Workshop_preparo de Amostra_Francisco Krug

Métodos de Preparo de Amostras Fundamentos sobre preparo de amostras orgânicas e inorgânicas para análise elementar a

6 Edição Revisada e Ampliada

Editor: Francisco José Krug

Abril 2006

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)

Seção Técnica de Biblioteca - CENA/USP Workshop sobre Preparo de Amostras (6 : 2006 : Santa Maria) Métodos de preparo de amostras; fundamentos sobre preparo de amostras orgânicas e inorgânicas para análise elementar / editado por Francisco José Krug. – Santa Maria : UFSM, 2006. 282 p. 1. Preparo de amostras - Workshop I. Francisco José Krug, ed. II. Título CDU 543.05

APRESENTAÇÃO

Este texto foi inspirado no roteiro recomendado por Richard Anderson em monografia especialmente dedicada ao pré-tratamento de amostras e separações, mas contém capítulos inéditos, baseados na experiência dos autores. Nas edições antigas, os atuais capítulos 5, 6 e 7 correspondiam, em boa parte, à tradução dos capítulos correspondentes ao livro de Anderson, complementada com informações contidas na versão em inglês da excelente monografia de Rudolf Bock sobre decomposição de amostras e do histórico texto de M. Würfels sobre decomposições em sistemas fechados. Na 4 a edição (2003) foram incorporadas aplicações e abordagem de outros métodos de decomposição não mencionados nas versões anteriores, as quais foram feitas pelo MSc Juliano Smanioto Barin e Prof. Dr. Érico Marlon de Moraes Flores. Nesta 6 a edição foram incorporados capítulos sobre erros sistemáticos, extrações assistidas por ultra-som, análise direta de sólidos e suspensões. Os capítulos 6 e 7 foram reestruturados e reeditados pelo grupo liderado pelo professor Érico Flores; o capítulo 8 foi atualizado e revisado pelos professores Joaquim de Araújo Nóbrega (DQ-UFSCar), Ana Rita Nogueira (EMBRAPA Sudeste) e pelo grupo de Santa Maria, contendo várias aplicações selecionadas com experiência dos autores. Quero também destacar, que este texto foi inspirado a partir de materiais didáticos preparados pelo Prof. Dr. Ramon Barnes (University of Massachussets, Amherst, USA), pelo Prof. Dr. Günter Knapp (Tecnhical University Graz, Austria), e pelo Professor Dr. Antônio Celso Spínola Costa (Instituto de Química-UFBA) para o I e II Workshops sobre Métodos de Decomposição de Amostras realizados no CENA-USP, Piracicaba-SP, em 1996 e 1998, e para o III Workshop realizado em São Carlos-SP no CCDM, DQ-UFSCar e EMBRAPA Sudeste. Aproveito para expressar meus mais sinceros agradecimentos a todos os autores, à Comissão Organizadora deste VI Workshop, e a todos aqueles que estarão trabalhando para o sucesso deste evento: conferencistas convidados, coordenadores e supervisores de aulas práticas, expositores, técnicos especializados e pessoal de apoio operacional e administrativo do Departamento de Química da Universidade Federal de Santa Maria. Francisco José Krug

23/04/2006

INFORMAÇÕES SOBRE OS AUTORES Dra. Ana Rita de Araujo Nogueira, pesquisadora da Embrapa Pecuária Sudeste e professora credenciada no Programa de Pós-Graduação em Química da UFSCar, São Carlos-SP. Prof. Dr. Antonio Celso Spínola Costa, professor do Departamento de Química da Universidade Federal da Bahia, Salvador-BA Prof. Dr. Carlos Emanuel de Carvalho Magalhães , professor do Centro de Ciências e Tecnologia, Departamento de Física e Química, Univ. Estadual do Ceará, Fortaleza-CE. Dra. Cassiana Seimi Nomura, pesquisadora (FAPESP) junto ao Laboratório de Química Analítica “Henrique Bergamin Filho”, CENA-USP, Piracicaba-SP. Dr. Dário Santos Junior, pesquisador (FAPESP) junto ao Centro de Lasers e Aplicações, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares-IPEN, São Paulo-SP e colaborador no Laboratório de Química Analítica “Henrique Bergamin Filho”, CENA-USP, Piracicaba-SP. Químico Diogo Pompeu de Moraes, estudante de mestrado do Programa de PósGraduação em Química do Departamento de Química da Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria-RS. MSc. Éder Lisandro de Morares Flores, professor do Departamento de Química da Universidade Estadual do Rio Grande do Sul, Santana do Livramento-RS. Químico Fábio Andrei Duarte estudante de mestrado do Programa de Pós-Graduação em Química do Departamento de Química da Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria-RS. ,

Prof. Francisco José Krug , professor do Centro de Energia Nuclear na AgriculturaUSP, Dr. Laboratório de Química Analítica “Henrique Bergamin Filho”, Piracicaba-SP Prof. Dr. Érico Marlon de Moraes Flores, professor do Departamento de Química da Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria-RS. Prof. Dr. Günter Knapp, professor do Institut für Analytische Chemie und Radiochemie, Graz University of Technology, Graz-Áustria Prof. Dr. Joaquim de Araújo Nóbrega, professor do Departamento de Química, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos-SP. Prof. Dr. Juliano Smanioto Barin , professor da Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões, Departamento de Ciências da Saúde, Curso de Farmácia, Frederico Westphalen-RS. Prof. Dr. Mauro Korn, professor do Departamento de Ciências Exatas e da Terra da Universidade do Estado da Bahia, Salvador-BA. MSc. Márcia Foster Mesko, professora do Departamento de Química da Universidade Estadual do Rio Grande do Sul, Sananduva-RS. Prof. Dr. Marco Aurélio Zezzi Arruda, professor do Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas, Campinas-SP. Prof. Dr. Pedro Vitoriano de Oliveira, professor do Instituto de Química da Universidade de São Paulo, São Paulo-SP. Prof. Dr. Valderi Luiz Dressler, professor do Departamento de Química da Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria-RS.

1. INTRODUÇÃO 1.1.

A SEQUÊNCIA ANALÍTICA: PRINCIPAIS REQUISITOS PARA A REALIZAÇÃO DE UMA ANÁLISE QUÍMICA

A primeira etapa de uma análise consiste em submeter a amostra a um tratamento adequado visando sua preparação para os passos subseqüentes da análise. A maneira de se decompor a amostra para a análise depende da sua natureza, do elemento a ser determinado e sua concentração, do método de análise, e da precisão e exatidão desejadas. O tratamento da amostra pode envolver uma transformação substancial da espécie química de interesse, para uma forma apropriada para a aplicação do método de determinação escolhido. Antes de se proceder ao estudo detalhado sobre pré-tratamento de amostras, é conveniente recordar quais são as etapas que um analista deverá levar em consideração sempre que uma amostra tiver que ser analisada: a) Definição do problema. Este é o primeiro passo no planejamento de uma análise: “ qual é a informação analítica desejada?” b) Escolha do método. A partir do momento em que se souber exatamente qual é a informação desejada, pode-se decidir com detalhes como ela será obtida: i. o método deve ser eficiente e, sempre que possível, simples e rápido; ii. não deve causar danos ao recipiente no qual a amostra será tratada; iii. não deve causar qualquer perda do constituinte de interesse; iv. não deve permitir ou promover contaminação dos constituintes a serem determinados, bem como de quaisquer substâncias interferentes, a menos que estas possam ser facilmente removidas; v. mínima manipulação experimental; vi. máxima segurança operacional. c) Amostragem. É o processo de se selecionar e remover uma pequena, representativa e suficiente parte de um todo, a partir da qual será feita a análise. O termo “amostragem representativa” é muito subjetivo, mas pode ser melhor compreendido como “amostragem apropriada”. d) Pré-tratamento da amostra e separação. Em geral, a amostra deve ser convertida em uma forma adequada para que a análise proceda. Somente na mais simples das

© Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006

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e) f)

g) h)

Introdução

situações a amostra poderá ser analisada sem qualquer tipo de pré-tratamento, que pode incluir ou não alguma forma de separação. Medida. Obtenção de dados analíticos a partir de medidas na amostra pré-tratada. Calibração. Obtenção de dados analíticos a partir de padrões preparados adequadamente. Em espectrometria atômica as soluções-padrão são também denominadas de soluções de referência, a partir das quais se constrói uma curva analítica de calibração ou curva de calibração. Também podem ser usados materiais de referência e materiais de referência certificados para as calibrações. Avaliação. Interpretação dos resultados obtidos a partir das operações feitas em (e) e (f), incluindo o controle de qualidade analítica através de um procedimento adequado. Ação. O resultado analítico será usado para se tomar uma decisão com respeito ao problema srcinal

Assim, antes de se analisar qualquer amostra, recomenda-se que todos os passos da seqüência analítica sejam informados através de uma planilha: a) Definição do problema. b) Escolha do método. c) Amostragem. d) Pré-tratamento da amostra. e) Testes qualitativos na amostra pré-tratada. f) Testes com materiais de referência para comparação. g) Interpretação dos resultados. h) Ação.

Notas: (i) Em análises de rotina o problema e a escolha do método devem ser previamente conhecidos, lembrando que o método deve estar muito bem estabelecido. (ii) Em muitos casos a amostragem não é feita pelo analista, mas por outra pessoa habilitada. Idealmente, o analista deve sempre participar do processo de amostragem; quando isto não for possível deverá tomar ciência da planilha de amostragem, com descrição detalhada dos materiais utilizados. (iii) O analista terá sempre que fornecer o resultado analítico, mas nem sempre é requisitado e/ou instruído para tomar uma decisão com respeito à definição do problema analítico. Em alguns casos, as incertezas inerentes ao método escolhido podem impedir e/ou prejudicar tomadas de decisão.


Introdução

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(iv) Em muitos casos as operações de pré-tratamento de amostras, separação dos constituintes de interesse, controle de qualidade com materiais de referência e interpretação dos resultados, e mesmo amostragem podem ser automatizados. Uma ação também pode ser automatizada em um instrumento de controle de processo automático. (v) Alguns métodos analíticos são absolutos, podendo dispensar a etapa de calibração envolvendo soluções-padrão, como os gravimétricos, por exemplo.

É oportuno observar que, dentre todas as operações analíticas, a etapa de pré-tratamento das amostras é a mais crítica. Em geral, é nesta etapa que se cometem mais erros e que se gasta mais tempo. É também a etapa de maior custo. Por isso, os passos de um procedimento de pré-tratamento de amostra deverão ser sempre considerados cuidadosamente.

1.2. EFICIÊNCIA ANALÍTICA Virtualmente, cada método analítico inclui algum tipo de pré-tratamento de amostra. Freqüentemente, esta etapa consome a maior parte do trabalho analítico. Assim, quando um método estiver sendo avaliado, seja quanto ao seu desempenho ser adequado ou não para o propósito analítico, seja na comparação de dois métodos, as etapas de prétratamento deverão ser sempre consideradas com muito cuidado. Em resumo, a operação de pré-tratamento das amostras pode governar: - a precisão (repetibilidade e reprodutibilidade) e a exatidão dos resultados obtidos - o tempo total e esforço envolvidos na análise •

•

Em geral, o método selecionado deverá ser executado com o menor número possível de operações de pré-tratamento, desde que seja capaz de fornecer resultados analíticos com a devida confiabilidade metrológica. Muitos métodos instrumentais modernos (fluorescência de raios-X, análise por ativação neutrônica instrumental, ablação com laser em espectrometria de massas com plasma, espectrometria de emissão ótica com excitação por arco ou faísca, eletrodissolução anódica em fluxo contínuo) requerem pouco ou nenhum prétratamento de amostras comparativamente aos métodos clássicos.


2. ERROS SISTEMÁTICOS NO PREPARO DE AMOSTRAS Francisco José Krug Dário Santos Junior

2.1.

INTRODUÇÃO

A evolução das técnicas de espectrometria atômica permitiu que a determinação de elementos químicos em baixas concentrações, ao nível de µg/kg a pg/kg fosse possível. Esses avanços contribuíram fortemente para a caracterização e desenvolvimento de novos materiais, assim como aplicações nas áreas de toxicologia, agricultura, medicina, biologia, química forense, entre outras. Contudo, essas técnicas geralmente envolvem a introdução das amostras em soluções aquosas e essa característica srcinou uma das ironias da espectrometria analítica moderna, pois, embora seja possível a determinação simultânea com excelente sensibilidade em tempos inferiores a 1 min, a conversão da amostra sólida em uma solução representativa pode levar de 5 min a 48 h ou mais, dependendo da complexidade da matriz. Os tratamentos podem envolver uma transformação substancial da espécie química de interesse para uma forma apropriada à aplicação do método de determinação escolhido, assim como dependem fortemente da natureza da amostra, do elemento a ser determinado e sua concentração, da precisão e da exatidão desejada. Após duas décadas de pesquisas e avanços na instrumentação comercial, existe um consenso que o tratamento da amostra previamente a análise é a etapa de maior custo e de maior fonte de erros na espectrometria atômica. Segundo Tölg e Tschöpel (1994), os erros, denominados sistemáticos, são devidos, principalmente, à insuficiente qualificação dos analistas e/ou à inadequada infra-estrutura laboratorial, tornando impossível o estabelecimento de qualquer estratégia para o ótimo desempenho de um método analítico. A primeira afirmação já fora colocada de forma mais contundente por Abbey (1981), em trabalho destacando a importância da formação da pessoa mais do que o método e a instrumentação, quando afirmou que“A confiabilidade de um resultado depende mais de quem o produz do que como é obtido. Não existem maus métodos, mas apenas maus analistas que não atentam para suas próprias limitações”.(S. Abbey. Anal. Chem, v.53, n.4,

p.529A, 1981). Esta frase foi oportunamente lembrada pelo Professor Paschoal Ernesto Américo Senise, no histórico artigo intitulado “A química analítica na formação do químico” publicado na revista Química Nova, v.5, n.4, p.137-143, 1982.

Erros sistemáticos no preparo de amostras

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Com referência à infra-estrutura laboratorial, ela poderá ser particularmente crítica para a determinação de baixas concentrações de elementos, dependendo do analito. A preocupação sempre se torna evidente para teores da ordem de µg/g e aumenta, consideravelmente, com a quantidade absoluta a ser determinada. No Brasil, no fim da década de 70, um dos principais motivos que contribuíram para o insucesso da implementação da espectrometria de absorção atômica com forno de grafite (GFAAS) eram os altos valores dos brancos analíticos, face à inadequação das condições de trabalho laboratorial. Em GFAAS, é comum a determinação demassas da ordem de picogramas (1012 g). De qualquer forma, este assunto vem sempre à tona quando os resultados analíticos apresentam erros não toleráveis e/ou quando são acompanhados de incertezas que impeçam tomadas de decisão. Supõe-se, aqui, que o analista possua as ferramentas metrológicas necessárias para impedir que falsos resultados (positivos ou negativos) sejam emitidos. A importância da qualidade do resultado analítico pode ser colocada de outra forma: o custo poderá ser muito maior que os investimentos feitos na instrumentação para determiná-lo. Este aspecto fica evidente quando se analisam os resultados obtidos pelo IMEP (International Measurement Evaluation Program) em uma série de artigos liderados por Paul De Bièvre, renomado cientista do IRMM (Institute for Reference Materials and Measurements) na União Européia. O IMEP é um projeto do IRMM em cooperação com o NIST (National Institute of Standards and Technology) com o objetivo de aumentar a confiança das medidas em química sob os auspícios da IUPAC (international Union of Pure and Applied Chemistry), EURACHEM (Foco em Química Analítica na Europa), EUROMET (Association of European Institutes for Metrology) e CITAC (Cooperation for International Traceability in Analytical Chemistry). No artigo de Lamberty et al (1996), referente ao IMEP 3, os resultados de 10 elementos em águas foram fruto da contribuição de 155 participantes. Ao agrupar os resultados em função das técnicas/métodos utilizados (ICP OES, ICP-MS, FAAS, GFAAS, por exemplo), observaram-se resultados imprecisos e inexatos, independentemente dos métodos utilizados. Os resultados mais contraditórios foram observados na determinação de ferro. No artigo de Van Nevel et al (1998) merece menção o fato de que resultados inexatos e imprecisos também foram obtidos por laboratórios denominados acreditados ou certificados ou autorizados quando sedeterminou chumbo em amostra de água. Os resultados discutidos nos trabalhos do IMEP não surpreendem, quando se recorre aos trabalhos de Tölg e Tschöpel. Segundo estes autores, as dificuldades são

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maiores para a determinação de elementos-traço que ocorrem em altas concentrações na crosta terrestre, como Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Mn e Ti, porque estes elementos estão sempre presentes no ambiente de trabalho, principalmente na forma de poeira. Dificuldades também são comuns na determinação de elementos que contaminam o ambiente de trabalho como resultado da poluição antropogênica (Zn, Pb, Cd, Hg, Cu, As, Ni, por exemplo). As mais importantes fontes de erros sistemáticos podem ser agrupadas nas diferentes etapas da seqüência analítica, partindo da sugestão de Tschöpel e Tölg (1982): a) Amostragem inapropriada, manuseioda amostra e armazenamento, homogeneidade inadequada; b) Contaminação da amostra e/ou solução da amostra por ferramentas, aparelhos, frascos, reagentes e poeira durante o procedimento analítico; c) Efeitos de adsorção e dessorção nas paredes internas dosfrascos e fases sólidas de diferentes materiais (filtros, colunas, precipitados); d) Perdas de elementos (Hg, As, Se, Cd, Zn) e compostos (óxidos, haletos, hidretos de elementos) por volatilização; e) Reações químicas incompletas ou indesejáveis, como mudança do estado de oxidação, precipitação, troca iônica, formação de complexos; f) Influências da matriz na geração do(s) sinal(is) analítico(s), como atomização incompleta, interferências espectrais de fundo (“background”); g) Calibração e avaliação incorretas, como resultado do uso de padrões inapropriados, soluções-padrão instáveis, funções matemáticas falsas, por exemplo. O diagrama de blocos da Figura 2.1 mostra as principais fontes de erros nesta seqüência analítica. Cabe esclarecer que este capítulo não tratará das incertezas devidas à amostragem no campo e no laboratório, por se tratar de tópico muito especializado, que deve ser tratado separadamente. Também não serão tratados os erros e incertezas devidos à calibração de instrumentos, como balanças e sensores de temperatura, por exemplo.


Apropriada ?

Perdas, contaminação ?

Calibração da balança ?

Eficiência, perdas, contaminação ?

Eficiência, perdas, contaminação ?

Preparo da amostra

Pesagem da amostra teste

Decomposição

Separação de interferentes

Amostragem

Estabilidade do analito ? Estabilidade do analito ? Ajuste químico do analito

Medida instrumental da concentração do analito

Eficiência da Conversão ?

Calibração com soluções-padrão, CRM’s

Resultados

Figura 2.1. Incertezas na seqüência analítica (adaptado de Peter Bode, Interfaculty Reactor Institute, Delft University of Technology, apontamentos de aula da Disciplina CEN5761 Metrologia 2005).

© Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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2.2.


O BRANCO ANALÍTICO

O branco analítico é, reconhecidamente, o “calcanhar de Aquiles” da química analítica de baixas concentrações. Quando uma amostra é analisada, ela deverá ser feita com um número apropriado de repetições (n medidas), de tal forma que o resultado encontrado (m am) venha acompanhado de uma incerteza, que é geralmente equivalente à estimativa de 1 desviopadrão (sam). A média dos resultados das n medidas é representada por mam ± sam Na química analítica, com particular atenção para a determinação de elementostraço, o resultado final da análise deverá levar em consideração o valor do branco. Quando se manipulam soluções, o branco analítico é a solução resultante de todas as etapas do procedimento analítico na ausência da amostra. Em geral o branco é mais afetado na etapa de preparação da amostra, por causa dos riscos de perdas do analito e/ou contaminação. Seguindo o mesmo raciocínio, o branco deverá ser feito com n repetições e o resultado será uma média (m br) acompanhada do respectivo desvio-padrão das n medidas do branco (sbr): mbr ± sbr O resultado final será a diferença destas médias acompanhada de um desviopadrão que é a raiz quadrada da soma dos quadrados dos desvios-padrão das medidas da amostra e do branco: mam - mbr ± (sam2 + sbr2)1/2 Tabela 2.1 . Exemplos da propagação da incerteza das medidas do branco no resultado final da determinação de um analito. Amostra

Branco

Resultado final

mam ± sam

mbr ± sbr

mam - mbr ± (sam2 + sbr2)1/2

Caso 1

15 ± 1

5±5

10 ± 5

Caso 2

15 ± 1

2±1

13 ± 1,4


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Os exemplos mostrados na Tabela 2.1 mostram como o valor do branco pode comprometer a qualidade de um resultado. No Caso 1, a incerteza das medidas do branco é refletida totalmente no resultado final, ao passo que no Caso 2, a incerteza do resultado final reflete as incertezas das medidas da amostra e do branco. Na prática, o branco analítico pode ser eficientemente diminuído, controlando-se três fontes principais: a) Qualidade do ar do laboratório; b) Pureza dos reagentes (nos quais a água está incluída); c) Qualidade dos materiais, equipamentos e/ou assessórios Uma das experiências mais interessantes sobre a importância do controle das fontes de contaminação foi reportada por Murphy (1974), em publicação especial do antigo National Bureau of Standards (NBS, atual NIST), apud Kingston (1996). A intenção era certificar algumas propriedades de um vidro, entre elas o teor de Pb. A mesma massa de amostra foi analisada sob diferentes condições, e os resultados são mostrados na Tabela 2.2. Tabela 2.2. Influência de “brancos analíticos” na determinação de baixas concentrações de chumbo. Adaptado de Skip Kingston, 1996. “The Role of Analytical Blank in Accurate Trace Analysis”. Thomas Murphy, NBS Special Publication 4222, Accuracy in Trace Analysis: Sampling, Sample Handling and Analysis. Proc. 7th IMR Symposium, 1974, Gaithersburg-MD. Condição

Média ± desvio-padrão (µg Pb)

Primeira análise de vidro NIST

330 ± 250

Análise com ácidos selecionados

260 ± 200

Análise em capela de fluxo laminar Classe 100

20 ± 8

Análise com ácidos de alta pureza em sala branca

2±1

É muito raro os brancos serem preparados nas mesmas condições da amostra. A maior dificuldade está na etapa de amostragem e no preparo da sub-amostra, pois, idealmente, se a amostra for um sólido orgânico ou inorgânico, o branco deveria ser obtido a partir de uma amostra sólida com características similares, mas que não


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contivesse o analito, e processada de acordo com o procedimento de todas as etapas correspondentes na seqüência analítica. No caso de sólidos orgânicos a amostra pode, por exemplo, ser substituída por celulose de altíssima pureza, coletada e moída nas mesmas condições das amostras. Com sólidos inorgânicos, pode-se utilizar quartzo de altíssima pureza para a análise de silicatos, mantendo-se as mesmas condições de moagem e homogeneização. Posteriormente, supondo-se que a amostra foi tratada com 10 ml de HNO 3 concentrado, que esta solução foi evaporada até quase a secura, e que o resíduo foi retomado com 1 ml de HClO4, seguido da adição de H2O e de uma filtração para balão volumétrico de 100 ml, o branco passará por todas as etapas deste procedimento, e a solução resultante armazenada nas mesmas condições da amostra. Em casos mais simples, p.ex. uma amostra de água filtrada através de filtro de membrana de acetato de celulose de 0,45 µm para um frasco de polietileno, seguida da acidificação com 1,0 ml HNO3 concentrado por litro de amostra, o branco deverá ser obtido com água da mais alta pureza, seguindo-se o mesmo procedimento de filtração, acidificação e armazenamento. Determinar o valor do branco é imprescindível para a obtenção de resultados com confiabilidade metrológica, incluindo-se o limite de detecção, e deverá ser feito sempre que as amostras forem analisadas. As condições recomendadas pela IUPAC para determinações espectrométricas, referem-se a, pelo menos, 20 medidas instrumentais de uma solução do branco para o cálculo do limite de detecção. Neste caso, o desvio-padrão das medidas não representa as incertezas nas diversas etapas da seqüência analítica. A incerteza total do método poderá ser estimada, processando-se a amostra do branco com, pelo menos, 4 repetições. Com referência aos erros sistemáticos, eles serão aqui tratados obedecendo-se a seguinte seqüência, conforme sugestão de Knapp (1996): •

Erros devidos à contaminação –

•

pelo ar

–

por impurezas em reagentes

–

por impurezas em materiais

Erros devidos às perdas de elementos por volatilização –

–

•

por adsorção

Erros devidos à decomposição/dissolução incompleta das amostras


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2.3.

ERROS POR CONTAMINAÇÃO

2.3.1. Contaminação pelo ar A contaminação pelo ar será a principal responsável por altos valores de branco, quando a qualidade da limpeza do laboratório não for adequada. Os principais contaminantes presentes nas poeiras de srcem geológica, predominantemente solos, são Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, Ti; poeiras metalúrgicas apresentam elevados teores de Fe. Segundo Tölg e Tcshöpel (1994), a atmosfera de áreas densamente povoadas também apresenta elementos que não são comumente encontrados, como V, Zn, Ni, Co, Mn Pb, Cr, Cu, F em concentrações maiores que 0,1 µg m -3 , além S e Cl. A Figura 2.2

mostra os principais contaminantes que podem estar presentes no ar. Cinzas Bactérias Fumaça de cigarro

Pólen Pó de cimento Farinha moída

Fumos Vírus

Poeiras de carvão Fumaça de óleo

Poeiras e fumaças metalúrgicas Visível Visível ao ao olho olho humano humano

Poeira de inseticidas

0,001

0,01

0,1

0,3 0,3

1

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100

Diâmetro médio das partículas / µm

Figura 2.2. Tamanho dos principais contaminantes do ar. Observar a escala logarítmica e a indicação para filtros de alta eficiência para partículas ≥ 0,3 µm. Adaptado de T.J. Murphy. In: P.D. La Fleur. National Bureau of Standards Special Publication 422, p.509541, 1976.


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Além disso, a atmosfera do laboratório poderá apresentar partículas provenientes das paredes, da pintura, do piso, do mobiliário, dos equipamentos, das vestimentas e do próprio analista. Assim, se material particulado entrar em contato com as amostras, a contaminação poderá ser muito severa. Em alguns casos, a proteção contra a contaminação poderá ser bastante efetiva com um pequeno investimento, ou utilizando sistemas fechados para o preparo das amostras e das soluções. Segundo Tschöpel (1989), o mínimo que se deve ter a disposição é uma capela de fluxo laminar; mesmo num corredor, a atmosfera no interior desta capela é muito melhor do que dentro de um laboratório sem nenhum tratamento do ar. Entretanto, o melhor para evitar e/ou controlar a contaminação pelo ar é trabalhar em áreas limpas. A classe de limpeza destas áreas é projetada em função do número máximo de partículas de 0,5 µm/pé3. Um ambiente com Classe de Limpeza 100, ou simplesmente Classe 100, apresenta, no máximo, 100 partículas de 0,5 µm por pé3. Esta classificação se baseava no US Federal Standard 209 (Tabela 2.3) que foi, posteriormente, substituída pela FS 209E, a qual incorpora o sistema métrico, onde a Classe 100 corresponde a, no máximo, 3520 partículas de 0,5 µm por m3. Tabela 2.3. Número máximo de partículas por pé cúbico de ar, segundo a antiga norma americana FS209 "Airborne Particulate Cleanliness Classes in Cleanrooms and Clean Zones" Tamanho da partícula Classe 0.1 µm

0.2 µm

0.3 µm

0.5 µm

1

35

7.5

3

1

10

350

75

30

10

750

300

100

100

5.0 µm

1,000

1,000

7

10,000

10,000

70

100,000

100,000

700


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Atualmente, os padrões de limpeza das salas limpas baseiam-se na ISO 14644-1 "Classification of Air Cleanliness" (Tabela 2.4), que utiliza o sistema métrico, e as classes se baseiam na seguinte fórmula: Cn = 10N (0.1 / D)2.08 (1) Onde Cn = número máximo permitido de partículas por metro cúbico igual ou maior que o tamanho especificado da partícula, arredondado para um número inteiro; N = é número da Classe ISO, que deve ser um múltiplo de 0.1 e ser≤ 9; D = é o diâmetro da particular em µm.

Tabela 2.4. Classes ISO de limpeza de acordo com a ISSO 14644-1 "Classification of Air Cleanliness" Número máximo de partículas no ar (partículas por m3 iguais ou maiores que o tamanho especificado) Classe ISO > 0.1 µm > 0.2 µm

Tamanho das partículas > 0.3 µm > 0.5 µm

ISO Classe 1

10

2

ISO Classe 2

100

24

10

4

ISO Classe 3

> 1 µm

> 5 µm

1000

237

102

35

8

a

10,000

2,370

1,020

352

83

b

100,000

23,700

10,200

3,520

832

29

ISO Classe 6c 1,000,000 237,000

102,000

35,200

8,320

293

352,000

83,200

2930

ISO Classe 8

3,520,000

832,000

29,300

ISO Classe 9

35,200,000

8,320,000

293,000

ISO Classe 4 ISO Classe 5

ISO Classe 7

d

a

Classe 10 (USFS 209) Classe 100 (USFS 209) c Classe 1000 (USFS 209) d Classe 10000 (USFS 209) b


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Apesar da ISO 14644-1, ainda hoje se utiliza o antigo padrão americano para designar as classes de limpeza. Assim, é ainda comum ouvir as expressões Classe 10, Classe 100, Classe 1000, Classe 10000. Cabe chamar atenção para o trabalho de Benett (1999), que trata do impacto da norma ISO sobre a classificação antiga. Como já foi afirmado, a maneira mais eficiente e conveniente de se controlar contaminações pelo ar é realizar o preparo da amostra e das soluções em uma sala limpa. A sala-limpa é, por definição, uma área hermeticamente isolada da atmosfera externa, onde ar refrigerado e convenientemente desumidificado é introduzido por um sistema de insuflamento, sendo previamente filtrado em um filtro ou conjunto de filtros primários. O insuflamento é feito de tal forma que a pressão no interior da sala seja positiva com referência à pressão externa e que o ar pré-tratado seja introduzido na sala limpa através de filtros especiais, denominados filtros HEPA (acrônimo do inglês High Efficiency Particulate Air filters). A Figura 2.3 mostra um esquema de sala limpa desenvolvida para o Laboratório de Análise de Materiais de Alta Pureza do Max-PlanckInstitut für Metallfforschung, Dortmund-Alemanha. Apesar de este laboratório ter sido desativado há alguns anos, ele foi uma referência para muitos laboratórios de vários centros de pesquisa.

Ent rad a de ar

FAN-COIL

s o r lt i f é r P

A P E H

Sa íd a de a r

A P E H

HEPA HEPA

Dreno Sa ída de ar

Figura 2.3. Corte esquemático de uma sala com limpa com capela de exaustão (adaptado de Tölg e Tschöpel, 1994)


15


Deve-se notar, neste esquema, que é possível trabalhar com capela de exaustão, através da qual também passa ar de alta pureza, com insuflamento através de filtro HEPA. O ar que passa através desta capela não pode ser recirculado por causa dos gases tóxicos e corrosivos provenientes das decomposições e/ou dissoluções das amostras com ácidos concentrados. Na sala limpa proposta por Tölg e Tschöpel (1994) é possivel se obter um ambiente Classe 10000 (ISO Classe 7) na área de circulação interna e Classe 100 (ISO Classe 5) no interior da capela de exaustão. Para se ter uma idéia do significado destas salas, em um laboratório normal o número de partículas maiores que 0,5 µm pode chegar a 2 x 107 por m3 (Tschöpel e Tölg, 1982) Os filtros HEPA apresentam uma eficiência de 99,97% para retenção de partículas ≥ 0,3 µm. Estes filtros impedem a entrada de partículas de poeira geológica, pólen, bactéria, pó de carvão, mas não filtram, eficientemente, partículas menores presentes na fumaça de cigarro e em poeiras metalúrgicas (Figura 2.2). Filtros HEPA especiais, HEPA Tipo D, denominados filtros ULPA ( Ultra Low Penetration Air) deverão reter, por definição, 99,9995% de partículas ≥ 0,12 µm. São recomendados em ambientes projetados para atender ISO Classe 3 e ISO Classe 4. O esquema da Figura 2.4 mostra uma sala limpa com bancada central e bancadas laterais, onde podem ser instaladas capelas de exaustão, desde que o ar não retorne para o sistema de tratamento, e capelas de fluxo laminar. Módulos de insuflamento

Pré-Filtro

Pré-Filtro

Retorno do ar

Filtros HEPA Forro falso Parede falsa

Capela de exaustão

Bancada Classe 100

Bancada auxiliar

Figura 2.4. Corte de uma sala limpa com bancada central, bancada auxiliar, e capela com exaustão (opcional). Adaptado de NBS (1989).


16


FAN COIL

Retorno do ar

Classe 1000

Filtros HEPA

Área de serviço Classe 1000

Retorno do ar

Unidade de controle remoto

Classe 1000

Utilidades de distribuição

Figura 2.5. Corte de uma instalação para salas limpas com sistemas de insuflamento centrífugo no piso superior, piso com salas limpas Classe 1000 com filtros HEPA no teto (a separação física entre estes pisos facilita a manutenção), e um piso inferior onde é feita a tomada de ar das salas limpas, recirculando-o (adaptado de apresentação de R.B. Darling, EE 527-Microfabrication. http://www.ee.washington.edu/research/microtech/cam/PROCESSES/PDF%20FILES/CleanRooms.pdf

Apesar de aparentemente simples, a construção de salas limpas é muito complexa, pois em alguns casos é permitido que o fluxo na área de circulação seja turbulento, sendo laminar apenas no interior das capelas ou sobre as bancadas. Em outros casos, a admissão do ar na sala limpa é através de fluxo laminar. A Figura 2.5 mostra um dos 3 projetos de salas limpas da apresentação de R. B. Darling. No Brasil existem várias empresas especializadas em projetos de salas limpas, inclusive empresas especializadas na manutenção e contagem de partículas. Há, também, a Sociedade Brasileira de Controle de Contaminação (SBCC), www.sbcc.com.br, que também edita a Revista da SBCC. Nesta revista é possível identificar as empresas nacionais, e consultar artigos bastante esclarecedores sobre salas limpas, como, por exemplo, o artigo de Fei Peng e Guangbei Tu (1999).



17

Para a manutenção dos ambientes nas classes de limpeza desejadas, existe uma série de pré-requisitos mínimos, além de treinamento de todos os profissionais envolvidos, para se ter acesso às salas limpas. A lista de pré-requisitos, apresentada a seguir, é relativamente simples, e é aqui apresentada apenas para se ter uma idéia da disciplina mínima exigida nestes ambientes: 1.

2.

3.

4.

Todos os ítens pessoais, como chaves, relógios, anéis, brincos, cigarros, isqueiros, devem ser guardados fora da sala limpa. Itens pessoais, como documentos, talões de cheque, dinheiro podem ser guardados nos bolsos ou em “capangas” sob as vestimentas especiais, sem nunca removê-los. Não se deve fumar próximo ao local onde é feita a tomada de ar para o tratamento primário. A entrada de qualquer pessoa no interior de salas limpas só deve ser permitida com uso de roupas especiais, que inclui, no mínimo, capas para calçados, calças, jalecos e gorros. Os projetos de salas limpas sempre incluem ante-salas e, em alguns casos, pré-câmaras para limpeza de partículas dos usuários. O uso de cosméticos é vedado às pessoas que ingressarem nas salas limpas, incluindo rouge, baton, sombra para olhos, lápis para olhos, máscaras, delineadores, cílios postiços, esmalte de unhas, fixadores de cabelos, mousse,

shampoo anti-caspa a base de sulfeto de selênio, tintas de cabelo (algumas são feitas com acetato de chumbo), e uso em quantidade excessiva de loções e perfumes. A Tabela 2.5 mostra os principais contaminantes presentes em cosméticos. A composição varia muito e raramente é informada pelos fabricantes. Vide também a composição média de alguns contaminantes em cosméticos na Tabela 2.6. 5. Usar somente papéis absorventes e outros tipos de papeis aprovados para salas limpas. 6. Usar somente canetas aprovadas para salas limpas. 7. O uso de papel-toalha é proibido. Deve-se usar, se possível, secador de mãos equipado com filtro HEPA. 8. Não se deve tocar na superfície de qualquer material sem luvas apropriadas, principalmente quando não houver certeza absoluta de que a superfície está bem limpa. 9. Usar somente luvas sem talco ou outro tipo de pó. Em alguns casos, usam-se pinças adequadas para manipular as amostras. As impressões digitais são fontes severas de contaminação, particularmente para determinação de baixas concentrações de Na e de Cl.


18


10. Deve-se evitar o contato de solvente com a pele, pois pode haver remoção de gorduras e tecido morto na forma de escamas. A Tabela 2.6 mostra alguns contaminantes presentes na pele. 11. O uso de loções ou sabonetes com lanolina pode, às vezes, ser tolerado por diminuir a emissão de flocos de pele. 12. Todas as ferramentas de trabalho, os reservatórios de água, e outros materiais devem ser limpos com o mesmo critério usado para limpar as superfícies das bancadas das salas limpas. 13. Nenhum utensílio pode ser colocado diretamente sobre a bancada. Normalmente, usa-se uma bandeja apropriadamente forrada com papel especial para esta finalidade. 14. Somente panos de limpeza, apropriados para a Classe de uso da sala limpa, poderão ser usados. 15. Todos os equipamentos e materiais introduzidos em ambiente estéril deverão ser passíveis de esterilização. 16. Não é permitida a entrada de qualquer pessoa fisicamente doente em ambientes estéreis, especialmente aquelas com desordens estomacais ou respiratórias. Esta é uma boa prática em qualquer sala limpa.

Tabela 2.5. Contaminantes comumente encontrados em alguns cosméticos (adaptado de Richter, 2003) Cosmético

Elementos presentes na composição

Baton

Bi, Fe, Mg, Mn, Ti e Zn

Sombra para olhos

Al, Bi, Cr, Fe, Mg, Mn, Si e Ti

Rouge (“Blush”)

Ca, Fe, Mg, Si e Ti

Máscara

Al, Cr, Fe, Mg, Na e Ti

Pós faciais

Bi, Ca, Fe, Mg, Si, Ti e Zn

Base

Al, Fe, Mg, Na, Si, Ti e Zn


19


Tabela 2.6. Potenciais contaminantes em ambientes de trabalho (adaptado de Iyengar e Sansoni, 1980) Al

Ca

Fe

K

Pb

Zn

3000

2700

3200

8000

2150

1600

Cosméticos (µg g-1)

60000

1100

250

Suor (µg ml-1)

4 - 10

1

350

-1

Poeira geológica (µg g ) Fumaça de cigarro (µg g-1)

7

10 35000 0,1 - 3

Pele (µg g-1)

1-2

250

10

3000

Cabelo (µg g-1)

4 - 30

3200

5 - 70

900

1 6 - 20

3 - 70

450

Além destas precauções, deve-se ter um controle rígido de parâmetros operacionais, tais como a direção e o fluxo de ar, a pressão interna, a umidade relativa e 3 temperatura, e avaliar, periodicamente, o número de partículas por m . A Tabela 2.7 mostra como a qualidade do ar do laboratório melhora, utilizando-se salas limpas ou capelas de fluxo laminar, com considerável diminuição da contaminação por Fe, Cu, Pb e Cd. Tabela 2.7. Concentração (

µg/m3

) de alguns elementos no ar de laboratórios.

E.J. Maienthal, In: J.K. Taylor ed. National Bureau of Standards. Technical Note 545, p.53-54, 1970 Fe

Cu

Pb

Cd

Laboratório comum

0,2

0,02

0,4

0,002

Sala limpa

0,001

0,002

0,0002

nd

Capela de fluxo laminar

0,0009

0,007

0,0003

0,0002


20


2.3.2. Contaminação por reagentes e soluções Os brancos devidos aos reagentes podem ser diminuídos consideravelmente utilizando-se quantidades mínimas de reagentes de alta pureza, os quais podem ser encontrados no comércio ou purificados no próprio laboratório. A água é reconhecidamente o reagente ou o solvente que pode contribuir para a ocorrência de altos valores de brancos. Idealmente, o branco do solvente não deve prejudicar o limite de detecção instrumental. Água Água ultra-pura é um pré-requisito indispensável para a diminuição dos brancos, podendo ser obtida em volumes razoáveis com a combinação de sistemas de purificação, sendo um para o tratamento primário da água bruta (destilação, osmose reversa ou trocaiônica) e outro para o tratamento desta água pré-tratada (sistema fechado com recirculação através de colunas de troca-iônica, ou destilação abaixo do ponto de ebulição em destiladores de quartzo). A Tabela 2.8. mostra como varia a composição de uma água não tratada, utilizando-se tratamento convencional (desionização com colunas contendo resinas de troca iônica) e destiladores de quartzo. Uma das combinações comerciais mais utilizadas tem sido a osmose reversa com resinas de troca-iônica em sistema fechado. A unidade de tratamento primário pode ser feita somente com osmose reversa ou combinada com processo de eletrodeionização. Segundo Darbouret e Kano (1998), a eletroionização é fundamental para a obtenção de água isenta de íons. O processo baseia-se na utilização de um campo elétrico com fonte de baixa potência e de resinas de troca-iônica e membranas íon-seletivas para a desionização contínua da água. Segundo os autores o módulo de eletrodeionização facilita a ultra-purificação da água na etapa seguinte, uma vez que este processo permite a contínua regeneração das colunas de troca-iônica com a aplicação do campo elétrico, e a qualidade da água nesta etapa é mantida independentemente da vazão de entrada e da concentração iônica na água bruta. A unidade de produção de água ultra-pura geralmente emprega uma mistura de resinas de alta qualidade empacotada em polipropileno de alta pureza. Alguns fabricantes incorporam processo de foto-oxidação com radiação UV (185 e 254nm) na entrada do sistema para garantir a produção de água com maior pureza, visando à decomposição de compostos orgânicos e organo-metálicos. Os íons são então retidos nas resinas de troca iônica e a qualidade da água pode ser, em princípio, pré-avaliada com a medida da resistividade ou da condutividade. Em alguns casos, utiliza-se, ainda, uma membrana com 0,1 µm de porosidade para retenção de colóides antes da medida. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

21


Tabela 2.8. Impurezas em águas . Dados emµg.l-1 ( Iyengar e Sansoni, 1978) Elemento

torneira

desionizada

destilada em quartzo

Al Br Ca Cd Cl Co Cr Cs Cu F Fé Hg I K Mg

57 95 55 000 0,70 14 100 0,02 1,40 9,40 28 000 10 400

0,10 0,10 1 <0,10 1 <0,10 <0,10 0,20 0,20 <1 0,04 0,30

<0,002 <0,0003 <0,007 <0,0004 0,02 0,0002 <0,00001 <0,002 <0,0002 <0,0005 <0,001 <0,0001 <0,0002

Mn Mo Na Ni P Pb Rb S Sb Se Si Sn

2,20 8100 30 43 8,50 10 14100 0,60 3,30 4900 0,60

0,05 0,02 0,03 <0,1 0,004 0,10 4 <0,50 0,50 0,10

<0,0005 <0,0002 <0,0002 <0,0003 <0,003 <0,001 <0,0003 <0,002 <0,004

Sr Th Ti Tl V Zn

11000 18,50 5,60

0,06 <0,1 <0,1 <0,1

<0,007 <0,0002 <0,0001 0,40 <0,002


22


Naturalmente, a produção da água deverá ser conduzida em ambiente com Classe de limpeza apropriada (ISO Classe 5 é recomendável) e a armazenagem em recipientes isentos de contaminantes. A qualidade da água como reagente é definida pela ASTM (American Society of Testing and Materials), NCCLS (National Committee for Clinical Laboratory Standards), CAP (College of American Pathologists) e ISO ® 3696/BS 3997 como Tipo I, Tipo II, Tipo III ou Tipo IV, em função da condutância específica (µmhos cm -1), da resistividade (Mohm cm), do teor de silicato (mg/l), contagem de bactérias e pH (Tipos III e IV). Para fins de tratamento, um sistema que produz água de altíssima pureza deverá atender aos critérios para o Tipo I, com resistividade

≥

18 MΩ. cm.

Água Tipo II deverá apresentar

resistividade ≥ 1-2 MΩ. cm. A resistividade maior que 18,2MΩ.cm é uma indicação da qualidade, mas não é, necessariamente, um atestado de água de altíssima-pureza. Para tanto é recomendável determinar os elementos de interesse, utilizando técnicas com limites de detecção da ordem de ng/l ou µg/l como ICP-MS e GFAAS, por exemplo. A Tabela 2.9. mostra um exemplo da qualidade de água tratada em sistemas comerciais produzidos pela Millipore® (Darbouret e Kano, 1998). O sistema denominado Millipore Elix® é recomendado para o tratamento primário da água bruta e o Milli-Q® para a obtenção de água de altíssima pureza. Tabela 2.9. Teores de elementos determinados por ICP-MS em águas tratadas com sistemas comerciais (adaptada de Darbouret e Kano, 1998). Dados em ng/l. Analito

Millipore Elix® (Tipo II)

Milli-Q®

0,34 545,5 0,99

0,034 0,32 < 0,34

27

9,9

< 0,18

39

36,2 12,14

5,2 6,8

0,29 0,51

<0,082 <0,4

7

Li Na 24 Mg 23

Al

K Ca

40

52

Cr Mn

55

56

Fe 1,10 Cu 1,38 64 Zn 34,6 208 Pb 1,15 Millipore Elix® e Milli-Q® são marcas registradas da Millipore 63

0,46 0,067 4,4 0,94


23


Ácidos Os ácidos inorgânicos podem ser fontes de contaminação severas, dependendo do elemento a ser determinado e da qualidade e do volume do ácido utilizado. Mesmo ácidos de alta pureza comerciais podem apresentar concentrações relativamente elevadas de alguns contaminantes (Tabelas 2.10 e 2.11), inviabilizando a determinação de elementos-traço em baixíssimas concentrações, concorrendo para altos valores dos brancos. Naturalmente, os valores dos brancos dependem do volume utilizado, que pode ser significativamente diminuído, utilizando-se sistemas fechados ou estratégias que concorrem para a diminuição do consumo, particularmente na decomposição de amostras. Mesmo assim, o consumo de ácidos de alta pureza pode ser relativamente alto, implicando em custos elevados quando ácidos comerciais são utilizados. A melhor alternativa para a utilização de ácidos de altíssima pureza, a um custo relativamente baixo, é a purificação por destilação abaixo do ponto de ebulição do ácido. Este método, denominado em inglês “sub-boiling distillation”, baseia-se no aquecimento de um líquido com radiação infravermelha, utilizando-se uma resistência elétrica aquecida por efeito Joule, devidamente protegida por um invólucro de vidro ou de quartzo. A superfície líquida é, então, vaporizada sem entrar em ebulição, que é a chave para a purificação. Quando a destilação é feita abaixo do ponto de ebulição, não há formação de aerossol devido à dispersão de gotículas do líquido na fase gasosa, que naturalmente ocorreria se o líquido entrasse em ebulição. O líquido vaporizado é condensado em um dedo frio, em geral feito de quartzo de alta pureza, obtendo-se um produto final de pureza equivalente ou até maior que um produto comercial, quando é devidamente coletado e armazenado em frascos de alta pureza (Figura 2.6). Os ácidos nítrico e clorídrico concentrados são facilmente purificados, coletando-se os destilados em frascos de quartzo de alta pureza. Água de altíssima pureza também pode ser obtida desta forma. Ácido fluorídrico pode ser destilado utilizando-se polímeros de alta pureza. A Tabela 2.12 mostra a composição de água purificada por destilação abaixo do ponto de ebulição, e permite a comparação de ácidos purificados neste sistema com ácidos comerciais. -1

Solução de acido clorídrico ca 2-4 mol l de alta pureza pode ser obtida por destilação isotérmica de 12 mol l-1 HCl. Coloca-se um volume do ácido diretamente na base inferior do interior de um dessecador de vidro, e um béquer com 200 ml de água de alta pureza sobre uma placa de porcelana perfurada que possa ser apoiada no interior do dessecador. O conjunto fica fechado por cerca de 10-15 dias sob temperatura ambiente. A concentração do ácido no béquer é determinada por volumetria de neutralização.


24


Tabela 2.10. Impurezas em ácidos clorídrico, fluorídrico e nítrico. Dados em ( adaptada de Iyengar e Sansoni, 1978) Elemento

HCl p.a.

HF p.a.

µg.l-1

HNO3

Al

8

Ultrapuro 0,80

p.a.

4

Ultrapuro 0,5

7

Ultrapuro 1

As Br Ca Cd Cl Co Cr Cs Cu Fé Hg K

-72 0,03 0,09 1,10 0,002 0,20 1 200

2,60 0,30 0,003 0,001 0,008 <0,002 0,03 0,10

-0,4 8 <1 5 0,50 60 <10 0,40

-52 0,005 1 0,6 0,30 0,60 <10 1

-0,2 0,1 0,018 72 <0,01 1,30 1 300 <10

0,005 7 0,4 0,03 0,01 0,10 <0,1 0,2 0,80 9

Mg Mn Na Ni P Pb Rb S Sb Se Si Sn Sr Ti Tl V Zn

7 <2 500 0,20 0,20 0,20 20 0,07 2 0,10 1

0,30 0,001 0,20 0,005 0,20 0,0015 3 0,38 1 0,002 0,06 0,006 0,10 0,08 0,03

2 0,60 100 0,50 2,20 11 0,50 0,20 6

0,1 0,03 0,60 0,05 7 0,002 3,0 4 0,05 0,10 0,50 0,10 0,10

3 9 80 0,70 0,80 0,20 0,60 0,03 0,20 30 0,10 0,20 0,50 0,20 0,05 4

0,40 2 0,01 0,03 0,50 0,01 15 0,04 0,09 8 0,002 0,01 0,80 0,08


25


Tabela 2.11. Impurezas em ácidos sulfúrico e perclórico. Dados em (adaptada de Iyengar e Sansoni, 1978) Elemento

H2SO4

µg.l-1

HClO4

p.a.

Ultra-puro

p.a.

Ultra-puro

Al As

8 -

-

-

-

Br Ca Cd Cl Co Cr Cs Cu F Fe Hg I K Mg Mn Na Ni Pb Rb Sb Se Si Sn

10 <1 <1 25 3 8 <10 <10 3.30 8 20 <1 1,2 18 0,60

2 <1 <1 2 3 4 2 0,8 9 0,20 1 200 0,20

760 0,1 10 11 330 200 500 20 <1 1,2 18 0,60

0,2 0,05 9 0,10 2 0,6 0,2 9 0,20 1 200 0,20

Sr Th Ti Tl U V Zn

0,40 0,10 <2,40 <1

0,30 0,10 <1

0,40 0,10 <2,40 <1

0,30 0,10 <1


26


Invólucro de quartzo

Saída de água

Irradiador IR Condensador

Entrada de água

Funil

Sifão

Líquido a ser destilado Frasco de quartzo

Figura 2.6. Corte esquemático de um destilador “sub-boiling” (Kuerner et al, 1972)

Tabela 2.12. Impurezas residuais em água purificada por destilação abaixo do ponto de ebulição e em diferentes ácidos com diferentes graus de pureza. Dados em ng/ml (adaptada de Tschöpel et al, 1980) Cd

Cu

Fe

Al

Pb

Mg

Zn

0,01

0,04

0,32

<0,05

0,02

<0,02

<0,04

HCl 10 mol l-1 subboiling

0,01

0,07

0,6

0,07

0,05

0,20

0,2

-1

HCl 10 mol l ultrapuro

0,03

0,2

11

0,8

0,13

0,5

0,3

HCl 12 mol l-1 pró análise.

0,1

1,0

100

10

0,5

14

8,0

HNO3 15 mol l subboiling

0,001

0,25

0,2

0,15

0,04

HNO3 15 mol l-1 Suprapur

0,06

3,0

14

18

0,7

1,5

5,0

HNO3 15 mol l pró análise

0,1

2,0

25

10

0,5

22

3,0

HF 54% subboiling

0,01

0,5

1,2

2,0

0,5

1,5

1,0

HF 40% ultrapuroa

0,01

0,1

3,0

1,0

3,0

2,0

1,3

HF 54% pró análise

0,06

2,0

100

5,0

4,0

3,0

5,0

H2O subboiling

a

-1

-1

a

<0,005 <0,002

Produto comercial


27


2.3.3. Impurezas em frascos de reação e recipientes Em princípio, nenhum material é absolutamente resistente a uma solução, mesmo que somente água entre em contato com o mesmo. Conseqüentemente, cada elemento presente no material será encontrado na solução em maior ou menor quantidade, e esta quantidade dependerá do material, do tempo de contato e da temperatura. O vidro de borosilicato, por exemplo, que contem vários elementos maiores e menores, além de um grande número de elementos-traço em concentrações relativamente elevadas (Tabela 2.13), é muito impuro quando comparado com o quartzo, polietileno, polipropileno e polímeros fluorinados (PTFE, PFA, FEP). Além disso, as perdas por adsorção em vidros, conforme já comentado, são muito grandes. Assim, como regra geral, soluções de amostras e soluções-padrão não devem ser armazenadas em vidro para determinação de elementos-traço em baixíssimas concentrações. Quartzo Dentre os materiais mencionados, o quartzo pode ser considerado um dos materiais mais puros encontrados no mercado, e é disponível em diferentes graus de pureza. O quartzo é composto quase que totalmente de SiO 2 e a concentração de elementos-traço dependerá do tipo de quartzo e do método de produção (Richter, 2003). O quartzo encontrado nos laboratórios pode ser do Tipo I (fusão eletrotérmica) ou do Tipo II (fusão com chama H2 – O2). O quartzo Tipo II apresenta maior pureza porque os elementos contaminantes são volatilizados na chama. Componentes de quartzo sintético são obtidos por hidrólise de SiCl4 na fase vapor (Tipo III) ou por oxidação e fusão elétrica de SiCl4 (Tipo IV). Heralux® e Suprasil®, marcas registradas da Heraeus, correspodem aos quartzos Tipo II e Tipo III, respectivamente. A Tabela 2.14 mostra as principais impurezas que podem ser encontradas nos vários tipos de quartzo. Vide, também, a Tabela 2.13 que permite a comparação com outros materiais. Polímeros sintéticos Infelizmente, o

custo

extremamente

elevado

do

quartzo

restringe

consideravelmente seu uso. Alternativamente, materiais poliméricos sintéticos de alta pureza podem ser usados em muitas aplicações. O custo depende do tipo de polímero, das propriedades físicas e do grau de pureza de cada material.


28


Tabela 2.13. Impurezas em diferentes materiais (ng/g). Adaptado de Tölg e Tschöpel, Anal. Sci. 3(1987) 199-208. Elemento

Carbono

PTFE

Quartzo

Quartzo

Vidro

vítreo

Teflon®

Heralux®

Suprasil®

Borossilicato

B

100

-

100

10

principal

Na

350

25000

1000

10

principal

Mg

100

-

100

100

6x105

Al

6000

-

30000

100

principal

Si

85000

-

principal

principal

principal

K

80000

-

800-3000

100

106

Ti

12000

-

800

100

3000

Cr

80

30

5

3

3000

Mn

100

-

10

10

6000

Fe

2000

10

800

200

2x105

Co

2

2

1

1

100

Ni

500

-

-

-

2000

Cu

200

20

70

10

1000

Zn

300

10

50

100

3000

As

50

-

80

0,1

500-22000

Cd

10

-

10

-

1000

Sb Hg

10 1

0,4 10** 1

2

1 1

8000 -

Teflon® é marca registrada da DuPont Heralux® e Suprasil® são marcas registradas da Heraeus


29


Tabela 2.14. Impurezas de alguns elementos em vidro borosilicato e diferentes tipos de quartzo. Dados em µg. g -1. LOD = limite de detecção. (adaptado de Richter, 2003) Elemento

Vidro borossilicato

Quartzo

Quartzo

Quartzo

(Tipo I)

(Tipo II)

(Tipo III)

Al

principal

74

68

< 0,25

B

principal

4

0,3

0,1

Ca

1000

16

0,4

<

LOD

0,03

Cr

0,1

Cu

1

1

<

Fé

3000

7

1,5

K

3000

6

<

Li

7

<

1

0,2

0,1 <

LOD

LOD

<

LOD

< 0,02

Mg

600

4

Mn

1000

1

0,2

Na

principal

9

5

Sb

2,9

0,3

0,1

<

<

1

1

0,1

<

0,1

0,1

Polietileno, polipropileno e polímeros fluorinados Tanto o LDPE (polietileno de baixa densidade) como o HDPE (polietileno de alta densidade) pode ser usado para a determinação de elementos-traço. O LDPE é produzido por polimerização do etileno sob alta pressão. O HDPE é produzido sob baixa pressão, e a polimerização é catalizada por metais de transição (Al, Ti, Zr, V e Cr). A temperatura máxima de serviço do LDPE é de 80°C, ao passo que o de alta densidade pode ser usado até 110°C. Não obstante, considerando-se os potenciais contaminantes, o polietileno de baixa densidade é preferível ao de alta densidade. O PP (polipropileno) é produzido cataliticamente com Al e Ti a partir do propileno, e também pode conter teores elevados de alguns contaminantes. Este polímero é estável até 135°C. Pode ser usado para armazenar soluções, mas não é recomendado para aquelas com baixas concentrações de analitos. Polímeros fluorinados são mais caros que polietileno e polipropileno, e podem ser obtidos com elevado grau de pureza (Tabela 2.15). Apresentam como vantagens © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

30


adicionais maior resitência aos ácidos e maiores temperaturas de serviço. O PTFE (politetrafruoroetileno) convencional torna-se poroso quando submetido a temperaturas maiores que 150°C. Atualmente os fluoropolímeros mais utilizados são o PFA (perfluoroalcoxi), com temperatura máxima de serviço de 260°C, o FEP ® (fluoroetilenopropileno) com temperatura máxima de serviço de 200°C e o TFM (PTFE modificado pela Hoescht) com temperatura de trabalho de até 300 °C. Além disso, os polímeros PFA, FEP e TFM® são mais puros que o PTFE convencional e, assim, mais recomendados nos procedimentos para a determinação de elementos-traço. Destes, o TFM® é preferido para a decomposição de materiais sob altas temperaturas por sua maior resistência física e química e por apresentar menores brancos quando comparado ao PFA. As contaminações devidas às impurezas presentes em materiais também ocorrem nos copinhos ou tubos de amostradores, ponteiras de micropipetas, entre outros materiais. A Tabela 2.16. mostra os principais contaminantes presentes em frascos de polietileno usados em análise por ativação neutrônica instrumental. Tabela 2.15. Contaminantes presentes em alguns polímeros (adaptado de Moody e Lindstrom, 1977). Valores em µg g-1 Elemento Al Ca K Na Sb Ti Mn Zn

LDPE

HDPE

PP

0,5

30 800

55

5 1,3 0,005 >

0,6 15 0,2 5 0,01 520

PFA

FEP

PTFE

0,2

0,23

90

>

4,8 0,6 60 0,02

0,1

0,4

0,02

0,06

0,16

Tabela 2.16. Elementos presentes em frascos plásticos para irradiação de amostras (adaptado de Heydorn e Damsgaard, 1982) Elementos em ordem de concentração

Massa total (µg) em frascos de 1,1 g

Fe

1 - 10

Cl, Na, K, Al, Zn

0,1 – 1,0

Cu, Cd, Cr, Br, Mn

0,01 – 0,1

Sb, W, Co, As, Au

0,001 – 0,01

Se, V, La, Ag, Sc

<

0,001



31

Outros materiais Especialmente durante a amostragem, deve-se evitar que a amostra entre em contato com outros materiais que causam contaminação. A borracha, muitas vezes usada como tampa em alguns frascos, pode contaminar as amostras por causa dos elevados teores de As, Sb, Cr, Co, Zn e Sc. O nylon contem altos teores de Co e o PVC (cloreto de polivinila) contem Zn, Fe, Sb, Cu em quantidades relativamente altas. Ferramentas usadas para moer, peneirar, cortar, furar, macerar oferecem altíssimo risco de contaminação para muitos analitos. A moagem, particularmente, deveria ser evitada sempre que possível, mas a homogeneização poderá ficar comprometida. Em muitos casos, as contaminações ocorrem durante a homogeneização. Tradicionalmente, os materiais que oferecem menor risco de contaminação durante a moagem são aqueles feitos de ágata, monocristais de óxido de alumínio ou nitreto de boro. Os principais contaminantes presentes em materiais usados para moagem são apresentados na Tabela 2.17 e 2.18. Em geral, uma regra bastante simples que deve ser observada para evitar ou minimizar a contaminação por componentes do sistema de moagem é que estes componentes sejam mais duros (mais resistentes) que a amostra. Por exemplo, se carbeto de tungstênio for moído num moinho com componentes de aço, a contaminação por Fe deverá ser muito alta, pois o carbeto de tunstênio é muito mais duro que o aço. Neste ponto, cabe a observação (Nóbrega, 2004) de que ao invés de moermos a amostra, estaremos moendo o moinho. Por outro lado, se um moinho de carbeto de tungstênio for utilizado para moer materiais relativamente frágeis, como Al2O3 ou dureza similar, partículas de carbeto de tunstênio poderão ser incorporadas na amostra moída. Durante a moagem criogênica, por exemplo, quando feita em tubo de policarbonato por impacto de uma barra de aço contra extremidades fixas de aço, podese constatar a contaminação por Fe e Cr, particularmente na moagem de celulose de alta pureza. Muitas vezes, não se percebe a contaminação, porque ela poderá ser desprezível em comparação com o alto teor do analito na amostra. O nível de contaminação poderá variar com as condições de moagem e é dependente do tipo de moinho, da intensidade da moagem, da duração da moagem, do desgaste das peças, da natureza do pó, da natureza dos materiais de moagem, da atmosfera ambiente, entre outros fatores. Segundo Suryanarayana (2001), apesar de muitos fabricantes preconizarem a qualidade de seus moinhos com relação a outros, não existe ainda um trabalho sistemático sob contaminação, comparando-se moagens sob condições idênticas. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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A contaminação por Cr, Fe, Ni, Co, Mn, Cu e outros elementos também poderá ser constatada durante o corte de tecidos biológicos com escalpelos e durante a amostragem de sangue por agulhas hipodérmicas. Neste aspecto, o uso de espátulas, facas, pinças e agulhas feitas de plástico, titânio de alta pureza ou quartzo é recomendado. Não se deve perder de vista as perdas por volatilização que podem ocorrer durante a moagem. Neste particular, a moagem criogênica é a melhor estratégia. Detalhes sobre este tipo de moagem são apresentados no capítulo 3.2. Cuidados adicionais também devem ser tomados para evitar mudanças nas amostras causadas por microrganismos e/ou reações fotoquímicas, que podem alterar as ligações dos analitos. Nestes casos, o uso de embalagens que impedem a entrada de radiação UV-visível e a refrigeração é recomendável. Além destas, precauções também devem ser tomadas com respeito aos equipamentos e acessórios usados no preparo das sub-amostras nos laboratórios. Suportes metálicos dos mais variados, como aqueles para buretas, placas aquecedoras (frequentemente com sinais de oxidação), estufas, fornos tipo muflas, entre outros materiais são fontes de contaminação. Tabela 2.17. Composição aproximada de materiais usados em equipamentos de moagem (adaptado de Market, 1995). Ágata %

Porcelana %

Alumina %

Óxido de zircônio %

SiO2

99,91

61,0

16,5

0,1

Al2O3

0,02

34,0

83,0

Na2O

0,02

K2O

0,01

Fe2O3

0,01

MnO

0,01

CaO

0,01

1,5

MgO

0,01

1,5

3,0 0,03

ZrO Outros óxidos

97,0 2,0

0,5


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Tabela 2.18. Composição aproximada de materiais usados em equipamentos de moagem (adaptado de Market, 1995) Carbeto de boro %

Titânio %

Aço cromo %

Aço carbono %

0,1

0,1

84,0

99,1

C

21-23

0,08 0,08

12,0 1,65

0,15

Si

0,1

0,3

0,25

0,3

0,40

Fe

Carbeto de tungstênio %

Cr

Mn Co Mo

0,3

V

0,3

W

2.4.

6,0

94,0

0,5

PERDAS POR VOLATILIZAÇÃO

As perdas de elementos por volatilização ocorrem, principalmente, em altas temperaturas (> 500°C), mas observam-se perdas significativas de alguns elementos sob temperatura ambiente. Os analitos podem ser perdidos na forma elementar, raramente como óxidos, e predominantemente como haletos. A Tabela 2.19 mostra exemplos de diferentes formas como os elementos podem ser perdidos. A extensão das perdas depende do tipo de amostra, e das variáveis temperatura e tempo. No capítulo 6.1, especialmente dedicado à decomposição por combustão, os riscos de perdas por volatilização de vários analitos em diferentes amostras nos vários métodos são discutidos em detalhes. De um modo geral, o mercúrio é volátil em grande parte de suas formas químicas, o mesmo ocorrendo com As, Sb, Sn, Ge, Se, porém, em menor proporção. Além disso, Cd, Pb, Zn são voláteis como cloretos ou brometos a temperaturas elevadas


34


(i.e. > 700 °C). Neste sentido, o conhecimento prévio da composição química das amostras permite prever os riscos de perdas por volatilização. Em alguns casos, por exemplo, elementos presentes nas amostras atuam como modificadores de matriz, impedindo perdas em temperaturas relativamente elevadas. O Hg é, reconhecidamente, o melhor exemplo de elemento extremamente volátil, podendo ser perdido durante a amostragem, armazenamento e preparo da amostra, quando soluções aquosas são armazenadas em frascos abertos ou frascos feitos de polímeros orgânicos. As perdas de Hg podem ocorrer em poucas horas e, além disso, o Hg atravessa rapidamente paredes de frascos plásticos de polietileno ou de polipropileno. Assim, amostras para determinação de Hg não devem ser armazenadas em frascos plásticos, para evitar as perdas por volatilização e/ou evitar contaminação por Hg presente na atmosfera ambiente. Durante a dissolução de metais e ligas metálicas com ácidos não oxidantes, os elementos S, P, As, Sb, Bi, Se ou Te podem ser separados e/ou perdidos na forma de hidretos. Além disso, hidretos também podem ser perdidos durante a amostragem de ligas metálicas. O odor característico de H 2S e PH3 é uma indicação da perda de P e S por volatilização, quando se utilizam ferramentas de corte ou furadeiras, por exemplo. Tabela 2.19. Elementos e compostos que podem ser perdidos por volatilização Forma

Elementos

Elementar

As, Te, Sb, Se, Sn, Cd, Pb, Tl, Zn, Hg, S, P, Br, I,

Óxidos

As, S, Se, Te, Re, Ru, Os, Cd, Hg, Zn

Fluoretos

B, Si, Ge, Sn, P, As, Sb, Bi, S, Se, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Re, Ru, Os, Ir, Hg

Cloretos

Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, Ti, Zr, Hf, Ce, V, Nb, Ta, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Os, Au, Zn, Cd, Pb, Hg

Hidretos

Si, Ge, Sn, Pb, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te 3+

3+

4+

4+

4+

4+

Haletos voláteis de As , Sb , Sn , Ge , Se , Pb também podem ser perdidos durante a evaporação de soluções ácidas ou durante a combustão de materiais orgânicos. Durante a calcinação de sedimentos para eliminar a matéria orgânica, que normalmente é feita em temperaturas acima de 400 °C, a perda destes elementos pode ser significativa. A Tabela 20 mostra os pontos de ebulição de alguns haletos. A determinação de elementos-traço requer, muitas vezes, uma etapa de prétratamento da amostra para concentrar o analito. Um dos métodos mais simples baseia-


35


se na evaporação do solvente, que pode ser feita em frascos abertos com aquecimento por convecção (placas aquecedoras, blocos de aquecimento, mantas), assistida por microondas ou em sistemas de destilação controlada (roto-evaporadores). A temperatura para a evaporação do solvente depende do sistema escolhido e do meio reacional que pode levar à formação de misturas azeotrópicas, podendo chegar a 150°C. A separação, por volatilização, da matriz ou de elementos e compostos indesejáveis presentes na matriz que possam interferir na determinação do elemento de interesse, também é prática utilizada em muitos procedimentos. É comum evaporar um ácido até quase a secura, ou eliminá-lo para evitar a formação de precipitados ou complexos insolúveis. Neste caso, a temperatura pode chegar a 220°C. Alternativamente, o analito pode ser separado da matriz por destilação e coletado em uma solução absorvedora ou em uma superfície sólida quimicamente modificada. Neste caso, além da separação do analito, promove-se a concentração do mesmo. Idealmente, este procedimento deve ser feito sem que ocorram perdas do analito durante a separação/concentração. Certamente, os erros sistemáticos causados pela volatilização durante a decomposição das amostras podem ser evitados com a utilização de sistemas fechados e uso de materiais apropriados. Decomposições em sistemas abertos com ácidos podem ser feitas sem riscos de perdas por volatilização de vários elementos, mas requerem várias precauções, entre as quais o rigoroso controle da temperatura. Decomposições por fusão implicam em perdas de inúmeros elementos por volatilização (Tabela 21)

Tabela 2.20. Sais voláteis de alguns elementos (adaptado de Lide, 2004 – valores arredondados) Elemento Sais voláteis Ponto de ebulição (°C) Chumbo PbCl4 50 Arsênio AsCl3 130 AsF3 58 Antimônio SbF5 150 SbCl5 79 Germânio Selênio Estanho Vanádio Crômio

GeBr4 GeCl4 SeCl4 SeF4 SnCl4 VCl4 CrF5

26 87 191 (sublima) 106 115 152 117


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Tabela 2.21. Perdas por volatilização durante a fusão de alguns materiais (adaptado de A. C. Spínola Costa, 1996) Fundente Temperatura

Cadinho

Amostras

Elementos voláteis

Pt

silicatos, solos, óxidos, carbonatos, sulfatos,

Ag, As, Bi, Br, Cd, Cl, F, Ga,

Pt-Au Grafite

fosfatos , fluoretos

Hg, In, I, Os, Pb, Re, Ru, S, Sb, Se, Te, Tl, Zn

Pt

sulfetos, óxidos de Be, Cr, Fe, Nb, Ta, Ti, Zr, óxidos de lantanídeos

Bi, Cd, Hg, Pb, S, Sb, Se, Tl, Zn

°C

LiBO2 ou Li2B4O7

KH2SO4 ou K2S2O7

900 - 950

420 - 700

Ni, Fe, Ag, Na2O2

450 – 1000 (máx. 450°C)

Zr, Pt Carbono vítreo

Concentrados de metais preciosos,refratários, solos, silicatos, óxidos de Al,Ti, Fe, Mn, Cr, Sn, Zn,

Cd, Hg

Nb, Ta, ligas metálicas a base de zinco, minérios

2.5.

ERROS DEVIDOS À ADSORÇÃO E DESSORÇÃO

2.5.1. Aspectos gerais Os teores de elementos-traço presentes em soluções muito diluídas podem mudar rapidamente em função da adsorção ou dessorção. Por meio destes processos, íons ou compostos de elementos-traço podem ficar ligados à superfície interna dos frascos de reação ou de armazenagem e, posteriormente, ser lixiviados com a mudança da composição da solução. As perdas de elementos por adsorção tornam-se apreciáveis em concentrações menores que 10-6 mol l-1 e são da ordem de 10-9 a 10 -12 mol cm-2 (Tölg e Tschöpel, 1994). Em geral, a quantidade de elementos adsorvidos depende de um grande número de fatores que dificilmente podem ser especificados conjuntamente. É difícil estimar as perdas ou ganhos de elementos-traço como resultado de processos de adsorção ou dessorção, mas os fatores mais importantes são:


37

Erros sistemáticos no preparo de amostras •

o analito, sua concentração e seu estado de oxidação;

•

os elementos e os compostos orgânicos e inorgânicos concomitantes na solução do analito (especialmente os componentes que ocorrem em altas concentrações, mas também, elementos menores e traços), as concentrações destes concomitantes, o estado de oxidação dos concomitantes e o pH do meio;

•

a duração do contato e a temperatura. Perdas significativas de elementos poderão ocorrer, como resultado da adsorção,

especialmente quando a solução da amostra entrar em contato com uma grande área superficial. Este é o caso que ocorre durante filtrações, emprego de colunas de trocaiônica, e mudanças de recipientes. De acordo com Tölg e Tschöpel (1994), as seguintes precauções devem ser tomadas para minimizar as perdas de elementos por adsorção: a) Usar frascos de quartzo, PTFE ou carbono vítreo. O vidro não é um material adequado na análise de traços porque é responsável pelas maiores perdas por adsorção: VidroSiOH + M+

→

VidroSiOM + H

+

b) A superfície e o volume do frasco, assim como o volume da solução da amostra devem ser os menores possíveis; c) A duração do contato entre a solução da amostra e a superfície do frasco deve ser a menor possível; d) As soluções das amostras devem ser acidificadas, se possível, porque as perdas são muito menores quando comparadas com soluções neutras ou alcalinas; e) A limpeza e pré-condicionamento dos frascos utilizados devem ser feitos, idealmente, com vapores ácidos. Este procedimento reduz consideravelmente os brancos, assim como as perdas por adsorção. Elementos-traço também podem ser perdidos por cimentação eletroquímica, durante a amostragem e preparo da amostra (Tölg e Tschöpel, 1994). Este processo ocorre quando elementos-traço dissolvidos em um eletrólito entram em contato com a superfície de um metal mais eletronegativo que o elemento-traço. Neste caso, o elemento traço (p.ex. Pt, Pd, Au, Hg, Cu) é precipitado sobre a superfície metálica, da qual será removido com dificuldade. Perdas de elementos por cimentação podem ocorrer durante a amostragem, moagem, corte, homogeneização etc, particularmente quando amostras aquosas e tecidos ou fluidos biológicos, como peixes, carnes, sangue, frutas, entram em contato com ferramentas metálicas. Segundo os autores, a cimentação pode ser evitada ou reduzida congelando-se a amostra em nitrogênio líquido e manipulando-a enquanto estiver congelada.


38


2.5.2. Limpeza e descontaminação de materiais A descontaminação de materiais é um pré-requisito indispensável para evitar erros devidos à dessorção de contaminantes e/ou adsorção dos analitos. Existem vários métodos de descontaminação na literatura, mas aqui serão apresentados somente os mais clássicos:

Método 1. Descontaminação de frascos LDPE, PP, PTFE, FEP, PFA (recomendado por Moody e Lindstron, 1977). Este procedimento é um dos mais clássicos da literatura. Segundo os autores o HCl é o melhor ácido para a descontaminação, mas, como a eficiência da limpeza varia com o elemento e com o material, recomenda-se que a descontaminação adicional seja feita com HNO3. Os autores também chamaram a atenção de que não é necessário o uso de ácidos de alta pureza: a) Encher o recipiente com solução aquosa1 + 1 (v/v) HCl p.a.. b) Deixar em repouso por uma semana em temperatura ambiente. Para PTFE a solução ácida deverá ser aquecida a 80°C. c) Esvasiar o recipiente e lavar com água desionizada ou destilada. d) Encher o recipiente com solução aquosa 1 + 1 (v/v) HNO3 p.a. e) Deixar em repouso por uma semana em temperatura ambiente. Para PTFE a solução ácida deverá ser aquecida a 80°C. f) Esvasiar o recipiente e lavar com água desionizada ou destilada g) Encher com água da mais alta pureza (água Tipo I) h) Deixar em repouso por várias semanas. Trocar a água periodicamente para garantir a limpeza. i) Lavar com água Tipo I e secar capela de fluxo laminar em ambiente ISO Classe 5. Método 2. Procedimento para limpeza de frascos de polietileno (LDPE) para coleta e armazenamento de águas de alta pureza (adaptado Barbante et al, 1997). a) Lavar com água de torneira para remover material particulado; b) Remover gordura com clorofórmio elavar com água de alta pureza Tipo I; c) Deixar em imersão no primeiro banho ácido contendo 1 + 3 v/v HNO3/água ultrapura a 50°C durante 2 semanas. d) Lavar com água Tipo I e transferir para segundo banho ácido contendo 1:1000 (v/v) HNO3/água ultra-pura a 50°C, durante 2 semanas.


39


e) Finalmente, lavar várias vezes com água Tipo I, encher os frascos com HNO3 de alta pureza e guardá-los em bolsas de polietileno de duas camadas descontaminadas em banho ácido. Método 3. Descontaminação com vapor ácido Considerado o método mais rápido e mais efetivo na descontaminação de recipientes plásticos ou de quartzo, este método se baseia na limpeza com vapores de ácidos nítrico ou clorídrico. O método pode ser implementado nos laboratórios, utilizandose um sistema fechado, de tal forma que os vapores do ácido se condensem, principalmente, nas paredes internas dos recipientes, lavando-os continuamente. A Figura 2.7 mostra um aparelho desenvolvido para limpeza/descontaminação de materiais (quartzo, PTFE, FEP, TFM) como balões volumétricos, frascos para armazenamento de soluções, tubos de digestão, copos, entre outros visando à determinação de ultra-traços. Em geral, os materiais são limpos com vapor de HNO 3 durante a noite, sendo posteriormente lavados com água de alta pureza (Tipo I), secos e armazenados em ambiente Classe 100.

Copo invertido

Figura 2.7. Aparelho para limpeza e purificação de frascos com vapor ácido (adaptado de Tschöpel et al, 1980)


40


Segundo Tölg e Tschöpel (1993) a lavagem contínua durante 4-6 h com vapor de HNO3 e subseqüente lavagem com vapor de água durante 1-2 h são suficientes para efetiva descontaminação de vários elementos presentes em diferentes materiais, com exceção de Fe em PTFE. A limpeza com vapor de HNO3 tem sido muito recomendada para a descontaminação de frascos de TFM® e outros materiais de alta pureza utilizados na decomposição de amostras em fornos de microondas. Existem sistemas alternativos no mercado (Richter, 2003) em que o volume interno útil permite que se descontamine um grande número de frascos, que podem ser mantidos no interior do aparelho até sua utilização. Outros argumentos a favor deste método de limpeza, comparativamente aos métodos que se baseiam na lixiviação dos contaminantes (frascos cheios com ácidos de alta pureza), é que, além de ser mais rápido, utiliza-se vapor de alta pureza a partir de HNO3 p.a. Segundo Tölg e Tschöpel (1994), Além disso, após este processo de limpeza as perdas por adsorção são consideravelmente diminuídas. Copinhos de amostradores automáticos (2-3 ml) podem ser eficientemente descontaminados em frascos de reação utilizados em sistemas de decomposição assistidos por microondas utilizando o mesmo método (Barnes et al, 1998). A Figura 2.8 mostra um esquema que permite descontaminar até 6 copinhos em cada frasco, dependendo do volume do frasco de reação e dos copinhos

Copinhos

Suporte de TFM

HNO3

Figura 2.8. Descontaminação de copinhos de amostradores com vapor ácido em sistema fechado assistido por radiação microondas (adaptado de Barnes et al, 1998)



2.6.

41

ERROS DEVIDOS À DECOMPOSIÇÃO OU DISSOLUÇÃO INCOMPLETA DAS AMOSTRAS

2.6.1. Erros devidos à decomposição Quando se decompõe uma amostra, é possível a obtenção de soluções verdadeiras (observa-se por inspeção visual somente uma fase), que podem ser ou não compatíveis com os métodos de determinação escolhidos. Em alguns casos, o analito pode estar na forma de um complexo solúvel que não interage com um reagente colorimétrico, ou que interfere na sua determinação. Em outros, se o teor de carbono residual for alto, interferências nos métodos de determinação poderão prejudicar a exatidão dos resultados analíticos. As interferências podem ser previstas, e devidamente evitadas, dependendo da amostra orgânica e do método de decomposição escolhido. As matrizes orgânicas ou seus produtos, quando reagem com ácido nítrico sob alta pressão (> 25 bar), por exemplo, são dissolvidas completamente para uma grande variedade de amostras. As substâncias que contém proteínas e gorduras, entretanto, produzem resíduos orgânicos (Würfels et al, 1987, 1988), os quais não são atacados pelo ácido nítrico se a temperatura for de apenas 180 °C. Carboidratos puros (açúcar, celulose, etc) são completamente mineralizados pelo ácido nítrico a 180 °C, e, nestes casos, baixas concentrações de metais que permanecem nas cinzas podem ser determinadas sem problemas por voltametria de redissolução anódica, por exemplo, ou por outras técnicas analíticas. As soluções livres de carbono são também obtidas quando gorduras que não contém ácidos graxos insaturados são decompostas. Se, entretanto, as gorduras a serem determinadas possuirem ácido linolêico ou ácido linolênico-ésteres, o ácido 1,2ciclopropanodicarboxílico é formado pela reação com ácido nítrico, sendo estável neste ácido e permanecendo como resíduo ou carbono residual. A decomposição de substâncias contendo proteínas (e de todas as substâncias contendo aminoácidos) produz ácidos benzóicos nitrificados, fomados a partir da fenilalanina pela digestão com ácido nítrico, os quais são eletroquimicamente ativos. Como outros produtos da decomposição de aminoácidos permanecem nos digeridos, além dos ácidos nitrobenzóicos, interferências são igualmente esperadas, à semelhança do que ocorre na decomposição de amostras contendo ácidos linolêico e linolênico.(Würfels et al, 1987, 1988) É importante lembrar que, mesmo aumentando-se o tempo de reação e o volume de ácido nítrico, não ocorrerá a mineralização desses resíduos orgânicos se a © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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decomposição for feita a 180-200°C. Entretanto, Würfels et al (1987, 1988) observaram que, quando as decomposições eram feitas com HNO 3 a 300 °C, os teores de carbono residual diminuiam consideravelmente e deixavam de interferir em medidas por técnicas eletroanalíticas. Sinais de onda quadrada para Zn, Cd, Pb e Cu obtidos por voltametria de redissolução anódica, empregando-se uma amostra de alga digerida (NIES - Material certificado de referência de Sargassum fulvellum Nr. 9) e uma amostra de mexilhão (NIES - Material certificado de referência de Mytilus edulis Nr. 6), indicaram que não permaneciam resíduos orgânicos indesejáveis na solução resultante (Figura 2.9). De fato, quando as digestões eram feitas a 180°C os teores de carbono residual variavam entre 2 e 4 %; após a digestão a 300 °C, o teor de carbono residual foi menor que 0,2%. Antes das determinações, as soluções foram evaporadas até a secagem para remover o NO 2 dissolvido, o qual interferia nas determinações por voltametria inversa (Würfels et al, 1987, 1988). HNO3 – 180 oC ) A µ ( a id u íq l e t n e rr o C

2,0

2,0

1,0

1,0

2,0

Cd

Pb

1,0

Cu

Zn 0,0

0,0

0,0

HNO3 – 300 oC ) A (µ a d i u q lí e t n re r o C

4,0

2,0

Zn

2,0

4,0

1,0

2,0

Cd 0,0

Cu

Pb

0,0

0,0

tempo

Figura 2.9. Sinais de zinco, cádmio, chumbo e cobre obtidos por voltametria de redissolução anódica em amostras digeridas com HNO3 em sistema fechado a 180 e 300 °C (adaptado de Würfels et al., 1988)


43


Normalmente, os compostos orgânicos não digeridos não afetam as técnicas de espectrometria atômica, mesmo quando os teores de carbono residual forem relativamente elevados (10-30%). Entretanto, o carbono residual elevado pode contribuir para aumentar a absorção de fundo em espectrometria de absorção atômica com forno de grafite, quando a etapa de pirólise do forno de grafite não completar a decomposição. Uma outra fonte de erro, que pode afetar todos os métodos espectrométricos que empregam nebulização de amostras, é a interferência causada por substâncias orgânicas com mudanças na viscosidade e na tensão superficial da solução a ser analisada. Diferenças apreciáveis na nebulização de soluções de referência e das amostras são fontes de erros sistemáticos. Mais importante, entretanto, são as interferências isobáricas causadas por íons moleculares contendo carbono em ICP-MS (espectrometria de massa com plasma acoplado indutivamente). Estas interferências são facilmente constatadas em espectrômetros de média resolução sem dispositivos ou acessórios para minimizá-las (Tabela 22). De qualquer forma, para se oxidar completamente amostras biológicas, independentemente de sua composição química, recomenda-se a decomposição com ácido nítrico a 300°C (Würfels, 1988). Nesta temperatura com 2 h de decomposição, as soluções resultantes praticamente não contém carbono, ou acima de 99,9% do conteúdo srcinal em carbono da amostra são oxidados. Considerando-se que a vida útil dos frascos de polímeros diminui consideravelmente nesta temperatura, recomenda-se a utilização de frascos de quartzo.

Tabela 22. Interferências espectrais que podem ser causadas pela presença de carbono residual (compilado de Tan e Horlick, 1986 por J.A. Nóbrega) Massa

Íon interferente

Analito (% abundância)

24 26 28

12 12 +

24

12C14N+

26Mg

C C

12 16

C O

48

12 36

52

12 40

53

13 40

Mg (78,6) (11,3) Si (92,2)

+

C Ar+ C Ar+ C Ar

+

28 48

Ca (0,18) e 48Ti (73,5) 52

Cr (83,8)

53

Cr (9,6)


44


É oportuno observar, que erros também são esperados, se o teor de ácido residual for muito variável nas soluções das amostras obtidas por diferentes métodos de decomposição por via úmida. As situações mais críticas são observadas em ICP-MS, dependendo do ácido e sua concentração na solução da amostra. Dos ácidos mencionados na Tabela 23, observa-se que interferências causadas pelo ácido nítrico não são críticas, formando-se somente o íon ArN +, que irá interferir nos isótopos de massa 54 dos íons Fe+ e Cr+. Neste caso, elegem-se outros isótopos de Fe e Cr, mais abundantes e que não são interferidos. Teores residuais de ácidos perclórico ou clorídrico podem comprometer totalmente as determinações de vanádio e de arsênio.

Tabela 23. Interferências isobáricas em diferentes meios ácidos (compilado de Tan e Horlick, 1986 por J.A. Nóbrega) Ácido HNO3

Ions* m/q N

+

Analito(%) 14

ArN+

54

54

Fe+ (5,8) Cr+ (2,3)

54 +

HCl, HClO4

Cl ClO+

35 e 37 51 53 75 77

V (99,7) Cr+ (9,6) 75 As+ (100) 77 Se+ (7,6)

S+

32, 33 e 34

-----

SO+

48 49 50

ArCl+ H2SO4

+

SO2

51 + 53

48

Ti+ (74,0) Ti+ (5,5) 50 + Ti (5,2) 49

64

64 65 66

+

Zn + (48,9) 64

Ni (1,2) Cu+ (30,9) 66 Zn+ (27,8)

65



45

2.6.2. Dissolução incompleta do analito Um dos erros mais sérios durante a dissolução de algumas amostras é aquele que ocorre com amostras inorgânicas polifásicas, particularmente aquelas com composição química desconhecida, quando uma ou mais fases individuais resiste aos agentes escolhidos para a decomposição. No caso de sólidos inorgânicos, a resistência à dissolução do sólido depende do tipo de solvente utilizado, mas algumas substâncias não são dissolvidas mesmo em sistemas fechados com ácidos concentrados sob altas pressões e temperaturas, como nitreto de boro, carbeto de silício, topázio, entre outros. Um aumento na solubilidade dos materiais está, geralmente, ligada à mudanças na estrutura cristalina da substância a ser analisada, além de sua área superficial e porosidade (Sulcek e Povondra, 1989). Neste sentido, é imprescindível que se conheçam previamente os métodos de decomposição a serem empregados e suas limitações. Em alguns casos, a dissolução é completa, mas as perdas por volatilização são consideráveis, como as que ocorrem nas decomposições por fusão.

2.7.

OUTROS ERROS

2.7.1. Perdas de analitos por interações com frascos de reação Outra fonte de erro é que componentes da amostra podem reagir com os materiais empregados em alguns métodos de decomposição, particularmente as quando decomposições são feitas em cadinhos. A dimensão das perdas depende da temperatura, do material do cadinho e da composição da amostra. Se o cadinho for de porcelana ou sílica, por exemplo, o elemento pode reagir e ficar aderido nas paredes do cadinho, sendo perdido neste tipo de pré-tratamento. Silicatos, fosfatos e óxidos combinam-se facilmente com o esmalte dos cadinhos de porcelana, e por esta razão é preferível trabalhar com cadinhos de platina. Por outro lado, cadinhos de platina podem formar ligas com metais nobres.


46


2.7.2. Perdas de analitos e contaminação durante lavagem de amostras Aplica-se, particularmente, à lavagem de vegetais, como folhas, raízes e frutos, para remover contaminantes. As lavagens devem ser feitas conforme recomendado no capítulo 3, mas deve-se tomar o cuidado com possíveis perdas por lixiviação e contaminações. Neste sentido, recomenda-se ler o artigo de Markert (1995) que faz uma boa revisão sobre este tema. Quando a lavagem é imprescindível, as perdas por lixiviação podem ser minimizadas, quanto mais rápida for a lavagem. Em geral, a lavagem ultra-sônica não é recomendável por potencializar as perdas por lixiviação (vide capítulo 3.3). Para evitar a contaminação durante a lavagem, deve-se usar água de alta pureza Tipo I.

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3. TRATAMENTOS PRELIMINARES

3.1.

ASPECTOS GERAIS

Em geral, a maioria das amostras requer etapas de pré-tratamento preliminares. Estas etapas preliminares são procedimentos aplicados às amostras a partir do estado em que são coletadas e, em alguns casos, antes de serem entregues ao laboratório analítico. A maioria destas operações envolve procedimentos predominantemente físicos, como lavagem, secagem, moagem, peneiramento, refrigeração, agitação mecânica, ou simples polimento, dependo do tipo de amostra. Lavagem Em geral a lavagem é restrita a alguns tipos de materiais, particularmente, partes de vegetais como raízes, folhas e frutos. Amostras de vegetais destinadas a determinações de macro e micronutrientes podem necessitar descontaminação, devido à poeira ou resíduos de pulverização no local da coleta, dependendo dos elementos a serem determinados e das possibilidades de contaminação. Caso necessário, as amostras devem ser lavadas com solução detergente neutra (entre 0,1 e 0,3% v/v) e em seguida com água desionizada. Este procedimento deve ser rápido, para se evitar perda de nutrientes durante a lavagem. Se as amostras estiverem secas ou murchas, é aconselhável não lavar com água (Nogueira et al., 1998). Atenção deve ser observada para o risco de perdas de elementos por lixiviação, recomendando-se a leitura de artigo de Markert (1995). Secagem A operação de secagem até massa constante é comum para amostras sólidas que apresentem água em quantidade variável e em forma não determinada. Em muitos casos (solos, rochas, minérios, sedimentos) a secagem poderá ser feita a 105 ° C, desde que não haja riscos de perdas de elementos por volatilização e, excepcionalmente, degradação (decomposição) térmica da amostra. Materiais biológicos são, em geral, secos em estufa com circulação forçada de ar a 60 – 65° C. Alguns minerais, como vários aluminatos e silicatos, podem necessitar de temperaturas maiores que 1000 ° C. Alternativamente, a secagem pode ser feita em dessecador, ou por liofilização, processo no


Tratamentos preliminares

50

qual a amostra é congelada entre -80 e -60 °C, e depois seca sob vácuo em temperaturas entre -20 e + 40° C. No caso particular de vegetais, a secagem é feita em sacos de papel ou de algodão limpos, em estufa com circulação de ar a 65ºC, por um período de 48 h ou até peso constante. Para o caso de silagem, a pré-secagem deve ser feita a 45ºC por 72 h. A carga de cada estufa deve estabelecida de tal modo que a circulação interna de ar não seja prejudicada. Amostras de fezes que serão analisadas após secagem e moagem devem ser colocadas em bandejas limpas e secadas a 65ºC durante 48 h ou até peso constante. Amostras que serão analisadas frescas devem ser colocadas em sacos plásticos, sendo então retirado o ar e congeladas até a sua manipulação. Em alguns casos, a pré-secagem é necessária quando a amostra possui alto teor de umidade. Após secagem, a bandeja ou o saco de papel é retirado da estufa e posto sob condições ambientais do laboratório por pelo menos 1 h. Esse tempo é necessário para que a umidade da amostra entre em equilíbrio com a umidade do ambiente e atinja peso constante e para evitar erros de pesagem (movimentação de ar ascendente sobre a balança). No caso de grãos, o seguinte procedimento para controle de qualidade da matéria prima é adotado nas indústrias: présecagem a 45 C por 24 h; em seguida, o grão é triturado ou quebrado e colocado em estufa º

por 1 h a 130 C para determinação da matéria seca. Recomenda-se consultar monografia º

especializada editada por Nogueira e Souza, 2005. É importante recordar que, dependendo dos elementos a serem determinados, a secagem deverá ser feita em ambientes limpos (ISO Classe 5, Classe 6 ou Classe 7), conforme comentado no Capítulo 2.

Moagem A moagem é necessária, porque amostras finamente moídas são mais homogêneas, podendo ser subdivididas, mantendo a representatividade se cuidadosamente misturadas. A homogeneidade pode ser avaliada estatisticamente e é feita elemento por elemento numa determinada massa de amostra. A relação entre homogeneidade e massa da amostra é abordada no item 4.1, assim como outros métodos de moagem, por tratar da análise direta de sólidos na forma de material finamente moído. Por outro lado, a diminuição no tamanho das partículas aumenta a relação entre área superficial e o volume da solução, facilitando processos de dissolução, decomposição e de extração.



51

Existem diferentes tipos de moinho que diferem na capacidade (massa de amostra), rendimento operacional (amostras moídas por unidade de tempo), temperatura, e contaminação. A escolha do moinho de muitos fatores, como o tamanho desejado das partículas (distribuição do tamanho das partículas), como o tipo e quantidade de amostra disponível, capacidade do moinho (que massas podem ser moídas), da velocidade de moagem, da constituição final do produto moído e do elemento a ser determinado. A moagem das amostras ocorre basicamente pelo choque entre a amostra e o material que compõe o moinho, sendo por isso, uma grande fonte de contaminação [KURFÜRST, 1998]. Desse modo, a moagem pode ser considerada como uma das etapas mais críticas da seqüência analítica, principalmente quando os analitos se encontrarem em baixas concentrações, conforme mencionado no capítulo 2. Para excluir a possibilidade de abrasão ou reduzí-la ao mínimo, a dureza ou resistência abrasiva do material que compõe o moinho deve ser superior à da amostra. Na Tabela 1 está apresentada uma escala, proposta por Mohs, que determina a dureza do material. Tabela 1 – Escala de Mohs Dureza

Mineral

1

Talco

2

Gesso

3

Calcita

4

Fluorita

5

Apatita

6

Feldspato

7

Quartzo

8

Topázio

9

Corindon (rubi, safira, esmeralda oriental)

10

Diamante

Nota: Esta escala foi criada pelo austríaco da cidade de Graz, Friedrich Mohs. O valor de dureza 1 foi dado ao material menos duro que é o talco, e o valor 10 dado ao diamante que é a substância mais dura existente na natureza. Esta escala não corresponde à dureza aboluta de um material. O diamante, por exemplo, tem dureza absoluta 1500 vezes superior ao talco.


52


De um modo geral, a moagem pode ser classificada como moagem grosseira e moagem fina que resulta em partículas de aproximadamente 5 mm e 63

µm,

respectivamente, e a moagem extra-fina com partículas < 63 µm [MARKERT, 1995]. Com relação à caracterização do tamanho das partículas, pode-se usar a seguinte classificação: gigante (> 300 mm), macro (30-300 mm), grande (10-30 mm), médio (1-3 mm), pequeno (0,1-3 mm), fino (0.1-0.3 mm), denso (0,03-0,1 mm), microcristalino (1-30

µm),

criptocristalino (0,1-1 µm), cristalino raio-X (< 0,1 µm). A moagem das amostras pode ser promovida de diversas maneiras, como o esmagamento entre duas superfícies, fricção contra uma superfície, alteração e fragilização da estrutura. O tipo de moagem a ser empregado e o equipamento que será utilizado depende, além do tipo de amostra, do objetivo do analista. A moagem grosseira (partículas com ca. 5 mm) é comumente empregada como uma pré-moagem para a maioria das amostras. Dentre os moinhos para essa finalidade, destacam-se o liquidificador, os processadores e o moinho de facas. No caso da moagem fina pode-se empregar o moinho de disco e o almofariz, enquanto que para a moagem extra-fina pode-se utilizar o moinho de bolas, o moinho vibracional, o moinho de jato de ar e o moinho criogênico. A moagem em moinhos mecânicos, como o liquidificador e o processador, o almofariz e pistilo, os moinhos de facas, disco e bolas, ocorre devido ao atrito entre o moinho e a amostra, deve ser evitado se houver risco de perdas de elemenos voláteis ou de degradação de componentes da amostra, uma vez que estes tipos de moagem promovem aquecimento do sistema. O grande diferencial do moinho de jato de ar é que a moagem é promovida pelo choque entre as partículas da própria amostra, diferentemente de outros moinhos, nos quais a moagem ocorre pelo choque entre amostra e moinho. Como resultado observa-se uma diminuição da contaminação. Fajgelj e Zeisler (1998) observaram que esse moinho é o mais apropriado para moer amostras biológicas e ambientais. Eles chegaram a essa conclusão depois de avaliarem a distribuição do tamanho de partículas de diversos materiais certificados pela IAEA (International Atomic Energy Agency, Viena- Áustria) e NIST. Os materiais moídos com esse tipo de moinho foram os que apresentaram as menores distribuições de partículas, sendo os mais adequados para microanálises. Em artigo de revisão sobre síntese de ligas por processos de moagem, Suryanarayana (2001) apresentou os tipos de moinho mais freqüentemente usados e as principais variáveis experimentais que afetam a moagem, tais como configuração do moinho e recipiente de moagem, velocidade e tempo de moagem, massa de amostra, atmosfera e temperatura de moagem. A discussão envolve a síntese de ligas metálicas na área de



53

engenharia de materiais, porém muitos aspectos abordados são gerais e válidos para aplicações analíticas. Neste capítulo, será feita uma abordagem mais dealhada somente a moagem criogênica, por se tratar de um método de cominuição moderno, de custo razoavelmente acessível, com aplicação para diferentes materiais, mas pouco conhecido, e, conseqüentemente, pouco utilizado nos laboratórios.

Separação de componentes de amostras sólidas. A maior parte deste texto é dedicada aos métodos de pré-tratamento que transformam amostras sólidas em soluções verdadeiras. Entretanto, existem situações em que não é necessário dissolver ou decompor a amostra completamente. Em alguns casos, é possível dissolver quantitativamente alguns analitos de interesse, ou extrair somente um ou alguns componentes de interesse, deixando o resto da amostra (fração insolúvel) no estado sólido, como será abordado no Capítulo 3.2, dedicado às extrações assistidas por ultra-som. Outros exemplos são apresentados a seguir: •

Extração de espécies inorgânicas de amostras sólidas inorgânicas. Em geral tem larga aplicação em análises de solos para fins de fertilidade. As amostras podem ser tratadas com solução de ácido diluido (0,05 mol l-1 HNO 3) ou de mistura de ácidos diluídos (Mehlich 1- 0,0125 mol l-1H2SO4 + 0,025 mol l-1HCl ), solução-tampão (1,0 mol l-1 acetato de amônio, pH 7), solução de um agente complexante (0,005 mol l-1 DTPA + CaCl2 + 0,1 mol l-1 Trietanolamina em pH 7,3), solução 1,0 mol l-1 KCl, dependendo da espécie química ou grupo de elementos a serem extraídos. Este tópico é muito especializado e recomenda-se o livro editado por B. van Raij, J. C. de Andrade, H. Cantarella, J.A. Quaggio, Análise química para avaliação da fertilidade de solos tropicais, Campinas, Instituto Agronômico, 285p., 2001.

•

Lixiviação de compostos de elementos metálicos solúveis presentes em sólidos inorgânicos. É muito recomendada para ensaios de lixiviação em resíduos sólidos. Utiliza-se água ou solução de ácido diluido. A ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) possui normas específicas (NBR 10004, 10005 e 10006) para ensaios de lixiviação e solubilização. A ABNT-NBR 10005, por exemplo, refere-se a ensaio de lixiviação com solução de 0,5 mol -1l acido acético. O ensaio de solubilização descrito na ABNT-NBR10006 é feito com H 2O.



54

•

Extração com solventes de compostos orgânicos de amostras sólidas. Muito utilizada em separações de compostos poliaromáticos em amostras de solos e sedimentos. Recomenda-se consultar literatura especializada editada por SOMENATH MITRA, Sample Preparation Techniques in Analytical Chemistry, Hoboken, WileyInterscience, 458 p, 2003.

•

Vaporização, sublimação, destilação. Em alguns casos, é possível separar o analito de uma fase sólida, aquecendo-se a amostra e analisando-se diretamente a espécie volátil ou coletando-se a fase volátil em um suporte sólido ou em uma fase líquida.

Filtração. Muitas técnicas analíticas requerem a necessária separação de partículas em suspensão como tratamento preliminar. Em análise de águas, por exemplo, recomenda-se uma filtração através de filtro de membrana de acetato ou de nitrato de celulose com porosidade de 0,45 µm ou de 0,20 µm. A fração que passa pelo filtro é denominada solúvel. A utilização de um pré-filtro de fibra de vidro com porosidade de 1 a 5 µm é recomendada em amostras com elevado teor de sólidos em suspensão. O resíduo que permanece no filtro pode ser lixiviado ou decomposto, e subsequentemente analisado. É importante lembrar que materiais em suspensão podem entupir irreversivelmente nebulizadores pneumáticos utilizados em espectrometria de emissão atômica com plasma, e interferir em medidas feitas por espectrometria de absorção molecular e turbidimetria, por exemplo, o que pode ser evitado com filtração apropriada.

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55

Moagem criogênica

3.2.

MOAGEM CRIOGÊNICA PARA O PREPARO DE AMOSTRAS EM TÉCNICAS ANALÍTICAS

Dário Santos Júnior Andréa Cristina Tomazelli Francisco José Krug Joaquim A. Nóbrega

Na determinação de metais em baixas concentrações a maioria das técnicas analíticas utilizadas requer que a amostra esteja na forma de uma solução 1. Entre as vantagens da dissolução da amostra estão a facilidade do uso de soluções aquosas para calibração, facilidade para diluições e possibilidade de separações de constituintes com ou sem pré-concentração. Alternativamente, algumas técnicas, como a espectrometria de absorção atômica com atomização eletrotérmica em forno de grafite (GFAAS) ou com chama (FAAS), a espectrometria de emissão ótica com plasma induzido (ICP-OES) e a espectrometria de massas com plasma induzido (ICP-MS) permitem a determinação de metais por meio da análise direta de sólidos e/ou da amostragem de suspensões. Os benefícios da análise de sólidos incluem: diminuição do tempo de preparo das amostras, menor possibilidade de contaminação, menor possibilidade de perda do analito devido à retenção por resíduos insolúveis ou volatilização prematura, menor uso de reagentes, menor produção de resíduos e diminuição dos custos analíticos. Neste contexto, exceto nos casos de equipamentos com amostradores de ablação por laser, a introdução da amostra na forma sólida ainda requer um mínimo tratamento. Na amostragem direta de sólidos em atomizadores ou vaporizadores eletrotérmicos, assim como na amostragem de suspensões, esse tratamento pode consistir apenas em uma etapa de moagem. Contudo, devido à pequena massa de amostra utilizada nesses métodos, geralmente entre 10 e 500 µg, é fundamental que o material moído apresente distribuição homogênea de tamanho de partículas. Essa condição pode ser crítica, principalmente, na análise de suspensões em ICP-OES 2, na qual o tamanho de partículas requerido é, freqüentemente, menor que 10 µm. Por outro lado, a análise de suspensões usando-se atomizadores ou vaporizadores eletrotérmicos é mais tolerante ao tamanho de partículas. Nesse caso, usualmente recomendam-se partículas menores que 100 µm 3-7, mas o uso de partículas de até 500 µm, em algumas situações, pode ser aceitável 8-9. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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Moagem criogênica

Infelizmente, a maioria dos moinhos convencionais não produz, em poucos minutos, distribuições homogêneas de partículas menores que 100 µm, principalmente para amostras de alta dureza ou com altos teores de fibras e gorduras10. Visando diminuir os problemas associados à homogeneização e ao tamanho das partículas, Iyengar e Kasperek 11 desenvolveram a técnica de moagem criogênica para homogeneização de amostras biológicas. O princípio da técnica consiste em promover o congelamento da amostra para aumentar a dureza dos materiais provocando falhas na estrutura. Dessa forma, o material se torna quebradiço, sendo necessária uma menor energia para sua cominuição. No procedimento investigado, a amostra foi colocada em um moinho de bolas, no qual o recipiente da amostra era constituído de PTFE e as bolas constituídas de metal e revestidas com PTFE. O recipiente da amostra foi resfriado em nitrogênio líquido (N2) por alguns minutos e agitado por 1 min a 3000 ciclos por minuto. O procedimento foi aplicado para moagem de fígado bovino visando à determinação de Ag, Cl, Co, Fe, K, Mn, Na, P, Rb e Zn empregando-se análise por ativação neutrônica instrumental. Após o trabalho de Iyengar e Kasperek, vários autores demonstraram a eficiência da moagem criogênica para homogeneização de diversos materiais. Aplicações da moagem criogênica no preparo de amostras

De Boer e Maessen 12 aplicaram a moagem criogênica para homogeneização de placenta humana. Os autores compararam a eficiência na redução do tamanho das partículas utilizando-se nitrogênio líquido (-196ºC) ou gelo seco em acetona (-78ºC) para congelamento das amostras. Demonstrou-se que a maior percentagem de partículas menores que 100 µm foi obtida quando o conjunto de moagem foi refrigerado sob menor temperatura com nitrogênio líquido. Através de experimentos com traçadores radiativos os autores observaram melhores homogeneizações utilizando nitrogênio líquido e, além disso, concluíram que alíquotas de 10 mg poderiam ser utilizadas representativamente a partir de 10 g da amostra. Zeisler et al. 13 investigaram essa técnica utilizando nitrogênio líquido para homogeneizar amostras de fígado bovino, gordura de porco e tecido muscular fibroso. No procedimento investigado foram avaliados um moinho criogênico de bolas e um moinho criogênico de disco. Observou-se que o moinho de disco foi mais eficiente para produzir partículas menores. Após 4 min de moagem, as amostras congeladas foram peneiradas em meio de nitrogênio líquido para prevenir a aglomeração das partículas. As amostras de gordura de porco apresentaram maior dificuldade de homogeneização, sendo que de 10 a 15% do material moído apresentou partículas maiores que 460 µm. Para as amostras de tecido muscular fibroso, após 8 min de homogeneização, observou-se que a maioria das © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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partículas foram inferiores a 460 µm. Os autores atestaram a homogeneidade para 26 elementos em alíquotas de 250 mg utilizando-se a técnica de análise por ativação neutrônica instrumental para os dois tipos de moinhos utilizados. May e Kaiser 14 avaliaram o procedimento de moagem criogênica para homogeneização de amostras de peixes, utilizando um moinho criogênico modelo 6700 Freezer Mill (Spex, Metuchen, NJ, EUA). Nesse moinho as amostras são moídas por impacto em um conjunto de moagem, constituído de um tubo de policarbonato e de peças magnéticas de aço inoxidável (440C), o qual é imerso em nitrogênio líquido. Uma vez que as amostras entram em contato com as peças de aço inoxidável, investigou-se a possibilidade de contaminação de 30 elementos em amostras de alta dureza (quartzo) e amostras de tecido de peixe. Após 3 min de moagem os autores observaram contaminações de 1,5 µg/g Cr, 15 µg/g Fe, 0,1 µg/g Mo e 1,0 µg/g Ni. Os autores concluíram que, comparativamente aos procedimentos freqüentemente utilizados para homogeneização de materiais biológicos, a moagem criogênica produziu menores tamanhos de partículas (< 100 µm) com melhor homogeneidade. Mierzwa et al. 5 aplicaram a moagem criogênica no preparo de amostras visando à determinação de Ba, Cu, Fe, Pb e Zn em folhas de chá por GFAAS e ICP-OES. As amostras foram moídas durante 20 min em um moinho com um acessório para resfriamento com nitrogênio líquido. Os autores verificaram que a refrigeração melhorou a eficiência da moagem e que o tamanho médio das partículas, examinado por microscopia eletrônica de varredura (SEM), foi inferior a 60 µm. Engelsen e Wibetoe 7 determinaram Al, Cu, Li e Mn em sementes de pinheiro e materiais de referência certificados (CRMs) de plantas por GFAAS com amostragem de suspensões. A moagem criogênica foi utilizada para evitar problemas de aglomeração das partículas que ocorria durante a moagem das sementes em temperatura ambiente. Os autores observaram que, para moagem em temperatura ambiente, a distribuição do tamanho das partículas foi dispersa até 170 µm, tendo sua maior fração situada até 100 µm. Para moagem criogênica a distribuição do tamanho das partículas foi mais uniforme, com a maioria das partículas menor que 50 µm. 15

Gouveia et al. utilizaram a moagem criogênica para homogeneização de cereais matinais visando à determinação de Fe, Mn e Zn por FAAS após digestão assistida por microondas. A moagem consistiu apenas de 1 etapa de pré-congelamento da amostra por 2 min e uma etapa de moagem por 2 min. As medidas dos tamanhos das partículas foram feitas por SEM e apresentaram valores médios de aproximadamente 30 µm. Os autores também observaram menores coeficientes de variação na determinação dos analitos em amostras moídas criogenicamente em comparação com amostras moídas em moinhos de facas. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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Moagem criogênica

Kamogawa et al. 16 determinaram Cd, Cu e Pb em amostras de cabelo por GFAAS empregando análises de suspensões. As amostras foram moídas criogenicamente durante 13 min, obtendo-se distribuições homogêneas, sendo 90% das partículas menores que 95 µm. Santos Jr et al. 10 avaliaram a aplicação da moagem criogênica para amostras de alimentos com diferentes teores de fibras e gordura visando ao preparo de suspensões para a determinação de Cd e Pb por GFAAS. As medidas dos tamanhos das partículas foram feitas por difração de laser e apresentaram distribuições homogêneas com partículas geralmente menores que 60 µm após 5 min de pré-congelamento e 2 min de moagem. No equipamento utilizado (Spex, Metuchen, NJ, EUA, modelo 6800) é possível a moagem de até 4 amostras simultaneamente. Os autores demonstraram que a homogeneidade das amostras após a moagem criogênica possibilitou a determinação de Cd e Pb em massas de 5 a 20 mg, preparando-se as suspensões diretamente nos copos de 1,5 mL do amostrador automático. Um aspecto relevante observado foi a possibilidade de moagem de amostras com alto teor de óleos. Para amostras de castanha do Pará, aplicando-se um período de pré-congelamento de 15 min e 3 ciclos de moagem de 2 min, observou-se a dispersão de partículas no óleo e a separação entre as partículas e o óleo após um período de decantação. Nesse ponto, é importante ressaltar que essa característica da moagem criogênica poderia ser implementada como uma alternativa para os procedimentos convencionais de trituração e/ou maceração empregados na extração de pequenas massas de óleos vegetais para análise química, uma vez que após a moagem ocorre a liberação direta do óleo (e.g. castanha do Pará e azeitona) ou facilitam-se os procedimentos de extração por solvente, sem que ocorra a degradação de compostos termolábeis. Outras aplicações da moagem criogênica têm sido relatadas na literatura visando à homogeneização de amostras biológicas 17-22, à diminuição de perdas de componentes com alta volatilidade ou de fácil oxidação quando moídas em temperaturas ambiente (i.e. condimentos, fármacos, óleo e gorduras) 23-29, à produção de CRMs 30-34 e ao preparo de amostras para extração de DNA em ossos 35 e dentes humanos 36,37. Particularmente para a produção de CRM´s, a moagem criogênica é atrativa pois possibilita a obtenção de materiais mais finos e, consequentemente, que viabilizarão uma representatividade adequada mesmo para massas reduzidas do material. Para a maioria dos constituintes de interesse a moagem à temperatura do nitrogênio líquido é pouco afetada por contaminação, principalmente se as peças do equipamento forem feitas de PTFE ou titânio. Além de a moagem criogênica ser rápida, uma das vantagens dessa técnica, dependendo do material processado, está na geração de partículas com tamanhos inferiores a 150 µm (Tabela 3.1).


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Tabela 3.1 – Amostras moídas por moagem criogênica. Material

Massa (g)

Tempo* (min)

Tamanho (µm)

Ref.

Sementes de pinheiro Vegetais e tecido animal Placenta humana Tecido de peixe

2 10 1-2

10 2 40 3

< 50 < 60 < 250 < 100

7 10 12 14

Cereais matinais Cabelo Termoplásticos (pellets) Escama de peixe Pelo animal Vértebra humana (7 mm) Pele de rato (natural) Nylon (3 mm) Polietileno Polipropileno Borracha Madeira Dente humano Dente humano Fígado bovino e tecido muscular fibroso

1 1-2 3 1,5 0,5 2 2 2 1 1,5 0,5 1,3 2 150

2 8 3 4 2 4 3 4 2 6 4 4 2 6 4

30 < 95 74 – 149 < 74 < 74 < 74 < 74 74 – 149 < 74 < 74 – 149 149 – 297 < 149 < 74 < 150 < 460

15 16 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 38 39 13

* Os valores apresentados referem-se apenas à etapa de moagem criogênica. Embora as vantagens apresentadas acima, um problema associado à mecanização da moagem criogênica visando aplicações analíticas é o estresse mecânico sofrido pelas peças móveis do moinho sob baixas temperaturas. Esse estresse pode levar ao desgaste e, até mesmo, ao cisalhamento do material empregado na construção do moinho. Uma alternativa atraente para esse problema foi implementada nos moinhos que utilizam a moagem por impacto com barras magnéticas (Figura 3.1). Nesses moinhos o conjunto de moagem é constituído de um tubo de policarbonato, uma barra magnética e duas tampas de aço inoxidável. A amostra é introduzida junto com a barra magnética no tubo de policarbonato, o qual é vedado nas extremidades com as tampas de aço. O conjunto de moagem é imerso em nitrogênio líquido durante todo o programa de moagem, o que diminui a possibilidade de perda de componentes voláteis e/ou oxidáveis da amostra. Após o período de pré-congelamento selecionado, um campo magnético alternado é aplicado


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fazendo com que a barra magnética atinja as tampas do tubo em alta velocidade. A cominuição é promovida pelo impacto da barra magnética com as amostras e com as tampas do conjunto de moagem. Assim, apenas as barras magnéticas estão em movimento no moinho, sem o auxílio de braços ou pistões mecânicos, evitando-se o desgaste ou cisalhamento do material empregado, principalmente em juntas ou conexões. Para amostras de maior dureza, o tubo de policarbonato pode ser substituído por um tubo de aço inoxidável.

Figura 3.1 - Conjunto de moagem utilizado nos moinhos de moagem por impacto com barras magnéticas.

Entre as vantagens desses equipamentos está a possibilidade de moer rapidamente amostras de maior dureza (i.e. ossos, quartzo, dentes, polímeros etc.), assim como de materiais de difícil homogeneização (fibras, borrachas, tecidos animais com alto teor de umidade e gordura etc.), e a diminuição dos riscos de contaminação entre as amostras, uma vez que cada amostra é moída em um conjunto individual de moagem. Uma alternativa ao procedimento descrito acima é o pré-congelamento da amostra em nitrogênio líquido antes da moagem. Neste caso, alguns fabricantes recomendam a utilização de frascos de moagem com bolas constituídas de PTFE, aço inoxidável ou carbeto de tungstênio. A principal desvantagem dessa estratégia é o gradual aquecimento da amostra durante a etapa de moagem, uma vez que a mesma não é mantida sob nitrogênio líquido. As Figuras 3.2, 3.3 e 3.4 mostram a distribuição do tamanho de partículas para amostras de siri, mexilhão e dentes humanos, respectivamente, congeladas por 5 min e moídas por apenas 2 min em moinhos criogênicos que utilizam a moagem por impacto com barras magnéticas. As medidas do tamanho das partículas foram feitas em medidores de tamanho de partículas por difração de laser. Observa-se que 90 % das © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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partículas possuem diâmetro inferior a 64 µm para siri, 76 µm para mexilhão e 137 µm para dentes. A moagem destes materiais por períodos mais extensos não reduziu significativamente o tamanho das partículas. 4

100 80

3 ) % ( e m2 u l o V

60 40

1

20

0

% ( o d a l u m u c a e m u l o V

0 0,0

0,1

0,2

0,6

1,5

3,9

9,8

25,0 63,4 161,2

Diâmetro das partículas (µm)

Figura 3.2 - Distribuição do tamanho das partículas de carne de siri liofilizada, précongelada por 5 min e moída em moinho criogênico de impacto por 2 min. 4

100 80

3

) % ( e m2 u l o V

60 40

1

20

0

% ( o d la u m u c a e m lu o V

0 0

2

3

5

8 13 21 34 56 92 1512 47 404 Diâmetro das partículas (µm)

Figura 3.3 - Distribuição do tamanho das partículas de mexilhão liofilizado, pré-congelado por 5 min e moído em moinho criogênico de impacto por 2 min.


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4

100 80

3

) % ( e m2 u l o V

60 40

1

20

0

) % ( o d la u m u c a e m lu o V

0 0

2

3

5

8 13 21 34 56 92 1512 47 404 Diâmetro das partículas (µm)

Figura 3.4 - Distribuição do tamanho das partículas de dente humano pré-congelado por 5 min e moído em moinho criogênico de impacto por 2 min.

Assim como observado por May e Kaiser 14, deve-se ressaltar que como as amostras ficam em contato com as peças metálicas do conjunto de moagem, há o risco de contaminação por Cr, Fe, Mo e Ni. Assim, no preparo de amostras visando à determinação desses metais, esses equipamentos somente devem ser usados se a concentração endógena dos elementos for substancialmente maior que a contribuição da contaminação. Em trabalhos recentes, Araújo et al. 22, Gouveia et al. 15 e Carrilho et al. 40 demonstraram a possibilidade de utilizar moinhos de impacto com barras magnéticas para moagem de diferentes amostras sem contaminação perceptível de ferro. Conclusões

De acordo com a complexidade das amostras já investigadas e com os resultados já obtidos, a moagem criogênica pode ser recomendada para diminuir o tempo gasto no preparo de amostras em procedimentos analíticos. Além disso, o tamanho reduzido de partículas aumenta a área de ataque dos reagentes, facilitando fortemente os procedimentos de digestão de amostras ou os procedimentos de extração. A homogeneidade do material moído permite o uso de técnicas micro-analíticas como a análise por ativação neutrônica ou a espectrometria de absorção atômica com amostragem direta de sólidos em forno de grafite. Além disso, com partículas diminutas a análise direta de suspensões por espectrometria de absorção atômica com chama (FAAS) pode ser implementada em alguns casos.


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Até o presente momento, na maioria dos procedimentos de moagem criogênica descritos na literatura, não se alcançaram distribuições homogêneas com tamanhos de partículas menores que 10 µm. Esse pré-requisito, como já mencionado, é fundamental para introdução e o transporte de suspensões, assim como para atomização do analito em ICPOES. Dessa forma, apesar das vantagens aqui descritas, a investigação de novos equipamentos com diferentes mecanismos de moagem criogênica ainda é necessária para uma melhor cominuição. Referências

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Extrações assistidas por ultra-som

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3.3. EXTRAÇÕES ASSISTIDAS POR ULTRA-SOM

Dário Santos Júnior Francisco José Krug Mauro Korn

Nos procedimentos de amostragem de suspensões com agitação ultra-sônica é comum que uma fração significativa do analito seja extraída para a fase líquida, melhorando, em alguns casos, a precisão das medidas. Com base nessas observações muitos autores propuseram estudos mais detalhados sobre os efeitos do ultra-som no preparo de suspensões e, neste sentido, vários trabalhos foram propostos utilizando a extração dos analitos assistida por ultra-som e a amostragem apenas do sobrenadante1. Comparando-se com a amostragem de suspensões, a extração do analito para a fase líquida tem sido ressaltada na literatura com as seguintes vantagens: (i)

(ii)

(iii) (iv) (v) (vi) (vii)

(viii)

o uso de agentes surfactantes pode ser dispensado, uma vez que não é necessário manter uma suspensão homogênea. Neste aspecto, os erros devidos às diferentes taxas de sedimentação são eliminados; a massa representativa é proporcional à massa utilizada para o preparo das suspensões (e.g. 50 – 500 mg). Conseqüentemente, melhor exatidão dos resultados é esperada quando comparada à análise de suspensões ou amostragem direta de sólidos de materiais pouco homogêneos; os erros volumétricos devido à falta de homogeneidade no tamanho das partículas são evitados; as diluições podem ser implementadas pelo uso do próprio autoamostrador; menor efeito de matriz, melhor ação dos modificadores químicos e maior possibilidade de calibração utilizando-se padrões aquosos em GFAAS; baixo consumo de ácidos (e.g. soluções de ácido nítrico e/ou clorídrico diluídas < 3 mol/l); maior tolerância ao tamanho de partículas, comparando-se com a amostragem de suspensões e a introdução da amostra por nebulização (e.g. ICP-OES, ICPMS). Partículas menores que 300 µm já foram utilizadas, combinando-se diferentes soluções extratoras e tempo de extração; o princípio do frasco único, onde a amostra é preparada diretamente nos frascos

68


(ix)

do autoamostrador ou em tubos de centrífuga volumétricos, pode ser implementado minimizando os riscos de contaminação; maior segurança quando comparada aos procedimentos de decomposição da amostra via úmida a quente (> 100 ºC), uma vez que, em geral, os métodos de extração ultra-sônica são conduzidos à temperatura ambiente. Entretanto,

a

literatura

também

ressalta

algumas

características

dos

procedimentos de extração assistidos por ultra-som como limitações, entre elas: (i)

(ii)

(iii)

(iv)

a massa de amostra é geralmente menor que aquela utilizada nos procedimentos de digestão em sistemas abertos. Neste aspecto, deve-se destacar que não existe uma limitação bem definida e que, para a maioria dos casos, existe um compromisso entre tamanho do frasco utilizado para extração, composição de reagentes e tempo de sonicação; o tamanho de partículas pode ser crítico e deve ser bem avaliado. Novamente, deve-se ressaltar que não existe na literatura uma definição do melhor tamanho das partículas. O melhor tamanho deve ser obtido estatisticamente, assumindose, também, um compromisso com outros parâmetros, como o tempo de sonicação, composição e concentração da solução extratora; a robustez dos procedimentos de extração utilizando-se banhos ultra-sônicos é questionável, uma vez que a distribuição da intensidade ultra-sônica no interior da cavidade do banho não é homogênea e pode variar de acordo com o volume de água na cavidade do banho, com o número de frascos utilizados dentro do banho e posição do transdutor ultra-sônico; embora o tempo de extração seja baixo (i.e. geralmente menor que 20 min), a freqüência analítica é drasticamente limitada ao número de frascos que podem ser utilizados dentro da cavidade do banho sem que haja prejuízo para a distribuição da energia ultra-sônica.

Frente às vantagens e limitações inerentes a qualquer procedimento analítico, é possível inicialmente inferir que a extração ultra-sônica apresenta potencialidades como uma alternativa aos procedimentos convencionais utilizados no preparo de amostras em espectrometria atômica.


69

Fundamentos e aplicações da extração ultra-sônica

Nos últimos anos observou-se um crescente desenvolvimento de métodos de preparo de amostras assistidos por ultra-som. Em pesquisa realizada no(Institute for Scientific Information, Webofscience.com), combinando-se as palavras “do inglês: ”, foi possível observar o crescimento ultrasound, ultrasonic, sonication, extraction e leaching do número de trabalhos que utilizaram a extração sólido-líquido assistida por ultra-som como uma alternativa ao preparo de amostras em espectrometria atômica. Nesta pesquisa, não foram considerados os trabalhos envolvendo a extração de metais em óleos vegetais e óleos lubrificantes, a extração de analitos adsorvidos em colunas de pré-concentração em análises de águas, e trabalhos que reportaram a extração parcial do analito para fase líquida durante a agitação ultra-sônica, mas cujo objetivo principal foi a amostragem de suspensões. A Figura 3.4 apresenta o perfil do desenvolvimento da extração assistida por ultra-som em espectrometria atômica entre os anos de 1996 e 2005. Ressalte-se que o número de trabalhos apresentados para cada técnica não é acumulativo em relação ao total de trabalhos, uma vez que, em alguns casos, foram utilizadas duas ou mais técnicas de espectrometria atômica no mesmo trabalho. Neste caso, apenas a linha sobre as colunas representa o total de trabalhos em cada ano. Observa-se que o número de trabalhos envolvendo a extração ultra-sônica ainda é incipiente, principalmente, se for comparado ao número de métodos de preparo de amostras assistidos por microondas propostos na literatura 2. A Figura 3.5 apresenta o perfil da participação de cada analito em relação ao total de métodos apresentados na literatura. O número de trabalhos apresentado para os analitos não é acumulativo em relação ao total de trabalhos, uma vez que alguns métodos foram avaliados para extração multielementar. Como pode ser observado a extração assistida por ultra-som de alguns elementos como cádmio, chumbo, cobre e manganês foi avaliada em um número significativo de trabalhos. No entanto, as informações sobre a extração de elementos como antimônio, bário, bismuto, molibdênio, entre outros, ainda é incipiente. Embora a aplicação do ultra-som visando à indução de reações químicas (i.e. sonoquímica) pareça uma tarefa simples, são necessários conhecimentos básicos de alguns fundamentos da aplicação dessa forma de energia, bem como dos principais fatores físicos que podem influenciar no sucesso de um método sonoquímico. Aspectos relevantes sobre a teoria da aplicação do ultra-som com ênfase extensiva nos efeitos químicos e físicos, assim como nos cálculos matemáticos pertinentes aos fenômenos de cavitação acústica são abordados em diferentes publicações3-8.

70


35

FAES HGAAS

BIFF-AAS GFAAS

AFS ICP-OES

FAAS ICP-MS

CVAAS TXRF

30

s e 25 õ ç a c li 20 b u p e d 15 ro e m 10 ú N 5

0 1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

Ano

Figura 3.4 - Desenvolvimento da extração assistida por ultra-som em espectrometria atômica entre 1995 e 2005 © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

2005

Extrações assistidas por ultra-som 60

Cu

Pb Zn

Cd

50

Fe s 40 e õ ç a ti c e 30 d o r e m ú 20 N

Cr

Mn Ni

As Mg Ca Al

Se Co

10

Hg

K

Ba Ag

B

Bi

Cs

Ge

In

Na Li

Mo

Sn Sr P

Sb Rb Sc

TbTe

0

Analito Figura 3.5 – Número de citações de cada analito nos trabalhos apresentados na literatura entre 1995 e 2005. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

V Ti Zr

72


O fundamento da aplicação do ultra-som em procedimentos de extração é baseado no conceito de se empregar uma energia externa que aumente a ação química de um solvente sobre o soluto. Assim, a aplicação de ondas mecânicas, como as ultra-sônicas, que se propagam em meios materiais, deve favorecer a interação do solvente sobre uma amostra sólida pela renovação das moléculas do solvente na interface líquido/sólido. Para o tratamento de amostras, a faixa de freqüência ordinária das ondas ultra-sônicas está entre 20 e 100 kHz. Esta região, denominada de faixa de baixa freqüência e alta potência, proporciona a formação de pequenas bolhas de cavitação quando a onda atravessa um meio líquido. De fato, a faixa de freqüência disponível para sonoquímica foi estendida até 2 MHz com o desenvolvimento de equipamentos de alta potência capazes de gerar cavitações nessas freqüências 9. As bolhas de cavitação se desenvolvem durante as fases de compressão e rarefação da onda ultra-sônica. Durante a fase de rarefação, uma fração dos gases presentes no líquido é absorvida pela bolha de cavitação, e nos ciclos consecutivos de compressão e rarefação, a bolha tem seu diâmetro modificado até atingir um diâmetro crítico, acima do qual ocorre sua implosão. Este tamanho crítico é determinado pela freqüência do ultra-som (e.g. 170 µm a 20 kHz) 10, 11. Esse fenômeno leva à formação de uma variedade de espécies no meio exposto, pela combinação dos radicais livres formados pela energia oriunda da implosão12, 13, 14. De acordo com Suslick et al. 15, o colapso ≈

das microbolhas formadas pelo efeito do ultra-som resulta na produção de temperaturas instantâneas de aproximadamente 5200 K na fase gasosa e 1900 K na interface com o meio líquido, com taxa de aquecimento e resfriamento de aproximadamente 10 10 K s -1 e pressões instantâneas localizadas na interface entre a bolha e o solvente no momento do colapso de até 1000 atm. Os fenômenos de cavitação acústica em sistemas sob sonicação proporcionam condições de temperatura e pressão normalmente inusitadas na química. Entretanto, devese ressaltar que alguns fatores podem afetar diretamente a formação, crescimento e colapso das bolhas de cavitação, entre eles a freqüência e intensidade do ultra-som, características do solvente, pressão e temperatura do meio, viscosidade, pressão de vapor do líquido, presença de gases e presença de material sólido no meio. Deve-se destacar, também, que não existe uma relação simples que correlacione esses fatores de maneira generalizada. A influência de cada um deles sobre a eficiência de um processo sonoquímico depende do tipo de aplicação. Entre as características mais importantes para a escolha do processador ultra-sônico a ser usado na sonoquímica destaca-se a intensidade de energia acústica (W cm -2), a qual é proporcional ao quadrado da amplitude de vibração. Assim, especial atenção deve ser dada à potência do processador ultra-sônico9. Entre os processadores ultra-sônicos comercialmente disponíveis, os mais utilizados são o banho ultra-sônico e a sonda ultra-sônica. De acordo com Mason e © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


73

Lorimer 9 nem todos os banhos ultra-sônicos têm intensidade suficiente para serem usados em processos sonoquímico. Os banhos ultra-sônicos de baixa intensidade com modernos transdutores piezelétricos usam, em geral, intensidades entre 1 e 2 W cm -2. De acordo com os autores, a determinação da intensidade ultra-sônica em um determinado ponto da solução não é uma tarefa fácil e, geralmente, é apenas realizada por métodos calorimétricos. Os autores sugerem que um teste simples pode ser realizado, utilizando-se uma folha de alumínio no interior do banho ultra-sônico com água e detergente durante 30 s. Em um banho apropriado para o uso em sonoquímica a folha de alumínio deve ser perfurada extensivamente pela implosão das bolhas de cavitação durante a sonicação. A região de maior perfuração também serve como um indicativo da região de maior intensidade ultra-sônica, na qual devem ser posicionados os frascos de reação. De acordo com Capelo et al.1, os resultados mais contraditórios reportados na literatura acerca do uso de ultra-som no preparo de amostras são relacionados ao uso de banhos ultra-sônicos. Geralmente, a potência desses equipamentos e a dissipação da energia ultra-sônica dependem estritamente da freqüência, da configuração e posição dos transdutores piezelétricos, assim como do volume da cuba do banho, sendo que essas características variam de acordo com o fabricante. Isso significa que é difícil fazer comparações diretas quanto a resultados obtidos utilizando-se diferentes banhos ultrasônicos. Nesses equipamentos, a energia ultra-sônica é transmitida de forma indireta para os frascos de reação. Assim, a potência e o perfil de distribuição da energia ultra-sônica podem levar a resultados contraditórios quanto à reprodutibilidade de resultados analíticos obtidos em diferentes laboratórios. Como exemplo, Santos et al. 16 encontraram diferentes percentuais de extração de arsênio em alimentos marinho, até mesmo utilizando-se um único banho ultra-sônico. O aspecto da transmissão indireta da energia em banhos ultra-sônicos também ressalta características importantes. Como a energia ultra-sônica tem que atravessar as paredes do frasco de reação, e parte dessa energia é absorvida e/ou refletida neste processo, a energia resultante para indução de cavitação no interior do frasco é significativamente menor que aquela no interior da cuba logo acima do transdutor. Assim, especial atenção deve ser dada às características dos frascos de reação como geometria, espessura da parede, velocidade do som no material e coeficiente de atenuação do material. Por outro lado, a transmissão indireta de energia para os frascos proporciona menor possibilidade de contaminação, visto que não há contato direto das amostras com o meio líquido do banho, assim como com peças metálicas. Ressalta-se também, neste aspecto, a possibilidade de sonicação de mais de uma amostra simultaneamente, mas o perfil de distribuição da energia ultra-sônica no interior do banho com diferentes quantidades de frascos de reação deve ser avaliado previamente. Neste sentido, especial atenção deve © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

74


ser dada às características técnicas do equipamento, assim como aos frascos de reação antes do desenvolvimento de métodos analíticos utilizando-se banhos ultra-sônicos. Outro processador comumente utilizado para extração sólido-líquido é a sonda ultra-sônica. Nestes processadores o transdutor é acoplado a uma sonda de titânio ou liga de titânio (e.g. Ti-6AL-4V), a qual é inserida diretamente no meio contendo as partículas. A sonda ultra-sônica geralmente proporciona ao meio de extração intensidades ultra-sônicas muito maiores que àquelas observadas em banhos ultra-sônicos (e.g. 1 – 5 W/cm 2 com banhos versus 50 – 500 W/cm2 com sondas). As sondas ultra-sônicas utilizadas para extração sólido-líquido em química analítica são operadas tipicamente a 20 kHz e com intensidades geralmente entre 50 e 200 W/cm 2. Como essas intensidades de potência são dissipadas diretamente na suspensão, alguns autores tem destacado sua eficiência também para redução do tamanho das partículas 17, redução do tempo de extração e melhor eficiência de extração 1. Entretanto, a inserção da sonda diretamente na suspensão pode representar uma fonte de contaminação da amostra por metais presentes na composição da sonda 1. A Tabela 3.2 apresenta as principais características entre banhos e sondas e os valores médios freqüentemente reportados para equipamentos designados para uso em laboratório. Ressalte-se que banhos ou sondas de maior potência designados para diferentes aplicações estão disponíveis comercialmente. Tabela 3.2 - Características dos processadores ultra-sônicos (banho e sonda) disponíveis para uso em laboratório e dos procedimentos analíticos freqüentemente reportados para o uso em extração assistida por ultra-som. Banho

Sonda

Intensidade (W/cm )

1-5

50 - 200

Intensidade variável *

Sim

Sim

Aplicação direta na amostra

Não

Sim

< US$ 1000

US$ 2000 - 4500

2

Custo Solução extratora Freqüência analítica

HNO/3 HCl (< 3 mol/l)

HNO

3

(< 1,4 mol/l)

Baixa (1-6 amostras / 20 min) ‡ Baixa (1 amostra / 5 min) †

* a intensidade depende da amplitude do deslocamento imposto pelo transdutor, o qual depende da freqüência e da potência nominal aplicada. ‡ banhos ultra-sônicos de maior volume podem ser usados para aumentar a freqüência de amostragem, mas a distribuição das ondas ultra-sônicas dentro da cuba deve ser observada. † Multi-sondas podem ser utilizadas para aumentar a freqüência de amostragem.



75

A Tabela 3.3 apresenta as características de alguns métodos os quais destacaram as potencialidades e limitações da extração assistida por ultra-som como alternativa para o preparo de amostras em espectrometria atômica. O percentual de extração foi determinado a partir da concentração certificada do analito em materiais de referência certificados ou pela comparação com os valores obtidos após a decomposição ácida das amostras. Em alguns casos o percentual de extração foi comparado à fração correspondente de cada analito em métodos de extração seqüencial. Nos trabalhos apresentados na Tabela 3.3 observa-se que a utilização de sondas ultra-sônicas proporciona tempos de extração significativamente mais baixos e, principalmente para materiais biológicos, observou-se a potencialidade do uso de ambos processadores ultra-sônicos para extração quantitativa e multielementar dos analitos. Entretanto, alguns resultados contraditórios a respeito da extração ultra-sônica também foram relatados na literatura recente, principalmente, em relação ao uso de banhos ultra-sônicos nos procedimentos de extração para diferentes tipos de amostras. Entre alguns exemplos, Mierzwa et al .18 não obtiveram recuperações quantitativas para selênio em amostras de fígado bovino utilizando um banho ultra-sônico operando a 70 ºC por 18 min, enquanto Bermejo-Barrera et al .19 obtiveram recuperações quantitativas de selênio em amostras de cabelo operando um banho ultra-sônico a 90 ºC por apenas 10 min. El Azouzi et al.20 utilizaram uma mistura HNO3 (1,6 mol/l) / HCl (1,2 mol/l)/ H 2O2 (0,1 mol/l) para extração ultra-sônica de metais em tecido de mexilhão. Apenas após 120 min de sonicação os autores obtiveram recuperações quantitativas de cádmio (95%) e cobre (100%), e extração parcial de crômio (54%). Por outro lado, Minami et al. 21, também usando banhos ultra-sônicos, reportaram extrações quantitativas de Cd, Cu, Mn e Pb em diferentes materiais biológicos de srcem animal e vegetal utilizando apenas HNO3 (1 mol/l) com apenas 5 min de sonicação. Bermejo-Barrera et al.22 propuseram a extração de As, Ca, Cd, Co, Cr, Mn, Pb, Se, Zn, Ca, Fe, Hg e Mg em tecidos de animais marinhos utilizando-se banhos ultra-sônicos. De acordo com os autores, o tempo de sonicação entre 10 e 120 min não promoveu efeito significativo na extração, com exceção ao selênio, no qual foi necessária sonicação durante 30 min a 90 ºC. A concentração de ácidos na mistura extratora foi otimizada para cada analito, variando as soluções extratoras entre 0,5 e 4,5 mol/l HNO 3 e entre 2,0 e 4,0 mol/l HCl. Lima et al.23 obtiveram recuperações quantitativas de cádmio em CRMs de materiais biológicos e sedimentos com uma sonda ultra-sônica de 50 W por 2 min, enquanto Capelo et al.24 alcançaram extrações quantitativas apenas para cádmio em materiais biológicos com tamanho de partículas < 50 µm, operando uma sonda de 100 W por 1 min. Os autores não alcançaram recuperações quantitativas de cádmio para o mesmo © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

76


tipo de CRM de sedimento utilizado por Lima et al. 23 (i.e. CRM 320 River Sediment) mesmo com o aumento do tempo de sonicação. Recentemente, Canepari et al.25 avaliaram a extração seqüencial (BCR) assistida por microondas ou ultra-som para determinação de Cd, Cr, Ni, Pb, Zn, Cu, Al, As, Co, Fe, Mg e Mn em sedimentos. O método assistido por ultra-som apresentou recuperações significativamente menores que 100 % para todos os elementos quando comparado ao método assistido por microondas (e.g. Fe < 24%, Mg < 78 %, Zn < 62 %, Cu < 62 %). Os autores ressaltaram que o método assistido por ultra-som também foi menos reprodutível, até mesmo quando comparado com agitação mecânica. Davidson e Delevoye 26 reportaram valores concordantes entre a extração seqüencial (BCR) convencional e com auxílio do ultra-som para determinação de Fe, Mg e Zn (84 - 98 %) em solos e sedimentos. Nesse trabalho, também foram reportados baixos níveis de extração de Cu (74 %) e a performance do método assistido por ultra-som foi deficiente para extração de alguns dos analitos em sedimento marinho, variando entre 58 - 104 %. De acordo com os autores, os níveis de variação observados para essas amostras evidenciam as dificuldades do desenvolvimento de métodos de extração seqüencial BCR assistidos por ultra-som para aplicação em diferentes amostras. Domínguez-González et al. 27 avaliaram a extração de Al, As, Ba, Fe, V, Ca, K, Na, Mg, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb e Zn em algas marinhas. Os autores enfatizaram que uma etapa de 10 min de sonicação em meio 6,0 mol/l HCl a 65 ºC foi necessária para destruir a parede celular e permitir melhores percentuais de extração de alguns elementos, como Al, As, Fe, Ba e V. Após essa etapa, foram necessários mais 35 min de sonicação a 65 ºC em meio 3,7 mol/l HNO3 + 3,0 mol/l HCl + 3,0 mol/l H2O2 para extração dos analitos. Nesse trabalho, foram obtidas extrações quantitativas de Fe (e.g. 93 - 97% em CRMs), o qual é um elemento reconhecido como de difícil extração em muitos tecidos vegetais, mas os autores também destacaram a falta de exatidão obtida na determinação de Al, Cr, Pb e V em CRMs. Por outro lado, Nascentes et al. 28 demonstraram que 10 min de sonicação em meio 0,14 mol/l HNO3 foi eficiente na extração quantitativa de Ca, Mg, Mn e Zn em diferentes amostras de tecido vegetal.



Tabela 3.3 - Alguns trabalhos que destacam o efeito da extração assistida por ultra-som em espectrometria atômica. (continua) Amostra

Analitos / (extração, %)

Processador / (tempo)

Fígado bovino e crustáceo

Se (85 – 88%)

Banho (18 min)

Cabelo

Cd, Cr, Pb, Se / (> 90%),

Banho (10 min)

Ca, Cd, Cu, K, Mg, Mn, Na, V, Zn /

1,6 mol/l HNO3, 1,2 mol/l HCl e 0,1 mol/l H2O2 / (FAAS e GFAAS)

Cd ( 100), Cu ( 100%), Mn ( 100), Pb ( 100%)

Banho (5 min)

0,5 mol/l HNO3 /

As, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mg, Mn, Pb, Se, Zn / (85 – 105%)

Banho

(0,5 - 4,5) mol/l HNO3

(10 - 30 min)

(2,0 - 4,0) mol/l HCl

≈

≈

Tecido animal marinho

4,8 mol/l HNO3, 4,8 mol/l HCl e 0,5

Banho (120 min)

(> 90%) Tecido animal e vegetal

4% v/v HNO / (GFAAS) 3

mol/l H2O2 / (GFAAS) 0,5 mol/l HNO3, 4.8 mol/l HCl e 0,5 mol/l H2O2 / (CVAAS)

Me-Hg (> 90%) Mexilhão

Solução extratora / (técnica analítica)

≈

(GFAAS e MIP-MS)

≈

(1,5 mol/l) H2O2 / (GFAAS, FAAS e CVAAS) Tecido animal e vegetal

Cd (97%), Cu (98%), Pb (96%)

Sonda

0,5 a 5,0 % v/v HNO 3 /

Sedimento

Cd (97%), Cu (60%), Pb (54%)

(2 - 5 min)

(GFAAS)

Material biológico e

Cd (> 96%)

Sonda (1 min)

sedimentos

Cd (> 75%)

3% v/v HNO / (GFAAS) 3

Tabela 3.3 - Alguns trabalhos que destacam o efeito da extração assistida por ultra-som em espectrometria atômica. (continuação) © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

78


Amostra Sedimento

Solos e sedimentos Alga marinha


Processador /

Solução extratora /

(tempo)

(técnica analítica)

Cd (< 74%), Cr (< 38%), Ni (< 67%), Banho Extração seqüencial BCR / Pb(< 58%), Zn (< 62%), Cu (< 62%), (ICP-OES) (20 - 30 min) Al (< 53%), As (< 65%), Co (< 60%), Fe(< 24%), Mg (< 78%), Mn (< 79%) Fe, Mn, Zn (84 – 98%) Sonda (10 min) Extração seqüencial BCR / (FAAS e ICP-OES) Cu (74%) Banho (180 min) As, Ca, Cd, Cu, Fe, K, Mn, Mg, Na, Banho 6,0 mol/l HCl (etapa 1) e Ni, Zn ( 100%), (10 + 35 min) 3,7 mol/l HNO3, 3,0 mol/l HCl, Al (<48%), Ba (<70%), Pb (<93%) 3,0 mol/l H2O2 (etapa 2) / (ICP-OES) V (< 80%), Cr (34 - 100%) Ca, Mg, Mn, Zn / (96 – 102%) Banho (10 min) 0,14 mol/l HNO3 / (FAAS) Fe (98%, repolho) 1,4 mol/l HNO3 / (FAAS) Zn 100%) ( Banho (0,5 min) 0,75 mol/l HNO 3 - 0,75 mol/l HCL (FAAS) Hg e Me-Hg (100%) Sonda (10 min) 5% v/v HNO3 - 0,02% v/v tiouréia, ≈

Vegetais Carne Tecido animal,

≈

≈

tecido vegetal, partículas de carvão Sedimento

As(III),As(V), MMA, DMA ( 100%) ≈

Sonda (1 min)

10% v/v HNO3 – 0,02% tiouréia, 20% v/v HNO3 - 0.2% v/v tiouréia / (CVAAS) Especiação em tampão fosfato (pH 5,5 – 5,6) / (HPLC-AFS)

Tabela 3.3 - Alguns trabalhos que destacam o efeito da extração assistida por ultra-som em espectrometria atômica. (conclusão) © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


Amostra (φ, µm)


Mexilhão

Cd, Pb (100%)

Músculo de peixe

Ca, Cu, Fe, Mg, Zn (100%)

Solos

≈

≈

Ge100%) ( ≈

Processador / (tempo) Banho (2 - 3 min) Banho (25 min) Sonda (10 min)

Solução extratora / (técnica analítica) 3 mol/l HNO / (FAAS) 3 30 % v/v H 2O2 – 5% v/v CFA-C / (ICP-OES) 12 mol/l HCl / (GFAAS)

Tecido animal

Se (93 - 102%)

Sonda (2 min)

Especiação / (ICP-MS)

Mexilhão, peixe e plantas

Cu (93 – 103%)

Sonda (3 min)

3% v/v HNO (GFAAS) 3

Cabelo

Ca, Cu, Fe, Mg, Mn, Zn

Banho (10 min)

4 mol/l HNO3, 3,5 mol/l HCl (FAAS e GFAAS)

Banho (20 min)

6 mol/l HCl (FI-CV-AAS)

(> 93%) Lama, Cinza e crustáceo

Cd (89 – 102%)

Cabelo

Cd (29%)

Alimentos marinhos

As (> 94%)

Mexilhão

Me-Hg, Hg / (> 92%)

Sonda (3 min)

3% v/v HNO (GFAAS) 3

36

39

Banho (30 min) Sonda (5 min)

2 mol/l HCl para Me-Hg e 5 mol/l HCl para Hg (CVAAS)

Vegetais

Mg (98%), Mn (99%), Zn (102%)

Sonda (3 min)

Lama de esgoto

Cr, Cu, Ni, Pb, Zn / (> 96%)

Sonda (22 min)

Extração seqüencial BCR (FAAS)

Material biológico e sedimento

As (8 – 111%)

Sonda (20 min)

15 % v/v HCl (FI-HGAAS)


0,3 % v/v HNO (FAAS) 3

41

80


Os resultados descritos na literatura permitem inferir que as ondas ultra-sônicas geradas por processadores ultra-sônicos promovem a extração de analitos importantes na análise de matérias biológicos, solos e sedimentos. Neste sentido, o uso da extração assistida por ultra-som pode ser recomendado como um método de screening, configurando-se como uma alternativa rápida e de baixo custo para o preparo de amostras visando, principalmente, à determinação de Ca, Cd, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Pb e Zn em vegetais, de As, Ca, Cd, Cu, Fe, Mg, Mn, Pb, Se e Zn em tecidos animais, e de As, Cd, Cu, Mn, Pb e Zn em solos e sedimentos. Em geral, observa-se que a agitação ultra-sônica diminui o tempo de extração e a concentração de ácidos, quando comparada aos métodos de agitação manual ou agitação por efeito vortex frequentemente utilizados em laboratório. Entretanto, a extração quantitativa depende fortemente da interação dos analitos com a matriz. Assim, embora os métodos assistidos por ultra-som sejam promissores, é recomendável que as variáveis que influenciam na extração dos analitos sejam avaliadas em diferentes tipos de amostras antes da utilização deste método. As Tabelas 3.4, 3.5, 3.6 apresentam as condições observadas por Santos Jr. 44 para máxima extração de diferentes analitos em amostras de tecido vegetal, tecido animal e solos e sedimentos, respectivamente. Os resultados apresentados nessas Tabelas devem ser considerados apenas como condições recomendadas por esse autor, uma vez que, em geral, as características dos métodos de extração como tempo de sonicação e concentração de ácidos podem variar fortemente de acordo com a amostra e com o processador ultra-sônico utilizado.



Tabela 3.4 - Condições obtidas para máxima extração de Al, Ca, Cd, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Pb e Zn em tecidos vegetais com sonda de 50 W (Vibracell VC50, Sonics and Materials) e banho de 90 W (Aquasonic 75D, VWR Scientific). Variável

Elementos

Sonda (mol/l) HNO3

Al 2,8

Ca 1,4

Cd 0,7

Cr 2,8

Cu 1,4

Fe 2,8

Mg 1,4

Mn 1,4

Mo 1,4

Pb 1,4

Zn 1,4

HCl (mol/l)

2,4

-

-

2,4

-

2,4

-

-

1,2

-

Tempo (min)

20

10

5

20

10

10

10

5

10

5

Partícula (µm)

< 62

< 62

< 212

< 62

< 212

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

Extração (%) *

18 - 85

80 - 95

93 - 105

41 - 91

96 - 102

75 - 102

83 - 98

89 - 105

90 - 102

93 - 101

6-9

6 - 11

3-8

5 - 12

4-7

5 - 12

3 - 11

2-8

3-7

2-9

Al

Ca

Cd

Cr

Cu

Fe

Mg

Mn

Mo

Pb

CV (%) ** Banho (mol/l) HNO3

2,8

1,4

1,4

2,8

2,8

2,8

2,8

2,8

2,8

2,8

<

2 Zn 1,4

HCl (mol/l)

2,4

-

-

2,4

-

2,4

-

-

2,4

-

Tempo (min)

20

10

10

20

10

20

10

10

20

10

Partícula (µm)

< 62

< 62

< 212

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

Extração (%) *

11 - 65

75 - 97

90 - 98

46 - 71

91 - 99

48 - 85

72 - 99

78 - 101

75 - 105

91 - 105

4-9

3-7

4 - 10

7 - 19

2-9

6 - 15

4-7

2 - 11

5 - 14

5-7

CV (%) **

* faixa de extração e ** faixa de coeficientes de variação obtidos utilizando-se diferentes amostras.


94

< 87 - 96 1

82


Tabela 3.5 - Condições obtidas para máxima extração de Al, As, Ca, Cd, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Pb, Se e Zn em tecidos animais com sonda de 50 W (Vibracell VC50, Sonics and Materials) e banho de 90 W (Aquasonic 75D, VWR Scientific). Variável

Elementos

Sonda HNO (mol/l) 3

Al 2,8

As 1,4

Ca 2,8

Cd 0,7

Cr 2,8

Cu 1,4

Fe 2,8

Mg 2,8

Mn 1,4

Pb

Se

0,7

10

0,7

HCl (mol/l)

2,4

-

-

-

-

-

2,4

-

-

-

-

Tempo (min)

20

10

10

5

20

10

10

10

5

10

10

Partícula (µm)

< 62

< 62

< 212

< 212

< 62

< 212

< 62

< 62

< 212

< 212

< 62

<

Extração (%) *

35 - 73

87 - 96

90 - 95

95 - 103

76 - 98

95 - 105

85 - 97

86 - 95

96

RSD (%) **

6 - 12

3-6

4–9

1-5

3-8

4 - 10

2 - 12

3-8

2-7

3-8

5-8

Al

As

Ca

Cd

Cr

Cu

Fe

Mg

Mn

Pb

Se

Banho HNO (mol/l) 3

2,8

2,8

2,8

2,8

2,8

2,8

2,8

91 - 102 96 - 107 92 -102

2,8

1,4

2,8

1,4

1,4

HCl (mol/l)

2,4

-

2,4

-

2,4

-

2,4

-

-

-

1,2

Tempo (min)

20

20

20

10

20

10

20

10

20

10

20

Partícula (µm)

< 62

< 62

< 212

< 212

< 62

< 62

< 62

< 62

< 212

< 62

< 62

<

Extração (%) *

23 - 31

87 - 98

70 - 91

86 - 102

77 - 94

82 - 97

92 - 103

89 - 98

86 - 93

93

RSD (%) **

9 - 17

4-8

6 - 11

5-9

3 - 10

4-7

2-6

2-7

3 - 11

86 - 101 90 - 105 3-7

1-6

* Faixa de extração e ** faixa de coeficientes de variação obtidos utilizando-se diferentes amostras.



Tabela 3.6 - Condições obtidas para máxima extração de Al, As, Ca, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Mg, Mn, Pb e Zn em solos e sedimentos com sonda de 50 W (Vibracell VC50, Sonics and Materials) e banho de 90 W (Aquasonic 75D, VWR Scientific). Variável

Elementos

Sonda HNO (mol/l) 3

Al 2,8

As

Ca

1,4

2,8

Cd

Cr

1,4

2,8

Cu

Fe

1,4

2,8

Hg -

Mg 2,8

Mn 2,8

Pb 2,8

2,8

HCl (mol/l)

2,4

1,2

2,4

-

2,4

1,2

2,4

2,4

2,4

2,4

-

Tempo (min)

20

20

20

10

20

10

20

5

20

10

10

Partícula (µm)

< 62

< 62

< 62

< 212

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

Extração (%) *

13 - 47

92 - 103

28 - 82

93 - 102

8 - 48

85 - 103

38 - 66

80 - 105

41 - 65

86 - 95

CV (%) **

2 - 12

3-6

3-9

1-5

4 - 11

3-9

3 - 13

6 -15

4-8

2-8

3-8

Al

As

Ca

Cd

Cr

Cu

Fe

Hg

Mg

Mn

Pb

Banho HNO (mol/l) 3 HCl (mol/l)

14,0

2,8

14,0

1,4

14,0

2,8

14,0

-

14,0

2,8

2,4 <

85 - 105

2,8

82 4

2,8

12,0

2,4

12,0

1,2

12,0

2,4

12,0

2,4

12,0

2,4

2,4

Tempo (min)

20

20

20

20

20

20

20

10

20

20

20

Partícula (µm)

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

< 62

<

Extração (%) *

3 - 38

73 - 95

21 - 92

91 - 105

4 - 37

88 - 95

25 - 70

70 - 102

37 - 72

78 - 98

91 - 98

72

CV (%) **

6 - 19

2-8

7 - 13

4-8

2-9

5 - 18

7 - 11

12 - 25

3-9

4 - 11

7 - 11

* Faixa de extração e ** faixa de coeficientes de variação obtidos utilizando-se diferentes amostras.


2,4

84


Referências 1.

2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

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35.

36.

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38.

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87

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88


44. SANTOS JR, D. Avaliação da extração ultra-sônica para determinação de elementos em materiais de interesse agronômico e ambiental por espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado e espectrometria de absorção atômica com forno de grafite.2005. 121 f. Tese (Doutorado – Programa de Pós-Graduação em Ciências. Área de Concentração: Química na Agricultura e no Ambiente) - Centro de Energia Nuclear na Agricultura da Universidade de São Paulo. 2005.


4. ANÁLISE DIRETA DE SÓLIDOS E SUSPENSÕES

Dentre os diversos tipos de amostras submetidas à análise elementar, uma grande parte se encontra na forma sólida. A forma mais usual de realizar esse tipo de análise tem sido a conversão da amostra sólida em uma solução por meio de procedimentos de decomposição por via seca ou via úmida para compostos orgânicos, dissolução ácida para sólidos inorgânicos ou por fusão para matrizes inorgânicas refratárias [SULCEK e POVONDRA]. No entanto, de um modo geral, esses métodos de tratamento de amostra consomem muito tempo, podendo variar de 5 min a 48 h ou mais, dependendo da complexidade da matriz. Além disso, sempre há um maior risco de ocorrência de erros sistemáticos como contaminações ou perdas por volatilização com prejuízo para a exatidão e a precisão dos resultados analíticos. Nesse contexto, a possibilidade para se analisar diretamente as amostras sólidas sem nenhum ou com o mínimo tratamento prévio deve ser vista como uma boa alternativa [JACKSON, 1999]. De um modo geral, a análise direta de sólidos apresenta importantes vantagens quando comparada aos procedimentos convencionais: (1) simplificação no prétratamento da amostra diminuindo-se o tempo gasto nessa etapa, aumentando-se, assim, a freqüência analítica, (2) minimização dos riscos de contaminação devido ao uso de quantidades reduzidas de reagentes, pouca manipulação ou baixa exposição ao ambiente, (3) minimização das perdas do analito de interesse, (4) menor periculosidade devido à não necessidade de utilizar reagentes tóxicos ou corrosivos, (5) minimização da geração de resíduos, (6) maior poder de detecção, uma vez que as amostras não são diluídas, e (7) possibilidade de se analisar pequena quantidade de amostra [KURFÜRST, 1998]. Apesar das diversas vantagens associadas à análise direta de sólidos, existem algumas dificuldades que ainda precisam ser vencidas. A análise de diminutas massas de amostras reflete em resultados com baixa precisão devido, principalmente, à falta de homogeneidade do material. Nessa situação, é importante considerar que a massa mínima para análise represente a amostra como um todo sem prejuízos para a precisão e exatidão dos resultados. A calibração é um outro desafio da análise direta de sólidos que merece destaque. Embora soluções de referência possam ser empregadas nas calibrações, em muitos casos, materiais de referência certificados (CRM) são necessários. No entanto, os CRM disponíveis comercialmente apresentam homogeneidade garantida para massas que variam entre 100 e 500 mg [ZEISLER, 1998], muito superiores àquelas comumente empregadas em análise direta de sólidos. Nesse contexto, é importante produzir novos materiais e avaliar a


90

Análise direta de sólidos

aplicabilidade dos materiais existentes nas calibrações ou validações de métodos em procedimentos de microanálise, ou seja, análises que envolvem massas inferiores a 10 mg de amostra. Cabe ressaltar que o NIST (National Institute of Standard and Technology, Gaithersburg, MD, USA) está direcionando esforços para produzir esses novos materiais. Atualmente, existe disponível no mercado um material certificado para microanálise, o sedimento marinho (NIST SRM 2703), cuja homogeneidade é garantida para massa igual ou superior a 0,7 mg [MAY e WATTERS, 2004].

4.1. ANÁLISE DIRETA DE SÓLIDOS: ASPECTOS GERAIS Cassiana Seimi Nomura Pedro Vitoriano de Oliveira 4.1.1. Homogeneidade e massa de amostra Considerando a quantidade de amostra, a SS-ETAAS pode ser classificada como a técnica que pratica desde a semimicroanálise, para massas de até 25 mg, até a ultramicroanálise, para massas de até 20 µg. Esses termos estão inseridos dentro do contexto de microquímica que pode ser definida como uma parte da química analítica que extrai informações analíticas a partir de quantidades de amostra muito pequenas (< 10 mg) [STOEPPLER et al, 2001]. Algumas dessas classificações estão apresentadas na Tabela 4.1 [GRANT e GRANT, 1987]. Tabela 4.1 - Magnitude da análise expressa com relação à massa de amostra empregada Nome

Massa de amostra (g)

Macroanálise

> 0,1

Mesoanálise (semimicroanálise)

0,1 – 0,01

Microanálise Submicroanálise

10 – 10 10-3 – 10-4

Ultramicroanálise

< 10-4

-2

-3

Apesar da possibilidade de analisar massas de amostras tão pequenas ser uma das grandes vantagens associadas à SS-ETAAS, essa mesma característica se torna um grande desafio, pois obter resultados precisos e exatos nessas condições não é uma tarefa © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

91


trivial. Em geral, massas muito pequenas (< 100 mg) tendem a comprometer a representatividade e a homogeneidade, uma vez que os elementos traços podem não estar homogeneamente distribuídos nos materiais [PAUWELS et al, 1994]. Quando a amostra é subdividida em porções cada vez menores, ela tende a se tornar cada vez mais não homogênea, pois a probabilidade de se encontrar a mesma concentração média de uma determinada espécie na porção é menor (Figura 4.1).

a)

b)

Figura 4.1 - Diagrama representativo da homogeneidade de um analito •() para diferentes sub-amostragens: (a) grande massa de amostra e (b) pequena massa de amostra Quando um material homogêneo se torna heterogêneo para pequenas massas de amostra, deve-se estabelecer uma massa mínima que seja representativa do todo para garantir a precisão e a exatidão dos resultados analíticos [PAUWELS et al, 1994]. A influência da massa de amostra sobre a precisão dos resultados analíticos foi avaliada por Rossbach e colaboradores [ROSSBACH et al, 1998], quando verificaram que o desvio padrão relativo (RSD) das medidas diminuiu de 50% para 0,5% quando massas de amostras analisadas foram aumentadas de 0,01 mg para 100 mg. Considerando a homogeneidade de materiais, pode-se dizer que a maioria dos sólidos, com raras exceções, como algumas ligas metálicas e vidros, é uma mistura heterogênea. Materiais biológicos, geológicos e ambientais são caracteristicamente não homogêneos sendo as rochas, os solos e os sedimentos, os materiais que apresentam composições mais heterogêneas [JACKSON, 1999]. A boa homogeneidade é pré-requisito para análise direta de amostras sólidas [ZEISLER, 1998]. Esse parâmetro depende de fatores como o tipo de material, a massa de amostra a ser utilizada e a concentração do elemento de interesse. Experiências têm mostrado que a heterogeneidade encontrada em pequenas massas de amostras é geralmente conseqüência da presença de partículas grandes chamadas “nuggets”, nas quais podem estar contidas concentrações de elementos traços muito maiores do que © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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aquelas encontradas em toda a amostra [KURFÜRST, 1993]. Uma maneira de contornar esse tipo de problema é reduzir o tamanho das partículas das amostras, utilizando eficientes procedimentos de moagem. A homogeneização é uma das etapas mais importantes e críticas do processo de produção de CRMs. Esses materiais são muito importantes na Química Analítica e atuam como a principal fonte de avaliação da exatidão dos métodos propostos. Desse modo, é importante que as características desses materiais, entre elas, a homogeneidade sejam bem definidas. A maioria dos CRMs atualmente disponíveis comercialmente apresenta homogeneidade garantida somente para massas elevadas de amostra, variando entre 100 e 500 mg [ZEISLER, 1998]. Isso é um problema, pois técnicas que praticam a microanálise utilizam massas de amostra, geralmente, inferiores a 10 mg. Considerando a escassez de CRMs para microanálise, é necessário que esforços sejam direcionados nesse sentido. Avaliação da microhomogeneidade De acordo com o Guia ISO 35 [ISO GUIA, 1989], um material é perfeitamente homogêneo com relação a uma determinada característica, se ao comparar duas partes distintas do mesmo material, não houver diferença nos valores dessa característica. Na prática, um material pode ser considerado homogêneo com relação a uma característica se a diferença entre o valor de uma parte com relação à outra parte não puder ser identificada experimentalmente. O conceito básico de homogeneidade, portanto, engloba tanto a característica como o parâmetro da medida (geralmente o desvio padrão), incluindo a massa de amostra da porção testada. Na prática, o grau de homogeneidade pode ser determinado fazendo-se medidas de uma propriedade (por exemplo, concentração de um elemento) em uma pequena unidade (por exemplo, massa de amostra), utilizando uma técnica de precisão relativamente elevada. Segundo Pauwels e colaboradores [PAUWELS et al, 1994] a escolha da técnica é um fator importante e deve ser realizada considerando-se alguns requisitos: •

•

•

Não deve requerer pré-tratamento da amostra para evitar perda de analitos e riscos de contaminações. Desse modo, incertezas provenientes de processos de digestão não influenciarão na variação das medidas. Deve possibilitar uma análise suficientemente precisa de pequenas massas de amostras, preferencialmente menor que 1 mg. Deve apresentar, preferencialmente, uma elevada freqüência analítica, para que um grande número de análises possa ser efetuado em um curto espaço de tempo.


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Considerando essas características, a SS-ETAAS é uma técnica que se mostra bastante conveniente para essa tarefa. Por isso vem sendo utilizada na avaliação da homogeneidade de diversos tipos de materiais. Informações a respeito da homogeneidade de amostras foram inicialmente propostas por Igamells e Switzer [INGAMELLS e SWITZER, 1973], quando apresentaram a constante de amostragem (KS) para estimar a imprecisão de resultados devido a erros de amostragem (Equação 4.1): RSD = (KS/m)1/2

(Equação 4.1)

De acordo com essa equação, KS pode ser estimada pelo RSD das medidas das sub-amostragens de massa m. Porém, um grande problema dessa aproximação é que erros aleatórios provenientes dos procedimentos analíticos não são considerados. Nesse caso, dever-se-ia considerar essas outras incertezas (SH) de acordo com a Equação 4.2. SH2 = RSD2 - ∑(outras incertezas)2

(Equação 4.2)

Enquanto KS foi srcinalmente proposta para estimar a homogeneidade de massas relativamente altas de amostras geológicas, Kurfürst [KURFÜRST et al, 1993] introduziu o conceito de constante de homogeneidade,He (Equação 4.3) visando pequenas massas de amostras: He = SH * m1/2

(Equação 4.3)

O erro de amostragem SH de uma determinada massa de amostra m (em mg) pode ser estimado diretamente a partir dos valores de RSD das medidas, considerando os erros randômicos do procedimento analítico. Como a massa de amostra m empregada nessa avaliação é tipicamente 1 mg, He representa a imprecisão devido ao erro de amostragem para uma unidade de massa (1 mg). Quando o fator de homogeneidade é menor do que 10 (He < 10), o material pode ser considerado suficientemente homogêneo. Aplicando essa equação, Rossbach e colaboradores [ROSSBACK et al, 1998] investigaram a homogeneidade de materiais de referência de algas. Nesse estudo, os autores observaram que os materiais apresentavam boa homogeneidadeH(e < 10) para As, Cd, Co, K e Zn e eram não homogêneos para Na, Cr, Fe e Br. Ainda nesse estudo, os autores observaram que enquanto He assegura a incerteza somente devido à heterogeneidade do material, o coeficiente de variação estaria relacionado à incerteza


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devido à massa de amostra utilizada. Nesse caso, os valores certificados poderiam ser escritos como: média ± He m-1/2 %, m= massa de amostra (mg)

(Equação 4)

Por exemplo, estabelecendo He = 5 e concentração de Cd igual a 200 ng g-1, o coeficiente de variação poderia ser calculado substituindo-se o valor da massa de amostra empregada na equação 2. Desse modo, nas determinações de Cd em algas, os autores verificaram que o coeficiente de variação quando 0,01 mg de amostra eram analisadas, era de 50%, enquanto que, para massas de 10 e 100 mg, os desvios não ultrapassam de 1,58% e 0,5 %, respectivamente. Do mesmo modo, na avaliação da microhomogeneidade de Cd em amostras de plásticos certificados proposta por Pauwels [PAUWELS et al, 1993], foi verificado que massas de 13 a 27 mg de amostra poderiam ser utilizadas sem comprometer a representatividade da mesma. Em revisão sobre a técnica de amostragem direta de sólido por espectrometria de absorção atômica escrita por Langmyhr [LANGMYHR, 1985], também consta que amostragens de massas de amostra entre 0,1 e 10 mg podem ser feitas para diversos tipos de materiais sem comprometer a representatividade e os resultados analíticos. Por outro lado, Belarra e colaboradores [BELARRA et al, 1997] demonstraram que massas muito elevadas também podem gerar resultados inexatos em SS-ETAAS. O estudo que visava a determinação de cobre em complexo vitamínico mostrou que o uso de elevadas massas de amostra gerava resultados superestimados, provavelmente devido à influência do resíduo da matriz presente no atomizador. Para Nakamura e colaboradores [NAKAMURA et al, 1992], 0,2 a 1 mg (dependendo do analito) de amostra de rochas silicosas eram suficientes para serem analisadas. Segundo os autores, elevadas massas de amostra introduzida no atomizador podem inibir a difusão do vapor atômico. Por outro lado, Hinds e Kogan [HINDS e KOGAN, 1994] atribuíam a obtenção de baixo sinal analítico para o silício na sua determinação em ouro, ao fato das partículas agirem como superfícies absorvedoras dos átomos dos analitos na fase gasosa. Influência do tamanho de partícula na homogeneidade Muitos autores têm observado que há melhora da precisão, entre replicatas da mesma amostra, quando o tamanho das partículas é reduzido. Em geral, a homogeneidade desejada é assegurada pela estreita distribuição do tamanho de partículas, preferencialmente inferiores a 10 µm [KURFÜRST, 1998 e ZEISLER, 1998].



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Fuller e colaboradores [FULLER et al, 1981] mostraram que as partículas das amostras de dióxido de titânio deveriam apresentar diâmetros médios inferiores a 25 µm, enquanto Nakamura e colaboradores [NAKAMURA et al, 1992] observaram melhora na precisão quando as amostras de rochas foram moídas até um tamanho de partícula que variavam de 0,3 a 25 µm. A diminuição do tamanho de partícula é uma forma de homogeneizar o material e pode ser feita por meio de procedimentos de moagem. Existem diversos tipos de moinhos que podem ser utilizados para essa finalidade entre eles, os moinhos de jato de ar, criogênicos e mecânicos. A escolha do moinho depende de diversas propriedades da matriz como a dureza e a quantidade de fibras e gorduras presentes na mesma (algumas informações sobre moagem são apresentadas no Capítulo 3). Influência do tamanho de partícula na atomização eletrotérmica Sinais transientes de absorbância provenientes de elementos que se encontram em solução e daqueles que estão associados à matriz podem apresentar diferenças no tempo de aparecimento e na duração. O sinal de absorbância para o Pb, proveniente da suspensão de sedimento, por exemplo, possui um maior tempo de duração em relação ao sinal obtido com solução aquosa. Essas diferenças se devem principalmente às condições do forno, aos efeitos de transferência de calor, à cinética de evaporação do analito e às forças físicas e químicas existentes entre o analito e a matriz sólida [JACKSON, 1998]. Muitas vezes, quando a amostra é introduzida na forma de solução, a etapa de secagem do programa de aquecimento resulta em uma deposição uniforme dos microcristais dos sais. A maioria dessas partículas entra em contato direto com a superfície da plataforma de grafite e como os tamanhos das partículas são muito menores, quando comparado a grande massa de grafite, o efeito de transferência de calor se torna desprezível. No entanto, quando uma amostra sólida é introduzida, a distribuição das partículas sobre a plataforma já não é mais tão uniforme. Nesse caso, a transferência de calor para partículas maiores, em relação aos microcristais obtidos das soluções, é menor, resultando, assim, no alargamento do sinal de absorbância. Um outro aspecto que dificulta o processo de atomização é a velocidade de difusão do analito através da amostra. Nesse contexto, o tamanho da partícula se torna um parâmetro crucial, uma vez que o tempo de migração do analito dependerá do diâmetro médio da partícula, ou seja, quanto maior a partícula, maior será a dificuldade para o analito se libertar da mesma, alterando, assim, a cinética de atomização. Em soluções aquosas, essas variações cinéticas são desprezíveis quando a medida do sinal analítico de absorbância for feita em área de pico. No entanto, para a análise direta de sólidos, o


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alargamento do pico pode estar relacionado não somente a parâmetros cinéticos, como difusionais e de oclusão. A baixa eficiência de atomização, provocada pela dificuldade de difusão do analito, foi verificada por Bendicho e Loos-Vollebregt [BENDICHO e DE LOOS-VOLLEBREGT, 1990] na determinação de Cu, Co Cr, Mn, Fe e Ni em vidro. O tempo de aparecimento do sinal de absorbância de Mn e Fe, em amostras de pó de vidro introduzidas na forma de suspensão, era maior em relação àqueles obtidos com soluções aquosas. Estudos de microscopia revelaram que as partículas de vidros se fundiam durante a etapa de secagem e se aglomeravam formando gotas grandes. Essas, por sua vez, atuavam como uma barreira aos analitos, dificultando sua libertação. Takada e Hirokawa [TAKADA e HIROKAWA, 1982] observaram que a área superficial das partículas exerce importante influência sobre o processo de atomização do Cu em amostras de aço. Segundo os autores, quando sucessivos procedimentos de atomização são aplicados a uma amostra com partículas de forma esférica, somente após n atomizações, o sinal de absorção desaparece. Isso ocorre, pois cada esfera é subdividida em várias camadas com uma determinada espessura (d), como apresentado na Figura 4.2.

3 2 1

d d

d

Figura 4.2 - Modelo das repetidas atomizações para amostras com partículas esféricas. FONTE: Takada, K.; Hirokawa, K; Fresenius Z. Anal. Chem., v.312, p.109-113,1982. Durante a primeira atomização, o Cu presente na camada mais externa é vaporizado (camada 1) enquanto o Cu da segunda camada se difunde para a primeira e da terceira, para a segunda e assim sucessivamente. Na segunda atomização, o Cu da camada mais externa é atomizado e todo o processo de difusão se repete. Sendo assim, de acordo com o modelo proposto é possível entender que, quanto maior o tamanho da partícula, maior tempo ou temperatura de atomização serão necessários para atomizar todo o analito.



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4.1.2. Análise direta aplicada em técnicas espectroscópicas A análise direta de sólidos pode ser feita seguindo dois procedimentos distintos: via suspensão ou amostragem direta [CAL-PRIETRO et al, 2002]. Os dois procedimentos apresentam todas as vantagens da análise direta de sólidos, como já foi mencionado anteriormente. A grande vantagem do procedimento que emprega o preparo das suspensões é que o mesmo combina a amostragem sólida com a líquida, ou seja, as amostras podem ser introduzidas no equipamento utilizando o sistema de amostragem de soluções, por exemplo, com um nebulizador pneumático [ALVES et al, 2001]. No caso da amostragem direta, é necessário um sistema especial para a introdução da amostra. Apesar de reunir diversas vantagens, o procedimento de suspensão não está isento de algumas dificuldades. Entre eles, pode-se destacar como fator crítico, a estabilidade da suspensão que pode comprometer a reprodutibilidade na amostragem e conseqüentemente, a precisão dos resultados. Um outro fator que deve ser rigorosamente controlado é o tamanho de partículas, pois esse pode prejudicar a eficiência no transporte ou causar entupimento dos nebulizadores. A análise direta de sólido seja na forma de suspensão ou amostragem direta pode ser efetuada utilizando-se diversas técnicas analíticas. Algumas mais tradicionais como a espectrometria de emissão óptica com fonte de arco e centelha (SS OES) possui baixa precisão, a espectrometria de fluorescência de raio-X (XRFS) apresenta baixa sensibilidade e a análise por ativação de nêutron (NAA), requer instrumentação complexa e de alto custo. Nos últimos anos, muitos esforços foram centralizados na tentativa de adaptar a análise direta de sólidos a outras técnicas espectroanalíticas, como a espectrometria de emissão óptica com plasma de argônio induzido (ICP OES), a espectrometria de massas acoplada a fonte de plasma (ICP-MS),ou a espectrometria de absorção atômica com chama (FAAS) e com atomização eletrotérmica (ETAAS) [JACKSON, 1999] . Apesar dos inúmeros esforços que tem sido realizados para adaptar essas técnicas espectroscópicas à análise direta de sólidos, pode-se dizer que nenhuma delas se mostra inteiramente satisfatória. Idealmente, um método de análise direta de sólidos deve apresentar alguns atributos listado a seguir [KURFÜRST, 1998]: (i) Deve ser aplicável a uma grande variedade de amostras (ii) Deve ser relativamente rápido (iii) A padronização deve ser simples (iv) Deve possibilitar a análise de elevadas massas de amostra para evitar problemas de homogeneidade (v) É desejável que seja multielementar (vi) O custo por análise deve ser o mais baixo possível (vii) Deve apresentar boa precisão e exatidão © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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A ICP OES e ICP-MS são excelentes fontes de vaporização, atomização, ionização e excitação de espécies químicas. Na maioria das aplicações analíticas, a amostra é convertida em solução antes de ser introduzida no equipamento. Esse requerimento deriva da vasta experiência da nebulização dos líquidos que facilitou o desenvolvimento incial dos plasmas analíticos. No entanto, não há nenhuma limitação que impeça o uso dos ICPs para análise direta de sólidos. Pelo contrário, as características dessas fontes como a elevada energia do plasma, que melhora a eficiência de atomização, torna os ICPs potencialmente atrativos para essa função. Em análise direta de sólidos por ICPs, é importante adaptar os espectromêtros com sistemas de introdução de amostra específicos [BOUMANS, 1987]. Os nebulizadores com ranhura em V e fluxo cruzado são comumente empregados para introdução de soluções ou suspensões [MONTASSER e GOLIGHTLY, 1992], enquanto a ablação a laser [RUSSO et al, 2002] e vaporização eletrotérmica [BELARRA et al, 2002] possibilitam a amostragem direta de sólidos. Segundo Silva e colaboradores [SILVA et al, 2002], a principal dificuldade encontrada na utilização de nebulizadores para a introdução de suspensões está relacionada ao tamanho de partículas que deve ser rigorosamente controlado para que a eficiência no transporte e a sensibilidade não sejam prejudicadas. No sistema de ablação a laser, a introdução da amostra ocorre após a volatilização de uma pequena fração de amostra a partir da ação de um laser de baixa freqüência. Embora esse sistema apresente como as principais vantagens a possibilidade de utilizar pequenas massas de amostras (∼ microgramas), e permitir a caracterização espacial de homogeneidade da amostra, ela apresenta algumas limitações que impedem a sua larga utilização em laboratórios de rotina. O alto custo, a baixa eficiência no transporte, a necessidade de um rigoroso controle sobre o tamanho de partículas e a dificuldade encontrada na calibração são alguns exemplos. A atomização eletrotérmica, por sua vez, apresenta algumas vantagens quando comparada aos nebulizadores pneumáticos ou sistemas de ablação a laser. Sua elevada eficiência no transporte (100%) possibilita analisar pequenas massas de amostras e fornece limites de detecção superiores àqueles obtidos por técnicas que empregam nebulizadores pneumáticos. Adicionalmente, o programa de aquecimento possibilita a remoção da matriz, o qual minimiza os problemas de interferências. Assim como os ICPs, a FAAS que também é conhecida por analisar, comumente, amostras na forma de solução, possibilita a análise na forma de suspensão ou sólido direto. No entanto, a nebulização de suspensões apresenta baixa eficiência de transporte e baixa eficiência de atomização, pois as partículas sólidas são mais difíceis de serem dissociadas quando comparadas às soluções. Adaptando um sistema especial para introdução de amostra sólida na chama, Flores e colaboradores [FLORES et al, 2002; FLORES et al, 2001 © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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e FLORES et al, 2004] tornaram possível a determinação direta de Cd, Cu e Mn em sedimentos, fígado bovino e carvão, respectivamente. Os resultados obtidos foram satisfatórios, mas a necessidade de um controle rigoroso no tamanho das partículas visando à eficiência do transporte foi uma das dificuldades que teve que ser superada. Outro problema relacionado ao procedimento proposto é a necessidade de construir a curva analítica de calibração com materiais de referência que possuíssem composição semelhante às das amostras, pois a composição da matriz afetava os processos de transporte e atomização. Desse modo, o uso de materiais de referência certificados foi praticamente obrigatório. A ETAAS apresenta algumas características que favorecem a amostragem direta de sólidos, seja na forma de suspensão ou na forma de introdução direta de sólidos [JACKSON, 1999]: (1) o programa de aquecimento que permite o pré-tratamento térmico da amostra, sobretudo durante a etapa de pirólise, facilita a remoção de parte dos concomitantes que podem provocar interferências durante a atomização; (2) pequenas quantidades de amostras podem ser analisadas; e (3) apresenta boa seletividade e sensibilidade. Além disso, os problemas relacionados ao sistema de transporte são praticamente inexistentes, uma vez que o transporte das suspensões é feito por amostragem discreta (não depende de nebulizadores), enquanto os sólidos são pesados diretamente nas plataformas de grafite que são, posteriormente, introduzidas no atomizador eletrotérmico. A adequada otimização dos programas de aquecimento, aliada ao uso de modificadores químicos tem possibilitado a calibração do equipamento com soluções de referência. Devido à todas essas características, SS-ETAAS tem se mostrado muito atrativa e promissora para a determinação de elementos em níveis de traços e ultra-traços em diversos tipos de amostras sólidas e vem se concretizando como uma alternativa rápida e simples [JACKSON, 1999 e KURFÜRST, 1998].

4.1.3. Análise direta de sólidos por ETAAS: Características e aplicações Devido à todas as características da ETAAS e à sua versatilidade para ser aplicada em análise direta de sólidos, nesse tópico será feita uma breve apresentação da técnica visando aspectos históricos assim como as suas principais aplicações que são [BELARRA et al, 2002]: (i) Análise de materiais refratários de difícil decomposição (ii) Análise de materiais de alta pureza (iii) Análise de pequenas quantidades de amostra (iv) Avaliação da microhomogeneidade


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Espectrometria de absorção atômica com amostragem direta de sólidos Abordagem histórica A SS-ETAAS é quase tão antiga quanto à própria técnica de AAS. Boris L’ Vov foi um dos pioneiros, quando testou o desempenho do seu modelo de forno de grafite após a amostragem direta de NaCl, visando à determinação elementar de Cu [LVOV, 1984 e L’VOV, 1976]. O primeiro forno de grafite idealizado por L’Vov apresentava uma configuração que era bastante adequada para amostragem direta de sólidos [L’VOV, 1984]. Na simplificação do modelo, posteriormente proposta por Massmann, e que foi aquela adotada pela maioria dos fabricantes, a amostragem direta de sólidos não era tão trivial [MASSMANN, 1968]. Acredita-se que por esse motivo, a técnica de ETAAS é utilizada até hoje predominantemente para a análise de amostras na forma de solução aquosa [JACKSON, 1999]. Ao longo do desenvolvimento instrumental da ETAAS, diversos acessórios e modificações nos fornos surgiram na tentativa de facilitar e permitir a análise direta de sólidos [KURFÜRST, 1998 e WELZ e SPERLING, 1999]. É conveniente salientar que nesses trabalhos iniciais as adaptações eram feitas no sentido de viabilizar a introdução de amostra sólida em um atomizador convencional utilizado para amostragem de soluções aquosas. Apesar do interesse na análise direta de sólidos por ETAAS, as pesquisas que culminaram em um modelo de forno de grafite designado para essa finalidade se intensificaram a partir da década de 80 [JACKSON, 1999]. Dois fatores podem ser atribuídos a esse crescente interesse: o surgimento dos tubos de grafite com aquecimento transversal, que conferem maior isotermicidade durante a atomização, e o uso de corretores de radiação de fundo baseados no efeito Zeeman, que apresentam melhor eficiência do que os corretores com lâmpada de deutério. Atualmente, encontra-se comercialmente disponível um modelo de espectrômetro de absorção atômica com atomização eletrotérmica que opera no modo convencional, com solução aquosa, ou com amostragem direta de sólidos. Nesse equipamento, a amostra sólida é pesada diretamente sobre uma plataforma de grafite pirolítico (Figura 4.3), que é inserida no interior do tubo de grafite por uma janela lateral com auxílio de uma pinça [FRIESE e KRIVAN, 1998]. Esses sistemas de amostragem podem ser muito simples, com operação manual (Figura 4.4a), ou mais sofisticados, com as operações totalmente automatizadas (Figura 4.4b).


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Figura 4.3 - Plataforma de grafite pirolítico utilizada em SS-ETAAS FONTE: AnalytikJenaAG (www.analytik-jena.de) a)

b)

Figura 4.4 - Fotografias de amostradores de sólidos: (a) manual e (b) automático. FONTE: AnalytikJenaAG (www.analytik-jena.de)

Análise de materiais refratários de difícil solubilização A possibilidade de analisar materiais sólidos diretamente sem a necessidade de digestão é um atrativo da SS-ETAAS, principalmente nos casos em que as amostras são de difícil decomposição. Em geral, esse tipo de amostra requer condições drásticas para que a solubilização completa seja alcançada. A elevada temperatura e/ou pressão, e a necessidade de utilizar misturas de diferentes reagentes são alguns exemplos. Existem ainda situações nas quais a solubilização da amostra é alcançada somente mediante procedimentos de fusão. É importante salientar que, nesses casos, a introdução de contaminação é bastante provável e o elevado teor salino da solução final pode comprometer a posterior detecção. Schäffer e Krivan [SCHÄFER e KRIVAN, 2001] verificaram que a determinação direta de alguns elementos em amostra de carbeto de silício por SS-ETAAS era muito mais atrativa, simples e rápida do que aquela obtida após submetê-la a digestão ácida. No procedimento desenvolvido, a determinação era efetuada em alguns minutos, enquanto o processo de digestão demorava cerca de 12 h e deveria ser feito em sistema fechado (alta © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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pressão) utilizando misturas de ácidos concentrados (HF, HNO3 e H2SO4). A digestão de amostras de óxidos de tungstênio também é bastante demorada (6 horas) e requer condições drásticas para ocorrer (sistema de alta pressão, alta temperatura e uso de mistura de reagentes). No entanto, Hornung e Krivan [HORNUNG e KRIVAN, 1999] desenvolveram um procedimento rápido (3 a 6 minutos) para determinação direta de algumas impurezas nesse tipo de amostra. Da mesma maneira, Krivan e Janickova [KRIVAN e JANICKOVA, 2005] determinaram 9 impurezas em óxido de zircônio de alta pureza. Segundo os autores, a técnica SS-ETAAS apresenta limites de detecção muito melhores que os procedimentos convencionais. Além disso, por possibilitar a separação analito/matriz in situ, o tempo de análise pode ser reduzido de algumas horas para somente alguns minutos.

Análise de materiais de alta pureza Ao contrário do que ocorre em procedimentos de digestão, o risco de contaminação em SS-ETAAS é muito menor, uma vez que a manipulação e o uso de reagentes são mínimos. Com isso, a técnica pode ser caracterizada por apresentar baixo valor do branco analítico e de limite de detecção. Além disso, como a SS-ETAAS apresenta a elevada sensibilidade como uma de suas principais características, ela tem sido intensamente empregada nas determinações de alguns elementos em materiais tecnológicos de alta pureza. O carbeto de silício [SCHÄFER e KRIVAN, 2001] e óxido de tungstênio [HORNUNG e KRIVAN, 1999], anteriormente mencionados são alguns exemplos. Huang e Krivan [HUANG e KRIVA, 2000] também desenvolveram um procedimento que possibilitou a determinação de algumas impurezas como Al, Co, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, e Zn em amostras de pentóxido de nióbio de alta pureza. Muitos desses metais devem estar presentes na amostra em concentrações inferiores a 0,2

µg

g-1, pois

dependendo da sua aplicação, a pureza exigida desse material varia de 99,9 a 99,999%. Para cada determinação, massa de aproximadamente 15 mg de amostra foi necessária. Os limites de detecção obtidos variaram de 0,5 a 2 ng g -1, ou seja, 330 vezes melhores do que os obtidos após digestão e análise por ETAAS. Resultados semelhantes foram obtidos por Lucic e Krivan [LUCIC e KRIVAN, 1998], na determinação de alguns elementos em óxido de alumínio de alta pureza. Enquanto os limites de detecção obtidos na análise de suspensões por ETAAS e por ICP OES foram de 5 e 130 ng g-1 e 2,1 e 900 ng g-1, respectivamente, para SS-ETAAS, o menor e o maior valor encontrado foi de 0,5 (Zn) e 25 (Co) ng g-1. Dong e Krivan [DONG e KRIVAN, 2001] também fizeram uso da SS-ETAAS para determinar Si em amostras de óxido de nióbio, titânio e zircônio. Como esses materiais têm importantes aplicações no campo da alta tecnologia, suas purezas devem ser superiores a 99,997%, especificamente para Si, a concentração deve ser inferior a 1 µg g -1. Dentre várias © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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técnicas testadas como a análise de suspensão por ETAAS e ICP OES, ou a análise direta de sólidos por XRFS e SSMS, a SS-ETAAS foi a que apresentou menores valores de limite de detecção e a única que possibilitou a quantificação de Si em amostra de óxido de nióbio (1,1 µg g-1).

Análise de pequenas quantidades de amostra Em certos casos, a determinação de baixa concentração é acompanhada de um complicador, a quantidade de material disponível para análise. Como exemplo, pode-se citar as investigações de intoxicação por exposição a metais tóxicos por meio de análises de cabelo, pele, unha, dente, osso, fluidos biológicos, tecidos biológicos e saliva. Devido ao fato de muitos desses materiais serem obtidos por meio de procedimentos como a necrópsia ou biópsia, nas quais a quantidade retirada é muito pequena, o uso da SS-ETAAS para a determinação elementar se torna uma opção conveniente. Na tentativa de simular uma situação real de biópsia, Herber e colaboradores [HERBER et al, 1985] fizeram a determinação de Cd em placenta de rato utilizando dois procedimentos diferentes: análise direta e determinação após decomposição da amostra por ETAAS. Como resultado, o autor concluiu que a análise direta era mais rápida e menos susceptível à contaminação, sendo por isso a mais conveniente nessas situações. Nordahl e colaboradores [NORDAHL et al, 1990] também fizeram uso da SS-ETAAS e obteve sucesso na determinação de Al em cérebro proveniente de necrópsia e em mucosas retiradas por procedimentos de biópsia. A análise química aplicada às investigações forenses é uma outra situação na qual a disponibilidade de amostra, geralmente, é baixa. A análise de resíduos de armas de fogo (GSR, do inglês, gunshot residues) é um exemplo que contribui significantemente na investigação de casos criminais envolvendo a utilização de armas de fogo. GSR são substâncias liberadas das armas durante o disparo e que podem, posteriormente, ser analisadas por diferentes métodos analíticos. Os elementos comumente analisados são o Pb, Ba e Sb, seguido pelos Sn, Ti, Mn, Hg, Al, Cu, Fe, Si, K e S, pois os mesmos fazem parte da composição das armas e projéteis. De um modo geral, a análise de GSR permite desvendar alguns fatos como a reconstrução do evento, encontrar alguma informação sobre o autor do disparo e obter informações sobre o tipo de arma e munição utilizadas. Nesse contexto, muitas técnicas analíticas tem sido utilizadas na determinação de GSR. Lichtenberg [LICHTENBERG, 1987] avaliou a distribuição de Pb e Sb por SS-ETAAS na mão de um suspeito que fez disparos com armas de fogo. Nesse estudo, foi possível fazer a determinação da concentração desses elementos ao longo do dedo indicador até parte da mão onde a arma é apoiada. Os resultados mostraram que a concentração do elemento de interesse é maior na ponta do dedo e na mão, sendo que os menores valores © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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encontravam-se ao longo do dedo. Estudo parecido foi proposto por Lücker [LÜCKER, 1999] quando verificou a distribuição de Pb nos tecidos musculares de patos, após disparos com arma de fogo. A avaliação de penas de aves como biomonitores de contaminação é um outro exemplo de aplicação da SS-ETAAS na forense ambiental. No estudo conduzido por Hahn e colaboradores [HAHN et al, 1990], amostragens de pequenas massas ao longo das penas de aves foram feitas e os resultados mostraram que o Cd e Pb estavam presentes em maiores concentrações na parte externa da pena (região mais distante da raiz), indicando que a contaminação dos animais era exógena (por exemplo, pelo meio ambiente). Ao contrário, a concentração de Hg era praticamente a mesmas ao longo de toda a pena, indicando contaminação endógena, proveniente de alimentos, por exemplo. A análise de cabelo para fins forenses é um outro importante exemplo que merece destaque. O primeiro caso de investigação de envenenamento através da análise de cabelo foi publicado em 1858, por Hoppe, na Inglaterra, quando determinou As no cabelo de um cadáver exumado 11 anos após o sepultamento [CASPER, 1997]. Aproximadamente 100 anos depois, em 1954, Goldblum determinou anfetamina em pelos de cobaia. No entanto, a publicação que realmente garantiu a relevância do uso de cabelo para determinação de drogas ocorreu em 1979, quando Baumgartner e colaboradores analisaram opiáceos em cabelo por radioimunoensaio (RIA) após extração com metanol [BAUMGARTNER et al, 1997]. Um fato que merece destaque é a investigação sobre a morte de Napoleão Bonaparte na qual, sua sucessiva exposição a As pôde ser verificada através da análise de seu cabelo por NAA. Segmentos do cabelo foram analisados de modo que foi possível verificar as diferentes exposições de Napoleão ao As. Isso foi possível, pois o As ligou-se irreversivelmente às proteínas do cabelo, cujo crescimento diário do folículo é de aproximadamente 0,35 mm, fazendo com que a distribuição do elemento ocorresse de forma segmentada [POZEBOM et al, 1999]. Partindo dessa mesma idéia, cabelos de uma população de um vilarejo no Iraque também foram analisados para comprovar a contaminação por Hg proveniente do trigo (utilizado na fabricação de pães) tratado com fungicida à base de compostos de mercúrio [CHAT e KATZ, 1999]. São muitas as aplicações voltadas à análise de cabelo. Dentre elas pode-se destacar a determinação de elementos traços como uma ferramenta para avaliar o estado nutricional ou toxicológico [PEREIRA et al, 2004 e CARNEIRO et al, 2002], o impacto ambiental sobre a saúde humana [SENOFONTE et al, 2001 e MORRISSETE et al, 2004], e para desvendar crimes e investigar casos de morte por envenenamento [BERMEJO-BARRERA et al, 2002 e DANIEL III et al, 2004].



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Dentre todas essas aplicações, a possibilidade em desvendar crimes ou reconstruir episódios nutricionais ou toxicológicos do passado torna essa amostra bastante atraente para ser aplicada na química forense. Em geral, nessas situações, pequenas quantidades de amostras de cabelo são analisadas, requerendo, portanto uma técnica como a SSETAAS, que apresenta de elevada sensibilidade e possibilita analisar com precisão e exatidão, diminutas massas de amostras. Avaliação da microhomogeneidade de materiais Os CRMs têm papel fundamental no controle de qualidade analítico e têm sido intensamente utilizados na Química Analítica. A necessidade em comparar resultados entre laboratórios e entre países cresceu a partir de 1906, período no qual a NBS (US National Bureau of Standards) começou o programa de fornecimento desse tipo de material. Desde então, a confiança em todos os resultados analíticos é fortemente dependente da disponibilidade desse tipo de material [ZSCHUNKE, 2000], uma vez que, eles apresentam características e concentrações de analitos bem definidas, podendo ser utilizado como parâmetro para verificar a confiabilidade de um método analítico. Os CRMs são produtos relativamente caros [VENELIOV e QUEVAUVILLER, 2003]. Isso se deve ao fato da sua produção ser bastante complexa e exigir muitos cuidados para que a qualidade analítica do mesmo seja mantida. Evitar perdas de compostos ou contaminações durante a transformação do material ou manter a composição química da mesma são alguns dos cuidados requeridos [PAUWELS et al, 1990]. Além disso, muitos desses materiais, principalmente os biológicos, requerem condições de estocagem especiais como temperaturas e umidade controladas [VENELIOV e QUEVAUVILLER, 2003]. Como os CRMs são materiais ou substâncias cuja propriedade e homogeneidade são bem definidas e estabelecidas e por esse motivo, utilizado para certificações de métodos75, o controle sobre o processo de sua produção é de extrema importância e ele deve ser feito de forma a avaliar a composição do material antes, durante e depois da produção. A detecção de eventual contaminação ou perda do analito de interesse durante a produção do material e a avaliação das mudanças na microdistribuição dos elementos nas amostras são alguns dos controles mais comumente realizados [LÜCKER et al, 1991 e PAUWELS et al, 1991]. A SS-ETAAS vem sendo intensamente utilizada para realizar tais controles na produção e padronização de diversos tecidos animais utilizados como materiais de referência certificados (CRMs). Segundo Pauwells e colaboradores [PAUWELS et al, 1991], essa técnica apresenta 3 características importantes que são exigidas nessa situação: (1) o método não deve requerer pré-tratamento de amostra para que contaminações ou perdas © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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de analitos por volatilização sejam evitadas; (2) análises precisas devem ser realizadas utilizando massas de amostras muito pequenas (<1 mg); e (3) o procedimento deve ser rápido e permitir que grande número de análises seja feito em curto espaço de tempo. A aplicação da SS-ETAAS na avaliação da microhomogeneidade de materiais é um dos estudos mais explorados na literatura. Nomura e colaboradores avaliaram a homogeneidade de Cu e Zn [NOMURA et al, 2005] e de Cd e Pb [NOMURA e OLIVEIRA, 2006] em fígado bovino certificador e alguns materiais preparados no laboratório. Nesse estudo, os autores observaram que apesar de o material de referência certificado (NIST SRM 1577b) garantir homogeneidade para massa superior a 250 mg, massas inferiores a 0,100 mg puderam ser utilizadas sem perda na precisão e exatidão dos resultados analíticos. No estudo visando avaliar a homogeneidade na distribuição de Cd e Pb em materiais certificados de farinha de trigo e de arroz, fígado e músculo bovino, leite em pó, rim suíno, pão e peixe, proposto por Mohl e colaboradores [MOHLet al, 1987], as massas de amostras variaram de 0,04 a 5 mg. Dentre os materiais avaliados, os autores observaram que a distribuição de Cd em farinha de milho e arroz era homogênea, enquanto em fígado bovino, a heterogeneidade era predominante. Com relação ao Pb, o rim suíno mostrou-se o mais homogêneo e o fígado bovino, o menos. Da mesma maneira, Pauwels e colaboradores [PAUWELS et al, 1993] verificaram que Cd e Pb não estão homogeneamente distribuídos em amostras de músculo de bacalhau certificado. Por outro lado, a distribuição de Hg, Fe e Zn é homogênea. Bagschick e colaboradores [BAGSCHIK et al, 1990], por sua vez, demonstraram que a homogeneidade de Cd, Cu, Ni e Pb em diversos vegetais era bastante satisfatória, mesmo quando massas de amostra inferiores a 2 mg foram utilizadas.

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Amostragem de suspensões

4.2. AMOSTRAGEM DE SUSPENSÕES Dário Santos Junior Francisco José Krug

4.2.1. Introdução A análise de suspensões tem sido proposta como alternativa para os procedimentos de decomposição de amostras e determinação de elementos inorgânicos por diferentes técnicas 1-5. Os benefícios freqüentemente ressaltados para análise direta de suspensões incluem: (i) diminuição do tempo de preparo das amostras; (ii) menor consumo de ácidos concentrados; (iii) menor possibilidade de perdas do analito pela formação de resíduos insolúveis ou por volatilização prematura; (iv) menor possibilidade de contaminação; (v) facilidade para mecanização do procedimento de introdução da amostra, utilizando-se o próprio auto-amostrador do equipamento. Entretanto, a amostragem de suspensões também possui características restritivas: (i) a falta de homogeneidade na distribuição do analito na amostra representa uma limitação para o uso de alíquotas menores que 1 mg nos atomizadores eletrotérmicos ou nos vaporizadores eletrotérmicos; (ii) dificuldade para encontrar materiais de referência adequados para a calibração, quando não é possível calibrar com padrões aquosos; (iii) altos sinais de fundo podem ser observados, dependendo do comprimento de onda a ser medido e das características da matriz; (iv) dificuldade para obtenção de diminutos tamanhos de partículas (geralmente < 5 µm) para introdução em ICPs; (v) é necessário o uso de suspensões concentradas para a determinação de baixas concentrações do analito, o que diminui a precisão das medidas, potencializa os efeitos de matriz, aumenta a formação de resíduos carbonáceos para amostras orgânicas e diminui a interação do analito com o modificador permanente em GFAAS 5, © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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(vi) as suspensões provocam uma diminuição da vida útil do atomizador em até 50% quando comparada com a amostragem de soluções da amostra decomposta 6. Entre as restrições expostas, a objeção mais comumente encontrada para amostragem de suspensões é a necessidade de partículas com tamanho diminuto. É importante observar que o tamanho das partículas do material sólido tem papel decisivo na estabilidade das suspensões durante a aspiração, transporte ou introdução da amostra, assim como na eficiência da atomização 1. A introdução de suspensões em plasmas, por exemplo, requer que a eficiência no transporte do analito (i.e. ocluso na partícula) através do sistema de introdução da amostra, bem como a eficiência de atomização, sejam idênticas àquelas obtidas para o analito em solução 7. Se esse critério for alcançado, possivelmente a curva analítica de calibração poderá ser feita com soluções aquosas 2. Em geral, o melhor tamanho de partícula para introdução de suspensões em plasmas está abaixo de 5 µm 2. Para alcançar uma fração da amostra com esse tamanho de partícula são utilizados procedimentos de moagem, os quais, dependendo da amostra, podem se estender de minutos a muitas horas, aumentando a possibilidade de contaminação2. Para a introdução de suspensões em GFAAS, alguns autores sugerem que o tamanho de partículas não deve exceder 30 µm 8,9. Para materiais biológicos, Miller-Ihli 10 sugere que tamanhos de partículas da ordem de 30 µm não são críticos. O melhor tamanho de partículas depende essencialmente da composição da amostra. Esse efeito é mais acentuado nos sistemas de atomização com chamas e com plasmas em comparação aos sistemas eletrotérmicos e, provavelmente por essa razão, tem-se dado maior preferência aos sistemas eletrotérmicos na análise direta de suspensões. De acordo com Miller-Ihli 10, a análise direta de suspensões em espectrometria de absorção atômica com forno de grafite (GFAAS) pode tolerar partículas de materiais biológicos com tamanhos até 500 µm. Geralmente, a análise de suspensões de alimentos por GFAAS não sofre tão severamente a influência da distribuição do tamanho das partículas como as técnicas com nebulização pneumática. Embora as partículas possam ter tamanhos variados, o que poderia provocar possíveis problemas com a eficiência de atomização, o uso de absorbância integrada com tempos de residência longos proporciona determinações precisas na análise de suspensões 11. Contudo, um dos problemas pertinentes na amostragem direta de sólidos e na amostragem de suspensões refere-se à falta de homogeneidade na distribuição dos elementos químicos nas amostras para massas menores que 1,0 mg. Por exemplo, a maioria dos materiais de referência certificados (CRMs) apresenta homogeneidade atestada apenas para massas maiores que 100 mg12. Dessa forma, as etapas de cominuição das © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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amostras visando uma distribuição granulométrica mais homogênea das partículas, assim como a representatividade de pequenas massas de amostra necessitam de investigações bem detalhadas. No aspecto da falta de homogeneidade das amostras para massas menores que 1,0 mg, seria difícil compreender, por exemplo, o emprego com sucesso da amostragem de suspensões na espectrometria atômica com atomização eletrotérmica, uma vez que massas menores que 500 µg são introduzidas nos atomizadores. No entanto, uma fração significativa dos elementos determinados é parcialmente extraída para fase líquida das suspensões durante os procedimentos de agitação, aumentando consideravelmente a massa representativa da análise. De acordo com Miller-Ihli 13, a amostragem de suspensões em GFAAS é um procedimento apropriado para a caracterização da homogeneidade de materiais sólidos. Contudo, uma questão interessante, principalmente quando são feitos testes de microhomogeneidade, é o quanto a alíquota introduzida no atomizador representa a massa utilizada para o preparo da suspensão. Como exemplo, em digestões ácidas completas todo analito presente na amostra está em solução e a homogeneidade é atestada para toda massa de amostra digerida. Em suspensões a homogeneidade da amostra pode ser atestada para massas de microgramas ou miligramas, dependendo da percentagem de extração do analito para a fase líquida da suspensão. No caso de 0% de extração, a amostragem de suspensões oferece um meio reprodutível e preciso para testar a homogeneidade na ordem de microgramas, visto que a determinação do analito refere-se apenas à massa de amostra introduzida no atomizador (e.g. 200 µg são introduzidos quando uma alíquota de 20 µl de uma suspensão 1% m/v é utilizada). Porém, 0% de extração representa uma situação pouco realista, uma vez que até mesmo uma pequena fração do analito adsorvido na superfície da partícula pode ser extraída. Para 100% de extração a homogeneidade do material é atestada para a massa utilizada no preparo da suspensão. As massas usadas freqüentemente para o preparo das suspensões estão entre 10 e 30 mg, quando preparadas diretamente no copo do auto-amostrador ou entre 100 mg e 1,0 g, quando preparadas em balões volumétricos. Considerando-se que a percentagem extraída para fase líquida represente uma percentagem equivalente da amostra, a massa representada pela alíquota da suspensão pode ser calculada de acordo com a seguinte equação proposta por Miller-Ihli14: Ma = Vs . (Ms / V0) . (1 - fx) + (fx . Ms) Onde Vs é o volume da suspensão (µL) depositado no atomizador, Ms é a massa utilizada para preparar a suspensão (mg), V 0 é o volume de diluente utilizado para preparar a © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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suspensão (µL), fx é a fração do analito extraído para fase líquida e M a seria a massa representada pela alíquota da suspensão (mg). Nesse caso, para amostragem de 20 µl de uma suspensão 1 % m/v preparada com 500 mg da amostra e 50 mL do diluente, a homogeneidade na ausência de extração seria atestada para os 200 µg depositados sobre a plataforma. Para extrações de apenas 20%, a homogeneidade seria atestada para 100,16 mg da amostra utilizada no preparo da suspensão. Vale ressaltar que, na maioria dos métodos propostos na literatura para amostragens de suspensões, o percentual de extração do analito para a fase líquida não é informado. Esses dados seriam interessantes para uma avaliação prévia da homogeneidade das amostras e caracterização do método analítico. Bendicho e Loos-Vollebregt 15 concluíram que a amostragem de suspensões proporciona melhor desempenho analítico quando comparada à amostragem direta de sólidos. Entre as vantagens da amostragem de suspensões destacam-se, principalmente, à facilidade para efetuar mudanças de concentrações, e à facilidade para mecanização do procedimento de introdução da amostra, utilizando-se o próprio auto-amostrador do aparelho, e combinando os benefícios da amostragem simultânea de sólidos e líquidos.

4.2.2. Preparo das suspensões Para garantir que uma alíquota representativa da amostra seja introduzida no tubo de grafite, a suspensão deve ser homogeneizada imediatamente antes da análise. Entretanto, para soluções aquosas, o material sólido é facilmente sedimentado devido à sua natureza hidrofóbica. A velocidade de sedimentação depende da viscosidade e densidade do meio diluente, e do tamanho e densidade das partículas1, 15. Alguns experimentos para estabilizar as suspensões previamente às determinações foram feitos com o uso de agentes tixotrópicos, como Viscalex9 e Glicerol 10. Em todos os experimentos foram descritos problemas com a repetibilidade proporcionada pelo auto-amostrador, devido à aderência da amostra nas paredes do tubo de amostragem. Outros experimentos indicaram que a homogeneização das suspensões deve ser feita por 11

agitação . Dentre as técnicas de homogeneização de suspensões a agitação ultra-sônica parece ser a mais eficiente, pois proporciona a extração total ou parcial do elemento de interesse da fase sólida para a fase líquida 1,16. Em 1989 foi proposto um acessório mecanizado de homogeneização ultra-sônica de suspensões para GFAAS17. Usando a agitação ultra-sônica, vários trabalhos com amostragem de suspensões em GFAAS foram realizados com sucesso 3. Nos últimos anos o preparo de suspensões tem sido bastante empregado na análise de materiais biológicos e inorgânicos.


116


Embora as pesquisas indiquem a eficácia da amostragem de suspensões em GFAAS e em outras técnicas analíticas, ainda se faz necessário o estudo para otimização do preparo de amostras para diferentes matrizes. Nesse sentido, alguns trabalhos foram publicados, e os fatores de maior interesse na otimização da amostragem têm sido a homogeneidade, densidade do material sólido, tempo de homogeneização da suspensão, concentração da suspensão, distribuição do tamanho das partículas e distribuição do analito nas partículas 11,12,13,18. A densidade e o tamanho da partícula têm sido utilizados para determinar o número de partículas inseridas no tubo de grafite. Segundo Miller-Ihli 14, para materiais com densidade de 1 g cm

-3

e tamanhos de partícula até 250 µm, 20 mg da amostra são

suficientes para preparar 1 mL de suspensão e assegurar um mínimo de 50 partículas em 20 µL, enquanto que, para partículas com tamanhos de 500 µm, são necessários 163 mg de amostra. A densidade também deve ser considerada quando for estabelecida a máxima concentração da suspensão que pode ser preparada, desde que a razão entre o volume de sólido por unidade de volume do líquido não seja suficiente para prejudicar a eficiência do auto-amostrador, assim como o observado para suspensões viscosas. Razões menores do que 0,25 foram determinadas experimentalmente e consideradas aceitáveis11,14. Preparo de suspensões após calcinação O procedimento de calcinação baseia-se na queima da fração orgânica da amostra com o oxigênio do ar, obtendo-se um resíduo inorgânico na forma de cinza solúvel em ácido diluído. Hoenig e Kersabiec 19 em revisão sobre preparo de amostras descreveram algumas limitações dos procedimentos de calcinação, como a volatilização de alguns analitos e a insolubilidade do material calcinado. Devido a problemas de perdas por volatilização, o procedimento de calcinação em cadinho é aplicável apenas para elementos metálicos, visto que a maioria dos não metais é oxidada a produtos voláteis. Às vezes um elemento é mais propenso à perda por volatilização se determinadas espécies estiverem presentes na matriz. O íon cloreto, por exemplo, pode reagir com metais produzindo cloretos voláteis. O chumbo e o cádmio são facilmente perdidos dessa maneira como PbCl2 e CdCl2 voláteis. Outra fonte de erro é que a amostra pode reagir com o material do cadinho. A extensão dessa perda depende da temperatura, do material do cadinho e da composição da amostra. Se o cadinho for de porcelana ou sílica, o elemento pode reagir e ficar aderido nas paredes do cadinho, sendo perdido nesse tipo de pré-tratamento. A preparação de suspensões carbonáceas é um procedimento químico, no qual a suspensão é obtida aquecendo-se a amostra em ácido sulfúrico concentrado e diluindo-se © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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a solução resultante em água. Fagioli e Landi 20 foram os precursores da utilização da oxidação parcial por via úmida para materiais biológicos e subseqüente análise da suspensão carbonácea formada. Embora esses procedimentos proporcionem apenas a decomposição parcial da matriz, os autores concluíram que o procedimento proposto poderia ser aplicado para todos os tipos de materiais biológicos. Preparo de suspensões via processamento de materiais in natura Os procedimentos de homogeneização da amostra para o preparo de suspensões de alimentos, contendo água e com alto teor de fibras, parecem ser rápidos e apropriados para amostras com elementos de fácil extração. Contudo, esses procedimentos não são apropriados para alimentos com alto teor de gorduras, as quais dificultam ou impossibilitam uma efetiva redução do tamanho das partículas. Fry e colaboradores investigaram o procedimento de homogeneização para o preparo de suspensões de alimentos com diferentes homogeneizadores 21-23. Segundo os autores, os resultados obtidos para determinação de Cu, Mn, e Zn por espectrometria de absorção atômica com chama (FAAS) foram concordantes com os valores certificados para fígado bovino. Os autores também determinaram Na e K por espectrometria de emissão atômica com chama (FAES) em suspensões preparadas a partir de amostras de sanduíches. Nesse trabalho, os autores observaram que os metais alcalinos foram dissolvidos quantitativamente, quando homogeneizados em água, e os resultados não foram afetados quando as partículas sólidas foram centrifugadas e os analitos determinados apenas no sobrenadante resultante 23. Embora os resultados obtidos por esses autores sejam interessantes, esse procedimento poderia ser melhor caracterizado como um procedimento de extração e não como preparo de suspensões, uma vez que as partículas sólidas foram removidas por centrifugação e apenas o sobrenadante foi utilizado para analise. Preparo de suspensões após moagem de material seco Vários procedimentos de moagem mecânica têm sido utilizados para o preparo de suspensões. A escolha do equipamento adequado depende das características da matriz, principalmente da sua dureza. Segundo Kurfürst 24, materiais biológicos devem ser moídos usando-se esferas de PTFE em frascos de polietileno. Como alternativas podem ser usados almofarizes 25-26 e moinho de bolas de ágata 9. Geralmente, as técnicas de moagem podem ser aplicadas a uma grande variedade de materiais, principalmente se a amostra for previamente submetida a uma etapa de secagem. Porém, o contato da amostra com peças © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

118


confeccionadas em aço inoxidável deve ser evitado, principalmente, para determinação de Cr, Fe, e Ni. Para amostras nas quais esses metais sejam de interesse analítico, os materiais mais recomendáveis seriam nitreto de silício e carbeto de boro, os quais oferecem uma boa resistência abrasiva e reduzida contaminação 24-25. Alternativamente, esferas de zircônio podem ser utilizadas27, porém pode causar contaminação por Al, Cr, e Fe 25, não sendo recomendável para determinação desses elementos24. Viñas et al. 28 propuseram um procedimento para preparo de suspensões para determinação de Ca, Fe, Mg, e Zn em farinhas. Os autores observaram que após um período de 30 min de moagem em um moinho de bolas, apenas 52 % das partículas tinham tamanhos menores que 30 µm. Os valores de concentração determinados estavam de acordo com os valores obtidos para a preparação convencional em dissolução ácida. Os autores enfatizaram que o procedimento proposto não tinha aplicação geral e que o sucesso obtido foi devido às características físicas do material em suspensão. Krug e colaboradores determinaram Se e Cd em amostras de peixes29-30. Para determinação de Se 29, as amostras foram congeladas por 3 dias, liofilizadas por mais 2 dias antes de serem moídas em um almofariz e em seguida peneiradas para obtenção de partículas com diâmetros em torno de 53 µm. Para determinação de Cd

30

, as amostras

foram previamente liofilizadas por 2 dias antes de serem moídas em um moinho de bolas, obtendo-se partículas com diâmetros inferiores a 30 µm. Nesses trabalhos observa-se que o procedimento para o preparo das suspensões é moroso devido ao alto teor de água nas amostras. Em geral, os procedimentos de moagem convencional são apropriados para o preparo de suspensões de amostras de alimentos que estejam na forma de pó ou que tenham sido secas antes da moagem, mas não são eficazes para redução do tamanho de partículas de alimentos com elevados teores de água, fibras e gorduras. Para essas matrizes o procedimento de moagem mais indicado é a moagem criogênica. Referências

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5.

DECOMPOSIÇÃO E SOLUBILIZAÇÃO DE SÓLIDOS INORGÂNICOS Antonio Celso Spínola Costa Francisco José Krug

5.1. INTRODUÇÃO A grande maioria das técnicas analíticas utilizadas para determinações de elementos em amostras inorgânicas requer que a amostra esteja na forma de uma

solução aquosa. De um certo modo, é correto afirmar que a maioria das técnicas analíticas trabalha melhor com soluções aquosas. Além disso, as amostras na forma de soluções são mais versáteis do que na forma de sólidos : - as curvas analíticas de calibração podem ser feitas com soluções-padrão de fácil preparação, - diluições são simples, - separações de constituintes com ou sem pré-concentração são possíveis. Por outro lado existem vários inconvenientes: a maioria dos materiais inorgânicos são inerentemente pouco solúveis em água ou outros solventes, e só podem ser dissolvidos através de drásticas decomposições químicas. Além disso, frequentemente nos deparamos com materiais de difícil dissolução. Não obstante, é conveniente recordar que: • existem técnicas que requerem as amostras na forma de soluções, como as clássicas

(volumetria, gravimetria), espectroanalíticas (espectrometria de absorção atômica, espectrometria de absorção molecular, espectrometria de emissão atômica, espectrometria de fluorescência atômica, etc), eletroanalíticas (voltametria, amperometria, potenciometria), cromatográficas. Deve-se também lembrar que pequenas alterações na distribuição dos elementos nas amostras srcinais são mascaradas quando as amostras estiverem na forma de solução aquosa, o que necessariamente não constitui uma desvantagem.

• existem técnicas que são aplicáveis a amostras sólidas ou líquidas, como análise por

ativação neutrônica instrumental, fluorescência de raios X, espectrometria de absorção atômica, ICP OES, ICP-MS). • existem técnicas que requerem as amostras na forma sólida, como espectrometria de

emissão atômica com arco, faísca, ablação com laser, e aquelas baseadas em reações de combustão, por exemplo.


Decomposição e solubilização de sólidos inorgânicos

123

5.1.1. DEFINIÇÕES Aqui é chamada a atenção do leitor para o significado dos termos "dissolução" e "abertura" de amostras, conforme sugerem Bock (1979) e Anderson (1991). Cumpre observar que nos laboratórios de análises químicas brasileiros, não se costuma fazer uma distinção muito rígida entre estes termos. Os termos solubilização e decomposição, também muito empregados, corresponderiam aos termos dissolução e abertura, respectivamente. Não obstante, o termo digestão de amostras, muito empregado para materiais orgânicos, também é muito usado, indiscriminadamente, para decomposição de outros materiais.

Dissolução significa que a amostra sólida, líquida ou gasosa é dissolvida em líquidos adequados a baixas temperaturas ( Bock). No presente capítulo, dedicado ao pré-tratamento de materiais sólidos inorgânicos, dissolução corresponde à transformação direta da amostra em uma solução, envolvendo ou não uma reação química (Anderson) (e.g., uma amostra de ferro-silício é tratada com uma mistura de HNO 3 e HF; a solução é levada à secura e o resíduo é dissolvido com HNO 3 e H2O2 ,dando srcem a uma solução límpida). Abertura significa converter a amostra em uma outra forma sólida com transformação química (Anderson). A nova forma sólida é facilmente solúvel em solução aquosa (Ex.: uma amostra de silicato insolúvel é superaquecida com um excesso de Na 2CO3 até a fusão da mistura em um produto claro, o qual se solidifica após esfriar, sendo prontamente dissolvido com solução de ácido clorídrico diluído). Segundo Bock, entende-se por abertura a decomposição de amostras em altas temperaturas: quando se faz a decomposição por fusão, utiliza-se a expressão "abertura". 5.1.2. UM PROCEDIMENTO IDEAL PARA A DISSOLUÇÃO DE SÓLIDOS INORGÂNICOS. Antes de se proceder a uma descrição dos diferentes métodos para a dissolução de materiais, é interessante ter-se uma idéia sobre quais seriam as características mais desejadas nestes métodos, ou, qual seria o método ideal. (i) Capaz de dissolver a amostra completamente, sem deixar nenhum resíduo. (ii) (iii)

(iv)

Razoavelmente rápido para ser executado, ou apresentar uma taxa de amostragem compatível com o método de determinação. Os reagentes utilizados não deverão interferir na determinação do analito e/ou na separação dos constituintes de interesse. Caso contrário deverão ser facilmente removíveis da solução da amostra. Os reagentes deverão estar disponíveis em alto grau de pureza para não contaminar as amostras.


124

(v)

(vi) (vii) (viii) (ix)


As perdas dos analitos por volatilização, por formação de aerossóis, por adsorção e/ou absorção nas paredes dos frascos de reação, ou por quaisquer outras razões, deverão ser desprezíveis. Tanto os reagentes como a amostra não deverão atacar o recipiente onde será feita a reação. As contaminações devidas ao ambiente deverão ser desprezíveis. O procedimento deverá apresentar omínimo de insalubridade e de periculosidade. A solução final deverá conter todos os analitos de interesse.

CRITÉRIOS PARA A ESCOLHA DO PROCEDIMENTO DE DISSOLUÇÃO MAIS ADEQUADO Antes de tomar alguma decisão sobre o emprego do método de decomposição a ser utilizado, é conveniente verificar se ele atende todos ou alguns destes critérios: (a) Amplitude do método: número de materiais e de elementos a serem determinados por material; relação massa/volume adequada. (b) Duração da dissolução: muitos procedimentos são muito lentos, porque as reações químicas envolvidas são freqüentemente lentas; o uso de amostras finamente moídas facilita a dissolução. (c) Natureza da solução final e remoção de excesso de reagentes. (d) Materiais usados para a dissolução. (e) Pureza dos reagentes. (f) Perdas por volatilização. (g) Aspectos associados à segurança -queimaduras com HF -explosões com HClO4 -vapores tóxicos de ácidos voláteis e de produtos gasosos (H 2S, SO2, Cl2) -fusões a temperaturas elevadas -explosões em sistemas fechados sob pressões elevadas (transdutores de pressão e temperatura, por exemplo)



125

5.2. MÉTODOS DE DISSOLUÇÃO De um modo geral, a maioria dos procedimentos de dissolução de amostras, como será visto adiante, pode ser agrupada em métodos baseados na: •

dissolução direta em água ou solução aquosa sem mudança química;

• dissolução em ácido, ou mistura de ácidos, com mudança química (mudança no

estado de oxidação do elemento a ser determinado);

• dissolução após fusão da amostra com fundente apropriado (naturalmente

envolvendo mudanças químicas); • outras técnicas.

5.2.1. DISSOLUÇÃO SIMPLES SEM REAÇÃO QUÍMICA São raras as aplicações, mas muitos produtos acabados em processos, como sais inorgânicos, podem ser analisados após dissolução direta em água ou em solução aquosa diluída, sem que haja mudança química. Este caso pode ser exemplificado pela análise de fertilizantes solúveis em água. 5.2.2. DISSOLUÇÃO EM ÁCIDO Em muitos casos o tratamento com ácido(s) não leva à dissolução quantitativa das amostras. Os minerais que não contêm silicatos podem ser exceções (carbonatos e sulfetos solúveis em ácido, por exemplo). Assim, de certa forma, o tratamento ácido pode significar uma dissolução seletiva; a escolha é decidida pela composição da amostra, propriedades químicas e concentração do elemento a ser determinado, bem como a forma na qual está ligado. Recomenda-se fortemente que o leitor complemente estas informações com excelente material disponível na página http://www.sampleprep.duq.edu/sampleprep/


126


Ácidos diluídos Quando uma amostra for insolúvel em água, a alternativa mais simples é tentar uma solução aquosa de um ácido mineral diluído. A maioria dos metais mais eletropositivos que o hidrogênio, muitos óxidos simples de metais, carbonatos e sulfatos dissolvem em ácidos diluídos. O mecanismo de dissolução é uma reação simples entre a amostra e o ácido, formando um sal do metal solúvel em água ou algum outro produto, dependendo principalmente da natureza química da amostra. Alguns metais, como Al, Cr, Mo e W, podem ser passivados durante a dissolução pela formação de uma película insolúvel dos seus óxidos, impedindo o ataque ácido. A dissolução de muitas amostras pode ser feita a frio, mas leve aquecimento pode ser aplicado, quando necessário. Em alguns casos, o uso de ácidos diluídos é recomendado para um ataque preliminar da amostra. É importante lembrar nestas reações que, normalmente, o interesse está na determinação do íon metálico. A conversão do ânion em uma forma volátil, como CO 2 e H2S, por exemplo, não deixa de ser conveniente na maioria das aplicações. Cumpre observar que, para os metais serem dissolvidos, eles teriam que ser pelo menos mais eletropositivos que o H2. A Tabela 5.1 mostra alguns dos potenciais padrão de eletrodo para os íons metálicos mais comuns e importantes: um potencial padrão positivo significa que o metal é mais eletronegativo que o hidrogênio (convencionalmente mostram-se as reações-padrão de eletrodo como reduções). Além disso, deve-se considerar que o uso de ácidos diluídos pode dar srcem a um sal insolúvel (precipitações de prata como cloreto e de bário como sulfato). No caso da prata pode-se usar solução de HNO2. Carbonato de bário dissolve-se em ácidos clorídrico ou nítrico diluídos. Deve-se lembrar que o simples fato de o metal ser mais eletropositivo que o hidrogênio não implica, necessariamente, que a dissolução ocorrerá. É o caso dos metais que podem ser passivados. Existem exceções para esta regra, como na reação de dissolução de cobre (e de outros metais) em 1+1(v/v) HNO3. Neste caso, o cobre metálico é oxidado a cobre(II) pelo HNO3, que se reduz dando a mistura H2O, NO e NO 2. O ouro é o mais eletronegativo dos metais e mesmo o uso de um ácido oxidante concentrado, como o HNO3, não é suficiente para levá-lo a um estado iônico. Neste caso, um agente oxidante mais poderoso é necessário, o que será visto mais adiante.



127

Algumas reações típicas (a)

Zn

+

2HCl



ZnCl2

+ H2 ↑

(b)

MgO

+

2HCl



MgCl2

+

H2O

(c)

CaCO3 +



CaCl2

+

H2O

(d)

FeS

+

2HCl



FeCl2

+

H2S

(e)

BaCO3

+

H2SO4



BaSO4 ↓ +

H2O

(f)

2 Cu

+ 2 HNO3



2CuO

(g)

Au

+



2HCl

HNO3

+ NO↑

+ CO2↑

+ CO2↑

+ NO2↑ +

H2O

não reagem

Ácidos minerais concentrados O uso de ácidos diluídos mostrou que um bom número de amostras inorgânicas pode ser dissolvido sem maiores inconveniências. No entanto, uma infinidade de materiais resistentes, incluindo os metais mais eletronegativos, muitas ligas metálicas, muitos minerais comuns, solos, rochas, argilas, especialmente os aluminatos e silicatos, deve ser dissolvida com ácidos minerais concentrados a quente. Na prática, um dos seguintes procedimentos de pré-tratamento com ácidos minerais concentrados a quente poderá ser adotado para a dissolução de amostras inorgânicas: •

Simplesmente levar a mistura à ebulição em um copo coberto com vidro de relógio;

• levar a mistura à ebulição com refluxo; •

levar a mistura à ebulição e deixar o ácido evaporar até quase à secura;

• dissolver a amostra em sistema fechado.


128


Tabela. 5.1. Potenciais padrão de redução para alguns íons (a 25°C)

Semi-reação

Potencial-padrão (volts)

3+

→

Au (s)

+1,50

Pt + 2e-

2+

→

Pt (s)

+1,12

Ag+ + e-

→

Ag (s)

+0,80

Hg2+ + e-

→

Hg (l)

+0,80

→

Cu (s)

+0,34

Au + 3e-

2+

Cu + 2e+

→

½ H2 (g)

0,00

-

→

Pb (s)

-0,13

Sn + 2e-

2+

→

Sn (s)

-0,14

2+

→

Ni (s)

-0,26

Co + 2e-

2+

→

Co (s)

-0,28

Tl+ + e-

→

Tl (s)

-0,34

Cd2+ + 2e-

H + e2+

Pb + 2e

Ni + 2e-

→

Cd (s)

-0,40

2+

→

Fe (s)

-0,45

3+

→

Cr (s)

-0,74

2+

→

Zn (s)

-0,76

2+

→

Mn (s)

-1,18

→

Al (s)

-1,66

Mg + 2e-

→

Mg (s)

-2,37

Na+ + 1e-

→

Na (s)

-2,71

Ca2+ + 2e-

→

Ca (s)

-2,87

K+ + e-

→

K (s)

-2,93

Fe + 2eCr + 3eZn + 2eMn + 2e3+

Al + 3e2+



129

No pré-tratamento de amostras com ácidos minerais, as seguintes propriedades dos ácidos devem ser levadas em consideração: (i) A força do ácido. (ii) O ponto de ebulição (governa a máxima temperatura que pode ser usada sem a necessidade de se recorrer a sistemas fechados de dissolução). (iii) Poder oxidante do ácido e/ou de um de seus produtos de decomposição. (iv) Poder complexante com respeito aos íons de interesse (propriedade do ânion). (v) A solubilidade dos sais correspondentes. (vi) Grau de pureza e /ou facilidade de purificação (vii) Aspectos relacionados à segurança durante a manipulação. Propriedades dos ácidos minerais mais comuns (HCl, HNO3, H2SO4 , HClO4 e HF)

(a) Ácido Clorídrico O ácido clorídrico concentrado é aproximadamente 12 mol l-1. Quando aquecido à ebulição HCl gasoso é liberado e o ponto de ebulição da mistura aumenta até a -1 1 formação de uma mistura azeotrópica (HCl 6 mol l , ebulição a 109 °C). O ácido clorídrico é um ácido forte, mas não apresenta propriedades oxidantes além daquelas associadas ao íon H+. Possui propriedades redutoras relativamente fracas durante a dissolução. O íon cloreto, no entanto, forma complexos bastante fortes com muitos íons metálicos, especialmente Au3+, Tl3+ e Hg2+, e menos fortes com Fe3+, Ga3+, In3+ e Sn4+, por exemplo. A solubilidade da prata pode aumentar muito pela complexação de cloreto de prata com excesso de íons cloreto: Ag+ + Cl- ↔ AgCl; log K1 = 3,04 AgCl + Cl- ↔ AgCl2- ; log K2 = 5,04 A concentração de prata dissolvida em uma solução 1 mol l-1 HCl é de apenas 8 mg.l-1, mas aumenta para 130 mg. l-1 em 3 mol l-1 HCl

1

Uma mistura azeotrópica é uma mistura de líquidos que, no seu ponto de ebulição , produz um vapor de composição química idêntica à do líquido. Nesta situação, durante a ebulição não ocorre mudança na composição da mistura. O ponto de ebulição de uma mistura azeotrópica, a uma pressão fixa, permanece constante. Consequentemente, os componentes individuais de uma mistura azeotrópica não podem ser separados por destilação. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

130


A maioria dos cloretos metálicos é solúvel em água, exceto Hg 2Cl2, AgCl e TlCl, enquanto PbCl2 é pouco solúvel a frio, mas solúvel em água quente. O HCl é usado para dissolver a maioria dos metais mais eletropositivos que o hidrogênio, alem dos seus óxidos e hidróxidos. É também usado para dissolver boratos, carbonatos, sulfetos e fosfatos, assim como alguns silicatos, embora o componente contendo Si não permaneça estável em solução. Para muitos metais e óxidos, o ácido clorídrico é um solvente muito mais eficiente que outros ácidos minerais oxidantes.

(b) Ácido nítrico O ácido nítrico, conhecido como "ácido concentrado", varia de 65 a 69% HNO3 e, aquele com teor maior que 69% é denominado "ácido nítrico fumegante". Uma mistura azeotrópica com água é formada a 67% com ponto de ebulição de aproximadamente 121°C, embora seja possível obter HNO 3 a 100% cujo ponto de ebulição é de 83°C. O ácido muito concentrado é instável, decompondo-se pela ação da luz e produzindo O2, H2O e NO2, este último sendo responsável pela cor marrom das soluções ácidas. O ácido nítrico é um ácido forte e um agente oxidante bastante poderoso. Com exceção dos metais nobres ele poderia oxidar todos os metais, mas poucos são dissolvidos porque muitos elementos, como Al, B, Cr, Ga, In, Nb, Ti, Ta, Th, Zr e Hf, tornamse passivos2 na presença do ácido. Ca, Mg e Fe são passivados pelo ácido altamente concentrado, mas são dissolvidos em soluções mais diluídas. Outros elementos que são dissolvidos incluem Se, Te, As, e os semicondutores GaSe e CdTe. Quase todos os nitratos de metais são solúveis em água. O íon nitrato é um íon complexante muito fraco3. Isto faz com que alguns íons metálicos sejam hidrolisados em meio de ácido nítrico, precipitando como óxidos hidratados, como Sn, W a Sb. Isto pode ser explorado beneficamente para separar estes metais pela filtração dos precipitados correspondentes, após reação dos metais com o ácido nítrico.

2 Um metal "torna-se passivo" na presença de um ácido, quando o ácido reage com o metal formando um óxido insolúvel, ao invés de se dissolver na solução na forma de íon metálico. Este óxido pode formar uma película protetora na superfície do metal, evitando o ataque subsequente do ácido. Por isso, o metal não será dissolvido. 3 A adição de espécies complexantes às soluções de ácido nítrico pode ajudar na dissolução de alguns metais listados como insolúveis em ácido nítrico. Os ácidos clorídrico e fluorídrico são os mais utilizados para este propósito, mas ácidos orgânicos, como tartárico e cítrico, tambem são empregados. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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(c) ácido sulfúrico O ácido sulfúrico concentrado comercial contém aproximadamente 98% H2SO4. O ponto máximo de ebulição de 339°C é alcançado no sistema água-ácido sulfúrico a 98,3% H2SO4. Este é o ponto de ebulição mais alto dentre os ácidos minerais concentrados mais comuns. Uma das suas principais vantagens é justamente o fato de permitir a execução de processos de dissolução sob elevadas temperaturas. O ácido sulfúrico é um ácido forte e, quando aquecido, é capaz de oxidar um grande número de metais, reduzindo-se a SO2, enxofre elementar ou H2S. Ele também possui propriedade desidratante. Quase todos os compostos orgânicos são parcialmente, ou mesmo totalmente, destruídos pelo ácido concentrado a quente. Os sulfatos de metais são, em sua maioria, solúveis em água, exceto CaSO 4 (levemente solúvel), BaSO4, SrSO4 e PbSO4. Vários metais em estados de oxidação elevados (Cr3+, Al 3+, terras raras) podem formar sulfatos duplos com sulfato de potássio, os quais são difíceis de serem solubilizados. Uma outra vantagem dos sulfatos de metais é que, de uma maneira geral, eles apresentam baixa volatilidade. Assim pode-se levar a mistura à secura, desde que o ácido sulfúrico esteja presente em quantidade adequada. O ácido sulfúrico é utilizado para dissolver óxidos, hidróxidos, carbonatos, vários minérios (sulfetos e arsenitos) e muitos outros compostos. Não é recomendado em amostras com teores de cálcio muito elevados, face à baixa solubilidade do CaSO 4 (2 g/L). Alguns óxidos, podem ser convertidos em sulfatos solúveis por aquecimento com ácido pouco concentrado. TiO2 requer aquecimento com H2 SO4 85%, e minérios de tório, nióbio e tantálio (samarsquita) requerem H2SO4 concentrado. O ácido sulfúrico também é usado para a remoção de HF e/ou solubilização de fluorocomplexos, quando é comum a expressão "aquecendo até fumos do ácido sulfúrico". Os fluoretos de metais reagem com H 2SO4, promovendo a liberação do HF e a formação dos sulfatos metálicos correspondentes. Esta remoção é recomendada tanto após a decomposição de amostras com HF, como na análise de minérios contendo flúor.

(d) ácido perclórico O ácido perclórico e a água formam um azeótropo com 72% HClO4, ponto de ebulição de 203°C, conhecido como ácido perclórico concentrado. A mistura azeotrópica pode ser armazenada sem perigo e pode ser purificada por destilação. O ácido contendo 100% HClO4 é um oxidante perigosíssimo: ele se decompõe em repouso, no início lentamente, mas pode explodir violentamente depois de certo tempo.


132


Quando soluções contendo acima de 72% do ácido são aquecidas, o ácido perclórico se decompõe em cloro, oxigênio e água: 4HClO4 → 2Cl2 + 7O2 + 2H2O O ácido perclórico é empregado a 60-72% m/v. Quando aquecido, torna-se um agente oxidante muito poderoso, capaz de dissolver ligas metálicas e todos os metais (exceto os metais nobres), convertendo-os em íons nos2+seus 2+ estados de oxidação mais altos, exceto chumbo e manganês que são oxidados a Pb e Mn , respectivamente. Todos os percloratos de metais são prontamente solúveis em água, exceto KClO4, RbClO4 e CsClO4. Uma de suas virtudes é o fato de o íon perclorato ser o agente complexante mais fraco dentre os ânions dos ácidos minerais mais comuns. Não metais também reagem com o ácido perclórico. Uma das melhores aplicações é a oxidação do fósforo, e muitos de seus compostos, a fosfato. Na dissolução de aços e outras ligas ferrosas o ácido silícico formado é rapidamente desidratado, e facilmente filtrado. Mas, talvez o mais importante destaque do ácido perclórico deva ser dado ao fato de que, em muitas aplicações, existe o perigo imprevisível de explosão 4 face ao seu elevado poder oxidante quando empregado na forma concentrada e a quente. Este risco é particularmente grande quando a concentração do ácido exceder 72%, ou quando o ácido a quente for colocado em contato com material orgânico ou inorgânico facilmente oxidável. ALGUMAS REGRAS NA MANIPULAÇÃO DO HClO4 (i) (ii)

(iii) (iv) (v) (vi)

nunca use um ácido mais concentrado que 72%. nunca deixe que o ácido concentrado a quente entre em contato direto com materiais facilmente oxidáveis (por exemplo - tenha cuidado com amostras de metais com óleo ou graxa). não utilize capelas de exaustão com superfícies expostas construídas com material orgânico não recomendado (com batentes de madeira, por exemplo). não armazene o ácido em frascos com tampa de borracha. lave o papel de filtro com bastante água após seu uso com soluções contendo ácido perclórico. Caso contrário, há o risco de explosão quando estiver seco. lave com água os locais onde o ácido possa ter entrado em contato, como o piso da capela (preferivelmente de cerâmica), por exemplo.

4 Ler, por exemplo, descrição de mais de 30 casos de explosões violentas no "Handbook of Laboratory Safety". Boca Raton, CRC Press, 2 nd ed., 1971, 854p © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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(e) ácido fluorídrico O ácido fluorídrico forma uma mistura azeotrópica com água contendo 36% HF, com ponto de ebulição de 111°C. É um ácido fraco, não oxidante, cuja reatividade se baseia na sua natureza complexante. Soluções aquosas a 38-40% e aproximadamente 48% são encontradas comercialmente. O íon fluoreto é o mais poderoso ânion complexante dentre todos aqueles aqui mencionados, formando fluoretos estáveis e fluorocomplexos com muitos elementos. Reage especialmente com aqueles elementos que formam óxidos refratários, os quais são justamente difíceis de serem dissolvidos por se tratarem de óxidos estáveis insolúveis. O HF aumenta a solubilidade e a establidade de alguns elementos como Si, Sn, Ti, Zr, Hf, Nb eTa O HF é utilizado principalmente para a dissolução de materiais contendo silicatos: SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O O ácido fluorosilícico pode ser separado da matriz na forma de SiF4 gasoso, promovendo sua dissociação a quente em sistema aberto com ácido sulfúrico, nítrico ou perclórico: H2SiF6 (g) → SiF4 + 2HF (g) O resto da matriz permanece em solução, com algumas exceções como mostra a Tabela 5.2. Nos casos em que se deseja evitar perdas de As, B, Se, Sb, Ge, Cr, Re, Os e Ru, por exemplo, sistemas de destilação apropriados devem ser utilizados. Quando se usa ácido fluorídrico, algumas precauções devem ser tomadas: (i) vidraria não pode ser utilizada, porque o HF reage com o óxido de silício que faz parte da composição dos vidros. Podem-se utilizar materiais de: • platina (mesmo muito aquecida) • PTFE (até 220 °C), polipropileno (até 135°C), policarbonato (até 110°C), polietileno

de baixa densidade (até 80°C), e outros polímeros. (ii)

Freqüentemente, faz-se necessária a separação de todo o fluoreto que estiver na forma de complexos (AlF63+ por exemplo, é muito estável e não se comporta em solução como o íon Al3+) e/ou para ressolulilizar os fluoretos insolúveis (CaF, MgF, NaAlF4, MgAlF5, por exemplo), além do próprio HF que está em excesso. Na prática esta etapa pode ser relativamente simples, ou muito trabalhosa, podendo ser feita uma separação por destilação com auxílio de ácidos perclórico ou sulfúrico. Quando isto é feito, o silício é separado por volatilização, sendo perdido em sistema aberto,


134


conforme já foi mencionado. Mascaramento de íons fluoreto com ácido bórico também é muito recomendado, quando há compatibilidade com o método de determinação do analito de interesse. A reação do ácido bórico com ácido fluorídrico ocorre em um processo com duas etapas: H3BO3 + 3HF ↔ HBF3(OH) + H2O HBF3(OH) + HF ↔ HBF4 + H2O Se a solução for resfriada em banho de gelo após a adição do ácido bórico, a velocidade da reação aumenta. Entretanto, a maioria dos analistas prefere adicionar ácido bórico em excesso (10 a 50 vezes) para aumentar a velocidade da reação. (iii)

o ácido fluorídrico, quando em contato com a pele, pode causar seríssimas queimaduras. A manipulação deste, assim como dos outros ácidos mencionados deve ser feita atendendo todas as normas de segurança, incluindo máscaras faciais, luvas, etc. Nos primeiros socorros para queimadura de pele com ácido fluorídrico, recomenda-se o uso de gel de gluconato de cálcio.

Tabela 5.2. Pontos de ebulição de fluoretos voláteis Espécie Temperatura (°C) AsF3

+ 63

AsF5

- 53

BF3

-100

GeF4

- 37 (sublima)

NbF5

+236

SbF3

+376

SbF5

+150

SeF4 SiF4

+ 93 - 95 (sublima)

TaF5

+229

TeF4

+375

TiF4

+284 (sublima)



135

Misturas de ácidos minerais Na prática, a grande maioria dos métodos de dissolução de amostras inorgânicas baseia-se no uso de uma mistura de dois ou três ácidos. A dissolução da amostra pode ser feita inicialmente com uma mistura de dois ácidos seguida pela adição de um terceiro ácido ou vice-versa, pode também envolver um ácido numa etapa até a secura e posterior retomada da amostra com um outro ácido, etc. As misturas de ácidos são muito usadas, porque • diferentes propriedades úteis podem ser combinadas ( um ácido oxidante com um

ácido com poder complexante). • dois ácidos podem reagir formando produtos com maior reatividade do que qualquer

um deles empregado isoladamente. • uma propriedade indesejável de um ácido pode ser moderada pela presença de um

segundo ácido. • a amostra pode ser dissolvida com um ácido, o qual é separado da mistura por um

outro ácido que o substitui.

Alguns exemplos (i)

Um ácido complexante e um ácido oxidante

• HF + HNO 3 • HF + HClO 4 • HF + H2SO4 • HF + HNO 3 + HCl

Muitos metais e ligas metálicas podem ser solubilizados com estas combinações de ácidos. Misturas de HF com HNO 3 são usadas para dissolver silício metálico, titânio, nióbio, tantálio, zircônio, háfnio, tungstênio e suas ligas, vários carbetos e nitretos, minérios de tungstênio, minérios de urânio, minérios de sulfetos e muitos silicatos. (ii) Dois ácidos formando produtos reativos

A mistura de 1 parte de HNO 3 concentrado (69%) com 3 partes de HCl concentrado, em volume, é conhecida como água régia. O ácido nítrico oxida o acido clorídrico dando srcem a vários produtos de oxidação, como cloro molecular e cloreto de nitrosila (NOCl) . Estes produtos tem altíssimo poder oxidante e são muito reativos. Esta propriedade associada à presença do íon cloreto (complexante), faz desta uma mistura de dissolução altamente eficiente para os metais nobres. Diz-se que a água régia é mais eficiente se a mistura for mantida em repouso por 10 a 20 minutos antes de seu uso.


136


A água régia é usada para atacar muitos metais e ligas metálicas, incluindo aços, ligas de alta temperatura, ligas de molibdênio, face à rapidez da dissolução. Os ácidos nítrico e clorídrico também são usados em outras proporções. A água

régia de Lefort, ou água régia invertida, é uma mistura de 3 partes de ácido nítrico para uma de ácido clorídrico. (iii)

Moderação da ação poderosa de um ácido

HNO3 + HClO4 O ácido nítrico modera a ação oxidante do ácido perclórico, reagindo com materiais facilmente oxidáveis, que poderiam reagir com o ácido perclórico perigosamente. •

(iv)

substituição de um ácido por outro

• HF + HClO 4

HF + H2SO4 A amostra é dissolvida em HF ou mistura contendo HF, e a mistura levada à secura uma ou mais vezes com ácido perclórico ou sulfúrico. •

Misturas de ácidos com outros reagentes Alguns reagentes são utilizados para melhorar a eficiência da dissolução com um ou mais ácidos minerais: (i) agentes oxidantes

O poder oxidante de um ácido pode ser aumentado pela utilização de um agente oxidante auxiliar, assim como um ácido não oxidante também pode ser usado com um agente oxidante. Três destes agentes oxidantes podem ser: •

H2O2 para a dissolução de aços

•

Br2 para minérios contendo telúrio

KClO3 com HCl para a dissolução de minérios contendo arsênio e /ou enxofre A utilização de pequenas quantidades de H2O2 é bastante comum como tratamento final para a remoção de produtos coloridos que permanecem em solução em alguns •

procedimentos para a oxidação de materiais orgânicos com misturas ácidas ( ácidos nítrico e sulfúrico, por exemplo). H2O2 é também usado em combinação com ácidos sulfúrico e nítrico isoladamente. O uso do H 2O2 apresenta as seguintes vantagens: • é um agente oxidante poderoso. •

a água é o único produto de decomposição presente.

• é encontrado com alto grau de pureza.



137

(ii) Eletrólitos inertes

São adicionados para aumentar o ponto de ebulição do ácido, resultando maior temperatura final para a dissolução (adição de Na2SO4, K2SO4 ou (NH4) 2SO4 aumenta o ponto de ebulição do H 2SO4). (iii) Agentes complexantes

São usados em muitos procedimentos para manter os analitos em solução, na forma de complexos, evitando que os íons metálicos correspondentes sejam precipitados (como óxido ou hidróxido, p. ex.). Os ácidos tartárico, cítrico e láctico podem ser usados em combinação com o ácido nítrico para dissolver antimônio elementar, ligas e minérios de antimônio, evitando a hidrólise do íon metálico. Ligas de Pb-Sn são dissolvidas com ácidos nítrico e tartárico ou nítrico+tartárico+cítrico, e os semicondutores PbTe e GeTe com ácido nítrico concentrado e solução de oxalato de sódio. (iv) catalisadores

A velocidade de dissolução de alguns metais com ácidos pode ser aumentada significativamente com catalisadores adequados (Cu2+, Hg2+). A Tabela 5.3. mostra alguns reagentes empregados na dissolução ácida de vários minérios. Tabela 5.3. Reagentes usados para decomposição ácida de vários minérios Amostras

Analitos

Silicatos Minério de cromo Magnetita Esfalerita Tetraedrita Pirita Monasita Minérios de magnésio (pirolusita, etc.) Fluorita

Elementos-traço Elementos-traço Ge Tl, Co, Ni Fe Traços em geral Lantanídeos Elementos-traço

Minérios de mercúrio Bauxita Minérios de sulfeto

Elementos-traço Elementos-traço Cu

Elementos-traço

Reagentes

HF + H2SO4 H2SO4 + HCl + NaCl* H3PO4 + KMnO4 HCl + HNO3 H2SO4 + (NH4) 2SO4 HCl + HNO3 H2SO4 + H2O2 HCl (o resíduo deve possivelmente ser tratado separadamente) H2SO4; HCl (possível digestão do resíduo) HCl + HNO3 +H2SO4** H2SO4 + HCl + HNO 3 H3PO4 + HCl

* O NaCl serve para formar e remover o CrOCl2 volátil ** O HgCl2 evapora © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

138


5.3.

DECOMPOSIÇÃO POR FUSÃO

5.3.1. PRINCÍPIOS Muitos materiais não são dissolvidos com ácidos minerais concentrados a quente. Outros são atacados lentamente e/ou dissolvidos parcialmente. Existem também aqueles materiais que dão srcem a soluções ácidas instáveis apresentando componentes com tendência para precipitar, como a sílica. Os seguintes materiais constituem uma seleção representativa de materiais de difícil dissolução em ácidos:

•

Cimento

•

Aluminatos

•

Silicatos

• Minérios de Ti e Zr • Minerais mistos de Be, Si, Al • Resíduos insolúveis de minérios de ferro • Óxidos de cromo, silício e ferro • Óxidos mistos de tungstênio, silício e alumínio.

Deve-se lembrar que, apesar de muitos silicatos serem dissolvidos com HF, existem situações particulares onde o silício deve ser determinado. O silício é perdido da solução como SiF4. O boro é similarmente perdido como BF3. Os métodos de decomposição por fusão baseiam-se no seguinte procedimento geral: 1º) Amostra finamente moída é misturada intimamente com um eletrólito ácido ou básico. Eventualmente um agente oxidante pode ser adicionado. 2º) A proporção entre as massas de amostra e de eletrólito (conhecido como fundente) é muito importante, podendo variar de 1:2 a 1:50. 3º) A mistura é, em geral, colocada em um cadinho de níquel ou de platina. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


139

4º) O cadinho é aquecido por um período de tempo suficientemente adequado para que a amostra fique totalmente dissolvida na solução fundida, resultando em um líquido bem claro (toma-se o cuidado de se fundir toda a amostra com movimentos do cadinho). 5º) O líquido se solidifica quando resfriado à temperatura ambiente e o material sólido resultante é quebrado em pequenos pedaços ou transferido diretamente para um copo. 6º) Se a fusão for bem sucedida, o material será facilmente solúvel em água ou ácido diluído. As razões que explicam o sucesso dos métodos de decomposição por fusão são as seguintes: i)

os eletrólitos inorgânicos fundidos são solventes muito poderosos;

ii)

como as temperaturas de fusão são muito mais elevadas que nas decomposições com ácidos, chegando a 1200 °C dependendo do fundente utilizado, as reatividades e a solubilidade dos materiais são também muito maiores; o eletrólito fundido age como um ácido ou uma base de Lewis5.

iii) •

O Na2CO3 é um exemplo de fundente muito utilizado na abertura de materiais contendo sílica. Quando aquecido o carbonato de sódio é uma excelente fonte de íons O2- : CO32- → CO2 + O2Os íons O2- (base de Lewis) reagem com a sílica (ácido de Lewis): SiO2 + O2- → SiO3223 é SiO 2-

O íon com elétrons do íon O .

formado pelo preenchimento dos orbitais vazios do Si atômico

• O sal sódico do SiO 32- é solúvel em água, e assim a sílica é solubilizada.

5 Um ácido de Lewis é qualquer espécie (atômica, iônica ou molecular) capaz de aceitar elétrons de

uma outra espécie, e uma base de Lewis qualquer espécie capaz de doar elétrons.


140


5.3.2. CARACTERÍSTICAS DE ALGUNS FUNDENTES (a) Carbonato de sódio (p.f. 851°C): é um fundente básico muito utilizado para a abertura de silicatos e outros compostos refratários. Sua utilidade pode aumentar quando em combinação com oxidantes como KNO3, KClO3, ou Na2O2 para amostras que requerem um ambiente oxidante (materiais contendo S, As, Sb ou Cr, p.ex.). O K 2CO3 (p.f. 891°C) e NaKCO3 (mistura 1:1 de Na2CO3 e K2CO3, p.f. 712°C) também são usados em algumas aplicações. (b) Hidróxido de sódio (p.f. 318°C) ou hidróxido de potássio (p.f. 360°C): são fundentes básicos poderosos para silicatos, aluminosilicatos, carbeto de silício e outros compostos. (c) Peróxido de sódio (Na2O2): decompõe-se quando aquecido, e age como um poderoso fundente básico oxidante para sulfetos e ligas metálicas insolúveis em ácidos. (d) Sulfato ácido de potássio (KHSO4) e pirossulfato de potássio (K2S2O7): estes dois compostos são na realidade um mesmo fundente. Sob aquecimento ocorrem as seguintes mudanças: 2 KHSO4

→

K2S2O7 + H2O ↑

K2S2O7

→

K2SO4 + SO3

O SO 3 age como um ácido de Lewis, e assim estes fundentes são ácidos. Eles são usados a 500 °C e muito úteis para a abertura de muitos óxidos metálicos como Al2O3, BeO, Fe2O3, Cr2O3, MoO3, TeO2, TiO2, ZrO2, Nb2O5 e Ta2O5. Todos estes óxidos são convertidos em sulfatos solúveis. (e) Ácido bórico (p.f. 450°C): é um fundente ácido muito útil para silicatos, podendo ser usado como alternativa aos fundentes básicos, quando se pretende determinar metais alcalinos. Uma vantagem adicional deste fundente é que qualquer excesso de B 2O3 pode ser separado da matriz, como o éster inorgânico volátil trimetilborato, destilando-se o resíduo com metanol: B2O3 + 6 CH3OH

→

[2 B(CH3O) 3]3 + 3 H2O



141

(f) CaCO3 + NH4Cl: quando aquecida esta mistura produz CaO e CaCl 2. Este fundente é recomendado para a extração de metais alcalinos em silicatos. (g) Fluoreto de potássio e NaF.HF: são fundentes de baixas temperaturas, característica particularmente útil para a determinação de alguns metais que formam fluoretos metálicos voláteis. São usados para a abertura de silicatos e óxidos de elementos formadores de fluorocomplexos estáveis, como Be, Nb, Ta e Zr. O produto da fusão pode ser levado a fumos com H2SO4 para a remoção de F-. Deve-se recordar que, neste caso, o Si e o B são perdidos nas formas de SiF 4 e BF3, respectivamente. (h) Bórax, Na2B4O7.10H2O: as fusões com tetraborato de sódio são muito usadas para a abertura de Al2O3, ZrO2, minérios de Zr, minerais contendo terras raras, Ti, Nb ou Ta, assim como materiais contendo Al, minérios de Fe, etc. O tetraborato de sódio pode ser utilizado diretamente, ou em combinação com Na2CO3. As temperaturas de fusão variam de 1000 a 1200°C.

Literatura de uso geral dos itens 5.1 a 5.3 ANDERSON, R. Sample Pretreatment and Separation. Analytical Chemistry by Open Learning. Chichester, John Wiley, 1991, 632pp. BOCK, R. A Handbook of Decomposition Methods in Analytical Chemistry. Glasgow, International Textbook, 1979, 444pp. SULCEK, Z.; POVONDRA, P. Methods of decomposition in inorganic analysis. Boca Raton, CRC, 325p, 1989.


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Piroidrólise

5.4. PIROIDRÓLISE Éder L. M. Flores - DQ/UFSM Érico M. M. Flores - DQ/UFSM Fábio A. Duarte - DQ/UFSM Juliano S. Barin - DQ/UFSM Valderi L. Dressler - DQ/UFSM A piroidrólise consiste, essencialmente, na decomposição da amostra em um reator aquecido (~1000 °C) e na presença de vapor d’água misturado com oxigênio, ar ou um gás inerte. Esta técnica tem sido aplicada para decomposição de amostras sólidas, geralmente materiais inorgânicos. Neste sistema, durante a decomposição, muitos óxidos ou hidróxidos de metais são formados e permanecem no reator. Quando presentes, alguns elementos como os halogênios, o boro e alguns complexos, são convertidos em seus ácidos voláteis correspondentes, os quais são quantitativamente volatilizados e carreados pelo vapor d’água para um condensador, onde a solução contendo os analitos é coletada. 1 Desta forma, durante a piroidrólise ocorre uma separação dos analitos da matriz, a qual permanece no reator o que, em alguns casos, ajuda a minimizar problemas de interferência na etapa de determinação. O conceito de piroidrólise não é novo, pois este procedimento foi proposto por Fremy,2 em 1856. Porém, a primeira aplicação da piroidrólise com fins analíticos ocorreu somente em 1890 para a análise de nitreto de boro. 3 Mais tarde, em 1926, foram feitas as primeiras investigações para análise de fluoreto de zircônio. 4 Na mesma época, Domange 5 fez estudos sobre as constantes de equilíbrio da decomposição de vários fluoretos de metais pesados e alcalino-terrosos em várias temperaturas. Utilizou uma plataforma de platina para suportar a amostra e passou sobre ela um fluxo de vapor d’água. O vapor, depois de condensado, foi analisado para determinar as respectivas constantes de equilíbrio. Este estudo foi posteriormente ampliado por Domange e Wohlhuter 6 para determinar a constante de equilíbrio do fluoreto de urânio IV (UF 4), na faixa de 200 a 500 °C. Neste trabalho foi proposto que a reação de piroidrólise procede de acordo com a equação (1) e que com o aumento da temperatura a reação de hidrólise é favorecida. UF4 + 2H2O →+UO 4HF 2

(1)


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A partir destas investigações, Domange5 e Domange e Wohlhuter6 estabeleceram que a reação de hidrólise a altas temperaturas ocorre de acordo com a equação (2). MF2n + nH2O → MO + 2nHF n

(2)

Neste caso, M é um elemento metálico. Posteriormente, Warf7 revisou os princípios destas reações, estabelecendo mais dados termodinâmicos da reação, demonstrando claramente as potencialidades analíticas da piroidrólise. Neste período o campo de aplicações da piroidrólise teve maior expansão e importância, pois com a implantação do Projeto Manhattan (1942 - 1945) houve a necessidade do desenvolvimento de procedimentos rápidos de preparo de amostras e que permitissem a determinação de halogênios em diversos materiais, principalmente em fluoretos de urânio e tório. Neste caso, o aparato consistia de um tubo de platina (150 x 20 mm) no qual era inserida uma “barqueta” (50 x 18 mm) contendo a amostra. O vapor d´água, após passagem pelo tubo aquecido, era condensado e o ácido fluorídrico contido na solução era quantificado por volumetria de neutralização com solução de NaOH. O tempo para a piroidrólise de uma amostra durava cerca de 10 a 20 minutos. Em vista da crescente necessidade de se determinar flúor e outros halogênios nos mais variados materiais, muitos estudos foram feitos para implementar métodos de decomposição de amostras que levassem a obtenção de resultados com boa precisão e, principalmente, exatidão.8 Nas investigações de Warf et al. 8 sobre o mecanismo de liberação do flúor a partir de diversos compostos fluorados, concluiu-se que estes compostos podem ser classificados em dois grupos. (i) O primeiro grupo inclui compostos naturais e sintéticos de elementos que formam hidróxidos pouco solúveis como o AlF3, BiF3, MgF2, ThF4, UF4, UO2F2, VF3, ZnF2, ZrF4, ZrOF2 e outros fluoretos de elementos do grupo das terras raras. Estes compostos são facilmente piroidrolisáveis e liberam quantidades equivalentes dos haletos de hidrogênio correspondentes, os quais podem ser quantificados na solução condensada. (ii)

O segundo grupo inclui os fluoretos dos metais alcalinos e alcalino-terrosos. Para este grupo, observou-se que os óxidos formados na decomposição reagem imediatamente com o fluoreto de hidrogênio liberado. Consequentemente, a decomposição é lenta e, em alguns casos, não-quantitativa. Neste caso, é necessária a adição de uma substância que facilite a liberação do fluoreto. Estas substâncias foram denominadas de aceleradores ou catalisadores.


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Piroidrólise

O óxido de urânio (U 3O8) foi um dos aceleradores da reação de hidrólise testados, sendo proposto que a reação procede de acordo com a equação (3). 6NaF + 2U3O8 + 3H2O + O 2 → 6HF + 3Na2U2O7

(3)

De acordo com os dados promissores obtidos nestes estudos, diversos sistemas foram propostos para fazer a reação de piroidrólise, porém mantendo a configuração básica srcinalmente proposta. Estes sistemas têm sido aplicados para a decomposição de diversos tipos de amostras para posterior determinação, além do fluoreto, de outros elementos nãometálicos, entre eles o cloro, bromo, iodo, boro e enxofre. Na Fig. 5.1 está representado um esquema do sistema convencional para piroidrólise.

Figura 5.1 Esquema de um sistema para piroidrólise. 1. Entrada de gás; 2. fluxômetro; 3. unidade de geração de vapor d’água; 4. sistema para remoção de gotas de água; 5. unidade de aquecimento; 6. reator; 7. recipiente da amostra; 8. condensador; 9. frasco receptor da amostra. No sistema mostrado na Figura 5.1, a amostra é colocada em um pequeno recipiente (barqueta) (7) e introduzida no reator (6). O gás ao passar pela unidade de geração de vapor d'água (3) arrasta o vapor até o reator aquecido onde esta mistura reage com a amostra, com ou sem a adição de acelerador, liberando os analitos presentes na amostra. Por fim, o vapor com os analitos passa por um sistema de condensação (8) e é recolhido em um recipiente adequado (9). Dependendo do elemento, o vapor d´água pode ser somente condensado ou condensado e absorvido numa solução com pH na faixa de 8 a 11 (geralmente uma solução tampão). © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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No processo da piroidrólise, a liberação do analito da amostra é dependente, basicamente, da temperatura, da forma química em que o analito está na amostra e da constituição da matriz da amostra. A liberação do analito ocorre na faixa de 700 a 1400 °C, mas temperaturas em torno de 1000 °C geralmente são adequadas. Para o aquecimento do reator podem ser empregados fornos elétricos ou uma chama, como a obtida com o queimador de Meker. Em alguns casos, também são usadas combinações entre queimadores e fornos. Entretanto, atualmente, os fornos com aquecimento elétrico são amplamente empregados, por permitir alcançar temperaturas mais elevadas e facilitar o controle da temperatura, porém o arrefecimento do reator é mais lento. Uma vez que a introdução da amostra no reator é feita geralmente à temperatura ambiente, o tempo de processamento é maior quando são empregados fornos elétricos como unidade de aquecimento, comparativamente aos sistemas aquecidos com chama. 9 Para suportar as altas temperaturas necessárias na piroidrólise, os reatores normalmente utilizados são constituídos de tubos de quartzo, sílica fundida, platina, níquel ou cerâmica.1 Da mesma forma, os recipientes empregados para suportar a amostra geralmente são construídos com materiais similares. Porém, alguns materiais podem reagir com o analito, possivelmente após ser volatilizado da amostra na forma de vapor ácido, resultando em recuperações não quantitativas. Entre os materiais que são mais adequados para a confecção do reator e do recipiente de suporte da amostra estão o quartzo e a sílica fundida. O níquel é um dos materiais que reage facilmente com o analito. 10 A unidade de geração de vapor d’água consiste, normalmente, de um recipiente aquecido contendo água deionizada. Alternativamente, a água pode ser nebulizada e o aerossol introduzido diretamente no reator aquecido, 11 ou, ainda, através da sua volatilização a partir de um recipiente colocado na entrada do reator.12 O vapor d’água gerado é transportado para o reator através da passagem de um fluxo de gás (onde podem ser usadas vazões de até 2,0 L min-1, dependendo do reator empregado) pela unidade de geração de vapor. Como gás de arraste pode ser usado ar, oxigênio ou mesmo um gás inerte, uma vez que este tem somente a função de transportar o vapor contendo o analito até o condensador.13 Uma vez que a temperatura para piroidrólise é relativamente elevada (cerca de 1000 a 1200 oC), é conveniente que o vapor d’água contendo os analitos seja condensado logo após a saída do reator, o que geralmente é feito com o auxílio de condensadores refrigerados com água. Porém, dependendo da característica do elemento a ser determinado, podem ocorrer perdas do analito por volatilização, quando o vapor d’água é somente condensado. Entre os halogênios, o cloro, bromo e iodo são mais facilmente perdidos, devido às características do próprio ácido formado na reação de piroidrólise ou por formação de compostos voláteis na solução ácida condensada, tais como o Br2 e o I 2. Assim, além do uso de um condensador, é necessário que o vapor d’água condensado seja absorvido numa solução alcalina. Como © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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soluções absorvedoras, soluções diluídas de hidróxido de sódio, bicarbonato de sódio ou soluções tampão são, geralmente, empregadas. É importante salientar que a concentração da solução absorvedora vai depender da quantidade do analito, ou dos elementos passíveis de formarem ácidos voláteis na reação de piroidrólise, presentes na amostra, uma vez que são formadas quantidades equivalentes do respectivo ácido. Ou seja, para os elementos facilmente perdidos por volatilização, a concentração da solução absorvedora deve ser tal que a mesma se mantenha alcalina até o final da reação de piroidrólise. Outra possibilidade, quando a determinação dos analitos é feita por cromatografia iônica, é a utilização da própria fase móvel como solução absorvedora.14 O mecanismo envolvido na volatilização dos diferentes elementos não é o mesmo. No caso dos halogênios, a reação geral da piroidrólise pode ser expressa como mostrado na equação (4). MX2n + nH2O → + 2nHX MOn

(4)

onde X representa o halogênio e M o elemento metálico.8 Para boro, é proposto que a reação ocorra através da formação de ácido bórico, conforme representado na equação (5).15

MB2 + 8H2O → MO2 + 2H3BO3 + 5H2

(5)

Para o caso de enxofre é proposto que ocorre a formação de anidrido sulfuroso (SO2) e anidrido sulfúrico (SO 3). Neste caso, é necessário o uso de solução absorvedora contendo um oxidante (como o peróxido de hidrogênio - H2O2) em meio alcalino (pH entre 9 e 10) para absorver os gases de enxofre e oxidá-los a sulfato (SO42-).16 Além do uso de temperaturas elevadas para amostras consideradas refratárias, a liberação do analito pode ser facilitada na presença de um acelerador que atua, também, como fundente, permitindo que a decomposição da amostra e conseqüente liberação dos analitos ocorram a temperaturas menores. Diversos compostos podem ser empregados na reação de piroidrólise, mas os óxidos ácidos são os mais adequados para a liberação quantitativa dos analitos.17 Entre estes, o SiO 2, TiO2, WO3, Bi 2O3, Al 2O3, MnO2, MoO3, Cr 2O3 e V2O5, ou misturas destes, são os mais indicados. Estes compostos normalmente são empregados na forma sólida e são previamente misturados com a amostra. O uso de um determinado acelerador dependerá da composição da matriz da amostra, bem como da forma como o analito se encontra na mesma.18 Entretanto, para garantir a recuperação quantitativa dos analitos é importante uma boa mistura entre a amostra e o acelerador e a condensação do vapor deve ocorrer sem a formação de névoa.19 Dentre os aceleradores citados, o pentóxido de vanádio (V2O5) tem sido o mais © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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utilizado. Muitas aplicações da piroidrólise usando V2O5 como acelerador para a determinação de halogênios em amostras refratárias (tais como, materiais geológicos, ligas, vidro, entre outros) têm sido reportados, principalmente devido ao relativo baixo ponto de 9 fusão (em torno de 690 °C) e ação efetiva na liberação dos analitos. Entretanto, alguns autores relataram a volatilização parcial do V 2O5 em temperaturas acima de 850 °C e conseqüente arraste para a solução condensada, o que pode causar interferências na determinação dos analitos por volumetria de neutralização, devido ao aumento da acidez da solução condensada, causado pela presença do V 2O5.18 Porém, a presença de V 2O5 na solução final não causa o mesmo problema quando são usadas técnicas instrumentais, como a espectrofotometria, potenciometria e cromatografia. De maneira geral, o tempo necessário para se efetuar a piroidrólise varia de alguns minutos até cerca de uma hora e a composição amostra + acelerador usada na maioria dos trabalhos varia na ordem de 1 + 3 a 1 + 5. Em algumas situações, no lugar do uso de vapor d’água carregado por ar, é mais adequado o uso de oxigênio, nitrogênio ou argônio previamente “umedecido” com vapor d’água. É importante salientar que as técnicas tradicionalmente empregadas para a decomposição de materiais sólidos contendo uma fração mineral elevada, para posterior determinação de elementos não-metálicos, como os halogênios, enxofre e boro, têm sido a fusão e a destilação baseada no método de Willard e Winter. Essas técnicas, apesar de seu uso disseminado e levar a resultados com boa precisão e exatidão na maioria dos casos, possuem como principal inconveniência o elevado número de etapas e o tempo prolongado de processamento da amostra. Além disso, as técnicas de fusão não permitem a separação do analito da matriz, estando sujeitas a perdas e contaminação. Também, a solução resultante geralmente possui elevado teor salino, o que pode resultar em sérios problemas de interferência na etapa da medição do analito. A destilação de Willard e Winter, além de ser uma técnica morosa, cuidado deve ser tomado em relação à temperatura de destilação, pois a solução ácida usada no processo pode projetar quando próximo da temperatura de ebulição. Neste caso, além de problemas de segurança com o operador, poderão ocorrer perdas do analito. Desta forma, a piroidrólise pode representar uma alternativa viável frente às limitações dessas técnicas, permitindo a liberação quantitativa do analito da amostra e a separação dos interferentes de uma maneira rápida e relativamente livre de perdas e/ou contaminações. A piroidrólise, além das diversas aplicações reportadas na literatura, é empregada por laboratórios de certificação de materiais, o que, de certa forma, demonstra a confiabilidade da técnica.


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Resumidamente, a piroidrólise é uma técnica de decomposição de amostra relativamente simples de ser implementada e, na maioria dos casos, leva a resultados com boa exatidão e precisão. Assim, esta técnica pode ser uma alternativa de baixo custo para laboratórios que necessitam determinar halogênios, boro e enxofre, principalmente em amostras de difícil decomposição por outras técnicas comumente empregadas. Além disso, é importante salientar que a piroidrólise é bastante versátil em relação à quantidade de amostra a ser processada, sendo empregadas quantidades que vão de alguns miligramas até cerca de 500 mg. A quantidade de amostra utilizada dependerá da concentração do analito e das dimensões do reator. Também, é uma técnica bastante segura para ser manipulada, uma vez que só é usado um gerador de vapor d’água, cujo volume pode ser pequeno, e um forno ou chama para aquecimento do reator. Portanto, não riscos quanto à exposição a reagentes tóxicos ou corrosivos, radiações ou frascos com pressões elevadas. Portanto, o principal cuidado que deve ser tomado é com relação à temperatura do reator e do gerador de vapor. Na Tabela 5.4 são mostrados alguns dos principais trabalhos envolvendo a piroidrólise como método de decomposição de materiais diversos para a determinação de fluoreto, cloro, bromo, iodo, boro e enxofre.


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Tabela 5.4. Trabalhos envolvendo a piroidrólise para a decomposição de amostras e determinação de não-metais. Analito -

Acelerador

-

F , Cl , Br

-

U3O8, Al2O3

Ref.

Diversos sais inorgânicos

F-, Cl-

V2O5

S F-, Cl-

V2O5 Amostras diversas V2O5 Silicatos

-

8

Aluminosilicatos

11 16

19

F-

-

Compostos orgânicos voláteis

20, 21

F

-

-

Materiais radioativos

22

F

-

-

UO2F2, UF4

23

F-

WO 3, U3O8

ThF4, AlF3, ZrF4, UO2F2, UF4, NpF4

24

F

-

Cr2O3, U3O8

F

-

Al2O3

F

-

WO 3

F

-

WO 3, SiO2, V2O5

-

-

F

-

F

-

V2O5

F , Cl

25

Criolita e materiais similares

26

Materiais diversos

27

Carvão e minerais diversos

28

-

WO 3/SiO2/KH2PO4

Amostras geológicas Carvão

29 30, 31

Solo

32

Amostras geológicas e biológicas Amostras geológicas

33 34

-

U3O8

Vidro

35

-

-

Carvão

36

Cl F

V2O5 SiO2 SiO2

-

Terras raras

-

F , Cl , Br , I F-

-

V2O5

B

V2O5/CuO

Aço e outras ligas

38

B

-

Aço e outras ligas

39

I

B B -

-

-

F , Cl , Br , I , S Cl-

Amostras geológicas

U3O8 Vidro Al2O3 Aço

F-, Cl-, S -

Amostra

40 41

V2O5


V2O5


V2O5 Ligas

37

42 43 44


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Referências Bibliográficas do item 5.4

1. SULCEK, Z.; POVONDRA, P. Methods of decomposition in inorganic analysis . Boca Raton: CRC Press, 1989. 325 p. 2. FREMY, A. Ann. Chem. Phys. v.47, p. 17, 1856. Apud HOEL, D.C.; FANALE, D.T.; CLARK, R.O. Pyrohydrolytic separation of fluorides from catalysts by use of an oxyhydrogen burner. Analytia Chimica Acta, Amsterdam, v.23, p.83-88, 1960. 3. HEMPEL, W.; Ber. Deut. Chem. Ges., v.23, p. 3388, 1890. Apud BOCK, R. A Handbook of Sample Decomposition Methods in Analytical Chemistry . Glasgow: International Textbook, 1979. 444 p. 4. PRIDEAUX, E. B. R.; ROPER E. C. Journal of Chemical Society, p. 898, 1926. Apud BOCK, R. A Handbook of Sample Decomposition Methods in Analytical Chemistry. Glasgow: International Textbook, 1979. 444 p. 5. DOMANGE, L. Ann. Chim., v.7, p. 225, 1937. Apud WARF, J. C.; CLINE, W. D.; TEVEBAUGH, R. D. Pyrohydrolysis in the determination of fluoride and other halides. Analytical Chemistry, Washington, v.26, n.2, p. 342-346, 1954. 6. DOMANGE, L.; WOHLHUTER, M.; Compt. Rend., v.228, p. 1591, 1949. Apud WARF, J. C.; CLINE, W. D.; TEVEBAUGH, R. H. Pyrohydrolysis in the determination of fluoride and other halides. Analytical Chemistry, Washington, v.26, n.2, p. 342-346, 1954. 7. WARF, J. C. Analytical Chemistry of the Manhattan Project, National Nuclear Energy Series, first Ed., Division VIII, v. 1, New York: McGraw-Hill, 1950. 729 p. apud WARF, J. C.; CLINE, W. D.; TEVEBAUGH, R.D. Pyrohydrolysis in the determination of fluoride and other halides. Analytical Chemistry, Washington, v.26, n.2, p. 342-346, 1954. 8. WARF, J. C.; CLINE, W. D.; TEVEBAUGH, R.D. Pyrohydrolysis in the determination of fluoride and other halides. Analytical Chemistry, Washington, v.26, n.2, p. 342-346, 1954. 9. NEBESAR, B. High-temperature analytical uses of vanadium(V) oxide. Talanta, Amsterdam, v.25, p. 185-194, 1978. 10. POWEL, R. H.; MENIS, O. Separation of fluoride from inorganic compounds by pyrolisis. Analitical Chemistry, Washington, v.30, p. 1546-1549, 1958. 11. WHITEHEAD, D.; THOMAS, J. E. Use of a nebulizer in pyrohydrolytic decomposition of silicate materials for determination of fluorine and chlorine. Analytical Chemistry, Washington, v.57, p. 2421-2423, 1985. 12. CLEMENTS, R. L.; SERGEANT, G. A.; WEBB, P. J. The determination of fluorine in rocks and minerals by a pyrohydrolytic method. Analyst, Cambridge, v.96, p. 51-54, 1971. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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by

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Piroidrólise

28. DOOLAN, K. J. A pyrohydrolytic method for the determination of low fluorine concentrations in coal and minerals. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v.202, p. 6173, 1987. 29. LANGENAUER, M.; KRÄHENBÜHL, U.; FURRER, V.; WYTTENBACH, A. Determination of fluorine, chlorine, bromine and iodine in 7 geochemical reference samples. Geostandards Newsletter, Vandoeuvre Nancy, v.16, p. 41-44, 1992. 30. MARTINEZ-TARAZONA, M. R.; SUAREZ-FERNANDEZ, G. P.; CARDIN, J. M. Fluorine in asturian coals. Fuel, Oxford, v.73, p. 1209-1213, 1994. 31. GODBEER, W. G.; SWAINE, D. J.; GOODARZI, F. Fluorine in canadian coals. Fuel, Oxford, v.73, p. 1291-1293, 1994. 32. GAIDUCK, O. V.; FILIPPOVICH, L. I. Monitoring the content of fluorine in soil. Industrial Laboratory, New York, v.63, p. 137-138, 1997. 33. DRESSLER, V. L.; POZEBON, D.; FLORES, E. L. M.; PANIZ, J. N. G.; FLORES, E. M. M. Potentiometric determination of fluoride in geological and biological samples following pyrohydrolytic decomposition. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v.466, p. 117-123, 2002. 34. RICE, T. D. Determination of fluorine and chlorine in geological-materials by induction furnace pyrohydrolysis and standard-addition ion-selective electrode measurement. Talanta, Amsterdam, v.35, p. 173-178, 1988. 35. CALDWELL, V. E. Determination of chloride in glass by pyrohydrolysis. Analytical Chemistry, Washington, v.38, p. 1249-1250, 1966. 36. BETTINELLI, M.; SPEZIA, S.; MINOIA, C.; RONCHI, A. Determination of chlorine, fluorine, bromine, and iodine in coals with ICP MS and IC. Atomic Spectroscopy, Norwalk, v.23, p. 105-110, 2002. 37. RAE, J. E.; MALIK, S. A. The determination of iodine in geochemical samples: the use of pyrohydrolytic decomposition. Chemosphere, Oxford, v.33, p. 2121-2128, 1996. 38. HAMNER, R. M.; DE’AETH, L. A. Determination of boron in silicon-bearing alloys, steel, and other alloys by pyrohydrolysis and inductively-coupled argon-plasma spectroscopy. Talanta, Amsterdam, v.27, p. 535-536, 1980. 39. WIEDERKEHR, V. R.; GOWARD, G. W. Separation of boron from alloys and other materials by pyrohydrolysis. Analytical Chemistry, Washington, v.31, p. 2102-2103, 1959.


Piroidrólise

153

40. WILLIAMS, J. P.; CAMPBELL, E. E.; MAGLIOCCA, T. S. Determination of boric oxide in glass by pyrohydrolysis separation.Analytical Chemistry, Washington, v.31, p. 15601563, 1959. 41. CIBA, J.; SMOLEC, B. Determination of boron in steel by an ICP emission spectrometric technique. Fresenius Zeitschrift Fur Analytische Chemie, New York, v.348, p. 215217, 1994. 42. MOORE, C. B.; EVANS, K. L.; TARTER, J. G. Pyrohydrolytic-ion chromatographic determination of fluorine, chlorine, and sulfur in geological samples. Analytical Chemistry, Washington, v.53, p. 925-928, 1981. 43. MICHEL, A.; VILLEMANT, B. Determination of halogens (F, Cl, Br, I), sulfur and water in seventeen geological reference materials. Geostandards Newsletter, Vandoeuvre Nancy, v.27, n.2, p. 163-171, 2003. 44. SHEKHAR, R.; ARUNACHALAM, J.; RAVINDRA, H. R.; GOPALAN, B. Quantitative determination of chlorine by glow discharge quadrupole mass spectrometry in Zr-2.5Nb alloys. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, Cambridge, v.18, n.4, p. 381-384, 2003.


6.

DECOMPOSIÇÃO DE MATERIAIS ORGÂNICOS POR COMBUSTÃO Carlos Emanuel de Carvalho Magalhães – DQ/UFCE Érico Marlon de Moraes Flores – DQ/UFSM Francisco José Krug – CENA/USP Juliano Smanioto Barin – URI-UFSM Márcia Foster Mesko – DQ/UFSM

INTRODUÇÃO A determinação de elementos individuais em amostras de natureza orgânica constitui um grande problema analítico, pois normalmente é necessária a transformação dos elementos de interesse da matriz orgânica em uma forma inorgânica simples. Na maioria dos casos, após a decomposição, os elementos de interesse ficam dissolvidos em uma solução aquosa. Em geral, a amostra srcinal não é adequada para análise direta sem prétratamento, pelas seguintes razões: a) b)

c) d)

e)

f)

o elemento a ser determinado é mantido na forma complexa por ácidos orgânicos ou outros ligantes presentes na amostra; a cor da amostra (soro sanguíneo, ácido húmico em águas naturais, sucos de frutas, vinhos tintos, efluentes industriais, por exemplo) interfere em determinações por espectrometria de absorção molecular e turbidimetria; pode ocorrer a formação de emulsão, espuma ou precipitado durante a análise; o elemento a ser determinado não se encontra no estado dissolvido, o que é um requisito para a maioria das técnicas de determinação (espectrométricas, eletroanalíticas, entre outras); em tecidos biológicos, determinados elementostraço estão presentes em formas químicas diversas; algumas não mostram qualquer sinal durante as medidas, enquanto outras fornecem sinais com diferentes intensidades; a decomposição transforma o analito em uma forma química simples, com uma resposta uniforme; a heterogeneidade é uma propriedade típica de muitos materiais biológicos; a possibilidade de se empregar uma quantidade maior de amostra a qual, após a decomposição, resulta em uma solução homogênea, ajuda a superar este problema.


155

Decomposição de materiais orgânicos por combustão

Pode-se ilustrar isso com um exemplo: considere que se disponha de uma amostra de um plástico contendo certa proporção de poli(cloreto de vinila) (PVC). O problema é determinar o teor de PVC na amostra e, para tal, a determinação de cloreto no plástico seria uma medida indireta de avaliar a concentração de PVC, considerando-se que o PVC seja a única fonte de Cl. A técnica quantitativa mais simples para a determinação de Cl é a gravimetria, onde os íons Cl na solução aquosa são precipitados como AgCl. O PVC apresenta a seguinte estrutura:

 CH2  CH  CH2  CH  CH2  CH  CH2     Cl

Cl

Cl

Percebe-se que os átomos de cloro estão ligados covalentemente à estrutura do polímero. Estes átomos não estão na forma iônica. Mesmo se fosse possível homogeneizar o PVC em uma solução aquosa sem destruí-lo, não haveria a precipitação dos átomos de cloro na presença de íons Ag+. Assim, é preciso liberar os átomos de cloro do PVC em íons Cl- em solução aquosa. Isto pode ser feito através de um tratamento adequado da amostra, onde as determinações podem ser feitas sem maiores problemas. Analogamente, essa idéia é válida para qualquer elemento presente em matrizes de natureza orgânica. A maioria dos elementos, principalmente em solução aquosa, pode ser determinada por várias técnicas. A Tabela 6.1. mostra exemplos típicos de alguns elementos que são liberados da matriz orgânica acompanhados de suas respectivas formas inorgânicas. Tabela 6.1. Exemplos de formas e estados apropriados de alguns elementos com os possíveis métodos para as suas determinações. Elemento

Forma Inorgânica

C

CO2

H

H2O

N Br S P Pb Cu Fe

N2

Estado Gás

Absorção e pesagem Vapor

Gás

Br- Solução aquosa SO42- Solução aquosa PO43Solução aquosa Pb2+ Cu2+ 2+ Fe e Fe3+

Técnica ou Método de Determinação

Solução aquosa Solução aquosa Solução aquosa

Absorção e pesagem Medida do volume Gravimetria Gravimetria Espectrometria de Absorção molecular Espectrometria de absorção atômica Espectrometria de absorção atômica Espectrometria de absorção molecular


156


Compreendendo-se a necessidade de converter os elementos da matriz orgânica em uma forma inorgânica, a etapa seguinte é avaliar como isso pode ser feito. De alguma forma, as técnicas com destruição completa da matriz orgânica mantêm certo relacionamento com as técnicas convencionais de dissolução, onde decomposições químicas drásticas são comuns, levando à destruição completa da matriz. Freqüentemente ocorre a oxidação da matriz, convertendo-se carbono em CO 2, hidrogênio em H2O, nitrogênio ou óxidos de nitrogênio em N 2. Os outros elementos permanecem em formas inorgânicas convenientes para análise. A maioria dos métodos de decomposição que serão aqui considerados envolve reações de oxidação. Entretanto, para a determinação de não metais existem apenas algumas técnicas envolvendo reações de redução; ocasionalmente, alguns metais, que podem ser associados com espécies orgânicas em um estado iônico, como sais ou complexos, podem ser separados por um tratamento com ácido. Deve-se notar que existem técnicas disponíveis para a determinação de elementos individuais em uma matriz orgânica sem a necessidade de conversão preliminar em uma forma inorgânica, tais como análise por ativação neutrônica, análise direta de sólidos por espectrometria de absorção atômica e espectrometria de fluorescência de raios-X. Estas técnicas são altamente especializadas, mas não são encontradas na maioria dos laboratórios analíticos. Neste capítulo, serão consideradas as seguintes técnicas de decomposição, as quais são de natureza oxidativa e que foram subdivididas em dois itens principais: a) tubo de combustão (principalmente para determinações de C, H e N); b) via seca em fornos tipo mufla (de aplicação geral); c) frasco de combustão de Schöniger (de aplicação geral); d) bomba de combustão (de aplicação geral); e) via seca em baixas temperaturas com plasma de oxigênio (especialmente para espécies voláteis); f) combustão em sistema dinâmico (especialmente para amostras orgânicas não voláteis); g) sistema de combustão de Wickbold (de aplicação geral, mas especialmente desenvolvida para halogênios)


157


6.1. TUBO DE COMBUSTÃO

A técnica do tubo de combustão tem sido usada nos últimos cem anos para determinações de rotina de carbono, hidrogênio, oxigênio, enxofre e halogênios em compostos orgânicos. A análise elementar (em especial para C, H e N) é uma técnica que tem sido muito usada por químicos orgânicos para a caracterização de compostos obtidos em sínteses. Atualmente, a grande maioria dos laboratórios, que utilizam esta técnica em análises de rotina, empregam analisadores automatizados. A técnica do tubo de combustão baseia-se na oxidação completa de cerca de 500 mg de amostra, convertendo-se os elementos a serem determinados em uma forma gasosa ou volátil. Isso é realizado dentro de um tubo através do qual passa um gás, de tal maneira que os produtos voláteis da oxidação sejam levados até dispositivos para coleta e posterior análise. A Figura 6.1 mostra um aparelho simples para a determinação de carbono e hidrogênio em compostos orgânicos.

Forno 1

22

33

44

5

6

7 O2

Figura 6.1. Aparelho com tubo de combustão para determinação de carbono e hidrogênio (adaptado de Anderson, 1991).1 Recipiente de porcelana para amostra. Tubo contendo catalisador de platina.  Tubo preenchido com CuO.  Tubo contendo mistura de PbO2 e PbCrO 4 + Ag.  Tubo contendo um material dessecante.  Tubo contendo ascarita.  Tubo de proteção contendo dessecante e ascarita.  


158


A seguir estão descritos os processos que ocorrem no aparelho mostrado na Figura 6.1: a) A amostra, previamente pesada, é colocada em um recipiente de porcelana, que é aquecida a temperaturas elevadas por meio de um forno. b) Uma corrente de oxigênio (ou ar purificado, livre de CO2 e vapor de H2O) flui sobre a amostra. c) A amostra é queimada (ou pirolisada) e os produtos da oxidação (ou da pirólise) são carreados pelo oxigênio para o catalisador de platina cuja função é facilitar a oxidação da amostra. Considera-se que a amostra seja completamente vaporizada por este processo. d) Em seguida, os produtos da oxidação passam sobre uma fina camada de CuO aquecido para completar a oxidação. Considera-se que, após essa etapa, a oxidação seja completa e que todo o carbono e hidrogênio da amostra tenham sido convertidos a CO2 e H2O, respectivamente. e) Os gases passam, então, sobre uma mistura quente de PbO2 (para reter os óxidos de nitrogênio) mais PbCrO4 e Ag (para reter os compostos sulfurosos e halogenados).

f)

g)

Estas espécies voláteis, caso não sejam removidas, podem interferir nas determinações de carbono e hidrogênio. Nessa etapa, os gases (O2, CO 2 do carbono e H2O do hidrogênio na amostra) deixam o tubo de combustão e passam através de dois tubos absorvedores previamente pesados. O primeiro tubo contém dessecante que absorve quantitativamente H2O. O segundo tubo contém ascarita (uma mistura apropriada de KOH e asbesto) mais um dessecante extra para absorver o CO2 (a presença do dessecante faz-se necessária porque H2O é desprendida quando ascarita absorve o CO 2). Finalmente, o oxigênio passa através de um tubo de proteção contendo dessecante e ascarita para impedir a interferência de H 2O e CO2 da atmosfera na análise.

Esta técnica clássica do tubo de combustão pode ser modificada para determinar outros elementos, como nitrogênio, oxigênio, enxofre e halogênios.


159


Nitrogênio

A amostra, previamente pesada, é misturada com CuO em pó e colocada no recipiente de porcelana. Uma corrente de CO2 flui sobre o recipiente e a amostra é aquecida. O carbono é oxidado a CO 2, hidrogênio a H2O e o nitrogênio a N 2 (mais alguns óxidos de nitrogênio). O oxidante é o CuO. Os gases são arrastados de encontro a cobre metálico em limalhas, o qual reduz todos os óxidos de nitrogênio a N2. Os gases são, então, borbulhados em uma solução concentrada que absorve o excesso de CO2, vapor de H2O e quaisquer outros produtos gasosos, exceto o N2, o qual é coletado em uma bureta de gás, que é um dispositivo que mede o volume do gás produzido nas condições padrão de temperatura e pressão. No caso, a medida analítica é justamente o volume de N2 produzido. É interessante observar que o CO2 é usado somente como gás de arraste sendo, posteriormente, absorvido na solução de KOH juntamente com outros gases. O N 2 deve ser o único gás saindo do tubo de combustão e, por isso, o O2 que não é retido na solução de KOH não é usado como oxidante. Oxigênio

Quando for necessário determinar oxigênio pela técnica do tubo de combustão, a amostra deve ser submetida a uma reação de redução, e não de oxidação, pois é o oxigênio que se deseja determinar. A idéia é misturar a amostra com carbono em pó (agente redutor) e aquecer a mistura em um recipiente de porcelana sob um fluxo de H2. O oxigênio é convertido a CO, o qual passa sobre I2O5 sólido, ocorrendo a seguinte reação: 5 CO(g) + I2 O5 (s)



5 CO2 (g) + I2 (g)

O I2 gasoso é absorvido em uma solução adequada e titulado. Pode-se utilizar solução de KI, onde o íon triiodeto é formado e, posteriormente, titulado com solução de Na2S2O3 (tiossulfato de sódio). Enxofre

A amostra é oxidada em uma corrente de oxigênio sobre um catalisador de platina aquecido ao rubro. SO3 + H2O



H2SO4

SO2 + H2O2



H2SO4

Assim, todo o enxofre é convertido em H 2SO4 o qual pode ser titulado com álcali padrão ou determinado gravimetricamente como BaSO4.


160


Halogênios (exceto flúor)

Do mesmo modo que para a determinação de enxofre, a amostra também é oxidada em uma corrente de oxigênio sobre um catalisador de platina aquecido ao rubro. Os halogênios são convertidos em uma mistura dos elementos livres e dos haletos de hidrogênio correspondentes (pode ocorrer, também, pequena formação de oxihaletos). Os gases são borbulhados em uma solução de Na2SO3 para absorver os produtos de combustão e reduzir todos os halogênios e oxihaletos em haletos, os quais podem ser determinados por técnicas apropriadas (p. ex., gravimetricamente como haleto de prata). Finalmente, convém comentar que, atualmente, existem analisadores automatizados para a determinação de C, H e N, nos quais as análises podem ser concluídas em cerca de 15 minutos, sem a necessidade de intervenção do operador.



161

6.2. DECOMPOSIÇÃO EM FORNO TIPO MUFLA 6.2.1. INTRODUÇÃO Esta é, provavelmente, a técnica mais simples empregada para a decomposição de amostras biológicas e orgânicas. Baseia-se na queima da fração orgânica da amostra com o oxigênio do ar, obtendo-se um resíduo inorgânico na forma de cinza solúvel em ácido diluído. A amostra é colocada em um cadinho (quartzo, porcelana, etc.) e aquecida em atmosfera ambiente (o uso da tampa do cadinho impede que a amostra ou parte da mesma seja perdida) até que todo o material orgânico seja queimado, resultando apenas em um resíduo inorgânico não volátil. O oxigênio na atmosfera atua como agente oxidante e o resíduo proveniente da queima consiste de óxidos de metais, assim como sulfatos não voláteis, fosfatos, silicatos e outros mais. Apesar desta técnica ser relativamente simples, há sérias limitações uma vez que alguns elementos podem ser convertidos em uma forma volátil e perdidos parcial ou completamente. Essas perdas por volatilização tornam-se mais severas quanto mais alta for a temperatura usada para a decomposição (Tabela 6.2). Entretanto, se não for usada uma temperatura suficientemente alta, a amostra não será decomposta por completo, dando srcem a resultados não exatos. A Tabela 6.3 resume as perdas por volatilização na via seca aberta em diferentes temperaturas. O procedimento de decomposição deve ser conduzido em um forno tipo mufla ajustando-se a temperatura a um valor suficientemente alto para decompor a amostra em um tempo razoável, sem que ocorra perda do analito na forma de espécies inorgânicas voláteis. A temperatura conveniente para a pirólise da matéria orgânica encontra-se, freqüentemente, entre 450 e 550 °C.


162


Tabela 6.2. Perdas de elementos durante a decomposição de materiais orgânicos por via seca à pressão atmosférica (Iyengar e Sansoni,1982). 2 Elemento

Matriz

Temperatura (ºC)

Ag

fígado de animal rim de animal

450 450

? ?

<5 <20

Al

fígado de animal

450

?

16

rim de animal sangue de boi (seco) sangue de boi (seco) sangue de boi (seco)

450 850 550 450

? 16 16 16

12 35 29 28

Ba

rim de animal

450

?

4

Ca

tecido nervoso humano tecido nervoso humano tecido nervoso humano

420 600 710

16 16 16

<1 <1 <1

Cd

fígado de animal fígado de rato fígado de rato

450 600 500

? 16 16

<0,7 1,6 2

rim de rato molusco molusco

500 450 800

16 ? ?

4,4 26 22

açúcar refinado açúcar não refinado melaço açúcar refinado açúcar-demerara açúcar não refinado melaço fígado de rato fígado de rato sangue de rato sangue de rato rim de animal fígado de animal rim de animal fígado de rato

450 450 450 450 450 450 450 700 500 700 500 450 450 450 500

As

Co Cr

Cr

Cu Fe

Tempo (h)

? ? ? ? ? ? ? 16 16 16 16 ? ? ? 16


% perdas

0 47 52 63 62 86 89 2,2 6,1 51,3 4 0,4 0,2 0,1 0

163


Tabela 6.2. (cont.) Elemento

Matriz

Temperatura (ºC)

Fe Hg K

sangue de rato peixe (inteiro) tecido nervoso humano tecido nervoso humano

500 110 420 600

16 24 16 16

0,4 81,4 <1 55

Mn

tecido nervoso humano Molusco metabolizado

710 450

16 ?

90 15

Mo

molusco metabolizado rim de animal

800 450

? ?

21 <1,5

fígado de animal tecido nervoso humano tecido nervoso humano tecido nervoso humano

450 420 600 710

? 16 16 16

<0,4 <3 10 20

Na

Tempo (h)

% perdas

Ni

Rim de animal

450

?

<15

Pb

fígado de animal tecido nervoso humano

450 600

? 16

3 <5

tecido nervoso humano rim de animal fígado de animal

710 450 450

16 ? ?

40 <0,3 <11

rim de animal fígado de animal

450 450

? ?

<0,5 <2,5

sangue de boi ossos de rato sangue de rato

450 450 450

16 16 16

9 <0,5 16

rim de rato

450

16

5

molusco

450

?

33

molusco

800

?

44

alga marinha mexilhão

1000 500

16 16

0 0

Sn Sr

Zn

mexilhão

1000

16

0

sangue de boi

850

16

0

sangue de rato

700

16

1

rim de animal

450

?

<1

fígado de rato

700

16

1,1


164


Em vista dos problemas de perdas por volatilização, a decomposição por via seca em cadinho é aplicável somente para elementos metálicos, visto que a maioria dos não metais é oxidada a produtos voláteis. É conveniente recordar que o método do tubo de combustão foi usado para não metais sendo necessária a completa volatilização dos elementos. Logo, sob esta ótica, as duas técnicas são complementares: o método do tubo de combustão para não metais com derivados voláteis e a decomposição por via seca em sistema aberto para a maioria dos metais resultando na formação de constituintes não voláteis. Entre os elementos que são propensos às perdas por volatilização estão os F, Cl, Br, I, S, Se, P, As, Sb, Ge, Tl e Hg. Tabela 6.3. Perdas por volatilização por via seca em diferentes temperaturas (Bock,1979).3 Elemento

400 oC

Al As B Ca Cd Co Cr

+++ +++ ++ 0 +; +++ 0

Cu Fe Hg K Mg Mn Mo Na Ni Pb Sb Zn

0 +++ ++; +++ +++ 0 0 ++ 0 +++ 0

450 oC

500 oC

550 oC

0 +++

0; + 0; +++

+++

0 0 0; +++ 0

0 ++ 0; +++ 0

0; ++++

++ 0; +++ +++ +; +++ 0 0; + 0; +++ 0 0; + 0; +++ ++ 0; +++

0 0 0; +++ 0; ++ 0 0; + 0; ++

600 oC

700 oC +++

0

0

0

0 0

0; +++ +++

0; +++ ++

0; +++ +++ 0; +

0; +

0 0 ++ 0 0; + + 0; +++

0

++ 0; +++ +++ ++; +++ 0; + 0; ++ ++ ++

+

0 0; + 0; +

0; +++ +++ 0; +++

0

nenhuma perda

++

6 a 20 % de perda

+

2 a 5 % de perda

+++

> 20%

Às vezes um elemento é mais propenso à perda por volatilização se determinadas espécies estiverem presentes na matriz da amostra. O íon cloreto (do sal adicionado às amostras de alimentos, p.ex.) pode reagir com metais produzindo cloretos voláteis. O chumbo e o cádmio são facilmente perdidos desta maneira como PbCl2 e CdCl2 voláteis. Outra fonte de erro é que a amostra pode reagir com o material do cadinho. A extensão desta perda depende da temperatura, do material do cadinho e da composição da © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


165

amostra. Se o cadinho for de porcelana ou sílica, o elemento pode reagir e ficar aderido nas paredes do recipiente, sendo perdido neste tipo de pré-tratamento. Silicatos, fosfatos e óxidos combinam-se facilmente com o esmalte dos cadinhos de porcelana, e por esta razão é preferível trabalhar com cadinhos de quartzo ou de platina. Entretanto, apesar destes problemas potenciais, a decomposição por via seca é usada em muitas análises devido a sua simplicidade. Em muitos procedimentos, nenhum reagente é utilizado, exceto o O2 do ar, minimizando os riscos de contaminação se o ar for de boa qualidade.

6.2.2 DECOMPOSIÇÃO ASSISTIDA COM ADITIVOS. Em muitos casos os procedimentos de decomposição são mais eficientes quando alguns aditivos são misturados à amostra antes de ser decomposta. Decomposições por via seca quando acompanhadas por outros reagentes, além do oxigênio do ar, servem para vários propósitos: a) acelerar a oxidação; b) prevenir a volatilização de certos componentes das cinzas; c) prevenir reações entre os componentes da cinza e o material do cadinho. Os aditivos mais comuns são oxidantes, tais como ácido nítrico ou um nitrato, este último sendo adicionado como solução concentrada em água (ou em metanol ou etanol, quando nitrato de magnésio for adicionado para assistir a oxidação de substâncias gordurosas). A amostra é, então, seca antes de ser transferida ao forno para decomposição. Além de assistir a oxidação, a adição de nitrato ajuda a desprender as cinzas durante o processo de combustão. O ácido nítrico também pode ser adicionado no início do procedimento de decomposição, mas é mais habitual fazer a combustão da amostra que já foi decomposta parcialmente com ácido, tornando a pirólise da matéria orgânica mais rápida. O ácido nítrico não deve ser empregado quando traços de estanho forem determinados em materiais biológicos, pois o ácido estânico resultante tende a reagir com os cadinhos de sílica. A perda por volatilização também pode ser evitada, em alguns casos, pela adição de ácido sulfúrico: os cloretos relativamente voláteis, tais como PbCl2, CdCl2 e NaCl, são convertidos em sulfatos não voláteis, e alguns complexos organometálicos voláteis são destruídos, como os compostos de vanádio-porfirina. As perdas de ânions, por outro lado, tais como as de cloretos, e ânions contendo arsênio, fósforo e boro, podem ser evitadas pela adição de várias bases, geralmente óxidos © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

166


e hidróxidos de metais alcalinos ou alcalino-terrosos, carbonatos de metais alcalinos, nitrato de metais alcalino-terrosos e acetato de magnésio. Nas técnicas espectrométricas, que empregam atomização e vaporização eletrotérmica, é comum a adição de uma espécie química para aumentar a estabilidade térmica do analito durante a etapa de pirólise. Neste caso, o aditivo é denominado modificador químico, sendo muito comum o uso de uma solução contendo paládio e magnésio. A Tabela 6.4 resume, de um modo geral, as principais vantagens e desvantagens dos métodos de decomposição por via seca em sistemas abertos. Tabela 6.4. Vantagens e desvantagens da via seca em sistemas abertos Vantagens

• relação entre massa de amostra e volume final muito flexível

Desvantagens

• perdas de elementos por volatilização

• requer pouca atenção do operador

• perdas de amostra como aerosol sólido

• não requer ácidos concentrados

• perdas de amostra como espuma

• não requer capelas especiais

• alto risco de contaminação

em meio compatível com método • algumas cinzas são de difícil dissolução • digerido de determinação

Em síntese, a decomposição por via seca em mufla é um dos procedimentos mais simples para o preparo de amostras, onde a decomposição das amostras orgânicas ocorre através da combustão e/ou pirólise em uma mufla, normalmente com temperaturas entre 4 450 °C e 550 °C. O equipamento empregado é simples e barato, empregando-se materiais como béqueres, cadinhos de porcelana, quartzo, platina e zircônio. Grandes quantidades (>10 g) de amostra podem ser decompostas, necessitando pouca atenção do analista durante o processo, particularmente em muflas com rampas de aquecimento. Existem muflas com capacidade de grande número de cadinhos, propiciando uma grande freqüência analítica. A diluição da amostra pode ser pequena, uma vez que o resíduo pode ser reconstituído em um pequeno volume de um ácido mineral (HCl ou HNO3), normalmente diluídos. Os teores de matéria orgânica residual normalmente encontrados são extremamente baixos (<0,1%, m/m). Apesar de existirem resultados contraditórios na literatura, a perda de elementos por volatilização pode ser significativa. Mercúrio é volátil em grande parte de suas formas © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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químicas, o mesmo ocorrendo com As, Sb, Sn, Ge, Se, porém, em menor proporção. Além disso, Cd, Pb, Zn e Co são voláteis como cloretos ou brometos em temperaturas elevadas. 5 Para solucionar o problema, podem ser utilizados modificadores químicos, tais como nitratos e sulfatos, produzindo sulfatos e/ou nitratos dos elementos de interesse menos voláteis ou, ainda, eliminando os cloretos como NOCl ou HCl. Porém, se ácido nítrico e/ou ácido sulfúrico ou alguns nitratos e sulfatos forem introduzidos no sistema, a possibilidade de contaminação aumenta se os ácidos não forem de alta pureza. Perdas também podem ocorrer através da retenção dos elementos no recipiente de decomposição. Além disso, muitas vezes pode ocorrer a formação de fosfatos e silicatos. Os silicatos podem ser formados por reação de óxidos de alguns elementos com vidro ou quartzo. Cadinhos de platina podem formar ligas com metais nobres. Outro problema que pode ser encontrado é que se o aumento da temperatura for feito muito rapidamente (>50 °C -1h), pode haver perdas da amostra por projeção ou ignição. 6 Por se tratar de um sistema de decomposição aberto, existe a possibilidade de contaminação pelo ar atmosférico. Apesar de boas recuperações serem encontradas na literatura para vários elementos, os procedimentos envolvendo decomposição por via seca em mufla não são facilmente aplicáveis para a determinação posterior de elementos voláteis, tais como Hg, As e Se. Além do mais, como resultado dos possíveis erros sistemáticos relacionados ao procedimento, tem sido recomendado por programas de qualidade minimizar a utilização de procedimentos de decomposição baseados na decomposição por via seca em mufla em certificações dos materiais de referência, tendo em vista que este procedimento ainda permanece entre os métodos oficiais nos países nórdicos. Conseqüentemente, o uso de procedimentos de decomposição por via úmida aparece ainda, como determinantes em processos de certificação.4 Alguns problemas como contaminação e dificuldades associadas ao lento aquecimento de sistemas tradicionais de decomposição por via seca, como as muflas, podem ser resolvidos. Atualmente estão disponíveis no mercado muflas com sistema de aquecimento realizado através da irradiação de microondas, onde carbeto de silício ou grafite são empregados, por apresentarem altíssima capacidade de absorção de microondas com uma elevada taxa de aquecimento. Além disso, neste sistema evita-se o ambiente inadequado de certos sistemas tradicionais, minimizando a contaminação.7


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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DO ITEM 6.2 1. R. ANDERSON. Sample Pretreatment and Separation. Analytical Chemistry by Open Learning. Chichester: John Wiley, 1991. 632p. 2. G. V. IYENGAR, B. SANSONI. Sample Preparation of Biological Material for Trace Element Analysis. Vienna: International Atomic Energy Agency, 1980, 255p. 3. R. BOCK. A Handbook of Decomposition Methods in Analytical Chemistry. Glasgow: International Textbook, 1979, 444p. 4. HOENIG, M., BAETEN, H., VANHENTENRIJK, S., VASSILEVA, E., QUEVAUVILLER, PH. Critical discussion on the need for an efficient mineralization procedure for the analysis of plant material by atomic spectrometric methods. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v.358, n.1, p. 85-94, 1998. 5. IYENGAR, G.V., SUBRAMANIAN, K.S., WOITTIEZ, J.R.W. Element Analysis of Biological Samples – Principles and Pratice. New York: CRC Press, Boca Raton, 1997. 6. JORHEM, L. Dry ashing, sources of error, and performance evaluation in AAS. Mikrochimica Acta, Vienna, v.119, n.3-4, p. 211-218, 1995. 7. CEM Corporation, Innovators in microwave technology, http://www.cem.com/pages/arwv.htm, acessada em 20/03/2006.



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6.3 DECOMPOSIÇÃO EM BAIXAS TEMPERATURAS Conforme já foi comentado, as duas principais causas de erros sistemáticos na decomposição de amostras orgânicas por via seca em sistemas abertos são as perdas por volatilização e as perdas do analito pela reação com o cadinho. Ambas as causas de erro tornar-se-iam muito menos severas se as decomposições por via seca pudessem ser feitas em temperaturas inferiores a 500 °C, ou somente na temperatura necessária para oxidar completamente a matriz orgânica1. É possível decompor amostras em baixas temperaturas, utilizando-se o poder oxidante de um plasma contendo radicais oxigênio e oxigênio excitado. O plasma é produzido em um sistema à baixa pressão de oxigênio aplicando-se um campo elétrico de alta freqüência (usualmente indutivamente acoplado) ou radiação microondas. A amostra fica situada no interior de um sistema, onde as espécies não reativas de oxigênio e ozônio são retiradas através da sucção realizada por uma bomba de vácuo. Para evitar a perda de elementos voláteis utiliza-se um sistema de resfriamento com circulação de água. O calor produzido é proveniente das reações de oxidação exotérmicas sendo que, normalmente, não ultrapassa 150 °C, sendo a técnica, portanto, chamada de decomposição à baixa temperatura. Uma característica importante é que, como a reação ocorre entre um sólido e um gás, a decomposição depende do contato da amostra com o plasma e, portanto, a área superficial da amostra é um parâmetro relevante. Assim, por exemplo, quando uma corrente de oxigênio puro a uma baixa pressão, na faixa de 1 a 5 torr, passa através de um campo elétrico de alta freqüência, o oxigênio converte-se em “oxigênio excitado”, ou um plasma de oxigênio. Este plasma consiste de uma mistura de átomos, íons e de moléculas de oxigênio nos estados fundamental e excitado, com um tempo de vida de aproximadamente 1 s, e apresenta altíssima reatividade. Após esse tempo, o “oxigênio excitado” é reconvertido ao seu estado molecular normal (O 2). Existem dois sistemas de decomposição à baixa temperatura com oxigênio excitado disponíveis no mercado. O sistema da Figura 6.3 é conhecido como LTA (do inglês “Low Temperature Asher”), e emprega freqüência de 13,5 MHz e potência de até 300 W. Algumas versões mais recentes utilizam microondas com freqüência de 2450 MHz e potência de até 200 W para criar o plasma.


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Figura. 6.2. Sistema de decomposição a baixa temperatura com oxigênio excitado Neste equipamento, um fluxo de O 2 é admitido em um tubo de sílica a baixa pressão (1 a 5 torr). Ao redor do tubo fixa-se uma bobina feita com um fio de metal, através do qual passa uma corrente elétrica alternada No campo eletromagnético de radiofreqüência gerado, o oxigênio molecular é convertido em um plasma muito reativo contendo átomos de oxigênio excitado, radicais livres, íons e elétrons livres. O plasma envolve então as partículas da amostra moída permitindo a sua decomposição sem nenhuma fonte externa de calor. A amostra é oxidada em temperaturas que raramente excedem 200 ºC e que geralmente são menores que 150 ºC. A amostra é posicionada bem próxima ao campo de alta freqüência face ao tempo de existência do oxigênio excitado ser de apenas 1 s. Os produtos voláteis da combustão e o excesso de oxigênio são purgados em direção a um módulo de exaustão. Um outro sistema de decomposição de amostras à baixa temperatura com oxigênio excitado, desenvolvido por Knapp et al.2 e denominado CPA (do inglês “Cool Plasma Asher”), é mostrado nas Figuras 6.3 e 6.4, sendo construído de quartzo e contendo uma barra magnética (quando necessário) para agitação da amostra, para constante renovação da camada de sólido em contato com o plasma. O plasma é gerado por indução usando-se um gerador de 27,12 MHz e potência de 20 a 40 W. Até 1 g de amostra pode ser decomposta empregando-se uma vazão de oxigênio de 4 l h-1, sendo que a amostra, não contendo mais que 10% de teor de água, deve ser previamente pulverizada. Após a decomposição, coloca-se um condensador na parte superior do sistema e põe-se em refluxo com cerca de 2 ml de um ácido apropriado. Desta maneira, alguns elementos que fiquem adsorvidos nas paredes podem ser solubilizados no meio ácido.


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Figura. 6.3. Sistema de decomposição com plasma de oxigênio (CPA). 2

3

Figura. 6.4. Seqüência de operações com o CPA (conforme Knapp, 1998.) Os constituintes não voláteis permanecem no resíduo e podem ser, então, determinados. A temperatura durante a decomposição depende amplamente da potência elétrica, da pressão do oxigênio e da natureza da amostra. Alguns exemplos são mostrados na Tabela 6.5.


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Tabela 6.5. Temperaturas durante a decomposição com plasma de oxigênio a 1 torr. Material Papel de filtro Resina sintética, polímero de espuma Tecido animal Plantas Grafite PTFE

Temperatura (ºC) 120 150 160 150 130 190

Em virtude das baixas temperaturas, as perdas por volatilização e as interações com os frascos de reação são sensivelmente diminuídas. Alguns elementos como As, Cd, Sb, Pb, B e Ge são apenas alguns exemplos de elementos que podem ser submetidos a este método de decomposição sem perdas significantes. Entretanto, halogênios, mercúrio e enxofre são perdidos durante a queima da amostra. O motivo das perdas de outros elementos como Ag, Au, P, Si e Re ainda não é bem compreendido, mas é possível que estes elementos sejam conduzidos para fora do frasco de decomposição como material particulado. Outra importante vantagem, em comum com os métodos de combustão simples, é que nenhuma contaminação por elementos metálicos é esperada. Devido às temperaturas não serem muito altas, as chances de reação entre o resíduo e o recipiente são bastante atenuadas, e as recuperações obtidas são bem melhores em comparação aos métodos que empregam temperaturas elevadas. Uma séria desvantagem é que a baixa pressão do oxigênio implica em uma velocidade de combustão muito lenta, levando-se horas ou até dias para a decomposição de um grama de amostra. O tempo depende do tamanho das partículas, das condições e da natureza da substância. Além disso, é difícil decompor materiais com altos teores de cinzas. O oxigênio excitado não consegue atingir o centro da amostra, a não ser que se agite mecanicamente a mesma ou se interrompa periodicamente o processo para quebrar as cinzas com um bastão de platina. Deve-se também ter um cuidado especial com mudanças súbitas na pressão, pois quando isso ocorre parte da amostra é perdida como material particulado. De qualquer forma, deve-se ressaltar que a técnica de decomposição em baixa temperatura com oxigênio excitado apresenta destaques, tais como a utilização de pequenas quantidades de reagentes e, conseqüentemente, menor contaminação, pequena diluição da amostra (uma vez que 2 g da amostra podem ser reconstituídos em 1 ou 2 ml de ácido) e a decomposição de materiais de difícil preparo tais como grafite e PTFE. Finalmente, o sistema é bastante seguro, já que opera à baixa temperatura e aberto, evitando-se, assim, o risco de explosões. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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Revisão de algumas aplicações O tempo necessário para a decomposição de 250 mg de tecidos biológicos seguida da determinação de bismuto por espectrometria de absorção atômica com atomização eletrotérmica (ET AAS) foi realizada por Djudzman, Eeckhout e Moerloose 4. Os autores encontraram 15 horas com sendo o tempo ideal para a destruição da matéria orgânica e a obtenção de boas recuperações. Carter e Yeoman5 utilizaram uma mistura de oxigênio e tetrafluoreto de carbono para aumentar a velocidade da decomposição de amostras de sangue. Os autores colocaram 10

µl de sangue juntamente com 50 µl de água em um copo de níquel (clássico copo de Delves), secaram em chapa de aquecimento por 2 minutos a 110 °C e, finalmente, introduziam o copo no sistema. O tempo necessário para destruição da matéria orgânica depende da mistura utilizada na geração do plasma, sendo necessários cerca de 12 min para uma mistura 1+1 de oxigênio e tetrafluoreto de carbono. Em 1982, Williams 6 substituiu o tetrafluoreto de carbono por politetrafluoretileno (PTFE) como fonte de flúor e como recipiente para a amostra, obtendo menor interação da amostra com o recipiente. O autor comenta que apesar dos bons resultados obtidos para a determinação de Sn, Fe, Pb e Cr em alimentos, pode ocorrer a formação de fluoretos voláteis, por exemplo, com B, P, S, Si, Ti, U e W. A especiação de constituintes inorgânicos em carvão por vários métodos analíticos foi realizada por Vogt 7 em 1994, utilizando a LTA para o preparo de algumas amostras. Sob as condições do sistema, alguns minerais como fosfatos, sulfatos e caolinitas podem sofrer desidratação e que elementos como Hg, Se, As e Sb podem ser perdidos por volatilização. Entretanto, silicatos, carbonatos, óxidos e muitos sulfatos permanecem inalterados. Gillain8 verificou que perdas por volatilização de antimônio são difíceis de prevenir, obtendo-se boas recuperações para Sb (III) apenas quando uma baixa potência foi usada por um curto período de tempo. Para elementos como Zn, Cd, Pb, Cu e Bi boas recuperações foram encontradas. Também verificou que brancos mais baixos são encontrados em relação à decomposição em sistema pressurizado com aquecimento convencional. Porém, esta última leva menos tempo para decomposição. Uma perda substancial de arsênio no preparo de amostras de material particulado atmosférico e de várias matrizes sintéticas de sais marinhos foi observada por Walsh e Fasching.9 As perdas não foram relacionadas com relação a alguma forma química específica de arsênio mas, provavelmente, são dependentes da constituição da amostra, da potência empregada na geração do plasma e da duração da exposição da amostra.


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Mulford10 avaliou a influência da potência aplicada para gerar o plasma na decomposição de pó de celulose e ágar contendo óxido de cobre. Verificou que mercúrio era perdido em todas as potências e que selênio apresentava recuperação que variava de 5 a 70% para as potências de 295 W e 32 W, respectivamente. Para arsênio, as perdas eram proporcionais à potência aplicada (no intervalo de 70 a 275 W). A perda de mercúrio em amostras de peixe foi avaliada por Pillay et al.11 Os autores verificaram que após o intervalo de 3,5 a 7 horas de preparo, as perdas de mercúrio (na forma de Hg2+) em seis amostras diferentes variaram de 81% a 98%. White e Lawrence12 investigaram a influência de determinados parâmetros no processo de decomposição. Para tanto, utilizaram amostras com tamanho de partícula menor que 75 µm, como por exemplo, de materiais botânicos. Materiais biológicos eram liofilizados, moídos e peneirados, enquanto materiais como papel e cabelo eram apenas cortados em pedaços de 5 cm e introduzidos no sistema. Para 1 g do material de referência (Citrus Leaves), a adição de uma barra magnética recoberta com quartzo para agitação diminuiu o tempo de decomposição de 80 h para 56 h. Para as mesmas condições, os autores adicionaram uma vazão de 2 a 5% de argônio, baixando o tempo de decomposição para 15 h, e posteriormente, introduziram esferas de PTFE diminuindo, assim, o tempo para 6 horas. Também, estudaram a influência do condensador com circulação de água no momento do refluxo com ácidos, verificando que perdas de B, Hg e S eram significantes sem a passagem e com a passagem de água pelo condensador. A técnica também foi empregada para o preparo de amostras para a determinação de Cd em sangue13 e arroz,14 B em tecidos animais 15 e materiais biológicos,16 Na em fibras acrílicas,17 Cd e Pb em sangue18 e vinte e oito elementos em carvão.19


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Tabela 6.6. Alguns exemplos de decomposição com plasma de oxigênio (Anderson1). Amostra

Elemento Determinado

Perdas

Sangue

As, Cd, Co, Cr, Cs Cu, Fe, Mn, Mo, Na, Pb, Sb, Ta, Zn

Ag, Au, Hg

Cabelo

Ag, As, Au, Cd, Co, Cu, Fe, Ga, In, La, Mn, Ni, Sb, Se, Zn

Br, Hg

Material biológico

As, Cr, Cu, Fe, Mn, No, Pb, Sb, Se, Zn

Ag, Au, Hg, I

Sangue



Soro sanguíneo

Ag, Co, Cr, Cs, Fe, Rb, Sb, Sc, Se

Zn

Material biológico

Ca, Cu, Fe, K, Mg, Na, Zn



Vários materiais

Mg, Na, Ni, Sn, Sr, Ti

Poeira

Cd, Cu, Pb, Zn



Leite em pó

As, Cu, Zn



Soro, plasma, sangue

Be, Cr



Material biológico

As, Cu

Hg, Se

Carvão, grafite

As, Ga, cinza total

Material biológico

B

B (3%)

Tabaco

Cd



Material biológico

Ge



Plantas

Co, Cu, Mn



Polímeros orgânicos

Cinza total



Fibras

Na



Ag, Au, Hg, (Re, 2%)

P, Si

Cl, S


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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DO ITEM 6.3 1. R. ANDERSON. Sample Pretreatment and Separation. Analytical Chemistry by Open Learning. Chichester: John Wiley, 1991, 632p. 2. RAPTIS, S.E., KNAPP, G., SCHALK, A.P. Novel method for the decomposition of organic and biological materials in an oxygen plasma excited at high frequency for elemental analysis. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York,v. 316, p. 482-487, 1983. 3. G. KNAPP.

Decomposition of organic materials: fundamentals.

Piracicaba: II

Workshop on Sample Decomposition, 1998, 30 p. 4. DJUDZMAN, R., EECKHOUT, E.V.den., MOERLOOSE, P. Determination of bismuth by atomic-absorption spectrophotometry with electrothermal atomization after lowtemperature ashing. Analyst, Cambridge, v. 102, n. 1218, p. 688-691, 1977. 5. CARTER, G.F., YEOMAN, W.B. Determination of cadmium in blood after destruction of organic material by low-temperature ashing. Analyst, Cambridge, n. 105, v. 1248, p. 295297, 1980. 6. WILLIAMS, E.V. Low-temperature oxygen-fluorine radiofrequency ashing of biologicalmaterials in poly(tetrafluoroethylene) dishes prior to the determination of tin, iron, lead and chromium by atomic-absorption spectroscopy. Analyst, Cambridge, n. 107, v. 1278, p. 1006-1013, 1982. 7. VOGT, C. Speciation of the inorganic components in brown coal. Fresenius Journal Analytical Chemistry, New York, v. 350, p. 89-92, 1994. 8. GILLAIN, G. Studies of pretreatments in the determination of zn, cd, pb, cu, sb and bi in suspended particulate matter and plankton by differential-pulse anodic-stripping voltammetry with a hanging mercury drop electrode. Talanta, London, v. 29, n. 8, p. 651654, 1982. 9. WALSH, P.R, FASCHING, J.L. Losses of arsenic during low-temperature ashing of atmospheric particulate samples. Analytical Chemistry, Washington, v. 48, n. 7, p. 10121014, 1976. 10. MULFORD, C.E. Low-Temperature Ashing for the Determination of Volatile Metals by Atomic Absorption Spectroscopy. Atomic Absorption Newsletter, Canada, v.5 (1966) p. 135-139



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11. PILLAY, K.K.S., THOMAS, C.C., SONDEL, J.A., HYCHE, C.M. Determination of mercury in biological and environmental samples by neutron activation analysis. Analytical Chemistry, Washington, v. 43, n. 11, p. 1419-1425, 1971. 12. WHITE J.R., R.T., LAWRENCE, C.W., Journal of Association of Official Anaytical Chemists, v. 78, p. 99-109, 1995. 13. VALENTA, P., RÜTZEL, H., NÜRNBERG, H.W., STOEPPLER, M. Trace chemistry of toxic metals in biomatrices. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v. 285, p. 25-34, 1977. 14. NARASAKI, H. Determination of cadmium in polished rice by low-temperature ashing and atomic-absorption spectrometry. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v. 104, n. 2, p. 393-395, 1979. 15. MAIR, J.W., DAY, H.G. Curcumin method for spectrophotometric determination of boron extracted from radiofrequency ashed animal tissues using 2-ethyl-1,3-hexanediol. Analytical Chemistry, Washington, v. 44, n. 12, p. 2015-2017, 1972. 16. DAUGHTREY, E.H., HARRISON, W.W. Analysis for trace levels of boron by ion exchange hollow cathode emission. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, n. 72, v. 2, p. 225-230, 1974. 17. COOMBER, R., WEBB, J.R. Comparison of low temperature radiofrequency ashing with other methods of organic sample oxidation for determination of sodium in an acrylic fibre. Analyst, CAMBRIDGE, v. 95, n. 1132, p. 668-669, 1970. 18. HAUSER, T.R., HINNERS, T.A., KENT, J.L. Atomic-absorption determination of cadmium and lead in whole-blood by a reagent-free method. Analytical Chemistry, Washington, v. 44, n. 11, p. 1819-1821, 1972. 19. NADKARNI, R.A. Multi-technique multi-elemental analysis of coal and fly-ash. Analytical Chemistry, Washington, v. 52, n. 6, p. 929-935, 1980.


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6.4


FRASCO DE COMBUSTÃO COM OXIGÊNIO

6.4.1. INTRODUÇÃO As principais dificuldades associadas com a decomposição por via seca e até mesmo com a decomposição em baixas temperaturas centralizam-se na perda de elementos como espécies voláteis. Na técnica do tubo de combustão o problema é contornado ao se promover a volatilização quantitativa dos elementos de interesse e recuperá-los como produtos voláteis da fase gasosa. Contudo, a técnica do tubo de combustão é relativamente complicada e a aparelhagem envolvida é complexa. Idealmente, a técnica deveria ser relativamente fácil de conduzir, sem envolver aparelhagem complexa e que pudesse oxidar completamente as amostras orgânicas e biológicas de modo que, tanto a cinza não volátil como os produtos voláteis, fossem recuperados quantitativamente sem perdas. Chegou-se bem perto de alcançar esses parâmetros com o advento do método do frasco de combustão com oxigênio, também conhecido como frasco de combustão de Schöniger (srcinalmente o método foi introduzido em 1892 por Hempel para macroanálise), mas em 1955, Schöniger adaptou e desenvolveu o método para a decomposição de amostras orgânicas e biológicas1. Essencialmente, o método consiste em confinar a amostra em um envoltório, normalmente papel, o qual fica suspenso em um frasco fechado com atmosfera de O2 e uma solução absorvedora de íons, adequada para o elemento que se deseja determinar. Um tipo de frasco de combustão de oxigênio comercial consiste em um frasco cônico de paredes resistentes com macho de vidro esmerilhado, no qual é selado um fio grosso e rígido de platina, com uma cesta, também de platina, fixada na extremidade, atuando como uma dobradiça para prender a amostra. A seguir está descrito o procedimento com o frasco de oxigênio de combustão da Figura 6.5: a) A amostra, previamente pesada, é envolvida em um tipo de papel de filtro que não deixa cinzas. Cabe salientar que o peso da amostra depende do volume e do tipo de frasco utilizado. b) A amostra, envolta no papel filtro, é fixada na tela de platina de forma que seja deixada uma saliência do papel.



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c) No frasco de combustão adiciona-se um volume adequado de solução absorvedora. Normalmente, esta é uma solução de ácido diluído quando se pretende determinar um metal, ou uma solução de álcali diluído quando se determina um não metal. d) Em seguida, aplica-se um jato rápido de oxigênio no interior do frasco, expulsando o ar do seu interior, a fim de que a atmosfera no frasco seja de oxigênio puro. e) Imediatamente após o jato de oxigênio no frasco, acende-se a saliência do papel que envolve a amostra, segurando-a e colocando firmemente o macho no frasco (melhor ainda seria acendê-la por ignição elétrica, ou por meio de uma lâmpada infravermelha com auxílio de uma lente). O frasco (Figura 6.5e) é invertido para que a própria solução absorvedora promova a vedação do macho. A amostra e o papel de filtro queimam brilhantemente na presença da atmosfera de oxigênio puro (a combustão é rápida e se completa entre 5 e 15 segundos). Como a pressão no interior do frasco aumenta consideravelmente durante a combustão, faz-se necessário segurar fortemente a rolha, pois, caso contrário, ela será atirada para fora. f)

Após a amostra ter sido completamente queimada, deixa-se o frasco esfriar (se ocorrer a formação de fuligem ou depósitos de carbono, significa que a amostra não foi bem decomposta e que algumas determinações podem ser prejudicadas). A solução absorvedora deve ser agitada para garantir a completa absorção de todos os produtos voláteis de oxidação assim como, a dissolução das cinzas.

g) O frasco deve ser aberto após a completa absorção de todos os produtos de oxidação (este processo pode ser observado, após alguns minutos após o término da combustão). Finalmente, a solução absorvedora é transferida para um balão volumétrico.


180


(a) Frasco de oxigênio com macho e cesta ;

(b) papel de filtro

(c) Introdução de oxigênio no frasco e colocação da amostra na cesta

(d) Ignição da amostra e inserção do macho

(e) Processo de oxidação no frasco de oxigênio

(f) Absorção dos produtos de oxidação na solução Figura 6.5. Seqüência operacional em um frasco de combustão comercial (Anderson25)



181

6.4.2. TIPOS DE FRASCOS DE COMBUSTÃO DE SCHÖNIGER Os frascos de combustão são feitos, geralmente, de vidro borossilicato, preferencialmente com paredes reforçadas. Usualmente, emprega-se como frasco um erlenmeyer de borossilicato de 500 ml (suficiente para queimar 50 a 60 mg de amostra). Porém, alguns autores utilizaram frascos de polietileno para a determinação de silício, bem 2

3

como quartzo e policarbonato para a determinação de fluoreto, visando minimizar a interação do analito com o frasco. O suporte da amostra, geralmente, é composto por um fio de platina de 0,5 a 1,0 mm de espessura que forma uma espécie de “cesta” na extremidade, de cerca de 15 x 30 mm. 4 É possível ocorrer a formação de ligas de alguns elementos com a platina, tais como bismuto.5 Para contornar este problema pode-se empregar um espiral de sílica como suporte. Burfield e Ng6 desenvolveram um sistema semelhante ao frasco de combustão de Schöniger, porém, sem utilizar o suporte de platina para a determinação de cloreto em PVC. Ure e Shand,7 empregando um suporte de platina, encontraram baixas recuperações para mercúrio por espectrometria de absorção atômica com vapor frio. Os autores atribuíram a baixa recuperação à platina volatilizada do suporte, encontrando 5 a 10 µg desta na solução absorvedora. Para contornar este problema, os autores empregaram, com sucesso, suportes feitos de tântalo e tungstênio. O material mais utilizado para envolver a amostra é o papel filtro com baixo teor de cinzas, porém, alguns autores empregaram papel de cigarro, filmes de polietileno,8 cápsulas de metilcelulose,9,10 cápsulas de gelatina para líquidos11,12 e sólidos voláteis,13 e em capilares de vidro no caso de líquidos de alto ponto de ebulição, além de envelopes de fita adesiva, 14 celofane15,16 e cones de acetato de celulose 17 para evaporação de líquidos antes da ignição, celofane para amostras sólidas.18 Para a determinação de iodo e mercúrio em ungüentos Johnson19 e Vickers20 empregaram um papel especial para envolver a amostra. Cápsulas de acetato de celulose para utilização no frasco de combustão de Schöniger foram empregadas como invólucro da amostra. Cápsulas de policarbonato com capacidade de 0,2 ml (0,085% Cl, 0,01% P, 0,036% N), foram empregadas para a combustão de amostras de líquidos voláteis e amostras higroscópicas. Também são comercializados papéis pretos para ignição com radiação infravermelha. Osborne e Willis21 encontraram contaminação de cloro em vários papéis filtro, celofane, polietileno e polipropileno variando de 175 a 5500 mg kg-1. Também observaram que o papel filtro Whatman Nº 42 foi o que apresentou menor contaminação, e que esta pode ser reduzida a concentrações mais baixas que 20 mg kg -1 deixando o papel de molho por pelo menos uma semana em etanol 95%. McGary 22 © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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encontrou contaminação de iodo em papéis utilizados com ignição por radiação infravermelha, associando esta ao pigmento preto adicionado ao papel. Barney et al.23 comentam que, para a combustão de óleos, as cápsulas de gelatina perdem o formato rapidamente após a ignição, e partículas que não foram queimadas podem cair na solução absorvedora. Também relatam que papéis filtro são difíceis de manusear sem perdas da amostra e, para superar tais problemas, elaboraram um microbéquer para suspender a amostra. Fukasawa e Yamane24 mostram que o sucesso na combustão de um óleo depende do tamanho da amostra, da geometria do papel filtro e do espalhamento da amostra no papel filtro, obtendo bons resultados quando a amostra está bem distribuída no papel. Com relação à ignição, esta pode ser elétrica, com lâmpada focada ou, também, manual, sendo as primeiras vantajosas com relação aos aspectos de segurança, uma vez que é efetuada atrás de um anteparo. A última (manual), apesar de apresentar menor segurança, é extremamente simples de realizar e não necessita de acessórios para a ignição. Em alguns frascos verifica-se que, após a combustão, um pequeno vácuo é criado no interior do frasco devido ao consumo de oxigênio e carbono e à formação e absorção de CO2. Tabela 6.7. Tamanhos de frasco com relação ao peso de amostra. Massa de amostra 10 g 1 −

Volume do frasco 2000

− 10000 ml

500 – 1000 mg

2000 ml

100 − 150 mg

1000 ml

50 − 60 mg

500 ml

20 − 30 mg

300 ml

2 − 10 mg

300 ml

30 µg − 5 mg

25 ml

2 − 30 µg

10 ml

O tamanho do frasco depende da quantidade de amostra a ser queimada, lembrando que tanto a amostra quanto o papel consomem oxigênio durante a combustão. Em muitos casos, o frasco é muito maior do que o tamanho mínimo requerido (p.ex., cerca



183

de 30 miligramas de amostra para um frasco de 300 ml). Os tamanhos de frascos e sua relação com a massa de amostra a ser decomposta são fornecidos na Tabela 6.7. Um frasco de combustão para amostras de até 1 g pode ser facilmente construído em laboratório, sendo bastante simples e seguro, permitindo o preparo de amostra em apenas 10 min. Para tanto, utiliza-se um balão de fundo chato de borossilicato de 2 l adaptado com uma saída lateral na qual é adaptada um balão de borracha (tipo bexiga). A amostra, envolvida em papel, é colocada em uma cesta metálica (Ni-Cr) suspensa na tampa do frasco. Uma barra magnética, recoberta com PTFE, é colocada no interior do frasco para a agitação. Após adição de 50 ml de solução absorvedora (p.ex., solução 0,1 mol l -1 HCl para mercúrio), coloca-se a amostra envolta em papel na cesta e preenche-se o frasco com O2. É feita a ignição do papel contendo a amostra manualmente e coloca-se a tampa contendo a cesta metálica com a amostra fechando-se o balão. A tampa é fixada por meio de uma presilha durante a combustão da amostra, que dura cerca de 8 min para 1 g de amostra. Durante a combustão a bexiga infla um pouco, retornando à sua forma srcinal quando a combustão termina. A solução interna é agitada por meio da barra magnética para que a solução absorvedora lave a parte interna do frasco sem molhar a cesta e, após 5 min, o procedimento está concluído. Este procedimento é muito útil para a determinação de mercúrio em tecido muscular de peixes (idealmente seca-se a amostra por liofilização).

6.4.3. COMBUSTÃO ASSISTIDA POR ADITIVOS Quando se deseja a decomposição de constituintes da amostra muito resistentes à oxidação, a combustão pode ser assistida por aditivos. Estes aditivos (do inglês “combustion aids”) são misturados intimamente com a amostra ou usados como solução para embeber o papel de filtro no qual a amostra será envolvida. A Tabela 6.8. mostra alguns exemplos de aditivos. Tabela 6.8. Auxiliares de combustão para compostos de difícil oxidação. Amostra compostos halogenados

Aditivos tolueno, parafina, decalina, sulfato de hidrazina, açúcar, nitrato de sódio, nitrato de potássio

compostos organofluorados

açúcar, clorato de potássio, peróxido de sódio

compostos organofosforados

parafina, persulfato de amônio

compostos organoarsênicos

nitrato de potássio

compostos organoborados

açúcar

material biológico

açúcar


184


6.4.4. SOLUÇÕES ABSORVEDORAS A escolha da solução absorvedora deve ser compatível com o elemento a ser determinado. Muitos produtos de combustão podem levar horas para serem absorvidos, mas se o processo for realizado com agitação, este tempo se reduz para 5 a 10 minutos. Às vezes, uma pequena diferença entre duas soluções pode ser significativa. Por exemplo, cloreto de hidrogênio é absorvido muito mais rapidamente por uma solução de cloreto de amônio do que por uma de hidróxido de sódio. Se os elementos a serem determinados formam produtos de combustão não voláteis, deve-se dispensar uma atenção especial na lavagem das conexões após o frasco ter sido aberto. Para o caso particular em que se pretende determinar mercúrio, utilizando-se separação prévia por extração com solvente (ditizona em CCl4, p.exemplo), recomenda-se utilizar 50 ml de solução 0,1 mol l -1 HCl e 4 ml de solução 0,02 mol -1l KMnO4. A presença de permanganato é necessária para a oxidação de iodeto e/ou sulfeto, eventualmente presentes na solução da amostra, e que podem interferir na separação. 6.4.5. APLICAÇÕES DO FRASCO DE OXIGÊNIO O frasco de combustão com oxigênio tem sido empregado na determinação de muitos metais (mercúrio, zinco, manganês, níquel e cobalto), halogênios, enxofre e fósforo em amostras orgânicas e biológicas. Os seguintes elementos já foram determinados em amostras decompostas por esta técnica:

F

S

Ge

Co

Cd

Ca

Cl

Se

B

Ni

Mg

Ba

Br

P

Hg

Mn

Zn

Fe

I

As

Cu

Ti

Al

U

Deve-se notar que a lista contém uma alta proporção de elementos metalóides e não metais, mostrando o grande alcance da técnica. A aplicação para alguns elementos, tais como arsênio, bismuto e chumbo, requer maior cuidado porque formam ligas com a platina da cesta. Neste caso, a cesta deve ser de sílica. Outros metais, como níquel e gálio, formam óxidos insolúveis e, portanto, necessitam © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

185


de tratamento especial antes de serem determinados. Mas muitos elementos, tais como os alcalino-terrosos, zinco, cádmio e mercúrio, são determinados sem problemas. O método é, em especial, muito bom para mercúrio, um elemento que causa mais problemas do que qualquer outro em muitos métodos de decomposição. Tabela 6.9. Condições para a separação de alguns elementos com a técnica do frasco de combustão com oxigênio (adaptado de Bock, 1979). Peso da amostra

Elemento determinado

Tamanho do frasco (ml)

Aditivo

30-80 µg

F

250

1 mg KClO3

0,4-20 mg 2-4 mg 10-20 mg

F Cl Cl

250-500 250 300

-

2-4 mg 500 mg 150 mg

Br Br S

250 6000 2000

-

20-40 mg

S

350

4-6 mg 100 mg

Se Se

500 1000

50 mg

P

500

100 mg 4-20 mg 5-10 mg 1g

P B B Hg

1000 100 250 2000

1g

Hg

5000

4-5 mg

Cu

500

2-7 mg

Co, Mn

500

5-10 mg

Cd, Mg, Zn

250

Solução absorvedora 30 ml de H 2O 5-10 ml de H2O 10 ml de H2O 15 ml de sol. 0,7 mol l-1 NaOH 10 ml de sol 0,05% H2O2 30 ml de sol 5% HCOOH 15 ml de H2O2 -1

15-20 mg CHI3 10 ml de sol. 0,1 mol l NaOH 4 mg sacarose 10 ml de sol 0,01 mol l-1 5 ml de sol. 0,1 mol l-1 NaOH 1 espátula 10 ml de sol. 1:10 H 2SO4 Na2CO3 20 ml de sol 1:5 HNO3 4-20 mg KOH 2 a 5 ml de H2O 10 ml de H2O 50 ml de sol. 0,01 mol l-1 HCl -1

0,4 g celulose 15-20 mg Na2CO3 -

200 HCl ml de sol. 0,1 mol l 20 ml de sol 0,25 mol l-1 H2SO4 5 ml de sol. 6 mol l-1 HCl 5 ml de sol. 1 mol l-1 HCl


186


6.4.6. VANTAGENS E LIMITAÇÕES As vantagens do método do frasco de oxigênio incluem a velocidade com que as amostras são decompostas, o baixo risco de perdas e contaminação (por se tratar de um sistema fechado) e a simplicidade do processo. Como o custo do equipamento é pequeno, é comum trabalhar com um conjunto de frascos, tornando a análise mais rápida. A principal limitação do método é a oxidação incompleta da amostra: às vezes um pouco de fuligem é produzida, a qual pode interferir na determinação de alguns elementos (p.ex. fósforo), embora a adição de um aditivo para melhorar a combustão contorne este problema. Também, é bastante comum a formação de CO, o que torna o método inviável para a determinação de carbono. Outra fonte de problema é a evaporação de compostos voláteis antes de serem queimados. Esta fonte de erro pode ser minimizada envolvendo a amostra com várias camadas de papel de filtro. Dependendo da massa de amostra utilizada, o teor de umidade na amostra não deve ser maior que 3%.

ANEXO I

Devido ao caráter histórico, neste anexo é feita uma tradução parcial do artigo srcinal descrito por Hempel em 1892, realizada gentilmente pelo Prof. Dr. Ayrton Figueiredo Martins. Cabe ressaltar que o artigo impulsionou várias outras idéias de procedimentos de combustão de amostras orgânicas, mas foi somente em 1955 que o sistema apresentou uma evolução significativa, através das modificações realizadas por Schöniger. Portanto, este texto é colocado aqui buscando prestigiar esta importante contribuição. -----------------------------------------------------------------------------SOBRE UM MÉTODO DE DETERMINAÇÃO DE ENXOFRE EM CARVÃO E CORPOS ORGÂNICOS - por Walther Hempel (Ang. Chem. 13 (1892) p. 393-394) Estimulado pela experiência de Berthelot, que realiza a determinação de enxofre em corpos orgânicos de uma maneira simples pela combustão dos mesmos em bomba recoberta internamente com platina – eu pensei se não seria possível realizar isto sem a aplicação deste aparelho tão caro, apenas através da combustão direta e determinação do enxofre em corpos orgânicos. Uma série de tentativas demonstraram que, de fato, é possível fazer a combustão em um grande recipiente de vidro, quantitativamente, sem problemas e, com isso, obter-se um método muito exato e muito rápido. As substâncias a © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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serem queimadas são comprimidas em um pequeno cilindro no qual um fio de platina é colocado da mesma maneira como se faz para determinar o poder calorífico. Como recipiente de combustão, pode ser usado um frasco comum de vidro de 10 l, o qual é provido com uma rolha de borracha com três furos. Um tubo de vidro com torneira é inserida na rolha, com extremidade externa em forma de tubo de 50 ml e dois tubos de vidro nos quais são inseridos dois fios de platina de 0,6 mm de espessura. Um deles possui, no seu final, uma cesta de platina (feita de uma tela de platina), que fica cerca de 25 mm acima do fundo do recipiente. Para fins de ignição elétrica, enchem-se os dois tubos com mercúrio e faz-se um contato através de fios com uma bateria de 6 elementos. Quando não utilizado, tampam-se os tubos com pequenas rolhas de cortiça. Quando necessário realizar uma experiência, então se retira a rolha de borracha do frasco de gás, coloca-se o cilindro (no qual a substância a ser analisada está comprimida) na cesta de platina e enrola-se o seu fio de ignição em torno dos fios de platina de tal maneira que, na ignição posterior, a eletricidade passe através deles. Então, enche-se o frasco com água destilada, fecha-se com uma rolha comum e coloca-se esta invertida sobre uma grande cápsula de porcelana, posicionada sobre um tripé. Aqui, água é colocada na cápsula de porcelana de tal maneira que o pescoço do frasco ainda emerge. Após retirar as rolhas, enche-se o frasco com oxigênio. Muito cômodo para este objetivo, são os recipientes do Dr. Elkkan, disponível no mercado, com oxigênio comprimido a 100 atmosferas. O frasco cheio com oxigênio é, novamente, fechado com rolha e recolocado de pé. Agora, retira-se a rolha e mergulha-se o carvão que sofrerá combustão na cesta com o reticulado de fios. Como o oxigênio é mais pesado que o ar, não escapa significativamente do frasco. Como, durante a combustão, ocorre uma pequena sobrepressão no frasco, é recomendável atar a rolha para que não venha a saltar. O aparelho assim preparado é ligado então aos pólos da bateria de 6 elementos e o carvão entra em combustão quando os fios de platina ficam incandescentes. Se o carvão for posicionado bem embaixo do frasco, a combustão ocorre sem dificuldades, pois os produtos quentes da combustão sobem para a parte superior do frasco, de tal maneira que sobra oxigênio embaixo. Após a combustão, produz-se um pequeno vácuo pela adição de um pouco de água fria no frasco e, através do funil com torneira, adiciona-se 100 ml de solução de HCl 5% (v/v) contendo uma pequena gota de bromo. Como grande parte da água formada na reação fica na forma de uma fina névoa no frasco, deixa-se em repouso por uma hora, até que a névoa desapareça. As paredes internas do frasco são lavadas com a água, que é posteriormente transferida para um béquer. Na determinação de enxofre em carvão, após a separação necessária do resíduo © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

188


mineral por filtração, lava-se a cesta de platina, os fios e o interior do frasco com 75 ml de água, começando a filtração imediatamente, de tal maneira que, com as porções de lavagens posteriores, o béquer e o filtro sejam lavados também. É possível lavar todo o ácido sulfúrico formado sem exceder 500 ml de solução final resultante. A solução resultante é levada à ebulição e, de maneira convencional, submetida à precipitação com cloreto de bário; a barita formada é filtrada, seca, purificada e pesada. No seguinte exemplo, pode-se verificar o grau de exatidão obtido neste procedimento: (Segue a descrição da análise de caseína bovina.....) Os resultados demonstram que as diferenças situam-se dentro do erro experimental do procedimento, de tal maneira que, no sentido de simplicidade, rapidez e exatidão, este nada deixa a desejar.

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191


6.5 DECOMPOSIÇÃO EM BOMBA DE COMBUSTÃO

Este sistema, similar à clássica bomba calorimétrica (Figura 6.6), consiste, basicamente, de uma bomba de aço inoxidável, em geral com um volume interno de 300 ml, inserida em um banho de água. Para a determinação de elementos traço, o interior da bomba pode ser revestido com quartzo, vidro ou platina. A amostra, normalmente, é inserida na forma de uma pastilha no copo de ignição (de platina ou quartzo), que está fixado em dois eletrodos. Uma pequena quantia de solução absorvedora, normalmente 10 ml, é colocada no fundo do frasco e logo após, a bomba é fechada e preenchida com oxigênio até atingir uma pressão, geralmente, da ordem de 25 atm. Durante a combustão, a bomba é resfriada em um banho de água e terminada esta e a etapa de arrefecimento, a solução ou o resíduo obtido são utilizados para a determinação do elemento de interesse.

válvula de escape dos gases

válvula de entrada de O2

eletrodos

fio de Pt ou Ni/Cr copo de ignição solução absorvedora

Figura 6.6. Bomba de combustão


192


Para comparação dos procedimentos de decomposição para a determinação de Se em tecido de peixe por voltametria de redissolução catódica ("stripping"), Lambert e Turoczy,1 2000, avaliaram a decomposição por via úmida em sistema fechado com aquecimento por microondas, decomposição em mufla, bomba de combustão e decomposição em sistema aberto empregando HNO 3 + H2O2 e radiação UV. Todos os procedimentos resultaram em uma solução clara e incolor, porém, selênio foi detectado apenas quando utilizaram a decomposição em mufla e a bomba de combustão, atribuindo a falha nos sistemas de decomposição devido a incompleta destruição da matéria orgânica ou a algum produto da decomposição. A determinação da variabilidade da concentração de vários elementos em cinzas de termoelétricas foi efetuada por Holcombe et al.2 em 1985. Uma bomba de combustão Paar foi utilizada para preparo da amostra para posterior determinação de Hg, empregando uma mistura de H2SO4 e KMnO4 como solução absorvedora. Para a determinação, empregaram CV AAS. Fung e Dao, 1995

3

e 1996 4, utilizaram a bomba de combustão para decompor

combustíveis e efluentes orgânicos industriais visando a determinação de F, Cl, Br, I, S, N e P por cromatografia iônica com detector espectrofotométrico. Os autores justificam o emprego da bomba de combustão, afirmando que o frasco de combustão de Schöniger apresenta incompleta oxidação de efluentes refratários, e que o procedimento de decomposição com microondas é perigoso para a oxidação de combustíveis orgânicos. Encontraram recuperações muito próximas a 100%, com a exceção de nitrogênio, atribuindo eventuais perdas devido à formação de N2 ou outras espécies menos solúveis de NO ao invés da completa oxidação à NO2. Problemas também podem ocorrer com fósforo, devido à formação de óxidos de fósforo que tenham baixa solubilidade em água. Vários elementos foram determinados em polietileno por Fujiwara e Narasaki, 5 1968. Estes autores observaram que Cl e Hg apresentam boas recuperações quando determinados imediatamente após a combustão, e que Cu, Fe, Pb, V e Zn apresentam boas recuperações somente se a solução absorvedora da bomba de combustão após a combustão for tratada com ácidos concentrados. Hicks et al.,6 1974, determinaram enxofre em carvão por titulação potenciométrica. Logo após em combustão, determinou-se enxofre na solução na solução absorvedora, constatando-se que o ponto crítico na manipulação do sistema era a lavagem dos eletrodos e da válvula de escape dos gases. A decomposição empregando bomba de combustão foi empregada para o preparo de amostras biológicas e posterior determinação de Ca, Cu, K, Mg, Na, P, S, Zn e I por ICP OES.7 Os autores demonstraram que ambos, solução a 0,1% (v/v) HNO 3 e 10% (v/v) CFA-C © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


193

podem ser empregados como solução absorvedora para os elementos estudados, com exceção de iodo, que deve ser absorvido na solução de CFA-C. Além disso, para amostras de leite em pó, é necessária a adição de um auxiliar de combustão (etanol e parafina) para aumentar a eficiência da combustão. Também observam que uma etapa de resfriamento após a combustão é imprescindível para a obtenção de bons resultados. A decomposição com bomba de combustão foi utilizada para a determinação de Hg em alfafa e arroz,8,9 C em plantas,10 As e Se em manteiga, 11 Ti em polietileno,12 S em carvão, 13

S, N e Cl em carvão, 14 F em carvão, 15 Cl e S em efluentes, 16, 17 P, Cl e S em materiais

biológicos.18

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195

6.6. DECOMPOSIÇÃO EM SISTEMA DE COMBUSTÃO DINÂMICO Desenvolvido por Knapp et al.1 em 1981 este sistema (Figura 6.7) permite a combustão com mínima contaminação, sendo todo construído em quartzo. Até 1 g de amostras sólidas orgânicas ou de material biológico podem ser queimadas. A amostra é “peletizada” (7 mm de diâmetro e 18 mm de espessura) com uma prensa manual, sendo inserida no suporte de quartzo (1) com uma pequena tira de papel (2 cm de comprimento, 4 mm de largura) em uma câmara de combustão (II) de 75 ml. A câmara de combustão está conectada ao tubo de ensaio (I) e a unidade de resfriamento (III), que está preenchida com nitrogênio líquido (continuamente renovado durante a combustão). Uma vazão contínua de O2, normalmente de 80 a 100 l h-1, é introduzida tangencialmente ao suporte da amostra na câmara de combustão. A amostra, com o auxílio de uma tira de papel, entra em ignição através da irradiação com duas lâmpadas de infravermelho (2). A amostra queima durante cerca de 10 a 20 s, sendo que os produtos voláteis da combustão são retidos no condensador contendo nitrogênio líquido, enquanto que elementos não voláteis permanecem no suporte. Após a combustão, retira-se o N2 (líq), e faz-se um refluxo com ácido apropriado, onde a evaporação deste é prevenida através de condensadores com fluxo de água. Normalmente, 2 ml de ácido são adicionados, dissolvendo os resíduos da combustão presentes no suporte e demais partes do sistema. O processo de refluxo dura em torno de meia hora. Uma característica importante deste sistema, é que apenas amostras orgânicas não voláteis podem ser utilizadas. Isto se deve ao fato de que amostras orgânicas voláteis (como p.ex. gasolina), podem evaporar antes e durante o processo de aquecimento com as lâmpadas, podendo gerar uma explosão quando é dada a ignição. Elementos liberados durante a combustão podem difundir para a superfície do suporte da amostra, podendo não redissolver no refluxo com ácido. Knapp et al.1 estudaram diferentes suportes para amostra, feitos de quartzo, Pt, Ti e Ta. Verificaram que entre 5% e 30% dos elementos permanecem irreversivelmente ligados nestes materiais, e que as perdas podem ser reduzidas a menos que 3% utilizando um suporte de quartzo resfriado com água. Porém, o uso deste suporte não é prático, e para tanto, desenvolveram um suporte que evitava o calor da zona de combustão através de um formato adequado. Porém, devido à superfície relativamente fria do suporte, em alguns casos ocorria a formação de resíduos carbonáceos, os quais eram eliminados após o refluxo com ácido. Para a remoção completa dos elementos da superfície do suporte, este deve ser virado de cabeça para baixo, imergindo no ácido durante o refluxo. Também observaram que a recuperação é © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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dependente do tempo de refluxo, sendo de 90-95% com 15 minutos e de 95 a 100% após 30 minutos. Obviamente, o tipo de ácido a ser adicionado depende do elemento de interesse. Normalmente, ácido nítrico é utilizado.

1. suporte da amostra 2. lâmpada

unidade de resfriamento

3. câmara de resfriamento 4. condensador 5. O2 6. H2O

câmara de combustão 7. N2

(l íq )

tubo de ensaio

Figura 6.7. Sistema de decomposição por combustão em sistema dinâmico (Trace-OMat ).1

Selênio foi determinado por HG AAS em materiais biológicos, rochas e solos após decomposição empregando o sistema dinâmico de decomposição.2 Uma mistura com quantidade ≤ 0,5 g de amostra e ácido silícico (15 a 30% da mistura, em peso) foi utilizada. Posteriormente, cerca de 50 µl de uma solução 1% de acetato de celulose em acetona (agente ligante) foram adicionados. A amostra foi novamente misturada, peletizada e seca à temperatura ambiente em dessecador. Amostras geológicas (≤ 0,3 g) foram tratadas de forma similar, porém, a proporção amostra/celulose variava de 1:1 a 1:2, dependendo da amostra. Após a combustão, o suporte com o resíduo da combustão foi retirado, e então um © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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refluxo com 2 ml de ácido nítrico ou clorídrico concentrado foi efetuado. Durante a combustão, Se volatiliza como SeO2, condensando no condensador. A volatilização ocorre através da liberação de calor fornecida pela combustão da celulose, e os óxidos de vários metais (p. ex. Mn, Fe, Cu, Pb) ficam quase que totalmente retidos no resíduo da combustão, sendo retirados anteriormente ao refluxo (45 minutos), separando desta forma, grande parte da matriz. Alguns outros elementos são liberados como compostos voláteis (por exemplo, Cd, Sb, Tl, Bi). Os autores comentam que uma vaão inferior a 400 ml h -1 de oxigênio durante a combustão pode causar a formação de fuligem, enquanto que a utilização de um fluxo de oxigênio muito elevado pode gerar uma combustão muito violenta. Também relataram, que a adição de ácido silícico além de ajudar na retenção de elementos que formam óxidos pouco voláteis, promove uma combustão mais lenta e uniforme. Os mesmos autores, em um trabalho posterior, utilizaram o mesmo sistema para a volatilização de Tl, Cd, Pb e Bi em amostras biológicas, rochas e solos. 3 Neste estudo, para o preparo de amostras biológicas foi empregado ácido silícico e, em certos casos, cloreto de magnésio. Rochas e solos foram misturados com ácido silícico e celulose, sendo que cloreto de magnésio foi adicionado quando havia a presença de Tl e Pb. No caso da volatilização de cádmio de solos a adição de nitrato de lantânio foi necessária. Renterghem e Cornelis4 utilizaram o sistema para a decomposição de amostras de soro sangüíneo humano e posterior determinação de As, Au, Cd, Cs, Cu, Fe, Hg, Mo, Rb, Sb, Se e Zn por ativação neutrônica, obtendo bons resultados. Selênio foi determinado em amostras biológicas e orgânicas por fluorescência de raios-X na faixa de ng g -1 a µg g-1, empregando sistemas de decomposição por via úmida e combustão em sistema dinâmico.5 Outros autores6 determinaram iodo em amostras biológicas e de interesse nutricional por ICP-MS, empregando uma solução de aminas terciárias para a absorção dos produtos da combustão.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DO ITEM 6.6. 1. KNAPP, G., RAPTIS, S.E., KAISER, G., TÖLG, G., SCHRAMEL, P., SCHREIBER, B . A partially mechanized for the combustion of organic samples in a stream of oxygen with quantitative recovery of the trace elements Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v.308, p. 97-103, 1981. 2. HAN, H.B., KAISER, G., TÖLG, G., Decomposition of biological materials, rocks, and soils in pure oxygen under dynamic conditions for the determination of selenium at trace levels. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v. 128, n. 1, p. 9-21, 1981.


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3. HAN, H.B., KAISER, G., TÖLG, G. Decomposition of biological materials, rocks and soils with simultaneous volatilization of trace elements in pure oxygen under dynamic conditions. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v. 134, n. 1, p. 3-11, 1982. 4. RENTERGHEM, D.V., CORNELIS, R. Radiochemical determination of twelve trace elements in human blood serum. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v. 257, n. 1, p. 15, 1992. 5. RAPTIS, S.E., WEGSCHEIDER, W., KNAPP, G., TÖLG, G. X-ray-fluorescence determination of trace selenium in organic and biological matrices. Analytical Chemistry, Washington, v. 52, n. 8, p. 1292-1296, 1980. 6. GÉLINAS, Y., KRUSHEVSKA, A., BARNES, R. Determination of total iodine in nutritional and biological samples by ICP-MS following their combustion within an oxygen stream. Analytical Chemistry, Washington, v. 70, n. 5, p. 1021-1025, 1998.



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6.7 COMBUSTÃO DE WICKBOLD COM CHAMA HIDROGÊNIO-OXIGÊNIO O método de decomposição de Wickbold foi criado em 1952 como um “novo método rápido para a determinação de halogênios em materiais orgânicos”. 1 A idéia da pirólise e combustão em uma chama foi desenvolvida em 1922 por Voigt 2, mas Wickbold foi o primeiro que obteve uma decomposição completa com recuperações reprodutíveis. A amostra é queimada em uma chama luminosa, composta por uma mistura de aproximadamente 50% (v/v) de oxigênio e hidrogênio, atingindo uma temperatura maior que 2000 °C. Líquidos e gases são introduzidos diretamente na chama. No caso de amostras sólidas, uma etapa de pirólise pode ser necessária. Atualmente, dois tipos de queimadores estão disponíveis (Heraeus Quarzglas GmbH). O queimador com sucção é utilizado para amostras líquidas e o queimador do tipo BITC (Bureau International du Technique Chlorine) para amostras sólidas e líquidos que contenham sólidos. O sistema de combustão de Wickbold pode ser dividido em três partes principais (Figura 6.8): -

Queimador com uma unidade de pré-combustão opcional (especialmente para amostras sólidas). Amostras líquidas e gasosas são introduzidas diretamente no queimador. Amostras sólidas são primeiramente pirolisadas em uma unidade de précombustão e então transportadas para a chama.

-

Câmara de combustão com sistema de resfriamento com água, onde os produtos da combustão são condensados em uma superfície de quartzo.

-

Tubo de absorção dos produtos gasosos e condensados da combustão.

Os produtos gasosos que ficam retidos no sistema e, após a decomposição de uma amostra, são retirados com a aplicação de vácuo através do tubo de absorção. O queimador BITC para amostras sólidas emprega um recipiente de quartzo para acondicionamento da amostra. A amostra é volatilizada do recipiente e introduzida na chama através de aquecimento (de até 1100 °C) na unidade de pré-combustão. O sistema opera em batelada, onde a chama tem de ser extinta e o queimador removido para introdução de nova amostra. Já o queimador com sucção, empregado para líquidos opera de forma contínua e a taxa de aspiração pode ser regulada. Líquidos inflamáveis podem ser introduzidos no sistema diretamente, mas para líquidos viscosos, não-inflamáveis e aquosos podem ser necessárias diluições com volumes iguais de acetona e metanol.3 © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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Figura 6.8. Sistema de combustão de Wickbold com chama hidrogênio-oxigênio: queimador com sucção para amostras líquidas (A) e queimador para amostras sólidas Bureau International du Technique Chlorine (BITC) (B), câmara de combustão com sistema de resfriamento com água (C) e tubo de absorção (D). A) 1. porção final do queimador; 2. capilar; 3. regulador de PTFE; 4. válvula do tipo “agulha”; 5. introdução da amostra. B) 1. porção final do queimador; 2. capilar interno; 3. câmara de pré-combustão; 4. recipiente de quartzo; 5. aquecimento; 6. câmara de pirólise; 7. tampa Erber et al.4 investigaram a decomposição de amostras orgânicas e inorgânicas sólidas através do sistema de combustão de Wickbold para posterior determinação de As, Sb e Se por espectrometria de absorção atômica com geração de hidretos (HG AAS). Segundo os autores, dependendo da natureza da amostra, cerca de 0,1 a 10 g podem ser pesadas em um recipiente de quartzo. Em alguns casos (certas amostras orgânicas), o recipiente de quartzo necessitava ser coberto com lã de vidro para evitar a projeção da amostra, impedindo o bloqueio dos capilares do queimador durante a etapa de pirólise. A câmara de combustão, geralmente, necessitava de uma vazão de nitrogênio ou oxigênio contendo tetracloreto de carbono que, após a decomposição, pode converter os elementos em seus respectivos haletos. Esta é a razão pela qual apenas metais que formam haletos © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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com ponto de ebulição menor que 1100 °C podem ser determinados após a decomposição no sistema. Os autores também investigaram diferentes soluções absorvedoras, mostrando que a água pode atuar como solvente universal para a absorção dos elementos em questão. Outro aspecto interessante relatado é a possibilidade da separação de compostos de alta volatilidade de compostos com baixa volatilidade através do controle da temperatura da câmara de pré-combustão. Através da avaliação do resíduo da combustão de um material de referência (resíduo da incineração de lixo urbano, BCR 176), pode-se verificar que Al, Cr, Fe, Ti, Cu, Ni e os metais alcalinos e alcalino-terrosos permanecem no resíduo. As concentrações de Pb, Cd e Zn diminuem significativamente quando altas temperaturas são empregadas, sendo que menos que 5% destes elementos são volatilizados a 600 °C. A determinação voltamétrica de Pt em gasolina após a decomposição empregando o sistema de decomposição de Wickbold foi realizada por Hoppstock e Michulitz. 5 Apesar das condições extremas, os autores verificaram que muitas das soluções aquosas obtidas após a decomposição continham alguns compostos orgânicos que interferiam na determinação de platina por voltametria. Porém, nenhum problema foi encontrado quando estes empregaram a espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICPMS) para a determinação do analito. A maior aplicação do sistema de combustão de Wickbold encontra-se no preparo de amostras de petróleo para a determinação de S e Cl. 7, 8, 9, 10Porém, na internet, encontra-se uma breve descrição do equipamento, onde constam Cl, Br, F, B, S, Hg, I, P, Pb, As, Se, V, Cd e Zn como elementos que podem ser, também, determinados empregando a técnica no preparo da amostra.11 O sistema de combustão de Wickbold com chama hidrogênio-oxigênio tem sido aplicado, também, para a decomposição e posterior determinação de fluoreto em compostos orgânicos contendo flúor,13 cloreto em polímeros de polibuteno,14 nitrogênio em óleos minerais

15

e mercúrio em petróleo. 16 Erber et al.17 verificaram que o sistema é adequado

para o preparo de amostras seguido da determinação de mercúrio por espectrometria de absorção atômica com vapor a frio (FI-CV AAS) através de testes estatísticos. Segundo os autores, a faixa de trabalho, definida experimentalmente, foi de até 1000 µg de Hg (absoluto), mostrando que é possível decompor amostras orgânicas e inorgânicas com o sistema e determinar mercúrio por FI-CV AAS de maneira simples.


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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DO ITEM 6.7 1. WICKBOLD, R. Neue schnellmethode zur halogenbestimmung in organischen substanzen. Angewandte Chemie, v. 64, n. 5, p. 133-135, 1952. 2. VOIGT, J., Angewandte Chemie, v. 35, p. 654-655, 1922. 3. Mercury Analysis Working Party of BITC. Standardization of methods for the determination of traces of mercury. Part II. Determination of total mercury in materials containing organic matter. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v. 84, n. 2, p. 231-257, 1976. 4. ERBER, D., QUICK, L., ROTH, J., CAMMANN, K. Investigation of sample decomposition for the trace determination of arsenic, antimony and selenium in organic and inorganic materials using the Wickbold combustion method. Fresenius Journal Analytical Chemistry, New York, v. 346, p. 420-425, 1993. 5. HOPPSTOCK, K., MICHULITZ, M. Voltammetric determination of trace platinum in gasoline after Wickbold combustion. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v. 350, n. 1-2, p. 135-140, 1997. 7. KULKE, M., UMLAND, F. Improvement of Wickbold combustion apparatus for decomposition of petroleum-products and used lubricanting oils for trace analysis of inorganic components. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v. 288, p. 273-276, 1977. 8. EHRENBERGER, F., GORBACH, S., HUMMEL, K. Schnellbestimmung von halogen und schwefel in organischen substanzen mit einer modifizierten wickbold-apparatur. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v. 210, p. 349-354, 1965. 9. LIEDERMA D., GLASS, J.R. A modified Wickbold combustion apparatus for determination of sulfur in liquid hydrocarbons. Microchemical Journal, New York, v. 10, n. 1-4 p. 211211, 1966. 10. EHRENBERGER, F. Determination of oxygen in organic fluorine compound and phosphorous compound or metal organic compound. Mikrochimica Acta, v. 2, p. 192201, 1959. 11. Laborgerätebörse, Laboratory Equipment Exchange, http://www.labexchange.com/english/index.html, acessada em 15/03/2006.



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13. SWEETSER, P.B. Decomposition of organic fluorine compounds by Wickbold oxyhydrogen flame combustion method. Analytical Chemistry, Washington, v. 28, n. 11, p. 1766-1768, 1956. 14. ROWE, R.D. Wickbold combustion and spectrophotometric analysis procedure for trace amounts of orgaganic chlorine in viscous polybutene polymers. Analytical Chemistry, Washington, v. 37, n. 3, p. 368-370, 1965. 15. GOUVERNEUR, P., SNOEK, O.I., HEERINGA-KOMMER, M. Nitrogen determination in mineral oils by means of Wickbold oxyhydrogen combustion. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v. 39, n. 4, p. 413-422, 1967. 16. KNAUER, H.E., MILLIMAN, G.E. Analysis of petroleum for trace-metals - determination of mercury in petroleum and petroleum-products. Analytica Chimica Acta, Amsterdam,v. 47, n. 8, p. 1263-1268, 1975. 17. ERBER, D., QUICK, L., WINTER, F., ROTH, J., CAMMANN, K. The Wickbold combustion method for the determination of mercury under statistical aspects. Fresenius Journal Analytical Chemistry, New York, v. 349, p. 502-509, 1994.


7.

DECOMPOSIÇÃO DE MATERIAIS ORGÂNICOS POR VIA ÚMIDA Érico Marlon de Moraes Flores Francisco José Krug Juliano Smanioto Barin Marco Aurélio Zezzi Arruda

7.1

INTRODUÇÃO

Todos os métodos de decomposição de amostras orgânicas e biológicas vistos no Capítulo 6 envolveram, de uma forma ou de outra, oxidação em atmosfera contendo ar ou oxigênio puro. Entretanto, semelhante à solubilização de sólidos inorgânicos, muitas amostras podem ser decompostas com excesso de um ácido mineral oxidante concentrado. Para a oxidação de compostos orgânicos pode-se proceder de maneira semelhante. Em geral, a decomposição de materiais orgânicos ou biológicos por via úmida implica em aquecimento da amostra na presença de um ácido mineral oxidante concentrado, de misturas de ácidos oxidantes, ou mistura de um ácido oxidante com peróxido de hidrogênio. Torna-se possível oxidar completamente a maioria das amostras, deixando os

elementos a serem determinados na solução ácida em formas inorgânicas simples e apropriadas para análise, se os ácidos forem suficientemente oxidantes, e se o aquecimento for feito a temperaturas elevadas durante um período de tempo adequado. Os ácidos com propriedades oxidantes usados na decomposição por via úmida de amostras orgânicas ou biológicas são o nítrico, o sulfúrico e o perclórico. Estes ácidos podem ser usados individualmente (exceto o perclórico) ou combinados uns com os outros. São também comuns as combinações de HNO 3 ou H2SO4 com H2O2. A decomposição por via úmida é particularmente útil para a determinação de baixas concentrações de metais em vários tipos de amostra, porque muitos elementos de interesse

são convertidos em cátions inorgânicos simples não voláteis, que permanecem no meio ácido. Esta técnica também pode ser usada para a determinação de nitrogênio, fósforo e enxofre, entre os não-metais. Entretanto, alguns elementos podem ser perdidos completa ou parcialmente por volatilização. Incluem-se, neste caso, os halogênios, além de antimônio, arsênio, boro, mercúrio e selênio, dependendo do procedimento utilizado. Convencionalmente, quando se obtém uma solução clara e descolorida ou uma total recuperação de alguns elementos, tem sido tacitamente assumido que a oxidação da © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

Decomposição de materiais orgânicos por via úmida

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matéria orgânica foi completa, para fins práticos. Entretanto, tais suposições não são necessariamente verdadeiras para todos os casos. Informações mais conclusivas e diretas, como a detecção e identificação de algum material orgânico residual retido na solução ácida são, certamente, desejáveis, especialmente se estes materiais podem interferir na etapa de medida. As fontes de erro mais freqüentemente encontradas em procedimentos analíticos, ao lado dos erros sistemáticos (inerentes em análise de traços, vide capítulo 2), podem ser devidas a efeitos da matriz: substâncias orgânicas não decompostas, interferindo na etapa de determinação, ou a incompleta recuperação de elementos-traço em etapas de préconcentração e extração da solução de amostra decomposta. No entanto, dependendo da técnica analítica empregada, como p. ex., atomização eletrotérmica em forno de grafite, isto pode não ser de fundamental importância. A principal vantagem de decomposições por via úmida, com relação às por via seca, são as menores temperaturas empregadas, o que minimiza as perdas de elementostraço. A decomposição por via úmida, em frascos abertos, é uma das mais antigas e mais usadas técnicas para a dissolução de amostras orgânicas e inorgânicas. Normalmente, necessita de mais atenção do operador do que no caso de decomposições por via seca. Ácidos inorgânicos fortes, como HCl, HNO3, HClO4 e H2SO4, são os mais empregados. Ácido fluorídrico, também o é, porém com menor freqüência. Algumas substâncias são difíceis de serem decompostas com um único ácido e uma combinação de dois, ou mais ácidos, é empregada freqüentemente; interações mútuas em misturas ácidas produzem compostos intermediários instáveis que aceleram substancialmente a decomposição. Um determinado ácido é indispensável para a decomposição de uma amostra em particular e precisa estar presente na mistura. Este ácido, normalmente em maior proporção, não somente determina a taxa e a extensão da decomposição mas, também, pode afetar a escolha do método analítico final. Em sistemas abertos, as seguintes observações devem ser lembradas para a decomposição de materiais orgânicos e biológicos, quanto à escolha do ácido ou mistura ácida: a) É muito difícil oxidar amostras completamente utilizando somente HNO3 (este ácido tem o menor ponto de ebulição e é o mais moderado dos três ácidos oxidantes). Se por um lado o baixo ponto de ebulição do azeótropo (120 ºC) facilita a remoção do ácido nítrico após a oxidação, por outro a baixa temperatura limita a sua eficiência oxidativa. Altas temperaturas são necessárias para possibilitar maior eficiência nas quebras das ligações cabono-carbono das moléculas orgânicas. b) HClO4 apresenta alto poder de oxidação, mas quando utilizado isoladamente, torna-se muito perigoso, devido ao risco iminente de explosão, pela formação de percloratos


206


instáveis. Na prática, recomenda-se usar sempre o ácido perclórico em combinação com outro ácido (em geral utiliza-se após a adição de ácido nítrico). c) H2SO4 seria o mais útil dos três ácidos para ser usado sozinho, face ao seu elevado ponto de ebulição, mas o processo de oxidação é bastante lento. Na maioria dos casos H2SO4 é utilizado em combinação com HNO3, HClO4 ou H2O2, mas o uso com perclórico é muito perigoso. Apresenta especial destaque na determinação de nitrogênio pelo método de Kjeldahl combinado com H2O2 e um catalisador, e será tratado no item 7.2. A mistura utilizada para a decomposição de materiais orgânicos apresenta uma série de variações, as quais visam principalmente ao aumento da velocidade de decomposição da matéria orgânica. Assim, muitos sais de sulfato (K 2SO4, Na2SO4, CuSO4, Li2SO4) podem ser usados para aumentar a temperatura de decomposição, uma vez que adição de um destes sais promove o aumento no ponto de ebulição do H2SO4. d) Muitos catalisadores tem sido sugeridos, como o óxido de mercúrio (II) e selênio, com preferência por este último face à altíssima toxicidade do mercúrio. Apesar de a digestão sulfúrica ser utilizada quase que exclusivamente para a determinação de nitrogênio pelo método de Kjeldhal, pode-se determinar P, K, Ca, Mg, Fe, Cu, Mn, Zn, Al e Na no digerido. No Laboratório do CENA, utiliza-se um procedimento em blocos digestores, com a seguinte solução digestora: misturam-se 350 ml de H 2O2 30%, 14 g de Li2SO4.H2O e 0,42 g de Se (pó) em um recipiente de 1000 ml, resfriando-se em banho de gelo; acrescentam-se, cuidadosamente, 420 ml de H2SO4 conc. à mistura, agitando-se sempre e resfriando no banho de gelo. Esta mistura é conservada em refrigerador. O procedimento consiste em se pesar 200,0 mg de amostra em tubo de digestão de 50 a 100 ml seco, acrescentam-se 6 ml da solução digestora fria em cada amostra, coloca-se o suporte com os tubos em bloco digestor frio e inicia-se o aquecimento ajustando-se a temperatura para 100°C, com um aumento gradativo em incrementos de 50 °C até 350 °C. Observam-se as amostras cuidadosamente e remove-se todo o suporte se alguma amostra reagir violentamente, recolocando-o no bloco quando a reação cessar. Normalmente, as amostras tornam-se escuras em 15 a 20 min, tornando-se completamente pretas. Com o decorrer da digestão as amostras tornam-se marrons, amarelas até ficarem incolores (caso sobre algum resíduo na parede do tudo, deve-se remover o tubo do bloco e, cuidadosamente, incliná-lo para que a solução entre em contato com o resíduo, e retornar ao bloco). Quando a temperatura atingir 350 °C, e as amostras estiverem claras e incolores, continua-se a digestão por mais 30 min. Desliga-se então o aquecimento, remove-se o suporte com as amostras do bloco, deixa-se esfriar por 15 min, pelo menos, adiciona-se um pouco de água, agita-se cuidadosamente, espera-se um pouco, e completa-se o volume no próprio tubo. Utilizam-se tubos aferidos a 50, 75 ou 100 ml. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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e) para propósitos gerais, no entanto, prefere-se uma mistura de ácidos, ou ácidos usados sequencialmente. Dois exemplos importantes destes procedimentos são os seguintes: H2SO4 e HNO3: Aquecer inicialmente a amostra com H 2SO4 até o aparecimento de fumos do ácido. Então, adiciona-se HNO3 gota a gota e depois em maiores proporções para completar a oxidação. •

HNO3 e HClO4: Oxidar inicialmente o material somente com ácido nítrico (restará apenas o material mais difícil de se oxidar); resfriar a mistura e adicionar cuidadosamente HClO4, reaquecer para completar a oxidação. Dessa forma, o uso do •

HClO4 é relativamente seguro. Um procedimento utilizado no CENA desde 1975 é descrito a seguir. Pesam-se 500 mg de amostra em tubo de digestão aferido a 50-100 ml, acrescentam-se 5 ml de HNO3 65% e deixa-se a mistura em repouso por 1 a 2 horas, ou, preferivelmente, por uma noite para iniciar a digestão dos compostos mais facilmente oxidados. Após este período (ve-se uma suspensão amarelo-alaranjada), os tubos são colocados no bloco de digestão e o bloco é aquecido até 160 °C. Observamse as amostras cuidadosamente, e retira-se o suporte com os tubos do bloco se a mistura começar a subir pelas paredes de algum tubo. Quando a maior parte do ácido nítrico tiver evaporado e a solução estiver clara (levemente amarelada), observa-se também que a evolução de fumos marrons de NO 2 é muito pequena, comparativamente ao início da digestão a quente. Esta é uma indicação de que boa parte da matéria orgânica foi oxidada. Se a evolução de fumos marrons for muito perceptível, recomenda-se adicionar mais 5 ml de HNO 3 e continuar a digestão até cessar a evolução dos fumos (em geral 5 ml são suficientes para oxidar quase toda matéria orgânica contida em 500 mg de amostra). Retiram-se, então, os tubos do bloco, e adicionam-se 1,3 ml de HClO 4 70% em cada tubo. Recoloca-se o suporte com os tubos no bloco, eleva-se a temperatura para 210 °C, e após 10-30 min observar-seá a evolução de fumos brancos de HClO 4-H2O. A digestão se completa neste estágio com a obtenção de uma solução incolor ou ligeiramente amarela. Depois de resfriados à temperatura ambiente, completa-se o volume em cada tubo de digestão. No digerido podem ser determinados P, K, Ca, Mg, S, Fe, Cu, Mn, Zn, B, Al e Na.

ATENÇÃO: Sempre conduzir a reação em uma capela com exaustão e usar jaleco ou avental de plástico, óculos de proteção ou máscara facial, bem como luvas resistentes a ácidos. Se HClO4 for usado rotineiramente, a capela deve ser construída ou revestida de material inorgânico. Uma tela protetora também é uma boa precaução quando se trabalha com HClO4.



208

7.2. DECOMPOSIÇÃO PELO MÉTODO DE KJELDAHL O uso de H2SO4 é a base do método de Kjeldahl para a decomposição de matéria orgânica visando a determinação de nitrogênio. Este método baseia-se na oxidação do carbono a CO2 e redução do ácido sulfúrico a SO 2; ao mesmo tempo o nitrogênio orgânico da amostra é convertido em amônio. À solução resultante, adiciona-se solução de hidróxido de sódio, e a amônia é destilada em um frasco contendo um volume conhecido de um ácido padronizado. Esta decomposição pode ser conduzida em um frasco de Kjeldahl (Figura 7.1), ou em tubos de digestão.

Figura 7.1. Decomposição de amostra orgânica ou biológica em um frasco de Kjeldahl. O frasco de Kjeldahl é um frasco resistente feito de vidro Pyrex, com base arredondada e gargalo longo e estreito. O formato desse gargalo visa à condensação de vapores, permitindo a fervura do ácido sob refluxo, minimizando as perdas por volatilização. A capacidade do frasco depende da quantidade de amostra empregada (Tabela 7.1) Tabela 7.1. Algumas condições para a determinação de nitrogênio em materiais orgânicos pelo método de Kjeldahl. Capacidade do frasco

Amostra (mg)

H2SO4 (ml)

(ml)

K2SO4 / CuSO4

K2SO4 / H2SO4

catalisador

catalisador

(mg)

(mg)

100−250

100−2000

10−20

500−1000

500−1000

50

10−100

2−4

200

200

12−20

2−10

2

100

100



209

Atualmente, muitos laboratórios utilizam tubos de digestão com capacidade variando de 50 a 250 ml, ao invés do frasco de Kjeldahl mostrado na Figura 7.1. É importante lembrar que o método de Kjeldahl funciona somente para nitrogênio amina e amida. O método é muito usado para a determinação indireta de proteínas em várias amostras biológicas, assim como de nitrogênio em plantas para avaliação do estado nutricional. Um procedimento do método é o seguinte: a) A amostra seca e pesada é colocada no frasco de Kjeldahl (ou tubo de digestão) e decomposta com H2SO4 na presença de K2SO4 (para elevar o ponto de ebulição do ácido) e de um catalisador (CuSO 4, HgSO4 ou Se). Como o potássio é comumente determinado em materiais biológicos, é preferível utilizar Li 2SO4 ao invés de K2SO4. Com referência ao catalisador, o uso de selênio é mais recomendável porque a digestão é mais rápida do que com CuSO 4; além disso, a conversão de nitrogênio em sulfato de amônio também é mais rápida. b) O nitrogênio constituinte de aminas e amidas é convertido exclusivamente no íon NH4+ sob estas condições. Como esta é uma espécie iônica, não há problemas de perdas por volatilização. c) Logo que a reação se completa (solução límpida), a mistura é resfriada e, muito cuidadosamente, alcalinizada com solução de NaOH. O íon NH4+ é convertido em NH3. d) A solução é destilada imediatamente em um sistema fechado de destilação e o NH3 é coletado em um volume medido de solução ácida padrão, a qual pode ser então titulada com um álcali padrão. Nessa etapa é preciso alguma habilidade prática para se certificar de que não há perda alguma de NH3 para a atmosfera. Existem versões automatizadas do método de Kjeldhal, que dispensam esta habilidade. O método de Kjeldahl também pode ser aplicado para o nitrogênio em outra forma diferente de amina e amida. O nitrogênio, em um grupo nitro ou nitroso, deve, primeiramente, ser reduzido a um grupo amino por tratamento com agente redutor (e.g., Sn e HCl). Pode-se também incluir o agente redutor no próprio procedimento de decomposição, mas, neste caso, obtém-se uma estranha mistura de oxidações e reduções ocorrendo simultaneamente. Contudo, sob condições favoráveis, bons resultados podem ser obtidos. A redução de nitratos a amônio pode ser feita, também, com ácido salicílico combinado com o ácido sulfúrico.


210


7.3. DECOMPOSIÇÃO PELO MÉTODO DE CARIUS Alguns elementos não podem ser determinados por procedimentos de decomposição por via úmida porque são perdidos na forma de derivados voláteis. Os exemplos mais sérios de perdas por volatilização são os halogênios (exceto flúor), As, B, Hg, P, S, Sn e Te. Estes elementos podem ser determinados pelo uso do tubo de Carius. A idéia é colocar a amostra em um tubo de vidro de parede grossa, junto com HNO3 (67−97%, dependendo da amostra) e selar o tubo. O tubo é então aquecido a 250−300 °C por algumas horas. A amostra é completamente decomposta (o HNO3 é muito eficiente nestas condições porque tanto a pressão como a temperatura são mais altas). O tubo deve ser recoberto por um tubo protetor de aço porque sempre há risco de explosão com essa técnica. O tempo de reação e a quantidade de ácido nítrico dependem da natureza da amostra: para substâncias que se decompõem facilmente é suficiente 1 h de aquecimento e 2 a 3 ml de HNO3 65 % por grama de amostra, ao passo que tecidos de peixe, gorduras e corantes devem ser aquecidos com 5−7 ml g-1 de amostra durante 3 a 5 horas. A reação típica de materiais orgânicos com o ácido nítrico a quente é a seguinte:

(CH2)n + HNO3 + calor → CO2 (g) + NO(g) + 2H2O Após a decomposição ter sido completada, o tubo é resfriado e então, muito cuidadosamente, é aberto (ainda pode estar sob pressão) e o conteúdo recuperado. Deve-

se ter bastante cuidado nesse ponto, não só pelo perigo de acidentes quando o tubo for aberto, mas também pela perda das espécies voláteis no curto período de tempo em que o conteúdo for transferido. Por exemplo, os halogênios podem ser perdidos desta forma como elemento ou haleto de hidrogênio. Para contornar este problema recorre-se ao uso de um aditivo que possa ser selado no tubo junto com a amostra e o HNO 3. Neste caso, utiliza-se o nitrato de prata ou prata metálica (dissolve-se no HNO 3). O íon prata retém os halogênios como sais insolúveis de haletos de prata. No caso do enxofre, a adição de um pouco de cloreto de bário ao ácido, antes de selar o tubo, evita as perdas desse elemento. O flúor não pode ser determinado pelo método de Carius, porque o fluoreto de hidrogênio produzido pode reagir com o vidro do tubo. Uma desvantagem do método de Carius é que alguns compostos orgânicos não são completamente oxidados, mesmo após aquecimento prolongado. Nessa categoria incluem-se: fluorcloropropano, bifenilas cloradas, hexaclorobenzeno, tetrametilsilano e organoboranos.



211

7.4. DECOMPOSIÇÃO POR VIA ÚMIDA EM SISTEMAS FECHADOS DE ALTA PRESSÃO Este item foi adaptado quase que integralmente da versão em inglês do texto de M. Würfels (Köln, Alemanha) sob o título "Decomposition of biological samples with acids for the determination of trace elements" (LABO, 3/89, 7-15). Decomposições de diversos materiais podem ser feitas a pressão atmosférica; entretanto, as temperaturas atingidas são, freqüentemente, limitadas pela pressão ambiente (1 atm). Isto restringe a temperatura de decomposição para a temperatura de ebulição do solvente ou ácido empregado. Já que a taxa de reação é, fundamentalmente, relacionada com a temperatura, esta condição impõe um limite sobre o tempo necessário para a decomposição da amostra. Uma reação mais rápida pode ser obtida, fechando-se hermeticamente a amostra e o ácido em um sistema resistente à pressão e ao aquecimento. Ao mesmo tempo em que este sistema proporciona uma decomposição mais rápida, introduz um elemento de risco em seu manuseio, devido ao potencial de explosão, particularmente com reagentes fortemente oxidantes. Frascos abertos apresentam, naturalmente, os mesmos problemas referentes aos gases tóxicos, mas não sendo pressurizados, reduz-se a probabilidade de explosão. Apesar destes fatores, o emprego de sistemas fechados é, hoje, amplamente empregado para a decomposição de grande diversidade de amostras e posterior determinação elementar por diversas técnicas. O ácido nítrico não é um agente oxidante suficientemente forte para mineralizar completamente o material orgânico em sistemas abertos. Dependendo da natureza da amostra (Tabela 7.2), de 2 a 50% do carbono srcinal permanece como material não decomposto.1 Se a oxidação do carbono for parcial, e dependendo do grau de oxidação, a determinação do elemento será interferida em menor ou maior grau pelos produtos de decomposição orgânica. Na voltametria de redissolução anódica, observam-se algumas interferências na determinação de baixas concentrações de metais. Em alguns casos, o potencial de oxidação do ácido nítrico não é suficiente para a solubilização de biomoléculas. Grandes quantidades de produtos orgânicos de decomposição permanecem não dissolvidos, especialmente se as amostras contiverem gorduras. Não obstante, uma vantagem do ácido nítrico é seu manuseio, pois o risco de explosão pelo contato com substâncias orgânicas é muito pequeno. Além disso, pode-se obter facilmente um ácido de alta pureza por destilação abaixo de seu ponto de ebulição.2 Como a reatividade do ácido nítrico é menor quando comparada com à do ácido perclórico, o ácido nítrico pode ser usado em sistemas fechados de decomposição e as perdas de elementos por volatização podem ser evitadas. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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Tabela 7.2. Teor de carbono residual em soluções de amostras decompostas com ácido nítrico em frascos abertos.1 Material

% Carbono residual

Resíduos orgânicos não dissolvidos

Amido

2 - 11

Não

Celulose Cana de açúcar Farinha de trigo Alga marrom Espinafre Acículas de pinus Folhas de plátano Leite em pó desnatado Leite em pó Alimento de peixe Carne magra Fígado bovino Sangue de porco

22 -- 12 10 4-6 14 - 16 16 - 17 10 - 21 17 - 23 10 - 12 26 - 29 26 - 39 25 - 30 24 - 32 9 - 22

Não Não Não Não Não Não Não Não Sim Sim Sim Sim Não

Sangue humano Óleo de semente de girassol

25 - 29 43 - 46

Não Sim

O aspecto mais interessante do ácido nítrico é que seu potencial de oxidação é diretamente proporcional ao aumento da temperatura, e assim a eficiência de decomposição com o ácido nítrico depende da temperatura. Em sistemas abertos, a temperatura máxima é a do seu azeótropo com a água (120 °C), mas em sistemas fechados exploram-se temperaturas acima de 300 °C. Como já foi comentado, a reação típica de materiais orgânicos com o ácido nítrico a quente é a seguinte: (CH2)n + HNO3 + calor → CO2 (g) + 2NO(g) + 2H2O De forma a explorar ao máximo o potencial de oxidação do ácido nítrico, sistemas de decomposição sob pressão tem sido desenvolvidos, permitindo aplicações com temperaturas acima de 120 °C. Dependendo do projeto do sistema de aquecimento, e tomando-se as necessárias precauções, existem procedimentos em que os riscos de explosão são desprezíveis.



213

7.4.1. DECOMPOSIÇÃO COM ÁCIDO NÍTRICO SOB PRESSÃO ATÉ 200 ºC Para mineralizar amostras em um sistema fechado, utilizam-se frascos de reação apropriados, adiciona-se ácido nítrico concentrado (65-69%) e a mistura é aquecida utilizando-se um programa especial de temperatura no frasco sob pressão. As principais vantagens do emprego de um sistema fechado quando comparado com um sistema aberto são as seguintes: a. Não há perdas por volatilização dos elementos; b. Reações com duração relativamente curta podem ser realizadas, trabalhando-se em temperaturas acima do ponto de ebulição do reagente; c. Reduzem-se as quantidades dos reagentes, diminuindo-se os valores dos brancos; d. Não há risco de contaminação por fontes externas. As temperaturas utilizadas para a decomposição estão associadas ao material do frasco de reação: o PTFE, dependendo da sua qualidade, permite empregar temperaturas entre 160 - 200 ºC.3-5 Para temperaturas mais altas este polímero perde resistência física, amolecendo. Diferentes sistemas de decomposição por pressão foram descritos na literatura, muitos quais propostos para a decomposição de amostras geológicas com ácido fluorídrico.6-12 Até 1985, a maioria dos sistemas utilizados, baseava-se nos modelos descritos por 10 Bernas e Tolg et al.3 O sistema de decomposição fechado foi denominado de "bomba de decomposição", e consistia em um recipiente de PTFE, contido em um cilindro de aço. O recipiente é fechado com uma tampa de PTFE que é pressionada por uma mola, e então, fechada. Quando a pressão atinge um valor máximo de segurança, a tampa se abre pela pressão exercida dentro do frasco deixando que os gases gerados escapem, prevenindo com isso, uma pressão excessiva e eliminando o risco de explosão. A bomba é aquecida em um bloco de metal ou em uma estufa termostatizada. 13 Alguns frascos de pressão usam discos ou membranas de ruptura, ao invés do dispositivo de segurança do tipo mola; a tampa do frasco de pressão pode servir para a mesma função.14 A Figura 7.2 mostra as principais partes de um sistema de um sistema comercial para decomposição sob pressão.



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sistema de segurança para alívio de pressão

mola tampa de aço com rosca

tampa de PTFE

revestimento de aço

copo de PTFE

amostra + ácido

Figura 7.2. Sistema de decomposição pressurizado com aquecimento convencional Berghof. Entretanto, a desvantagem do PTFE como material para frasco de digestão é que ele não pode ser empregado para alguns casos de determinações de baixas concentrações de elementos.4 Um outro problema reside no fato de que para altas pressões e temperaturas, alguns elementos difundem-se no PTFE, resultando em efeito de memória e produzindo erros sistemáticos.15 Esses efeitos, entretanto, dependem sobremaneira da qualidade do PTFE utilizado. Entretanto, para decompor amostras que contém uma grande quantidade de minerais (p.ex., silicatos), faz-se necessário o uso de ácido fluorídrico, para permitir a dissolução de resíduos de silica que não são decompostos pela ação do ácido nítrico,16 e frascos de PTFE devem ser empregados. Conforme já foi salientado, o ácido perclórico não deve ser usado em sistemas fechados por razões de segurança: reações violentas podem causar a explosão dos frascos de pressão, porque os sistemas de segurança dos mesmos podem não responder rapidamente ao aumento súbito de pressão. A mesma recomendação deve ser feita para misturas de ácidos sulfúrico e nítrico, os quais não podem ser usados para mineralizar gorduras em sistemas fechados.17 Jackwerth & Gomiscek18 apresentam uma visão geral a respeito das técnicas empregadas na decomposição por pressão com ácidos para a determinação de baixas concentrações de elementos. Quando o ácido nítrico é usado sozinho, a massa da amostra, o tipo de amostra, o volume de ácido, o volume do recipiente e a temperatura reacional e a duração do © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


215

aquecimento, estão relacionados com a qualidade da oxidação da matéria orgânica e com a segurança do procedimento.

Temperatura de decomposição Em frascos de PTFE as temperaturas entre 170 e 180 ºC fornecem as melhores condições de oxidação dos constituintes da matriz em amostras biológicas. Se a temperatura for aumentada para 200 ºC isso não significa, necessariamente uma melhoria dos resultados de decomposição. O PTFE não é indicado para usos onde são empregadas altas temperaturas, de tal forma que a temperatura ao redor de 180 ºC é a mais recomendada para processos em frascos de PTFE.

Tempo de reação O melhor tempo de reação, independentemente da amostra biológica utilizada, é de aproximadamente 3 h.1 Para tempos mais longos, não se encontrou nenhuma diminuição na quantidade de compostos orgânicos contidos nas cinzas. Além deste tempo de reação, deve-se incluir o tempo necessário para o aquecimento da mistura até a temperatura desejada.

Volume de ácido nítrico O volume de HNO3 65-69% indicado para a decomposição de amostras orgânicas, encontra-se na faixa entre 0,4 e 2,0 ml/200 mg de amostra, 3,4,19 dependendo da matriz da amostra. Entretanto, é possível afirmar que um volume de 2 ml de ácido nítrico será suficiente para mineralizar uma quantidade de amostra biológica que corresponda a 100 mg de carbono puro, independentemente do tipo de substância orgânica a ser analisada, quando a decomposição for realizada entre 170-180 ºC durante pelo menos 3 h. 1,20 Volumes menores do ácido podem ser usados para substâncias que apresentem menores teores de 1

gordura. Como o ácido nítrico é encontrado com alto grau de pureza ou, alternativamente, é de fácil purificação,2 2 ml de HNO3/massa de amostra que corresponda a 100 mg de C, pode ser considerado como um volume razoavelmente pequeno.


216


Massa da amostra A massa da amostra é determinada pela pressão máxima permitida dentro do frasco de decomposição empregado. O exemplo seguinte se refere ao sistema de decomposição que emprega uma pressão de 20 bar e utiliza um frasco de PTFE de 35 ml. Nestas condições, as amostras que correspondam a 100 mg de carbono puro, podem ser decompostas. Independentemente do tipo de material biológico usada, a pressão atingida durante a fase final do processo de decomposição estará ao redor de 20 bar. Esta pressão é gerada por gases que se formam durante o processo de decomposição (CO 2 proveniente do carbono contido na amostra e NO/NO 2 devido a reação com ácido nítrico), e pelas pressões de vapor de água e do ácido nítrico.21 Assim, uma massa apropriada de amostra orgânica é facilmente calculada com base em seu teor de carbono. Os conteúdos de carbono de algumas substâncias liofilizadas são apresentados na Tabela 7.3. Se forem empregadas substâncias frescas, o alto conteúdo de água permite, correspondentemente, aumentar as massas das amostras. Assim, podem ser utilizados aproximadamente 200 mg de tecido liofilizado (ca. 50 % de carbono), 200 a 300 mg de uma substância vegetal liofilizada (ca. 3050 % de carbono) e somente 120 mg de gordura (ca. 78% de carbono). Além da temperatura, do tempo de reação e do volume do ácido, um fator importante para que ocorra uma completa oxidação das substâncias orgânicas da amostra, é a relação entre a massa de amostra e o volume do recipiente. Se, por exemplo, em um recipiente de 35 ml a massa de amostra e o volume de ácido nítrico forem diminuídos proporcionalmente, a oxidação do carbono será menos eficiente, para o caso de amostras contendo menos que 50 mg de carbono. Isto resulta em um aumento dos produtos de decomposição orgânica em solução,20 mesmo que a proporção massa de amostra/volume de ácido permaneça inalterada. Segundo os autores, os piores resultados são obtidos quando a concentração de NO 2 diminui na fase líquida, o que corresponde a uma diminuição de pressão no interior dos frascos, face às baixas quantidades usadas de amostra e de ácido. Assim, o NO 2 que é produzido quando o ácido nítrico é reduzido, está diretamente associado com a destruição das amostras orgânicas.20 Para uma aplicação prática de decomposição sobre pressão, isto significa dizer que massas de amostras menores que 1,4 mg (em C)/ml do volume do recipiente não são recomendadas. Não há um limite superior, desde que o sistema de decomposição usado responda às pressões geradas durante o processo. Entretanto, pressões mais altas no frasco não dão melhores resultados de oxidação: para relações ao redor de 1,4 mg de C/ml do volume do frasco, a taxa de decomposição, i.e. a proporção da substância orgânica oxidada durante o processo, não é afetada pela pressão e, portanto, é independente da massa da amostra. Caso os sistemas de decomposição não estejam



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apropriadamente fechados, haverá perdas de NO 2 e a oxidação do carbono será prejudicada. Tabela 7.3. Teor de carbono em amostras biológicas liofilizadas Matriz Tecido Vegetal

Lipídeos

Tecido Animal

Glicídeos

Amostra Alga marrom Farinha de trigo Espinafre Folha de álamo Folha de faia Folha de plátano Grama Trevo Acículas de pinus Acículas de abeto Raíz de abeto Casca de abeto Polpa de pêssego Manteiga, óleos vegetais, gorduras vegetais, sebo Leite em pó desnatado Leite em pó carne magra Fígado bovino Peixe Sangue humano Sangue de porco Tecido de ostra Rim de porco Músculo (tecido) Ovo de galinha Glicose Açucar de cana (sacarose) Lactose Celulose Amido

% Carbono 35 45 38 44 48 48 39 36 51 48 49 36 40 74...78

42 52 50 51 52 52 52 46 49 41 50 37 42 42 43 41



218

Materiais não decompostos Nessas condições (180 °C, 3 h, 2 ml de HNO 3 65%/ 100 mg C, razão massa de amostra/volume do frasco de 1,4 mg C/ml), todas as substâncias orgânicas podem ser dissolvidas. As amostras contendo silicato (p.ex. gramíneas e mexilhões) somente podem ser dissolvidas com uma mistura de ácidos nítrico e fluorídrico.20 Os resíduos insolúveis que frequentemente permanecem após o processo de decomposição (CaF 2, fluorosilicatos), podem ser solubilizados, se a mistura for levada à secura após o processo de decomposição sob pressão. Se necessário, pequenas quantidades de HNO 3 podem ser adicionadas. Os fluoretos e fluorossilicatos insolúveis são então convertidos em nitratos solúveis.20 Dependendo do problema analítico, em muitos casos os silicatos que permanecem em solução podem ser tolerados dispensando a adição de ácido fluorídrico, desde que os elementos a serem determinados não estejam ligados a estes silicatos. Isto é de particular importância para decomposições com ácido nítrico em frascos de quartzo, face à intolerância destes materiais ao ácido fluorídrico. As matrizes orgânicas ou seus produtos, quando reagem com ácido nítrico sob alta pressão, são dissolvidas completamente na maioria dos casos. As substâncias que contém proteínas e gorduras, entretanto, produzem resíduos orgânicos,20,22 os quais não são atacados pelo ácido nítrico se a temperatura for de apenas 180 °C. Carboidratos puros (açúcar, celulose, etc) são completamente mineralizados pelo ácido nítrico a 180 °C,1,20 e nestes casos baixas concentrações de metais que permanecem nas cinzas podem ser determinadas sem problemas por voltametria de redissolução anódica ou por outras técnicas analíticas. Porém, cabe ressaltar que, no caso de decomposições feitas a 300 °C, praticamente todos os compostos orgânicos são completamente oxidados.

Resumo das condições de decomposição em frascos de PTFE (<180 ºC) Apesar de algumas amostras não serem completamente decompostas e de que alguns produtos de decomposição permanecem em solução existem várias situações em que decomposições a 180 ºC em sistemas fechados fornecem bons resultados. A Tabela 7.4 resume as melhores condições para a decomposição com ácido nítrico em bombas de PTFE. As condições mostradas nesta tabela asseguram que os resíduos orgânicos que permanecem em solução, quando amostras biológicas são decompostas, podem ser quase que totalmente eliminados e que a decomposição de carboidratos e gorduras que não contém ácidos linolêicos ou linolênicos não deixará resíduos de compostos orgânicos.



219

Tabela 7.4. Melhores condições para a decomposição de amostras biológicas com ácido nítrico e bombas de PTFE. Temperatura Massa da amostra em frasco de 35 ml Pressão final Tempo de decomposição Ácido

170 - 180 °C Correspondente a 100 mg C, 20 bar 3 h (mais o tempo de aquecimento) 2 mL de ácido nítrico (65-69%)

7.4.2. DECOMPOSIÇÃO COM HNO3 SOB PRESSÃO A 300 °C Como muitas amostras biológicas possuem proteínas e os aminoácidos são digeridos com ácido nítrico, frequentemente faz-se necessário mineralizar completamente os produtos de decomposição resultantes. Para se oxidar completamente amostras biológicas, independentemente de sua composição química, recomenda-se a decomposição com ácido nítrico a 300 °C.20,23 Nesta temperatura com 2 h de decomposição, as soluções resultantes praticamente não contém carbono, acima de 99,9% do conteúdo srcinal em carbono da amostra é oxidado.23 Como os frascos de PTFE estão sujeitos a se deteriorar quando são empregadas temperaturas acima de 200 °C, utilizam-se frascos de quartzo. Existe um equipamento especial para decomposição a altas temperaturas, desenvolvido para a prática analítica,15 denominado High Pressure Asher® ou HPA produzido comercialmente por uma empresa austríaca, com estas características. As pressões de vapor do ácido e dos gases resultantes da reação com a matéria orgânica, a 300 °C, dentro do frasco de quartzo é equilibrada por uma pressão externa maior que 100 bar com N2. O frasco de digestão de quartzo é fechado por uma tampa de quartzo sobre um anel de vedação de silicone (7.3). Este pode ser aquecido a temperaturas de até 320 °C em uma autoclave sob uma pressão externa de 100 bar. É possível com esse aparelho, obter soluções livres de carbono dispensando tratamentos adicionais com ácido perclórico, independentemente do tipo de material orgânico a ser decomposto. Nestas soluções os analitos estarão na forma iônica inorgânica, e várias técnicas analíticas podem ser empregadas para as determinações.



220

Pressãoexterna externa Pressão (110-140 bar) 110 – 140 bar

tampa de quartzo fita de PTFE

Pressão

Pressão externa

interna

110 – 140 bar

<100 bar

frasco de quartzo amostra + ácido

Figura 7.3. Frasco de reação do HPA (conforme Knapp, 1998)

Algumas aplicações de métodos analíticos que eram limitadas pela presença do resíduo orgânico que permanecia em solução quando as decomposições eram feitas com ácido nítrico a 180 °C, como a voltametria de redissolução anódica e todas as técnicas empregando geração de hidretos, deixaram de ser problemáticas. Sinais de onda quadrada para Zn, Cd, Pb e Cu obtidos por voltametria de redissolução anódica, empregando-se uma amostra de alga digerida (NIES - Material certificado de referência de Sargassum fulvellum Nr. 9) e uma amostra de mexilhão (NIES - Material certificado de referência de Mytilus edulis Nr. 6), indicaram que não permaneciam resíduos orgânicos indesejáveis na solução resultante. Antes da determinação dos metais, as soluções foram evaporadas até a secagem para remover o NO2 dissolvido, o qual interfere nas determinações por voltametria inversa.20,23 A corrente de fundo registrada foi quase a mesma obtida com soluções-padrão aquosas dos analitos.



221

Tabela 7.5. Pressão de vapor desenvolvida por 10 ml de alguns ácidos em frasco de 23 ml, e pressão de saturação da água (dados compilados por Barnes, 1994) HNO91% 3

HCl 36 %

HCl 22,9 %

H2O

Água régia

Temp

Pres.

Temp

Pres.

Temp

Pres.

Temp

Pres.

Temp

Pres.

(ºC)

(bar)

(ºC)

(bar)

(ºC)

(bar)

(ºC)

(bar)

(ºC)

(bar)

106

21

125

2,3 4,7

133

12

165

25

192

43

219

77

256

107

285

163

178

223

255

48

97

146

132

4,8

155

48

150

159

6,5

162

52

175

8,8

191

18

202

94

200

15,3

220

35

221

114

225

25

250

63

236

133

250

39

285

112

258

170

275

59

315

153

300

85

325

119

Este procedimento de decomposição foi testado em uma grande variedade de materias biológicos e, em todas as situações, os voltamogramas obtidos foram livres de interferências. Os resultados para Ni e Co obtidos por voltametria também se apresentaram livres de interferências. Após a decomposição por pressão a temperatura de 300 °C, também foi possível determinar arsênio por espectrometria de absorção atômica e por espectrometria de emissão atômica com plasma com geração de hidreto em praticamente todos os materiais biológicos. Este método de decomposição possui a vantagem de não ser muito caro, além de ser rápida e dispensar o tratamento dos resíduos com ácidos perclórico/sulfúrico. Estudos preliminares demonstraram que este método de decomposição é também adequado para a determinação de Se e Hg. Além destes elementos, os enxofre e fósforo presentes nas amostras de material biológico são convertidos quantitativamente a sulfatos e fosfatos. Os seguintes pontos resumem as vantagens que este método de decomposição oferece, empregando ácido nítrico sob pressão a 300 ºC: • Todos os materiais biológicos e produtos alimentícios podem ser completamente

decompostos sem o uso de ácido perclórico, eliminando riscos inerentes ao se trabalhar com este ácido. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


222

• Todas as técnicas de análise que requerem soluções podem ser empregadas. • As interferências provocadas pelos resíduos orgânicos são eliminadas, de tal forma que o

carbono contido no material biológico é completamente oxidado à CO 2. Devido a eliminação desta fonte de interferência e dos sinais de fundo, a exatidão e a precisão das medidas para a determinação dos elementos podem ser significativamente melhoradas, quando comparadas com aquelas dos procedimentos de decomposição convencionais. • Empregando um sistema fechado significa que podem ser evitadas as perdas dos

elementos e os problemas de contaminações, o que novamente melhora a exatidão dos resultados. As perdas dos elementos, muitas vezes observadas quando são utilizados frascos de PTFE, devido a difusão destes elementos para dentro das paredes dos frascos, não ocorrem. • A decomposição a 300 °C com ácido nítrico permite uma completa mineralização de

materiais que são de significância em tecnologia: carbono, grafite, fibra de carbono, material sintético não contendo fluoreto, óleos minerais, etc.

Massa das amostras Quando se emprega o High Pressure Asher® a massa das amostras é totalmente determinada pela temperatura do procedimento de decomposição. Com 2 ml de ácido nítrico (65 %) em um frasco de quartzo de 30 ml e uma temperatura na autoclave de 320 °C, que corresponde a 300 °C no interior do frasco, obtém-se completa decomposição de amostras com massa equivalente a 100 mg de carbono puro, livre de resíduos de carbono. Em princípio, a massa da amostra é limitada pela pressão de vapor do ácido ( ≈ 70 20

bar). Se o frasco de decomposição está sujeito a uma pressão interna de 100 bar, a pressão resultante devida aos gases CO2 e N2O não deverá exceder 30 bar para que não ocorra explosão. Não ocorrerá nenhuma explosão, se a massa da amostra for limitada pela quantidade correspondente a 100 mg C, independentemente do tipo de material biológico utilizado. Lembrando que a pressão de vapor de um ácido decresce exponencialmente com a diminuição da temperatura (a Tabela 7.5 mostra alguns dados compilados por Barnes,1994), torna-se evidente que quando se utiliza o HPA a 180 ºC (Tabela 7.6) podem ser utilizadas massas maiores de amostra do que a 300 ºC. Assim, se a qualidade dos resultados analíticos não for prejudicada quando as digestões forem feitas a 180ºC, esta situação de menor temperatura tornar-se-á de particular importância quando as amostras analisadas não forem homogêneas ou quando as amostras não puderem ser divididas. Isto é somente recomendável, se o método de determinação não for interferido pelos compostos orgânicos que eventualmente possam permanecer em solução.



223

Assim, uma massa de amostra equivalente a 350 mg de carbono pode ser digerida a 180 °C em um frasco de quartzo de 30 ml. Se o frasco for de 70 ml, a massa de amostra correspondente ao teor de carbono, pode chegar a 800 mg (Tabela 7.6). Isto corresponde a 1,6 g de tecido animal liofilizado ou 4 g de tecido fresco. Por razões de segurança, os frascos de PTFE não devem ser empregados para a decomposição de grandes quantidades de amostras. Por outro lado, se a amostra for digerida a 300 °C mesmo em um frasco de 30 mL, o limite máximo de massa de amostra recomendado em termos de carbono será de apenas 230 mg (Tabela 7.7). Somente para fins comparativos, é apresentada a Tabela 7.8, que resume as melhores condições para a decomposição de amostras a 300 ºC sob pressão com aquecimento em forno de microondas. Tabela 7.6. Melhores condições para a decomposição de materiais biológicos no High Pressure Asher a 180 °C

Temperatura no painel de controle

180 °C

Temperatura de decomposição

180 °C

Massa da amostra em frasco de 30 ml

correspondente a 350 mg C



Tempo de decomposição

3 h (mais 30 min de aquecimento)

Ácido

2 ml de HNO3 65-68%/100 mg C

Tabela 7.7. Condições para a decomposição completa de amostras biológicas com ácido nítrico no High Pressure Asher a 300 °C Temperatura no painel de controle

320 °C

Temperatura de decomposição

300 °C





Tempo de decomposição Ácido

1-2 h (mais 30 min de aquecimento) 2 ml de HNO3 65-68%/100 mg C



224

Tabela 7.8. Condições-padrão para a decomposição de amostras biológicas com ácido nítrico em bomba de decomposição PMD Anton Paar Frasco de quartzo

30 ml

Massa da amostra


Potência

Step 5

Tempo de decomposição

10 min

Tempo de refrigeração

10 min

Ácido

2 ml de HNO3 65-68% (e de 0,1 a 0,5 ml de HCl 36% se necessário como ligante)

7.3. REFERÊNCIAS 1. WÜRFELS, M.; JACKWERTH, E. Investigations on the carbon balance in decomposition of biological materials with nitric acid. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v. 322, n. 3, p. 354-358, 1985. 2. TSCHÖPEL, P.; KOTZ, L.; SCHULTZ, W.; VEBER, M.; TÖLG, G. Causes and elimination of systematic errors in the determination of elements in aqueous solutions in the ng/ml and pg/ml range. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v. 302, n. 1, p. 1-14, 1980. 3. KOLTZ, L.; KAISER, G.; TSCHÖPEL, P.; TÖLG, G. Decomposition of biological materials for determination of extremely low contents of trace elements in limited amounts with nitric acid under pressure in a teflon tube. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v. 260, n. 3, p. 207-&, 1972. 4. KOLTZ, L.; HENZE, G.; KAISER, G.; PAHLKE, S.; VEBER, M.; TÖLG, G. Wet mineralization of organic matrices in glassy-carbon vessels in a pressure-bomb system for trace-element analysis. Talanta, Amsterdam, v. 26, n. 8, p. 681-691, 1979. 5. KNAPP,

G.

Methoden

zum

Aufschluβ

organischer

Materialien

für

die

Elementspurenanalyse, in. B. Welz, Atomspektrometrische Spurenanalytik, Verlag Chemie, Weinhein/Bergstraβ e 1982.



225

6. MAY, I.; ROWE, J. J. Solution of rocks and refractory minerals by acids at high temperatures and pressures-determination of silica after decomposition with hydrofluoric acid. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v. 33, n. 6, p. 648-654, 1965. 7. LOUNAMAA, K. Die anreicherung des arsens aus silicatgesteinen fur eine colorimetrische oder spektrographische bestimmung-aufschluss mit flusssaure unter druck. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v. 146, n. 6, p. 422-429, 1955. 8. W. WAHLER. NEUES JAHRB. Mineral. Abhandl., v. 101, p. 109, 1964. 9. LANGMYHR, F. J.; SEVEEN, S. Decomposability in hydrofluoric acid of the main and some minor and trace minerals of silicate rocks. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v. 32, p. 1-7, 1965. 10. BERNAS, B. New method for decomposition and comprehensive analysis of silicates by atomic absorption spectrometry. Analalytical Chemistry, Washington, v. 40, n. 11, p. 1982 -1986, 1968. 11. DOLEZAL, J.; LENZ, J.; SULZEK, Z. Decomposition by pressure in inorganic analysis. Analytica Chimica Acta, Amsterdam, v. 47, n. 3, p. 517-527, 1969. 12. MITCHELL, J. W. Ultrapurity in trace analysis. Analytical Chemistry, Washington, v. 45, n. 6, p. A 492-&, 1973. 13. SCHRAMEL, P.; WOLF, A.; SEIF, R.; KLOSE, B. J. New device for ashing of biologicalmaterial under pressure. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v. 302, n. 1, p. 62-64, 1980. 14. STOEPPLER, M.; BACKHAUS, F. Pretreatment studies with biological and environmental materials. 1. Systems for pressurized multisample decomposition, Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v. 291, p.116-120, 1978. 15. KNAPP, G. Routes to powerful methods of elemental trace analysis in environmentalsamples. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v. 317, n. 3-4, p. 213-219, 1984. 16. RÖHL, R.; HOFFMANN, H. J.; BESLER, W. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, v. 317, p. 872, 1984. 17. TYLER, L. J. Chemical and Engineering News, v. 32, p. 20, 1973. 18. JACKWERTH, E.; GOMISCEK, S. General - aspects of trace analytical methods. 6. Acid pressure decomposition in trace-element analysis. Pure and Applied Chemistry, Oxford, v. 56, n. 4. p. 479-489, 1984. © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

226


19. STOEPPLER, M.; MÜLLER, K. P.; BACKHAUS, F. Pretreatment studies with biological and environmental materials. III Pressure evaluation and carbon balance in pressurized decomposition with nitric acid. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v. 297, p. 107-112, 1979. 20. WÜRFELS, M. Dissertation, Ruhr-Universität, Bochum, 1988. 21. WÜRFELS, M.; JACKWERTH, E.; STOEPPLER, M. (resultados não publicados) 22. WÜRFELS, M.; STOEPPLER, M. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v. 330, p.159, 1988. 23. WÜRFELS, M.; JACKWERTH, E.; STOEPPLER, M. About the problem of disturbances of inverse voltammetric trace analysis after pressure decomposition of biological samples. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie, New York, v. 329, p. 459-461, 1987.


8.

DECOMPOSIÇÕES

ASSISTIDAS

POR

RADIAÇÃO

MICROONDAS Ana Rita de Araujo Nogueira – Embrapa Pecuária Sudeste Diogo Pompéu de Moraes – DQ/UFSM Érico Marlon de Moraes Flores – DQ/UFSM Francisco José Krug – CENA/USP Guenter Knapp – Graz University of Technology Joaquim de Araújo Nóbrega – DQ/UFSCar Juliano Smanioto Barin –DQ/UFSM Márcia Foster Mesko – DQ/UFSM

8.1. INTRODUÇÃO Os primeiros experimentos com fornos de microondas para decomposição de amostras foram realizados em 1975 utilizando-se frascos fechados em fornos domésticos com resultados muito promissores. Embora os fornos domésticos não fossem apropriados para se trabalhar em ambientes agressivos, particularmente quando os frascos de reação deixavam escapar vapores ácidos corrosivos, era notória a diminuição do tempo de decomposição das amostras, comparativamente aos procedimentos convencionais utilizando-se placas aquecedoras ou blocos digestores. Aqueles pesquisadores que já trabalhavam com sistemas fechados viam as vantagens dos aquecimentos por microondas com certa reserva, pois os sistemas fechados aquecidos de maneira convencional já tinham desempenho superior aos abertos. Ressaltando-se pequenas exceções, o uso do forno de microondas para o preparo de amostras permaneceu praticamente ignorado até 1985, quando o interesse na digestão por microondas tornou-se bastante popular. A partir de então, as publicações inicialmente se voltaram quase que exclusivamente à decomposição (em sistemas abertos) de amostras ambientais, alimentos, ligas, óleos, metais, minerais, etc. Deve ser enfatizado que, últimos anos, o número de aplicações envolvendo o uso de radiação microondas cresceu rapidamente, em especial nas primeiras duas décadas a partir da primeira publicação, por Abu Samra et al. em 1975. Desde então, as aplicações da radiação microondas nos diferentes ramos da química têm crescido exponencialmente, para as mais diferentes aplicações, tais como síntese orgânica, síntese de compostos © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

228

Decomposições assistidas por radiação microondas

organometálicos, compostos inorgânicos, catálise etc. No tocante ao preparo de amostras, a esfera de aplicação tem se expandido cada vez mais em áreas que envolvem decomposições por vias seca e úmida, fusão, extrações, ou aceleração de reações químicas, por exemplo. Pesquisas recentes vêm avaliando o efeito da radiação de microondas na formação de complexos, formação de compostos coloridos e processos cromatográficos, dentre outros. Os efeitos não térmicos das interações das microondas com as substâncias ainda são um desafio que necessita ser investigado. Hoje se reconhece que os fornos de microondas para fins analíticos possuem tecnologia que possibilita excelentes desempenhos para amostras orgânicas e muitas amostras inorgânicas. Destaque também deve ser dado aos sistemas que exploram microondas com radiação focalizada em frascos fechados mas com pressão atmosférica, e aos sistemas em fluxo contínuo. Neste capítulo, ênfase será dada aos fornos de microondas com frascos fechados de média a alta pressão e aos sistemas com radiação focalizada. Avanços recentes na literatura também são mencionados no final deste capítulo. De uma maneira geral, pode-se afirmar que o aquecimento por microondas proporcionam digestões mais rápidas e seguras do que aqueles baseados em aquecimento “convencional”, quando realizados em equipamentos adequados para este fim.

8.2. CONCEITOS TEÓRICOS As primeiras tentativas para compreender os aspectos químicos e físico-químicos do processo de dissolução mediante o aquecimento com microondas revelaram a necessidade de se conhecer e, preferivelmente monitorar, as condições de temperatura e pressão durante o processo de digestão. Os sistemas analíticos modernos, desenvolvidos especificamente para digestões assistidas por microondas, apresentam facilidades para medir a temperatura e a pressão do sistema amostra-ácido(s) durante o período reacional por meio da aplicação da tecnologia baseada em termometria com sensores de fibras óticas e outros transdutores. É possível medir tanto a temperatura no meio reacional in situ ou externamente. Além disso, o desenvolvimento de materiais de alta resistência mecânica, como Teflon,™ PFA e TFM permite que se trabalhe com recipientes fechados a pressões elevadas e, conseqüentemente, temperaturas mais elevadas, que podem ser monitoradas continuamente. Dependendo do sistema de digestão (do projeto do frasco de digestão), a pressão pode ser controlada e ajustada ao valor programado pelo operador em qualquer momento do processo. O conhecimento da pressão e da temperatura permite que se © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


229

interfira automaticamente nas etapas do processo de digestão. Desta forma, é possível determinar experimentalmente a duração e a potência mais adequadas de cada etapa para a completa digestão da amostra.

RELAÇÕES BÁSICAS FUNDAMENTAIS As relações teóricas, que regem a interação da radiação das microondas com a amostra e com os reagentes utilizados para a digestão são, basicamente, aquelas que, de uma forma geral, regulam a interação entre matéria e energia. Obviamente, o tipo específico de radiação restringe as considerações e os efeitos da mesma energia sobre a amostra e sobre os reagentes presentes durante a ação das microondas no sistema. As microondas são ondas eletromagnéticas (Figuras 8.1 e 8.2) e, como tal, são portadoras de energia. Cobrem uma faixa de freqüências do espectro eletromagnético que varia de 300 a 300.000 MHz (Figura 8.2). De acordo com o regulamento da Comissão Federal de Comunicações e das Leis Internacionais de Rádio, somente quatro freqüências são permitidas para uso industrial, científico e doméstico: 915 ± 25, 2450 ± 13, 5800 ± 74 e 22125 ± 125, em MHz. Os fornos de microondas comerciais fabricados para uso doméstico ou para laboratórios empregam microondas com freqüência de 2450 MHz. A potência que é gerada em um forno de microondas do tipo doméstico ou analítico normalmente é superior a 600 W. Alguns equipamentos modernos operam com uma potência de 1100 W que, em outras palavras, significa um fornecimento de até 15.774 cal min-1(1 kW = 239 cal s -1).

E λ

H campo elétrico

campo magnético

Figura

8.1.

Ilustração

de

Direção de propagação

uma

onda

eletromagnética

planopolarizada:

E = campo elétrico; H = campo magnético; λ = comprimento de onda.


230


. Comprimento de onda (m)

menores

maiores

Dimensão aproximada

célula

Bola de tênis

Nome comum da radiação

bactéria

INFRAVERMELHO

ONDAS DE RÁDIO MICROONDAS

vírus

proteína

molécula de água

Raios-X DUROS

ULTRAVIOLETA

L E ÍV S I V

Raios-X MOLES

Raios GAMA

Fontes de radiação

Rádio FM

Freqüência (ondas/s)

Rádio FM

For no de microondas

Radar

Lâmpad a com filamento de W

LNL Síncroton

Máquinas radioisótopos de raios-X

maiores

menores

Energia de Um Fóton (eV)

Figura 8.2. Representação de uma parte do espectro eletromagnético

Quando um material não transparente às microondas absorve este tipo de radiação, o material pode sofrer um aumento considerável na sua temperatura devido, principalmente, à interação da radiação eletromagnética com os íons dissolvidos e com o solvente, provocando migração iônica e rotação de dipolos. A ocorrência destes dois processos resulta em um movimento molecular no material, que também contribui para o aquecimento do mesmo. Estes dois processos ocorrem quando microondas interagem com a solução de um ácido (ou mistura de ácidos) usado para a digestão da amostra de interesse.

Aquecimento condutivo

Corrente de convecção

Aquecimento por microondas

Super aquecimento localizado

Figura 8.3. Visões pontuais sobre as formas de aquecimento condutivo e por microondas.



231

Somente a energia das microondas não é suficiente para a quebra das ligações químicas, devendo ser ressaltada a importância destes mecanismos de conversão de energia (Tabela 8.1). A conversão de energia in situ apresenta-se muito atrativa do ponto de vista químico, pois sua magnitude irá depender das propriedades das moléculas, o que permite algum controle das propriedades dos materiais e na seletividade das reações. O aquecimento por microondas, ao contrário dos sistemas baseados nos sistemas com aquecimento condutivo (p.ex. chapas aquecedoras, chamas, etc.), envolve adsorção direta de energia pelo material que está sendo aquecido (Figura 8.3). Assim, novos métodos são necessários para uma correta aplicação das microondas em diferentes campos da química. As microondas apresentam radiação não ionizante, sendo muito menor que a energia necessária para quebrar as ligações das moléculas orgânicas comuns (Tabela 8.1). Isto não significa que não ocorram outros efeitos ou significativas interações da radiação eletromagnética com a matéria. Tabela 8.1. Comparação entre radiações do espectro eletromagnético e energias de ligação de algumas substâncias (adaptado de Knapp, 1998) Tipo de radiação Raios-X Ultravioleta Visível Infravermelho Microondas

Tipo de ligação química H-OH H-CH3 H-NHCH3 H3C-CH3 PhCH2-COOH

Frequência (MHz) 3,0 × 1013 1,0 × 1013 6,0 × 109 3,0 × 106 2450

Energia Quântica (eV) 1,24 × 105 4,1 2,5 0,012 0,0016

Energia de ligação química (eV) 5,2 4,5 4,3 3,8 2,4

Migração Iônica A migração iônica consiste no movimento eletroforético dos íons dissolvidos interior da solução da amostra. O movimento dos íons é causado pela interação entre as espécies iônicas e o campo magnético oscilante das microondas. Os íons se deslocam, produzindo um fluxo de corrente (Figura 8.4) cujo movimento sofre resistência causada por outras espécies com fluxo oposto ao deslocamento. Como resultado dessa resistência, são produzidas perdas do tipo 2I R (produção de calor), provocando um aumento na temperatura © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

232


do meio, imediatamente ao redor de cada íon que migra. O movimento dos íons aumenta a medida que a temperatura também aumenta, provocando, assim, um efeito do tipo “avalanche”. Toda solução iônica tem pelo menos duas espécies iônicas (íons Na+ e íons Cl-, por exemplo) e todos os íons contribuem para o processo de aquecimento. A contribuição de cada íon depende de sua concentração e sua mobilidade no meio (Tabela 8.2). A mobilidade depende do tamanho, da carga, da condutividade, e também da temperatura do íon.

+

-

-

-

-

+ +

+ +

-

+ E

Figura 8.4. Representação esquemática da migração iônica

Tabela 8.2. Efeito do aumento da concentração de NaCl no fator de dissipação [adaptado de Knapp, 1998] Concentração (mol l-1)

Tangente δ

0,0

0,157

0,1

0,240

0,3

0,435

0,5

0,625

Como as ondas eletromagnéticas geram campos elétricos positivos e negativos alternados, provoca-se uma desordem e agitação das moléculas dipolares, transformandose em calor a energia absorvida para o realinhamento das moléculas. A Figura 8.6 está exagerada para efeito de ilustração. No entanto, o que ocorre é uma rápida mudança de posição das moléculas, que passam um pouco mais de tempo em uma direção que em outra. Quando o campo elétrico é removido, ocorre o retorno das moléculas à desordem, em um tempo de relaxação t e energia térmica é gerada.



233

Rotação de Dipolo Refere-se ao efeito que o campo elétrico oscilante das microondas causa às moléculas da amostra que possuem momento dipolar induzido ou permanente. Quando se estabelece um campo elétrico, as moléculas dipolares se alinham com os polos deste campo elétrico (Figuras 8.5). +

o ic tr lé e o p m a C

t=0ns δ− O

H

H

δ+

δ+

+

o c ir t lé e o p m a C

t=0,1ns δ−

δ+

H

O H δ+

+

o ic rt lé e o p m a C

t=0,3ns δ−

O

-

H

H δ+

δ+

Figura 8.5. Rotação de uma molécula de água com o campo elétrico gerado pela radiação de uma microonda de 2450 MHz(cortesia Milestone). © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

234


Figura 8.6. Representação da resposta molecular a um campo eletromagnético. (a) moléculas polarizadas alinhadas com os pólos do campo eletromagnético; (b) desordem termicamente induzida quando o campo eletromagnético é alterado.

Quando se utiliza a freqüência de 2450 MHz, o alinhamento das moléculas e seu retorno ao estado de desordem ocorrem 4,9 × 109 vezes por segundo, resultando aquecimento rápido e eficiente. O aquecimento devido a esse processo depende do tempo de relaxação da amostra, o qual é definido como o tempo necessário para ordenar totalmente e desordenar 63% da amostra que, por sua vez, depende da temperatura e da viscosidade da amostra.



235

Capacidade de Penetração das Microondas Quando se irradia um material qualquer com microondas, existem três possibilidades quanto à penetração da onda eletromagnética: a) Reflexão: o material reflete as microondas sem ser afetado pelas mesmas. b) Transparência: as microondas atravessam o material sem provocar nenhum efeito no material. c) Absorção: o material absorve total ou parcialmente a radiação. Nas digestões assistidas por microondas explora-se a absorção. Nessa situação, a energia eletromagnética das microondas que é absorvida é convertida em energia térmica (calor), com o conseqüente aquecimento do meio reacional. Como os materiais diferem na sua habilidade de conversão da energia eletromagnética das microondas em calor, é importante conhecer o fator de dissipação de energia da amostra. Esse fator representa a capacidade que cada material possui em absorver energia de microondas, sendo que a absorção está diretamente relacionada com o grau de penetração da radiação no material. A penetração é nula nos materiais que refletem microondas, como os metais, e infinita nos meios transparentes (quartzo e Teflon ™ são praticamente transparentes). Na Figura 8.7 estão representadas as propriedades dielétricas da água destilada em função da freqüência, a 25°C. Observa-se que apreciáveis valores de perdas dielétricas ocorrem acima de 10000 Hz, enquanto que os fornos microondas domésticos operam a freqüências muito inferiores, 2450 Hz. Existe uma razão prática para se utilizar essa baixa freqüência: é necessário que os alimentos sejam eficientemente aquecidos em seu interior. Se a freqüência for ótima para uma máxima velocidade de aquecimento, as microondas serão absorvidas nas regiões externas do alimento, e penetrarão muito pouco. Portanto, a profundidade de penetração, que é a profundidade dentro de um material onde a potência atinge a metade de seu valor na superfície, é um outro importante parâmetro experimental. Quando a amostra é aquecida, o tempo de relaxação dielétrica irá mudar com o fator de dissipação e conseqüentemente com a profundidade de penetração. A Tabela 8.3 ilustra esta observação. O fator de dissipação decresce com a elevação da temperatura da água. Este decréscimo ocorre porque 1/ τ aumenta com o aumento da temperatura da água e então a freqüência rotacional da água não será coincidente com a freqüência angular incidente das microondas, e a absorção decresce.


236


ε´

80 s e d a d e i r p o r P

s a c i r t é l ie d

40

ε” 0 10-1

1

10 Freqüência (GHz)

Figura 8.7. Propriedades dielétricas da água em função da freqüência. [adaptado de Kingston & Haswell, 1997].

Tabela 8.3. Efeito da temperatura no fator de dissipação da água Temperatura °C

Tangente δ (× 104)

1,5 5,0 15,0 25,0 35,0 45,0 55,0 65,0 75,0 85,0 95,0

a

3100 2750 2050 1570 1270 1060 890 765 660 547 470

a

Medidas feitas a 3000 MHz. Dados extraídos de Von Hippel, A.R. Dieletric Materials and Applications, John Wiley: New York, 1954, p. 301.

Quando ocorre absorção, a penetração vai depender fundamentalmente da relação entre o fator de perda (ε”) e a constante dielétrica (ε’) da amostra em particular. Esta relação é conhecida como fator de dissipação e é representada por tan δ, sendo expressa pela razão entre o fator de perda e a constante dielétrica:



237

tan δ = ε”/ ε’ A constante dielétrica ε’ pode ser vista como uma medida da habilidade da amostra em se opor ao caminho das microondas, e o fator de perda ε” como a capacidade da amostra para dissipar a quantidade de energia absorvida. Quanto maior for a capacidade de dissipação de uma amostra, menor será a capacidade de penetração das microondas na mesma. A magnitude da razão ε”/ ε’ fornece uma idéia da transformação da energia das microondas em calor em cada material. Valores do fator de dissipação de alguns materiais são apresentados na Tabela 8.4. Maiores valores de tan δ representam maior absorção de microondas. Tabela 8.4. Fatores de dissipação(tan δ). Medidas efetuadas a 3000 MHz [adaptado de Kingston & Haswell, 1997] Material

Temperatura (°C)

Fator de Dissipação (tan δ ×104)

Água Quartzo fundido Cerâmica F-66

25 25 25

1570,0 0,6 5,5

Vidro borossilicato Vidro fosfatado Sílica

25 25 25 25

10,6 46,0 0,6 11,0

27 25 20 25 25 25 25 25

57,0 128,0 55,0 3,1 2,0 3,3 1,5 1,5

Porcelana n° 4462 Plexiglass Nylon 66 Cloreto de polivinila Polietileno Polipropileno Poliestireno Teflon PTFE Teflon PFA

A maioria dos dados de perda e constante dielétrica foram obtidos à temperatura ambiente para um grande número de materiais. Alguns trabalhos mais atuais, no entanto, apresentam dados relacionados às temperaturas que os sólidos atingem após o aquecimento em fornos de microondas durante um determinado período de tempo (Tabela 8.5).


238


Água como solvente Como na grande maioria dos casos, o analista utiliza soluções aquosas para a realização de uma análise, é conveniente conhecer o efeito das microondas sobre a água. Para moléculas pequenas, tais como a molécula da água, à medida que a temperatura aumenta, a migração iônica também aumenta, mas a contribuição da rotação de dipolo diminui. Portanto, quando a água é aquecida mediante irradiação com microondas, em princípio a absorção de radiação é dominada pela contribuição da rotação dipolar. Entretanto, à medida que a temperatura aumenta, a contribuição da migração iônica torna-se mais importante. A contribuição relativa de cada um destes fatores depende essencialmente da mobilidade e do tempo de relaxação. Em uma solução aquosa contendo um ácido ou uma mistura de ácidos, a concentração iônica da solução também desempenha um papel importante na capacidade da solução em absorver radiação. Se a mobilidade e a concentração iônica forem baixas, o aquecimento da amostra dependerá essencialmente da rotação dipolar. Por outro lado, à medida que a mobilidade e a concentração aumentam, o aquecimento por microondas será dominado pela migração iônica e o tempo de aquecimento dependerá cada vez menos do tempo de relaxação da solução. É importante observar que a energia não é absorvida apenas por solventes polares (ácidos minerais, solventes orgânicos, reagentes, misturas aquosas), produzindo calor e acelerando as reações químicas, mas também por algumas moléculas da amostra, pelos materiais onde a amostra está contida e por superfícies que, idealmente, não se desejaria aquecer durante a reação. As microondas podem também ser absorvidas por tecidos. Na maioria dos países já estão estabelecidas as faixas de tolerância e os limites para a freqüência da energia eletromagnética, tempo de exposição, massa do corpo, tempo, periodicidade de exposição, etc. A exposição à energia de fornos domésticos ou de laboratório é limitada a 5 mW/cm 2 a uma distância de 5 cm de qualquer superfície do sistema. Os fabricantes devem informar o projeto e controle de qualidade, incluindo medidas de segurança quanto à radiação e acidentes, além de informar qualquer defeito no produto ( que represente risco de radiação a qualquer pessoa). Os efeitos biológicos já i.e., estão detalhados em mais de 1000 publicações, sendo que os principais se referem aos efeitos térmicos, muitas vezes provocando superaquecimento do tecido exposto. Comparando-se com a luz do sol, que provoca aquecimentos e fenômenos de superfície, a energia das microondas penetra na pele nos tecidos subcutâneos, elevando as temperaturas do tecido e do sangue. Diferentes freqüências promovem diferente energia de penetração no tecido humano (Tabela 8.7).



239

Tabela 8.5. Efeito do aquecimento por microondas na temperatura dos sólidos [Kingston & Haswell, 1997] Substância

T(°C)

Tempo (min)

Al

577

6

CoC2O31290 CuCl FeCl341 MnCl2 53 NaCl Ni NiO SbCl3 SnCl2476 SnCl449 ZnCl2609 CaO CeO299 CuO Fe2O388 Fe3O4510 La2O3107 MnO2321 PbO2182 Pb3O4122 SnO TiO2 122 V2O5701 WO 3 532

1283 3 619 4 1,75 83 384 1305 224 2 8 7 83 30 701 30 2 30 30 7 30 102 30 9 0,5

1 13

7 1 6,25 1,75

30 0,5

30

Nota: Todos os experimentos iniciaram à temperatura ambiente. Amostras (25 g) aquecidas em um forno de 1 kW (2.450 MHz) com um frasco contendo 1000 ml de água.


240


Tabela 8.6. Capacidade calorífica de ácidos minerais [adaptado de Kingston & Jassie, 1988] Solução ácida

Concentração (mol l-1)

Capacidade calorífica

(cal g-1 °C-1) Acético (100 %)

17,4

0,4947

Clorídrico (37,2 %)

12

0,5863

6 1

0,7168 0,9378

Fluorídrico (49 %)

28,9

0,6960

Nítrico (70,4 %)

15,9

0,5728

8 1

0,7162 0,9497

Fosfórico (85,5 %)

14,8

0,4470

Sulfúrico (96,06 %)

18 6,7 1,1

0,3499 0,6142 0,9142

1 55

0,9339 0,9997

Água

Tabela 8.7. Profundidade de penetração das microondas em função da freqüência. [Kingston & Jassie, 1997]. Frequência (GHz)

Profundidade de

Energia (µJ/cm)

penetração (cm) 0,915 2,450

3,03 2,05

17,3 20,6

3,0

1,97

20,9

30,0

0,097

143,3

100,0

0,032

376,4

300,0

0,023

579,1



241

8.3. INSTRUMENTAÇÃO 8.3.1. Sistema com cavidade (forno de microondas) Um forno de microondas com cavidade para propósitos analíticos (Figura 8.8) consta fundamentalmente de seis componentes: i. Magnetron ii. Guia para as microondas iii. Distribuidor de ondas (na realidade um refletor rotatório) iv. Cavidade v. Frasco de reação vi. Bandeja rotatória ou rotor (usado para fixar os frascos de reação)

Figura 8.8. Desenho esquemático de um forno de microondas, mostrando bombas de digestão fixadas em um rotor, sob ação de microondas homogeneamente espalhadas por um refletor rotatório A radiação produzida pelo magnetron é transportada através do guia de ondas para a cavidade, onde é distribuída pelo distribuidor e circulador em direções específicas, que permitem uma maior irradiação da zona próxima ao centro da cavidade. A bandeja rotatória permite expor a amostra a uma radiação homogênea e reprodutível, dependendo do projeto do forno. Existem fornos que operam com 2 magnetrons e que


242


garantem uma maior e mais homogênea transferência de energia para cada frasco de reação. O número de frascos de digestão varia de 1 a 48, dependendo do fabricante. Existe um fabricante que oferece um modelo de forno de microondas que emprega sistema de digestão com refrigeração dos vasos de reação (Figura 8.12), permitindo que os frascos sejam abertos decorridos cerca de 10 min após a digestão ter se completado. Existem frascos de digestão que também permitem acomodar minifrascos de digestão em seu interior. De todos os componentes mencionados, o magnetron mereceu uma atenção especial no passado, porque ele é considerado o “coração” do forno de microondas. Hoje é considerado um componente simples e de custo relativamente baixo. Consiste da combinação de um anodo, um catodo e uma série de cavidades de ressonância, todos arrumados em uma geometria cilíndrica. Rente ao catodo deste tubo existe um campo magnético. Quando se aplica uma alta voltagem através dos eletrodos, geram-se elétrons que entram em ressonância sob a influência do campo magnético. Isso produz oscilação do magnetron. Nestas condições, os elétrons cedem energia com frequência variável ou fixa, a qual é irradiada. Todos os instrumentos para decomposição de amostras possuem magnetron que gera microondas com uma frequência fixa de 2450 MHz. Em alguns instrumentos, a potência da energia elétrica que o magnetron recebe é de aproximadamente 1200 W, sendo que aproximadamente metade (600-700 W) é convertida em energia eletromagnética. Atualmente existem equipamentos comerciais que fornecem até 1600 W na forma de microondas. A potência de radiação emitida pelo magnetron é controlada mediante a fixação de ciclos de operação de forma descontínua. Esses “ciclos de trabalho” definem a relação de tempo na qual o magnetron permanece ativo ou inativo. A eficiência na produção de microondas de um magnetron é afetada principalmente pelo superaquecimento do mesmo. Dentre as principais causas do superaquecimento estão as ondas que retornam por reflexão ao seu ponto de srcem. Em equipamentos modernos esse inconveniente não se constitui em uma limitação séria.

8.3.2. Recipientes para digestão A primeira condição a cumprir é que os materiais dos frascos de digestão sejam transparentes às microondas, de tal forma que as microondas sejam absorvidas pela solução do meio reacional. Os materiais mais empregados para fabricação dos frascos ou copos de reação são o PTFE (Teflon™ é marca registrada da DuPont), PFA (perfluoroalcoxi) e TFM™ (marca registrada da Hoechst para PTFE quimicamente



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modificado). Os materiais preferidos são o PFA e TFM por apresentarem melhor desempenho que o Teflon™. A deformação dos frascos de digestão de Teflon™ é considerada desprezível quando são utilizadas temperaturas menores que 150oC. Para temperaturas maiores a deformação aumenta com a temperatura, tornando-se mais difícil manter os frascos vedados. Além disso a vida útil dos frascos também diminui. Um outro aspecto que concorreu para o desenvolvimento do PFA e do TFM é que o Teflon é um material poroso mesmo quando de ótima qualidade. Dependendo da fabricação a porosidade pode ser mínima, mas espera-se migração de vapores através do mesmo. Além disso, também existem riscos de perdas por adsorção e contaminação. O ponto de fusão do PFA situa-se entre 300 e 310 °C. A estabilidade térmica do PFA limita o seu uso para condições em que a temperatura não ultrapasse 260 °C. O ponto de fusão do TFM situa-se entre 320 e 340 oC e a máxima temperatura operacional é de 300 °C. O TFM é recomendado pelos fabricantes dos fornos mais modernos, quando se pretende trabalhar com temperaturas mais altas, mas não recomendam digestões muito longas nesta temperatura (<20 min). Mesmo assim, convém salientar que, como a vida útil do revestimento interno ("liner") diminui muito com temperaturas muito elevadas, recomenda-se não ultrapassar 260 oC. Existem vários tipos de frascos de digestão para fornos de microondas. Os frascos de digestão para fins analíticos possuem volumes internos que variam de 25 a 120 ml, podendo ser equipados com sensores de pressão e temperatura individuais ou coletivos, e podem ser de vários tipos: •

com membrana de ruptura (Figura 8.9)

• pistão (Figura 8.10), •

pistão com refrigeração (Figuras 8.11 e 8.12), e

•

com válvula de alívio (Figuras 8.13 e 8.14).

Uma maneira geral de classificar os frascos de digestão se baseia na possibilidade ou não de continuar a digestão após um aumento súbito de pressão. Um frasco com membrana de ruptura seria denominado do tipo "sem fechamento" (non-reclosing), pois permanece aberto após a ruptura da membrana. Analogamente, um frasco com abertura momentânea da válvula seria do tipo “com fechamento” ( reclosing type). Esses modelos de frascos representam três gerações de sucessivos desenvolvimentos na área. Os frascos e demais dispositivos de segurança são as principais diferenças entre um forno de microondas para laboratório e um outro para uso doméstico.


244


Figura 8.9. Frasco de digestão com membrana de ruptura

Figura 8.10. Frasco de digestão tipo pistão



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Ar de refrigeração Refletor

Sensor ótico Tampa de rosquear Mola Tampa com disco de Segurança Vaso de reação Corpo externo Camisa de proteção Dutos para passagem do ar

Figura 8.11. Corte transversal de um frasco de digestão com vaso de reação refrigerado a ar modelo PMD (cortesia Anton Paar)

Figura 8.12. Corte transversal de rotor de forno de microndas com duas bombas de digestão tipo pistão com refrigeração: 1=rotor; 2=vaso de reação; 3=copo externo de proteção; 4=macho de PTFE; 5=pistão; 6=óleo de silicone; 7=transdutor de pressão; 8= ar frio; 9=transmissor de infravermelho para dados de pressão e temperatura (Multiwave, cortesia Anton Paar) © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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Figura 8.13. Frasco de digestão com válvula de alívio (adaptado de Pirola,1999)

(a)

(b)

Figura 8.14. Ilustração da abertura da válvula de alívio quando a pressão interna for superior a 60 bar: (a) fechada, (b) aberta [adaptado de Pirola, 1999] O uso de recipientes fechados para digestões com microondas tem sido inevitavelmente recomendado nos casos em que é preciso aproveitar o efeito de altas temperaturas para dissolver amostras de “difícil” decomposição, nas quais se pretende determinar componentes voláteis. Em geral, as vantagens preconizadas para digestões assistidas por radiação das microondas em frascos de digestão fechados são semelhantes © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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àquelas já mencionadas para os sistemas fechados de alta pressão com aquecimento convencional (bombas de digestão), quando comparados com sistemas abertos: a) b) c) d)

Maior eficiência na dissolução em altas temperaturas Risco reduzido de perdas de analitos por volatilização Risco reduzido de contaminações devidas ao ambiente de trabalho. Menor consumo de reagentes de alta pureza

Entre as desvantagens inerentes aos sistemas fechados que empregam os materiais mencionados é que, geralmente, não se pode digerir massas de amostra muito elevadas, porque a pressão interna que se desenvolve dentro da bomba depende da pressão de vapor do ácido empregado e da pressão resultante causada pelos produtos gasosos gerados nas reações de decomposição. No caso de materiais orgânicos, sabe-se que o CO2 é o principal produto gasoso gerado, com pressão parcial proporcional à massa de carbono na amostra. Por exemplo, se as digestões forem feitas com 10 ml HNO 3 em vaso de 100 ml e realizadas a 250 °C, recomenda-se no máximo 250 mg de fígado bovino. Se a temperatura desejada para a digestão for de 200°C pode-se digerir até 1 g da mesma amostra no mesmo frasco. Em ambos os casos, a pressão interna no frasco será de 60 bar. Deve-se lembrar que altíssimas pressões poderão ser observadas, utilizando-se somente um ácido ou somente água dentro do frasco fechado, porque as pressões de vapor do ácido ou da água aumentam consideravelmente com a temperatura. Por exemplo, a pressão desenvolvida por 10 ml de HCl 36% v/v em frasco fechado de 23 ml a 223 oC é de aproximadamente 97 bar ou 1430 psi (psi = libras por polegada ao quadrado). Temperaturas mais altas poderão ser empregadas, diluindo-se ou diminuindo-se a quantidade de ácido. Outra limitação seria a necessidade de se digerir amostras com teor de carbono semelhante, porque muitos equipamentos permitem o monitoramento indireto das digestões de todos os frascos, utilizando-se apenas um dos frascos de digestão com sensores de pressão e de temperatura. Nesse caso, a opção seria colocar a amostra com o maior teor de carbono na bomba contendo os sensores. Existe equipamento de um fabricante que possui um único transdutor de pressão para todos os frascos (Figura 8.12), dispensando o controle quanto à semelhança entre as amostras, e outros com controle independente. Historicamente, uma das maiores preocupações quanto aos recipientes fechados residia na qualidade dos materiais utilizados na fabricação dos frascos de digestão, de tal forma que pudessem suportar altas pressões. Para se ter uma idéia, os primeiros frascos comerciais eram feitos inteiramente de Teflon™ suportando no máximo 7 bar de pressão, e alguns fabricantes consideravam 20 bar como alta pressão. Gradativamente, os frascos de digestão foram redesenhados, e atualmente todos possuem um corpo externo feito com © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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material também transparente às microondas e de altíssima resistência, podendo suportar pressões maiores que 150 bar. Do ponto de vista operacional, utilizam-se pressões menores. Os frascos de reação de PFA ou TFM possuem paredes relativamente finas e se ajustam no interior deste corpo externo. Os fornos de microondas que empregam frascos de digestão com válvula de alívio abrem momentaneamente a válvula, quando a pressão interna exceder 60 ou 100 bar, dependendo do fabricante. Os fornos com bomba tipo pistão com ou sem refrigeração limitam-se a pressões operacionais de 72 a 82 bar. Outrossim, deve-se lembrar que, como existem inúmeras aplicações onde são comuns situações nas quais as digestões geram pressões de trabalho menores que 20 bar, há fabricantes que oferecem mais de um tipo de frasco de digestão, em geral denominados frascos para “média pressão” e “alta pressão”. Para fins analíticos, a escolha do melhor forno de microondas deve levar em consideração os frascos de digestão oferecidos (desenho, capacidade, durabilidade e custo), os sensores de temperatura e de pressão (custo, durabilidade e tempo de resposta), os programas para o controle e aquisição de dados, e a opção para secagem dos digeridos, além dos dispositivos de segurança.

8.3.3. Sistemas microondas com radiação focalizada Sistemas de digestão com frascos pressurizados são usados com muito sucesso utilizando-se somente ácido nítrico, principalmente para as amostras orgânicas e inclusive amostras inorgânicas, com a possibilidade de se usar até 50 frascos de digestão simultaneamente. Não obstante, uma das maiores desvantagens dos sistemas fechados é a limitação associada ao tamanho das amostras. Uma outra desvantagem dos frascos de digestão, é a geração de H2 quando ligas metálicas e metais são dissolvidos com ácidos. Nesse caso, além de provocar um aumento na pressão interna do frasco, o hidrogênio é um excelente combustível, aumentando ainda mais o risco de explosão. Além disso,existe a necessidade de resfriamento e despressurização dos frascos para adição de reagentes durante o ciclo de aquecimento. Sistemas de digestão de amostras que empregam as chamadas microondas com radiação focalizada (Figura 8.15), possibilitam um grande número de aplicações interessantes. As digestões são feitas em frascos adequadamente “fechados” à pressão atmosférica. Esses frascos têm a forma de um tubo com 30 a 40 cm de altura e 2 a 4 cm de diâmetro, e serão denominados "frascos de digestão" neste texto. Os frascos são fabricados em quartzo, vidro borossilicato ou PTFE, com capacidade para 50, 100 ou 250 ml. Normalmente, esses frascos recebem a denominação de "abertos". Na realidade, este tipo de frasco, utilizado nos sistemas microondas com radiação focalizada, possui um © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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dispositivo que é adaptado na sua extremidade superior, que é construído de forma a restringir contaminação pelo ar externo e possui entrada para adição contínua ou intermitente de reagentes, proporcionando o refluxo do(s) vapor(es) do(s) solvente e do(s) ácido(s), de modo a aproveitar ao máximo a capacidade de digestão e minimizar as perdas de reagentes. As operações são realizadas com segurança nos equipamentos modernos, tomadas as precauções recomendadas pelos fabricantes. No primeiro equipamento usando microondas com radiação focalizada, projetado em 1986, um único frasco de digestão era colocado diretamente no guia de ondas, logo após o magnetron, de tal forma que somente a região do frasco onde a amostra era colocada ficasse exposta ao feixe de radiação. Como o restante do frasco permanece mais frio, cria-se uma região para condensação e refluxo. Segundo diversos autores, essa seria a razão de não ocorrer perdas por volatilização, apesar deste aspecto ainda ser controverso na literatura. No entanto, foram relatados estudos que demonstram a recuperação total de Hg, [Tseng et al., 1998], As [Vilano & Rubio, 2001] e Pb, Cd, Cu e Zn [Garcia-Rey et al., 2003]. Nos equipamentos modernos um condensador é situado na porção superior do frasco, como forma de forçar a condensação e evitar a perda de elementos potencialmente voláteis (Figura 8.15). Oferecem a possibilidade de se trabalhar simultaneamente com até 6 amostras diferentes com um único guia de ondas; simultaneamente com 4 frascos de digestão, utilizando 1 magnetron independente por tubo; e seqüencialmente, com frascos posicionados em um carrossel contendo as amostras de diferentes composições químicas, passando um tubo de cada vez pelo guia de ondas. Como os tubos são abertos, com entrada para diferentes reagentes, é possível fazer um programa de digestão diferente e totalmente independente para cada amostra. A potência do forno microondas com radiação focalizada varia de 200 a 300 W para cada frasco de digestão. Cumpre lembrar que as microondas estão confinadas em um guia com dimensões reduzidas (cerca de 109 x 54 mm ou 86 x 43 mm) de acordo com a IEC (International Electrotechnical Commission). Assim, nesse caso, potências de 200 W direcionam maior densidade de energia às amostras, gerando maior eficiência de aquecimento, em comparação aos sistemas de digestão por cavidade, com dimensões aproximadas de 30 x 30 x 30 (em cm) [Nóbrega et al., 2001]. De acordo com o fabricante, aumento de eficiência de até 10 vezes na interação amostra radiação microondas pode ser obtido com o uso de sistema com radiação focalizada quando comparado com o sistema por cavidade. Digestões realizadas nos fornos com radiação focalizada podem ser feitas com o emprego de H2SO4, cujo uso é limitado nos frascos de digestão fechados, face ao elevado ponto de ebulição deste ácido.


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Figura 8.15. Sistema de digestão microondas com radiação focalizada. Os sistemas de decomposição assistidos por microondas com radiação focalizada operam em pressão atmosférica, não apresentando problemas associados com o aumento de pressão, como nos sistemas fechados. Neste sistema, além da possibilidade de utilização de até 10 g de amostra, a adição de reagentes em qualquer estágio do processo de decomposição é feita sem dificuldades. Essa adição de reagentes em qualquer momento do procedimento pode ser benéfica em relação à eficiência da digestão, constituindo-se em uma grande vantagem frente aos sistemas fechados, onde a adição de reagentes não pode ser realizada facilmente nos equipamentos comerciais disponíveis, havendo a necessidade de resfriamento antes da abertura dos recipientes. Outra alternativa deste tipo de sistema é a possibilidade de se vaporar uma mistura reagente até a secura rapidamente e eficientemente, particularmente interessante para a remoção de HF após a decomposição de amostras geológicas. Medidas de temperatura são possíveis, bem como o controle desta, podendo-se estabelecer programas pré-definidos após a calibração do equipamento. Um aspecto interessante dos sistemas focalizados refere-se à capacidade de aplicar métodos variados para diferentes amostras simultaneamente, devido à possibilidade de operar cada frasco independentemente. Além disso, a incidência da radiação microondas em baixas potências possibilita a aceleração da lixiviação de compostos organometálicos, sem afetar a ligação metal-carbono ou ainda, a extração de compostos orgânicos [Nóbrega et al., 2001].



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A B magnetron

amostra amostra

guia de ondas sensor infravermelho

Sensor infravermelho

Figura 8.16. Sistema de decomposição por via úmida “aberto” com aquecimento por microondas com radiação focalizada (A); e frasco normalmente utilizado com condensador (B).

A principal dificuldade da decomposição empregando microondas com radiação focalizada é a distribuição uniforme da radiação entre todas as cavidades quando estas são operadas simultaneamente e a elevada concentração ácida das amostras após a decomposição [Costa et al, 2001]. O primeiro aspecto não é tão crítico, pois o controle da liberação da radiação de microondas para cada cavidade está baseada na temperatura do frasco de reação, que é controlada com sensor de infra-vermelho. Por outro lado, a concentração ácida é alta, devido à utilização de grandes volumes de ácido sulfúrico para aumentar a temperatura da mistura reagente, como comentado anteriormente. Esse problema pode ser contornado por mudanças realizadas durante a operação do sistema. Visando aumentar a aplicabilidade, diferentes estratégias foram propostas, tais como a digestão ácida em fase vapor [Araújo et al. 2000; Trevizan et al., 2003; Araújo et al., 2003], o emprego de digestão em linha, com o uso de sistemas em fluxo [Filli et al., 2003] e a adição de amostras ao ácido pré aquecido [Nóbrega et a l., 2002a; Nóbrega et al., 2002b; Santos et al., 2005]. Essas estratégias serão discutidas em mais detalhes no próximo item deste capítulo.


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A decomposição em sistema aberto, assistida por microondas com radiação focalizada foi também proposta para a extração de alguns elementos e compostos organometálicos para posterior especiação de Se em urina [Gonzalez et al., 1998], Sn em sedimentos [Chao & Jiang, 1998], Hg em peixes [Gerbersmann et al., 1997] e As em cogumelos comestíveis [Larsen et al., 1997]. Outras aplicações encontradas na literatura referem-se ao emprego na decomposição de amostras orgânicas e inorgânicas, para posterior determinação de Hg em cosméticos [Gámiz-Gracia & Luque de Castro, 1999a], Se em suplementos nutricionais e xampus [Gámiz-Gracia & Luque de Castro, 1999b] e Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Ni, Pb e Zn em cinzas de incineração [Fournier et al., 1997]. Além disso, equipamentos como o “Discover System” (CEM Corporation, USA), srcinalmente desenvolvidos para sínteses orgânicas, podem também ser empregados para o preparo de amostras. O sistema de operação deste equipamento também é baseado na radiação focalizada diretamente nas amostras, em um sistema circular inserido em uma cavidade projetado de tal maneira que direciona a energia microondas a uma área definida. As condições de reação são reprodutíveis e controladas e pressões da ordem de 25 atm podem ser obtidas. Uma desvantagem deste sistema é que o equipamento é operado com apenas um frasco de amostra por vez.



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8.4. APLICAÇÕES E TENDÊNCIAS O tratamento de amostras para a dissolução mediante o aquecimento com radiação microondas tem demonstrado ser um processo mais rápido, eficiente e seguro em comparação ao aquecimento convencional. Além disso, o uso de recipientes fechados durante o tratamento com microondas minimiza as possibilidades de contaminação das amostras e diminui o número de reagentes necessários para converter a amostra em uma solução, tornando-a adequada para a determinação dos analitos de interesse. Uma grande variedade de amostras, desde fluidos biológicos até materiais para catalisadores, passando por amostras de interesse geológico, metalúrgico, águas residuais, efluentes industriais, alimentos e polímeros, já foram testadas em sistemas assistidos por microondas. Coletânea de métodos é oferecida pela maioria dos fabricantes desses sistemas. Não obstante, convém lembrar que os conhecimentos sobre os fundamentos clássicos dos métodos de digestão são decisivos para o sucesso das reações químicas assistidas por microondas. Boa parte destes fundamentos são apresentados nos ítens iniciais desta monografia, mas recomenda-se visitar o SamplePrep Web da Duquesne University sob a direção do Professor "Skip" Kingston: http://www.sampleprep.duq.edu/sampleprep/ A existência no mercado de um grande número de fabricantes de fornos de microondas projetados especificamente para uso em laboratório, é uma indicação do sucesso deste tipo de aplicação. Os equipamentos foram e vêm sendo constantemente aperfeiçoados, permitindo que se realizem as digestões com eficiência, rapidez e segurança. Em futuro próximo, sistemas de análise em fluxo contínuo deverão estar disponíveis comercialmente. Além dos equipamentos com 6 a 12 frascos, dependendo do fabricante, que trabalham sob altas pressões, também existem alternativas disponíveis que trabalham simultaneamente com 24, 42, 48 e até 50 frascos, normalmente trabalhando a pressão média e que apresentam diferentes configurações e alternativas de segurança. Enquanto que os rotores que trabalham com 6 frascos são resistentes a pressões de até 100 atm, os rotores que operam com números intermediários, tais como 12, 24, 42 operam com pressões tipicamente por volta de 30 atm. Os rotores que operam com até 50 amostras o fazem as pressões atmosféricas, sendo indicados para laboratórios que trabalham com amostras facilmente digeridas. Outra opção são mini-frascos comercializados em Teflon™ (6 ml) e quartzo (3 ml) e que são inseridos nos frascos de digestão de 100 ml, aumentando o número de amostras simultaneamente processadas. Esses mini-frascos operam em temperaturas de até 240 °C, podendo atingir 30 atm de pressão. Além da vantagem do © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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maior número de amostras, esses frascos são ideais quando se trata de amostras pequenas (pequena massa ou volume), pois perdas são evitadas, além de se utilizar reduzido volume de reagentes, sendo que o fator de diluição também é otimizado. Esses novos acessórios apresentam-se atraentes para serem empregados em laboratórios de rotina, onde um grande número de amostras é processado diariamente, normalmente com o emprego de blocos digestores com aquecimento convencional.

8.4.1. Uso combinado de radiações microondas e ultravioleta A decomposição em sistema fechado assistida por microondas em altas temperaturas empregando radiação ultravioleta foi proposta por Florian & Knapp [ 2001] (Figura 8.17). Tal sistema foi desenvolvido visando uma completa decomposição, com a geração de menor teor de carbono orgânico dissolvido. Esse carbono dissolvido normalmente é encontrado após a grande maioria dos procedimentos de decomposição, que posteriormente pode agir como interferente na determinação de elementos por ICP-MS [Krachler et al., 1996; Begerov et al., 1996] e FAAS [Golimowski & Golimowski , 1996]. Na proposta os autores introduziram uma lâmpada de descarga sem eletrodos, que é colocada no interior do frasco de digestão e é ativada pela irradiação de microondas. A lâmpada é construída em quartzo, sendo preenchida com vapor de cádmio (linha de emissão predominante em 228 nm) e apresentando uma antena na parte superior da lâmpada feita de molibdênio (Figura 8.17). Cerca de 75 mg de leite desnatado eram transferidos para um frasco de decomposição de quartzo, seguidos de 7 ml de água e 50 µl HNO3 mais 50 µl HCl, ambos concentrados. Imediatamente antes de fechar o frasco, 1 ml de H 2O2 era adicionado. O sistema era então irradiado com microondas por 30 min, sendo mantido na pressão de 72 bar durante a decomposição. Após resfriamento do sistema, era feita a aferição à 10 ml com água. Segundo os autores, o tempo de decomposição da amostra no sistema comparado aos sistemas tradicionais de decomposição por radiação ultravioleta foi reduzido por um fator de 5 vezes, enquanto que a concentração inicial de carbono orgânico dissolvida é reduzida por um fator de 50 vezes. Boa concordância foi encontrada na determinação de Cd, Cu, Fe e Pb em material de referência certificado de leite desnatado (IRMM, CRM 151).



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Figura 8.17. Sistema fechado de decomposição assistida por microondas em altas temperaturas e radiação ultravioleta. 1- desenho esquemático do sistema de decomposição com lâmpada UV; a- plug; b- disco de ruptura; c- tampa de vedação; d- tampa com rosca; eradiação de microondas; f- revestimento de PEEK; g- frasco de decomposição de quartzo; h- lâmpada de descarga sem eletrodos; i- radiação ultravioleta; j- base do copo; k- fluxo de ar; 2- frasco de quartzo com a lâmpada UV; 3- rotor e o sistema de decomposição [Florian & Knapp, 2001].

8.4.2. Uso de radiação microondas em frascos fechados com sistema de pressurização externa Sistema de decomposição fechado foi desenvolvido, empregando-se microondas focalizadas para decompor amostras com maior eficiência [ Matusiewicz, 1994]. O sistema é capaz de suportar temperaturas e pressões de até 300 °C e 100 bar, respectivamente, o que é necessário para a completa destruição de todos os tipos de materiais orgânicos, utilizando-se apenas HNO3, conforme previamente enfatizado por Würfels et al. [1989]. O sistema apresenta algumas vantagens em relação à decomposição assistida por microondas, pois os frascos de PTFE normalmente empregados neste procedimento não podem suportar tal temperatura. Levine et al. [1999] fizeram uma avaliação do desempenho desse sistema na decomposição de amostras botânicas, biológicas e geológicas. O tempo © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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necessário de decomposição para amostras botânicas foi de cerca de 10 min, enquanto que para amostras geológicas e biológicas foi de aproximadamente 15 min. Produtos orgânicos de decomposição não-voláteis, normalmente presentes nas soluções decompostas por procedimentos convencionais, estão ausentes ou significativamente reduzidos quando o sistema é empregado para decomposição. A versão do sistema proposto por Matusiewicz [1999] permite atingir temperaturas e pressões de até 320°C e 120 bar, além de possibilitar a decomposição de até 6 amostras simultaneamente (Figura 8.18).

A

B

Figura 8.18. Sistema de decomposição com HNO 3 sob pressão a 320°C com aquecimento por microondas focalizado (HPA-FM). A) 1- sistema de antena; 2- frasco de decomposição de quartzo com tampa; 3- suporte; 4- câmara de alta pressão; 5- entrada de gás; 6- saída de gás; 7- anel de ajuste; 8- tampa de proteção; 9- disco de ruptura de metal; 10- câmara de expansão; 11- tubo e disco de segurança. B) 1- frasco de digestão de quartzo; 2vedante de PTFE; 3- tampa de quartzo; 4- mola de tungstênio; 5- tampa de PTFE.[ Matusiewicz, 1994] Em trabalho realizado em 1995, Légère & Salin [1995] discutiram diversos procedimentos para a decomposição de amostras. Os autores propuseram um sistema de decomposição baseado no encapsulamento de amostras e decomposição em microondas sob pressão. A cápsula, feita de poliacrilamida, com 70 mg de peso e 2 ml de capacidade contendo a amostra, era colocada em um tubo de PTFE-PFA em forma de "U" (9,5 mm d.i.), © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.


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que suportava temperaturas de até 200 oC, com válvulas para fechamento nas extremidades. A remoção da amostra decomposta era feita com uma haste flexível de PTFE (a mesma empregada para a colocação da cápsula). O sistema é facilmente mecanizável. Outra vantagem é que o diâmetro interno do tubo era relativamente grande, não ocasionando problemas de seccionamento da amostra, pois as bolhas saem da solução com facilidade (até os gases são aquecidos).

8.4.3. Uso de mini-frascos As condições ótimas para a decomposição de amostras em análise de traços foram estabelecidas, há mais de vinte anos, através de um extenso trabalho publicado por Tölg, em 1972. Entre estas podem ser citadas: uma relação favorável entre a quantidade de amostra e a superfície do recipiente, emprego de um mínimo excesso de reagentes que possam ser facilmente purificados e trabalho em uma atmosfera limpa. Em trabalhos mais recentes, estas assunções tem sido confirmadas e, atualmente, os métodos analíticos requerem: (i) o emprego de pequenas quantidades de reagentes (de alto grau de pureza); (ii) que a relação entre a superfície do frasco e a da amostra seja a menor possível; ( iii) que materiais inertes sejam empregados como recipientes; (iv) a facilidade de processamento de grande número de amostras; e (v) a miniaturização. Normalmente, técnicas morosas não são apropriadas para o manuseio de um número elevado de amostras. Em adição, o uso de sistemas fechados é preferido e, em alguns casos, a matriz orgânica deve ser completamente decomposta. Se todas as etapas do procedimento analítico, desde a tomada da amostra, pudessem ser feitas sempre no mesmo recipiente, os riscos de perdas e de contaminação seriam reduzidos ao mínimo. A coleta, a pesagem e a preservação da amostra poderiam ser feitas in loco e, do transporte ao laboratório até a medida final, os procedimentos poderiam ser feitos com facilidade, simplicidade e segurança. De acordo com estes conceitos, Sperling [1984] desenvolveu um procedimento para a decomposição de amostras ambientais e posterior determinação de Cd por espectrometria de absorção atômica com forno de grafite (GFAAS). A decomposição era feita em frascos fechados de polipropileno (1,5 e 4 ml de capacidade), aquecidos a 70 °C por uma noite. O procedimento consistia na decomposição da amostra com mistura ácida (H2SO4 + HNO3 : 1 + 4 v/v) e aferição de volume no próprio frasco usado para a decomposição; a proporção de ácido era de 50 µl para cada 5 mg de amostra. Segundo o autor, com esse procedimento era possível o processamento de um grande número de amostras de cada vez e elevada sensibilidade, já que a amostra não era excessivamente diluída durante o procedimento. Campos [1988] © Francisco José Krug, [email protected]. VI Workshop sobre Preparo de Amostras, Santa Maria, 2006.

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adaptou este procedimento para a decomposição de amostras de vegetais e determinação de Cd, Cu e Pb por GFAAS: até 5 mg de amostra + 50 µl de mistura sulfonítrica (H2SO4 + HNO3 : 1 : 3 v/v) e aquecimento em estufa, à 80 oC, por 12 horas. O autor observou boa concordância entre os valores encontrados e valores para material de referência certificado, Spinach leaves: 91,7% (Cd), 95,1% (Pb) e 108% (Cu), atribuindo a variação à pequena massa de amostra utilizada. Com base nestes trabalhos, Flores [1997] propôs a decomposição de amostras de erva-cidreira e fígado bovino empregando recipientes fechados de polipropileno para as etapas de decomposição, diluição e, mesmo, de determinação de Cr e Cu por GF AAS e Se por HG AAS. A decomposição foi realizada em meio 80 µl de ácido sulfúrico e 150 µl de ácido nítrico concentrados, com aquecimento em estufa ou em forno de microondas doméstico, com prévia calibração de potência. A concordância entre os resultados encontrados pelo autor com os referidos para amostras certificadas foi de 86 a 98% para todos os elementos empregando-se a decomposição em estufa. Com aquecimento com microondas, a concordância foi de 95 a 98 % para Cr e Cu. Para Se, com aquecimento com microondas, a concordância foi de 57% para fígado bovino e 82% para farinha de arroz. Neste caso, o princípio do “ frasco único” foi empregado em quase sua totalidade. Posteriormente, Flores et al. [2001] desenvolveram um procedimento para a determinação de As em amostras de cabelo, também empregando uma estufa convencional e um forno de microondas doméstico para o aquecimento. A determinação de As em amostras biológicas por espectrofotometria de absorção atômica com geração de hidretos (HGAAS) é sujeita a problemas devido à dificuldade de decomposição de espécies orgânicas contendo As, que não são detectadas pelos sistemas convencionais. Para isto, agentes oxidantes fortes, aliados a sistemas pressurizados, precisam ser empregados. Entretanto, no sistema proposto, apesar das condições relativamente brandas e da decomposição não ser completa (25 a 40% de carbono residual), não houve interferências na recuperação do analito. O emprego de frascos de polipropileno fechados é adequado para a decomposição por via úmida de amostras biológicas (Figura 8.19). O procedimento mostra-se apropriado para a decomposição de um grande número de amostras, de maneira simples e com menor consumo de reagentes (da ordem de µl), mínima diluição, além de ser comparável a outros procedimentos descritos na literatura. Além disso, a facilidade de manuseio e pelo fato de serem descartáveis, torna seu emprego atraente para análises de rotina. As possibilidades de contaminação são minimizadas, pois após a adição dos reagentes o frasco só é aberto para a etapa de diluição e de determinação.



259

4,7 cm

Figura 8.19. Minifrasco de polipropileno empregado para decomposição de amostras biológicas [Flores et al., 2001].

8.4.4. Decomposição de amostras empregando ácidos diluídos Na decomposição de amostras empregando radiação microondas, o tipo de ácido, assim como sua quantidade são importantes parâmetros a serem considerados, seja por razões de segurança (por exemplo, uso de ácido sulfúrico em frascos poliméricos em sistemas fechados, devido a seu alto ponto de ebulição, ou ácido perclórico, que apresenta perigo de explosão quando os vapores do ácido reagem com vapores orgânicos), ou mesmo de eficiência de digestão. Ácido nítrico é o mais utilizado, sendo normalmente adicionado na forma concentrada, sendo indicado para a decomposição de amostras orgânicas, dependendo dos teores da matriz da amostra, entre 0,4 a 2,0 ml por 200 mg de amostra [Kingston & Haswall, 1997]. A possibilidade de se diminuir a quantidade de reagentes adicionados durante a reação é atrativa por diversos fatores, entre eles a segurança, a geração de resíduos, os custos e a redução dos valores do branco. Além disso, a geração de soluções com menor acidez é interessante quando se trata de determinação empregando sistemas de nebulização da amostra. Soluções ácidas diluídas também previnem a ocorrência de danos aos equipamentos. A adição de moléculas de água ao sistema microondas é interessante, em função da alta capacidade calorífica da água, o que facilita o aquecimento. Além disso, pode prevenir a formação de sais insolúveis que poderiam ser formados com o emprego de HNO3 concentrado e elevações bruscas de pressão e temperatura em sistemas com cavidade, agindo como um amortecedor.


260


Apesar de serem inicialmente propostos para extrações de elementos inorgânicos, os ácidos diluídos são também empregados para digestões por via úmida ou via seca. Na literatura podem ser encontrados trabalhos que utilizam os ácidos nítrico e clorídrico, sendo que o HNO3 diluído é o mais freqüentemente utilizado [Wietska et al., 1996; Chow et al., 1995; Zhou et al., 1996]. Além do ácido nítrico, peróxido de hidrogênio, H 2O2 30%, m/v é normalmente utilizado como agente oxidante auxiliar durante a decomposição assistida por radiação microondas [Kingston & Haswall, 1997], sendo que a combinação de H 2O2 e HNO3 diluído também foi avaliada, e concentrações tão diluídas quanto 2 mol l-1 de HNO3 apresentou-se eficiente para a decomposição de amostras de plantas. Resíduos orgânicos resultantes dessas decomposições, analisados por espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), confirmaram que em função das altas temperaturas obtidas nos sistemas fechados, um ambiente oxidante é obtido, mesmo com soluções de ácido nítrico diluído. Quando comparados, o espectro após digestão com HNO 3 2 mol l-1 é mais simples que o obtido com HNO314 mol l-1, indicando que o emprego de ácidos concentrados resulta na ocorrência de reações de oxidação mais aleatórias, o que provavelmente seja a causa para a formação de produtos de decomposição mais complexos. [Araújo et al., 2002]. A possibilidade de redução dos volumes de reagentes é atrativa devido à possibilidade de minimização da quantidade de resíduos gerados, redução nos custos, obtenção de menores valores de branco e digeridos mais apropriados para introdução por nebulizadores em equipamentos de análise. Está claro que o aumento de pressão dentro do frasco de reação promove a elevação do ponto de ebulição da mistura de digestão ácida e a elevação de seu potencial oxidante. Conseqüentemente, as reações de oxidação são favorecidas e mais rápidas nessas condições. No entanto, também é necessário que os processos químicos envolvidos sejam considerados quando se considera uma explicação sobre a eficiência das decomposições quando ácidos diluídos são empregados. Durante a oxidação dos compostos orgânicos da amostra pela ação do HNO 3 ocorre a formação de NO gasoso. O NO é removido do meio reacional aquecido e reage com o O 2 presente na fase gasosa do frasco de reação. A seguir, o NO 2 é gerado e reabsorvido na solução, resultando na formação de NO3- e NO, sendo que o ciclo de reação se repete, até que não haja a presença de O 2 na fase gasosa do sistema [Nekrásov, 1981, Lee, 1996]. 2 NO(g) + O2 2 NO2(g) + H2O(l) HNO2

⇒

⇒ ⇒

2 NO2(g) HNO3 + HNO2

H2O + NO 2 + NO



261

8.4.5. Combustão iniciada por microondas em sistema fechado para a decomposição de amostras biológicas O processo de combustão srcina-se da interação de fenômenos físicos e químicos. Dentre os fenômenos químicos, estão a ocorrência de reações exotérmicas, as ondas de detonação e a emissão de luz. Já os fenômenos físicos envolvem, principalmente, o transporte de matéria e energia, como a condução de calor e a difusão das espécies químicas. Normalmente estão envolvidos dois componentes principais, o combustível e o oxidante. Um sistema simples de combustão pode ser aquele que ocorre com materiais prémisturados em forma gasosa, sendo aquecido lentamente em um sistema fechado. Se A temperatura fornecida não ultrapassar um determinado valor, o calor produzido pela reação será dissipado através das paredes do recipiente [Barnard & Bradley, 1985]. Entretanto, quando este valor é ultrapassado, dependendo das propriedades físicas dos reagentes e do recipiente, a taxa de liberação de energia oriunda da reação pode exercer a taxa de perda através das paredes do recipiente. Se isso acontecer, a temperatura irá aumentar, consequentemente, aumentando a velocidade da reação e a taxa de liberação de energia da reação. Sendo assim, a reação será acelerada indefinidamente (de acordo com o sumprimento adequado de reagentes), levando a uma explosão [Mesko, 2004]. Os procedimentos de combustão, normalmente, envolvem a ação direta do oxigênio como oxidante da matéria orgânica, diferentemente dos procedimentos por via úmida, que utilizam ácidos inorgânicos. Isso pode ser visto como uma vantagem, principalmente no caso do oxigênio, que apresenta mínimos teores de elementos traço. A combustão para o preparo de amostras pode ser feita em sistemas abertos [Hoening et al., 1998] ou fechados [Souza et al., 2001], que utilizam altas temperaturas, mas também pode ser realizada a baixas temperaturas [Anderson, 1987]. Recentemente foi proposto procedimento de digestão de amostras orgânicas baseado na combustão da amostra cuja ignição é iniciada por radiação microondas [Flores et al., 2004; Mesko, 2004]. O sistema foi avaliado para a decomposição de fígado bovino e leite em pó, apresentando eficiência para a recuperação de analitos e resultando baixos teores de carbono residual, rapidez e baixo consumo de reagentes. Além disso, o suporte da amostra pode ser inserido em frascos comerciais de quartzo (Figura 8.20) e a seguir adaptado a equipamentos comerciais, com poucas modificações (Figura 8.21).


262


Entrada/escape de gases Válvula para escape de gases 20 mm Suporte de quartzo para a amostra

13 mm 13 mm

Solução absorvedora

50 mm

Figura 8.20. Sistema de decomposição por combustão iniciada por microondas e detalhe do suporte de quartzo [Flores et al., 2004].

Mesko [2004] avaliou diferentes modelos de suporte de quartzo para a amostra, optando por um modelo suspenso na parte superior do frasco de decomposição, possibilitando uma etapa de refluxo e a proteção da tampa do frasco da chama gerada durante o processo de combustão. A amostra é prensada na forma de pellet e colocada sobre um disco de papel na base do suporte, ao qual foi adicionada solução de nitrato de amônio, utilizado como iniciador do processo de combustão. Ao frasco de digestão de quartzo era adicionada uma solução absorvedora de analitos, água ou ácido nítrico. O sistema, fechado e pressurizado com oxigênio, era colocado no interior de um forno de microondas comercial (Figura 8.21). Uma vez iniciada a irradiação, o tempo necessário para o início da combustão foi de cerca de 3 s. O tempo de irradiação com microondas foi de 30 s e o tempo de combustão para 100 mg da amostra de aproximadamente 10 s. O sistema foi aplicado para a determinação de Cu e Zn em amostras certificadas de fígado bovino e leite em pó, tendo-se obtido resultados superiores a 96 % de recuperação. O teor de carbono residual foi inferior a 1,3% após a combustão das amostras e inferior a 0,4 % quando foi feita a etapa de refluxo.



a

263

b

Figura 8.21. (a) Proteção do frasco de quartzo com corte frontal para visualização do processo de combustão da amostra e (b) ilustração da visualização do processo de combustão [Mesko, 2004] A técnica de combustão iniciada por radiação microondas, além das vantagens sobre outras técnicas convencionais de combustão apresenta algumas particularidades específicas que podem ser assim relacionadas: i) permite a combustão de até 500 mg de amostra em um frasco de volume relativamente pequeno; ii) o frasco usado para decomposição por via úmida convencional é o mesmo usado nesta técnica e nenhuma alteração no modelo do frasco, partes do rotor e sistemas de controle de pressão são necessários; iii) até oito amostras podem ser simultaneamente queimadas no forno de microondas comercial (Multiwave 3000), aumentando a freqüência analítica; iv) para a ignição da amostra, a técnica usa a radiação microondas convencionalmente aplicada na decomposição por via úmida, não havendo a necessidade da utilização de aparatos como eletrodos metálicos ou lâmpadas de radiação infravermelha; v) a etapa de descontaminação é executada de forma rápida, utilizando a etapa de aquecimento da decomposição convencional; vi) os valores obtidos para os brancos são, relativamente, baixos; vii) a temperatura atingida durante a combustão é da ordem de 1300 °C, assegurando a completa destruição da matriz orgânica, mesmo de compostos relativamente estáveis (p.ex., arsenobataína); viii) ao contrário dos sistemas envolvendo a bomba de combustão e frasco de Schöniger, a técnica de combustão assistida por microondas permite que uma etapa de refluxo seja feita após a combustão, o que assegura uma eficiente remoção de partículas que possam ter ficado aderidas às paredes internas do frasco, além de, dependendo da solução de refluxo, auxiliar na decomposição de material não decomposto (ácido nítrico concentrado pode ser usado sem danos ao sistema).


264


Entre aos inconvenientes que podem ser esperados, estes são similares aos sistemas convencionais (p.ex., Trace-O-Mat), tais como a possível adsorção de analitos no suporte de quartzo e a necessidade de que as amostras sejam prensadas previamente à queima. 8.4.6. Decomposição com radiação focalizada - métodos alternativos Com já anteriormente discutido, a digestão empregando microondas com radiação focalizada apresenta-se como uma alternativa bastante interessante quando se trabalha com grandes massas de amostras orgânicas. No entanto, a elevada acidez do digerido pode resultar em dificuldades analíticas quando técnicas espectroscópicas de determinação são empregadas [Nóbrega et al., 2001]. A seguir são apresentadas estratégias que podem ser aplicadas para diminuir a concentração ácida dos digeridos, com concomitantes redução do branco analítico e no consumo de reagentes, e obtenção de baixos teores de carbono residual. Decomposição em fase vapor A decomposição em fase vapor é uma alternativa para se evitar a contaminação por reagentes e do ambiente do laboratório. Consiste basicamente no contato da amostra com atmosfera enriquecida por vapores ácidos obtidos a partir do aquecimento do ácido ou da mistura ácida. As condições de decomposição previnem a volatilização de contaminantes presentes nos ácidos e a amostra é decomposta sem contato direto com o ácido na forma líquida [Povondra, 1992], ocorrendo simultaneamente a decomposição da amostra e a purificação do ácido, resultando em diminuição nos valores de brancos e no consumo de ácido [Matusiewcz, 1991]. Matusiewicz et al. [1989] foram os primeiros a utilizar a decomposição em fase vapor para a decomposição assistida por microondas por cavidade, reduzindo o tempo de preparo das amostras. Outros sistemas foram propostos a seguir [Amarasiriwardena et al., 1998; Eiola & Peramaki, 2001], sendo que adição de uma pequena alíquota de água às amostras, facilitando a absorção da radiação microondas, possibilitou uma eficiente decomposição de amostras biológicas em aproximadamente 18 min [Amarasiriwardena et al., 1998]. Outro emprego dos sistemas em fase vapor é na limpeza de materiais para se evitar contaminação [Barnes et al., 1998], existindo um sistema comercial automático de refluxo com controle programável de temperatura e tempo de aquecimento (TraceClean System, Milestone), que emprega esta alternativa [Richter, 2003].



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A decomposição em fase vapor também foi adaptada a sistemas de decomposição microondas com radiação focalizada. Para isso, um suporte confeccionado em PTFE, equipado com 3 ou 4 mini-frascos para a colocação das amostras foi desenvolvido e adaptado ao frasco de vidro do forno. Na Figura 8.22 é apresentado o suporte contendo 4 mini-frascos. Solução contendo somente ácido nítrico [Araújo et al., 2000; Araújo et al., 2003], ou uma mistura contendo ácido nítrico e ácido sulfúrico [Trevizan et al., 2003], foi aquecida para a geração dos vapores ácidos.

Figura 8.22. Suporte e mini-frascos confeccionados em PTFE desenvolvido para a decomposição em fase vapor em sistema microondas com radiação focalizada [Araújo et al., 2000].


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Amostras biológicas foram pesadas diretamente nos mini-frascos e receberam agente oxidante (peróxido de hidrogênio ou hipoclorito de sódio). A seguir os mini-frascos eram adaptados à haste do suporte, que era inserida no frasco de vidro do equipamento contendo a solução ácida no fundo, sendo então iniciada a digestão em fase vapor. Após as decomposições, os mini-frascos foram diretamente transferidos para o auto-amostrador de espetrômetro de absorção atômica com forno de grafite (GFAAS), sendo determinados ferro e cobalto. Visando maior aplicabilidade, frascos com maior volume interno possibilitaram a determinação de diferentes analitos por espectrometria de emissão óptica com plasma acoplado (ICP OES) [Trevizan et al., 2003]. Para se evitar que diferentes resultados fossem obtidos em função das diferenças de temperatura resultante ao longo do frasco de digestão (os experimentos demonstraram que apenas o frasco inferior recebia a radiação microondas), foi adicionado hipoclorito de sódio que, em meio ácido, forma o gás cloro, um agente oxidante bastante efetivo, conforme pode ser observado na equação descrita a seguir: OCl- + H+ ⇒ HOCl HOCl + H+ + Cl- ⇒ Cl2 + H2O

Comparando-se o potencial de redução entre os 2 agentes oxidantes, H2O2 e HOCl [Weast, 1984], conclui-se que as duas reações são favoráveis em meio ácido, porém a decomposição de H2O2 forma somente moléculas de água como produto, enquanto que a decomposição de HOCl forma também Cl2, aumentando o poder oxidante da reação:

H2O2 + 2 H+ + 2 e- ⇔ 2 H2O

E0 = 1.78 V

2 HOCl + 2 H+ + 2 e- ⇔ Cl2 + H2O

E0 = 1.61 V

Cl2 + 2 e- ⇔ 2 Cl-

E0 = 1.36 V

No entanto, a escolha do melhor agente oxidante irá depender das características das amostras, tais como teor de gordura ou proteína.



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Utilização de mini-frascos pra decomposição de amostras líquidas Baseando-se no princípio do frasco único para execução de todo procedimento analítico, foi proposto um suporte de PTFE ao qual são adaptados 4 mini-frascos de polipropileno de 5 ml. Esse suporte era fixado em uma haste para permitir a introdução dos mini-frascos no interior do frasco de vidro do equipamento [Tan et al., 2001; Oliveira, 2003]. Esses frascos tiveram sua parte superior especialmente adaptada para a introdução da haste com as amostras (Figura 8.23)

guia de ondas

mini-frascos – amostras

Figura 8.23. Posicionamento dos mini-frascos de PTFE para digestão de amostras em forno microondas com radiação focalizada [Tan et al., 2001; Oliveira, 2003].

Com o sistema proposto, foi possível a determinação de Cu, Fe e Zn em amostras de fígado bovino e folhas de vegetais, e de Cu, Fe, Zn, Mn e Se em amostras de cabelo [Oliveira, 2003].


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Adição gradual da amostra ao reagente pré-aquecido O procedimento convencional de decomposição assistida por microondas com radiação focalizada consiste na adição de reagentes concentrados sobre a amostra e então a mistura é aquecida. Todavia, é possível a obtenção de um meio reacional mais drástico se a amostra for adicionada ao ácido ou mistura de ácidos já previamente aquecidos, ocasionando a decomposição em meio ácido mais concentrado, pois o ácido estará sempre em excesso em comparação à amostra, ou seja, o ácido está menos diluído pela amostra do que no procedimento convencional [Nóbrega et al., 2002a; Nóbrega et al., 2002b; Santos et al., 2005]. Nesta proposta, o reagente é aquecido até seu ponto de ebulição e então são adicionadas gradualmente alíquotas da amostra, sendo que cada porção adicionada é digerida antes da adição da próxima alíquota. Essa estratégia permite a redução do tempo envolvido e a decomposição de uma grande quantidade de amostra, mesmo com menores volumes de ácido, permitindo a obtenção de menores valores de branco e melhor sensibilidade. O bom desempenho deste tipo de decomposição provavelmente esteja relacionado à reatividade dos radicais gerados durante o aquecimento dos ácidos concentrados e à reação exotérmica durante a decomposição, que irá aumentar ainda mais a velocidade de aquecimento do meio reacional. Deve-se tomar cuidado com esse tipo de reação para se evitar acidentes. Não é recomendado que se execute esse procedimento em sistemas abertos, como chapas aquecedoras, blocos digestores ou banhos de areia, nos quais o analista é quem realiza o processo de adição da amostra.

No caso da proposta desenvolvida, foi utilizado sistema comercial, que conta com acessório que realiza a adição automática de reagentes de forma gradual e controlada, nesse caso empregado para a adição das amostras. Para se evitar contaminação entre as amostras, deve ser estabelecida uma etapa de limpeza. Amostras de leite bovino e de óleo foram eficientemente decompostas empregando esse procedimento. Como exemplo, 5 ml de leite foram gradualmente adicionados (10 alíquotas de 0,5 ml) sobre uma mistura ácida pré-aquecida contendo 3 ml de HNO3 + 1 ml H2SO4, sendo que H2O2 foi adicionado nas etapas finais do procedimento. O procedimento proposto permite a decomposição de uma maior massa de amostra e utiliza um menor volume de reagentes, em comparação ao procedimento convencional empregando forno microondas com radiação focalizada. No



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exemplo anterior, normalmente é recomendada a utilização de 2,5 ml de leite. No entanto, foram empregados com sucesso 5 ml, sendo que maior eficiência é obtida quando a adição é realizada em 10 aliquotas de 0,5 ml do que em 2 aliquotas de 2,5 ml, sendo o volume de ácido utilizado reduzido de 10 para 3 ml (HNO 3) e de 3 para 1 ml (H2SO4). Com essa estratégia, a acidez final foi cerca de 2,4 vezes inferior ao método convencional e o carbono orgânico residual foi reduzido de 20% para aproximadamente 2% [Santos et al., 2005]. O mesmo procedimento foi empregado para a decomposição de óleo diesel. Nesse caso, para um volume de 2 ml de óleo diesel decomposto nas mesmas condições houve a redução de 19 ml HNO3 + 10 ml H2SO4, ambos concentrados, para 5 ml HNO 3 + 1 ml H2SO4. Isso indica que a solução final apresenta-se menos ácida e poderá ser menos diluída antes da determinação, melhorando a sensibilidade. Como alternativa para se contornar problemas relacionados a amostras viscosas ou mesmo a contaminação entre amostras, foi proposta a adição das amostras previamente inseridas em cápsulas gelatinosas, vendidas em farmácias de manipulação [Bressani, 2005]. A decomposição microondas empregando cápsula foi primeiramente proposta para introdução de amostras sólidas em sistemas mecanizados [Légére & Salin, 1995]. Massa equivalente a 300 mg de óleo lubrificante foi pesada diretamente nas cápsulas de gelatina, sendo que 2 cápsulas foram adicionadas a uma mistura pré-aquecida contendo 4 ml HNO 3 + 3 ml H2SO4 através do condensador do equipamento, durante a pausa do programa de aquecimento. As cápsulas eram introduzidas em intervalos de 1 min, com o objetivo de se permitir uma decomposição parcial antes da adição da próxima alíquota. Quando comparado ao sistema convencional empregando microondas com radiação focalizada para a decomposição de óleo lubrificante, significativa redução no volume de ácidos utilizado foi observada. Ácido nítrico concentrado foi reduzido de 19 para 7 ml e H 2SO4 de 10 para 3 ml, além de também ser obtida redução no carbono residual. Decomposição em linha A primeira proposta para utilização de sistemas por injeção em fluxo acoplados a radiação microondas foi feita por Burguera et al. [1988]. Desde então, diferentes autores fizeram propostas para aplicação de sistemas, procurando acoplar o tratamento da amostra (normalmente digestão), com o sistema de detecção para a determinação de analitos. Para isso foi empregado tanto o forno tipo caseiro [Pereira-Filho & Arruda, 1999], quanto os sistemas comerciais, com radiação focalizada [Arruda et al., 1997; Luque-Gárcia & Luque de Castro, 2003]. Esses sistemas visam a automação analítica, com redução do tempo entre a chegada da amostra ao laboratório e os resultados finais, além da menor


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manipulação da amostra, com redução dos riscos de contaminação e maior segurança ao operados. Como exemplo da aplicação aos sistemas microondas com radiação focalizada, um sistema de fluxo foi utilizado para digestão em linha de amostras de suco de laranja para a determinação de Ca, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, P e Zn por espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado. Uma bobina de reação de PTFE (4 m de comprimento e 1,6 mm de diâmetro interno) foi posicionada no interior da cavidade de vidro do forno de microondas com radiação focalizada (Figura 8.24). Alíquotas de 500 µl de amostra e de 1000 µl de reagente (80% v/v HNO 3) foram misturadas em uma confluência e conduzidas para a bobina de reação utilizando ar como carregador. O desvio padrão relativo para cinco determinações da mesma amostra usando o método proposto foi inferior a 5%.

Figura 8.24. (A): diagrama do injetor-comutator; S: amostra; R: reagente; C: fluxo transportador (3,0 ml min-1); W: descarte; LS: alça de amostragem; LR: alça de reagente. (B): diagrama do sistema de digestão em linha: a: magnetron; b: guia de ondas; c: frasco de vidro; d: bobina de PTFE; e: sistema para resfriamento em PVC; f: tampa de borracha; g: bobinas de PTFE (5cm); h: balão volumétrico (10 mL) [Filli et al., 2003]. O sistema apresentou boas recuperações de 91 a 111% para adições de quantidades conhecidas dos elementos de interesse. Os resultados obtidos foram concordantes a um nível de confiança de 95% com aqueles obtidos por digestão total. Com este método de digestão foi possível processar 12 amostras h-1, minimizando contaminações, consumo de amostra e reagentes e gerando pequena quantidade de resíduos [Filli et al., 2003].



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8.5. CONCLUSÕES Como pode ser observado, existe uma grande variedade de propostas e alternativas que podem ser exploradas. Não foram discutidos os métodos de preparo de amostras que empregam sistemas de extração e hidrólise, outro ramo da química onde a interação da radiação microondas para a quebra das ligações entre o analito e a matriz apresenta-se bastante promissora. Outro fato que deve ser enfatizado são os novos equipamentos que possibilitam a digestão simultânea de um maior número de amostras. O desenvolvimento de procedimentos analíticos de rotina demanda um grande número de amostras a serem processados, os que já foi parcialmente resolvido pelas modernas técnicas analíticas de detecção. No entanto o tempo envolvido nos procedimentos de preparo das amostras ainda necessita redução. Algumas das propostas discutidas, que se reportam ao uso de frasco único e empregam pequenos volumes de amostras, mostram-se adequadas, pois permitem a decomposição simultânea de um maior número de amostras e evitam o uso de um grande volume de ácidos, o que se mostra ambientalmente adequado, pela menor geração de resíduos e melhores limites de detecção pela menor necessidade de diluição antes da determinação. Além disso, a comercialização de equipamentos com rotores com um maior número de amostras a serem tratadas simultaneamente também deverão ser cada vez mais utilizados. As pressões relativamente baixas (até 30 atm) deste tipo de sistema não se apresentam como problema, pois estudos já demonstraram a obtenção de eficientes decomposições empregando esse tipo de equipamento (Bocca et al, 2003). Por outro lado, digestões drásticas serão ser cada vez menos necessárias, considerando que as espécies químicas deverão ser analisadas conforme sua atuação na matriz, sendo que a extração será o procedimento de preparo mais empregado, aqui se considerando a especiação química. Seguindo essa tendência, os procedimentos de preparo de amostras deverão ficar cada vez mais brandos e gradualmente procedimentos drásticos de preparo, que empregam grandes quantidades de energia, fortes reagentes oxidantes e altas temperaturas e pressões serão substituídos por métodos menos agressivos, nos quais o analito é separado da matriz sem a necessidade de decomposição total da amostra. Os métodos assistidos por radiação microondas se mostram adequados devido à possibilidade de se controlar as condições da reação, sendo que o estabelecimento de procedimentos voltados para essa aplicação é um desafio a ser enfrentado pelos pesquisadores.


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8.6. MEDIDAS DE SEGURANÇA NO USO DE MICROONDAS

Uma das primeiras considerações a se ter quando se usam radiações é certificarse de que as mesmas se encontram contidas em um espaço fechado. Em relação ao forno, seu desenho é pensado de tal forma a garantir que não haja vazamento de radiação. Cada sistema possui sistemas de segurança que não permitem o funcionamento do magnetron quando não existem condições mínimas de segurança neste aspecto. Assim, é importante que se reflita sobre a adequação de fornos domésticos para uso em laboratório, certificando-se de que as modificações feitas não constituem possíveis causas de vazamento de radiação. Qualquer indício de corrosão pode significar um alto nível de vazamento de radiação. Com respeito ao uso de recipientes fechados para a digestão de amostras, deve-se ter a precaução de evitar superaquecimento e pressões elevadas que possam causar rupturas do recipiente com as conseqüentes possibilidades de danos ao equipamento e riscos físicos ao analista. Quando ocorrer explosão do recipiente e/ou derrame de líquidos corrosivos no interior do forno, deve-se fazer uma investigação nos sistemas de segurança. Em caso de acidentes, o mais importante, obviamente, é a integridade física do analista.

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Workshop_preparo de Amostra_Francisco Krug

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