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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ - UFPI CENTRO DE CIÊNCIAS DA NATUREZA - CCN DEPARTAMENTO DE QUÍMICA - DQ QUÍMICA INSTRUMENTAL II
DETERMINAÇÃO ESPECTROFOTOMÉTRICA DE FERRO TOTAL (Fe2+ E Fe3+) PELO MÉTODO DA ORTO-FENANTROLINA
WANDERLEY MATOS GONÇALVES
Teresina-PI Novembro-2011
RESUMO
Fez-se um espectro de absorção de ferro (II), usando-se o método da 1,10fenantrolina, com uma solução a 3,0 mg L-1 do mesmo e depois preparou-se duas curvas de calibração, com soluções de concentrações: 0,5, 1,0, 2,0, 3,0, 4,0 e 5,0 mg L-1 de Fe(II), onde uma delas foi feita a um comprimento de onda (λ) de 510 nm e a outra a 530 nm e depois, com as equações das retas obtidas (retas lineares, com R>0,999),
calculou-se
a
concentração
de
uma
solução
de
concentração
desconhecida e a da amostra usada para preparar a última.
Palavras-chave: Espectrofotometria. Ferro. Método da orto-fenantrolina.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................ 01 2. OBJETIVOS ................................................................................................ 05 2.1 Objetivo Geral .............................................................................................
05
2.2 Objetivo Específico .....................................................................................
05
3. PARTE EXPERIMENTAL ...........................................................................
06
3.1 Materiáis e Reagentes ................................................................................
06
3.2 Procedimento Experimental ........................................................................ 06 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ..................................................................
08
5. CONCLUSÃO .............................................................................................
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6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...........................................................
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1. INTRODUÇÃO
O ferro é o metal mais conhecido e utilizado pela humanidade desde os tempos mais longínquos e remotos, sendo também o quarto elemento mais abundante na crosta terrestre. O ferro possui dois números de oxidação mais comuns, o Fe2+, conhecido antigamente como íon ferroso, no estado bivalente e o Fe3+, antes chamado de íon férrico, com estado de oxidação trivalente. Já quando se cita ferro total em análises refere-se a todo ferro presente em um único número de oxidação, no presente caso deste relatório o Fe2+ (SIQUEIRA, et al, 2004). O ferro (Fe) não é encontrado na natureza de forma isolada, mas sim sob a forma de minerais, dentre os quais destacam-se a hematita, Fe2O3, a magnetita, Fe3O4 e a pirita, FeS. Nos organismos vivos o ferro possui uma grande importância, a qual é devida ao transporte de oxigênio pela hemoglobina, formação de mioglobulina, etc. Ele é absorvido pelos seres vivos na forma de sais contidos na água e por alimentos, sendo que a deficiência deste causa doenças, como a anemia. No homem existem taxas limites de absorção e excreção de ferro, logo o excesso de ferro no corpo pode causar até câncer no fígado (MEDEIROS, 2004 e MARTINS, et al, 2006). Nas propriedades físico-químicas do ferro destacam-se dois tipos de sistemas ou duas séries principais: os compostos ferrosos com ferro bivalente, FeS, que está no mineral pirita citado anteriormente e os compostos férricos com ferro trivalente, F2O3, que é a hematita. O magnetismo é uma importante propriedade física deste, já quando exposto ao ar úmido ele se oxida, formando a ferrugem, ou seja, óxidos ferro. Pode-se destacar também, como uma das propriedades químicas de ferro, a facilidade que este tem de ser atacado por ácidos (MARTINS, 2002). A determinação de ferro pode ser feita por espectrofotometria, que é um subconjunto
da
Espectroscopia
Molecular,
ou
ainda
mais
detalhado,
a
espectrometria de absorção molecular no Ultravioleta/Visível (UV/Visível), sendo, portanto um importante método analítico e instrumental de grande aplicação. Neste método está envolvido um ligante ou complexante para o ferro (de seletividade para um de seus números de oxidação) formando um complexo de coloração com alta capacidade de absorver a radiação incidida (alta absortividade molar, ). Há ainda
outros métodos e técnicas para a determinação de ferro em amostras diversas oriundas dos mais diferentes locais entre estas estão a Espectrometria de Absorção Atômica (AAS, do inglês), a Voltametria e a Espectrometria de quimioluminescência (ICP-OES, do inglês) (SKOOG et al, 2002). Qualquer técnica ou método que faça uso de luz (radiação eletromagnética) no intuito de medir concentrações de espécies químicas é considerado como espectrofotometria. A luz atualmente é descrita tanto como partícula como onda, logo estas ondas luminosas são campos magnéticos e elétricos oscilantes e orientados perpendicularmente, que explica sucintamente o termo radiação eletromagnética (luz). Parâmetros como comprimento de onda ( em nm) e freqüência (em s-1 ou Hz) definem o comportamento da radiação e também a energia desta. Esta relação pode ser vista na equação: E = h ou E = hc/ Onde h = a constante de Planck, 6,626 x 10-34 J.s. A espectrometria de absorção molecular está baseada na medida de Transmitância, T = P/Po ou de Absorção, A = -log(P/Po), Onde a variável Po é a radiação incidente e P é a radiação transmitida. Das soluções contidas na cubeta, que é um recipiente transparente de caminho óptico definido (b = 1 cm no presente trabalho). A lei-limite de Lambert-Beer equaciona a relação entre A e T, bem como da dependência com a concentração do analito (c) na solução contida na cubeta e seu caminho óptico (b). Esta relação está demonstrada na equação: A = Log(Po/P) = bc
Analisando-se a fórmula acima obtém-se que quando A é adimensional, a lei de Beer possui desvios , por exemplo, instrumentais, reais (altas concentrações e índices de refração) e químicos, como o ajuste do pH, por isso esta é considerada uma lei-limite (SKOOG, 2006 e HARRIS, 2005). A figura 1 mostra esquematicamente como funciona um aparelho utilizado em espectrofotometria, o espectrofotômetro ou absorsiômetro, de feixe único, onde as cubetas e o obturador mecânico para ajuste 0% de T devem ser colocados um por vez, a fenda e as lentes da rede de difração formam o monocromador, o qual
direciona o feixe de luz para a cubeta, local onde está o analito, e que depois de atravessá-la vai para o detector, onde é dada uma resposta numérica do sistema.
FIGURA 1 – Esquema representando o funcionamento de um espectrofotômetro de feixe único. O esquema mostra fonte, fenda, cubeta e detector
As cubetas, utilizadas nas análises espectroscópicas, são de fundamental importância, uma vez que são nelas que se colocam o analito, estando este dissolvido em uma solução, em estado gasoso ou ainda em suspensão. Estas cubetas devem ser inertes à radiação incidida para que a resposta seja somente do analito. Na figura 2 pode ser visto diversas cubetas usadas nos diferentes tipos de espectroscopia (UV/Vis, IR, etc).
FIGURA 2 – Diferentes cubetas usadas em espectroscopia Em espectrometria de absorção molecular são usadas cubetas de vidro “casadas”, ou seja, iguais, tanto para aparelhos de duplo feixe que pode colocar as duas cubetas dentro do aparelho como para o espectrofotômetro de único feixe. A calibração e o ajuste do aparelho é o primeiro passo a ser feito em uma análise
espectrométrica, o ajuste feito é 0% de T, 100% de T com a solução do branco e 0% de A, feito isto o aparelho deve ter opção de funcionamento (em A ou T) e o comprimento de onda selecionados () para se começar a análise (no presente trabalho o aparelho mostrou a resposta digital em um visor no próprio aparelho, A = 0,079 por exemplo). A figura 3 ilustra as cubetas usadas em espectroscopia de absorção molecular.
FIGURA 3 – Duas cubetas “casadas”, ou seja, iguais em b. Usadas em espectrofotometria
O método da orto-fenantrolina consiste em mudar o estado de oxidação do Ferro(III) para Ferro(II) íons ferrosos através do uso de um agente redutor, sendo o ácido ascórbico, o ácido tioglicólico e o cloridrato de hidroxilamina (NH 3OHCl) exemplos de agentes redutores. Usa-se, também neste, uma solução-tampão para deixar o pH por volta de 3,3 (tampão de acetato de sódio, neste trabalho), pois a 1,10 fenantrolina complexa-se com o ferro, onde três moléculas da fenantrolina reagem com o Fe(II) dando [Fe(phen) 3]2+. A orto-fenantrolina é um ligante quelato aromático de nitrogênio de fórmula C12H8N2.H2O (.H2O quando hidratada) que forma complexos com metais de baixo número de oxidação, Fe(II), por exemplo. O preparo da solução padrão de Ferro(II) pode ser feito usando-se o Sulfato ferroso amoniacal ou sal de Mohr, Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O (este sal tem maior resistência a oxidação) e H2SO4, sendo preparado como solução estoque para não modificar a concentração do analito e quando for preparado os padrões (geralmente 6) faz-se uma diluição. O resultado da análise é obtido pela construção da curva de calibração e quando feito diluições da amostra o resultado final deve ser corrigido com fator de diluição correspondente.
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo Geral Determinar ferro total em solução desconhecida, por espectrofotometria usando a orto-fenantrolina como ligante quelato para o ferro. 2.2. Objetivos Específicos o
Determinar qual o comprimento de onda de máxima absorção
(máx) para uma solução contendo Ferro (II); o
Construir uma curva de calibração, com máx;
o
Determinar e quantificar ferro total, numa solução desconhecida,
pelo método da orto-fenantrolina, usando-se a curva de calibração a máx; o
Verificar qual será o comportamento da curva de calibração em
um de no qual a absortividade varia muito com a variação no mesmo; o
Verificar se os valores obtidos nas análises pelos dois , para a
solução estoque, são estatisticamente iguais ou não; o
Compreender
o
funcionamento
do
espectrofotômetro
de
bancada, abordado neste trabalho, bem como de suas partes essenciais; o
Manipulação de dados experimentais oriundos da prática usando
reagentes e soluções recém-preparadas.
3. PARTE EXPERIMENTAL
3.1. Materiais e Reagentes Espectrofotômetro da marca Espectrophotometer OLEMAN 35D (5 nm abertura de fenda); 2 Cubetas de vidro (b = 1 cm); Béqueres de diversos volumes; Micropipetas; Pipetas volumétricas de diversos volumes; Balões volumétricos de diversos volumes; Sulfato de ferroso amoniacal, [Fe(NH4)2(SO4)](SO4).6H2O P. A.; Ácido Sulfúrico (H2SO4) concentrado; Cloridrato de Hidroxilamina (NH3OHCl); 1,10 fenantrolina (C12H8N2); Ácido acético/acetato de sódio (CH3COOH/CH3COONa); Água deionizada.
3.2. Procedimento Experimental Preparo dos reagentes I) Preparo de soluções para obtenção da curva de calibração Com os volumes da solução estoque, mostrados na tabela 1, foram preparadas soluções com 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 e 5,0 mg L-1 de concentração em balões volumétricos de 50 mL, bem como da adição de 2,5 mL de Cloridrato de hidroxilamina, 2,5 mL de orto-fenantrolina e 3,5 mL de ácido acético/acetato de sódio aos mesmos.
TABELA 1 – Valores dos volumes de uma solução estoque da Fe(II) a 100 mg L -1, necessários para preparar as soluções padrões desejadas
Concentração da solução que se quer preparar (mg L-1)
0,5
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
Volume necessário da solução estoque (mL)
0,25
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Obtenção do espectro 1. Ligou-se, o aparelho, e esperou-se uns 15 min. para ele estabilizar-se; 2. Fez-se a leitura do 0% de Transmitância (T); 3. Com o aparelho na opção Absorbância (A) selecionou-se o comprimento de onda inicial; 4. Tirou-se o 0% de A com uma solução do branco (na cubeta); 5. Ao retirar a cubeta, contendo o branco, foi posta outra, a qual continha o padrão de Fe(II) a 3,0 mg L-1; 6. Repetiu-se os procedimentos de 1 a 5, variando o comprimento de onda do aparelho, usando-se a mesma solução padrão de Fe(II). Construção da Curva de calibração 1. Selecionou-se no aparelho (espectrofotômetro) o comprimento da onda desejado; 2. Com a cubeta do branco ajustou-se o 0% de A; 3. Fez-se a leitura das soluções padrão (0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 e 5,0 mg L1
) e preparou-se a curva de calibração para as mesmas.
Determinação da concentração (em mg L-1) de uma amostra desconhecida 1. O comprimento de onda de máxima absorção foi selecionado; 2. Com a solução do branco acertou-se novamente o 0% de A; 3. Mediu-se a Absorbância da solução desconhecida três vezes; 4. Calculou-se a concentração da solução usando a curva de calibração.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Ao iniciar-se a prática, exposta neste trabalho, realizou-se a medida da absorbância de uma solução de Fe(II) de concentração 3 mg L-1, a vários comprimentos de onda (), obtendo-se o gráfico mostrado na figura 4.
s
FIGURA 4 – Gráfico do espectro de absorbância de uma solução de Fe(II) a 3 mg L-1 em função do comprimento de onda
A figura 4 mostra que o comprimento de onda de máxima absorção encontrase a 510 nm, e que esta é a região do espectro onde ocorre uma menor variação da absortividade da solução, quando se aplica uma variação pequena do comprimento de onda. Com isso obteve-se que a faixa onde se encontra o comprimento de onda que apresentará uma curva de calibração de maior sensibilidade está a 510 nm. A curva de calibração, tendo-se igual a 510 e variando-se a concentração da solução, está mostrada na figura 5, e apresenta seus dados na tabela 2. TABELA 2 – Especificações da curva de calibração apresentada na figura 5 Parâmetros A
Valores 0,00926
Erros 0,00542
Equação da reta
B R
0,19745 SD
0,00179 N
P
0,99984
0,00697
6
< 0,0001
Y = A + B*C
FIGURA 4
Concentração (mg L-1) FIGURA 5 - Curva de calibração, a 510 nm, de soluções de concentração conhecida de Fe(II)
Os dados mostrados na tabela 2 demonstram que a curva de calibração é linear (R = 0,99984) e que, por isso, pode ser utilizada para a determinação da concentração de uma solução desconhecida de Fe(II), utilizando este método, tendo-se como base de cálculo a equação 1: Eq. 1
A = 0,00926 + 0,19745*C Na equação acima, A representa o valor da absorbância obtida no aparelho,
no momento da análise, e C é a concentração da solução analisada. Ao medir-se a absorbância, em triplicata, para a solução desconhecida de Fe(II), obteve-se os valores descritos na segunda coluna da tabela 3, dos quais calculou-se o valor da concentração (Cf) da mesma, utilizando-se a equação 1 e depois calculou-se o valor da concentração (Ci) da amostra, sabendo-se que foi utilizado 1,25 mL da amostra para preparar 50 mL da solução que foi analisada. A equação que melhor relaciona os valores de volume e concentração de uma solução, no decorrer de uma diluição está apresentada na equação 2. Eq. 2
Ci x Vi = Cf x Vf
TABELA 3 – Dados obtidos das análises, em triplicata, da solução desconhecida, com seus respectivos valores de concentração Replicata Absorbância (a 510 nm)
Concentração da solução analisada (mg L-1)
Concentração da amostra (mg L-1)
1 2 3
0,511 0,514 0,517
2,541 2,556 2,571
101,644 102,252 102,859
Média (x)
0,514
2,556
102,252
s DPR
3,00E-03 0,58%
1,52E-02 0,59%
6,08E-01 0,59%
Diante dos dados da tabela 3, pode-se dizer que a amostra analisada, apresenta um intervalo de confiança para a média (a 95%) de 102,25 ± 1,51 mg L-1. Este intervalo pode ser obtido pela fórmula demonstrada na equação 3, onde µ representa a média real da solução e t o valor 4,303, o qual é tabelado. Eq. 3
µ = x ± (ts/√3) Ao buscar-se verificar qual seria o comportamento da curva de calibração das
mesmas soluções já analisadas e qual seria o valor da concentração desconhecida que seria obtida, quando se fizesse os mesmos testes, só que em um comprimento de onda que fica na região do espectro de absorção, onde ocorre uma grande variação da absortividade da solução quando se varia o , escolheu-se o de 530 nm, o qual está mostrado na figura 6 e realizou-se a mesma metodologia usada para o de 510 nm.
FIGURA 6 – Espectro de absorbância de uma solução de Fe(II) a 3 mg L-1 em função do comprimento de onda
Com o comprimento de onda de 530 nm, preparou-se a curva de calibração mostrada na figura 7 e encontrou-se os dados demonstrados na tabela 4. FIGURA 4
Concentração (mg L-1) FIGURA 7 – Curva de calibração de 6 amostras de concentração conhecida, a um igual 530 nm
TABELA 4 – Dados obtidos das análises, em triplicata, da solução desconhecida, com seus respectivos valores de concentração Parâmetros
Valores
Erros
Equação da reta
A B R 0,99998
0,00362 0,15241 SD 0,00165
0,00128 4,21989E-4 N 6
Y = A + B*C P < 0,0001
Diante dos dados apresentados na tabela 4, pode-se concluir que a curva apresentou-se como sendo linear, pois apresentou um valor de coeficiente de correlação linear bem próximo de 1 (R = 0,99998). Tal característica mostra que esta curva pode ser utilizada para a determinação da concentração de soluções que tenham concentrações dentro dos limites mostrados na curva de calibração, com um bom nível de certeza e confiança. Com os dados da tabela 4, preparou-se a equação 4, a qual é a equação da reta, mostrada na figura 7, que relaciona a absorbância e a concentração da solução a um de 530 nm. Eq. 4
A = 0,00362 + 0,15241*C
Com a equação da reta e com os valores das absorbâncias das soluções de concentração desconhecida de Fe(II), obteve-se os dados mostrados na tabela 5. TABELA 5 – Dados obtidos das análises (a um igual a 530 nm), em triplicata, da solução desconhecida, com seus respectivos valores de concentração Replicata Absorbância Concentração da solução (a 530 nm) analisada (mg L-1) 1 0,385 2,502
Concentração da solução da amostra (mg L-1) 100,093
2 3
0,392 0,384
2,548 2,496
101,930 99,831
Média s
0,387 4,36E-03
2,515 2,86E-02
100,618 1,14E+00
DPR
1,13%
1,14%
1,14%
Diante do mostrado na tabela 5, pode-se obter, pela equação 3, que o intervalo de confiança da média (a 95%) da amostra será de 100,62 ± 2,83 mg L-1. Aplicando-se o teste F para as duas populações de resultados para a solução estoque (amostra), obteve-se um valor de F igual a 3,52, o qual é menor que o valor teórico (19,00), nos mostrando que não há diferença significativa entre os valores de s obtidos pelos dois métodos e aplicando-se o teste t, obteve-se que ovalor experimental foi de módulo igual a 2,935, valor este que está bem abaixo do valor limite para análises em triplicatas (tlim = 4,303), o que demonstra que estes dados são estatisticamente iguais e que os erros destas análises devem ser decorrentes de erros aleatórios ou instrumentais.
5. CONCLUSÃO
O comprimento de onda de máxima absorção, para a determinação de ferro total na espectrometria de absorção molecular, onde o método utilizado foi o da ortofenantrolina, foi de 510 nm (máx) sendo a curva de calibração, a este , linear e de R > 0,999. O Intervalo de confiança da amostra, a 95%, foi de 102,25 ± 1,51 mg L-1. Para um comprimento de onda de 530 nm, no qual a absortividade varia bastante com a variação do comprimento de onda, também se construiu uma curva de calibração linear (R > 0,999) e obteve-se que a concentração da amostra inicial apresentava-se no intervalo de confiança de 100,62 ± 2,83 mg L-1. Estes últimos resultados, quando comparados com os obtidos para as análises a 510 nm apresentaram-se como sendo estatisticamente iguais.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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