Vogel: Análise Química Quantitativa

J Mendham · Capítulo 376 de 495

Páginas do PDF

Vogel: Análise Química Quantitativa

15.2 Teoria elementar

O processo de produção dos átomos de metal na chama pode ser descrito

como a seguir. Quando uma solução que contém um composto adequado do

metal a ser investigado é introduzida em uma chama, os seguintes

fenômenos ocorrem em rápida sucessão:

 

1. A evaporação do solvente deixa um resíduo sólido.

2. A vaporização do sólido provoca a dissociação em átomos inicialmente

no estado fundamental.

3. A excitação de alguns átomos pela energia térmica da chama até níveis

de energia mais elevados permite a emissão de energia radiante. Os

átomos excitados voltam ao estado fundamental.

 

O espectro de emissão resultante consiste em raias oriundas dos átomos

excitados ou de íons. A Fig. 15.1 representa de forma conveniente estes

processos.

 

15.2 Teoria elementar

 

No diagrama simplificado de níveis de energia da Fig. 15.2, E0 representa o estado fundamental, no qual os elétrons de um dado átomo estão no nível

mais baixo de energia, e E 1, E2, E3 etc. representam os níveis de energia mais elevados ou excitados. As transições entre dois níveis de energia, por

exemplo de E0 a E1, correspondem à absorção de energia radiante. A quantidade de energia absorvida, ΔE, é determinada pela equação de Bohr:

 

ΔE = E1 – E0 = hv = hc/λ

 

onde c é a velocidade da luz, h, a constante de Planck, v, a freqüência, e λ, o

comprimento de onda da radiação absorvida. A transição de E 1 a E0 corresponde à emissão de radiação de freqüência v.

Como um átomo de um determinado elemento químico dá origem a um

espectro de raias definido e característico, segue-se que diferentes estados

de excitação estão associados a diferentes elementos. Os espectros de

emissão observados não envolvem apenas transições de estados excitados

para o estado fundamental, por exemplo, de E 3 a E0, de E2 a E0 (indicadas na

Fig. 15.2 pelas linhas cheias), mas também transições, por exemplo, de E3 a

E2, de E3 a E1 (indicadas pelas linhas tracejadas). Isto significa que o espectro de emissão de um dado elemento pode ser bastante complexo. A

princípio, também é possível a absorção de radiação por átomos já

excitados, por exemplo, de E1 a E2 ou de E2 a E3, mas, na prática, a razão entre o número de átomos excitados e os que estão no estado fundamental é

muito baixa e, por isso, o espectro de absorção de um dado elemento é

normalmente associado apenas às transições que envolvem o estado

fundamental. Os espectros de absorção, portanto, são muito mais simples do

que os espectros de emissão.

A relação entre a população do estado fundamental e a dos estados

excitados é dada pela equação de Boltzmann:

 

N –Δ / 1 0 1 0 E / N = ( g / g )kT

 

onde

N1 = número de átomos no estado excitado

N0 = número de átomos no estado fundamental

g1/g0 = razão estatística ponderada para os estados fundamental e

excitado

ΔE = energia de excitação = hv

k = constante de Boltzmann

T = temperatura em kelvins

Fig. 15.1 Átomos excitados ou íons produzidos em um espectro de emissão

 

Observe que a razão N1/N0 depende da energia de excitação, ΔE, e da temperatura, T. O aumento da temperatura e o decréscimo de ΔE (isto é,

transições que ocorrem em comprimentos de onda mais elevados)

aumentam a razão N1/N0.

Os cálculos mostram que apenas uma pequena fração dos átomos é

excitada, mesmo sob as condições mais favoráveis, isto é, quando a

temperatura é elevada e a energia de excitação, baixa. A Tabela 15.1 ilustra

este fato para o caso de algumas raias de ressonância típicas.

Como os espectros de absorção da maior parte dos elementos são mais

simples do que os respectivos espectros de emissão, a espectroscopia de

absorção atômica está menos sujeita a interferências entre elementos do que

a espectroscopia de emissão de chama. Além disso, em vista da elevada

proporção de átomos no estado fundamental em relação aos excitados, é de

se esperar que a espectroscopia de absorção atômica seja mais sensível do

que a espectroscopia de emissão de chama. O comprimento de onda da raia

de ressonância, entretanto, é, neste caso, um fator crítico e, na

espectroscopia de emissão de chama, os elementos cujas raias de

ressonância estão associadas a valores relativamente baixos de energia são

mais sensíveis do que aqueles cujas raias de ressonância estão associadas a

valores de energia mais elevados. Assim, o sódio, cuja raia de emissão está em 589,0 nm, é muito sensível na espectroscopia de emissão de chama. Já o

zinco, cuja raia de emissão está em 213,9 nm, é relativamente insensível.

A absorção integrada é dada por

 

K 2 dv = fN ( πe/mc)

0

 

onde

K = coeficiente de absorção na freqüência v

e = carga do elétron

m = massa de um elétron

c = velocidade da luz

f = força de oscilador da raia que absorve

N0 = número de átomos de metal por mililitro que podem absorver a

radiação

 

Fig. 15.2 Diagrama simplificado de níveis de energia

 

A força do oscilador f da raia de absorção é inversamente proporcional ao

tempo de vida do estado excitado. Nesta expressão, a única variável é N0 e ela comanda a intensidade da absorção. Em outras palavras, o coeficiente de

absorção integrado é diretamente proporcional à concentração da espécie

que absorve.

Era de se esperar que a medida do coeficiente de absorção integrado

fosse ideal para a análise quantitativa. Na prática, contudo, a medida

absoluta dos coeficientes de absorção das raias espectrais atômicas é muito

difícil. A largura natural da raia de uma raia espectral atômica é da ordem de 10 –5 nm, mas devido à influência dos efeitos Doppler e de pressão, a raia

se alarga até 0,002 nm na temperatura usual da chama, entre 2000 e 3000 K.

A medida acurada do coeficiente de absorção de uma raia com esta largura

exigiria um espectrômetro com poder de resolução de 500000. Esta

dificuldade foi superada por Walsh [1], que usou uma fonte que emitia raias

muito estreitas, com largura à meia altura muito menor do que a das raias de

absorção, cujas freqüências de radiação estavam centradas nas freqüências

de absorção. Deste modo, o coeficiente de absorção no centro da raia, Kmáx, pode ser medido. Admitindo-se que o perfil da raia de absorção depende

apenas do alargamento Doppler, existe uma relação entre Kmáx e N0. Assim, o único requisito do espectrômetro é que ele seja capaz de isolar a raia de

ressonância desejada de todas as demais emitidas pela fonte.

Observe que na espectroscopia de absorção atômica, como ocorre na

absorção molecular, a absorbância A é dada pela razão logarítmica entre a

intensidade da luz incidente, I 0, e a da luz transmitida, It, isto é,

 

A = log I0/It = KLN0

 

onde

N0 = concentração de átomos na chama (número de átomos por

mililitro)

L = passo ótico na chama (cm)

k = constante relacionada ao coeficiente de absorção

 

Para pequenos valores de absorbância, esta equação é linear.

Na espectroscopia de emissão de chama, a resposta do detector, E, é dada

pela expressão

 

E = Kαc

 

onde

k = constante que contém vários fatores, incluindo a eficiência de

atomização e a auto-absorção

α = eficiência da excitação atômica

c = concentração da solução-teste

 

Tabela 15.1 Variação da excitação atômica com o comprimento de onda e a temperatura

 

Comprimento N1/N0

 

Elemento de onda (nm) 2000 K 4000 K

 

Na –6 –3 589,0 9,86 × 10 4,44 × 10

 

Ca –7 –4 422,7 1,21 × 10 6,03 × 10

 

Zn –15 –7 213,9 7,31 × 10 1,48 × 10

 

Segue-se que qualquer método elétrico para aumentar E, por exemplo, o

aumento da amplificação, torna a técnica mais sensível.

A equação básica da fluorescência atômica é

 

F = QI 0kc

 

onde

Q = eficiência quântica do processo de fluorescência atômica

I0 = intensidade da radiação incidente

k = constante governada pela eficiência do processo de atomização

c = concentração do elemento de interesse na soluçãoteste

 

Quanto mais potente for a fonte de radiação, maior será a sensibilidade

desta técnica.

Em resumo, tanto na espectroscopia de absorção atômica como na

espectroscopia de fluorescência atômica, os fatores que favorecem a produção de átomos em fase gasosa no estado fundamental determinam o