Princípios Físicos Envolvidos na Detecção de Radiação em um

Princípios Físicos Envolvidos na Detecção de Radiação em um
Espectrofotômetro Aplicados para Determinação da Concentração de
Metais em Corpos d'Água
Carolina Schneirer Heck, Fernando Mainardi Fan, Igor Augusto Schneider,
Juliana Thaíssa Freese
Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS
Av. Paulo Gama, 110 - Porto Alegre/RS - CEP: 90040-060
[email protected], [email protected], [email protected],[email protected]
Resumo: O controle da presença de metais
pesados em corpos d'água, oriundos da
incorreta disposição dos resíduos da
atividade industrial, é essencial para a
saúde humana uma vez que a ingestão em
excesso de metais pode causar várias
doenças. Uma das maneiras de se medir a
concentração desses metais é através da
espectrofotometria, que é um método de
análise química baseado na absorção da
radiação nas regiões espectrais do
ultravioleta (UV) e do visível pela espécie
analisada. Esta análise é feita com auxílio de
em um instrumento de medida denominado
espectrofotômetro. O espectrofotômetro é
composto por diferentes componentes nos
quais o detector do tipo fototubo (célula
fotoelétrica) se mostra mais apropriado para
a determinação da concentração de metais.
Os princípios básicos de ser funcionamento
são dois: fotoemissão e efeito fotoelétrico. A
corrente gerada é diretamente proporcional à
intensidade da radiação incidente. A grande
aplicabilidade da espectrofotometria é devido
a sua alta sensibilidade que garante uma boa
exatidão. Aparelhos comercias são compostos
das partes essências de um espectrofotômetro
combinadas de forma a otimizar sua detecção.
Os espectrofotômetros mais modernos
costumam funcionar com um sistema de duplo
feixe, que minimiza os erros causados pela
constante alternância entre a solução padrão
e a analisada durante as análises. A utilização
desse método para análise química-ambiental
se mostra completamente satisfatória.
Palavras-chave: Metais em corpos d'água,
Espectrofotometria, Fototubo.
1.
INTRODUÇÃO
A atividade industrial tem contribuído
muito para um aumento significativo nas
concentrações de íons metálicos em águas,
representando uma importante fonte de
contaminação dos corpos aquáticos (Jimenez,
2004).
Segundo Furtado (2003), “Dos 2,9
milhões de toneladas de resíduos industriais
perigosos gerados anualmente no Brasil,
somente 850 mil toneladas recebem
tratamento adequado, conforme estimativa da
Associação Brasileira de Empresas de
Tratamento, Recuperação e Disposição de
Resíduos Especiais (ABETRE). Os 72%
restantes são depositados indevidamente em
lixões ou descartados em cursos d’água sem
qualquer tipo de tratamento.”
O controle da presença na água de metais
pesados lançados por esses resíduos é
essencial para a saúde humana, uma vez que
metais pesados em excesso podem causar
muitas doenças e sérios problemas
fisiológicos, já que são cumulativos no corpo.
Os resíduos contendo cádmio, cromo,
manganês e níquel possuem alto poder de
1
contaminação e, com facilidade, atingem os
lençóis freáticos ou mesmo reservatórios e
rios, que são as fontes de abastecimento de
água das cidades (Salgado, 2003). A
concentração desses metais na água é,
segundo a norma CONAMA (Conselho
Nacional do Meio Ambiente), parâmetro para
a avaliação da qualidade da água.
Atualmente, uma das maneiras de se
medir a concentração desses metais é através
da espectrofotometria, mais especificamente
da absorciometria, que é um método de
análise química baseado na absorção da
radiação nas regiões espectrais do ultravioleta
(UV) e do visível pela espécie analisada, ou
analito. A concentração dos metais em uma
amostra é obtida pela relação proporcional
entre a concentração e a absorbância. A
absorbância é a capacidade intrínseca dos
materiais em absorver radiação em
determinado comprimento de onda. A
absorbância obtida para uma amostra de
concentração
desconhecida
pode
ser
comparada com a absorbância medida para
soluções padrão preparadas em laboratório
contendo o analito em questão. Esta análise é
feita com auxílio de em um instrumento de
medida denominado Espectrofotômetro.
O espectrofotômetro é composto por
diferentes componentes. Tendo em vista a
parte instrumental elétrica que compõem esse
método de análise química ambiental, o
presente
trabalho
apresenta
uma
caracterização
dos
princípios
físicos
envolvidos na detecção de radiação em um
espectrofotômetro.
2.
incidente, é convertido em medida de
absorbância para o comprimento de onda da
análise.
Todo modelo de espectrofotômetro
deve necessariamente apresentar os seguintes
componentes: fonte de energia radiante,
seletor de faixa de radiação, recipiente para
conter a amostra e um detector de radiação
com um sistema de leitura associado.
Os componentes do espectrofotômetro,
que não serão abordados no trabalho, fonte de
energia radiante, seletor de faixa de radiação e
o recipiente para conter a amostra (cubeta) são
brevemente descritos segundo a sua função e
tipos existentes na tabela abaixo:
Tabela 1: Componentes do espectrofotômetro.
Componente
Função
Fonte de
Radiação
Emitir
energia
radiante
-Estável durante a
realização de
medidas
Lâmpada de H2 ou
D2
Lâmpada de
descarga de Xe
Lâmpada de
filamento de W
Seletor de
comprimento
de onda
ESPECTROFOTÔMETRO
O espectrofotômetro é um aparelho no
qual um feixe de luz monocromática, com
comprimento de onda adequado à análise de
um determinado componente, passa através de
uma solução. O sinal recebido no detector
devido à intensidade do feixe emergente, que
corresponde a um determinado feixe
Requisitos e
Tipos
-Feixe radiante com
potência suficiente
Cubeta
Isolar dentro
do espectro
de radiação
emitido pela
fonte uma
região para
incidir sobre
a amostra
Recipiente
para conter a
amostra
Filtros de absorção
Filtros de
interferência
Monocromadores
-Formato de prisma
retangular
-Dimensões bem
determinadas
2
Vidro
2000). Um fototubo com um
associado é apresentado na Fig. 1.
circuito
Quartzo
Plástico
*dependente
da
escolha da região do
espectro que o
aparelho opera
2.1 Detector de radiação
A função do detector é converter a
energia radiante recebida em corrente elétrica
proporcional a intensidade da radiação.
O detector deve apresentar: (1) alta
sensibilidade, de maneira a detectar radiação
de intensidade baixa e numa larga faixa de
comprimento de onda; (2) alta razão
sinal/ruído; (3) resposta constante em uma
considerável faixa de comprimento de onda;
(4) resposta rápida: e, (5) um sinal eletrônico
que seja facilmente amplificado para poder ser
registrado.
Existem três tipos de detectores
empregados em espectrofotômetros: células
fotovoltaicas,
fototubos
ou
células
fotoelétricas, e tubos fotomultiplicadores.
A célula fotoelétrica é mais apropriada
para a determinação da concentração de
metais, pois opera dentro da faixa de 200nm a
1000nm, que é a região do espectro em que a
maioria dos metais absorve energia radiante,
de acordo com o Standard Methods for the
Examination of Water and Wastewater.
Fototubos ou células fotoelétricas. Os
fototubos consistem de (1) um tubo de vidro
(com janela de quartzo para o uso na região
ultravioleta), (2) um cátodo semicilíndrico
revestido internamente por uma película de
uma substância que facilmente perde elétrons
e (3) fio central de metal servindo de ânodo.
Entre os dois eletrodos é aplicada uma
diferença de potencial de 90 volts (Silveira,
Figura 1: Fototubo com um circuito associado
e com amplificador associado ao medidor.
Os princípios básicos de funcionamento
são dois: fotoemissão e efeito fotoelétrico.
A fotoemissão consiste na remoção de
elétrons da superfície de um sólido. A
remoção é causada pela incidência da energia
eletromagnética
sobre
a
superfície
fotoemissora do cátodo (Costa & Moreira,
2005). A energia dos fótons da radiação
visível e ultravioleta absorvida por uma
superfície é capaz de promover elétrons do
último nível eletrônico, da faixa de valência
para uma faixa permitida superior; chamada
faixa de condução. Os elétrons nesta última
faixa ficam livres para transportar carga. Os
elétrons livres emitidos pelo cátodo são
atraídos pelo ânodo, quando ele estiver
polarizado por uma fonte DC (90V), e fluem
através do circuito. Esse processo gera
corrente elétrica (efeito fotoelétrico) e essa
corrente é diretamente proporcional à
intensidade da radiação incidente.
A magnitude da corrente depende da
voltagem aplicada nos eletrodos e do
comprimento de onda da radiação
incidente. Entretanto, a corrente para uma
determinada intensidade de radiação
aumenta com a voltagem até certo nível,
3
onde depende muito pouco da voltagem
aplicada. Essa voltagem aplicada, chamada
voltagem de saturação, representa o ponto
no qual os elétrons emitidos no fototubo
são coletados com 100% de eficiência.
Logo, para que um fototubo responda
linearmente à intensidade da radiação
incidente é preciso operá-lo numa
voltagem acima da voltagem de saturação 90V é usado como padrão e garante a
resposta linear do fotubo. A resposta de um
fototubo a uma radiação é tanto mais linear
quanto mais estreita for a banda de
comprimento da onda da radiação
incidente.
As correntes de fototubos são
geralmente pequenas (até menores que 10 11
ampères)
necessitando
serem
amplificadas para que possam ser medidas.
(Silveira, 2000). Na Fig.1 observa-se de
forma esquemática um amplificador
associado ao medidor.
Uma pequena corrente é observada no
fototubo, mesmo quando não há incidência
de radiação. Esta corrente, conhecida como
“corrente escura”, é conseqüência da
emissão térmica de elétrons pelo cátodo e a
intensidade desta corrente aumenta com a
temperatura e com a superfície do cátodo.
Os instrumentos que usam fototubos são
normalmente equipados com circuitos de
maneira a neutralizar a corrente escura
(Silveira,
2000).
Os
equipamentos
utilizados para a neutralização da corrente
escura não serão abordados, pois fogem do
escopo do presente trabalho.
As
partes
essenciais
de
um
espectrofotômetro, isto é, a fonte de energia
radiante, monocromador, amostra teste e
detector podem ser combinados de várias
maneiras para a montagem completa de
diferentes instrumentos, que podem ser
utilizados na medida do comprimento de onda
e da intensidade de energia radiante. A Fig.2
apresenta dois diagramas em que se mostra
um fotômetro de um só feixe e um fotômetro
de duplo feixe.
Sensibilidade da espectrofotometria. Uma das
características mais importantes, e que mais
contribuí para a grande aplicabilidade da
espectrofotometria é sua alta sensibilidade;
seus limites de detecção para a espectroscopia
estão na faixa de 10-4 a 10-5 mol/L. Com certas
modificações de procedimento, essa faixa
pode freqüentemente ser estendida para 10-6
ou mesmo 10-7 mol/L.
Figura 2: Diagrama esquemático de fotômetro
de um só feixe (a) e fotômetro de duplo feixe
(b).
Essa alta sensibilidade garante uma boa
exatidão. Os erros relativos da concentração
para os procedimentos espectrofotométricos
ou fotométricos, empregando-se a radiação
ultravioleta e visível, estão na faixa de 1% a
5%. Com precauções especiais, esses erros
podem ser freqüentemente reduzidos a poucos
décimos por cento. A sensibilidade do
fototubo não varia em proporção à tensão
aplicada.
2.2. Aparelhos comerciais
No fotômetro duplo feixe o feixe de
luz incidente é partido em dois através de
4
espelho, uma parte do feixe passa através da
amostra e depois incide na célula fotovoltaica,
e a segunda metade do feixe incidente passa
pelo solvente (branco) e depois também incide
um detector semelhante. As correntes
formadas nas duas células fotovoltaicas são
forçadas a passar através de duas resistências
variáveis, sendo uma delas calibradas. Um
galvanômetro sensível é conectado entre as
duas resistências. Quando a diferença de
potencial em AB é igual à diferença de
potencial em CD, nenhuma corrente passa
através do galvanômetro; em circunstâncias
diferentes, o galvanômetro acusa um fluxo de
corrente. A maioria dos aparelhos comerciais
emprega o princípio de duplo feixe porque
este princípio compensa bastante as flutuações
da intensidade da fonte ocasionadas pela
variação da voltagem.
3. CONCLUSÕES
Espectrofotômetros são equipamentos
utilizados para o controle da concentração de
metais na água, sendo o detector do tipo célula
fotoelétrica o mais apropriado para tal função.
A parte instrumental elétrica da célula
fotoelétrica é de fácil compreensão, sendo
composta por um circuito com uma fonte de
tensão, uma resistência, em uma das pontas
um cátodo e na outra um ânodo, que fecham o
circuito através do efeito de fotoemissão e do
efeito fotoelétrico, onde o cátodo emite
elétrons para o ânodo ao receber radiação. Os
dados são obtidos através do monitoramento
dos terminais da resistência e amplificação do
sinal.
Esse sistema está sujeito a
interferências causadas pela temperatura, uma
vez que o cátodo pode emitir elétrons devido a
sua emissão térmica, e esta aumenta conforme
a temperatura aumenta.
Os espectrofotômetros mais modernos
costumam funcionar com um sistema de duplo
feixe, que minimiza os erros causados pela
constante alternância entre a solução padrão e
a analisada durante as análises.
Tendo em vista que estes aparelhos
realizam as medidas de forma prática e rápida,
que seus limites de detecção em relação à
concentração estão na faixa de 10-4 a 10-5
mol/L e que os erros relativos das
concentrações obtidas geralmente são menores
que 5%, a utilização desse método para
análise
química
para
monitoramento
ambiental
se
mostra
completamente
satisfatória.
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Absorciometria (espectrofotometria de
absorção, espectroscopia de absorção).
Disponível
em:
www.domfelicianosec.dyndns.org/gilber/arquivos/espectrofotom
etria.doc
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Instalações
Elétricas:
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2005.
Furtado, M.; Química e Derivados 2003,
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Jimenez, R. S.; Bosco, S. M.; Carvalho
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escolecita – Influência da temperatura e do
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monoelementares. Quim. Nova, Vol. 27, No.
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2000.
Standard Methods for the Examination of
Water and Wastewater 20th Edition, 1998.
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