APL 1.5A cor e a composição quantitativa de soluções com iões metálicos

Luísa GonçalvesMarco Palma

Marisa Paulino12º CT2

Externato de Penafirme

Resumo

Nesta actividade prática laboratorial procedeu-se à determinação da concentração de uma solução de CuSO4. Para tal, recorreu-se à espectrofotometria: um método experimental cuja base teórica se encontra numa lei que relaciona a absorvância com a concentração de uma solução – a lei de Lambert-Beer. A fim de se verificar esta lei, todo o procedimento experimental elaborou-se em laboratório. Fez-se uso de um espectrofotómetro, com o intuito de se analisar (num gráfico) a absorvância desta solução de concentração desconhecida para cada comprimento de onda, na região da luz visível do espectro electromagnético. Com base neste gráfico, escolheu-se o comprimento de onda para o qual a absorvância da solução foi máxima e procedeu-se à diluição de uma solução padrão de CuSO4, para várias amostras. O comprimento de onda escolhido serviu para registar os valores de absorvância das várias diluições para esse mesmo c.d.o., construindo-se um gráfico, que relaciona a absorvância com a concentração dessas mesmas diluições e, uma vez determinada a curva de calibração – recta do tipo y = mx+b -, chegou-se à expressão que traduz a lei de Lambert-Beer. Por via analítica ou gráfica, seria então possível determinar-se a concentração da solução desconhecida, pois já se encontrou o valor para o qual o valor da absorvância é máximo, no entanto este objectivo não se averiguou nesta actividade prática devido a erros, que se foram cometendo quer pela leitura efectuada pelo espectrofotómetro, quer pelos valores registados pelo grupo, que se basearam em estimativas pelo facto de não se manterem estáveis no monitor.

Palavras-chave: espectrofotometria, absorvância, transmitância, Lambert-Beer, concentração.

A questão: Como determinar a concentração de uma solução corada pela intensidade da sua cor? é a questão central que motivou à prática desta actividade experimental.

De forma a proceder a uma abordagem correcta do assunto será necessário compreender alguns aspectos relacionados com o conceito de espectrofotometria.

Espectrofotometria, em si, consiste na interacção da matéria com a radiação electromagnética. Repare-se que, se um feixe de luz monocromático for interposto numa amostra material corada (ex. uma solução aquosa), parte da radiação pode ser absorvida pela mesma e convertida em energia térmica, enquanto outra parte poderá ser dispersa.

Com base no conceito anterior, recorra-se a um espectrofotómetro, que permite seleccionar o comprimento de onda adequado à análise da concentração de uma determinada solução. Este aparelho é constituído por uma fonte de energia, um selector de faixa espectral, como os prismas, que permitem seleccionar o comprimento de onda da radiação com que se pretende trabalhar, divisões para colocar as amostras (a amostra deve estar em recipientes apropriados como as cuvetes), um detector de radiação, que permite uma medida relativa da intensidade da luz, e a sua principal função é devolver a quantidade de radiação que é absorvida (absorvância) por uma solução num determinado comprimento de onda.

Numa primeira fase, faça-se um varrimento de todos os comprimentos de onda (na zona do visível) para uma solução de CuSO4, cuja concentração é a que se pretende determinar, e para uma amostra “branca”. Esta última, a água destilada, serve de referência à outra. Encontre-se, de seguida, o melhor valor de comprimento de onda para se poder trabalhar, baseado nos gráficos obtidos pelo espectrofotómetro (Figura 1) - o gráfico esperado da relação entre a absorvância e o comprimento de onda deverá apresentar picos, correspondentes a intervalos de comprimento de onda, que são resultado de uma maior diferença de absorvâncias entre a amostra da solução e a amostra “branca”. O comprimento de onda a considerar deverá ser aquele que for o responsável pelo maior pico observado no gráfico da diferença entre a absorvância de ambas as amostras. Numa segunda ocasião, preparar-se-á uma solução padrão de CuSO4, de concentração conhecida, e de onde se obterão soluções de diferentes concentrações (diluições em água destilada), a fim de fazer um gráfico onde seja possível observar a variação da absorvância destas em função da sua concentração.

Intimamente relacionada com a espectrofotometria está a lei de Lambert-Beer, que formula, entre outras, uma expressão que permite calcular a absorvância (A) de uma determinada solução. Esta expressão é dada por A = - log (T), em que T representa a transmitância, ou seja, a razão entre a intensidade da luz incidente num dos lados da amostra (I0), e a intensidade da luz emitida do lado oposto dessa mesma amostra (I) - ver Figura 2. Para uma solução que não absorve qualquer tipo de radiação, o valor de transmitância é igual a um e a absorvância igual a zero. Uma solução que absorva qualquer tipo de radiação por completo tem um valor de transmitância igual a 0.

Figura 1 – Gráfico do comprimento de onda em função da absorvância de uma solução

A lei de Lambert-Beer traduz-se, fundamentalmente, pela equação A=ε . l .C, onde ε representa a absortividade molar (característica da substância e depende do comprimento de onda), l representa a espessura da célula espectrofotométrica e C representa a concentração da solução.

A lei de Lambert-Beer relaciona, assim, através de uma proporcionalidade directa, a quantidade absorvida de radiação electromagnética com a concentração da solução em questão e a prova desta relação de proporcionalidade directa será posteriormente observada no gráfico em que se estabelece a correspondência entre a absorvância das várias diluições preparadas e as suas respectivas concentrações. No caso deste mesmo gráfico apresentar tendência para formar uma curva de calibração - uma recta de equação y=mx+b, em que se considera b ≈ 0 -, como no exemplo apresentado na Figura 3, então é possível determinar-se a concentração da solução desconhecida, substituindo a absorvância dessa solução no gráfico obtido ou recorrendo, por via analítica, à lei de Lambert-Beer.

Por uma questão de curiosidade, é sempre importante referir que, no quotidiano, a espectrofotometria é um método bastante utilizado quer em análises biológicas quer físico-químicas, sendo-lhe dada uma especial relevância na química quântica, pois é graças a esse mesmo método que se torna possível o estudo das transições electrónicas.

Para a realização desta actividade laboratorial, recorreu-se a: uma pipeta graduada, água destilada, 6 balões volumétricos (1 de 200ml e 5 de 50ml), uma balança analítica, um vidro de relógio, uma pipeta de Pasteur, uma espátula, um funil de vidro, um aparelho de medida de absorvâncias (espectrofotómetro), cuvetes e o reagente - CuSO4 – sulfato de cobre.

Começou-se por colocar uma amostra da solução de CuSO4, previamente preparada pelo professor e cuja concentração se desconhecia, dentro de uma cuvete com o auxílio de uma pipeta de Pasteur, e, numa outra cuvete, colocou-se uma amostra de água destilada, (a amostra “branca”). Logo de seguida, colocaram-se ambas as cuvetes, lado a lado, dentro do espectrofotómetro e deu-se início ao varrimento dos comprimentos de onda para ambas as amostras. Tal varrimento esteve compreendido entre os 380 nm e os 730 nm, e foi regulado de 10 em 10 nm. Ao longo desta etapa do procedimento registaram-se, numa tabela, os resultados das absorvâncias de ambas as amostras e, no fim, obteve-se um gráfico com a diferença entre as absorvâncias das duas amostras, em função do comprimento de onda, a fim de verificar qual o valor mais adequado de comprimento de onda.

Na aula seguinte, realizaram-se alguns cálculos para determinar qual o volume das soluções diluídas de CuSO4 a preparar e, posteriormente, preparou-se a solução padrão do mesmo reagente, de concentração 0,1 mol.dm-3: mediu-se a massa de CuSO4 numa balança analítica (3,19 g), usando um vidro de relógio e, de seguida, transferiu-se essa massa para um

Figura 2 – Intensidade do raio incidente (I0) e do raio emitido (I)

Figura 3 – Curva de calibração

balão volumétrico de capacidade para 200 ml, com o auxílio de um funil de vidro e encheu-se o balão com água destilada até ao seu limite, indicado por uma linha vermelha.

Depois de concluída esta tarefa transferiu-se, com o auxílio de uma pipeta graduada, diferentes quantidades de volume da solução padrão de CuSO4 para os restantes 5 balões volumétricos com capacidade para 50 ml. No primeiro balão colocaram-se 35 ml, no segundo 25 ml, no terceiro 5 ml, no quarto 2,5 ml e no quinto 0,5 ml, sendo todos estes preenchidos com água destilada. Novamente, com uma pipeta de Pasteur, transferiram-se amostras das diferentes diluições para cuvetes e, uma a uma, estas foram colocadas no espectrofotómetro, registando-se, no caderno, o valor das absorvâncias das mesmas, para um comprimento de onda igual a 540 nm.

No fim, obteve-se um gráfico da absorvância em função da concentração das diluições e determinou-se, (teoricamente), o valor pretendido da concentração da solução de CuSO 4

através da lei de Lambert-Beer.

Ao nível da análise de resultados, seguem-se agora os vários valores obtidos, bem como gráficos, eventuais cálculos e explicitações.

380 430 480 530 580 630 680 730-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2Gráfico 1 – Valores de absorvância das soluções

λ / nm

Abs

orvâ

ncia

Vermelho - Solução de CuSO4;Verde - água destilada;

No Gráfico 1 estão representados os gráficos obtidos através da leitura do espectrofotómetro, em que se relacionam os valores de absorvância da solução de sulfato de cobre de concentração desconhecida e os da amostra “branca” com cada comprimento de onda do espectro de luz visível (de 380 a 730 nm).

Por se tratar de uma solução de sulfato de cobre – ou seja, um reagente dissolvido em água - foi necessário que se determinasse a absorvância deste mesmo solvente, para que se utilizasse o valor da absorvância da água como o zero/valor referencial, de forma a obter os valores correctos de absorvância do sulfato de cobre. Os valores de comprimento de onda a serem varridos foram anteriores (380 nm) e posteriores (730 nm) aos valores de comprimento de onda do espectro de luz visível, de forma a certificar de que se analisa todo o espectro de luz visível.

Azul – Diferença entre a absorvância da água e a do CuSO4;

Verificou-se a existência de valores de absorvância negativos, o que indica que foi emitida mais radiação do que a quantidade que foi absorvida, e devido a erros de leitura do espectrofotómetro, não se obteve um valor correcto do comprimento de onda em que a absorvância fosse mais elevada e, por isso, foi necessário recorrer a um valor de comprimento de onda fornecido pelo professor (540 nm), o qual seria o teoricamente esperado, de acordo com a coloração da solução.

Após conhecimento do valor de comprimento de onda mais elevado, procedeu-se ao cálculo dos volumes a retirar à solução padrão de CuSO4 (0,1 mol.dm-3 em 200 ml), para cada uma das diluições, segundo a expressão: [C]inicial ×V inicial=[C ]final×V final, tendo chegado aos valores de 35 ml para uma concentração de 0,07 mol.dm-3, 25 ml para uma concentração de 0,05 mol.dm-3, 5 ml para uma concentração de 0,01 mol.dm -3, 2,5 ml para uma concentração de 5x10-3 mol.dm-3 e 0,5 ml para uma concentração de 1x10-3 mol.dm-3.

Analisaram-se estas novas diluições no espectrofotómetro, utilizando esse mesmo valor de comprimento de onda (540 nm) e, como sugere o Gráfico 2, relacionou-se cada uma das concentrações das diluições da solução padrão de CuSO4 com os respectivos valores de absorvância.

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.080.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

f(x) = 0.598777046095944 x + 0.847313264346191R² = 0.492971300454247

Gráfico 2 – Valores de absorvância das diferentes diluições

Concentração (mol.dm-3)

Abso

rvân

cia

Devido a erros de leitura do espectrofotómetro e/ou a erros no processo de diluição da solução padrão de CuSO4, obtiveram-se três valores bastante dispersos (0,866; 0,853; 0,855), pelo que não se trabalhou com esses mesmos dados. Neste caso, o coeficiente de correlação (R2 = 0,493) é pouco menos de metade do desejável (R2 ≈ 1).

Utilizando os restantes dois valores, foi possível definir-se uma curva de calibração que relaciona, de uma forma proporcional, a absorvância com a concentração das duas diluições consideradas - ver Gráfico 3.

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.080.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

f(x) = 1.16666666666665 x + 0.825333333333335R² = 1

Gráfico 3 – Curva de Calibração

Concentração (mol.dm-3)

Abso

rvân

cia

Em condições normais, seria, neste momento, possível calcular-se o valor da concentração pretendida da solução de sulfato de cobre, sabendo o valor da absorvância previamente determinado (Gráfico 1), pois tem-se que A=ε . l .C, onde A= y ; m=ε× l; x=C e b=0. Substituindo na equação da recta, chega-se à expressão:

A=1,1667.C ↔ [CuS O4 ]pretendida=Aconhecida

1, 1667. Neste caso, não foi possível tal averiguação

devido aos erros de leitura cometidos, em parte, pelo espectrofotómetro, que não permitiram a identificação do valor correcto da absorvância.

Em síntese, o objectivo inicial, que consistia na determinação da concentração de uma solução de sulfato de cobre através da intensidade da sua coloração azul não foi cumprido; apenas se pôde verificar a teoria de Lambert-Beer. A actividade ficou comprometida no momento em que, devido ao erro encontrado no Gráfico 1, o valor do comprimento de onda máximo não se encontrava de acordo com a coloração da solução e, portanto, a absorvância indicada também não era a correcta para esse comprimento de onda, não sendo possível utilizar esse valor de absorvância para o comprimento de onda de 540 nm. Entre outros entraves à realização desta actividade laboratorial, encontram-se erros associados à dificuldade de leitura dos valores da absorvância mencionados pelo espectrofotómetro, que não se estabilizavam no monitor, e erros de precisão e rigor, no momento da realização das diluições.

Na prática, o que se verificou foi que a lei de Lambert-Beer apenas se aplica a soluções que não estejam nem demasiado diluídas nem demasiado concentradas, visto que no primeiro caso, existe pouca ou nula absorção de radiação por parte da solução ou, porque, devido às altas concentrações, a radiação não atravessa a amostra, sendo totalmente absorvida pela mesma, pois quanto maior a absorvância, maior é a concentração da solução, e consequentemente, mais intensa é a sua coloração.

Por fim, ao longo da experiência, tomou-se a devida precaução de utilizar sempre a mesma célula espectrofotométrica e o mesmo espectrofotómetro, de maneira a não invalidar ainda mais os resultados.

REFERÊNCIAS(ordem alfabética)

1.

2.

3.

(…)