Técnicas Analíticas

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TCNICAS ANALTICASMicroscopias Eletrnicas de Varredura e Transmisso,Difrao de Raios X e Espectroscopia de Infravermelho.

Akel Kanaan

Francine Nunes

Isaac Nunes

Seminrio de Tcnicas Analticas

Universidade Federal do PampaCurso de Engenharia Qumica

Disciplina de Fsica IV

Prof. Dr. Guilherme Marranguello

Acadmicos: Akel Ferreira KanaanFrancine Machado NunesIsaac dos Santos Nunes

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Objetivos

Apresentar as tcnicas analticas atravs dos princpios estudados na disciplina de Fsica IV.

Entender a importncia dos conceitos e teorias da fsica na anlise de materiais.

Verificar o embasamento terico nos princpios de funcionamento dos equipamentos analticos apresentados.

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Difrao de Raios X4

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Difrao de Raios X5

Rntgen anunciou que, com suadescoberta, se poderia ver pordentro do corpo humano, semnecessidade de abr-lo.Imagine a surpresa, numa pocaem que muitos acreditavam queum bisturi pudesse cortar a alma...

Wilhelm Konrad Rentgen (1845-1923)

Difrao de Raios X

Primeira radiografia realizada no mundo, mostrando a mo de

uma senhora de 79 anos.

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Difrao de Raios X

Na noite de 8 de novembro de 1895, trabalhavacom uma vlvula com a qual estudava acondutividade de gases.

Folha de papel (usada como tela) platinocianetode brio.

Rntgen viu a tela brilhar, emitindo luz.

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Difrao de Raios X

A difratometria de raios X corresponde a uma das principais tcnicas de caracterizao microestruturalde materiais cristalinos, encontrando aplicaes em diversos campos do conhecimento.

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Difrao de Raios X

O fton de raios X aps a coliso com o eltron muda sua trajetria, mantendo, porm, a mesma fase e energia do fton incidente.

Sob o ponto de vista da fsica ondulatria, pode-se dizer que a onda eletromagntica instantaneamente absorvida pelo eltron e reemitida; cada eltron atua, portanto, como centro de emisso de raios X.

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Difrao de Raios X

Considerando-se dois ou mais planos de uma estrutura cristalina, as condies para que ocorra a difrao de raios X vo depender da diferena de caminho percorrida pelos raios X e o comprimento de onda da radiao incidente. Esta condio expressa pela lei de Bragg, ou seja

n = 2 d sen

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Difrao de Raios X11

Difrao de Raios X12

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Difrao de Raios X

Esta tcnica, introduzida na segunda metade da dcada de 1910, foi bastante empregada atos anos 80. Sua utilizao hoje bastante restrita, estando limitada a situaes em que critica a disponibilidade de amostra (

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Difrao de Raios X

A partir da fonte, os raios X atravessam a fenda Soller (G), a fenda de divergncia (B) e irradiam a superfcie da amostra (C). Os raios difratados em determinado ngulo 2 convergem para a fenda de recepo (D).

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Difrao de Raios X

Um banco de dados contendo informaes cristalogrficas bsicas e algumas propriedades fsicas de compostos cristalinos mantido continuamente atualizada pelo ICDD, InternationalCenter for Diffraction Data, com sede nos EUA. Atualmente so disponveis informaes referentes a mais de 70.000 compostos cristalinos.

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Difrao de Raios X17

Difrao de Raios X

Algumas Aplicaes:

Determinao de Estruturas Cristalinas ;

Identificao de Fases;

Anlise Quantitativa de Fases;

Determinao de Tamanho de Cristalitos;

Avaliao de Cristalinidade em Materiais Semicristalinos.

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Difrao de Raios X19

Difrao de Raios X20

Anlise por DRX dos ps de Zircnia calcinados a diferentes

temperaturas.

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Microscopias21

Microscopias

Os microscpios pertencem, basicamente, a duas categorias: luminoso (ML) e eletrnico (ME).

As diferenas esto na radiao utilizada e na maneira como ela refratada.

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Microscopia de Luz

Utiliza-se da radiao de ondas luminosas, sendo esta refratada atravs de lentes de vidro.

O campo microscpico (ou a rea observada) aparece brilhantemente iluminado e os objetos estudados se apresentam mais escuros.

Produzem um aumento til de, aproximadamente, 1.000 X.

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Microscopia de Luz24

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Microscopia Eletrnica

A radiao empregada a de feixe de eltrons, sendo ele refratado por meio de lentes eletrnicas.

Produz aumentos teis de 200.000 a 400.000X, sendo seu poder resolvente cerca de 100 vezes maior que o do ML.

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Microscpio Eletrnica

Em 1931, na Alemanha, Knoll e Ruska desenvolveram o primeiro microscpio eletrnico, com base no experimento de Bush (1926) que provou que era possvel focalizar um feixe de eltrons utilizando uma lente eletromagntica circular.

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Componentes do ME

Propriedades ondulatrias dos eltrons

Canho eletrnico

Lentes eletrnicas

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Propriedades Ondulatrias dos Eltrons

Ao momentum (p) do eltron est associado um comprimento de onda ( ) atravs da constante de Plack (h). Esta relao calculada pela equao de De Broglie:

O momentum final, em termos clssicos, de um eltron com carga e e massa m0, acelerado dentro de um potencial V, dado por

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Propriedades Ondulatrias dos Eltrons29

O que leva a um comprimento de onda:

Quando o potencial V alto, a velocidade do eltron pode ser relativstica, necessitando da seguinte correo:

Propriedades Ondulatrias dos Eltrons30

Comprimento de onda para um eltron acelerado em um potencial de 100kV 0,005 nm.

A comparao deste valor com o comprimento de onda da luz visvel (0,5 mm ou 500 nm) mostra que um feixe eletrnico cerca de 100.000 vezes menor.

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Lentes eletrnicas

A lente eletrnica consiste basicamente de uma bobina, formada por milhares de voltas de fio, atravs da qual passa uma corrente.

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Canho eletrnico

a fonte de iluminao do ME e consiste de um pequeno fragmento de fio em forma de V.

Uma alta voltagem aplicada nesse filamento, fazendo com que uma corrente flua atravs dele e o incandesa, emitindo eltrons.

Quanto maior for a voltagem menor ser o comprimento de onda dos eltrons, favorecendo o poder resolvente.

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Microscopia Eletrnica de Transmisso

MET33


TEM (Transmission Electron Microscope).

Esse tipo de microscpio tambm chamado de microscpio eletrnico direto, pelo fato da imagem ser formada simultaneamente passagem do feixe de luz atravs do analito.

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Em 1938 a Siemens Corporation construiu no Reino Unido, o primeiro modelo comercial do MET, o qual exerceu, em meados do sculo XX, uma imensa influncia sobre a biologia e a cincia, ao permitir estudos da microestrutura dos materiais.

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Microscopia Eletrnica de Transmisso36

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A imagem final projetada sobre um anteparo deobservao, que recoberto com um material quefluoresce quando irradiado com eltrons, ou sobreuma placa fotogrfica.

O intervalo de aumentos do MET varia de 1.000 acerca de 200.000X.

A primeira aplicao da microscopia eletrnica detransmisso no estudo dos materiais foi a observaode defeitos cristalinos no observveis pormicroscopia ptica ou por MEV.

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Foto de um microscpio eletrnico da JEOL modelo JEM-3010

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Desenho da parte interna do microscpio eletrnico JEM-3010


O conjunto de lentes localizado antes da amostra tem por funo ilumin-la com um feixe de eltrons paralelos (ou quase paralelos). O conjunto de lentes posterior amostra captura a imagem.

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A formao de imagem regida pela equao das lentes:

u, distncia do objeto lente;

v, distncia da imagem lente;

F, a distncia focal.

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Micrografia realizada por MET de nanopartculas de zircnia calcinadas a 800C.

Microscopia Eletrnica de Varredura

MEV46

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Historicamente, a microscopia eletrnica de varredura teve seu incio com o trabalho de M. Knoll(1935).

Em 1938 von Ardenne construiu o primeiro microscpio eletrnico de transmisso de varredura adaptando bobinas ao MET.

Os MEV apareceram no mercado, pela primeira vez, em 1965, construdos pela Cambridge ScientificInstrument, e desde ento se tm revelado indispensveis em muitas reas de pesquisa.

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No MEV um feixe de eltrons extremamente estreito usado para varrer o analito.

O feixe tem vrios efeitos sobre o analito, dos quais o principal que ele faz com que o material emita eltrons.

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Os principais componentes do MEV assemelham-se queles do MET. A coluna, com o canho eletrnico e a srie de lentes eletrnicas, so similares nos dois tipos de equipamentos.

Um conjunto de bobinas defletoras faz com que o feixe varra o espcimen. Assim, a imagem montada ponto a ponto, linha por linha, do mesmo modo que a imagem no visor de televiso.

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Microscopia Eletrnica de Varredura50

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ES so ejetados de tomos da amostra devido a interaes inelsticas.

ERE resulta de uma seqncia de colises elsticas e inelsticas, no qual a mudana de direo suficiente para ejet-lo da amostra.

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Aumentos, desde 10X at 100.000X.

O MEV tem grande profundidade de foco. Como consequncia, as micrografias tm aspecto tridimensional.

O aumento mximo conseguido pelo MEV fica entre o Microscpio tico e o MET.

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A grande vantagem em relao ao MO sua alta resoluo.

MEV- 2 a 5 nm

MO - 0,5 m

Comparado com o MET- facilidade de preparao das amostras.

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Microscopia Eletrnica de Varredura54

Micrografia obtida por MEV de zircnia calcinada a 800C

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MEV x MET

O MET admirvel para estudar os detalhes mais finos de umaestrutura, ou a organizao molecular. O preo de desta altaresoluo, a complexidade do instrumento, as amostras devemser extremamente finas e, difcil obter informao sobreestruturas em trs dimenses. O MEV ideal para estudar atopografia de superfcie de objetos slidos, mas fornece pouca,ou nenhuma informao sobre a estrutura interna. Seu poderseparador no se iguala ao do MET, embora seja adequadopara muitos propsitos.

Deve-se sempre ter em mente o objetivo da pesquisa que estdesenvolvendo, pois, ele que indicar qual equipamentodever ser empregado para se atingir os resultados desejados.

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Espectroscopia de IR56

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Espectroscopia na regio do IR57

Espectroscopia na regio do IR

A espectroscopia estuda a interao da matria com a radiao eletromagntica.

A absoro da energia da radiao eletromagntica pode ocorrer devido a mudanas de estados rotacionais ou vibracionais das molculas.

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A anlise das bandas caractersticas de determinados grupos funcionais de uma molcula fornece um conjunto valioso de informaes sobre a estrutura da mesma.

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Estiramento Simtrico Estiramento Assimtrico Estiramento Simtrico Fora do Plano

Rotao Deformao Angular Sim. Deformao Angular Assim.

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A fonte de IR um filamento eletricamente aquecido, geralmente de xidos de trio, zircnio ou crio.

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hexeno


hexino

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O

H H

O

H H

O

H H

3652 cm-1 1595 cm-1 3765 cm-1


4000 3000 2000 1000

300C

Nmero de onda (cm-1)

Tran

sm

itn

cia

(u

. a

.)

500C

700C

800C

100C

Espectros de FT-IR dos ps de zircnia calcinados a diferentes

temperaturas (100C, 300C,500C, 700C e 800C).

3388 cm-1 = OH

1565 cm-1 = OH 466 cm-1 = ZrO

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Bibliografia71

Apostila de MEV- Univ. Fed. De Santa Catarina- Pr. Dra. Ana Maria Maliska.

Introduo Microscopia Eletrnica- Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Sanidade Vegetal-Silvia Regina Galleti

Espectros Eletromagnticos na regio do IR- Prof. Dra. Mira Rodrigues Magini

Raio X e Radioatividade- Histria da Qumica-Revista Qumica Nova na Escola- Atico Chassott-Novembro de 1995

Bibliografia72

Utilizao da Espectroscopia de IR (FTIR) e quimiometria na identificao do caf torrado e modo adulterado. Mariana Cristina Souza Santos-2005

Identificao Espectrofotomtrica de compostos orgnicos e inorgnicos.- R.M. Silverstein- Ed. Guanabara Koogan- Traduo: Prof. Dr. Ricardo Bicca de Alencastro

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Bibliografia73

Preparao e Caracterizao de Zircnia nanocristalina obtida por sol-gel. Isaac dos S. Nunes; Joo Marcos Hohemberger; Venina dos Santos- 2009


Obrigado pela ateno!

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