Baixe Análise Espectrofotométrica de Águas: Determinação de Concentração de Fósforo Total e outras Notas de estudo em PDF para Sistemas de Informação, somente na Docsity!
ORIENTADOR(A): Dr.(a) SIMONE JACONETTI YDI
São Paulo 2009
Relatório Técnico apresentado como parte da análise de desenvolvimento para aprovação na disciplina de QUÍMICA DO MEIO AMBIENTE, no laboratório de Análise Instrumental, do curso de Química da Universidade Ibirapuera, orientado pela Dra. Simone Jaconetti Ydi.
São Paulo 2009
BONTURIM, E.; SOUZA, D.C.M. et al. COLETA E ANÁLISE DE FÓSFORO TOTAL DE AMOSTRA DE ÁGUA DA REPRESA BILLINGS PELO MÉTODO DA ESPECTROMETRIA DE ABSORÇÃO. 2009. Relatório Técnico (Graduação). Curso de Química, Universidade Ibirapuera, São Paulo, 2009.
Atualmente, um dos grandes desafios para os cientistas e ambientalistas está focado na preservação e controle da contaminação presente no meio ambiente. Um dos parâmetros mais importantes nos estudos sobre meio ambiente está referindo às reservas hidrológicas, por isso, grande parte das pesquisas estão voltadas a área de proteção das águas. O presente trabalho apresenta dados referentes à contaminação de amostras de água coletadas no reservatório Billings, situado na zona sul da capital paulista, por diversos motivos, incluindo a análise da ocupação territorial pela urbanização da cidade, a presença de indústrias e os fatores que essa poluição pode causar no meio, incluindo o fenômeno de eutrofização na represa.
A técnica empregada para tal estudo baseia-se na análise de Fósforo Total dissolvido na amostra, com o auxílio de métodos colorimétricos e espectroscópicos.
O Conselho Nacional do Meio Ambiente prevê limites para concentrações de vários elementos em diversas classificações de águas, no caso da represa, temos um valor máximo de permissividade da concentração de fósforo total e esta serve como base para o relatório em questão.
PALAVRAS-CHAVES: Química Ambiental; Análise Instrumental; Espectrofotometria; Determinação de Fósforo Total.
1. INTRODUÇÃO 3
2. OBJETIVOS 5
3. REVISÃO DA
LITERATURA
3.1. A REPRESA BILLINGS 6
3.1.1. HISTÓRICO 6
3.1.2. NÚMEROS 7
3.1.3. BILLINGS 7
ELEMENTOS AO LIMIAR DA TEORIA QUÂNTICA 1
3.3. ELEMENTOS DE ESPECTROSCOPIA 17
3.4. TEORIA DA ESPECTROFOTOMETRIA E DA
COLORIMETRIA
3.2. A ESPECTROSCOPIA E A QUÍMICA: DA DESCOBERTA DE NOVOS
(JEFFERY, 1992) 19
3.6. LEI DE
LAMBERT
3.5. LEIS QUE REGEM A ESPECTROFOTOMETRIA E A COLORIMETRIA
DE ABSORÇÃO MOLAR 21
3.8. LEI DE BEER 21
3.9. RELAÇÃO ENTRE λλλλ E CORES 25 3.10. O EFEITO DA ABSORÇÃO 25 3.1. ONDAS ELETROMAGNÉTICAS 27 3.12. OS ESPECTROFOTÔMETROS DE ABSORÇÃO
3.13. ESPECTROFOTÔMETROS 28
3.13.1. Fontes de radiação 28 3.13.2. Grades de difração 29 3.13.3. Detectores 30 3.13.4. Obturadores eletromecânicos (chopper) 32
3.15. DETERMINAÇÕES COLORIMÉTRICAS
EXPERIMENTAIS
3.7. RELAÇÃO ENTRE ABSORBÂNCIA, TRANSMITÂNCIA E COEFICIENTE 3.14.
ESPECTROFOTÔMETROS DE FEIXE SIMPLES E DE FEIXE DUPLO. 34
COLORIMÉTRICAS 36
3.16. FONTES DE
RADIAÇÃO
3.19. LUZ VISÍVEL 39
3.20. ULTRAVIOLETA 40
3.21. DA LEGISLAÇÃO AMBIENTAL 42
3.21.1. QUALIDADE DA ÁGUA 42
3.2. CICLO BIOGEOQUÍMICO DO
FÓSFORO
3.2.1. FÓSFORO TOTAL 43
4. MATERIAIS E MÉTODOS 45
4.1. Materiais e Reagentes 45 4.2. Métodos 45
- RESULTADOS E DISCUSSÃO 46
região, pode-se inferir que esse valor não representa o real potencial poluidor do fósforo em um determinado recurso hídrico.
Para o presente trabalho, o recurso utilizado nas medições do elemento
Fósforo (P) nas amostras de água coletadas foi baseado na metodologia de processos do Standard Methods, sendo este trabalhado com as técnicas de Espectrofotometria e Colorimetria.
A espectrofotometria é o método de análise óptico mais usado nas investigações biológicas e físico-químicas. O espectrofotômetro é um instrumento que permite comparar a radiação absorvida ou transmitida por uma solução que contém uma quantidade desconhecida de soluto, e uma quantidade conhecida da mesma substância. (SKOOG, 1992)
2. OBJETIVOS
O presente trabalho objetiva a coleta e análise de amostras de água do reservatório Billings para determinação da concentração de fósforo total, usando os resultados para avaliar se esse corpo d’água está em conformidade com a legislação vigente para esse parâmetro, conforme legislação vigente sobre águas naturais (Resolução CONAMA nº 357 de 2005).
3. REVISÃO DA LITERATURA
3.1. A REPRESA BILLINGS
3.1.1. HISTÓRICO A área ocupada atualmente pela Represa Billings foi inundada a partir de
1927, com a construção da Barragem de Pedreira, no curso do Rio Grande, também denominado Rio Jurubatuba. O projeto foi implementado pela antiga Light - "The São Paulo Tramway, Light and Power Company, Limited", hoje Eletropaulo, com o intuito de aproveitar as águas da Bacia do Alto Tietê para gerar energia elétrica na Usina Hidrelétrica (UHE) de Henry Borden, em Cubatão, aproveitando-se do desnível da Serra do Mar.
No início dos anos 40, iniciou-se o desvio de parte da água do Rio Tietê e seus afluentes para o reservatório Billings, a fim de aumentar a vazão da represa e, conseqüentemente, ampliar a capacidade de geração de energia elétrica na UHE Henry Borden. Este processo foi viabilizado graças à reversão do curso do rio Pinheiros, através da construção das Usinas Elevatórias de Pedreira e Traição, ambas em seu leito. Esta operação, que objetivava o aumento da produção de energia elétrica, também mostrou-se útil para as ações de controle das enchentes e de afastamento dos efluentes industriais e do esgoto gerado pela cidade em crescimento.
O bombeamento das águas do Tietê para a Billings, no entanto, começou a mostrar suas graves conseqüências ambientais poucos anos depois. O crescimento da cidade de São Paulo e a falta de coleta e tratamento de esgotos levou à intensificação da poluição do Tietê e seus afluentes que, por sua vez, passaram a comprometer a qualidade da água da Billings. Nos primeiros anos da década de 70 a Cetesb - Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental - é obrigada a iniciar as operações de remoção da mancha anaeróbica presente na Represa.
Em 1982, devido à grande quantidade de esgotos, que resultaram em sérios problemas de contaminação por algas cianofíceas, algumas potencialmente tóxicas, surge a necessidade de interceptação total do Braço do Rio Grande, através da construção da Barragem Anchieta, para garantir o abastecimento de água do ABC, iniciado em 1958. (SEB, 2009)
Fotografia 1 – Carta Imagem de Satélite da Bacia Hidrográfica da Billings. Fonte: ISA/2006.
3.1.2. NÚMEROS • Área da Bacia Hidrográfica da Billings: 58.280 hectares (582 Km²)
- Área da represa: 10.800 hectares (18% da área da bacia)
- Municípios parcialmente inseridos na área da bacia: cinco (Diadema, Ribeirão Pires, Santo André, São Bernardo do Campo e São Paulo)
- Municípios totalmente inseridos na área da bacia: 1 (Rio Grande da Serra)
- População abastecida pela represa (Braço do Rio Grande): 1,6 milhões
- População residente na bacia: 860 mil pessoas
- Área ocupada por atividades humanas: 27% da bacia
- Área urbana: 20% da bacia
- Área com vegetação natural: 54% da bacia
- Volume de água produzido: 4,8 mil litros por segundo
A Represa Billings é o maior reservatório de água da Região Metropolitana de
São Paulo. Seu espelho dágua possui 10.814,20 hectares, correspondendo a 18% da área total de sua bacia hidrográfica, que ocupa um território de 58.280,32 ha. (582,8 km²), localizado na porção sudeste da Região Metropolitana de São Paulo, fazendo limite, a oeste, com a Bacia Hidrográfica da Guarapiranga e, ao sul, com a Serra do Mar. Sua área de drenagem abrange integralmente o município de Rio Grande da Serra e parcialmente os municípios de Diadema, Ribeirão Pires, Santo André, São Bernardo do Campo e São Paulo.
se deu em áreas com sérias ou severas restrições ao assentamento. São encostas íngremes, regiões de aluvião ou de várzea que exigem cuidados especiais para implantação de qualquer tipo de ocupação urbana. Apenas 1,8% da mancha urbana se deu em áreas consideradas favoráveis. Estes números demonstram que além de extremamente acelerada, esta ocupação vem ocorrendo sem nenhum planejamento. (DE OLHO NOS MANANCIAIS, 2002)
Além destes aspectos, o fato das áreas urbanas não consolidadas terem apresentado uma porcentagem de crescimento significativamente superior ao das áreas urbanas consolidadas, respectivamente 47,9% e 27,3% no período, indica que o processo de urbanização está em expansão na bacia. Sendo assim, o problema tende a se agravar caso não sejam adotadas medidas urgentes para reverter esta tendência.
O estudo mostra, ainda, que as taxas de ocupação urbana (Figura 1) já são preocupantes, pois passaram de 1,8% do total da bacia em 1989, para 14,6% em 1999. As construções não autorizadas figuram no topo das ocorrências irregulares, respondendo por 41% dos 988 registros efetuados no período de 1989 a 1999. Em segundo lugar aparecem os movimentos de terra, tais como abertura de estradas e terraplanagem com 26%, numa listagem composta de oito tipos de ocorrências.
FIGURA 1 – Expansão urbana no período de 1989 a 1999 na bacia. Fonte: ISA/2002.
Em 2000, segundo a Secretaria de Meio Ambiente, a população residente na região é de 863 mil, distribuídos nos seis municípios nela inseridos, principalmente em São Paulo e São Bernardo. No mesmo ano, a população residente em favelas é estimada em 161 mil (ou 19% do total). Entre 1991 a 2000, a população aumentou em 329 mil, um acréscimo de 62% e o crescimento da população favelada foi de 86 mil (acréscimo de 115%), que corresponde a 26% do crescimento na Bacia. (DE OLHO NOS MANANCIAIS, 2002)
A partir dos levantamentos realizados junto aos órgãos governamentais, foram identificados 90 processos de mineração cadastrados dentro da área da Bacia Hidrográfica da Billings. Embora apenas sete estejam licenciados, abrangendo uma área total de 2.079,01ha, outros 13.076, ha estão sendo requeridos para pesquisa. Sendo assim, caso todos os processos atualmente em tramitação cheguem à etapa de concessão de lavra ou regime de licenciamento, a Bacia Hidrográfica da Billings terá 26,16% de sua área sob algum tipo de exploração mineral.
Outro aspecto que contribui para agravar o quadro é que a qualidade da água na represa Billings encontra-se bastante comprometida. Além da poluição proveniente do bombeamento do Tietê/Pinheiros, alguns braços apresentam situação crítica de eutrofização devido à grande quantidade de esgoto provenientes da ocupação em suas sub-bacias formadoras (Fotografia 3). (DE OLHO NOS MANANCIAIS, 2002)
FOTOGRAFIA 3 – Parte da Bacia da represa Billings.
3.2. A ESPECTROSCOPIA E A QUÍMICA: DA DESCOBERTA DE NOVOS ELEMENTOS AO
LIMIAR DA TEORIA QUÂNTICA
Sabia-se desde a Antiguidade que a luz solar pode ser decomposta nas cores do arco-íris, mas foi Newton, no século XVII, que pela primeira vez descreveu, de forma adequada, o fenômeno da decomposição da luz por um prisma, assim como de sua recomposição por um segundo prisma. O conjunto das cores obtidas com o prisma é conhecido como espectro e varia do vermelho, numa extremidade, ao violeta na outra.
Além das chamadas sete cores do arco-íris, o espectro solar também apresenta radiações invisíveis ao olho humano. Como é que podemos comprovar isso?
Os químicos sabem que o cloreto de prata é um sólido branco que escurece por ação da luz. Este é o princípio da fotografia em preto e branco. O filme fotográfico contém uma suspensão de um composto semelhante, o brometo de prata, que também escurece ao ser atingido pela luz. Este fenômeno, comum aos dois sais, não se deve ao cloreto ou ao brometo, mas sim à prata, presente em ambos os compostos. A reação que ocorre é a redução dos íons de prata, promovida pela luz e pelo processo de revelação, originando o metal finamente dividido, que é preto. (SBQ, 2009)
Newton em 1672 passou um feixe de luz sobre um prisma e esta foi decomposta em várias cores, a saber: vermelho, alaranjado, amarelo, verde, azul, anil e violeta. O vermelho tem λ maior e, portanto, sofre o menor desvio.
Em 1777 o químico sueco Carl Wilhelm Scheele resolveu por amostras de cloreto de prata em cada uma das diferentes regiões coloridas do espectro solar obtido com um prisma. Percebeu, então, que o escurecimento do material se processava mais intensamente quanto mais próximo da extremidade violeta. Isto devia significar que a luz violeta era a mais energética do espectro, pois era a que mais acelerava a reação.
O inglês William Hyde Wollaston fez nessa época, independentemente, a mesma descoberta. A conclusão desse experimento é que existe no espectro solar uma radiação de energia mais alta que a luz violeta; a essa radiação, invisível a nossos olhos, chamou-se ultravioleta.
Podemos dizer que a temperatura de um corpo é uma medida de sua agitação térmica, isto é, das vibrações de suas moléculas ou partículas.
Um raciocínio análogo pode ser feito para outros elementos presentes ou ausentes no Sol. Por exemplo, quando a luz solar atravessa uma chama de lítio antes de passar pelo prisma do espectroscópio, o resultado é o aparecimento de uma nova linha negra, inexistente no espectro solar. Em conseqüência,não deve haver lítio solúvel. Bunsen e Kirchhoff usaram sua descoberta como instrumento de análise química e rapidamente descobriram (em1860) um novo elemento a partir de algumas gotas de um resíduo alcalino da água mineral de Durkheim.
Como este material produzia um espectro de emissão com linhas azuis, não correspondentes a nenhum elemento conhecido, eles o denominaram césio, do latim caesiu, azul-celeste.
No ano seguinte, também usando quantidades extremamente diminutas de material, eles identificaram um outro elemento que produzia linhas vermelhas intensas no espectro de emissão. Da palavra latina rubidus, da cor de rubi, surgiu o nome do elemento rubídio.
A espectroscopia possibilitou a descoberta, em poucos anos, de inúmeros elementos químicos, em especial muitos dos que correspondiam às lacunas presentes na tabela periódica que seria publicada por Dmitri Mendeleiev em 1869. Também os lantanídeos, de separação extremamente difícil, foram prontamente identificados pela espectroscopia. (OWEN, 1996).
A descoberta mais retumbante propiciada pela espectroscopia ocorreu em 1868. O estudo do espectro solar ficava facilitado durante os eclipses, quando se podia observar apenas a borda do disco solar, sem os problemas normais de ofuscamento. Naquele ano de 1868,em agosto, ocorreu o eclipse solar de maior duração do século XIX. Visível na Índia e em países vizinhos, chegou a durar, em alguns lugares, mais de seis minutos.
O astrônomo francês Pierre Jansen deslocou-se até à Índia para observá-lo.
Acoplando uma luneta a um espectroscópio, Jansen pode observar o espectro das protuberâncias solares, jatos de gás que se projetam milhares de quilômetros acima da atmosfera solar. O espectro observado daquele material excitado das protuberâncias era um espectro de emissão, uma vez que não havia a possibilidade de absorção pela atmosfera solar.
Jansen descobriu que o mesmo tipo de observação também podia ser feito na ausência de um eclipse, bastando usar uma fenda bem estreita disposta tangencialmente ao disco solar, de forma a receber apenas a radiação das protuberâncias, eliminando assim o ofuscamento pelo disco solar. Jansen identificou dessa maneira os espectros de emissão de vários elementos, sendo o hidrogênio o principal.
À mesma época, em outubro de 1868, o astrônomo inglês Joseph Norman
Lockyer chegou independentemente ao mesmo método de observar as protuberâncias solares. Entre as linhas observadas por ele havia uma linha amarela próxima ao espectro do sódio, mas não coincidente com o espectro de nenhum elemento conhecido.
Lockyer concluiu então que o sol devia ter um novo elemento, desconhecido na Terra, que denominou hélio, em homenagem ao deus grego do sol. Esta proposição foi recebida com reservas, até que em 1895 o novo elemento foi descoberto na Terra pelo químico escocês William Ramsay. (OWEN, 1996).
O processo de descoberta de vários novos elementos químicos, sobretudo essa espetacular descoberta de Hélio no sol, 27 anos antes de ser encontrado na Terra, mostrou a extraordinária importância da espectroscopia no estudo da constituição íntima da matéria.
Havia, porém, um problema sem solução. O que representavam os valores das energias (ou dos comprimentos de onda) correspondentes às emissões ou absorções dos elementos? E por que esses fenômenos só se operavam naqueles valores precisos de energia?
O problema foi intensamente discutido por físicos, químicos e astrônomos.
Não obstante, o enigma só veio a ser desvendado por um matemático, o suíço Johann Jakob Balmer. Ele obteve seu doutorado em matemática e passou a vida como professor dessa disciplina numa escola secundária para moças em Basiléia.
Os físicos tentavam achar uma relação para as linhas espectrais baseando-se numa analogia mecânico-acústica, e buscavam expressões harmônicas simples que explicassem essas relações. Talvez por não ser físico e sim, matemático, isto é, por não partir deposições preconcebidas, Balmer chegou em 1885 e apresentou uma equação para as linhas do espectro do hidrogênio. Esta equação, que todo estudante de química geral aprende, é modernamente formulada como: 1/ l n = RH ( constante de Rydberg para o hidrogênio (cujo valor é 1.097 x 107 m-1 , citado acima) onde tal espectro tem origem na excitação da nuvem eletrônica ao redor do núcleo. Os elétrons excitados, ao passarem para um estado de energia menor, emitem fótons cuja energia é igual a diferença de energia dos dois estados da transição. O espectro constitui-se de diferentes séries de linhas para um determinado elemento. A equação descreve adequadamente os espectros de emissão ou absorção do hidrogênio na região visível, mas pode ser modificada para incluir também as outras regiões espectrais. Para outros elementos podem ser usadas equações análogas, mas a precisão é tanto menor quanto mais pesado for o elemento.
Além de descrever corretamente as relações entre as linhas espectrais, a relação é importantíssima: os comprimentos de onda (ou as energias) correspondentes às linhas que resultam da absorção ou emissão de energia estão relacionados entre si por números inteiros (n é a variável independente da equação, com valores dados por 3, 4, 5, 6...). Conseqüentemente, os ganhos ou perdas de energia nos átomos são discretos e também guardam uma relação de números inteiros.
Está aí o germe da mecânica quântica, anos antes de sua formulação teórica, e também anterior à descoberta do elétron ou de qualquer modelo de constituição do átomo. Por isso a equação de Balmer tem tanta importância: uma expressão matematicamente simples que encerra a explicação de tantos fenômenos, cujo entendimento desafiou inúmeros cientistas por anos a fio.
Espectroscopia, em física e físico-química, é o estudo dos espectros. Baseiase no fato de que cada elemento químico tem seu espectro característico. Esse fato foi observado em 1859 pelos cientistas alemães Gustav Robert Kirchhoff e Robert Wilhelm Bunsen. Kirchhoff e Bunsen desenvolveram o espectroscópio de prisma em sua forma moderna e o aplicaram às análises químicas. Esse instrumento é formado por uma fenda, pela qual entra a luz procedente de uma fonte externa, um conjunto de lentes, um prisma e uma ocular. No espectrógrafo, a ocular é substituída por uma câmera. O espectrofotômetro é usado para medir a intensidade da luz em comparação com a de uma luz procedente de uma fonte padrão. Essa comparação permite
Os componentes básicos dos espectrofotômetros são similares aos do colorímetro, porém com ampliações que permitem maior precisão das medidas. São conhecidos dos tipos: os de feixe simples e os de feixe duplo. Estes últimos são mais práticos, pois permitem obter absorção relativa da amostra em todo intervalo de
Atualmente existe uma oferta comercial muito ampla de espectrofotômetros
UV-VIS. As principais firmas no mercado são: "Perkin-Elmer", "Shimadzu", "Hitachi" e "Varian".
A variação da cor de um sistema, com a modificação da concentração de um certo componente, constitui a análise colorimétrica. A cor é provocada pela formação de um composto corado, resultante da adição de um reagente apropriado. A intensidade da cor pode ser comparada com a que se obtém pelo tratamento de uma quantidade conhecida da substância.
A Colorimetria determina a concentração de uma substância pela medida da absorção de luz, tomando como referência a absorção da substância numa concentração conhecida. Na Colorimetria visual usa-se em geral, como fonte de luz, uma fonte natural ou artificial de luz branca. As determinações são feitas num instrumento simples, denominado colorímetro, ou comparador de cores.
Na análise espectrofotométrica a fonte de radiação emite até a região ultravioleta do espectro. Desta radiação selecionam-se comprimentos de onda definidos que constituem bandas, com largura menor que 1 nm. Este procedimento necessita de um instrumento mais complicado e, por isso, mais caro e muito eficiente. O instrumento é um espectrofotômetro.
A principal vantagem dos métodos colorimétricos e espectrofotométricos é a de proporcionarem um meio simples para determinar quantidades diminutas de substâncias.
3.4. TEORIA DA ESPECTROFOTOMETRIA E DA COLORIMETRIA Na espectroscopia de absorção molecular tem-se duas regiões de interesse:
Ultravioleta (UV), λ = 180 a ≈ 400 nm Região do Visível (Vis), λ = 400 a 760nm
O diagrama 1 apresenta os níveis de energia nas regiões citadas:
DIAGRAMA 1: Níveis de energia de excitação eletrônica de um átomo, de acordo com a radiação incidente.
3.5. LEIS QUE REGEM A ESPECTROFOTOMETRIA E A COLORIMETRIA (JEFFERY, 1992).
Basicamente a Espectrofotometria e a Colorimetria são regidas por duas leis:
3.6. LEI DE LAMBERT
Quando a luz (monocromática ou heterogênea) incide sobre um meio homogêneo, uma parcela da luz incidente é refletida, uma outra parcela é absorvida no meio e o restante é transmitido. Se a intensidade da radiação da luz incidente for representada por I0, a da luz absorvida por Ia, a da transmitância por Ii e a da refletida por Ir.
Então:
I0 = Ia + Ii + Ir (1)
Numa interface ar-vidro, sempre presente quando se usam células de vidro, pode-se admitir que cerca de 4% da luz incidente sejam refletidos. A parcela Ii é usualmente eliminada graças ao uso de um controle, como uma célula de comparação, e então a expressão anterior fica:
A intensidade da luz emitida diminui exponencialmente com a espessura do meio absorvedor, ou que qualquer camada do meio com uma certa espessura absorve sempre a mesma fração da luz incidente sobre ela. Podemos exprimir a lei pela equação exponencial:
onde I é a intensidade da luz incidente de comprimento de onda λ, I é a espessura do meio e k é um fator de proporcionalidade. Integrando a equação (3) e fazendo I =
I0 quando I = 0, tem-se:
klI Iln t
Ou, em outros termos:
Onde I0 = a intensidade da luz incidente sobre o meio absorvedor de espessura l, It = a intensidade da luz transmitida e k = constante que depende do λ da luz e da natureza do meio. Convertendo a expressão para base 10 na exponencial:
onde K = k/2,3026 e é denominado de coeficiente de absorção. Exprime-se, em geral, como o inverso da espessura ( l, cm) necessária para reduzir a luz a 1/10 da sua intensidade. Este resultado vem da equação (5), pois:
ou
Razão It/I0 = a fração da luz incidente que é transmitida por uma espessura l do meio e é chamada transmitância. Seu inverso, I0/It, = opacidade do meio. A absorbância (A) do meio (denominada, no passado de densidade óptica (D), ou coeficiente de extinção (E)) é dada por:
A = log I0/It (8)
expressa em mol L-1 e l em centímetros, a recebe o símbolo ε e denomina-se coeficiente de absorção molar ou absortividade molar (antigamente denominava-se coeficiente de extinção molar). OBS: De acordo com a Lei de Beer a absorbância é diretamente proporcional ao caminho óptico e a concentração da espécie absorvente, ou seja:
A =
a.l.c
Resumindo as duas leis separadamente:
- Lambert: A intensidade da luz emitida decresce exponencialmente à medida que a espessura do meio absorvente aumenta aritmeticamente.
Então: 0tI
IT = T = transmitância
IlogA = A = Absorbância
- Beer: a intensidade do feixe de luz monocromática decresce exponencialmente à medida que a concentração da substância absorvente aumenta aritmeticamente.
a.l.cA
a.l.cTlogT 1logI
IlogA t
Obs.: I0 = luz incidente.
It = luz transmitida. b = l = espessura (caminho óptico).
Os valores de a dependerão do método de suprimir a concentração. Se a for expresso em mol dm-3 e l em cm, a será dada pelo símbolo ε = coeficiente de absorção molar ou de absortividade molar.
Lei de Lambert-Beer: lc
I IlogA t
0 ⋅⋅ε== → equação fundamental da espectrofotometria ε = coeficiente de absorção molar c = concentração l = espessura
A lei de Beer fica compreendida quando a reta passa pelos pontos experimentais e pela origem, portanto, quando isso não acontece ocorre um desvio da linearidade. Ela é bem definida para explicar a absorção de soluções diluídas. Em concentrações altas (> 0,001 mol/L) à distância entre as partículas são diminuídas de modo que as elas afetam a distribuição de
cargas das partículas vizinhas, alterando a absorção de radiação num dado λ. Este fenômeno depende da concentração e causa o desvio, conforme mencionado. São 3 os tipos de desvios:
♣ Químicos: ocorrem, quando a espécie absorvente sofre associação ou dissociação, ou, então reage com o solvente.
♣ Instrumentais: são desvios aparentes relacionados com as limitações dos instrumentos usados na medida da absorbância, tais como: as radiações estranhas que alcançam o detector, a não linearidade da resposta do detector e do amplificador e a instabilidade da fonte.
♣ Reais: ocorrem como consequência de interações que envolvem os centros absorventes e a variação do índice de refração com a concentração.
Energia Parasita: Na espectrofotometria é possível ser observada a energia parasita. Esta é um tipo de energia extremamente indesejável, também chamada luz adversa ou espúria que é constituída por qualquer tipo de energia dentro do aparelho, que chega à cubeta com comprimento de onda diferente do indicado na escala do monocromador e promove a obtenção de resultados incorretos. A energia parasita pode ser causada por imperfeições na grade de difração ou prisma, defeitos no sistema óptico, deposições no vidro da lâmpada, orifícios permitindo entrada de luz externa, etc. (SKOOG, 1992).
A gráfico 2 mostra o efeito das várias porcentagens de energia parasita no seguimento da Lei de Beer.
GRÁFICO 2: Efeito de porcentagens de energia parasita na Lei de Beer
OBS: A utilização de aparelhos pré-calibrados deve ser bem controlada porque durante o uso pode-se aumentar a energia parasita no espectrofotômetro e, logicamente, isso leva a resultados incorretos.
3.9. RELAÇÃO ENTRE λ E CORES
A luz tem radiações para as quais a vista humana é sensível, e as ondas, com comprimentos de onda diversos, provocam sensações de cores diferentes. Uma mistura apropriada da luz, com estes comprimentos de onda, constitui a luz branca a qual cobre todo o espectro visível (de 400 a 760 nm). (BACCAN, 2001)
3.10. O EFEITO DA ABSORÇÃO
3.1. ONDAS ELETROMAGNÉTICAS
Muitas propriedades da luz podem ser explicadas se ela for produzida pelo movimento ondulatório de uma carga elétrica. Esse movimento produz um campo elétrico e magnético e se propaga sobre a forma de ondas eletromagnéticas, com a mesma velocidade que se propaga no espaço, isto é, a 300.0 km/s (no vácuo).
As ondas eletromagnéticas são usualmente descritas em termos (a):
comprimento de onda, λ (distância entre os picos sucessivos em cm, a menos que seja explicitada outra unidade), (b): número de onda, v (número de ondas por cm) e (c): frequência, v ou f (número de ondas por segundo). As três grandezas estão relacionadas entre si, da seguinte forma:
luzdaVelocidade
Frequência ondadeNúmero ondadeoCompriment
Unidades de uso comum:
Número de onda λ = 1/λ ondas por cm Frequência v = c / λ ≈ 3 x 1010 / λ ondas por segundo
3.12. OS ESPECTROFOTÔMETROS DE ABSORÇÃO
Espectrofotômetros em geral, são instrumentos compostos por um conjunto de componentes do seguinte tipo: uma fonte de radiação eletromagnética, um conjunto de componentes ópticos que levam esta radiação até a amostra, um compartimento de amostra e um ou mais detectores que medem a intensidade de radiação.
Dependendo da finalidade e do fabricante os arranjos ópticos destes instrumentos podem ser bastante diferentes. A concepção de um espectrofotômetro para absorção também é bastante diferente de um espectrofotômetro para luminescência, que por sua vez são denominados espectrofluorímetros. Este texto se refere apenas aos espectrofotômetros de absorção, operando na região espectral do ultravioleta (UV) (200 < < 380-400 nm), visível (Vis) (380-
400 nm < < 700-800 nm). Não será visto a espectroscopia de absorção vibracional infravermelho (800 nm < < 30 nm). (BACCAN, 2001)
3.13. ESPECTROFOTÔMETROS
3.13.1. Fontes de radiação
Será denominada radiação eletromagnética o feixe proveniente de uma fonte emissora (lâmpada). Nos espectrofotômetros de absorção estas fontes são lâmpadas que emitem feixes
na região do espectro denominada óptica. Por isto dão lugar à chamada espectroscopia óptica. Se a fonte emitir na região do visível, a radiação é conhecida como luz.
A fonte de radiação (comumente chamada de lâmpada) ideal para um espectrofotômetro é aquela que apresenta uma intensidade aproximadamente constante em toda faixa de comprimento de onda de operação, com pouco ruído e longo período de estabilidade. Em função do fato que um único tipo de lâmpada não satisfaz todas estas condições, os espectrofotômetros para absorção têm, normalmente, dois tipos de fontes. As fontes que são comumente usadas nos espectrofotômetros que operam na região espectral do UV-Vis são: as lâmpadas de deutério (tempo de vida: 1.0 h), para excitação na região do ultravioleta (< 350 nm) e de tungstênio ou tungstênio-halogênio (>350 nm; tempo de vida 10.0 h) para excitação na região do visível e infravermelho próximo. Normalmente a região espectral em que se pode medir os espectros é a região chamada UV-Vis (200 nm << 800 nm), mas alguns instrumentos operam na região que atinge o infravermelho próximo, e neste caso é utilizada a denominação
UV-Vis-Nir (175 nm < < 30 nm). As emissões espectrais características das lâmpadas de deutério e de tungstênio-halogênio. Eles apresentam uma emissão intensa e contínua, na região do UV (deutério) e Vis, continuando no NIR (tungstênio-halogênio), com intensidades dependendo da faixa espectral. Normalmente a troca de uma lâmpada por outra ocorre durante a varredura do espectro de modo completamente automático, de modo que o operador muitas vezes não toma conhecimento do fato.
Outra lâmpada, menos comum, mas também utilizada como acessório em espectrofotômetros, é a lâmpada de mercúrio. Sua principal utilidade é a de permitir a calibração da escala dos comprimentos de onda do instrumento, devido à sua emissão em raias espectrais, em comprimentos de onda bem definidos e conhecidos.
Existem, portanto, instrumentos que operam na região do UV-Vis (180-800 nm) e outros que operam na região do UV-Vis-Nir (180-3000 nm) e, dependendo do tipo de espectro que se deseja obter, deve-se selecionar o instrumento mais adequado. É lógico supor-se que instrumentos que operem em uma faixa mais ampla de comprimentos de onda devem apresentar um custo de aquisição e de manutenção também maior. (ORIEL CORPORATION, 1986).
3.13.2. Grades de difração
A segunda estrutura física que define o tipo de espectrofotômetro são os seus componentes ópticos. Dependendo dos tipos de componentes ópticos, os espectrofotômetros são classificados em: dispersivos, sendo que nesta categoria se enquadram os instrumentos com elementos ópticos do tipo de difração (prismas ou grades) e os interferométricos.
No caso dos espectrofotômetros de absorção na região do UV-Vis-Nir, diferentemente dos instrumentos que operam na região do infravermelho, os instrumentos são sempre dispersivos, sendo que normalmente o elemento de dispersão é uma grade de difração.
A forma com que a radiação eletromagnética sofre difração através de uma grade está baseada na lei de difração de Bragg. A finalidade deste componente é a de difratar a luz de modo que diferentes comprimentos de onda irão incidir sobre a amostra permitindo que se determine sua absorbância em cada um destes comprimentos. Este conjunto de dados resulta no que se chama espectro de absorção.
