Baixe Fotometria de Chama e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity! Quim. Nova, Vol. 27, No. 5, 832-836, 2004 Ed uc aç ão *e-mail: cavalheiro@iqsc.usp.br EXPERIMENTOS SIMPLES USANDO FOTOMETRIA DE CHAMA PARA ENSINO DE PRINCÍPIOS DE ESPECTROMETRIA ATÔMICA EM CURSOS DE QUÍMICA ANALÍTICA Fabiano Okumura e Éder T. G. Cavalheiro* Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo, CP 780, 400, 13560-970 São Carlos - SP Joaquim A. Nóbrega Departamento de Química, Universidade Federal de São Carlos, CP 676, 13560-970 São Carlos - SP Recebido em 19/5/03; aceito em 30/1/04; publicado na web em 17/6/04 SIMPLE FLAME PHOTOMETRIC EXPERIMENTS TO TEACH PRINCIPLES OF ATOMIC SPECTROMETRY IN UNDERGRADUATE ANALYTICAL CHEMISTRY COURSES. The purpose of this paper is the development of simple strategies to teach basic concepts of atomic spectrometry. Metals present in samples found in the daily lives of students are determined by flame atomic emission spectrometry (FAES). FAES is an accurate, precise, and inexpensive analytical method often used for determining sodium, potassium, lithium, and calcium. Historical aspects and their contextualization for students are also presented and experiments with samples that do not require pre-treatment are described. Keywords: flame atomic emission photometry; education in analytical chemistry; instrumental analysis. INTRODUÇÃO A fotometria de chama é a mais simples das técnicas analíticas baseadas em espectroscopia atômica. Nesse caso, a amostra conten- do cátions metálicos é inserida em uma chama e analisada pela quan- tidade de radiação emitida pelas espécies atômicas ou iônicas excita- das. Os elementos, ao receberem energia de uma chama, geram es- pécies excitadas que, ao retornarem para o estado fundamental, libe- ram parte da energia recebida na forma de radiação, em comprimen- tos de onda característicos para cada elemento químico1-4. Apesar da simplicidade da técnica, diversos conceitos importan- tes estão envolvidos no desenvolvimento de experimentos usando a fotometria de chama, desde os princípios de espectroscopia até a estatística no tratamento de dados, passando por preparo de amostra e eliminação de interferências1,2. Este trabalho é parte de um projeto que objetiva o ensino de princípios de métodos óticos de análise para ensino superior e esco- las técnicas, utilizando a fotometria de chama para análise de amos- tras do cotidiano dos alunos. Considerando o baixo custo do instru- mento usado em relação à sua ampla aplicabilidade, a técnica ofere- ce muitas opções didáticas. O uso de amostras presentes no cotidia- no é reconhecidamente importante para atrair a atenção do estudan- te, melhorando o aproveitamento do conteúdo abordado. Aspectos como a interdisciplinaridade e o cotidiano são incentivados pelas novas propostas de ensino no País, tais como a Lei das Diretrizes e Bases da Educação, além dos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN), que foram propostos para o ensino fundamental e médio, com o intuito de melhorar a participação dos alunos nas aulas e des- pertar o seu interesse para o conteúdo abordado5, mas podem ser úteis também no ensino superior. Essas propostas são plenamente contempladas nos experimentos propostos. A introdução de um contexto histórico também contribui positi- vamente na proposta de atrair a atenção dos alunos. Uma breve dis- cussão sobre o desenvolvimento dos métodos de espectroscopia atô- mica é apresentada a seguir. Segundo propostas recentes, o contexto histórico deve ser apresentado aos alunos, de maneira a contribuir no processo de ensino, apresentando-lhes o desenvolvimento cientí- fico, seus erros e discussões5. Isso possibilita aos estudantes a vivência do processo de criação científica e o desenvolvimento da percepção de que o mesmo, tal como as demais obras humanas, é marcado por uma evolução gradual decorrente do trabalho de equipes multi-dis- ciplinares e que as abordagens são freqüentemente revistas ou apro- fundadas, em função da disponibilidade de novos dados experimen- tais ou mesmo da substituição de paradigmas. Nos experimentos aqui propostos, as amostras analisadas foram soro fisiológico, águas minerais, bebidas isotônicas e medicamentos anti-depressivos à base de lítio. A natureza dessas amostras sugere seu aproveitamento também em cursos de farmácia. Algumas das práticas foram aplicadas em aulas e os resultados, avaliados em pro- vas e questionários. Considerações sobre o desenvolvimento da espectroscopia atômica2,6,7 A apresentação da evolução histórica sobre o conteúdo aborda- do é recomendada pelas razões já citadas. No caso da espectroscopia atômica, devido à sua grande relevância para o avanço das ciências naturais, há vários textos relacionados com o tema, destacando-se os de Jarrell6, que apresenta um histórico da análise por emissão atômi- ca entre 1660-1950, o livro de Lajunen2 sobre análise espectroquímica por emissão e absorção atômicas e o artigo de Filgueiras7 sobre as relações da espectroscopia e a química, entre inúmeros outros. Os parágrafos abaixo são um resumo do que citam estes autores2,6,7. Tais textos destacaram a teoria corpuscular da luz de Isaac Newton (1666), que foi o primeiro a observar a decomposição da luz branca ao incidir em um prisma, resultando no aparecimento de diferentes cores, o que o levou a supor que a luz seria composta de partículas minúsculas, que se deslocariam em altas velocidades. Já Christian Huygens, físico holandês, apresentou em 1678 a teoria ondulatória da luz que, atualmente, é mais aceita. A construção das grades de difração, iniciada em 1786, pelo as- trônomo americano David Rittenhouse possibilitou avanços tecnológicos que permitiram a construção de um espectroscópio por 833Experimentos Simples Usando Fotometria de ChamaVol. 27, No. 5 Joseph Fraunhofer, entre 1814 e 1824. O espectroscópio é um ins- trumento ótico que possibilita a separação de radiações com distin- tos comprimentos de onda. Um dos desenvolvimentos interessantes ao longo do século XIX é a observação de linhas escuras no espectro contínuo da luz solar. Essas linhas escuras, foram observadas por William Hyde Wollaston em 1802, porém só posteriormente foram explicadas como causadas por processos de auto-absorção gerados por nuvem de átomos frios, presentes na periferia solar. Ressalta-se que o termo frio aqui utiliza- do se justifica comparativamente às temperaturas observadas no nú- cleo do sol. Em 1859, Bunsen desenvolveu um queimador no qual se obser- vava a intensidade de emissão dos elementos de forma mais eviden- te. Kirchhoff reconheceu que as linhas negras do espectro contínuo, descritas por Wollaston e posteriormente também observadas por Fraunhofer, coincidiam com as linhas de emissão de sais introduzi- dos em uma chama. Trabalhando juntos Robert Bunsen, químico, e Gustav Kirchhoff, físico, estudaram o espectro de emissão de uma amostra cujas linhas espectrais não correspondiam a nenhum elemento conhecido. Eles o denominaram césio, do grego caesius = azul-celeste, pois o espectro de emissão apresentava linhas azuis. No ano seguinte, um novo ele- mento foi descoberto, o rubídio, do grego rubidus, pois o seu espec- tro de emissão continha linhas vermelhas, da cor de um rubi. Esses pesquisadores deram um passo decisivo para a espectroscopia de emissão em chama, ao reconhecer que linhas espectrais emitidas por metais ocorrem em comprimentos de onda definidos, independente dos ânions que estão em solução. Em 1860, Bunsen e Kirchhoff demonstraram para um grupo de geólogos como identificar elementos como ferro, cobre, chumbo, sódio e potássio em minérios, através da coloração da chama em um queimador especialmente designado e, atualmente, denominado bico de Bunsen. A amostra sólida era dissolvida em água e a solução resultante, introduzida em uma chama. Pode-se estimar as concen- trações dos elementos pela comparação da intensidade das cores de soluções de concentrações conhecidas com a intensidade das solu- ções de amostra sólida de minérios. Posteriormente, construíram um espectroscópio representado pelo esquema da Figura 1. Uma repre- sentação mais detalhada do espectroscópio pode ser vista na internet8. O espectroscópio de Bunsen-Kirchhoff, representado na Figura 1, é um aparelho usado para efetuar medidas do comprimento de onda de uma radiação luminosa. Seu funcionamento baseia-se na dispersão da luz. É constituído de uma plataforma sobre a qual se colocam um colimador, uma luneta e um projetor, todos apresenta- dos na Figura 1. O colimador é formado por uma fenda discreta, de abertura regulável, colocada no plano focal de uma lente convergen- te, que faz a luz incidir sobre um prisma colocado em um suporte. O raio que emerge do prisma incide na luneta focada no infinito, de modo a formar uma imagem nítida8. O projetor consiste de uma lente convergente em cujo foco posiciona-se um dispositivo contendo uma escala graduada calibra- da, de modo que cada marca corresponda a uma raia monocromática. A escala, devidamente iluminada, projeta uma imagem na mesma direção da luz refratada do prisma permitindo, simultaneamente, a leitura e colimação8. Em 1868 realizaram-se estudos sobre o espectro solar durante os eclipses. Pierre Janssen acoplou uma luneta a um espectroscópio e identificou o hidrogênio como elemento principal. Joseph Norman Lockyer, na mesma época e com o mesmo sistema, analisou o espec- tro de linhas do sol e identificou um novo elemento, ao qual denomi- nou hélio, em homenagem ao deus grego do sol. Apenas em 1895, o elemento hélio foi identificado na Terra pelo escocês William Ramsay. A partir daí surgiram duas vertentes voltadas para a análise quali- tativa e quantitativa, enquanto a espectroscopia atômica seria também usada no desenvolvimento da teoria atômica. Lajunen2 apresentou uma linha cronológica para o desenvolvimento das técnicas baseadas na espectroscopia atômica em química analítica, durante o século XX. Os desenvolvimentos feitos a partir dessas observações levaram a erros e acertos, podendo ser usados para demonstrar que o desen- volvimento científico se dá por etapas, que nem sempre as conclu- sões são verdades absolutas e que as teorias científicas são revistas e freqüentemente aprimoradas. As referências citadas e diversos livros e textos de química geral abordam o tema com profundidade e grande riqueza de detalhes8-11. Tais textos podem ser consultados pelos alunos antes dos experimen- tos, como fonte de pesquisa extra-classe, recomendada pelo professor. Processos que ocorrem durante a medida por fotometria de chama A espectroscopia atômica baseia-se em métodos de análise de elementos de uma amostra, geralmente líquida, que é introduzida em uma chama, na qual ocorrem fenômenos físicos e químicos, como evaporação, vaporização e atomização. Um esquema dos fenômenos que ocorrem na chama é apresentado na Figura 2. Para que todos esses processos possam ocorrer em tempos de residência tipicamen- te inferiores a 5 min, é necessário que amostras líquidas sejam con- vertidas em um aerossol líquido-gás com partículas inferiores a 5- 10 µm para introdução na chama. A energia eletrônica é quantizada, isto é, apenas certos valores de energia eletrônica são possíveis. Isso significa que os elétrons só podem ocupar certos níveis de energia discretos e que eles absorvem ou emitem energias em quantidades discretas, quando se movem de um orbital para outro. Quando o elétron é promovido do estado fun- Figura 1. Esquema do espectroscópio construído por Bunsen e Kirchhoff8: 1- chama, fonte de excitação; 2- colimador; 3- prisma; 4- telescópio e 5- plataforma Figura 2. Esquema das reações que ocorrem na chama