Quimica analitica skoog

Quimica analitica skoog

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Aquímica analítica é uma ciência de medição que consiste em um conjunto de idéias e métodos poderosos que são úteis em todos os campos da ciência e medicina.

Um fato excitante que ilustra o potencial e a relevância da química analítica ocorreu em 4 de julho de 1997, quando a nave espacial Pathfinderquicou várias vezes até estacionar no Ares Vallis, em Marte, e liberou o robô Sojournerde seu corpo tetraédrico para a superfície marciana. O mundo ficou fascinado pela missão Pathfinder. Como resultado, inúmeros sitesque acompanhavam a missão ficaram congestionados pelos milhões de navegadores da rede mundial de computadores que monitoravam com atenção os progressos do minúsculo jipe Sojournerem sua busca por informações relacionadas com a natureza do planeta vermelho. O experimento-chave do Sojournerutilizou o APXS, ou espectrômetro de raios X por prótons alfa, que combina três técnicas instrumentais avançadas, a espectroscopia retrodispersiva de Rutherford, espectroscopia de emissão de prótons e fluorescência de raios X. Os dados de APXS foram coletados pela Pathfindere transmitidos para a Terra para análise posterior, visando determinar a identidade e concentração da maioria dos elementos da tabela periódica.1A determinação da composição elementar das rochas marcianas permitiu que geólogos as identificassem e comparassem com rochas terrestres. A missão Pathfinderé um exemplo excelente que ilustra uma aplicação da química analítica a problemas práticos. Os experimentos realizados pela nave espacial e os dados gerados pela missão também ilustram como a química analítica recorre à ciência e à tecnologia por meio de disciplinas amplamente diversificadas, como a física nuclear e a química, para identificar e determinar as quantidades relativas das substâncias em amostras de matéria.

O exemplo da Pathfinderdemonstra que ambas as informações quantitativas e qualitativas são requeridas em uma análise. A análise qualitativaestabelece a identidade química das espécies presentes em uma amostra. A análise quantitativadetermina as quantidades relativas das espécies, ou analitos, em termos numéricos. Os dados do espectrômetro APXS do Sojournercontêm ambos os tipos de informação. Observe que a separação química dos vários elementos contidos nas rochas foi desnecessária no experimento de APXS. Freqüentemente, uma etapa de separação é parte necessária do processo analítico. Como veremos, a análise qualitativa é muitas vezes uma parte integral da etapa de separação e a determinação da identidade dos analitos

A análise qualitativarevela a identidadedos elementos e compostos de uma amostra.

1 Para informações detalhadas sobre a instrumentação APXS contida no Sojourner,vá ao endereço http://www.thomsonlearning.com.br Acesse na página do livro e,no item material suplementar para estudantes,no menu Chapter Resources,escolha web works. Localize a seção Chapter 1e encontre os linkspara a descrição geral do pacote de instrumentos do Sojourner,um artigo que descreve em detalhes a operação do instrumento APXS e os resultados das análises elementares de várias rochas marcianas.

A análise quantitativaindica a quantidadede cada substância presente em uma amostra.

Os analitossão os componentes de uma amostra a ser determinados.

CAPÍTULO 1

A Natureza da Química Analítica constitui-se em um auxílio essencial para a análise quantitativa. Neste livro, vamos explorar os métodos quantitativos de análise, os métodos de separação e os princípios que regem suas operações.

1AO PAPEL DA QUÍMICA ANALÍTICA

A química analítica é empregada na indústria,na medicina e em todas as outras ciências. Considere alguns exemplos. As concentrações de oxigênio e de dióxido de carbono são determinadas em milhões de amostras de sangue diariamente e usadas para diagnosticar e tratar doenças. As quantidades de hidrocarbonetos,óxidos de nitrogênio e monóxido de carbono presentes nos gases de descarga veiculares são determinadas para se avaliar a eficiência dos dispositivos de controle da poluição do ar. As medidas quantitativas de cálcio iônico no soro sangüíneo ajudam no diagnóstico de doenças da tireóide em seres humanos. A determinação quantitativa de nitrogênio em alimentos indica o seu valor protéico e,desta forma,o seu valor nutricional. A análise do aço durante sua produção permite o ajuste nas concentrações de elementos, como o carbono,níquel e cromo,para que se possa atingir a resistência física,a dureza,a resistência à corrosão e a flexibilidade desejadas. O teor de mercaptanas no gás de cozinha deve ser monitorado com freqüência,para garantir que este tenha um odor ruim a fim de alertar a ocorrência de vazamentos. Os fazendeiros planejam a programação da fertilização e a irrigação para satisfazer as necessidades das plantas,durante a estação de crescimento,que são avaliadas a partir de análises quantitativas nas plantas e nos solos nos quais elas crescem.

As medidas analíticas quantitativas também desempenham um papel fundamental em muitas áreas de pesquisa na química,bioquímica,biologia,geologia,física e outras áreas da ciência. Por exemplo,determinações quantitativas dos íons potássio,cálcio e sódio em fluidos biológicos de animais permitem aos fisiologistas estudar o papel desses íons na condução de sinais nervosos,assim como na contração e no relaxamento muscular. Os químicos solucionam os mecanismos de reações químicas por meio de estudos da velocidade de reação. A velocidade de consumo de reagentes ou de formação de produtos,em uma reação química,pode ser calculada a partir de medidas quantitativas feitas em intervalos de tempo iguais. Os cientistas de materiais confiam muito nas análises quantitativas de germânio e silício cristalinos em seus estudos sobre dispositivos semicondutores. As impurezas presentes nesses dispositivos estão na faixa de concentração de 1 10 6a 1 10 9%. Os arqueólogos identificam a fonte de vidros vulcânicos (obsidiana) pelas medidas de concentração de elementos minoritários em amostras de vários locais. Esse conhecimento torna possível rastrear as rotas de comércio pré-históricas de ferramentas e armas confeccionadas a partir da obsidiana.

Muitos químicos,bioquímicos e químicos medicinais despendem bastante tempo no laboratório reunindo informações quantitativas sobre sistemas que são importantes e interessantes para eles. O papel central da química analítica nessa área do conhecimento,assim como em outras,está ilustrado na Figura 1-1. Todos os ramos da química baseiam-se nas idéias e nas técnicas da química analítica. A química analítica tem uma

2FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA–EDITORATHOMSON

SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCHCAP. 1A Natureza da Química Analítica3

Solo de Marte. Cortesia da NASA

Figura 1-1Relações entre a química analítica,outras áreas da química e outras ciências. A localização central da química analítica no diagrama representa sua importância e a abrangência de sua interação com muitas outras disciplinas.

Agricultura Agronomia

Ciência dos Animais Ciência da Produção Ciência dos Alimentos

Horticultura Ciência dos Solos

Ciências do Meio Ambiente

Ecologia

Meteorologia Oceanografia

Geologia Geofísica Geoquímica Paleontologia Paleobiologia

Biologia Botânica Genética

Microbiologia

Biologia Molecular Zoologia

Química Bioquímica

Química Inorgânica Química Orgânica

Físico-Química Física

Astrofísica Astronomia Biofísica

Engenharia

Civil Química Elétrica Mecânica

Medicina

Química Clínica Química Medicinal

Farmácia Toxicologia

Ciência dos Materiais

Metalurgia Polímeros

Estado SólidoCiências Sociais Arqueologia

Antropologia Forense

Química Analítica função similar em relação a muitas outras áreas do conhecimento listadas no diagrama. A química é freqüentemente denominada a ciência central; sua posição superior central e a posição central da química analítica na figura enfatizam essa importância. A natureza interdisciplinar da análise química a torna uma ferramenta vital em laboratórios médicos,industriais,governamentais e acadêmicos em todo o mundo.

1BMÉTODOS ANALÍTICOS QUANTITATIVOS

Calculamos os resultados de uma análise quantitativa típica,a partir de duas medidas. Uma delas é a massa ou o volume de uma amostra que está sendo analisada. A outra é a medida de alguma grandeza que é proporcional à quantidade do analito presente na amostra,como massa,volume,intensidade de luz ou carga elétrica. Geralmente essa segunda medida completa a análise,e classificamos os métodos analíticos de acordo com a natureza dessa medida final. Os métodos gravimétricosdeterminam a massa do analito ou de algum composto quimicamente a ele relacionado. Em um método volumétrico,mede-se o volume da solução contendo reagente em quantidade suficiente para reagir com todo analito presente. Os métodos eletroanalíticosenvolvem a medida de alguma propriedade elétrica,como o potencial,corrente,resistência e quantidade de carga elétrica. Os métodos espectroscópicosbaseiam-se na medida da interação entre a radiação eletromagnética e os átomos ou as moléculas do analito,ou ainda a produção de radiação pelo analito. Finalmente,um grupo de métodos variados inclui a medida de grandezas,como razão massa-carga de moléculas por espectrometria de massas,velocidade de decaimento radiativo,calor de reação,condutividade térmica de amostras,atividade óptica e índice de refração.

1CUMA ANÁLISE QUANTITATIVA TÍPICA

Uma análise quantitativa típica envolve uma seqüência de etapas,mostrada no fluxograma da Figura 1-2. Em alguns casos,uma ou mais dessas etapas podem ser omitidas. Por exemplo,se a amostra for líquida, podemos evitar a etapa de dissolução. Os primeiros 29 capítulos deste livro focalizam as três últimas etapas descritas na Figura 1-2.

Na etapa de determinação,medimos uma das propriedades mencionadas na Seção 1B. Na etapa de cálculo,encontramos a quantidade relativa do analito presente nas amostras. Na etapa final,avaliamos a qualidade dos resultados e estimamos sua confiabilidade.

Nos parágrafos que seguem,você vai encontrar uma breve visão geral sobre cada uma das nove etapas mostradas na Figura 1-2. Então,apresentaremos um estudo de caso para ilustrar essas etapas na resolução de um importante problema analítico prático. Os detalhes do estudo de caso prenunciam muitos dos métodos e idéias que você vai explorar em seus estudos envolvendo a química analítica.

1C-1A Escolha do Método

A primeira etapa essencial de uma análise quantitativa é a seleção do método,como mostrado na Figura 1-2. Algumas vezes a escolha é difícil e requer experiência,assim como intuição. Uma das primeiras questões a ser considerada no processo de seleção é o nível de exatidão requerido. Infelizmente,a alta confiabilidade quase sempre requer grande investimento de tempo. Geralmente,o método selecionado representa um compromisso entre a exatidão requerida e o tempo e recursos disponíveis para a análise.

Uma segunda consideração relacionada com o fator econômico é o número de amostras que serão analisadas. Se existem muitas amostras,podemos nos dar o direito de gastar um tempo considerável em operações preliminares,como montando e calibrando instrumentos e equipamentos e preparando soluçõespadrão. Se temos apenas uma única amostra,ou algumas poucas amostras,pode ser mais apropriado selecionar um procedimento que dispense ou minimize as etapas preliminares.

Finalmente,a complexidade e o número de componentes presentes da amostra sempre influenciam,de certa forma,a escolha do método.

1C-2Obtenção da Amostra

Como ilustrado na Figura 1-2,a próxima etapa em uma análise quantitativa é a obtenção da amostra. Para gerar informações representativas,uma análise precisa ser realizada com uma amostra que tem a mesma composição do material do qual ela foi tomada. Quando o material é amplo e heterogêneo,grande esforço

4FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ANALÍTICA–EDITORATHOMSON é requerido para se obter uma amostra representativa. Considere,por exemplo,um vagão contendo 25 toneladas de minério de prata. O comprador e o vendedor do minério precisam concordar com o preço,que deverá ser baseado no conteúdo de prata do carregamento. O minério propriamente dito é inerentemente heterogêneo,consistindo em muitos torrões que variam em tamanho e igualmente no conteúdo de prata.

A dosagemdesse carregamento será realizada em uma amostra que pesa cerca de um grama. Para que a análise seja significativa,essa pequena amostra deve ter uma composição que seja representativa das 25 toneladas (ou aproximadamente 25.0.0 g) do minério contido no carregamento. O isolamento de um grama do material que represente de forma exata a composição média de aproximadamente 25.0.0 g

SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCHCAP. 1A Natureza da Química Analítica5

Figura 1-2Fluxograma mostrando as etapas envolvidas em uma análise quantitativa. Existe grande número de caminhos possíveis para percorrer as etapas em uma análise quantitativa. No exemplo mais simples,representado pela seqüência vertical central,selecionamos um método,adquirimos e processamos a amostra,dissolvemos a amostra em um solvente apropriado, medimos uma propriedade do analito e estimamos a confiabilidade dos resultados. Dependendo da complexidade da amostra e do método escolhido,várias outras etapas podem ser necessárias.

Estimativa da confiabilidade dos resultados

Cálculo dos resultados

Medida da propriedade X

Eliminação das interferências

Processamento da amostra

Realização da dissolução química

Não

Sim

Obtenção da amostra

Seleção do método

Propriedade mensurável?

Sim

Mudança da forma química

Não

A amostra é solúvel?

Um material é heterogêneose suas partes constituintes podem ser distinguidas visualmente ou com o auxílio de um microscópio. O carvão, os tecidos animais e o solo são materiais heterogêneos.

de toda a amostra é uma tarefa difícil,que exige manipulação cuidadosa e sistemática de todo o material do carregamento. A amostragemé o processo de coletar uma pequena massa de um material cuja composição represente exatamente o todo do material que está sendo amostrado. Os detalhes da amostragem são explorados no Capítulo 8.

A coleta de espécimes de fontes biológicas representa um segundo tipo de problema de amostragem. A amostragem de sangue humano para a determinação de gases sangüíneos ilustra a dificuldade de obtenção de uma amostra representativa de um sistema biológico complexo. A concentração de oxigênio e dióxido de carbono no sangue depende de uma variedade de fatores fisiológicos e ambientais. Por exemplo,a aplicação inadequada de um torniquete ou movimento da mão pode causar uma flutuação na concentração de oxigênio no sangue. Uma vez que os médicos tomam suas decisões de vida ou morte baseados em resultados de determinações de gases sangüíneos,procedimentos rigorosos têm sido desenvolvidos para a amostragem e o transporte de espécimes para os laboratórios clínicos. Esses procedimentos garantem que a amostra seja representativa do paciente no momento em que é coletada e que sua integridade seja preservada até que a amostra possa ser analisada.

Muitos problemas envolvendo amostragem são mais fáceis de ser resolvidos que os dois descritos neste momento. Não importando que a amostragem seja simples ou complexa,todavia,o analista deve ter a certeza de que a amostra de laboratório é representativa do todo antes de realizar a análise. Freqüentemente, a amostragem é a etapa mais difícil e a fonte dos maiores erros. A confiabilidade dos resultados finais da análise nunca será maior que a confiabilidade da etapa de amostragem.

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