Experiência: Determinação da concentração de sódio e potássio em amos amostr tras as de água água com com o métod étodo o de Fotom otomet etri ria a de Cham Chama a – Emissão Atômica Data: 10 de setembro de 2010 Alunos/N° de matricula: Flávia Sodré Rocha-20082A057023 Geyvon H. Monteiro-20081A057036 Gustavo F. de Morais-20082A057025 Orientador: Joachim W. Zang Local de execução: Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás- Campus Goiânia. Curso/Instituição: Química Agroindustrial / Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás- Campus Goiânia.
1 Introdução e Objetivos
1.1 Introdução
A fotometria de chama é a mais simples das técnicas analíticas baseadas em espectroscopia atômica. Apesar da simplicidade da técnica, diversos conceitos importantes estão envolvidos no desenvolvimento de experimentos usando a fotometria de chama, desde os princípios de espectroscopia até a estatística no tratamento de dados, passando por preparo de amostra e eliminação de interferências1-2. A espectroscopia atômica baseia-se em métodos de análise de elementos de uma amostra, geralmente líquida, que é introduzida em uma chama, na qual ocorrem fenômenos físicos e químicos, como evaporação, vaporização e atomização. Para que todos esses processos possam ocorrer em tempos de residência tipicamente inferiores a 5min, é necessário que amostras líquidas sejam convertidas em um aerossol líquido-gás com partículas inferiores a 5-10 µm para introdução na chama. A energia eletrônica é quantizada, isto é, apenas certos valores de energia eletrônica são possíveis. Isso significa que os elétrons só podem ocupar certos níveis de energia discretos e que eles absorvem ou emitem energias em quantidades discretas, quando se movem de um orbital para outro. Quando o elétron é promovido do estado fundamental para um estado excitado, ocorre o fenômeno de absorção e quando este retorna para o estado fundamental observa-se o processo de emissão 3. Uma vez que um átomo de um determinado elemento origina um espectro característico de raias, conclui-se que existem diferentes níveis energéticos, e que estes são característicos para cada elemento. Além das transições entre os estados excitados e o fundamental, existem também transições entre os diferentes estados excitados. Assim, um espectro de emissão de um dado elemento pode ser relativamente complexo. Considerando que a razão entre o número de átomos nos estados excitados e o número de átomos no estado fundamental é muito pequena, pode-se considerar que o espectro de absorção de um dado elemento é associado às transições entre o estado fundamental e os estados de energia mais elevados. Desta forma, um espectro de absorção é mais simples que um espectro de emissão 4. Átomos na fase gasosa podem ser excitados pela própria chama ou por uma fonte externa. Se forem excitados pela chama, ao retornarem para o estado fundamental, liberam a energia na forma de radiação eletromagnética. Essa é a base da espectrometria de emissão atômica que, antigamente, era conhecida como fotometria de chama e é utilizada largamente em análises clínicas, controle de qualidade de alimentos, além de inúmeras outras aplicações, para averiguar a quantidade de íons de metais alcalinos e alcalino-terrosos, como sódio, potássio, lítio e cálcio 1. Esses elementos emitem radiação eletromagnética na região do visível em uma chama ar-gás combustível (GLP), que opera em uma temperatura entre 1700 e 1900 ºC 1,4. Dessa forma, a energia fornecida é baixa, porém suficiente para excitar Na, K, Li e Ca e, conseqüentemente, gerar a emissão de linhas atômicas características para cada elemento. A intensidade de cada linha emitida depende da concentração da espécie excitada e da probabilidade de ocorrência da transição eletrônica.
1.2 Objetivos •
•
Determinação da concentração de sódio e potássio em amostras de água mineral com o método de Emissão Atômica ou Fotometria de Chama. Familiarização com os métodos de análises fotométricas, como o manuseio do equipamento em questão (Fotômetro de chama Analyser 910)
2 Materias/Equipamentos, Reagentes, Amostras e Métodos 2.1 Materiais/Equipamentos, Reagentes e Amostras
Materiais e Equipamentos • • • • • • • • • •
•
1 Fotômetro de chama Analyser 910 1 Balança analítica, marca GEHAKA, modelo AG 200, precisão 10 3 Béquer 100 mL, marca Deltex 1 Balão volumétrico 100 mL, marca Deltex 6 Balão volumétrico 50 mL, marca Vidrolabor 2 Bastão de vidro 1 Microespátula, marca Galgran 1 Pipeta volumétrica 5 mL , marca Vidrolabor 1 Micropipeta 100-1000µL, marca Digipet 1 Pêra de borracha 1 pisseta com água destilada
-4
Reagentes e amostras • • • • •
•
•
Cloreto de sódio P.A (NaCl) – Vetec -500g Cloreto de potássio P.A (KCl)-Reagente analítico ACS- Proquímica-500g Água destilada Água mineral- Marca Petrópolis- Fonte Sto. Antônio, 510 mL Água mineral- Marca Minalba- Alimentos e bebidas Ltda. Campos do Jordão- Fonte Água Santa, 510 mL. Amostra de água da torneira – Coletada Laboratório de aula prática 11IFGoiàs Fonte SANEAGO (saneamento básico região)
2.2 Métodos 2.2.1 Determinar as curvas de calibração de sódio (Na+) e potássio (K+)
Preparar duas soluções estoque de KCl e NaCl com concentração de 100,0 mg/L de cada íon metálico. Calcular a quantidade de Sódio (Na +) e Potássio (K +) necessário para a • preparação das soluções estoques. • Fazer a pesagem da quantidade necessária de Sódio (Na +) e Potássio (K+). •
Ligar a balança analítica, e utilizando um béquer vazio “zerar” a balança e em seguida com o mesmo béquer fazer a pesagem do reagente com o auxilio de uma micro-espátula. Preparar outras 2 soluções com 50 mL cada e concentração de 10 mg/L • de Na+ e K+ respectivamente, a partir da diluição de parte das soluções estoques. • Preparar por diluição, duas soluções com 50,0 mL contendo Na + e K+ em conjunto, com concentrações finais de Na + e K+ respectivamente de 2,0 e 5,0 ppm. •
2.2.2
• • •
•
•
•
•
•
2.2.3
Procedimento Operacional Padrão (POP) Fotômetro de Chama Analyser 910
1 – Ligar o compressor através da chave frontal inferior. 2 – Fechar o controle de gás localizado no lado direito do equipamento. 3 – Abrir a entrada de gás através da(s) válvula(s) localizada(s) na parede. 4 – Acionar a chave IGNIÇÂO localizado no painel frontal superior no lado direito e abrir lentamente e pausadamente o controle de gás localizado no lado direito do equipamento até a chama ser acesa. 5 – Colocar um béquer com água destilada e mergulhar o cateter (mangueira fina), localizada no painel frontal inferior. 6 – Aguardar até que o dreno comece a drenagem, ou seja, a caixa dispensadora deve estar cheia. 7 – Ajustar lentamente a chama utilizando o controle de gás no lado direito do equipamento até a chama ficar totalmente azul (chama estequiométrica). 8 – Ligar o fotômetro de chama através da chave LIGA-DESLIGA, localizada no painel traseiro do equipamento no lado esquerdo. Executar uma análise com o Fotômetro de Chama Analyser 910.
1 – Siga os procedimentos de A para ligar o aparelho. 2 – Mergulhar o cateter no béquer contendo água destilada. 3 – Ajustar o zero para o Sódio e o Potássio utilizando os controles de zero localizado no painel frontal superior. 4 – Mergulhar o cateter em um béquer contendo o padrão de calibração (solução estoque). Obs.: Em caso de valores acima de 199 precisa-se de uma diluição da solução estoque. 5 – Ajustar com o controle de padrão localizado no painel frontal superior o valor do respectivo padrão. 6 – Fazer uma curva de calibração com uma série de diferentes concentrações preparada, utilizando-se alíquotas diluídas a partir da solução de estoque (padrão de calibração)
7 – Fazer a leitura da(s) amostra(s) e calcular os valores das concentrações. Obs.: Antes de qualquer análise limpar o sistema com água destilada.
3 Cálculos e Resultados 3.1
Cálculos
3.1.1 Preparar 100,0 mL de solução estoque de KCl e NaCl, com concentração 100 mg/L de cada íon metálico
Cálculo da quantidade de NaCl que contém 100,0 mg de Na + Conversão: 100,0 mg = 0,100 g Massa molecular: Na = 23,0 g NaCl: 23g + 35,5g = 58,5g Cl = 35,5 Quantidade de NaCl necessária para se ter 0,100 g de Na +: 58,5 g de NaCl → 23 g de Na + X g de NaCl → 0,1000 g de Na+ X = 0,25 g de NaCl para 1000 mL de solução •
Para 100,0 mL de solução
→
0,025
Para 100 mL de solução com concentração de 0,100 g/L de Na +, é necessário 0,025 g de NaCl
Cálculo da quantidade de KCl que contem 100,0 mg de K + Conversão: 100,0 mg = 0,100 g Massa molecular: k = 39,1g NaCl: 39,1 g + 35,5 g = 74,6 g Cl = 35,5 g Quantidade de KCl necessária para se ter 0,100 g de K +: X = 0,19 g de KCl para 1000 mL de 74,6 g de KCl → 39,1 g de K+ solução X g de KCl → 0,1000 g de K+ •
Para 100,0 mL de solução
→
0,019 g de KCl
Para 100 mL de solução com concentração de 0,100 g/L de K +, é necessário 0,019 g de KCl
3.1.2 Diluição de parte das soluções estoque, para se obter 2 soluções (50,0 mL) contendo 10 mg/L de Na+ e K+, respectivamente. •
Diluição da solução estoque de NaCl 100,0 mg/L de Na + para 10,0 mg/L (50,0 mL)
C1 × V1 = C2 × V2 100,0 × V1 = 10,0 × 50,0 V1=5,0 mL Onde: C1 = concentração inicial da solução estoque (100 ppm) V1 = volume de solução estoque necessário para diluição (a ser encontrado) C2 = concentração final das amostras (desejada) V2 = volume final (volume das amostras: 50,0 mL) •
Diluição da solução estoque de KCl 100,0 mg/L de K + para 10,0 mg/L (50,0 mL)
C1 × V1 = C2 × V2 100,0 × V1 = 10,0 × 50,0 V1=5,0 mL Após preparadas às diluições, as soluções devem ser postas em conjunto. 3.1.3 Preparação por diluição de duas soluções (50,0 mL) contendo Na+ e K+ em conjunto, com concentrações finais de Na+ e K+ respectivamente de 2,0 e 5,0 ppm.
Para 2,0 ppm de Na + e K+ ,respectivamente: C1 × V1 = C2 × V2 100,0 × V1 = 2,0 × 50,0 V1=1,0 mL •
Para 5,0 ppm de Na + e K+ ,respectivamente: C1 × V1 = C2 × V2 100,0 × V1 = 5,0 × 50,0 V1=2,5 mL •
São necessários o volume de 1,0 mL de solução de NaCl e KCl a 100,0 mg/L de Na+ e K+ respectivamente, para preparar soluções de concentração de 2,0 ppm destes e 2,5 mL de solução de NaCl e KCl a 100,0 mg/L de Na + e K+ respectivamente, para preparar soluções de concentração de 5,0 ppm destes. 3.2
Resultados
3.2.1 Curva de calibração
Tabela 1 - Intensidade de emissão atômica - soluções diluídas de NaCl.
[C] (ppm)
Emissão Na+
2
5,9
5
17,6
10
37,2
Em i s s ã o N+ 40
30
y = 3,9133x - 1,9 R2 = 1
20
10
0 0
2
4
6
8
10
12 [C] (ppm
Figura 1 – Gráfico da intensidade de emissão de Na+ - soluções diluídas de NaCl.
Tabela 2 - Intensidade de emissão atômica - soluções conjuntas de NaCl + KCl.
[C] (ppm)
Emissão Na+
Emissão K+
2
7,5
00,2
5
20,3
2,4
10
40,0
7,2
Em iss ão Na+ 50
40
30
y = 4,05x - 0,3 R2 = 0,9995
20
10
0 0
2
4
6
8
10 [C] (ppm)
Figura 2 – Gráfico da intensidade de emissão de Na+ - soluções conjuntas de NaCl e KCl.
Em i s s ã o + 8,00
6,00
y = 0,9039x - 1,91 R2 = 0,9976
4,00
2,00
0,00 0
2
4
6
8
10
12
[C] (ppm
Figura 3 – Gráfico da intensidade de emissão de K+ - soluções conjuntas de NaCl e KCl.
Tabela 3 - Intensidade de emissão de Na + e K+ - amostras de água.
Água Água Mineral Petrópolis
Emissão Na 21,8
+
Emissão K+ 1,6
Água Mineral Minalba
10,3
1,5
Água de torneira
43,2
2,2
Utilizando as equações encontradas nos gráficos das curvas de calibração com as soluções contendo Na + e K+, foram encontradas as concentrações destes íons nas amostras de água mineral e água de torneira, substituindo os valores de intensidade de emissão no “y” encontrando o “x” que corresponde à concentração para cada caso, como pode ser visto na tabela abaixo: Tabela 4 - Concentração de Na + e K+ calculados nas amostras de água.
[Na+] (ppm)
[K+] (ppm)
Água Mineral Petrópolis
5,4
1,55
Água Mineral Minalba
2,6
1,52
Água
Água de torneira
10,7
1,71
4
Discussão e conclusão
Com base nos resultados obtidos de intensidade de emissão de K+ e Na+ das amostras de água mineral e da água de torneira, podemos comparar com os valores especificados nos rótulos dos produtos. Na água mineral de marca Petrópolis a especificação da concentração de K + é de 0,82 ppm, na análise realizada no fotômetro de chama obtivemos o valor de concentração igual a 1,55 ppm e a especificação para concentração de Na+ é de 1,97ppm e foi obtido no experimento o valor de 5,4 ppm. Na água mineral de marca Minalba a especificação da concentração de K + é de 1,30 ppm, na análise realizada no fotômetro de chama obtivemos o valor de concentração igual a 1,52 ppm e a especificação para concentração de Na + é de 1,10 ppm e foi obtido no experimento o valor de 2,6 ppm. Os valores de concentração de Na + e K+ da água de torneira foram respectivamente 10,7 e 1,71 ppm. Verificamos que na amostra de água mineral Petrópolis as concentrações encontradas no experimento foram maiores que as especificações dos rótulos, assim como na amostra da água mineral Minalba que também foram superiores.
5
Bibliografia
1. Dean, J. A.; Flame Photometry , McGraw-Hill: New York, 1960. 2. Skoog, D. A.; West, D. M.; Holler, F. J.; Analytical Chemistry: An Introduction, 6ª ed., Saunders: Chicago, 1994. 3. Whitten, K. W.; Davis, R. E.; Peck, M. L.; General Chemistry with Qualitative Analysis, 5th ed., Saunders: New York, 1996. 4. Jeffrey, H.; Bassett, J.; Mendham, J.; Denney, R. C.; Vogel: Análise Química Quantitativa, Trad. Horácio Macedo, 5ª ed., LTC: Rio de Janeiro, 1992, p. 629. Experimentos simples usando fotometria de chama para ensino de princípios de espectrometria atômica em cursos de química analítica. Química Nova. Disponível em: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S010040422004000500026 Acessado em: acessado em: 01/10/2010.
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Perspectivas de continuidade ou desdobramento do trabalho
O experimento transcrito nesse relatório proporcionou um conhecimento fundamental e bastante importante na área de espectroscopia atômica. Apesar de sua simplicidade diversos conceitos importantes estão envolvidos no desenvolvimento de experimentos usando a fotometria de chama, desde os princípios de espectroscopia até a estatística no tratamento de dados, passando por preparo de amostra e eliminação de interferências. A fotometria de chama é uma alternativa instrumental de análise de baixo custo financeiro, operacional e de manutenção sendo portanto, muito útil em diversos tipos de análises químicas. Sua aplicabilidade pode ser desenvolvida em importantes pesquisas tais como auxiliar os produtores de biodiesel no controle de qualidade, sendo uma nova estratégia de baixo custo, simples, rápida e de fácil operação para a determinação de sódio em biodiesel. Além do controle de qualidade de soro fisiológico, águas minerais, bebidas isotônicas, medicamentos anti-depressivos à base de lítio e uma grande diversidade de outros produtos que para serem comercializados dependem do controle do teor de sódio, potássio, lítio ou cálcio em sua composição
