Aula 3 - Espectrometria de absorção atômica

Agronomia – Química Analítica – Prof. Dr. Gustavo Rocha de Castro
ESPECTROMETRIA DE ABSORÇÃO ATÔMICA
Introdução
As medidas baseadas na luz (radiação eletromagnética) são muito empregadas
na química analítica. Estes métodos são baseados na quantidade de radiação emitida ou
absorvida por uma amostra, portanto dependem da interação da radiação com a matéria,
são chamados de métodos espectroscópicos.
A espectrometria de absorção atômica é uma técnica que teve sua origem nos
testes de chama, em experimentos qualitativos na identificação de alguns íons
metálicos. Com o desenvolvimento através do tempo, a técnica foi aprimorada e hoje é
utilizada na identificação e quantificação de íons metálicos em diversos tipos de
amostras como solos, águas, materiais biológicos, alimentos, etc. Comumente os metais
(analitos) estão presentes nas amostras de diferentes maneiras, fazendo parte da
estrutura de alguns sólidos ou complexados com substâncias orgânicas, desta maneira é
necessário que a amostra seja solubilizada para que o metal fique em solução e seja
identificado pelo equipamento.
Para entender melhor o funcionamento da técnica devemos considerar a radiação
eletromagnética como uma onda, com características e propriedades distintas e como
pacotes discretos de energia ou partícula chamadas fótons ou quanta. Estas partículas
transportam quantidades de energia distintas que estão relacionadas com as
características de cada radiação, ou seja, ondas de diferentes comprimentos com
diferentes freqüências, amplitudes e número de ondas possuem energias diferentes.
• Amplitude: fornece a medida da intensidade do campo elétrico ou magnético no
ponto máximo da onda;
• Freqüência: número de oscilações que ocorrem em um segundo e é determinada pela
fonte que a emite;
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• Comprimento de onda: é a distância linear entre dois máximos ou dois mínimos
sucessivos de uma onda.
Amplitude
Freqüência
Fenômenos
ondulatórios
Radiação
eletromagnética
Comprimento
de onda
Número de
onda
Pacotes de
Energia (fótons)
E = hν =
hc
λ
Figura 1. Esquema que representa as propriedades da radiação eletromagnética.
Existem alguns tipos de transições, mas as mais importantes para a
espectroscopia são aquelas que envolvem transições entre diferentes níveis energéticos
dos átomos e/ou moléculas. Destas transições, aquelas que envolvem a radiação visível,
infravermelha e ultravioleta constituem os métodos ópticos.
Absorção de energia
Sabemos que a luz se comporta como um campo elétrico e magnético alternado,
desta forma ela pode interagir com os elétrons nos átomos e, sob certas condições, pode
ser absorvida por ele. Essa condição é que o fóton possua a mesma energia existente na
separação entre os níveis, como ilustrado na Figura 2. Neste processo o átomo passa do
estado fundamental para um estado de maior energia ou “excitado”. Este novo estado do
átomo é altamente instável e, por isso, de curta duração retornando ao seu estado
fundamental. Quando isso ocorre, a energia em excesso é emitida (liberada) podendo ser
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igual ou não a energia absorvida inicialmente. A este processo damos o nome de
emissão atômica.
Figura 2. Esquema de representação da absorção e emissão de energia.
Como podemos observar na Figura 2, o primeiro processo representa a absorção
de um fóton, cuja energia é igual a diferença entre os níveis (E1 – E0). Já o segundo
processo representa a emissão atômica e como podemos observar a energia emitida não
deve, necessariamente, ser a igual a quantidade absorvida, ela pode ser perdida
parcialmente através dos subníveis. Quando a energia absorvida for igual a energia
emitida o processo é chamado de Fluorescência atômica de ressonância.
Principais componentes de um espectrômetro de absorção atômica
Um espectrômetro de absorção atômica pode ser dividido em três partes
principais, fonte de radiação, sistema atomizador e sistema de detecção conforme ilustra
a Figura 3.
Fonte de radiação: As fontes de radiação mais utilizadas em espectrometria de absorção
atômica são as lâmpadas de catodo oco (HCL). Estas lâmpadas possuem o metal que
será analisado (analito) na constituição do catodo, o que garante linhas de emissão
estreitas e a radiação no comprimento de onda que o analito irá absorver. O ar,
inicialmente existente nessas lâmpadas é evacuado e depois são preenchidas com gases
inertes como argônio (Ar) ou neônio (Ne) dependendo do elemento. O esquema
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apresentado na Figura 4 ilustra o funcionamento da lâmpada quando uma corrente é
aplicada.
Figura 3. Componentes do espectrômetro de absorção atômica.
Quando uma corrente é aplicada na lâmpada, os elétrons gerados irão colidir
com os átomos do gás de preenchimento e estes serão acelerados contra o catodo. Esta
colisão provocará a retirada de alguns átomos do elemento que por sua vez irão colidir
com outras espécies e, desta forma, ganharão energia. Esta é a energia emitida pela
lâmpada e que as espécies na amostra irão absorver.
Figura 4. Funcionamento de uma lâmpada de catodo oco.
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O atomizador: Podemos considerar o atomizador como constituído de três partes
principais, o nebulizador, a câmara de nebulização e o queimador. A primeira parte,
nebulizador, é responsável pela conversão da amostra em aerossol (gotículas
extremamente pequenas). Quanto menor forem essas gotículas maior será a eficiência
do nebulizador e consequentemente um melhor resultado será conseguido. Um exemplo
desses componentes pode ser observado na Figura 5. A câmara de nebulização é o local
por onde essas gotículas devem passar antes de chegar ao queimador. No interior dessa
câmara existem pequenos obstáculos chamados de flow spoiler. Os quais possuem o
objetivo de drenar as gotículas maiores.
Figura 5. Sistema responsável pela atomização, onde a) nebulizador; b) câmara de
nebulização; c) queimador.
O queimador, representado pela letra “c” na Figura 5 é alimentado pelos gases
onde ocorrerão alguns processos, como a evaporação do solvente (dessolvatação), a
vaporização e dissociação da molécula em seus átomos constituintes. Quanto menor a
gotícula maior a velocidade com que estes processos ocorrem e assim é possível
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garantir a presença do átomo no caminho da radiação. Este esquema apresenta-se
ilustrado na Figura 6.
Figura 6. Processos que ocorrem no sistema atomizador.
Sistema de detecção: Nesta parte do sistema podemos incluir o monocromador,
responsável por isolar o comprimento de onda de interesse, o detector que transformará
o sinal recebido em sinal elétrico e a unidade de leitura que registrará os dados obtidos.
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