basea-se na polaridade. Este método usa fase
estacionária polar e fase móvel apolar e é usado quando o analito de interesse é bastante polar na
natureza. O analito polar associado é retido pela fase estacionária polar. As Forças de absorção
aumentam em função do aumento da polaridade do analito, e a interacção entre o analito polar e a
fase estacionária polar (relativo a fase móvel) aumenta o tempo de eluição.
Cromatografia de fase reversa
A HPLC de fase reversa (RP-HPLC) consiste numa fase estacionária apolar e uma fase móvel
aquosa, moderadamente polar. A fase estacionária comum é de silica tratada (banhada) com
RMe2 SiCl, onde R é um alquilo de cadeia recta como C18H37 ou C8H17. O tempo de retenção é então
mais longo para moléculas que são mais apolares na natureza, permitindo assim a eluição de
moléculas polares. O tempo de retenção aumenta com a adição de solvente polar à fase móvel e
descresce pela adição de solvente hidrofóbico.
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Tamanho de cromatografia de exclusão
A Cromatografia de Exclusão por Tamanho (CET, do inglês SEC), também conhecida como
cromatografia de permeação de gel ou cromatografia de filtração de gel, separa partículas na base de
tamanho. É geralmente uma cromatografia de baixa resolução, e é frequentemente reservada para o
passo de purificação no polimento final. Também é útil para determinar a estrutura terciária e
quaternária para purificar proteínas , e é a técnica primária para determinar o peso molecular médio
de polímeros naturais e sintéticos.
Cromatografia de troca íonica
Na cromatografia de troca íonica, a retenção basea-se na atração entre os iões do soluto e de cargas
locais da fase estacionária. Os iões da mesma carga são excluídos. Alguns tipos de trocadores de iões
incluem: (1) Resinas de Poliestireno - permitem o acoplamento cruzado, o qual aumenta a
estabilidade da cadeia. O alto Acoplamento cruzado reduz o desvio e aumenta o tempo de equilíbrio
e consequentemente melhora a selectividade. (2) Celulose e trocadores de iões Dextrin (geis ) estes possuem poros maiores e baixa densidade de cargas, criando assim condições satisfatórias para
a separação protéica. (3) Vidro temperado ou sílica porosa.
Cromatografia de bio-afinidade
Este processo cromatográfico confia na propriedade de substâncias biologicamente activas de
formação de complexos estáveis, específicos e reversíveis. A formação destes complexos envolve a
participação de forças moleculares comuns como, as forças de Van der Waal, interação electrostática,
interação dipolo-dipolo, interação hidrofóbica e a ligação ponte de hidrogénio. Uma ligação bioespecífica eficiente é formada por uma acção simultânea e combinada destas forças nas ligações
complementares.
.
Cromatografia Líquida Formativa e Exercícios de HPLC
i) Nomear componentes principais de um HPLC;
ii) Nomear três sub-técnicas de HPLC;
iii) Nomear escalas de aplicação de HPLC e suas aplicações.
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Cromatografia gasosa
A Cromatografia gasosa (GC), também conhecida como cromatografia de gás-líquido, (GLC), é uma
técnica de separação na qual a fase móvel é um gás. A cromatografia gasosa sempre é levada a cabo
numa coluna que é tipicamente compacta ou capilar.
A Cromatografia gasosa (GC) basea-se no equilíbrio de partição do analito entre uma fase
estacionária sólida e uma fase móvel gasosa (Hélio ou Nitrogénio). A fase estacionária é aderida para
dentro de um tubo de pequeno-diâmetro (uma coluna capilar) ou uma matriz sólida dentro de um tubo
metálico (coluna compacta). As temperaturas altas usadas em GC fazem com que esta técnica seja
inadequada para análise de biopolímeros ou proteínas com elevado peso molecular.
Aparelho de Cromatografia Gasosa
Figura 11: Componentes da Cromatografia gasosa
Um sistema típico de cromatografia gasosa consiste de seis componentes principais descritos
abaixo:
Gás Arrastador
O gás arrastador deve ser quimicamente inerte. Gases geralmente usados incluem nitrogénio, hélio e
argónio. A escolha do gás arrastador depende frequentemente do tipo do detector que é usado. O
sistema de gás arrastador contém unidades para purificar o gás, removendo a humidade e o oxigénio.
Injector da amonstra
Para a eficiência óptima da coluna, a amostra não deve ser muito grande, e introduz-se vaporizada –
a injeção lenta de amostras grandes causa a perda de resolução. O método de injeção mais comum
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é feita com uma micro seringa dotada de uma agulha hipodérmica. A agulha passa através de um
septo de borracha de silicone auto-selante e coloca a amostra em um bloco de metal aquecido que
está na entrada da coluna. A temperatura do bloco deve ser suficiente para que a amostra líquida
vaporize-se rapidamente sem decomposição ou fraccionamento.Uma regra prática e útil é manter a
entrada da amostra aproximadamente na temperatura de ebulição do composto menos volátil. A
amostra deve ser a menor possível (1 a 10 µL), compatível com a sensibilidade do detector. Amostras
gasosas (0.5 a 10 ml) podem ser injectadas do mesmo jeito, desde que se disponha de uma seringa de
gás capaz de resistir à pressão existente na entrada da coluna.
Colunas
Há dois tipos gerais de coluna, compacta (recheada) e capilar (também conhecida como coluna
tubular aberta). As colunas compactas são tubos de até 5 metros de comprimento e 2 a 4 mm de
diâmetro interno, feitos de vidro, metal (alumínio, aço inoxidável ou cobre) ou plásticos resistentes a
temperaturas elevadas (PTFE). O recheio é um suporte de material inerte, frequentemente terra
diatomácea lavada e desativada por tratamento com ácido e peneirada até uma faixa estreita de
tamanhos de partículas entre diâmetros 250 e 125 µm.
As Colunas capilares têm um diâmetro interno de alguns décimos de um milímetro. Considerando, o
tipo de separação pretendida, pode-se escolher bem a coluna com relativa facilidade. Nestas colunas
capilares a fase estacionária é ligada à parede interna do tubo. Dois tipos principais são usados:
Colunas capilares com paredes recobertas (WCOT): em que a fase estacionária é ligada
directamente à parede interna do tubo.
Colunas capilares com suporte recoberto (SCOT): em que uma camada de suporte sólido é
depositada na parede interna do tubo e recoberta com a fase estacionária. As colunas SCOT são
geralmente menos eficientes que as colunas WCOT. Ambos os tipos de colunas capilares são mais
eficientes que as colunas compactas.
Forno de coluna
Para a obtenção de resultados reproduzíveis, a temperatura da coluna deve ser controlada
regularmente (em cada décimo do grau). A temperatura óptima da coluna dependente do ponto de
ebulição da amostra. Para manter a temperatura reproduzível, a coluna de cromatografia deve ser
mantida num forno, o qual possa permitir a fixação de temperaturas diferentes.
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Detectores
Há vários tipos de detectores usados em cromatografia gasosa. Os diferentes tipos de detectores
apresentam também selectividades diferentes. Um detector não-selectivo responde a todos os
compostos, excepto o gás arrastador (gás de arrasto). Um detector selectivo responde a uma gama de
compostos com propriedade física ou química comum e um detector específico responde a uma
única substância química. Os detectores podem agrupar-se também de acordo com a dependência de
fluxo de massa ou concentração. O sinal do detector dependente da concentração e está relacionado à
concentração do soluto no detector, e normalmente não destrói a amostra. A diluição do gás baixa a
sensibilidade dos detectores.
Os Detectores que dependem do fluxo de massa destroem normalmente a amostra, e o sinal é
directamente proporcional à velocidade com que as moléculas de soluto entram no detector. A
resposta de um detector que depende de fluxo de massa não é afetado pela composição do gás.
Detector
Ionização de chama
Captura de Electrões
Nitrogénio-Fósforo
(Chama alcalina)
Fotometria de chama
Fotoionização
Tipo
Suporte de Selectividade
Sensibilidade
gás
Fluxo de
Hidrogénio e
A maioria dos
100 pg
massa
ar
compostos
orgânicos
Concentração
Máscara
Haletos,
50 fg
nitratos,nitrilos,
anidridos,
peróxidos e
organometálicos
Fluxo de
Hidrogénio e
Nitrogénio,
10 pg
massa
ar
Fósforo
Fluxo de
Hidrogénio e
Enxofre,
100 pg
massa
ar (Oxigénio)
Fósforo,
estanho, boro,
arsénio,
germânio,
selénio, crómio
Concentração
Máscara
Alifáticos,
2 pg
aromáticos,
cetonas,ésteres,
aldeídos,
aminas,
heterocíclos,
organo-enxofre,
organometais
Faixa dinâmica
107
105
106
103
107
Sistema de controlo de Dados
A Cromatografia gasosa moderna usa interfaces lógicos programáveis e sistemas computarizados
para controlar os parâmetros de cromatografia como o fluxo de gás e a temperatura do forno. Os
dados são obtidos e armazenados usando computadores.
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A Cromatografia gasosa é puramente um instrumento analítico para identificar e quantificar
substâncias químicas.
Aplicação qualitativa e quantitativa da CG
Devido às complexidades de interações entre o analito e a coluna, cada analito é elutado num único
momento chamado tempo de retenção tR. Se dois analitos eluem ao mesmo tempo numa
cromatografia, então provavelmente elas são a mesma substância.
A confirmação é feita correndo os dois analitos na cromatografia em colunas separadas, sob
diferentes condições, e se dois eluirem ao mesmo tempo sob todas as condições mencionadas, então
está- se perante a mesma substância.
O sinal produzido pelo detector normalmente é relacionado à quantidade do analito, relativamente à
sua massa ou à sua concentração. A concentração do analito numa amostra desconhecida é
determinada em função da resposta do detector a uma séria de soluções padrão, que são então
representadas graficamente contra concentrações conhecidas. A concentração do analito é então
determinada graficamente.
Avaliação Formativa
1.
i) Nomei os componentes principais de cromatografia gasosa;
ii) Nomei dois tipos de colunas de CG;
iii) Indique os gases comuns de arrasto na CG e diga uma propriedade química que os mesmos
devem possuir;
iv) Indique os tipos de amostras que não são análizáveis pela CG e explicar porquê;
v) Explique claramente o que é um detector selectivo.
2. Para uma separação cromatográfica típica que fornece picos de pré-resolução (Rs = 1.5),
assume-se que N = 3600, k ' = 2, e α = 1.15. Esboce os efeitos de mudança destes
parâmetros no momento em que (a) N = 1600, (b) k' = 0.8, e (c) a= 1.10.
3. Indique acções disponíveis para diminuir a altura de prato e ainda aumentar a resolução? Que
erros podem advir para cada situação?
4. Os factores de resposta relativa para p-diclorobenzeno e p-xileno (relativo ao valor de benzeno,
unidade atribuída) são 0.624 ± 0.034 e 0.917 ± 0.018, respectivamente. Os dados da tabela indicam
os resultados obtidos, após a integração dos picos cromatográficos. Calcule a composição percentual
de cada amostra.
Amostra
1
2
ÁREA DO PICO
Benzeno
p-xileno
Tolueno
4592
2984
1238
512
3527
5495
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Unidade II
Técnicas Electroanalíticas
Resumo da Actividade de Aprendizagem
No fim desta unidade o estudante deve ser capaz de:
•
Recordar a teoria na qual se basea a potenciometria;
•
Explicar a aplicação de potenciometria nas medições de pH, eléctrodos iónicos selectivos e
titulações automáticas;
•
Recordar a teoria da Voltametria;
•
Interpretar quantitativa e qualitatividade dados voltamétricos;
•
Explicar o conceito no qual assenta (se basea) a análise polarográfica;
•
Interpretar dados polarográfico com vista a identificar e quantificar espécies químicas.
Lista de Leituras recomendadas
http://en.wikipedia.org/wiki/Electroanalytical_methods
Lista de conecções pertinentes
http://www.chem.vt.edu/chem-ed/echem/electroc.html
http://www.chem.vt.edu/chem-ed/echem/potentio.html
http://electrochem.cwru.edu/ed/encycl/art-a03-analytical.htm
http://ull.chemistry.uakron.edu/analytical/Voltammetry /
http://ull.chemistry.uakron.edu/analytical/index.html
Potenciometria
As medições potenciométricas consistem sempre em dois eléctrodos: o eléctrodo de medição
(eléctrodo indicador) e o eléctrodo de referência.
Ambos são meias-células. Quando colocados junto numa solução, produzem um certo potencial.
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O potencial abaixo reflectido mede a actividade dos iões e não da concentração. Na equação o
a=actividade, γ=coeficiente de actividade e c=concentração. A actividade do ião medido a, o
qual também se usa na equação de NERNST, é geralmente associado à concentração analítica c
via coeficiente de actividade *: a= γC
Para soluções diluídas com concentração cM 0.001mol/L, o coeficiente de actividade tende para 1 e a
actividade do ião corresponde à sua concentração como uma primeira aproximação. γ é a função do
conteúdo de electrólito total. A relação matemática entre a actividade aM do ião, na solução iónica
medida e o potencial medido entre o eléctrodo de referência e o eléctrodo de medição, é descrito pela
equação de Nernst.
E = Eo + [(2.303*R*T)/Z*F]*log(aoxid / a red)
Onde E é a diferença do potencial padrão do eléctrodo e do potencial do eléctrodo padrão. O eléctrodo
indicador contém usualmente uma das formas dos ióes desejados e permite a medição da outra forma
que se encontra na solução.
R é a constante universal dos gases, T é a temperatura absoluta, F é a constante de Faraday
A partir da medição de E é possível medir a concentração do analito.
ELÉCTRODO DE VIDRO
O eléctrodo de vidro é um bulbo construído em vidro especial contendo uma solução de
concentração fixa (0,1 ou 1 M) de ácido clorídrico (HCl) ou uma solução tamponada de cloreto
em contacto com o eléctrodo de referência interno, normalmente constituído de prata revestida
por cloreto de prata, que assegura um potencial constante na interface da superfície interna do
sensor com o electrólito. O elemento sensor do eléctrodo, situado na extremidade do bulbo, é
constituído por uma membrana de vidro que, hidratada, forma uma câmada de gel, externa,
selectiva de iões hidrogénio. Essa selecção é, de facto, uma troca de iões sódio por iões
hidrogénio os quais formam uma câmada sobre a superfície do sensor. Além disso, ocorrem
forças de repulsão de aniões por parte do silicato, negativamente carregado, que está fixo no
sensor. Ocorre, na camada externa do sensor, a geração de um potencial que é função da
actividade do ião hidrogénio na solução. O potencial observado do eléctrodo de vidro depende
dessa actividade na solução e da actividade do ião hidrogénio no electrólito.
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Titulações Potenciométricas
Potenciometria ou método potenciométrico de análise química é um métodos que se baseia na
medida da diferença de potencial de uma célula electroquímica na ausência de corrente. É um
método utilizado para detectar o ponto final de titulações específicas (chamada, pelo uso do
método, de titulação potenciométrica), ou para a determinação directa de um determinado
constituinte em uma amostra, através da medida do potencial de um eléctrodo ião-selectivo,
aquele que é sensível exactamente ao ião em análise.
Por se tratar de um equipamento simples e relativamente barato, sendo constituído por um
eléctrodo de referência, um eléctrodo indicador e um dispositivo para leitura do potencial
(potencímetro) a estes ligados, e dispensar o uso de indicadores que podem muitas vezes não
serem possíveis de ter sua alteração de cor detectável, tornou-se um método difundido e
confiável a ser aplicado nas volumetrias, em química analítica quantitativa. Por permitir a
determinação directa de determinadas e específicas substâncias, dispensando as vidrarias e
reagentes usados em diversas volumetrias clássicas, tornou-se igualmente difundido pelo
crescente desenvolvimento e redução de custos da electrónica.
A titulação é um dos processos mais utilizados em química. Trata-se de uma técnica volumétrica
em que através da medição rigorosa de volumes é possível determinar a concentração de uma
solução utilizando outra solução cuja concentração é conhecida (solução padrão). Neste processo
adiciona-se uma solução, que é colocada na bureta (titulante), à outra solução que se encontra no
Erlenmeyer (titulado), ocorrendo entre as duas uma reacção ácido-base. Na Potenciometria, fazse a leitura do pH do titulado após adições de pequenos volumes de titulante. Depois de traçado o
gráfico pH vs volume de titulante, determina-se a concentração da solução problema, através do
ponto de inflexão da curva de titulação.
A representação gráfica do volume do titulante vs potencial, mostra uma grande inflexão no
ponto final no gráfico E vs volume
E
Volume do Tiulante
V
dE/dV
Figura 12: gráfico E/dV versus tempo
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Considere a titulação de Fe2+ com Ce4+ .
No início, a solução tem apenas iões de Fe2+ e ao adicionar Ce4+, forma-se pequena quantidade de
Fe3+ e o potencial é .....
Quanto mais iões de Ce4+ se adicionam, o potencial aumenta até ao consumo total dos iões de Fe2+ e
E porque.....
Estações de trabalho de titulações Potenciométricas
Estações de trabalho de titulações são tituladores electrónicos modernos capazes de titularem duma
só vez muitos iões.
Na estação de titulação, um motor controlado electronicamente conduz (orienta) a seringa a fornecer
o volume do titulante V, enquanto o eléctrodo é usado para medir o potencial correspondente E , o
qual é automaticamente configurado para identificar o ponto de equivalência.
As estações de titulações mais sofisticadas podem fornecer os resultados finais de uma titulação com
opções de recuperar informações de Potencial (E) e Volume (V).
Voltametria
A voltametria é uma técnica electroquímica onde as informações qualitativas e quantitativas de
uma espécie química são obtidas a partir do registro de curvas corrente-potencial, feitas durante
a electrólise dessa espécie em uma célula electroquímica constituída de pelo menos dois
eléctrodos, sendo um deles um microeléctrodo (o eléctrodo de trabalho) e o outro um eléctrodo
de superfície relativamente grande (usualmente um eléctrodo de referência). O potencial é
aplicado entre os dois eléctrodos em forma de varredura, isto é, variando-o a uma velocidade
constante em função do tempo. O potencial e a corrente resultante são registrados
simultaneamente. A curva corrente vs. potencial obtida é chamada de voltamograma.
Na voltametria, o potencial aplicado a um eléctrodo é o parâmetro de controlo e é variado de
forma sistemática de modo a produzir uma reacção redox sobre o eléctrodo. A corrente, por
outro lado, é resultante da transferência de electrões que ocorre durante a redução ou a oxidação
de espécies electroactivas, sobre a superfície do eléctrodo.
Enquanto a Potenciometria usa apenas dois eléctrodos, as medições voltamétricas usam uma célula
electroquímica composta por três eléctrodos (eléctrodo de trabalho ou micro-eléctrodo, eléctrodo de
referência e eléctrodo auxiliar). O uso dos três eléctrodos acoplados ao potenciostáto permite a
aplicação precisa de funções potenciais e a medida da corrente resultante.
O micro-eléctrodo normalmente é polarizado, i.e., a concentração dos iões na superfície do eléctrodo
é diferente da concentração dos iões do volume da solução. Assim, a difusão dos iões provenientes do
volume da solução para o micro-eléctrodo torna-se um um fenómeno importante.
A corrente total I = Im + Id
Im = Corrente de Migração
Id = Corrente de difusão
Para manter uma constante corrente de migração é acoplado um outro electrólito à solução; este
segundo electrólito designa-se auxiliar e usualmente tem sido KCl. Este providencia a Corrente de
Migração.
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As diferentes técnicas voltamétricas usadas, distinguem-se umas das outras principalmente pela
função potencial que é aplicada ao eléctrodo de trabalho para orientar a reacção, e pelo material
usado como o elétrodo de trabalho. As técnicas comuns a serem discutidas neste módulo incluem:
•
Polarografia;
•
Polarografia de Pulso Normal (NPP);
•
Polarografia de Pulso Diferencial (DPP);
•
Voltametria Cíclica;
•
Voltametria Anódica.
Polarografia
Em Polarografia o micro-elétrodo, é um eléctrodo gotejante de mercúrio, pelo fato de ser um
eléctrodo líquido, é constituído por um reservatório de mercúrio conectado a um tubo capilar de
vidro, com comprimento variando entre 5 e 20 cm. O mercúrio, forçado pela gravidade, passa
através desse tubo, com cerca de 0,02 a 0,05 mm de diâmetro interno, formando um fluxo constante
de gotas idênticas, cujos diâmetros podem variar de 0,2 a 1 mm. Este eléctrodo é usualmente o
cátodo. O reservatório de mercúrio constitui o ánodo. O electrólito é a solução do analito, no qual
deve ser adicionado material electroactivo e excesso de electrólito auxiliar, normalmente KCl.
Este tipo de micro-eléctrodo é desigado por Elétrodo Gotejante de Mercúrio (EGM, do Inglês DME)
Figura 13: Eléctrodo Gotejante de Mercúrio
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Se uma voltagem é imposta ao DME, uma corrente It fluirá de acordo com o seguinte:
It =Id +Im +Ir
Corrente residual Ir
Uma pequena quantidade de corrente fluirá devido à carga capacitiva das gotas de mercúrio, bem
como das impurezas redutíveis no electrólito auxiliar.
Corrente de migração Im
O material electroactivo alcança o DME através de dois mecanismos; por migração e
por difusão. Se a concentração do electrólito auxiliarfor alta, mais que 100 vezes em relação ao
analito, então toda a corrente de migração será levada pelo electrólito auxiliar.
Id = 708nD1/2m2/3t1/6c
Com o excesso do electrólito auxiliar, o material electroactivo alcançará o DME por difusão. Com o
aumento da voltagem no DME, aumenta também a corrente de difusão até alcançar um valor limite Id
d
Teoria
D é uma constante proveniente da teoria de difusão, n é o número de electrões envolvidos numa
reacção electroquímica, m é a massa de gotas de mercúrio e t é o intervalo entre gotas de mercúrio.
Pode ser visto claramente que a corrente de difusão é proporcional à concentração do analito
electroactivo.
Id
Corrente
E1/2
Voltage
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Na aplicação de uma voltagem crescente para o DME, as mudanças de corrente indicadas
inicialmente no diagrama, representam apenas a corrente residual que é ínfima e constante. Com o
aumento da voltagem, observa-se após um certo período, a redução do potencial do analito, e a partir
deste ponto, a voltagem de novo aumenta até se atingir a corrente limite Id . E1/2 representa o
potencial médio da onda e identifica exclusivamente o material electroactivo do analito.
.
Existem várias limitações na polarografia para medições analiticas quantitativas. Porque a corrente é
medida continuamente durante o aumento das gotas de Hg, verifica-se uma contribuição significativa
de corrente capacitiva.
Como o Hg flui da parte terminal do capilar, observa-se inicialmente um grande aumento na
superfície da área, e consequentemente, a corrente inicial é dominada através de efeitos de
capacitividade como acontece rapidamente na interface. No fim do tempo de vida da gota, verifica-se
uma pequena mudança na área superficial, a qual diminui a contribuição das mudanças capacitárias
(Potência), na corrente total. Ao mesmo tempo, os processos redox que tem lugar, resultam na
corrente faradáica, que diminui aproximadamente numa proporção quadrática (devido às dimensões
crescentes da camada de difusão de Nernst ). O decaimento exponencial da corrente capacitiva é
muito mais rápida que o decaimento faradáico actual; por isso, a corrente faradáica é
proporcionalmente elevada no fim do tempo de vida da gota. Infelizmente, este processo é
complicado, em virtude da mudança contínua do potencial que é aplicado no eléctrodo de trabalho ao
longo da experiência.
Assim, o sinal típico numa experiência polarográfica permite limites de detecção na ordem de 10-5 ou
10-6 M.
Os melhores resultados obtém-se (contra a corrente capacitiva) aplicando as técnicas polarográficas
de pulso.
Polarografia de Pulso
As técnicas de polarografia de pulso são medições voltamétricas, as quais são variantes das técnicas
polarográficas descritas abaixo, as quais tentam resolver o problema da linha de base variável
(oscilante) provocada pela corrente de capacitância (capacitiva) ou de carga induzida pelo
crescimento das gotas de Mercúrio e seu deslocamento, aplicando a corrente de polarização em uma
série de pulsos durante o tempo de vida de uma gota. Várias modificações deste procedimento são
usadas.
Polarografia de Pulso Normal (NPP)
Na polarografia de pulso normal (do inglês NPP), o eléctrodo de Mercúrio gotejante é mantido em
um potencial inicial constante durante a maior parte do tempo de vida da gota. Neste potencial, a
reacção em estudo não se processa, ou seja, corrente faradáica não flui no sistema. Quando restarem
apenas cerca de 60 milisegundos (ms) do tempo de vida da gota, ou seja, num tempo , o potencial é
instantaneamente mudado para um novo valor E. Durante os últimos 17 ms deste pulso, ou seja, a
partir de um tempo , a corrente é medida e registrada em função do potencial, e a aplicação do pulso
de
potencial
termina
com
o
retorno
do
potencial
ao
valor
inicial.
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Figura 14: Onda de potencial aplicado na Polarografia de Pulso Normal
Para esta experiência, o polarograma é obtido através do gráfico da corrente medida vs potencial.
Como resultado, a corrente não acompanha o crescimento das gotas de Hg, e o polarograma de pulso
normal toma a forma típica de um sigmóide. Usando passos discretos de potencial no limite do
tempo de vida da gota, (normalmente durante os últimos 50-100 ms do tempo de vida da gota que é
de 2-4 s), a experiência tem uma potencial constante aplicado ao eléctrodo com área de superfície
quase constante. Depois do passo do potencial inicial, a corrente de capacititância diminui
exponencialmente, enquanto a corrente faradáica decai na forma quadrática. A corrente de difusão é
determinada antes do despreendimento (desalojamento) da gota, permitindo assim uma excelente
acção contra a corrente capacitiva. O método de polarografia de pulso normal aumenta a
sensibilidade analítica (limites de detecção 10-7 a 10-8 M, relativo a Polarografia normal de corrente
directa).
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Pulso de Polarografia diferencial
Pulso de Polarografia diferencial é uma técnica polarográfica que usa uma série de passos discretos
de potencial no lugar de uma rampa de potencial linear para a obtenção de polarogramas
experimentais. Muitos dos parâmetros experimentais para polarograma de pulso diferencial são
idênticos aos da polarografia de pulso normal.
Contrariamente a Polarografia normal de pulso, na PPD, cada passo do potencial tem a mesma
amplitude, e o potencial de retorno depois de cada pulso é ligeiramente negativo em relação ao prior.
Polarografia de pulso diferencial
Figura 15: Onda de potencial aplicado na Polarografia de Pulso Diferencial
Desta maneira, a forma total da onda aplicada ao DME é como uma combinação de rampa linear
com uma onda quadrada sobreposta. O polarograma de pulso diferencial é obtido pela medição da
corrente antes e depois do tempo de vida da gota. A corrente analítica neste caso é a diferença entre a
corrente no fim e antes dos passos (corrente diferencial). A corrente diferencial é então representada
graficamente contra a média do potencial (corrente diferencial vs média do potencial), para a
obtenção do polarograma de pulso diferencial.
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Porque esta é uma corrente diferencial, o polarograma, em muitos aspectos é como diferencial do
polarograma sigmoidal de pulso normal. Como resultado, o polarograma de pulso diferencial tem a
forma de um pico.
A Polarografia de pulso diferencial apresenta melhores possibilidades de eliminação (minimização)
contra a corrente de capacitância, porque mede a corrente diferencial. Os Limites de detecção são 10-8
– 10-9 M.
Voltametria cíclica
A técnica é de grande importância no campo da eletroquímica, principalmente em estudos de
processos redox, os mecanismos de reacção, propriedades eletrocatalíticas.
Esta técnica consiste em aplicar uma varredura de eléctrodo de trabalho, tanto no sentido directo
como no sentido inverso, ou seja, pela chamada varredura triangular de potencial. Este programa de
potencial inicia-se em um potencial de valor inicial Ei, até um valor de corte chamado Ef.
Neste tipo de perturbação, a inclinação da variação de potencial é conhecida como "velocidade de
varredura." A varredura pode ser iniciada em qualquer direcção (anódica e catódica) e esta técnica
permite repetir este ciclo tantas vezes quanto necessário. Considerando que a varredura começa na
direcção anódica, observa-se que ao se alcançar o valor adequado de potencial para que comece a
reacção de oxidação, a corrente aumenta notavelmente até alcançar um valor máximo. Dado que a
espécie que reage é consumida totalmente na superfície do eléctrodo, a corrente de oxidação diminui
a medida que se aumenta o potencial.
Uma vez alcançado o valor de corte do potencial anódico, a varredura de potencial é invertido e se
obtém um aumento de corrente catódica correspondente à reacção de redução. O ciclo termina com
um valor potencial, neste caso, que coincide com o valor do potencial inicial. Os valores importantes
para a análise dos processos de redução e oxidação são as correntes obtidas nos máximos, chamados
corrente de pico anódico (ipa) e corrente de pico catódico (ipc), respectivamente.
Para analisar o que acontece com a corrente que flui através do sistema, a medida que se altera o
potencial de eléctrodo, é necessário utilizar um sistema de três eléctrodos, um de trabalho, um de
referência e um auxiliar.
O pico de oxidação normalmente vai ter forma semelhante ao pico de redução. A corrente do pico, i,
é descrita pela Equação de Randles-Sevcik:
Ip = 2.69 * 105 n 3/2 AcD 1/2 v 1/2
Onde Ip é a corrente de pico de pico em A, A corresponde à área do eléctrodo em cm2 , D refere-se
ao coeficiente de difusão em cm2/s, c equivale à concentração em mol/cm3 e v é a velocidade de
varredura em V/s.
A diferença de potencial entre os picos de redução e oxidação são teoricamente 59 mV para uma
reacção reversível. Na prática, a diferença é de 70-100 mV.
Diferenças maiores, ou picos de redução e oxidação assimétricos são indicadores de uma reacção
irreversível.
Voltametria de redissolução Anódica
A Voltametria anódica é um método electrolítico no qual um eléctrodo de mercúrio é mantido num
potencial negativo para reduzir iões de metal em solução e formar uma amálgama com o eléctrodo.
A solução é mexida para poder fornecer maior quantidade do analito metálito ao eléctrodo, com vista
a possibilitar maior concentração na formação de amálgama. Depois de reduzir e acumular o analito
por algum período, o potencial no eléctrodo aumenta para reoxidar o analito e gerar um sinal actual.
O potencial de rampa normalmente usa uma função de passo, como na polarografia normal de pulso
(NPP) ou polarografia de pulso diferencial (DPP).
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A concentração do analito no eléctrodo de Hg, CHg, é dada pela equação:
CHg = (il td) / (n F VHg)
onde il é a corrente limitada durante a redução do metal; td é a duração de acumulação; n é o
número de moles de electrões transferidos na meia reacção; F é a costante de Faraday (96,487
coulombs/moles de electrões) e VHg é o volume do eléctrodo. A expressão para a corrente produzida
na redissolução anódica depende do tipo particular de eléctrodo de Hg, mas é directamente
proporcional à concentração do analito no concentrado do eléctrodo. A principal vantagem da análise
por dissolução, reside na pré-concentração do analito no eléctrodo antes de se efectur a medição da
corrente actual. Os limites de detecção de concentração, na dissolução anódica situam-se abaixo 10-10
M.
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Unidade III
Espectroscopia eTécnicas Espectroscópicas Atómicas
Resumo da Actividade de Aprendizagem
No final desta unidade, os estudantes devem ser capazes de:
•
Nomear as partes do espectro electromagnético;
•
Rever as energias relativas das diferentes regiões do espectro electromagnético;
•
Recordar unidades de medida comuns usadas na Espectroscopia;
•
Rever os efeitos da radiação em átomos e moléculas;
•
Recordar níveis de energia electrónica em moléculas e possíveis transições;
•
Recordar a lei de Beer e sua aplicação na análise quantitativa;
•
Explicar os níveis de energia electrónica em átomos e transições causados por absorção
de radiação;
•
Explicar as bases da Espectroscopia de Absorção Atómica (EAA, do inglês AAS);
•
Rever a Espectroscopia de Emissão Atómica (EEA, do inglês AES) e Instrumentação de
EAA;
•
Efectuar cálculos de observações hipotéticas na EAA e EEA.
Lista de Leituras Recomendadas
•
•
•
http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_Orbital
http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_level
http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_absorption_spectroscopy
Lista de conecções Pertinentes
•
•
http://ull.chemistry.uakron.edu/analytical/Atomic_spec /
http://www.chem.vt.edu/chem-ed/spec/atomic/aa.html
Lista de Recursos Multimídias pertinentes
Espectroscopia
A espectroscopia estuda a interação entre a radiação de onda ou luz, bem como radiação de partícula
ou matéria. A medição desta interação é feita com base na espectrometria, usando instrumento
adequado designado espectrómetro ou espectrógrafo. A representação gráfica da interação chama-se
espectro.
A espectroscopia é usada frequentemente na química física e analítica para a identificação e
quantificação de substâncias a partir do espectro emitido ou absorvido por estas (substâncias). Esta
unidade introduz de forma simples o conceito de interação da radiação com a matéria; a terminologia
comum usada na espectroscopia, a lei de Beer, a qual é amplamente aplicada na espectroscopia
quantitativa. A unidade discute posteriormente as técnicas espectroscópicas comumente usadas.
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Radiação Electromagnética
A Luz é uma forma de radiação electromagnética. Outras formas de radiação electromagnética
incluem ondas de rádio, microondas, radiação infra-vermelha, raios ultravioletas, Raios-X, e e raios
gama. Todos estes,
conhecidos colectivamente como o espectro electromagnético, são
fundamentalmente semelhantes, pois movem-se a uma velocidade de 3*108 m/s, a velocidade da luz.
A única diferença entre elas reside nos comprimentos de onda, a qual está directamente relacionada
à quantidade de energia que cada onda possui. Quanto menor for o comprimento de onda da
radiação, maior será a sua energia.
Classificação da Radiação Electromagnética
As ondas de rádio sáo usadas para a transmissão de sinais de Rádio e Televisão. As Ondas de rádio
têm Comprimentos de onda que variam entre menos que 1cm a 10-100m.
Os comprimentos de onda de microonda variam aproximadamente de 1mm a 30cm.
O infra-vermelho é a zona do espectro electromagnético que estende a região do visível em
para aproximadamente um milímetro (em comprimento de onda). As Ondas infra-vermelhas incluem
também a radiação térmica. Por exemplo, carvão ardente pode não emitir luz, mas emite radiação
infra-vermelha, a qual é sentida como calor.
A Radiação visível é aquela parte da radiação que pode ser percebida pelo olho humano.
A Radiação ultravioleta tem uma gama de comprimentos de onda de 400 nm para aproximadamente
10 nm. A Luz solar contém ondas ultravioletas que podem queimar a pele.
Raios-X são ondas de elevada (alta) energia e têm grande poder de penetração e são usados
extensivamente em aplicações médicas e soldaduras. As imagens de raios-x do sol podem fornecer
informações (pistas) importantes sobre erupções solares e outras mudanças no sol que podem afectar
o tempo espacial. O intervalo de comprimento de onda é de aproximadamente 10 biliões de metros
para aproximadamente 10 triliões metros.
Raios gama (Raios-γ) têm comprimentos de onda menores a 10 triliões de metros. São mais
penetrantes que os raios -x. Os raios gama são gerados através de átomos radioactivos e em explosões
nucleares, e são usados em muitas aplicações médicas. Imagens do universo tiradas com recurso a
raios gama, dão informaçoes muito importantes sobre a vida e desaparecimento (morte) de estrelas, e
outros processos violentos no universo.
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Figura 16: Radiação Eletromagnética http://en.wikipedia.org/wiki/Image:EM_Spec trum3-new.jpg#file
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Unidades de Medida de Energia de Radiação Electromagnética
A Radiação tem a natureza de partícula. A unidade de radiação é o fotão. Cada fotão de uma
frequência particular de radiação é associado à energia. A energia é dada pela equação; E = hʋ. Onde
E é a energia, h é a constante de plank , h = 6.624x10-34 JS-1. Cada partícula de radiação é chamada
de fotão. ʋ é a frequência da radiação dada em hertz. Por conveniência, a radiação energética tem sido
expressa normamente em número de ondas (cm-1).
Interação de Radiação com a matéria
Os níveis de energia exigem para todos os processos físicos que os níveis atómicos e moleculares
sejam quantificados; e se não existirem níveis de energia quantificados com espaços que emparelhem
a energia de radiação incidente, então o material será transparente em relação àquela radiação,
permitindo a sua passagem.
O Átomo e a Espectroscopia Atómica
A espectroscopia atómica inclui três técnicas para o uso analítico: a emissão atómica, a absorção
atómica, e a fluorescência atómica. Estes dependem de transições electrónicas em átomos isolados.
Porque os átomos estão isolados, os seus níveis de energia não são afectados pelos átomos vizinhos.
Para entender a relação entre estas técnicas é preciso conhecer a estrutura do átomo e o processo
atómico envolvido em cada técnica.
Figura 17: Níveis de energia atómica
O átomo é composto de um núcleo cercado por electrões. Todo o elemento tem um
número específico de electrões que estão associados ao núcleo atómico. A baixa energia de
configuração electrónica é mais estável a um átomo, e é conheciao como o “estado fundamental”, e é
a configuração orbital normal para o átomo. O átomo contém outras órbitas permitidas, as quais
podem albergar os electrões, mas de elevada energia. Se a energia de magnitude certa é aplicada ao
átomo, a energia será absorvida pelo átomo, e o electrão exterior será promovido a uma configuração
menos estável, o “estado excitado”.
Como este estado é instável, o átomo vai imediatamente e espontaneamente voltar à configuração
fundamental.
O electrão volta ao seu estado inicial, à sua posição de orbital estável, e a energia radiante equivalente
relativamente à quantidade de energia inicialmente absorvida na excitação, é emitida.
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O processo é ilustrado na Figura 18. Note que no Passo 1 do processo, a excitação é forçada a
fornecer energia.
O processo de decaimento no Passo 2 envolvendo a emissão de luz acontece espontaneamente.
Figura 18: Excitação e Emissão: Adaptado à corporação de Perkin Elmer
O comprimento de onda de energia radiante emitida relaciona-se directamente à energia de transição
eletrónica que ocorreu. Desde que todos os elementos tenham uma única estrutura electrónica, o
comprimento de onda de luz emitida é uma propriedade única de cada elemento. Como a
configuração orbital de um átomo grande pode ser complexo, há também muitas transições
eletrónicas que possam ocorrer, e cada transição resulta na emissão de um comprimento de onda
característico da luz, como ilustra a Figura 2, E = hʋ.
O processo de excitação e decaimento em relação ao estado fundamental, está envolvido em três
campos da espectroscopia atómica.Tanto a energia absorvida no processo de excitação ou a energia
emitida no processo de decaimento é aplicada para propósitos analíticos.
Moléculas e espectroscopia Molecular
Para um determinado processo de excitação a molécula ou o átomo absorve apenas uma quantidade
discreta de energia. Isto corresponderia a uma frequência absorvida. Contudo, na prática um grupo
de moléculas existe em vários estados de energia, e cada estado difere do outro por uma quantidade
pequena de energia. Assim, um grupo de moléculas numa amostra dá origem à absorção, acima de
uma pequena quantidade de energia, que dá origem a uma pequena faixa ou pico.
Pergunta formativa
Explique porque espectros de absorção para espécies atómicas apresentam linhas discretas em
comprimentos de onda específicos, em vez de bandas largas como nas espécies moleculares.
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A Lei de Beer
Quando a radiação atravessa uma região que contém átomos ou moléculas, a mesma será absorvida.
O diagrama abaixo mostra um raio de uma radiação monocromática de poder radiante P0, dirigido a
uma solução de amostra. A absorção acontence, o raio atravessa a amostra na cuveta e toma o poder
radiante P.
Figura 19: Demonstração da lei de Beer
A quantidade de radiação absorvida depende da natureza da amostra, da concentração e do
comprimento da amostra.
A Medição da quantidade de radiação absorvida é função de vários parâmetros:
Transmitância, T = P / P0 % Transmitância, %T = 100 T
Absorvância,
A= log P0 /P A = log 1 / T A = log100 / (%TA) = 2 – log %T
A última equação, A = 2 - log %T, é de extrema importância, pois permite calcular facilmente a
absorvância a partir de dados percentuais de transmitância.
.
A relação entre absorvância e transmitância é ilustrada no diagrama seguinte:
Assim, se toda a luz atravessa a solução sem qualquer absorção, então a absorvância é zero, e a
percetagem de transmitância é de 100%. Se toda a luz é absorvida, então a percetagem de
transmitância é zero, e a absorção é infinita.
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Lei de Lambert e Beer
A lei de Lambert e Beer é dada pela equação
A = εbc
Onde A é absorvância (sem unidades, desde que A = log P0 / P). ε é a absorção molar, cujas
unidades são L mol-1cm-1, b é o comprimento da amostra, ou seja, o comprimento da cuveta na qual
se encontra a amostra; c é a concentração do composto em solução, expressa em mol L-1,
A = εbc
%T = 100 P/P0 = e -εbc
Suponha uma solução de sulfato de cobre (que se apresenta azul porque tem um máximo de absorção
a 600 nm). Observemos o modo como a intensidade da luz (poder radiante) muda, ao atravessar a
solução numa cuveta de 1cm.
Observaremos uma redução em 0.2cm como mostra no diagrama abaixo. A lei diz que a fracção
da luz que é absorvida por cada câmada de solução é a mesma.
Para a nossa ilustração, iremos supor que esta fracção é de 0.5 para cada câmada de 0.2cm e efectuar
cálculos em função dos seguintes dados:
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Figura 20: Gráfico de transmitância e absorvância versus comprimento
A = εbc mostra-nos que a absorvância depende da quantidade total de compostos absorvidos pela luz.
A representação gráfica entre a absorvância versus concentração, fornece uma linha recta, que passa
pelo ponto de origem (0,0).
Nota –se que a Lei não é obedecida
a altas concentrações. Este desvio não
está ilustrado aqui.
Figura 21: Lei de Beer e Concentração
A relação linear entre a concentração e a absorvância faz com que na lei de Beer se prefira expressá-la usando a absorvância como medida de absorção no lugar de %T.
Absorção molar
Absorção molar é a medida da quantidade de luz absorvida por unidade de concentração.
A absorção molar é uma constante para cada substância particular; assim se a concentração da
solução é reduzida para a metade, assim será a absorvância, e é o que exactamente se esperaria.
Tomemos como exemplo, uma solução de um composto cujo valor de absorção molar é muito
elevado, 100.000 L mol-1cm-1, a qual se encontra numa cuveta de 1cm de comprimento, e fornece
uma absorvância de 1.
ε= 1 / 1b c
Logo, c = 1 / 100,000 = 1X10-5 mol L-1
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Considere uma solução de um composto com um valor muito baixo de ε, 20 L mol-1cm-1, que se
encontra numa cuveta com 1cm de comprimento, com uma absorvância de 1.
ε =1/1bc
Logo, c = 1 / 20 = 0.05 mol L-1
ß -caroteno é um composto orgânico que se encontra em legumes e é responsável pela coloração de
cenouras. Existe em baixas concentrações. Não vai se surpreender ao saber que a absorção molar de
ß -caroteno é de 100.000 mol L-1 cm-1.
Avaliação formativa
1. a) Um mole de fotões (o número de Avogadro de fotões) chama-se radiação de Einstein.
b) Calcule a energia em calorias, de um Einstein de radiação, cujo comprimento de onda é de 3000A.
2. Um composto de peso 280 absorveu 65.0% de radiação num determinado comprimento de onda,
numa célula de 2 cm, a uma concentração de 15.0 mg/mL. Calcule a absorção molar nesse
comprimento de onda/Frequência/Energia.
3. Um mole de fotões (o número de Avogadro de fotões) chama-se radiação de Einstein.
Calcule a energia, em calorias, de um Einstein de radiação de 3000 A.
4. Uma solução de 20-ppm de DNA (peso molecular desconhecido) isolado por Escherichia Coli,
apresenta a absorvância de 0.80, numa célula de 2cm. Calcule a absorção molar da substância.
5. Um composto de peso 280 absorveu 65.0% de radiação num determinado comprimento de onda,
numa célula de 2 cm, a uma concentração de 15.0 μg/mL. Calcule a absorção molar nesse
comprimento de onda.
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Técnicas da Espectroscopia Atómica
Os Electrões encontram-se nos diferentes níveis de energia no átomo. Estes níveis têm energias bem
definidas e os electrões movem-se emitindo energia igual à diferença entre eles.
Na espectroscopia atómica, a energia absorvida para mover um eléctrão para o nível mais energético
e/ou a energia emitida quando o electrão se movimenta para o nível menos energético, está na forma
de um fotão (partícula da luz). Porque esta energia é bem definida, a identidade de um átomo (i.e. de
que elemento é) pode-se encontrar a partir da energia desta transição. O comprimento de onda da luz
pode ser relacionado à sua energia. Torna-se mais fácil medir o comprimento de onda da luz, que
medir a sua energia directamente.
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A Espectroscopia atómica pode ser dividida em absorção, emissão e fluorescência.
Em espectroscopia de absorção atómica, a luz passa por uma colecção de átomos.
Se o comprimento de onda da luz tiver energia que corresponda à diferença de energia
entre os dois níveis de energia nos átomos, uma porção da luz será absorvida.
A relação entre as concentrações dos átomos, o tempo (distância) que a luz leva a atravessar a
colecção de átomos e a porção da luz absorvida é determinada pela lei de Lambert e Beer.
A energia armazenada nos átomos é despreendida de diversas formas. Quando ela é liberta em forma
de luz, é tida como fluorescência. A espectroscopia de fluorescência atómica mede a luz emitida. A
Fluorescência está geralmente medida a um ângulo de 90° da fonte de excitação para minimizar a
colecção de luz espalhada pela fonte de excitação, tal como acontece frequentemente na rotação que é
provida por um prisma de Pellin-Broca numa plataforma giratória que também separará a luz no seu
espectro para uma análise mais próxima. O comprimento de onda dá mais uma vez a identidade dos
átomos. Para baixas absorvâncias ( e consequentemente baixas concentrações) a intensidade da luz
fluorescente é directamente proporcional à concentração dos átomos.
A Fluorescência atómica é geralmente mais sensível (pode detectar baixas concentrações) que a
absorção atómica.
Emissão atómica
Na Emissão atómica, a amostra é sujeita a uma alta energia num ambiente térmico para produzir
átomos excitados, capazes de emitir luz. A fonte de energia pode ser um arco eléctrico, uma chama,
ou plasma. O espectro de emissão de um elemento exposto a tal fonte de energia consiste numa
colecção de comprimentos de onda de emissão permitidos, que geralmente se denominam linhas de
emissão, por causa da natureza discreta dos comprimentos de onda emitidos - este espectro de
emissão é usado como única característica para a identificação qualitativa do elemento. Emissões
atómicas usando arcos eléctricos foram extensamente usados em análise qualitativa.
As técnicas de emissão podem ser usadas também para determinar a quantidade dum elemento
presente numa amostra. E é desta forma que se determina “quantitativamente” a intensidade da luz
emitida ao comprimento de onda do elemento. A intensidade de emissão num dado comprimento de
onda eleva-se, com o aumento do número de átomos do analito (elemento). A técnica de fotometria
de chama é uma aplicação de emissão atómica para a análise quantitativa.
Absorção atómica
A capacidade de um átomo absorver comprimentos de onda muito específicos de luz é usada na
espectrofotometria de absorção atómica.
A quantidade de interesse em medidas de absorção atómica é a quantidade de luz que se absorva no
comprimento de onda ressonante, ao passar por uma nuvem atómica. Como o número de átomos
aumenta, a quantidade da luz absorvida aumenta também de forma previsível. A determinação
quantitativa do analito pode ser feita a partir da medição da quantidade de luz absorvida.
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O uso de fontes luminosas especiais e selecção cuidadosa de comprimento de onda permite uma
determinação quantitativa específica dos elementos individuais na presença de outros, permitindo que
esta técnica seja muito selectiva.
A requerida nuvem de átomos para medidas de absorção atómicas é produzida através do
fornecimento de muita energia térmica à amostra para dissociar as substâncias químicas em átomos
livres. Isto alcança-se levando a solução do analito à chama.
Sob as próprias condições da chama, a maioria dos átomos permanecerão no estado fundamental e
serão capazes de absorver a luz, no comprimento de onda analítico, a partir da fonte da lâmpada.
Fluorescência atómica
Nesta técnica os átomos no estado fundamental são excitados numa chama através da focalização por
um raio de luz no estado de vapor do átomo. Posteriormente é feita a medição da fonte de radição,
resultante da emissão do decaimento dos átomos excitados. A intensidade desta “fluorescência”
cresce com o aumento da concentração dos átomos, providenciando, desta forma, bases para a
determinação quantitativa.
A fonte da radiação (lâmpada) para a fluorescência atómica é montada a um ângulo do resto de todo
o sistema óptico, de forma que o detector da luz, permita focalilizar apenas a fluorescência na chama
e não a luz da lâmpada em si. É vantajoso maximizar a intensidade da lâmpada com a fluorescência
atómica, desde que a sensibilidade esteja relacionada com o número de átomos excitados, a qual é
função da intensidade da radiação excitante. Os átomos não emitem radiação no mesmo comprimento
de onda como a radiação excitante.
Análise quantitativa por Absorção Atómica
O processo de absorção atómica é ilustrado na Figura 5. A luz no comprimento de onda ressonante,
com uma intensidade inicial, I0, é focalizada na célula da chama contendo átomos no estado
fundamental. A intensidade inicial da luz diminui com a quantidade determinada pela concentração
atómica na célula da chama. A luz é então dirigida ao detector onde se mede a intensidade reduzida,
I.
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Figura 22: Fenómeno de absorção atómica
Avaliação Formativa
i) Porque é que a fonte de linha-penetrante é aconselhável para a espectroscopia de absorção atómica?
ii) Explique porque a espectrometria de emissão é mais sensível que a espectrofotometria de
absorção atómica, embora só uma pequena fracção de átomos seja excitada termicamente na chama.
iii) Porque é que a chama de alta-temperatura óxido nitroso—acetileno às vezes é necessária na
espectrofotometria de absorção atómica?
iv) Por que às vezes se adiciona alta concentração de sal de potássio nas amostras na absorção por
chama ou métodos de emissão?
v) As interferências químicas são mais prevalecentes em chamas frias, tal com propano-ar, contudo
esta chama é preferida para a determinação dos metais alcalinos. Justifique porquê.
vi) O Cálcio numa solução de amostra é determinado através da espectrofometria de absorção
atómica. Uma solução de reserva de cálcio é preparada dissolvendo 1.834 g CaCl2•2H20 em água e
posterior diluição 1 L. Esta diluição está na porporção de 1:10. Preparações standards resultam da
diluição da segunda solução respectivamente a, 1:20, 1:10, e 1:5. A amostra é diluída a 1:25. O
Cloreto de estrôncio é acrescentado a todas as soluções antes da diluição suficiente para dar 1%
(wt/vol) para evitar a interferência de fosfato. A solução é preparada para dar 1% de SrCl2. As
Absorvâncias numa chama de ar-acetileno são: em branco, 1.5 cm; padrões, 10.6, 20.1 e 38.5 cm;
amostra, 29.6 cm. Qual é a concentração de cálcio na amostra em partes por milhão (ppm)?
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Unidade IV
Espectrocopia molecular 1: Uv-Visível e Ir
Resumo
No final desta unidade os estudantes devem ser capazes de:
•
Explicar os níveis de energia electrónica nas moléculas e transições causadas pela absorção
de radiação no UV-Visível;
•
Explicar as bases da espectroscopia UV-Visível;
•
Usar espectros hipotéticos UV-Vis para identificar grupos funcionais específicos numa
molécula;
•
Explicar como o coeficiente molar de extinção é usado para análises quantitativas;
•
Usar dados hipotéticos para calcular as concentrações de soluções;
•
Nomear o maior número de elementos de um espectrofotómetro UV-Visivel e suas funções;

Recordar as transições electrónicas causadas pela absorção da radiação IR;
•
Correlacionar as frequências específicas de Absorção IR aos grupos funcionais moleculares;
•
Correlacionar as frequências específicas de Absorção IR às estruturas moleculares;
•
Recordar as partes de um espectrofotómetro moderno IR e as suas funções.
Leituras Recomendadas
http://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_energy_state
Lista de sites relevantes
http://www.scienceofspectroscopy.info/edit/index.php?title=UV_Absorption_Ta - ble
http://teaching.shu.ac.uk/hwb/chemistry/tutorials/molspec/uvvisab4.htm
http://www.scienceofspectroscopy.info/edit/index.php?title=UV-Visible_Spec - troscopy
http://ull.chemistry.uakron.edu/analytical/Spectrophotometry /
Lista de recursos Multimedias
http://www.cem.msu.edu/~parrill/AIRS/name_list.html
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Espectroscopia no Ultravioleta-Visível
Transições electrónicas
A absorção da energia luminosa pelos compostos organicos, na região visível e ultravioleta involve
a promoção de electrões das orbitais δ, π e n do estado fundamental para estados de alta energia.
Estes estados de alta energia designam-se por orbitais anti-ligantes. A orbital anti-ligante associada a
uma ligação é chamada por orbital δ* (sigma anti-ligante), e esta associada com a ligação π, toma a
designação de π* (pi-anti-ligante).
Muitas moleculas contém átomos com electrões de valência, que não estão directamente envolvidos
na ligação;
estes são denominados electrões não ligantes ou electrões n, e estão localizados
normalmente nas orbitais atómicas de oxigénio, enxofre, nitrogénio e halogénios.
Os electrões n nao formam ligações, por isso não são orbitais anti-ligantes associadas com eles. A
presença de um electrão numa orbital anti-ligante, mostra que a molécula está num estado de alta
energia. A densidade electrónica entre os núcleos atómicos é menor que a mesma distância de um
núcleo num átomo isolado. No estado excitado, alguns mas não todos os electrões numa molécula
ocupam orbitais anti-ligante.
As transições electrónicas (→) envolvidas na região ultravioleta e visível são dos seguintes tipos:
δ→ δ*, n→ δ*, n→ π*, e •n→ π*. A energia necessária para a transição δ→ δ* é muito elevada; e
consequentemente, os compostos cujos electrões de valência estão envolvidos na formação de ligação
simples, como hidrocarbonetos saturados, não absorvem na região ordinária ultravioleta.
Figure 23 : Transições electrónicas envolvidas na absorção da radiação na região ultravioleta e
visível
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Os Compostos que apresentam electrões não ligantes nos átomos de oxigénio, nitrogénio, enxofre ou
halogeniosa são capazes de mostrar absorção nas transições n→δ*. Estas transições são de baixo teor
energético em relação às transições δ→δ*, e consequentemente as moléculas contendo electrões não
ligantes usualmente exibem absorção na região ultravioleta.
As transições para as orbitais anti-ligantes π* estão associadas apenas com centros insaturados nas
moléculas (ligações duplas e triplas); estas requerem pouca energia e ocorrem em altos (longos)
comprimentos de onda, incluindo usualmente a região ordinária do espectrofotómetro. O diagrama
abaixo mostra a energia geral relativa da excitação electrónica nesta transição. A transição de alta
energia (δ→δ*) ocorre em baixos (curtos) comprimentos de onda e as transições de baixa energia
n→π* ocorrem em comprimentos de onda longos.
Efeito do ambiente Estrutural
Os Grupos funcionais idênticos em moléculas diferentes não irão absorver necessariamente no
mesmo comprimento de onda. A mudança de energia para uma transição particular dita a posição da
absorção de um dado grupo. As Transições de grupos funcionais idênticos em moléculas diferentes
não têm necessariamente a mesma energia exigida por causa do ambiente das diferentes estruturas.
As moléculas vizinhas têm um pequeno mas mensurável efeito no estado energético de um
cromóforo.
Efeito de conjugação
Se dois ou mais grupos cromóforos estão presentes numa molécula e estas estão separadas por duas
ou mais ligações simples, o efeito no espectro é sempre aditivo; existe uma pequena interação
electrónica entre grupos cromóforos isolados. Portanto se dois grupos cromóforos estão separados
apenas por uma ligação simples ( um sistema conjugado), observa-se um grande efeito no espectro,
porque o sistema dos electrões π espalha-se por mais ou menos 4 centros atómicos. Quando dois
grupos cromóforos são conjugados, a banda de alta intensidade de absorção (n→π*) é geralmente
deslocada 15-45 nm para longos comprimentos de onda, tendo em consideração o cromóforo
simples não conjugado.
O Coeficiente molar de extinção
A magnitude do coeficiente de extinção molar para uma absorção particular é directamente
proporcional à probabilidade de uma transição electrónica particular; quanto mais provável a
transição dada, maior será o coeficiente de extinção. Em geral um dado tipo de cromóforo terá
sempre um coeficiente de extinção na mesma magnitude e em diferentes moléculas. Assim, ao se
alcançar o pico de absorção de um dado cromóforo, a extinção deve ser considerada, pois a absorção
é caracterizada pela energia e pela probabilidade de transição.
O Efeito do solvente
As estruturas electrónicas das moléculas no estado excitado são mais ou menos polares que no
estado fundamental. Os que são mais polares no estado excitado têm o pico de absorção deslocado
por 10-40 cm-1 para a onda larga nos solventes polares e vice-versa.
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Identificação de Grupos Funcionais usando UV
Um grupo funcional isolado e não conjugado com qualquer outro e que exiba absorção na região
ultravioleta ou visível designa-se por Cromóforo. Se uma série de compostos apresenta o mesmo
grupo funcional e sem presença de factores adversos, todos eles absorverão quase que no mesmo
comprimento de onda e terão também um coeficiente molar de extinção aproximado.
Assim, conclui-se que o espectro de um composto, quando correlacionado com dados da literatura de
substâncias conhecidas, pode ser uma mais valia na determinação do grupo funcional presente na
molécula.
Aparelhagem da Espectroscopia Ultravioleta-Visível
Figura 24: Espectrofotómetro de feixe duplo
A luz proveniente da fonte é um feixe fino que atravessa a abertura1 (fenda1) e a difracção
selecciona, o comprimento de onda exigido, e mais uma vez, o feixe é seleccionado atravessando
desta feita a fenda 2, para logo a seguir passar pelo filtro, onde se efectua a selecção do comprimento
de onda. Após a selecção, a radiação passa por espelhos (quatro), onde é reflectida até formar os
feixes de referência e da amostra.
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Exercícios
Estes exercícios reforçam o conhecimento abordado na secção anterior relativa à identificação de
grupos cromóforos na es pectroscopia Ultravioleta.
i) Quais dos seguintes compostos absorve na região do Ultravioleta?
a) CO2
b) H2
c) CH3CO
ii) Organize os seguintes compostos em ordem da frequência crescente ou número de onda, no qual
eles absorvem.
a) CH3CO
b) CH2=CH-CH=CH2
c) CH2=CH-CH=CH-CH=CH2
iii) Identifique as possíveis transições electrónicas que conduzirão à absorção no UV dos seguintes
compostos.
a) CH3CO
b) CH2 =CH-CH=CH2
c) CH3CN
Espectroscopia no Infra-vermelho
Vibração molecular e Espectroscopia no IV
Uma molécula não é um rígido conjunto de átomos. Uma molécula assemelha-se a um sistema de
bolas de massas variadas, correspondentes aos átomos de uma molécula, e fontes de várias forças
correspondentes às ligações químicas da molécula. Estes podem sofrer vibrações várias. Há dois
tipos de vibrações fundamentais de moléculas: Estiramento, no qual a distância entre dois átomos
aumenta ou diminui, mas os átomos permanecem no mesmo eixo de ligação; e flexão (ou
deformação), na qual a posição do átomo muda relativamente ao eixo de ligação original. Os vários
alongamentos e vibrações de uma ligação requerem uma certa quantidade de energia. Para as
transições envolvendo vibrações, a frequência corresponde à radiação infravermelha. Quando a luz
do infra-vermelho daquela mesma frequência incide na molécula, a energia é absorvida e a amplitude
desta vibração aumenta. Quando a molécula reverte do estado excitado para o inicial, a energia
absorvida é liberta em forma de calor.
Bandas Fundamental e não Fundamentais na Absorção
Uma molécula não linear que contém n átomos tem 3n - 6 vibrações fundamentais possíveis.
Adicionalmente podem acontecer bandas de absorção (não fundamentais) por causa da presença de
harmónicos que acontecem com uma intensidade muito reduzida, à 1/2, 1/3, 1/4 do comprimento de
onda (duas a três vezes o número de onda), da banda da combinação (a soma de dois ou mais
números de onda diferentes), e das bandas de diferença (a diferença de dois ou mais
números de onda). Se todas as vibrações resultassem em absorção de radiação no IV, o número de
picos seria demasiado para posterior uso, mas para que uma vibração resulte em absorção no IV deve
observar-se mudança do momento dipolar. Então só as ligações que conectam duas moléculas
diferentes podem oferecer absorção no IR.
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Energias relativas de Absorções de IR
As Vibrações de flexão requerem geralmente menos energia que as vibrações de Estiramento e
ocorrem em comprimentos de onda longos (números de onda baixos).
A ligação tripla (absorção na faixa 4.4-5.0 µm, 2300-2000 cm-1) é mais forte que a ligação dupla
(absorção na faixa 5.3-6.7 µm, 1900-1500 cm-1), que é em troca mais forte que a ligação simples
(C—C, C—N, e C—0 absorção a 7.7-12.5 µm, 1300-800 cm-1).
Nas ligações simples envolvendo o átomo de hidrogénio (C—H, O—H, ou N—H), as vibrações de
estiramento ocorrem a freqências maia altas (2.7-3.8 µm. 3700-2630 cm -1). O grupo O—H absorve
perto de 2.8 µm (3570 cm-1). Por exemplo, se o espectro tiver uma banda forte a 5.82 µm (1718 cm1), é sinal de existência nesse composto do grupo carbonilo.
O espectro por si só não fornece informação adicional sobre a natureza do grupo; o composto pode
ser um aldeído, uma cetona, um ácido, um éster ou uma amida. Assim para definir um grupo
funcional, o espectro deve ser examinado detalhadamente, para o diagnóstico de outras bandas de
absorção (que não podem ser substituídas) e usadas em conjugação com reacções químicas clássicas
e determinações de solubilidade. Contrariamente, o poder de evidência negativa não pode ser
enfatizada; se o espectro não contém uma absorção típica de um certo grupo funcional, logo a
molécula não apresentará esse grupo funcional. Se o espectro não apresenta nenhuma absorção na
região de 5.4-6.3 µm (1850-1587 cm-1), a amostra não contém o grupo carbonilo.
Muitas das bandas de absorção que os compostos orgânicos apresentam na região infra-vermelha
não podem ser interpretadas com garantia.
Identificação de grupos funcionais por espectroscopia no Infra-vermelho (IV, do
Inglês IR)
Espectros IR de Hidrocarbonetos Saturados
Os Hidrocarbonetos saturados apresentam absorções que resultam das vibrações típicas de grupos
que estão presentes em tais moléculas,com estiramento C—H (~3.39 µm e —3.54 µm —2950 e —
2820 cm-1); flexão do —CH2 dobrando (-6.86 µm —1458 cm-1), e flexão do C-CH3 (6.86 e 7.28 µm
– 1458 e ~ 1380 cm-1). A Absorção fraca próximo de 13.85 µm (722 cm-1) é causada pela vibração
de flexão do grupo –(CH2)n–, onde n > 4.
Absorção do grupo O-H no IR
A substituição de um grupo metileno num hidrocarboneto saturado por um átomo de oxigénio, leva
ao aparecimento da absorção, causada por uma vibração de estiramento forte C—O perto de 9 µm
(~1110 cm-1). O espectro muda de um modo muito previsível; mostrando a partir de então, bandas
provenientes das absorções de estiramento de O—H e C—O, em adição aos grupos cromóforos de
hidrocarbonetos presentes. O espectro de Propanol CH3—(CH2) —CHOH.
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A Figura (25) abaixo é o exemplo duma absorção resultante da vibração por estiramento do grupo
O—H presente a ~2.9 µm (~3448 cm-1), como uma absorção larga, forte e típica da associação
polímera do grupo hidroxilo; é alargado devido à ligação ponte de hidrogénio.
Figura 25: Espectro IR de Propanol-1
Absorção de C=O no IR
Cetonas
Se um composto tiver o grupo carbonilo, a absorção causada por estiramento de C==0, geralmente
está entre a banda mais forte.
Os grupos carbonilo nas cetonas geralmente absorvem na região 5.7-6.0 µm (1754-1667 cm-1); a
posição de absorção é sensível ao tamanho e ao grau de saturação conjugada, entre outros factores.
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Aldeídos
A absorção resultante da vibração por estiramento do grupo carbonilo nos aldeídos aparece na mesma
região das cetonas. A outra característica notável na absorção de grupo funcional nos aldeídos é a
presença de duas bandas fracas devido à vibração de estiramento de C—H. O comprimento de onda
desta absorção aumenta (o número de onda é reduzido), do estiramento normal do C—H de 3.4 µm (294.0 cm-1) até aproximadamente 3.55 e 3.68 µm (-2820 e 2720 cm-1). A presença de duas absorções
nesta região deve-se aos modos de estiramento (alongamento) simétricos e assimétricos da ligação
C—H e C=0.
Ésteres e Lácteos
A posição de absorção da vibração por estiramento do grupo carbonilo nos Ésteres e Lácteos depende
tal como nas cetonas, da insaturação conjugada e tamanho do anel. Contudo está dentro da área geral
de absorção do grupo C=O.
Ácido Carboxílico
A faixa de absorção da vibração de estiramento do grupo carbonilo num ácido carboxílico saturado
de (5.83 µm., 1715 cm-1) é deslocado ao comprimento de onda mais longo (para o número de onda
mais baixo) se estiver conjugado com um grupo insaturado (ácido benzóico, 5.88 µm 1701 cm-1).
Amidas
Todas as amidas mostram absorção forte devido ao estiramento do carbonilo e das absorções
resultantes das vibrações de estiramento de N—H nas amidas primárias e secundárias que se situam
entre 2.8-3.2 µm, (~3570-3125 cm-1).
Aminas
A absorção mais característica das aminas situa-se na região 2.8-3.0 µm, (~3570-3333 cm-1), e isso
deve-se às vibrações de estiramento de N—H. Em soluções diluídas e em solventes inertes, os
espectros de aminas primárias têm duas bandas afiadas nesta região, devido às vibrações de
estiramento simétricas e assimétricas de N—H; os espectros das aminas secundárias têm só uma
banda nesta região, enquanto as aminas terciárias não absorvem na região.
Ligação C=C no Etileno
Como consequência da fraca intensidade da absorção resultante da vibração de estiramento de C=C,
para a identificação devem-se usar soluções concentradas de olefinas; as absorções acontecem na
faixa de 5.95-6.17 µm (~1680-1620 cm-1). As absorções são mais intensas se a ligação no etileno
estiver conjugada com um grupo insaturado. A absorção deve-se à vibração de estiramento olefínico
C=C—H, a qual se observa como um pequeno pico a 3.19 µm (3135 cm-1), próximo duma banda
maior de absorção dos alcanos, que resulta da vibração de estiramento de C—H.
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Ligações triplas
As Absorções que resultam das vibrações de alongamento (Estiramento) do carbono com ligações
triplas nos compostos acetilénicos ocorrem na região 4.4-4.8 µm (~2275-2085 cm-1). A absorção é
fraca, especialmente se o acoplamento de acetileno não for término. A vibração de alongamento
resulta apenas numa expansão linear e contração da molécula, o que leva a uma alteração irrelevante
do momento dipolar. A absorção causada pela vibração de alongamento acetilénico C—H ocorre
como uma banda bastante forte e aguçada perto de 3.0 µm (~3333 cm-1). A absorção resultante da
vibração de alongamento da ligação tripla nos nitrilos acontece também na região dos acetilenos, mas
a absorção é muito mais intensa. Esta absorção de benzonitrilo aparece a 4.44 µm (2252 cm-1).
Compostos aromáticos
O diagnóstico da estrutura aromática é caracterizado pela aparição de quatro bandas de absorção na
região de 6-7 µm (1667-1429 cm-1). Estes acontecem próximo de 6.25, 6.32, 6.67, e 6.90 µm (—
1600, 1580, 1500, e 1450 cm-1) e são causados pelas vibrações planas de C=C. A segunda banda é
observada frequentemente como parte integrante da primeira, mas muito intensa se o núcleo estiver
em conjugação com algum grupo insaturado; a quarta banda frequentemente observada é ofuscada
pelas absorções fortes resultantes das vibrações de flexão de —CH2 —vibrações, isto na presença de
grupos alifáticos. A ausência de absorção por um composto nestas regiões são a garantia suficiente
de que o composto não é aromático. Um número considerável de bandas de absorção de intensidade
variável aparece na faixa de 10-15 µm (1000 – 670 cm-1), região causada pelas vibrações de flexão
de C—H. Estas absorções dependem do número de átomos de hidrogénio livres e adjacentes que um
núcleo aromático contém. Um composto aromático contendo cinco átomos de hidrogénio adjacentes
absorve fortemente em ambas as regiões 13.3 µm e 14.3 µm (~750 e 700 cm-1); se o composto
apresentar quatro átomos de hidrogénio adjacentes, como, por exemplo, no benzeno disubstituído,
absorve fortemente apenas perto de 13.3 µm. (~750 cm-1). As absorções restantes devido à pouca
existência de átomos de hidrogênio adjacentes (alto grau de substituição no núcleo aromático)
normalmente é fraca e não facilmente detectável. É de particular importância para os compostos de
benzeno a absorção perto de 14.3 µm (~700 cm-1); se o composto não absorver fortemente nesta
região, então não pode ser um composto benzénico monosubstituído Os espectros de bi-fenilo e
outros compostos monosubstituídos de benzeno mostram estas absorções.
A região 5-6 µm (2000-1670 cm-1) dos espectros de compostos benzénicos apresentam bandas de
absorção de baixa intensidade sobrepostas ou associação de bandas. O número e a posição relativa
destas bandas é notavelmente dependente do tipo particular de substituição no anel de benzénico.
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Avaliação Formativa
i)
Organize os grupos seguintes em ordem das suas frequências de absorção no IR, resultantes
das vibrações por alongamento: C-N, N-H, O-H.
ii) Qual, dos seguintes grupos, resultará em absorção no IR?
H-H, C-H, O=O, C=O.
Espectros no infra-vermelho: é importante lembrar que a ausência de uma banda de absorção pode
muita das vezes fornecer mais informações sobre a estrutura do composto do que a sua presença.
Evite focalizar bandas de absorção selecionadas e negligenciar outras.
Interpretação de Espectros IR
Procure bandas de absorção na ordem decrescente da sua importância:
• As absorções de C-H entre 3100 e 2850 cm-1. Uma absorção acima de 3000 cm-1 indica C=C,
alqueno ou aromático. Confirme o anel aromático encontrando picos na faixa 1600 e 1500 cm-1 e C-H
que resultam da flexão fora de plano, para indicar substiuição abaixo dos 900 cm-1. A confirmação
dos alquenos é dada pela absorção na faixa 1640-1680 cm-1. A absorção de C-H entre 3000 e 2850
cm-1 deve-se ao hidrogénio alifático.
• O grupo carbonilo (C=O) absorve entre 1690-1760cm-1; esta banda forte indica um aldeído, cetona,
ácido de carboxílico, éster, amida, anidrido ou haletos. O aldeído pode ser confirmado com absorção
de C-H nos 2840-2720 cm-1.
•A absorção de O-H e N-H entre 3200 e 3600 cm-1, indica a presença de um álcool, ou então trata-se
de N-H presente em aminas ou amidas, ou ácido de carboxílico. Para -NH2 observa-se um dupleto.
Absorção de C-O entre 1080 e 1300 cm-1. Estes Picos normalmente são arredondados como os de
O-H e o pico de N-H em 3, e são importantes. Os ácidos carboxílicos, ésters, éteres, álcoois e
anidridos apresentam este pico.
• As bandas de absorções das ligações triplas no CC e CN situam-se na faixa 2100-2260 cm-1, e são
pequenas mas expostas.
• O grupo metil pode ser identificado com a absorção de C-H na região de 1380 cm-1. Esta banda
desdobra-se num dupleto nos grupos isopropílicos. As estruturas de compostos aromáticos também
podem ser confirmadas a partir do padrão de fraca implicação e das bandas combinadas na faixa de
2000 a 1600 cm-1.
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Unidade V
Espectroscopia molecular 2: Resonância Magnética Nuclear (RMN, do Inglês
MNR)
Sumário das Actividades de Aprendizagem
No final desta unidade os estudantes devem ser capazes de:
•
Explicar o desenvolvimento da espectroscopia de RMN;
•
Recordar os núcleos que exibem a RMN;
•
Explicar o fenómeno Ressonância Magnética Nuclear Protónica;
•
Relacionar as frequências de absorção específicas na H-RMN aos grupos funcionais
moleculares;
•
Correlacionar as frequências de absorção específicas na H-RMN com as estruturas
moleculares de substâncias orgânicas simples;
•
Explicar as características especiais do fenómeno da RMN do C-13;
•
Recordar toda a natureza de informação providenciada pela RMN do C-13;
•
Recordar todas as partes de um espectrofotómetro moderno de RMN e as suas funções.
Lista de Leituras recomendadas
http://ww w.sc ienceofspectroscopy.info/edit/index.php?title=NMR_Spectroscopy
http://en.wikipedia.org/wiki/NMR_spectroscopy#Chemical_Shift
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey/student/olc/ch13nmr.html#basi
Lista de sites relevantes
http://teaching.shu.ac.uk/hwb/chemistry/tutorials/molspec/uvvisab4.htm
http://www.scienceofspectroscopy.info/edit/index.php?title=UV-Visible_Spectroscopy
http://www.scienceofspectroscopy.info/edit/index.php?title=UV_Absorption_Table- non
source
UV visible
http://ull.chemistry.uakron.edu/analytical/Spectrophotometry/
http://www.chem.ucla.edu/cgi-bin/webspectra.cgi?Problem=bp1&Type=C
http://www.chem.ucla.edu/~webspectra/search.html
open
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Espectrocopia de Ressonância Nuclear Magnética
A Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear, mais conhecida como espetroscopia RMN, é o
nome dado às técnicas que exploram as propriedades magnéticas de certos núcleos. A mais
importante aplicação para a química orgânica é a RMN protónica e a do carbono13.
Muita informação é obtida a partir dos espectros de RMN. Tal como a Espectroscopia no IV é usada
para identificar grupos funcionais, e as análises do espectro da RMN providencia informação quanto
ao número e tipo de identidades químicas de uma molécula.
A RMN pode ser aplicada em vastas variedades de amostras, tanto em solução assim como no estado
sólido.
Nesta unidade faz-se a introdução da RMN protónica e das suas aplicações na identificação dos
compostos orgânicos.
Fenômeno da RMN
Os Núcleos possuem spin mecânico, ou momento angular. O momento angular total depende do spin
nuclear, ou do número de spin, que pode tomar valores de 0, ½, 1, 3/2 , dependendo da
particularidade dos núcleos. O valor numérico do número do spin relaciona-se ao número de massa e
ao número atómico do núcleo.
Número de Massa
Ímpar
Par
Par
Número atómico
Par ou Ímpar
Par
Ímpar
Número de Spin, I
½, 3/2, 5/2, ...
0
1,2,3...
Os Spin nucleares provocam um campo magnético em volta do núcleo. Assim o núcleo é equivalente
a um pequeno magnético, com um momento magnético μ. Cada núcleo, para o qual
I > 0, apresentará a característica de momento magnético.
Avaliação formativa
i) Diferencie momento nuclear magnético do número de spin nuclear.
ii) Indique dentre os núcleos a seguir, os que apresentam um momento magnético:
a) Oxigénio: número de massa 16 e número atómico 8;
b) Carbono: número de massa 12 e número atómico 6;
c) Nitrogénio: número de massa 14 e número atómico 7;
d) Carbono 13;
e) Protão.
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Protão RMN
Os núcleos mais importantes para a RMN na química orgânica são o protão com número de massa 1
e o carbono 13, pois estes fazem parte de muitas substâncias orgânicas.
Para o protão que tem o número de spin ½, o núcleo magnético pode assumir qualquer valor de
(2I + 1) variando de -½, para ½ em etapas de 1 orientação, as quais devem respeitar a direcção do
campo magnético aplicado. Assim, um protão (I= ½) poderá assumir apenas uma, das duas
possíveis orientações, que correspondam aos níveis de energia de ± µ.H num campo magnético
aplicado, onde H, é a força do campo magnético externo. Então, a estes níveis de energia dá-se a
designação de níveis de energia
quantisados.
Figura 26: Ressonância Magnética Nuclear
O protão no campo magnético externo estático pode assumir apenas duas orientações,
correspondentes às energias de ±µH. A orientação de baixa-energia corresponde àquele estado em
que o momento magnético nuclear está alinhado paralelamente ao campo magnético externo
magnético e a orientação de alta-energia corresponde àquele estado em que o momento nuclear
magnético é alinhado antiparalelamente (contrário) ao campo magnético aplicado. É possível induzir
transições entre estas duas orientações; a frequência ʋ da radiação eletromagnética necessária para tal
transição é dada pela equação ʋ = -2µH0, /h; onde H0 é a força do campo magnético externo.
Contrariamente ao que acontece na espectroscopia no UV e IV, esta absorção de frequência ʋ
depende do campo aplicado.
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Estas radiações de transicões induzidas obedecem às seguintes Regras:
1. A probabilidade de uma transição ascendente para a absorção de energia a partir do campo
magnético é precisamente igual à probabilidade de uma transição descendente num processo
estimulado pelo campo.
2. A transição espontânea de um estado de alta-energia para um estado de baixa-energia é
desprezível.
Efeitos de Não Radiação (Efeitos de ausência de Radiação)
Os efeitos de Radiação por si sós, não causam ressonância magnética nuclear observável. Porém há
duas radiações de menos efeito, que ocorrem, uma das quais torna possível a Ressonância Magnética
Nuclear:
1. Dois núcleos vizinhos podem trocar spin, um tornando-se anti-paralelo e outro paralelo – este
fenômeno chama-se Relaxação spin-spin.
2. O efeito de Malha é o resultado da presença agregada de todos os outros núcleos submetidos a
várias transições de energia, que resulta na perda de energia dos núcleos anti-paralelo, tornando-os paralelos. Isto cria um pequeno excesso de baixo nível de energia nos núcleos. É este
pequeno excesso a partir do qual alguns absorvem energia, resultando desta forma no fenómeno
da RMN.
Deslocamento químico
Os átomos de hidrogénio numa molécula não absorvem exactamente na mesma frequência ʋ. O efeito
magnético aplicado a um núcleo de hidrogénio é dado pela equação Heff =H0 – δH0. Onde δH0 é o
deslocamento químico e mede o efeito electrónico dos átomos circunvizinhos de um determinado
protão. δ é o parâmetro de deslocamento definido abaixo; Δv=Frequência do protão – Frequência
padrão (TMS).
Como apenas podem ser obtidos valores relativos de absorção, há uma necessidade de uso de uma
substância padrão para o efeito. Os valores do deslocamento químico dos protões num composto
particular são determinados em função desta referência padrão. Este padrão pode ser usado em uma
das duas variantes: como uma referência externa (a substância padrão –TMS – é colocada
normalmente num vaso capilar contendo o tubo da amostra), e como referência interna (a substância
padrão é dissolvida na substância a analisar). Na Espectroscopia protónica moderna de RMN usa-se o
Tetra Meti Silano (TMS) como padrão.
Correlação Estrutura e H-RMN
As frequências de Ressonância protónica podem-se medir com uma precisão de cerca de ±0.02
ppm em relação ao padrão interno. A Figura 27, dá-nos a correlação geral do tipo de estrutura e a
posição da absorção. Os grupos funcionais alistados na Figura 27, referem-se a átomos de carbono
saturados. A absorção é dada em valores δ (ppm) (deslocamento químico em ppm).
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Figura 27: Parâmetros de deslocamento químico de átomos de Hidrogénio diferentes
Indução e Electronegatividade
Os electrões em volta do protão criam um campo magnético que se opõe ao campo aplicado.
A Electronegatividade dos grupos ligados ao sistema C-H diminui a densidade electrónica em redor
dos protões, o que provoca menor blindagem (i.e. desblindagem), permitindo assim o aumento do
deslocamento químico. Estes efeitos são cumulativos, assim a presença de mais grupos
electronegativos, provoca maior desblindagem e logo, deslocamentos químicos maiores.
Estes efeitos inductivos não se fazem sentir apenas nos protões imediatamente adjacentes, assim
como provocam o rompimento da densidade electrónica, que tem influência por toda a cadeia.
Contudo o efeito não enfraquece rapidamente ao se afastar do grupo electronegativo.
Interações Spin-Spin
A energia necessária para uma determinada transição de spin é quase a mesma envolvida por um
protão numa molécula. A banda de absorção, avaliada pelas áreas que a incluem, dá a relação entre o
número de protões em cada grupo. O espectro de baixa resolução do etanol, figura 28, mostra três
picos de absorção numa área cuja relação é de 1:2:3, correspondente a —OH, —CH2—, e —CH3,
respectivamente.
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Figura 28: Espectro de RMN de baixa resolução do etanol
Sob a alta resolução, os picos do álcool etílico atribuídos aos protões metileno e metil aparecem como múltiplos.
A absorção do metil CH3 divide-se em três áreas na relação 1:2:1 e o metileno CH2 é dividido em quatro picos na
proporção de 1:3:3:1. Isto explica-se pelo facto de o grupo metil, CH3, interagir com o CH2, dividindo-se em 4
(quatro), e por sua vez o grupo metileno interagir com o metil, dividindo-se em 3 (três). Este efeito é designado por
interacção spin-spin.
A magnitude de separação múltipla resultante das interacções spin- spin não depende da força do camplo aplicado.
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Fig. 29: Espectro de RMN de alta resolução do Etanol
Ligação Pontes de Hidrogénio
Os protões envolvidos numa ligação pontes de hidrogénio (normalmente –OH ou –NH)
são tipicamente observados sobre uma vasta gama de valores de deslocamento químico.
Quantos mais ligações de ponte de hidrogénio se observarem, mais desblindado estará o
protão, e o valor do deslocamento químico será elevado. Contudo, a predição pode ser
difícil, se o número de ligação da ponte de hidrogénio for susceptível a factores como
solvatação, acidez, concentração e temperatura.
Espectroscopia de RMN do Carbono
A força e a utilidade da espectroscopia 1H-RMN como instrumento para análises estruturais é já um
facto consumado. Infelizmente, quando porções significantes da molécula têm falta de ligações C-H,
não há possibilidades de recolha de informação desta mesma molécula. Isto é frequente, por exemplo,
em compostos policlorados tais como cloridanos, compostos policarbonilos como ácidos crocónicos
e compostos incorporando triplas ligações ( estruturas abaixo, carbonos marcados a laranja).
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Figura 30 : Moléculas cujas estruturas não podem ser distinguidas por H-RMN
Mesmo quando numerosos grupos C-H estão presentes, não é possível fazer-se uma interpretação não
ambígua do espectro H-RMN. O diagrama seguinte representa três pares de isómeros (A e B) os
quais apresentam espectros similares de H-RMN. Embora uma cuidada determinação do
deslocamento químico permitiria a análise do primeiro par de compostos ( quadro azul); o segundo e
o terceiro casos (quadros vermelho e verde) seria muito díficil identificá-los usando apenas a
espectroscopia H-RMN.
Figura 31 : Moléculas que não podem ser distinguidas por H-RMN
Estas dificuldades poderiam ultrapassar-se se os átomos de carbono na molécula podessem ser
identificados da mesma forma como acontece com os átomos de Hidrogénio na Espectroscopia
de RMN. Porque o isótopo de carbono (12C ) de maior abundância não apresenta spin, logo esta
opção não é realística. Felizmente, 1.1% do carbono elementar é formado pelo isótopo 13C, o
qual apresenta spin I = ½ , o que de princípio possibilita conduzir experiências usando a
espectroscopia de RMN. É importante notar que, se as abundâncias mais elevadas de 13C
estivessem naturalmente presentes em todos os compostos de carbono, a espectroscopia H-RMN
tornar-se-ia muito mais complexa devido a um acoplamento na ligação de 13C e 1H.
Problemas técnicos associados a C-RMN
1. A Abundância de 13C na amostra é muito reduzida (1,1%), daí são necessárias amostras com
concentrações altas.
2. O núcleo 13C é 50 vezes menos sensível que o protão na RMN, criando desta forma mais
uma dificuldade.
3. Os átomos de hidrogénio ligados a 13C apresentam sinais entre 130 a 270 Hz, complicando
cada vez mais o espectro de RMN.
Estes problemas resolvem-se usando duas técnicas.
A dissociação hetero-nuclear em que a cisão nuclear por hidrogénio é removida do espectro de
carbono, e usando a tecnologia de pulso, os sinais são colectados a partir de um átomo de
carbono, formando posteriormente um sinal forte.
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Desta forma, o espectro de carbono de RMN de um certo composto apresenta um único sinal para
cada átomo de carbono distinto numa molécula ( lembre-se que os acoplamentos de protões foram
eliminados). O espectro de cânfora, mostrado baixo, é típico. Além disso, uma comparação com a
espectroscopia 1H-RMN à direita ilustra algumas das características vantajosas da espectroscopia
13
C-RMN. A dispersão de deslocamento químico com o 13C é quase vinte vezes maior que a do 1H, e
tudo isto, adicionado à falta de divisão do sinal, faz com que seja mais provável, que todo o átomo de
carbono distinto produzirá um sinal separado. Os únicos sinais claramente identificáveis no espectro
protónico são os do grupo metil. Os protões restantes apresentam sinais de ressonância entre 1.0 e
2.8 ppm, tendo como referência o TMS, e não se observa a sobreposição graças à divisão spin-spin.
Figura 32: Espectro 13C- RMN de Cânfora
Contrariamente à espectroscopia protónica RMN, a força relativa dos sinais na 13C-RMN,
normalmente não é proporcional ao número de átomos que geram cada um deles (sinais). Por esta
razão, o número de sinais discretos e os respectivos deslocamentos químicos são as informações mais
importantes que um espectro de carbono pode fornecer. A distribuição geral do deslocamento
químico do carbono, associado aos grupos funcionais diferentes, é resumido na figura a seguir
(Figura 33). Tenha em mente que estas faixas são aproximadas e não podem cobrir todos os
compostos duma determinada classe. Também note que acima de 200 ppm o deslocamento químico
mostrado aqui é muito maior que o observado para deslocamentos químicos com o hidrogénio.
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C Faixas de deslocamento químico *
Região de campo baixo
Figura 33: Faixas de deslocamento químico
Para amostras em solução de CDCl3. A escala δ é relativa a TMS a δ=0.
Avaliação Formativa
1. O espectro de 60 MHz apresentado na figura 34, é do composto C10H13NO2.
Informações significantes da espectroscopia no IV mostram os picos de estiramento do C=O e
de N-H. Deduza a estrutura deste composto a partir do deslocamento químico dos dados do
integral e do acoplamento observáveis no espectro.
Figura 34: C10 H13NO2
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C-RMN de um dos isómeros do acetato de butil (C4H9OCOCH3) apresenta sinais
δc 22,28; 28,80 e 170. Indique a estrutura. Justifique porque a intensidade do pico a δ 28 é mais
forte que δ 22 (por um factor de aproximadamente 8). Como poderia confirmar as suas deduções a
partir da multiplicidade e intensidade do sinal usando conhecimentos da espectroscopia de 1HRMN?
2. O espectro de
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Unidade VI
Espectrometria de Massas
Resumo
No final desta unidade os estudantes devem ser capazes de:
•
Explicar o fenómeno da espectrometria de massas;
•
Explicar as regras de fragmentação na espectrometria de massas;
•
Correlacionar o espectro de massas com os elementos estruturais específicos na molécula;
•
Usar o espectro de massa para a identificação de espécies moleculares;
•
Usar os espectros de massa de alta resolução e cálculos de massa molecular para identificar
unicamente elementos estruturais;.
•
Recordar todas as partes de um espectrómetro de massa moderno e as suas funções.
Lista de Leituras recomendadas
http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/Spectrpy/spectro.htm#contnt
http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi?lang=eng
Lista de conecções relevantes
http://ull.chemistry.uakron.edu/analytical/Mass_Spec/index.html/
Espectrometria de massas
A espectrometria de massas identifica compostos através da ionização de compostos e dividindo os
mesmos em pedaços denominados fragmentos, os quais passam posteriormente por um analizador. O
analizador distribui os fragmentos de acordo com a sua massa e carga. O resultado desta distribuição
proveniente do analizador é disponibilisado em forma de espectro de massas.
Uma pequena quantidade da amostra é ionizada, usualmente em catião por perda de um electrão – Ião
Molecular.
Os iões são separados de acordo com a sua massa e carga – Analizador de Massas.
Os iões separados são posteriormente detectados e os resultados são registados num computador.
Em virtude de os iões serem muito lábeis ( como eles reagirão com espécies do meio) a sua formação
e análise é conduzida no vácuo para evitar que estes reajam com espécies no ambiente.
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Fonte Iónica
A fonte iónica da amostra é bombardeada através de electrões de alta energia provenientes de um
filamento aquecido e acelerados por meio de um campo eléctrico. Os catiões são acelerados ao
passarem por duas placas carregadas de cargas contrárias. À saída, os iões são deflectidos para
trajectórias circulares por um íman. Assim, os iões com a mesma carga mas diferentes massas sofrem
uma separação e atingem detectores distintos que registam correntes eléctricas. Estas são
directamente proporcionais ao número de iões, e assim é possível determinar a abundância relativa
dos mesmos.
Isótopos
Desde que um espectrómetro de massas separa e detecta os iões de massas ligeiramente diferentes,
tornou possível e fácil distinguir isótopos diferentes de um dado elemento. Isto é manifestado
dramaticamente nos compostos contendo bromo e cloro, como ilustrado nos exemplos abaixo. A
molécula de Bromo tem dois átomos, o espectro à esquerda seria surpresa se uma única massa
atómica de 80 u.m.a. fosse assumida ou aparecesse para o Br. Os cinco picos neste espectro
demonstram claramente que o bromo elementar (natural) consiste de uma mistura de isótopos na
relação aproximada de 50:50, com massas atómicas de 79 e 81 respectivamente.
Assim, a molécula de bromo é composta de dois átomos de 79Br (massa 158 u.m.a.), e dois átomos de
81
Br (massa 162 u.m.a.) ou a combinação mais provável de 79Br - 81Br (massa 160 u.m.a.). A
Fragmentação de Br2 para formar o catião brometo dá origem a dois
picos de (quase) igual tamanho a 79 e 81 u.m.a. respectivamente.
Bromo
Cloreto de Vinil
Cloreto de Metileno
Figura 35: Espectros de Massa de Bromo, Cloreto de Vinil, Cloreto de Metileno.
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Os dois últimos espectros mostram que o cloro é também formado por dois isótopos, tendo o mais
abundante a massa de 35 u.m.a., e o isótopo de menor frequência a massa de 37 u.m.a.. As
composições exactas dos isótopos de cloro e bromo são Cloro: 75.77% 35Cl e 24.23% 37Cl;
Bromo: 50.50% 79Br e 49.50% 81Br.
A presença de cloro ou bromo numa molécula ou ião é descoberta facilmente a partir das relações de
intensidade dos iões que diferem por 2 u.m.a.. No caso do cloreto de metileno, o ião molecular
consiste em três picos a m/z=84, 86 e 88 u.m.a, e a diminuição das suas intensidades pode ser
calculada a partir das abundâncias naturais dadas acima. A Perda de um átomo de cloro dá dois iões
isotópicos fragmentados a m/z=49 e 51 u.m.a., que claramente incorporam um único átomo de cloro.
Contrariamente aos outros halogénios, o Flúor e Iodo, são monoisotópicos, com massas de 19 e 127
u.m.a. respectivamente. É de notar que a presença de átomos de halagéneos em uma molécula ou
ião-fragmento não altera as regras de massa (ímpar-par) dadas acima.
Dois outros elementos comuns que apresentam isótopos de utilidade são o carbono, 13C, 1.1%
abundância natural e enxofre, 33S e 34S cujas abundâncias naturais são 0.76% e 4.22%
respectivamente. Por exemplo, o pequeno pico de m/z=99 u.m.a. no espectro de 4-metil 3-penteno-2-ona (acima) aparece como ião molecular devido à presença de um único átomo de 13C.
Embora não muito importante neste aspecto, 15N e 18O também tem uma pequena contribuição para
as massas satélites de iões moleculares que incorporam estes elementos.
Regra de Fragmentação
A natureza dos fragmentos dá-nos a pista da estrutura molecular, mas se o ião molecular tiver tempo
de vida de alguns microsegundos não sobreviverá muito tempo para a observação. A maioria dos
compostos orgânicos dão espectros de massa que incluem o ião molecular e aqueles que não o fazem,
se as condições de ionização forem diferentes, o ião molecular pode ser observado.
Entre compostos orgânicos simples, os iões moleculares mais estáveis são os anéis aromáticos e
outros sistemas de π-electrões conjugados e cicloalcanos. Os álcoois, éteres e geralmente alcanos
ramificados mostram a maior tendência para fragmentação. Os fragmentos estáveis aparecem no fim
do espectro.
Hidrocarbonetos
O espectro de massa de dodecano ilustra o comportamento de um alcano não ramificado. Se não
existirem heteroátomos na molécula, então não aparecerão electrões de valência não ligantes. Por
conseguinte, o carácter do catião radical do ião molecular (m/z = 170) é deslocalizado acima de todas
as ligações covalentes. A Fragmentação das ligações C-C ocorre porque elas são normalmente mais
fracas que as C-H, e isto produz uma mistura de radicais alquil e carbo-catiões de alquil. A carga
positiva geralmente reside no fragmento menor, assim podemos encontrar uma série homóloga de
catiões de hexil (m/z = 85), pentil (m/z = 71), butil (m/z = 57), propil (m/z = 43), etil (m/z = 29) e
metil (m/z = 15).
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Estes são acompanhados por uma correspondente série de carbocatiões de alquenil (p. ex. m/z = 55,
41 e 27) formado a partir da perda de 2 Hidrogénios. Todos os iões-fragmentos significantes neste
espectro são iões que apresentam pares de electrões. Em muitos espectros de alcanos, os iões propil e
butil são os mais abundantes.
Heteroátomos
A presença de um grupo funcional, particularmente um que tenha um heteroátomo Y com electrões
de valência não ligantes (Y = N, O, S, X etc.), pode alterar dramaticamente a fragmentação padrão de
um composto. Esta influência deve-se ao facto da “localização” do radical-catião do ião molecular no
heteroátomo. Depois, é mais fácil remover (ionizar) um electrão não ligante, que um que faça parte
da ligação covalente. A localização do reactivo maioritário favorece certos processos de
fragmentação. Estes são resumidos no diagrama abaixo, onde a faixa verde ao topo exibe exemplos
de tal “localização” de iões moleculares. Os primeiros dois caminhos de fragmentação conduzem a
iões de pares de electrões e a eliminação (caminho #3) dá um ião de electrões ímpares. Note que o
uso de setas curvadas diferentes visa mostrar unicamente o deslocamento de um electrão ou de um
par de electrões.
Figura 36: Divisão heteroatómica adoptada da espectroscopia:
http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/Spectrpy/spectro.htm #
contnt visitado em Fevereiro de 2008
As distribuições de cargas mostradas acima são comuns, mas para cada processo de divisão, às vezes,
a carga pode ser levada por uma outra espécie (neutra), e assim ambos os iões-fragmento são
observados. Das três clivagens descritas, a clivagem alfa favorece geralmente compostos
nitrogenados, oxigenados e de enxofre. Realmente, no espectro previamente apresentado de 4-metil3-penteno-2-ona e N,N-dietilmetilamina os fragmento iónicos principais provem de cisões alfa. Mais
adiante, são dados exemplos de influência de grupos funcionais na fragmentação de certos
compostos seleccionados.
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Espectro Finger Printer (Impressão digital do espectro)
A complexidade das regras de fragmentação faz com que o espectro de massa seja usado como
“Impressão digital” para identificar compostos. Poluentes ambientais, pesticidas, resíduos de
pesticidas em produtos alimentícios são alguns exemplos de aplicação do espectro finger printer. As
amostras extremamentes pequenas duma substância desconhecida (micrograma ou menos) são
suficientes para tais análises. O espectro de massas a seguir é da cocaína, mostrando como um
laboratório legal pode determinar a natureza da saída (entrada) de uma droga desconhecida. Ainda
que fragmentações extensivas tenham ocorrido, muito dos iões abundantes ( identificados por
números magenta) podem ser racionalizados pelos três mecanismos acima ilustrados.
Figura 37 : Espectro Finger Printer de cocaína
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Os fragamentos iónicos de electrão ímpar são frequentemente formados por rearranjos característicos
nos quais fragmentos neutrais estáveis perdem-se. Mecanismos para alguns destes rearranjos têm sido
identificados seguindo o curso iónico isotopicamente etiquetado.
Avaliação formativa
1. Um composto orgânico (A) é formado por carbono, hidrogénio e nitrogénio, com o carbono a
constituir mais de 60% de massa. O espectro de massas apresenta o ião molecular a m/z=112
u.m.a.. Responda às seguintes questões, colocando números nos quadradinhos de respostas.
a. Escreva a fórmula molecular plausível para o composto A: C H N.
b. Quantos anéis e duplas ligações devem estar presentes no composto A?
2. Outra substância, B, composta por apenas carbono, hidrogénio e oxigénio, também mostra ião
molecular a m/z = 112 u.m.a..
a. Escreva a fórmula molecular plausível para o composto B supondo que tem três ligações
duplas e sem anéis C H O.
3. O composto C é formado apenas por carbono, hidrogénio e oxigénio e mostra ião molecular a m/z =
180 u.m.a.. O carbono representa 60% da massa molecular.
a. Escreva a fórmula molecular plausível para o composto C. C H O.
b. Quantos anéis e duplas ligações devem estar presentes no composto C?
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XVI. Sínteses do módulo
Na unidade 1, os métodos de separação ensinados na escola foram revisitados. Tratou-se de técnicas de extracções de solventes e
destilação. As condições sob as quais os métodos de separação se aplicam adequadamente foram discutidas, bem como a apresentação
do respectivo equipamento. Mais tarde, introduziram-se as técnicas cromatográficas, incluindo os diferentes tipos de desenvolvimento,
tendo a destacar a cromatografia em papel, a câmada fina, a coluna (tipos de colunas e detectores) e os equipamentos para sua a
implementação. Na última parte do módulo foi introduzida a cromatografia líquida e a HPLC debatida detalhadamente. Isto, incluiu as
escalas de aplicação de HPLC, a instrumentação e os modos de separação.
Na unidade 2, foram introduzidas as maiores técnicas electroquímicas, dentre elas a potenciometria e sua aplicação na medição de pH
usando eléctrodos de vidro. Também introduziram-se eléctrodos selectivos de iões ou eléctrodos REDOX e as respectivas aplicações
nas estações automáticas de titulação destacada.
A segunda parte debateu-se com as diferentes técnicas de voltametria, começando pela teoria geral da voltametria, até as técnicas
polarográficas baseadas na redução do eléctrodo gotejante de mercúrio. A unidade encerrou com o debate de duas técnicas
voltamétricas, a cíclica e a de redissolução anódica.
A Espectroscopia e as respectivas técnicas espectrométricas atómicas foram introduzidas, recordando-se neste âmbito, as diferentes
partes que compoem o espectro electromagnético, as suas designações, as energias envolvidas, bem como as respectivas unidades de
medição. A interacção da radiação e a matéria foram debatidas profundamente e como elas podem ser usadas na análise quantitativa e
qualitativa nas espectroscopias molecular e atómica. A última parte da unidade debruçou-se sobre a espectroscopia atómica, definindo
os três maiores modos da espectroscopia atómica, os fenómenos nos quais ela se basea e como estes posteriormente aplicam-se nas
análises quantitativa e qualitativa. A instrumentação usada neste tipo de espectroscopia foi também tratada detalhadamente.
A Espectroscopia molecular 1 incorporou a espectroscopia no infravermelho (IV, IR) e no ultravioleta-visível (UV-VIS), tendo sido
debatido o desenvolvimento dos dois fenómenos.
As transições que originam os espectros UV-VIS foram discutidas, bem como as suas correlações com os grupos funcionais
específicos. Os factores que afectam a absorção dos grupos funcionais mereceram também atenção. Apresentaram-se exemplos
concretos de como a espectroscopia no UV é aplicada na determinaação estrutural. O debate foi concluído com a indicação das
aplicações da espectroscopia UV-VIS na análise quantitativa e a respectiva instrumentação. A última parte desta unidade apresentou a
espectroscopia no Infravermelho (IV) e a respectiva evolução. Seguiu-se então a discussão das absorções típicas de picos dos grupos
funcionais, assim como a correlação dos espectros IV e as estruturas.
A Espectroscopia molecular 2 abordou a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN). Nesta espectroscopia fez-se a
descrição do fenómeno da RMN, dos requisitos que os núcleos devem apresentar para ressonarem, assim como a influência do
ambiente estrutural. O debate incluiu a correlação de 1H-RMN com os elementos específicos funcionais na molécula, a interacção spinspin, a correlação da magnitude dos picos com o número de átomos de hidrogénio e a posição do pico em relação ao ambiente
molecular e aos grupos funcionais. A unidade foi concluída com o debate da espectroscopia da ressonância magnética nuclear do
carbono, 13C-RMN. Este debate destacou a espectroscopia de 13C-RMN, as limitações técnicas de informação providenciada por esta
espectroscopia, até a sua complementaridade com a espectroscopia de 1H-RMN na determinação estrutural.
Na espectrometria de Massas começou-se pela descrição do seu funcionamento e desenvolvimento. Seguiu-se então o tratamento das
regras de fragmentação, bem como a explanação do modo como os isótopos afectam as fragmentações e a correlação do espectro de
massas
e
estrutura.
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XVII. Avaliação sumativa
1. Calcule a energia da radiação de fotões nos comprimentos de onda abaixo:
(a) 635 nm (no visível)
(b) 18.7 nm (no ultravioleta)
(c) 58.6 μm (no infravermelho)
2. O espectro de 13C-RMN de um dos isómeros do acetato de butil (C4H9O-COCH3) apresenta sinais em δc22, 28, 80 e 170.
Qual é a sua estrutura? Porque é que a intensidade do pico no δ28 é mais intenso que no δ22 (aproximadamente 8 vezes mais
intenso)? Como poderiam a multiplicidade e a intensidade do sinal no espectro H-RMN deste composto confirmar a sua
dedução?
3. (a)Para uma separação cromatográfica típica mostrando picos já resolvidos (Rs =1.5), assume-se que N=3600, k´=2, e α=1.15.
Esboce os resultados da alteração destes parâmetros para (a) N=1600, (b) k’ = 0.8 e (c) a=1.10.
(b)O que deve ser feito com vista a diminuir a altura do prato e ainda aumentar a resolução do mesmo? Que problemas
poderão advir destas acções?
3. (a) Porque é que o espectro atómico é diferente do espectro molecular?
(b) Porquê os espectros atómicos de Ca elementar e iónico são diferentes?
c. Qual é a dirença entre a espectroscopia de emissão atómica e espectroscopia de absorção atómica?
5. Um líquido BP 101ºC com um cheiro agradável apresenta os espectros IV (IR) e EM (MS) representados abaixo.
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6. Para cada um dos compostos A até F indica o número de grupos estruturalmente distintos dos átomos de carbono e também o
número de grupos distintos de hidrogénios equivalentes. Coloque em cada parêntesis números de 1 a 9, que correspondam à resposta
correcta.
A.Número de átomos distintos de carbono ( )
Número de grupos distintos de hidrogénio ( )
B. Número de átomos distintos de carbono ( )
Número de grupos distintos de hidrogénio ( )
C. Número de átomos distintos de carbono ( )
Número de grupos distintos de hidrogénio ( )
D. Número de átomos distintos de carbono ( )
Número de grupos distintos de hidrogénio ( )
E. Número de átomos distintos de carbono ( )
Número de grupos distintos de hidrogénio ( )
F. Número de átomos distintos de carbono ( )
Número de grupos distintos de hidrogénio ( )
Determinar a estrutura do composto f
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XVIII. Autor Principal do Módulo
Vicente Makokha é Mestre em Química Analítica pela Univerdidade Makerere em Kampala (BSc., Ind. Chemistry 1991); (MSc.
Analytical Chemistry 2000). Trabalhou e pesquisou na indústria, na área de química analítica. Mais tarde juntou-se à
Universidade Kyambogo onde lecciona cursos ligados à Didáctica e Tecnologia Química. É casado e pai de dois filhos.
Tópicos de Ensino
O objectivo deste módulo é apresentar as técnicas instrumentais analíticas mais comuns aos estudantes com a provisão de três
objectivos:
- Conhecimento de princípios de técnicas analíticas;
- Habilidade de interpretação analítica de dados gerados por instrumentos;
- Prática para a aplicação de conhecimento e habilidades.
Para os estudantes de graduação existe a tarefa delicada de gerir o nível de complexidade de informação e aquisição de
habilidades. Este módulo apresenta muitos recursos para prática na vida estudantil assim como na professional. O material foi
seleccionado e é apresentado de forma mais simples para assegurar o conhecimento profundo da área específica, deixando espaço
para o estudante entusiástico (estudante erudito) seguir a matéria mais profundamente.
A ferramenta básica de ensino é a matéria apresentada no módulo. Os textos e as páginas da Internet recomendados são
necessários para aprofundar a percepção do módulo, dando detalhes para uma prática extra ao estudante.
O maior trabalho para o professor de ensino à distância consite no encorajamento do estudante, no sentido deste acompanhar todas
as unidades de aprendizagem. Cada unidade de aprendizagem deve ser concluída e dominada antes de se avançar para as
actividades subsequentes.
A matéria apresentada deve ser discutida seguindo a ordem do módulo.
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XIX. Referências
Crow D.R. : Principles and applications of Electrochemistry Chapman and
Hall, 2nd Edition 1996
Galen Wood Ewing Instrumental methods of chemical analysis
Publisher: MacgrawHill. 1986
Braun. D Robert Introduction to chemical Analysis Publisher: McGrawHill 1st
Edition 1982.
Heslop R.B, Wild Gillian M.. S I Units in chemistry
Applied Science Publishers, 1971.
Hobarth Willard, Lynne Merritt, John Dean, and Frank Settle, Instrumental
Methods of Analysis Wadsworth Publishing Company; 7 Sub edition (February 1988)
XX. Estrutura dos ficheiros
Microsoft Word File (Ficheiros de Microsoft Word)
Separation, Electroanalytical, and Spectrochemical Techniques Final Version.doc
PDF File (Ficheiros PDF de técnicas de separação electroanalítica e espectroquímica)
Separation, Electroanalytical, and Spectrochemical Techniques Final Version.pdf
(Versão final das técnicas de separação electroanalítica e espectroquímica)
AAS (EAA)
Atomic Absorption Instrument (Instrumentos de absorção atómica)
Cyclic Voltammetry (Voltametria cíclica)
Distillation (Distilação)
Electromagnetic Spectrum (Espectro Electromagnético)
Energy Levels (Níveis de Energia)
Gas Chromatography (Cromatografia Gasosa)
HPLC (CLAR, Cromatografia Líquida de Alta Resolução)
Infra Red Spectroscopy (Espectroscopia no InfraVermelho)
Ion Selective Electrodes (Eléctrodos Selectivos de Iões)
Mass Spectrometry (Espectrometria de Massas
Potentiometry (Potenciometria)
Separation and Chromatography (Cromatografia e Separação)
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