ads:
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
INSTITUTO DE QUÍMICA
Programa de Pós-Graduação em Química
GISELLE BARATTI MAGDALENO
Alguns estudos da fluorescência e quimiluminescência
de substâncias húmicas
São Paulo
Data do Depósito na SPG:
28/09/2007
ads:
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
GISELLE BARATTI MAGDALENO
Alguns estudos da fluorescência e quimiluminescência
de substâncias húmicas
Tese apresentada ao Instituto de Química da
Universidade de São Paulo para obtenção do
Título de Doutor em Química (Química Analítica)
Orientadora: Profa. Dra. Nina Coichev
São Paulo
2007
ads:
Giselle Baratti Magdaleno
Alguns estudos da fluorescência e quimiluminescência de substâncias húmicas
Tese apresentada ao Instituto de Química da
Universidade de São Paulo para obtenção do
Título de Doutor em Química Analítica.
Aprovado em: ____________
Banca Examinadora
Prof. Dr. _______________________________________________________
Instituição: _______________________________________________________
Assinatura: _______________________________________________________
Prof. Dr. _______________________________________________________
Instituição: _______________________________________________________
Assinatura: _______________________________________________________
Prof. Dr. _______________________________________________________
Instituição: _______________________________________________________
Assinatura: _______________________________________________________
Prof. Dr. _______________________________________________________
Instituição: _______________________________________________________
Assinatura: _______________________________________________________
Prof. Dr. _______________________________________________________
Instituição: _______________________________________________________
Assinatura: _______________________________________________________
Aos meus pais
Fernando e Suely
com carinho
AGRADECIMENTOS
Gostaria de expressar meus sinceros agradecimentos a todas aquelas pessoas
e instituições que acompanharam, apoiaram e ajudaram na realização desta tese,
em especial:
À professora Nina Coichev, pela prestativa e dedicada orientação, que não
poupou fins de semana e feriados quando precisei, e, sobretudo pela amizade e
incentivo ao longo destes 7 anos de trabalho em conjunto, desde a graduação.
À Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pela
concessão da bolsa de Mestrado (02/11649-3) e a subseqüente bolsa de Doutorado
Direto (04/14609-8).
Aos professores Eduardo A. Neves, Julio César Rocha, Maria Olímpia de
Oliveira Rezende, Jorge César Masini, pelo gentil fornecimento das amostras de
ácidos húmicos, fúlvicos e substâncias húmicas utilizadas no desenvolvimento deste
trabalho.
A todo os companheiros do grupo de pesquisa do laboratório de estudos
cinéticos e termodinâmicos em química analítica: María, Rubem, Rodrigo,
Margareth, Horácio e Patrícia.
Aos funcionários do Instituto de Química, em especial à amiga Maria Cristina,
pela grande ajuda no desenvolvimento deste trabalho. Às secretárias da Química
Analítica, Marlene e Célia.
A Eduardo Enrich pela revisão do “abstract”.
Aos amigos químicos, companheiros da pós-graduação, que sempre estiveram
por perto durante o desenvolvimento deste trabalho: Mafê, Lúcia, Luciana, Rodrigo ,
Osmar, Ricardo “Habib” e Volnir. Sem deixar de mencionar os demais amigos
“Moitas” do IQ-USP, entre eles Gisele “Loira”, Fábio Mielle, Ricardo “Tchaca”,
Gabriel, Jorge Luiz, e, com certeza, muitos outros.
Ao querido amigo e namorado Gaston, pela ajuda na formatação das tabelas,
figuras e revisão do texto e por todo apoio na reta final de elaboração desta tese.
A meus pais Fernando e Suely, meu irmão Denis, minha cunhada Camilla e
toda família pelo enorme apoio e amor, e por tudo que eles representam.
RESUMO
Magdaleno, G.B. Alguns estudos da fluorescência e quimiluminescência de
substâncias húmicas. 2007. (139p). Tese de Doutorado - Programa de Pós-
Graduação em Química. Instituto de Química, Universidade de São Paulo, São
Paulo.
Investigou-se a influência de íons metálicos Al(III), Ca(II), Fe(III), Pb(II), Cu(II) e
Cr(III) (10
-6
a 10
-3
mol L
-1
) na intensidade relativa de fluorescência (IRF) do ácido
húmico (AH, 10 mg L
-1
). Os íons Cu(II), Pb(II) e Cr(III) produziram um efeito de
supressão, enquanto os íons Fe(III), Al(III) e Ca(II) não influenciaram
significativamente nos valores de IRF.
A partir dos valores de IRF foram calculadas a constante de estabilidade (K)
dos complexos e a capacidade complexante do AH com Cu(II), Pb(II) e Cr(III). Os
valores de K seguiram a ordem: Cr(III)> Pb(II) > Cu(II) e a capacidade complexante:
Cr(III) ~ Pb(II)> Cu(II).
Desenvolveu-se um novo método analítico baseado na reação
quimiluminescente da oxidação do AH com peroxomonosulfato de potássio (PMS;
0,6 mol L
-1
) em meio básico (NaOH 1,0 mol L
-1
). A intensidade máxima de radiação
emitida (I
máx
) e a área em função do tempo foram lineares com a quantidade de AH
em solução na faixa de 0,5 a 20 mg L
-1
, com limite de detecção de 0,24 mg L
-1
. Um
estudo comparativo foi realizado utilizando-se H
2
O
2
(0,58 mol L
-1
) na presença de
CH
2
O (0,44 mol L
-1
) em meio básico (NaOH 0,16 mol L
-1
), com limite de detecção de
0,4 mg L
-1
.
As adições dos íons Cl
-
, NO
3
-
, PO
4
3-
, CO
3
2-
, Fe(III), Cu(II), Cr(III) e Ca(II) na
reação quimiluminescente de AH com PMS, não interferiram significativamente no
sinal.
Adições de 50 mg L
-1
de Co(II) ou Mn(II) à solução de AH Aldrich, na forma de
complexos de EDTA ou cloretos, aumentaram o valor de I
máx
devido à formação de
espécies fortemente oxidantes como SO
5
•-
, SO
4
•-
e HO
•
durante a reação de
decomposição do PMS. O método foi aplicado para determinar a concentração de
AH em amostra de água do Rio Miranda – MS, obtendo-se valores entre 2,9 a 12,3
mg L
-1
.
As reações de oxidação, com emissão de radiação, de alguns compostos
orgânicos com PMS em meio básico foram estudadas. Com os polifenóis obtiveram-
se intensidades de radiação mais significativas e os valores de área seguiram a
seguinte ordem: floroglucinol >> ácido fúlvico > ácido húmico > resorcinol > ácido
pirogálico > catecol > hidroquinona. Desta forma, como polifenóis existem na
estrutura de substâncias húmicas, acredita-se que essas porções da molécula
devem ser as responsáveis pela produção de quimiluminescência.
Palavras-chave: (substâncias húmicas, polifenóis, peroxomonosulfato,
fluorescência, quimiluminescência)
ABSTRACT
Magdaleno, G.B. Some studies on fluorescence and chemiluminescence of
humic substances. 2007. 139p. PhD Thesis - Graduate Program in Chemistry.
Instituto de Química, Universidade de São Paulo, São Paulo.
The influence of Al(III), Ca(II), Fe(III), Pb(II), Cu(II), and Cr(III) metal ions (10
-6
to
10
-3
mol L
-1
) on the relative fluorescence intensity (RFI) of humic acid (HA, 10 mg L
-1
)
was investigated. Cu(II), Pb(II), and Cr(III) ions produced a quenching effect, while
Fe(III), Al(III), and Ca(II) ions did not significantly interfere with RFI values.
Stability constants (K) and complexing capacities of HA with Cu(II), Pb(II), and
Cr(III) were obtained using RFI values. Stability values of complexes followed the
order: Cr(III)> Pb(II) > Cu(II) and the complexing capacity values: Cr(III) ~ Pb(II) >
Cu(II).
A new analytical method was developed based on the chemiluminescent
oxidation of HA by peroxymonosulfate (PMS; 0.6 mol L
-1
) in basic medium (NaOH 1.0
mol L
-1
). The intensity of radiation emission (I
max
) and area vs. time were linear
functions of HA concentration range of 0.5-20 mg L
-1
. The detection limit was 0.24
mg L
−1
. A comparative study was conducted using H
2
O
2
(0.58 mol L
-1
) in the
presence of CH
2
O (0.44 mol L
-1
) in basic medium (NaOH 0.16 mol L
-1
). The detection
limit was 0.4 mg L
-1
of HA.
The addition of Cl
-
, NO
3
-
, PO
4
3-
, CO
3
2-
, Fe(III), Cu(II), Cr(III), and Ca(II) to the
chemiluminescent reaction of HA with PMS did not interfere with the signal.
The addition of 50 mg L
-1
Co(II) or Mn(II) (as EDTA complexes or chloride salts)
to the HA sample enhanced radiation emission, due to the formation of strong
oxidant species such as SO
5
•-
, SO
4
•-
, and HO
•
during PMS decomposition reaction.
This method was applied to determine HA concentration in a sample of river water
(Miranda River – MS), obtaining values between 2.9 and 12.3 mg L
-1
.
Oxidation reactions of some organic compounds by PMS in basic medium were
studied, which produced radiation emission. Polyphenols produced the highest
emissions and the area values followed the order: phloroglucinol> fulvic acid> humic
acid> resorcinol> pyrogalic acid> cathecol> hydroquinone. Since polyphenolic groups
are supposed to exist within humic acid structure, those portions of the molecule are
most likely to be responsible for that chemiluminescence.
Keywords: humic substances; polyphenols, fluorescence, chemiluminescence, and
peroxymonosulfate.
LISTA DE ABREVIATURAS
A = coeficiente linear da curva analítica
AF = ácido fúlvico
AH = ácido húmico
Cc= capacidade complexante
C
L
= concentração total de sítios de coordenação do AH
C
M
= concentração total de íon metálico
DPR = desvio padrão relativo
I
máx
= intensidade máxima de radiação emitida
I
ML
= intensidade de fluorescência quando todo AH está complexado com íon
metálico
IRF = Intensidade relativa de fluorescência
K = constante de estabilidade condicional do complexo ML (1:1). K = [ML]/([M] * [L]),
sendo [L] a concentração de AH não complexado e [M] a concentração do íon
metálico livre
LD = limite de detecção
M = coeficiente angular da curva analítica
m = razão dos valores de M na presença e na ausência de Co(II) ou Mn(II)
PMS = íon peroxomonosulfato (HSO
5
-
)
QL = quimiluminescência
SH = substância húmica
PREFÁCIO
Os estudos realizados nesta tese de doutoramento são apresentados nos
capítulos a seguir.
No capítulo 1 são apresentados os objetivos da tese, além de um levantamento
amplo, com apreciação crítica, dos trabalhos reportados na literatura sobre a
interação de substâncias húmicas com íons metálicos e dos principais métodos
analíticos utilizados na determinação da concentração de substâncias húmicas
aquáticas.
Os capítulos 2 a 5 descrevem as investigações sobre a fluorescência e
quimiluminescência de substâncias húmicas aquáticas e de alguns compostos
orgânicos. Para um entendimento melhor do leitor optou-se por apresentar cada um
dos estudos separadamente, dividindo-os em parte experimental, resultados,
discussões e conclusões. A numeração de equações, figuras e tabelas também
foram organizadas considerando-se cada capítulo individualmente.
No capítulo 6, algumas considerações finais e conclusões são apresentadas
comparando os resultados obtidos com a literatura.
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO..................................................................................15
1.1. Objetivos.........................................................................................................16
1.2. As substâncias húmicas .................................................................................17
1.3. Interação entre ácido húmico e íons metálicos...............................................23
1.4. Determinação da concentração de ácidos húmicos e fúlvicos........................35
1.5. Referências Bibliográficas ..............................................................................39
CAPÍTULO 2. FLUORESCÊNCIA DE SOLUÇÕES DE ÁCIDO HÚMICO NA
PRESENÇA DE ALGUNS ÍONS METÁLICOS........................................................47
2.1. Introdução.......................................................................................................48
2.2. Uso da fluorescência nos estudos da interação do ácido húmico com íons
metálicos................................................................................................................49
2.3. Parte Experimental .........................................................................................50
2.4. Resultados e Discussões................................................................................51
2.5. Conclusões.....................................................................................................63
2.6. Referências Bibliográficas ..............................................................................67
CAPÍTULO 3. DESENVOLVIMENTO DE MÉTODO QUIMILUMINESCENTE PARA
A DETERMINAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE ÁCIDOS HÚMICOS....................69
3.1. Introdução.......................................................................................................70
3.1.1. Quimiluminescência de ácidos húmicos...................................................70
3.2. Parte Experimental .........................................................................................73
3.2.1. Reagentes e materiais .............................................................................73
3.2.2. Procedimento: método analítico empregando-se PMS............................77
3.2.3. Procedimento: método analítico empregando-se H
2
O
2
/ CH
2
O.................77
3.3. Resultados e Discussões................................................................................78
3.3.1. Curvas de calibração................................................................................81
3.3.2. Influência de alguns ânions e cátions no método PMS............................88
3.3.3. Influências do solo de origem e dos procedimentos de extração e
purificação na análise de amostras de AH, AF e SH .........................................90
3.3.4. Determinação da concentração de AH em amostra de água natural.......96
3.4. Conclusões.....................................................................................................96
3.5. Referências Bibliográficas ............................................................................100
CAPÍTULO 4. EFEITO DA ADIÇÃO DE Co(II) E Mn(II) NA REAÇÃO
QUIMILUMINESCENTE DE PEROXOMONOSULFATO COM ÁCIDOS HÚMICOS E
SUBSTÂNCIAS HÚMICAS....................................................................................102
4.1. Introdução.....................................................................................................103
4.2. Parte Experimental .......................................................................................104
4.3. Resultados e Discussões..............................................................................106
4.3.1. Influência de Co(II) e Mn(II) no método PMS.........................................106
4.3.2. Experimentos com substâncias e ácidos húmicos extraídos de solos
diferentes .........................................................................................................111
4.3.3. Determinação da concentração de AH em amostra de água natural.....113
4.4. Conclusões...................................................................................................115
4.5. Referências Bibliográficas ............................................................................117
CAPÍTULO 5. REAÇÃO QUIMILUMINESCENTE DE PEROXOMONOSULFATO
COM ALGUNS COMPOSTOS ORGÂNICOS........................................................120
5.1. Introdução.....................................................................................................121
5.2. Parte Experimental .......................................................................................121
5.3. Resultados e Discussões..............................................................................124
5.3.1. Ausência de complexos de Co(II)EDTA.................................................128
5.3.2. Presença de complexos de Co(II)EDTA.................................................129
5.4. Conclusões...................................................................................................129
5.5. Referências Bibliográficas ............................................................................131
CAPÍTULO 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÕES.............................132
6.1. Considerações finais.....................................................................................133
6.2. Conclusões finais..........................................................................................134
6.3. Referências Bibliográficas ............................................................................136
SÚMULA CURRICULAR.......................................................................................137
15
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
16
1.1. Objetivos
Os ácidos húmicos e fúlvicos exercem papel importante em ambiente aquático,
pois possuem alta capacidade complexante, influenciando assim na
biodisponibilidade e transporte de espécies orgânicas e inorgânicas, sejam elas
tóxicas ou nutrientes.
Assim, o presente trabalho tem por objetivo aprofundar o conhecimento sobre
a quantificação de substâncias húmicas e suas interações com alguns oxidantes e
íons metálicos, empregando-se as técnicas de quimiluminescência e fluorescência,
respectivamente.
Para a quantificação das substâncias húmicas foi proposto um novo método
analítico baseado na medida da intensidade de radiação emitida pela reação de
oxidação de ácidos húmico, fúlvico e substâncias húmicas com peroxomonosulfato
de potássio em meio alcalino. Determinou-se o limite de detecção e o efeito de
vários interferentes e da natureza da amostra no resultado analítico. O método foi
aplicado em amostra de água de rio.
A fim de aperfeiçoar o método analítico proposto, estudou-se o aumento na
emissão da radiação devido à oxidação das substâncias húmicas por
peroxomonosulfato catalisado pelos íons metálicos Co(II) e Mn(II).
Também foram realizados testes com alguns compostos orgânicos
(principalmente polifenóis), em substituição ao ácido húmico, para tentar avaliar
quais grupos químicos da molécula de substância húmica poderiam ser
responsáveis pela emissão de radiação.
Adicionalmente, investigou-se a interação de ácido húmico com os íons
metálicos Al(III), Ca(II), Fe(III), Pb(II), Cu(II), e Cr(III) utilizando-se a técnica de
fluorescência, uma vez que o ácido húmico, quando excitado em 300 nm, apresenta
17
um máximo de fluorescência em 430 nm, que é suprimido pela ligação com alguns
íons metálicos.
A seguir nesta introdução ressaltam-se as propriedades estruturais de ácidos
húmico e fúlvico relacionadas à sua interação com íons metálicos. Também
apresenta um levantamento bibliográfico com as principais técnicas analíticas
utilizadas no estudo dessa interação e vários métodos desenvolvidos para
determinação da concentração de ácidos húmico e fúlvico em meio aquoso.
1.2. As substâncias húmicas
As substâncias húmicas (SH) são formadas pela transformação de
biomoléculas, durante o processo de decomposição de resíduos vegetais e animais
presentes no ambiente. Devido à natureza complexa das SH, pouco se sabe sobre
sua estrutura química, estas se apresentam como misturas heterogêneas de
moléculas polidispersas com elevada massa molar (Aiken et al., 1985; Senesi e
Milano, 1994).
As substâncias húmicas estão amplamente distribuídas em águas naturais e
solos (Fukushima et al., 1995.). Elas desempenham papel importante no
crescimento de plantas bem como em diversos processos ambientais e geoquímicos
(Muller-Wegener, 1988), não sendo tóxicas aos seres humanos. Devido à sua alta
capacidade complexante, as SH exercem considerável influência na
biodisponibilidade e transporte de compostos orgânicos e inorgânicos, sejam eles
tóxicos ou nutrientes.
As SH podem ser classificadas de acordo com sua solubilidade em água. O
ácido húmico (AH) constitui a fração das substâncias húmicas solúvel em meio
18
alcalino, que precipita após acidificação. O ácido fúlvico (AF) permanece em solução
quando o meio é acidificado e a humina é a fração insolúvel tanto em ácido quanto
em álcali diluídos (Stevenson, 1982; Malcom, 1990). Do ácido húmico, fração mais
abundante das substâncias húmicas, pode ser extraído o ácido himatomelânico, que
é a parte do ácido húmico solúvel em álcool (Rezende, 1999). A solubilidade é
relacionada com o peso molecular, que também pode ser usado para diferenciá-los.
O AF tem menor massa molecular, variando de 500 a 2000 Daltons, comparado com
o AH que tem massa molecular entre 2000 a 5000 Daltons (McGarry e Baker, 2000).
Na figura 1.1 é apresentado um modelo de estrutura para ácido húmico
(Schulten e Schnitzer, 1993). Os principais grupos funcionais presentes neste
modelo são: estruturas alifáticas e aromáticas, grupos OH fenólicos livres e ligados,
estruturas quinonas, nitrogênio ligando unidades estruturais e grupos carboxílicos
em diferentes pontos dos anéis.
Na figura 1.2 é apresentado um modelo de estrutura para o ácido fúlvico
(Elkins e Nelson, 2002). Os principais grupos funcionais são: carboxilas e
dicarboxilas alifáticas e aromáticas, hidroxilas fenólicas e alcoólicas, carbonilas,
hidroxiácidos e ácido salicílico.
As substâncias húmicas aquáticas podem ser representadas utilizando-se
diferentes modelos conformacionais: de espiral ou de agregados dos tipos micelar e
membrana.
A conformação espiral (figura 1.3) pode ser representada como uma fita, com
grupos polares e cargas negativas ao longo de sua extensão (Hayes,
1985). Essa
estrutura flexível resulta em uma molécula de geometria aproximadamente esférica,
com alta densidade de massa no centro e decrescente nas extremidades (Swift,
1989). A dimensão da esfera depende da extensão da fita, densidade de carga,
19
Figura 1.1: Modelo de estrutura de ácido húmico proposta por Schulten e Schnitzer
(1993; extraído de Rezende, 1999)
20
Figura 1.2: Modelo de estrutura de ácido fúlvico proposta por Elkins e Nelson
(2002).
21
solvatação, ionização dos grupos ácidos, concentração de sais na solução,
extensões das ramificações e ligações cruzadas
(Hayes,
1985; Gosh e Schnitzer,
1980).
Utilizando-se o modelo da figura 1.3 pode-se explicar as irregularidades de
estrutura química e as ligações intramoleculares e cruzadas (Rocha e Rosa, 2003).
Na estrutura das SH há a predominância de cargas negativas, em razão da
ionização de grupos ácidos, que variam de acordo com o pH do meio. Devido à
repulsão das cargas negativas, a energia eletrostática da molécula é minimizada
quando está na forma expandida (Schnitzer e Khan, 1978). As cargas negativas da
macromolécula são balanceadas por um número igual de possíveis cargas positivas
(cátions), evitando a expansão da molécula. Em razão do efeito das cargas, podem
ocorrer interações intra e intermoleculares.
A intensidade das forças de repulsão de uma molécula de substância húmica e
a distância entre as moléculas dependem de vários fatores como intensidade de
cargas, tamanho, solvatação, pH e força iônica da solução.
O processo de hidratação pode influenciar na estabilidade do complexo SH-íon
metálico devido ao seu efeito no valor da constante dielétrica dos sítios
complexantes vizinhos (Rocha e Rosa, 2003; Scheraga, 1979).
Em solução com concentração alta de eletrólito ou pH menor do que 2, a
quantidade de cargas negativas na molécula de substância húmica aumenta,
possibilitando a aproximação mais forte das macromoléculas, o que resulta na
formação da estrutura condensada ou esférica (Gosh e Schnitzer, 1980).
22
Figura 1.3: Diagrama representativo da condensação da estrutura espiral ao acaso
(Swift, 1989; adaptado de Rocha e Rosa, 2003).
23
Estudos de espalhamento de raios-X e medições de tensão superficial em
função da concentração têm mostrado que os ácidos húmico e fúlvico também
formam agregados em solução (Wershaw,1992).
De acordo com o modelo de Wershaw (1993), as reações de decomposição
que produzem os ácidos húmicos consistem principalmente de reações de
despolimerização enzimática e oxidações enzimáticas. Estas reações dão origem a
moléculas anfifílicas, que são estabilizadas em solos e sedimentos quando
incorporadas na estrutura de membrana que cobre grãos minerais (figura 1.4) ou
pela incorporação em micelas dispersas em solução (figura 1.5).
Nestes agregados, a parte hidrofóbica das moléculas está no interior e as
partes hidrofílicas das moléculas constituem a superfície exterior. Espécies iônicas
interagem com a superfície hidrofílica das micelas ou membranas húmicas,
enquanto espécies hidrofóbicas se particionam nos interiores hidrofóbicos de
membranas e micelas húmicas.
1.3. Interação entre ácido húmico e íons metálicos
Uma propriedade importante das substâncias húmicas é sua capacidade de
formar complexos com íons metálicos em ambientes aquáticos (Saar e Weber,
1982).
Os estudos da interação de ácidos húmicos com íons metálicos são
importantes porque determinam a disponibilidade de íons metálicos tóxicos. Alguns
íons metálicos têm sua toxicidade diminuída em ambientes aquáticos quando
complexados com ácidos húmicos, como por exemplo, Cu(II) e Cd(II). Além disso, a
24
Figura 1.4: Modelo conformacional do tipo membrana de substâncias húmicas
(Wershaw,
1993).
25
Figura 1.5: Modelo conformacional do tipo micela de substâncias húmicas. Porção
externa da molécula (em preto) é polar enquanto a interna é apolar (Northeastern
University, Humic Acid Research Group, 2007).
26
complexação com ácido húmico pode alterar a mobilidade dos íons metálicos em
ambientes naturais (Saar e Weber, 1982).
Os átomos de oxigênio, nitrogênio e enxofre - doadores de elétrons- presentes
no ácido húmico são os principais responsáveis pela coordenação com íons
metálicos. O ácido húmico contém cerca de 35 % de oxigênio, o qual encontra-se
predominantemente na forma de grupos carboxílicos e fenólicos. Os átomos de
nitrogênio e enxofre ocorrem em quantidades relativamente baixas (1 a 2%) e estão
distribuídas em grupos peptídicos, sulfônicos e tióis (Rocha e Rosa, 2003). Os
complexos que possuem ligantes bi ou multidentados são termodinamicamente mais
estáveis, mas é provável que os complexos de SH ocorram preferencialmente na
proporção 1:1 (Rocha e Rosa, 2003).
A acidez do meio é importante na interação do ácido húmico com íons
metálicos, pois determina qual a conformação estrutural do ácido húmico e a forma
do íon metálico presentes em solução. As várias formas destas espécies têm
tendências diferentes de formação de complexos. Além disso, os íons H
+
competem
com os íons metálicos para ligação em sítios aniônicos do ácido húmico, e íons OH
-
competem com o ácido húmico para a ligação com os íons metálicos (Buffle, 1990).
Outro fator que influencia a complexação do ácido húmico com íons metálicos
é a força iônica do meio; com o aumento da força iônica da solução, a ligação dos
íons metálicos com o ácido húmico diminui.
Os cátions monovalentes como Na
+
e K
+
podem formar ligações eletrostáticas
fracas com um único grupo aniônico do ácido húmico. Já os íons metálicos
bivalentes podem se complexar a dois sítios aniônicos adjacentes, formando um
anel quelato, uma associação que é muito mais forte do que aquela formada pela
complexação com um único sítio (Saar e Weber, 1982).
27
As propriedades de ligação dos íons metálicos com a matéria orgânica em
ambientes naturais foram estudadas por diversas técnicas analíticas (tabela 1.1),
entre as quais, pode-se destacar: fluorimetria, voltametria de redissolução anódica,
potenciometria com eletrodo íon-seletivo, absorção atômica com atomização por
chama ou eletrotérmica e espectrometria de emissão por plasma indutivamente
acoplado.
Na maioria destes trabalhos foram determinadas as quantidades de íons
metálicos livres ou de íons metálicos total em solução (Ryan e Weber, 1982a). Em
alguns casos, técnicas de separação como troca iônica, ultrafiltração e cromatografia
líquida foram acopladas.
As concentrações de ligante ou de íons metálicos livres associados à
concentração de íons metálicos total podem ser utilizadas na determinação da
capacidade complexante, definida como a quantidade máxima de íons metálicos que
se coordenam às substâncias húmicas em solução aquosa.
Técnicas analíticas como voltametria de redissolução anódica com pulso
diferencial, potenciometria com eletrodo íon-seletivo e absorção atômica (associado
à separação por diálise) permitiram a detecção de concentrações muito baixas de
íons metálicos livres. Entretanto essas técnicas apresentam limitações já que os íons
metálicos podem ser removidos por complexação com espécies inorgânicas ou por
adsorção em particulado coloidal presente inicialmente na amostra. Ainda assim as
técnicas eletroquímicas vêm sendo amplamente utilizadas devido ao seu baixo
custo, rapidez e alta sensibilidade.
Já a fluorimetria pode ser utilizada na determinação da concentração de alguns
ligantes orgânicos, como as substâncias húmicas aquáticas. A fluorimetria é
vantajosa no estudo da interação SH – íons metálicos, pois apresenta um limite de
28
detecção pequeno para a determinação de matéria orgânica natural, é rápida e não
necessita de eletrólito suporte (Saar e Weber, 1982).
A separação de íon metálico livre de complexado pode ser realizada por
cromatografia ou utilizando-se membranas que excluem os complexos SH-íon
metálico.
A ultrafiltração e a diálise são técnicas versáteis que não necessitam de
agentes complexantes ou eletrólitos suporte e acima de tudo, não produzem
alteração no equilíbrio químico SH–íon metálico (Truilt e Weber, 1981 a). Entretanto,
nenhuma membrana tem poro pequeno o suficiente para separar completamente
complexos SH-íons metálicos dos íons metálicos adsorvidos em particulado coloidal
(Saar e Weber, 1982). Além disso, requerem muito tempo e grande quantidade de
SH (Saar e Weber, 1979) e pode ocorrer adsorção de íon metálico na membrana.
Tanto a espectrometria de emissão por plasma indutivamente acoplado (ICP-
OES) como a espectrometria de massa por plasma indutivamente acoplado (ICP-
MS) são técnicas importantes para análise elementar devido aos seus limites de
detecção baixos para a maioria dos elementos, seu grau alto de seletividade e à
precisão e exatidão boas. Ambas as técnicas vêm sendo utilizadas na determinação
da concentração de íons metálicos na presença de SH. Entretanto, isoladamente
não permitem a determinação da capacidade complexante de SH com íons
metálicos.
A técnica de ressonância paramagnética pode ser utilizada como uma
ferramenta em estudos de sítios de complexação de SH com íons metálicos
paramagnéticos.
São apresentados a seguir, no capítulo 2 estudos que realizamos,
empregando-se a técnica de fluorimetria para determinar a capacidade complexante
29
de ácidos húmicos com íons metálicos bivalentes (Cu(II), Pb(II) e Ca(II)) e trivalentes
(Cr(III), Al(III) e Fe(III)), na faixa de concentração de 10
-6
a 10
-3
mol L
-1
. A intensidade
de fluorescência emitida dependerá da concentração do AH e da sua coordenação
com os íons metálicos, independentemente da concentração de íons metálicos livres
ou coordenados.
30
Tabela 1.1: Técnicas analíticas utilizadas para o estudo da interação de substância húmica com íons metálicos.
Técnica
analítica
Dependência do
sinal analítico
Referências Observações
Fluorimetria
Concentração do
ligante
Saar e Weber, 1980 a
Efeito da adição de Cu(II), Pb(II), Cd(II), Mn(II), Co(II) e Ni(II) na
intensidade de fluorescência de AF
Seitz, 1981
Métodos fluorescentes para o estudo da especiação de metais pesados
em águas naturais.
Ryan e Weber, 1982 a
Determinação da capacidade complexante e constante de estabilidade
de AF-Cu(II)
Ryan e Weber, 1982 b
Determinação da capacidade complexante de substâncias húmicas em
águas naturais com Cu(II)
Ryan et al., 1983
Determinação da capacidade complexante de ácido fúlvico em águas
naturais com Mn(II), Co(II) e Cu(II)
Waite e Morel, 1984 Estudo da cinética de reação do ácido fúlvico com Fe(II) e Fe(III)
Fish e Morel, 1985 Estudo da propagação de erro na titulação de AF com Cu(II)
31
Tabela 1.1: Continuação.
Técnica
analítica
Dependência do
sinal analítico
Referências Observações
Fluorimetria
Concentração do
ligante
Frimmel, 1992
Determinação da capacidade complexante de substâncias húmicas
aquáticas
Luster et al., 1996 Determinação da capacidade complexante de AF-Cu(II) e AF-Al(III)
Elkins e Nelson, 2002 Determinação da constante de estabilidade condicional AF-Al(III)
Presente trabalho
Determinação das constantes de estabilidade condicionais e
capacidade complexante de AH com Cu(II), Cr(III) e Pb(II)
Voltametria de
redissolução
anódica
Concentração do
íon metálico livre
Frimmel e Abbt-Braun,
1991
Determinação da capacidade complexante de substâncias húmicas
aquáticas
Bhat et al., 1981
Determinação da capacidade complexante de AF derivado de solo com
Cu(II). Comparação com eletrodo íon-seletivo
Abate e Masini, 2002 Estudo da interação AH-Cd (II) e AH-Pb (II)
32
Tabela 1.1: Continuação.
Técnica
analítica
Dependência do
sinal analítico
Referências Observações
Potenciometria
(eletrodo íon-
seletivo)
Concentração do
íon metálico livre
Bresnahan e Weber,
1978
Determinação da constante de estabilidade de complexos AF-Cu(II).
Comparação com as técnicas de polarografia de pulso diferencial.
Saar e Weber, 1979
Determinação da constante de estabilidade condicional de complexos
AF-Cd (II)
Saar e Weber, 1980 b
Determinação da constante de estabilidade condicional e solubilidade
de complexos AF-Pb (II)
Burba et.al., 1994 Determinação da capacidade complexante de SH-Cu(II).
Potenciometria
(eletrodo
amalgama)
Concentração do
íon metálico livre
Abate e Masini, 1999 e
2001
Determinação da capacidade complexante e constante de estabilidade
condicional dos complexos AH-Pb(II); AH-Cd(II), AH-Zn(II) e AH-Cu(II)
Polarografia de
pulso diferencial
Concentração do
íon metálico livre
Frimmel e Geywitz,
1983
Determinação da capacidade complexante dos complexos SH-Cu(II);
SH-Fe(III) e SH-Hg(II)
33
Tabela 1.1: Continuação.
Técnica
analítica
Dependência do
sinal analítico
Referências Observações
Ultrafiltração/
Voltametria de
redissolução
anódica
Concentração do
íon metálico livre e
total
Smith, 1976
Determinação da capacidade complexante do Cu(II) com frações de
diferentes massas moleculares de matéria orgânica.
Diálise
Concentração do
íon metálico total e
livre
Truilt e Weber, 1981 a
Determinação da capacidade complexante de AF derivado de solo com
Cu(II) e Cd(II).
Truilt e Weber, 1981 b
Determinação da capacidade complexante de SH aquáticas de
diferentes amostras naturais.
AAS – chama
e AAS –
eletrotérmica
Concentração do
íon metálico total
Burba, 1994
Estudo da labilidade/ inércia de metais complexados a SH em
ambientes aquáticos
Burba et. al., 1994
Estudos da labilidade/ inércia de complexos de SH com os íons
metálicos: Cd(II), Mn(II), Zn(II), Pb(II), Co(II), Ni(II) e Cu(II)
AAS –
eletrotérmica e
Voltametria
anódica de pulso
diferencial
Donat et al., 1994
Determinação da capacidade complexante de SH-Ni e SH-Cu.
Especiação de Cu e Ni.
34
Tabela 1.1: Continuação.
Técnica
analítica
Dependência do
sinal analítico
Referências Observações
ICP-OES
Concentração do
íon metálico total
Rocha, 2000
Determinação de metais alcalinos, alcalinos terrosos e pesados em
amostras de SH aquáticas.
ICP-MS
Concentração do
íon metálico total
Shkinev et. al, 1996
Especiação de metais associados com diferentes frações da matéria
orgânica dissolvida em águas naturais
ICP-MS
Concentração do
íon metálico total
Vogl e Heumann, 1997
Determinação de complexos de SH com: Ag, Cd, Cu, Mo, Ni, Pb, Ti, U,
W, Zn e Zr separados por HPLC.
Ressonância
eletrônica
paramagnética
Espécies
paramagnéticas
Bresnahan e Weber,
1978
Determinação do número de classes de sítios de complexação AF-
Cu(II).
Templeton e Chasteen,
1980
Determinação da distância entre os sítios de complexação e a
constante de estabilidade condicional para complexos AF-V(IV).
35
1.4. Determinação da concentração de ácidos húmicos e fúlvicos
A concentração de substâncias húmicas em ambientes aquáticos naturais é
muito baixa (concentração média de 10 mg L
-1
; Reuter e Perdue, 1977). Desta
forma, poucas técnicas analíticas possuem sensibilidade suficiente para a
determinação de sua concentração (Klavins et al., 1999). Na tabela 1.2 estão
relacionadas as principais técnicas analíticas utilizadas na determinação da
concentração de ácido húmico e fúlvico, entre as quais pode-se destacar:
espectrofotometria, quimiluminescência e fluorimetria.
O método padrão para a determinação de sustâncias húmicas aquáticas
(Standard Method, 1998) baseia-se na pré-concentração em uma coluna
cromatográfica com resina XAD ou dietilaminoetil (DEAE) celulose, seguida da
dessorção com dodecil sulfato de sódio (SDS). Para a quantificação recomenda-se a
utilização de um analisador de carbono orgânico (Standard Method, 1998).
Entretanto a presença de qualquer material orgânico não-húmico na amostra irá
interferir na quantificação das SHA.
Métodos analíticos para a determinação da concentração de ácidos húmicos
baseados na absorção em 430 nm e fluorescência têm sido os mais amplamente
utilizados (tabela 1.2). Todavia estas técnicas analíticas não são precisas nem pela
análise direta nem pelo uso de padrões de AH de procedências diferentes porque
suas absortividades molares podem diferir em até 270% (Marino e Ingle Jr., 1981 e
Schnitzer e Khan, 1978).
Um outro método bastante sensível para a determinação de SH é o
imunoensaio utilizando o teste de ELISA, que segundo Ulrich et al. (1993) é mais
rápido e econômico do que os métodos espectrofotométricos e fluorimétricos.
36
A comparação visual com padrões de diferentes concentrações conhecidas de
SH é um modo fácil de estimar a concentração de SH em águas naturais. Entretanto,
esta técnica é bastante imprecisa, pois vários fatores podem produzir alteração na
coloração de uma solução de SH, como sua massa molecular e forma de agregação,
pH e a presença de íons ferro, manganês, alumínio e nitrato. (Wang et al. 1990;
Carpenter e Smith, 1984; Pennanen e Frisk, 1984; Heikkinen, 1990 e McDonald, et
al., 2004).
Os métodos quimiluminescentes geralmente apresentam limites baixos de
detecção e rapidez de análise. Além disso, alguns autores mostraram valores
praticamente idênticos obtidos através da curva analítica e o método de adição de
padrão, utilizando a técnica quimiluminescente (Marino e Ingle Jr., 1981; Kitano et
al., 1994; Michalowski et al., 2001).
Um novo método baseado na reação quimiluminescente de PMS com SH foi
desenvolvido (Magdaleno e Coichev, 2005) e os resultados obtidos estão descritos
no capítulo 3. Este método apresentou boa sensibilidade com limite de detecção de
0,24 mg L
-1
. Verificou-se que a sensibilidade do método depende dos tipos de solos
dos quais foram extraídas as substâncias húmicas, bem como dos processos de
extração e purificação.
37
Tabela 1.2: Técnicas analíticas utilizadas na determinação da concentração de
ácidos húmicos e fúlvicos.
Técnica
analítica
Referência
Tipo de
amostra
Limite de
detecção
Observações
Marino e Ingle
Jr., 1981
Água de
rio
0,7 mg L
-1
Oxidante: MnO
4
-
Kitano et al.,
1994
Água de
rio, lago e
efluente
tratado
0,050 mg L
-1
Oxidante: H
2
O
2
+
CH
2
O
Michalowski et
al., 2001
Água de
rio
0,012 mg L
-1
Oxidante: N-
bromosuccinamida
Magdaleno e
Coichev, 2005
Água de
rio
0,24 mg L
-1
Oxidante: HSO
5
-
Quimiluminescência
Tian et al., 2005
Água de
rio
0,5 μg. L
-1
Oxidante: 1,3-
dibromo-5,5-
dimetilhydantion
Carpenter e
Smith, 1984
Águas
naturais
0,01 mg L
-1
Quantificação de AH
e Fe(III)
Ohzeki et al.,
1991
Águas
naturais
1,3 μg/
injeção
Quantificação de AH
e Fe(III) em estado
sólido
Sorouradin et
al., 1993
Águas
naturais
1,1 mg L
-1
Pré-concentração de
AH em resinas XAD
ou DEAD celulose
Hiraide et al.,
1994
Água de
rio
_
Separação de AH
dissolvido e
particulado
Espectrofotometria
Wuilloud et al.,
2003
Água de
rio
1,0 mg L
-1
Pré-concentração/
extração de AH e AF
por ponto nuvem
Fluorimetria
Brun e Milburn,
1977
Águas de
rio e
estuário
0,5 mg L
-1
Quantificação de AH
Susic e Boto,
1989
Águas de
rio, mar e
solo
15 ng
Separação por HPLC.
Quantificação de AH
Tatar et al.,
2002
Água de
caverna
0,6 mg L
-1
Separação por HPLC.
Quantificação de AF
38
Tabela 1.2: Continuação
Hautala et al.,
2000
Águas
naturais
1,0 mg L
-1
Quantificação de AH
e AF
Espectrofotometria
e Fluorimetria
Hutta e Gora,
2003
Solo, turfa
e
particulado
do ar
3,3 mg L
-1
Separação por HPLC.
AH padrão extraído
de solo
Reflectância difusa
acoplada com
Espectroscopia no
Infravermelho
Tremblay e
Gagné, 2002
Sedimento
seco de
SH
Não
reportado
Análise na freqüência
de 2930 cm
-1
Imunoensaio
Ulrich et al.,
1993
Águas
naturais
0,5 μg L
-1
Quantificação de AH
Comparação visual
de cor
Cuthbert e
Giogio, 1992
Águas
naturais
_ Método Hazen
Analisador de
carbono orgânico
Standard
Method, 1998
_ _
Pré-concentração de
AH em resinas XAD
ou DEAD celulose
39
1.5. Referências Bibliográficas
ABATE, G. e MASINI, J.C., Utilização de eletrodos potenciométricos de amálgama
em estudos de complexação de substâncias húmicas, Química Nova 22 (5), 1999.
ABATE, G. e MASINI, J.C., Acid-basic and complexation properties of a sedimentary
humic acid. A study on the Barra Bonita Reservoir of Tietê River, Sao Paulo State,
Brazil, Journal of Brazilian Chemical Society 12 (1), 109-116, 2001.
ABATE, G. e MASINI, J.C., Complexation of Cd(II) and Pb(II) with humic acids
studied by anodic stripping voltammetry using differential equilibrium functions and
discrete site models, Organic Geochemistry 33 (10), 1171-1182, 2002.
AIKEN, G.R.; MCKNIGHT, M.D.; WERSHAW, R.L. e MACCARTHY, P., Humic
substances in soil, sediment and water. Geochemistry, isolation and characterization;
John Wiley e Sons; New York; p. 363-385, 1985.
BHAT, G.A.; SAAR, R.B.; SMART, R.B. e WEBER, J.H., Titration of soil-derived
fulvic acid by copper (II) and measurement of free copper (II) by anodic stripping
voltametry and copper (II) selective electrode. Analytical Chemistry 53 (14), 2275-
2280, 1981.
BRESNAHAN, W.T. e WEBER, J.H., Stability constants for the complexation of
copper (II) ions with water and soil fulvic acid measured by an ion selective electrode.
Analytical Chemistry 50 (12), 1675-1679, 1978.
BRUN, G.L e MILBURN, D.L.D., Automated fluorimetric determination of humic
substances in natural water. Analytical Letters 10 (14), 1209-1219, 1977.
BUFFLE, J., Complexation reactions in aquatic systems: an analytical approach.
New York: Ellis Horwood, p. 692, 1990.
BURBA, P., Labile/ inert species in aquatic humic substances; an ion-exchange
study. Fresenius' Journal of Analytical Chemistry 348 (4), 301-311, 1994.
40
BURBA, P.; ROCHA, J.C. e KLOCKOW, D., Labile complexes of trace metals in
aquatic humic substances investigations by means of ion exchange-based flow
procedure. Fresenius' Journal of Analytical Chemistry 349 (12), 800-807, 1994.
CARPENTER, P.D. e SMITH, J.D., Simultaneous spectrophotometric determination
of humic acid and iron in water, Analytica Chimica Acta 159, 299-308, 1984.
CUTHBERT, I.D. e GIORGIO, P., Toward a standard method of measuring color in
freshwater. Limnology and Oceanography 37(6), 1319-1326, 1992.
DONAT, J.R.; LAO, K.A. E BRULAND, K.W., Speciation of dissolved copper and
nickel in South San Francisco Bay: a multi- method approach. Analytica Chimica
Acta 284, 547-571, 1994.
ELKINS, K.M. e NELSON, D.J., Spectroscopic approaches to the study of the
interaction of aluminum with humic substances. Coordination Chemistry Reviews
228, 205-225, 2002
FISH, W. e MOREL, F.M.M., Propagation of error in fulvic acid titration data: a
comparison of three analytical methods. Canadian Journal of Chemistry 63, 1185-93,
1985.
FRIMMEL, F.H., Investigations of metal complexation by polarography and fluoresce
spectroscopy, In: MATTHESS, G. et al. (Ed.). Progress in hydro geochemistry. Berlin:
Springer- Verlag, p. 61-65, 1992.
FRIMMEL, F.H. e ABBT-BRAUN, G., Comparison of aquatic humic substances of
different origin, In: ALLARD, A., BOREN, H., GRIMVALL, A. (Ed.). Humic substances
in the aquatic and terrestrial environment. Berlin: Springer, p.35-46, 1991.
FRIMMEL, F.H. e GEYWITZ, J., On the coordination between metals and aquatic
humic materials. Fresenius' Journal of Analytical Chemistry 316 (6), 582-588, 1983.
FUKUSHIMA, M.; NAKAYASU, K.; TANAKA, S. e NAKANURA, H., Chromium (III)
binding abilities of humic acids. Analytical Chimica Acta 317, 195-206, 1995.
41
GOSH, K. e SCHNITZER, M., Macromolecular structure of humic substances, Soil
Science 129, 266-276, 1980.
HAUTALA, K.; PEURAVUORI, J. e PIHLAJA, K., Measurement of aquatic humus
content by spectroscopic analyse. Water Research 34 (1), 246-258, 2000.
HAYES, M.H.B., Extraction of humic substances from soil. IN: Aiken, G. R. et al.
(Eds.) Humic substances in soil, sediment and water: geochemistry, isolation and
characterization. New York: John Wiley e Sons, p. 330-334, 1985.
HEIKKINEN, K., Nature of dissolved organic matter in the drainage basin of a boreal
humic acid river in northern Finland. Journal of Environmental Quality 19, 649-657,
1990.
HIRAIDE, M.; SHIMA, T. e KAWAGUCHI, H., Separation and determination of
dissolved and particulate humic substances in river water. Mikrochemica Acta 113,
269-276, 1994.
HUTTA, M. e GORA, R., Novel stepwise gradient reversed-phase liquid
chromatography separations of humic substances, air particulate humic-like
substances and lignins. Journal of Chromatography A 1012, 67–79, 2003.
KITANO, M.; OGASAWARA, Y.; XINCHENG, H.; TAKENAKA, N.; BANDOW, H. e
MAEDA, Y., Continuous determination of trace amounts of humic acid in natural
waters by chemiluminescent method. Microchemical Journal 49, 265-274, 1994.
KLAVINS, M.; EGLITE, L. e SERZANE, J., Methods for analysis of aquatic humic
substances. Critical Reviews in Analytical Chemistry 29(3), 187-193, 1999.
LUSTER, J.; LLOYD, T.; SPOSITO, G. e FRY, I.V., Multi- wavelength molecular
fluorescence spectrometry for quantitative characterization of copper (II) and
aluminum (III) complexation by dissolved organic matter. Environmental Science &
Technology 30, 1565-1574, 1996.
42
MAGDALENO, G.B. e COICHEV, N., Chemiluminescent determination of humic
substances based on the oxidation by peroxymonosulfate. Analytical Chimica Acta
552, 141-146, 2005.
MALCOM, R.L., The uniqueness of humic substances in each of soil, stream and
marine environments. Analytical Chimica Acta 232, 19-30, 1990.
MARINO, D.F. e INGLE JR., J.D., Determination of humic acid by
chemiluminescence. Analytica Chimica Acta 124, 23-30, 1981.
MCDONALD, S.; BISHOP, A.G.; PRENZLER, P.D. e ROBARDS, K., Analytical
chemistry of freshwater humic substances - Review. Analytica Chimica Acta 527,
105–124, 2004.
MCGARRY, S.F. e BAKER, A., Organic Acid Fluorescence: Applications to
Speleotem Paleoenvironmental Reconstruction. Quaternary Science Reviews, 1087-
1101, 2000.
MICHALOWSKI, J.; HALABURDA, P. e KOJLO, A., Determination of humic acid in
natural waters by flow injection analysis with chemiluminescent detection. Analytica
Chimica Acta 438, 143-148, 2001.
MULLER-WEGENER, U., in Humic Substances and Their Role in the Environment,
ed. F. H. Frimmel and R. F. Christman, John Wiley and Sons, New York, p. 179,
1988.
Northeastern University - Humic Acid Research
Group. Disponível em
www.hagroup.neu.edu, acessado em 13/06/2007.
OHZEKI, K.; TATEHANA, M.; NUKATSUKA, I. e ISHIDA, R., Determination of
humic-acid and iron(III) by solid-state spectrophotometry to study their interactions.
The Analyst 116 (2), 199-205, 1991.
PENNANEN, V. e FRISK, T., A statistical model for conversion of absorbance
measurements with significant iron interference into organic carbon in a polyhumic
lake. Aqua Fennica 14, 171-178, 1984.
43
REUTER, H. e PERDUE, E.M., Importance of heavy metal-organic matter
interactions in natural waters. Geochimica et Cosmochimica Acta 41 (2), 325-334,
1977.
REZENDE, M.O.O., A importância ambiental das substâncias húmicas. Livre-
docência, Instituto de Química - São Carlos, 1999.
ROCHA, J.C., Aquatic humus from an unpolluted Brazilian dark-brown stream:
general characterization and size fractionation on bound heavy metals. Journal of
Environmental Monitoring 2, 39-44, 2000.
ROCHA, J.C. e ROSA, A.H., Substâncias húmicas aquáticas: interações com
espécies metálicas, São Paulo: Editora Unesp, p. 67-77, 2003.
RYAN, D.K.; THOMPSON, C.P. e WEBER, J.H., Comparison of Mn
2+
, Co
2+
, and
Cu
2+
binding to fulvic acid as measured by fluorescence quenching. Canadian
Journal of Chemistry 61(7), 1505-1509, 1983.
RYAN, D.K. e WEBER, J.H., Fluorescence quenching titration for determination of
complexing capacities and stability constants of fulvic acid. Analytical chemistry 54,
986-990, 1982 a.
RYAN, D.K. e WEBER, J.H., Copper (II) complexing capacities of natural waters by
fluorescence quenching. Environmental Science & Technology 16, 866-872, 1982 b.
SAAR, R.A. e WEBER, J.H., Complexation of Cadmium (II) with water and soil-
derived fulvic acids: effect of pH and fulvic acid concentration. Canadian Journal of
Chemistry 57 (11), 1979.
SAAR, R.A. e WEBER, J.H., Comparison of spectrofluorometry and ion-selective
electrode potentiometry for determination of complexes between fulvic acid and
heavy-metal ions. .Analytical Chemistry 52, 2095-2100, 1980 a.
SAAR, R.A. e WEBER, J.H., Lead (II)-fulvic acid complexes. Conditional stability
constants, solubility, and implications for lead (II) mobility. Environmental Science &
Technology 14 (7), 877-880, 1980 b.
44
SAAR, R.A. e WEBER, J.H., Fulvic acid: modifier of metal-ion chemistry.
Environmental Science & Technology 16 (9), 1982.
SCHERAGA, H.A., Interactions in aqueous solution. Accounts on Chemical
Research 12, 7-14, 1979.
SCHNITZER, M. e KHAN, S.U., Soil organic matter. Amsterdam: Elsevier, p. 319,
1978.
SCHULTEN, H.R. e SCHNITZER, M.; A state-of-the-art structural concept for humic
substances. Nature 80 (1), 29-30, 1993.
SEITZ, W.R., Fluorescence methods for studying speciation of pollutants in water.
Trends in Analytical Chemistry 1 (4), 79- 83, 1981.
SENESI, N. e MILANO, T.M.; Humic substances in the global environment and
applications on human health. Elsevier; Amsterdam; p. 1368, 1994.
SHKINEV, V.M.; FEDOROVA, O.M.; SPIVAKOV, B.Y.; MATTUSCH, J.
WENNRICH, R. e LOHSE, M., Speciation of metals associated with natural water
components by on line membrane fractionation combined with ICP-MS. Analytica
Chimica Acta 327, 167-174,1996.
WUILLOUD, J.C.A.; WUILLOUD, R.G.; SADI, B.B.M. e CARUSO J.A., Trace humic
acid determination in natural water by cloud point extraction/ preconcentration using
non-ionic and cationic surfactants with FI-UV detection. The Analyst 128, 453–458,
2003.
SMITH, R.G., Evaluation of combined applications of ultra filtration and complexation
capacity techniques to natural waters. Analytical Chemistry 48 (1), 74-76, 1976.
SOROURADIN, M.H.; HIRAIDE, M. e KAWAGUCHI, H., Spectrophotometric
determination of humic substances in water by sorption on XAD-2 resin followed by
desorption with sodium dodecyl sulfate. Analytical Science 9, 863-865, 1993.
45
STANDARD METHODS FOR THE EXAMINATION OF WATER AND
WASTEWATER. 5510 – Aquatic Humic Substances. Mary Ann H. Franson (Ed.).
Washington, DC: American Public Health Association, p. 5-31 a 5-34, 1998.
STEVENSON, F.J., Humus chemistry, genesis, composition, reactions; John Willey e
Sons. New York, 1982.
SUSIC, M. e BOTO, K.G., High-performance liquid chromatographic determination of
humic acid in environmental samples at the nanogram level using fluorescence
detection. Journal of Chromatography 482, 175-I87, 1989.
SWIFT, R.S., Molecular weight, size, shape and charge characteristics of humic
substances: some basic considerations. IN: Hayes, M.H.B. et al. (Eds) Humic
Substances II. New York: John Wiley e Sons, p.450-465, 1989.
TATAR, E.; CSINTALAN, E.; MIHUCZ, V.G.; TOMPA, K.; POPPL, L. e ZARAY, G.,
Determination of fulvic acids in water samples of Hungarian caverns. Microchemical
Journal 73, 11–18, 2002.
TEMPLETON, G.D. e CHASTEEN, N.D., Vanadium-fulvic acid chemistry-
conformational and binding studies by electron-spin probe techniques. Geochimica et
cosmochimica acta 44, 741-52, 1980.
TIAN, Y.H.; SONG, Q.J. e HUA, Z.Z., Flow injection determination of humic acid with
chemiluminescence detection. Analytical Letters 38 (14), 2439-2447, 2005.
TREMBLAY,L. e GAGNE, J.P., Fast quantification of humic substances and organic
matter by direct analysis of sediments using DRIFT Spectroscopy. Analytical
Chemistry 74, 2985-2993, 2002.
TRUILT, R.E. e WEBER, J.H., Determination of complexing capacity of fulvic acid for
copper (II) and cadmium (II) by dialysis titration. Analytical Chemistry 53 (2), 337-342,
1981a.
46
TRUILT, R.E. e WEBER, J.H., Copper(II)- and cadmium(II)-binding abilities of some
New Hampshire freshwaters determined by dialysis titration. Environmental Science
& Technology 15 (10), 1204-1208, 1981b.
ULRICH, P.; WELLER, M.G.; KNOPP, D. e NIESSNER, R., Enzyme-linked
immunosorbent assay for humic acids. Analytical Science 9, 795-797, 1993.
VOGL, J. e HEUMANN, K.G., Determination of heavy metal complexes with humic
substances by HPLC/ ICP-MS coupling using on-line isotope dilution technique.
Fresenius' Journal of Analytical Chemistry 359, 438-441, 1997.
WAITE, T.D. e MOREL, F.M.M., Ligand exchange and fluorescence quenching
studies of the fulvic acid- iron interaction. Effects of pH and light. Analytica Chimica
Acta 162, 263-274, 1984.
WANG , Z.D.; PANT, B.C. e LANGFORD, C.H., Spectroscopic and structural
characterization of Laurentian fulvic acid. Notes of the origin of the colour. Analytica
Chimica Acta 232, 43-49, 1990.
WERSHAW, R.L., Membrane-micelle model for humus in soils and sediments and its
relation to humification. US geological Survey; Denver, open-file report 91-513, 1992.
WERSHAW, R.L., Model for humus in soils and sediments; Environmental Science &
technology 27 (5), 814-816, 1993.
47
CAPÍTULO 2. FLUORESCÊNCIA DE SOLUÇÕES DE ÁCIDO HÚMICO
NA PRESENÇA DE ALGUNS ÍONS METÁLICOS
48
2.1. Introdução
Na fluorescência as moléculas do analito são excitadas pela absorção de fótons
os quais são emitidos com perda de energia (em comprimento de onda maior do que
aquele utilizado para a excitação). As transições eletrônicas responsáveis pela
fluorescência não envolvem mudança de spin eletrônico, apresentando assim tempo
de vida curto (<10
-5
s). (Skoog et al., 2002)
A fluorescência mais intensa é encontrada em compostos contendo grupos
funcionais aromáticos com níveis de transição π→ π* de baixa energia. Compostos
contendo estruturas alifáticas, alicíclicas carbonílicas, ligações duplas altamente
conjugadas ou estruturas com anéis condensados e anéis condensados a núcleos
heterocíclicos também podem apresentar fluorescência. (Skoog et al., 2002)
A fluorescência em águas naturais é predominantemente gerada por ácidos
orgânicos (húmico e fúlvico) e por aminoácidos que compõem proteínas, as quais
são provenientes, principalmente da decomposição de plantas sobre o solo (Senesi
et al., 1991), embora a proteína fluorescente possa ser de origem vegetal ou animal.
(Burstein e Emelyanenko, 1996)
Os ácidos fúlvico e húmico apresentam picos de intensidade de emissão de
radiação nos seguintes comprimentos de onda (Baker e Genty, 1999):
• Ácido fúlvico: λ de excitação e emissão entre 250 - 260 nm e 380 - 460nm,
respectivamente.
• Ácido húmico: λ de excitação e emissão entre 300 - 340 nm e 410 - 480 nm,
respectivamente.
O ácido húmico (AH) apresenta comprimentos de onda de excitação e
emissão maiores e intensidade de fluorescência menor do que o ácido fúlvico (AF)
devido a (Miano et al., 1988; Senesi et al., 1991; Barancíková et al., 1997):
49
• A presença de frações de maior peso molecular no AH;
• Um maior grau de aromaticidade e policondensação em AH, enquanto o AF
tem um caráter mais alifático;
• Uma maior quantidade de grupos substituintes com elétrons livres, como
carbonilas e carboxilas, em AH do que em AF;
• Maior ocorrência de ligações inter e/ou intramolecular no AH;
• Reabsorção da radiação emitida por outros centros absorventes da molécula,
ou de moléculas vizinhas.
2.2. Uso da fluorescência nos estudos da interação do ácido húmico com íons
metálicos
A fluorimetria é uma alternativa para a análise da interação de ácido húmico e
diversos íons metálicos. As substâncias húmicas exibem fluorescência que é
suprimida pela ligação com alguns íons metálicos, principalmente os
paramagnéticos, como Cu(II), Ni(II) e Co(II) (Lombardi e Jardim, 1997). A grande
diferença entre a fluorimetria e as técnicas mencionadas anteriormente (tabela 1.1,
p. 30) é que a intensidade de fluorescência depende da concentração de ligante, ou
seja, substância húmica, e a propriedade física medida não é relacionada
diretamente com a concentração de íon metálico livre ou total.
A fluorimetria apresenta diversas vantagens, incluindo um limite de detecção
baixo para a determinação de matéria orgânica natural. A variação da intensidade de
fluorescência pode ser relacionada com a concentração do ligante livre, sendo
possível determinar a capacidade complexante, definida como a quantidade máxima
de íons metálicos livres que se coordenam às substâncias húmicas em solução
50
aquosa. A fluorimetria é ainda muito rápida e não necessita de eletrólito suporte na
solução a ser analisada (Saar e Weber, 1982). No entanto, como a complexação
depende da força iônica do meio, essa deve ser controlada.
No presente trabalho a técnica de fluorimetria foi empregada para avaliar a
complexação de ácidos húmicos com íons metálicos bivalentes (Cu(II), Pb(II) e
Ca(II)) e trivalentes (Cr(III), Al(III) e Fe(III)), na faixa de concentração de 10
-6
a 10
-3
mol L
-1
.
2.3. Parte Experimental
As medições de intensidade de fluorescência foram realizadas com um
espectrofluorímetro Hitashi F4500. O comprimento de onda de excitação foi fixado
em 300 nm, e a intensidade de fluorescência medida em 430 nm, que corresponde à
região de máximo de intensidade de radiação emitida de uma solução contendo AH.
A voltagem da fotomultiplicadora foi ajustada em 700 V. As aberturas das fendas de
excitação e emissão foram fixadas em 10,0 mm e 20,0 mm, respectivamente.
A intensidade de fluorescência da solução de ácido húmico foi comparada a da
água deionizada.
A célula de quartzo de 1,00 cm de caminho óptico foi exaustivamente lavada
com água deionizada e com a solução de AH.
Preparou-se uma solução estoque de 10 mg L
-1
de ácido húmico, marca
Aldrich, em pH em 4, e força iônica 0,1 mol L
-1
(NaClO
4
).
Além disso, foram preparadas soluções 1x10
-2
mol L
-1
de sais de nitrato dos
íons metálicos Cu(II), Cr(III), Al(III), Pb(II) e Ca(II), em pH igual a 4 (ajustado com
ácido nítrico) para evitar hidrólise, e força iônica igual a 0,1 mol L
-1
(NaClO
4
). Para o
51
teste da influência dos íons Fe(III), preparou-se uma solução de Fe(NO
3
)
3
1x10
-4
mol
L
-1
em pH 4 e força iônica ajustada para 0,1 mol L
-1
(NaClO
4
).
Na própria célula de quartzo adiciou-se 2,00 mL da solução de ácido húmico 10
mg L
-1
(pH 4 e força iônica de 0,1 mol L
-1
- NaClO
4
). Essa solução foi termostatizada
a 25 º C.
Efetuou-se, então, adições sucessivas de pequenos volumes conhecidos da
solução do íon metálico, utilizando uma pipeta Eppendorf® com precisão na faixa de
volumes de 2 a 20 μL. Após a adição da solução do íon metálico agitou-se a mistura,
utilizando agitador magnético, por alguns minutos. Realizou-se, após 4 minutos, a
medição em triplicata da intensidade relativa de fluorescência (IRF) de cada mistura.
Cada titulação foi realizada três vezes.
O espectro de absorção da solução de ácido húmico (Aldrich) foi registrado
com o espectrofotômetro HP 8452A (diode array), empregando célula de 1,00 cm de
caminho óptico e água como solução de referência.
Para as medições de pH das amostras, utilizou-se um pHmetro da marca
Metrohm, modelo 713, com eletrodo de vidro marca Metrohm (eletrólito interno NaCl
3 mol L
-1
). O pHmetro era calibrado utilizando-se soluções tampão prontas para uso
da marca Merck: pH 4,00 (citrato/ ácido cítrico), pH 7,00 (H
2
PO
4
-
/ HPO
4
2-
) e pH 9,22
(tetraborato de sódio).
2.4. Resultados e Discussões
Na figura 2.1 observam-se os espectros de absorção de soluções de ácido
húmico 5 e 10 mg L
-1
(Aldrich), ambos em pH 4 e força iônica 0,1 mol L
-1
(NaClO
4
).
No presente estudo escolheu-se 300 nm como comprimento de onda de excitação.
52
250 300 350 400 450 500
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
b
a
Abs
λ/ nm
Figura 2.1: Espectro de absorção de uma solução de AH Aldrich em pH 4 e força
iônica de 0,1 mol L
-1
(ajustada com NaClO4): a) AH 10 mg L
-1
e b) AH 5 mg L
-1
.
53
Nas titulações acompanhando-se a variação de IRF foi empregada solução de
AH 10 mg L
-1
.
Na figura 2.2 observam-se espectros de emissão de uma solução de AH (10
mg L
-1
) após adições sucessivas de solução de Cu(II) 1 x 10
-2
mol L
-1
. Verificou-se
que a intensidade de fluorescência diminui com o aumento do volume adicionado de
solução de Cu(II).As variações de intensidade relativa de fluorescência (IRF) em 430
nm em função da concentração dos íons metálicos Al(III), Ca(II), Cu(II), Pb(II), Cr(III)
e Fe(III) estão representados nas figuras 2.3 a 2.8.
Como IRF varia também devido ao efeito de diluição da solução de ácido
húmico pela adição de volumes da solução de íon metálico, o valor de IRF foi
corrigido multiplicando o valor medido pelo fator:
onde V é o volume inicial de 2,00 mL e v é a alíquota de solução de íon
metálico.
Após a correção do efeito de diluição, os valores de IRF foram normalizados,
estabelecendo como 100 a IRF da solução de ácido húmico inicial (antes da adição
de íon metálico).
Nas figuras 2.3 e 2.4 estão representados os valores de IRF obtidos após
adições de Al(III) e Ca(II), referentes a duas titulações idênticas. Observa-se que a
IRF variou muito pouco com o aumento da concentração dos íons metálicos e que o
erro relativo foi, portanto elevado.
As adições de íons Cu(II), Pb(II) e Cr(III) produziram supressão significativa da
intensidade relativa de fluorescência da solução de AH (figuras 2.5 a 2.7).
V + v
V
54
300 350 400 450 500 550
0
500
1000
1500
2000
2500
f
g
e
b
c
d
a
Intensidade Relativa de Fluorescência
λ/ nm
Figura 2.2: Espectros de emissão de uma solução de AH Aldrich 10 mg L
-1
após
adições sucessivas de solução de Cu(II) 1 x 10
-2
mol L
-1
: a) 0 μL; b) 5 μL; c) 15 μL;
d) 30 μL; e) 50 μL; f) 90 μL e g) 200 μL.
55
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
92
94
96
98
100
102
IRF
concentração Al(III)/ 10
-3
mol L
-1
Figura 2.3: Variação da intensidade relativa de fluorescência (IRF) de uma solução
de ácido húmico 10 mg L
-1
, com a adição de uma solução de Al(NO
3
)
3
. Titulação
realizada em duplicata.
56
0,00,20,40,60,81,0
98
99
100
101
102
IRF
concentração de Ca(II)/ 10
-3
mol L
-1
Figura 2.4: Variação da intensidade relativa de fluorescência (IRF) de uma solução
de ácido húmico 10 mg L
-1
, com a adição de uma solução de Ca(NO
3
)
2
. Titulação
realizada em duplicata.
57
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
60
70
80
90
100
IRF
concentração de Cu(II)/ 10
-3
mol L
-1
Figura 2.5: Variação da intensidade relativa de fluorescência (IRF) de uma solução
de ácido húmico 10 mg L
-1
, com a adição de uma solução de Cu(NO
3
)
2
. Titulação
realizada em triplicata. A linha representa os valores calculados a partir da equação
2.1.
58
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
50
60
70
80
90
100
IRF
concentração de Pb(II)/ 10
-3
mol L
-1
Figura 2.6: Variação da intensidade relativa de fluorescência (IRF) de uma solução
de ácido húmico 10 mg L
-1
, com a adição de uma solução de Pb(NO
3
)
2
. Titulação
realizada em triplicata. A linha representa os valores calculados a partir da equação
2.1.
59
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
40
50
60
70
80
90
100
IRF
concentração de Cr(III)/ 10
-3
mol L
-1
Figura 2.7: Variação da intensidade relativa de fluorescência (IRF) de uma solução
de ácido húmico 10 mg L
-1
, com a adição de uma solução de Cr(NO
3
)
3
. Titulação
realizada em triplicata. A linha representa os valores calculados a partir da equação
2.1.
60
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
96
98
100
102
104
106
108
IRF
concentração de Fe(III)/ 10
-5
mol L
-1
Figura 2.8: Variação da intensidade relativa de fluorescência (IRF) de uma solução
de ácido húmico 10 mg L
-1
, com a adição de uma solução de Fe(NO
3
)
3
. Titulação
realizada
em duplicata.
61
Comparando as figuras 2.5 a 2.7, observa-se que adições de 1 x 10
-3
mol L
-1
de
Cu(II), Pb(II) e Cr(III) suprimiram o sinal de 41%, 43% e 60%, respectivamente. Os
estudos com íons Fe(III) só foram possíveis na faixa de 10
-5
mol L
-1
, devido à
hidrólise. Observou-se a precipitação de Fe(OH)
3
em concentrações maiores do que
10
-4
mol L
-1
em pH 4. A adição de íons Fe(III), nesta faixa de concentração de (0,5 a
4,5) x 10
-6
mol L
-1
não produziu alteração significativa na intensidade relativa de
fluorescência do AH, com erros relativos elevados (figura 2.8).
Conforme mencionado no capítulo 1 (p. 23), medições de tensão superficial em
função da concentração de AH, apresentados por Wershaw (1992), mostraram que o
AH forma agregado em solução, apresentando uma região externa hidrofílica (polar)
e uma interna hidrofóbica (apolar). Os íons metálicos, então, interagem com a
superfície polar desta pseudomicela. Alguns autores mostraram que a adição de
íons metálicos altera essa conformação das moléculas de AH (Wandruska et al.,
1997).
Além disso, estudos da literatura de absorção no infravermelho mostraram que
os grupos funcionais, principalmente as carboxilas, sofrem alteração após
complexação com íons metálicos. (e.g. Fukushima et al., 1995)
Essas alterações na estrutura da molécula de AH podem aumentar o efeito de
auto-absorção da radiação emitida, diminuindo a intensidade relativa de
fluorescência medida.
Os parâmetros de complexação dos íons metálicos com o AH foram obtidos
pelo modelo proposto por Ryan e Weber (1982). Considerando a estequiometria 1:1,
os valores de IRF são relacionados com a concentração de AH e do íon metálico
segundo a equação:
62
()()
100.41..1...
.2
100
2
2
+
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−++−++
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
MLMLML
L
ML
CCKCKCKCKCK
CK
I
IRF
(2.1)
onde,
IRF = intensidade relativa de fluorescência;
I
ML
= intensidade de fluorescência quando todo AH está complexado com íon
metálico;
K = constante de estabilidade condicional do complexo ML (1:1). K = [ML]/([M] *
[L]), sendo [L] a concentração de AH não complexado e [M] a concentração de íon
metálico livre.
C
L
= concentração total de sítios de coordenação do AH;
C
M
= concentração total de íon metálico.
A equação 2.1 descreve a curva de titulação do íon metálico total (C
M
) em
função da intensidade relativa de fluorescência (IRF), considerando que um mol de
AH se coordena a um mol de íon metálico (1:1).
O software Sigmaplot® foi utilizado para efetuar a regressão não linear das
curvas de titulação, obtendo-se os valores ajustados: da constante de estabilidade
condicional (K), concentração total de sítios de coordenação do AH (C
L
) e a
intensidade de fluorescência limite (quando todo AH está complexado ao íon
metálico – I
ML
).
A capacidade complexante (Cc), em mol g
-1
, do AH é obtida dividindo-se o valor
da concentração total de sítios de coordenação do AH (C
L
) pela concentração do AH
estudado (10 mg L
-1
, neste caso).
63
Na tabela 2.1 estão representados os valores ajustados obtidos para a
constante de estabilidade condicional 1:1 (K), a concentração total de sítios de
coordenação do AH (C
L
) e a intensidade de fluorescência limite, na qual a adição de
íon metálico não produz mais supressão (I
ML
).
O valor de I
ML
não foi determinado experimentalmente, mas obtido pelo ajuste
da curva, pois em concentrações altas de íon metálico pode ocorrer precipitação do
AH ou do hidróxido de íon metálico.
2.5. Conclusões
Nas figuras 2.5 e 2.7 (referentes às titulações com Cu(II) e Cr(III)) a curva
calculada a partir dos dados da tabela 2.1, substituídos na equação 2.1, apresentam
concordância boa com os valores experimentais. Entretanto, na figura 2.6 (referente
ao Pb(II)) observou-se dispersão maior entre os valores experimentais e os
calculados.
Comparando os valores obtidos para as capacidades complexantes (Cc) e (K)
do AH com alguns dados extraídos da literatura (tabela 2.1), observa-se que os
valores de Cc são da mesma ordem de grandeza, enquanto os de K apresentam
grande variação.
Entretanto, muitas variáveis podem contribuir para a existência dessa diferença
grande entre os resultados apresentados para os valores de constante de
estabilidade condicional e capacidade complexante de ácidos húmicos e íons
metálicos, como:
• origem do AH;
• método de extração e purificação do AH;
64
Tabela 2.1: Valores calculados para a concentração total de AH (C
L
), a intensidade
de fluorescência quando todo AH está complexado com íon metálico (I
ML
), a
capacidade complexante do AH (Cc) e a constante de estabilidade condicional(K).
Complexo pH
C
L
(μmol L
-1
)
I
ML
Cc
(mol.g
-1
)
K
x 10
3
Figura
Cu(II)-AF
a
5 __ 40,2 22,1 48 __
Cu(II)-AH
b
4 __ __ 33 (± 1) 501 (± 16) __
Cu(II)-AH 4 112 (±16) 50,4 (± 3,0) 11,2 (±1,6) 4,27 (± 0,04) 2.5
Pb(II)-AH 4 208 (± 6) 29,7 (± 4,3) 20,8 (± 0,6) 2,12 (± 0,08) 2.6
Cr(III)-AH 4 219 (± 19) 34,5 (± 2,5) 21,9 (±1,9) 14,3 (± 1,5) 2.7
a
valores determinados por Ryan e Weber (1982) utilizando fluorescência em meio de força
iônica 0,1 mol L
-1
(KNO
3
), pH = 5, a 25º C.
b
valores determinados por Colombo (2006) e Colombo et al. (2007) utilizando eletrodo íon
seletivo em meio de força iônica 0,1 mol L
-1
(KNO
3
), pH = 4, a 25 ºC.
65
• força iônica da solução;
• temperatura;
• pH (que afeta tanto o AH como o íon metálico);
• método de análise do complexo e
• método de tratamento dos dados (modelo matemático aplicado).
Para a utilização da equação 2.1 (p.62) deve-se considerar que (Ryan e Weber,
1982):
• a quantidade do material fluorescente seja representativa do seio da amostra;
• o material da amostra se comporte como um tipo único de ligante, com
propriedades médias representadas por K e C
L
;
• nas condições das titulações, quando há excesso de íons metálicos, sejam
formados somente complexos 1:1.
Existem ainda diversas limitações para a aplicação destas suposições no
tratamento dos dados, pois podem estar presentes em solução os seguintes tipos de
moléculas de AH (Ryan e Weber, 1982):
a) fluorescem e se ligam a íons metálicos com conseqüente supressão de
fluorescência,
b) fluorescem, mas não formam complexos,
c) não fluorescem, mas formam complexos e
d) não fluorescem ou formam complexos.
Os tipos de moléculas (a) e (b) são considerados neste tratamento teórico e o
tipo (d) não é levado em consideração neste estudo. O tipo (c) não é considerado e
pode causar erro nos resultados se presente em quantidades significativas. Se a
constante de estabilidade para o tipo (c) for consideravelmente maior ou menor do
66
que o tipo (a), haverá um erro nos valores de constantes de estabilidade calculada e
C
L
.
Descrever todo o material na amostra de AH por um único valor de K
certamente não é ideal, mas na aplicação da equação 2.1 esse valor é necessário
para a obtenção da capacidade complexante de AH (C
C
).
Na titulação de um ligante com íon metálico, quando o íon metálico está em
excesso é possível que complexos polinucleares, com dois ou mais íons metálicos
por ligante se formem. Mas não se sabe se a ligação de um segundo ou terceiro íon
metálico ao AH pode afetar a fluorescência. Já que os valores de K e C
L
são
determinados a partir da intensidade de fluorescência, pode ser que o modelo de
complexo 1:1 seja apropriado, e que os valores de K e C
L
obtidos sejam aplicáveis
somente para a ligação do primeiro íon metálico e não sejam afetados por ligações
múltiplas.
Assim, pode-se concluir que os valores calculados das constantes permitem
uma avaliação dos parâmetros de complexação, embora o modelo de cálculo
apresente algumas limitações de uso. Além disso, as variações estruturais
existentes entre AH de procedências variadas e as diferentes metodologias
empregadas em seu estudo dificultam a comparação com os valores da literatura
referentes à capacidade complexante e a constante de estabilidade condicional de
AH com íons metálicos.
67
2.6. Referências Bibliográficas
BAKER, A. e GENTY, D., Fluorescence wavelength and intensity variations of cave
waters. Journal of Hydrology 217, 19-34, 1999.
BARANCÍKOVÁ, G.; SENESI, N. e BRUNETTI, G., Chemical and spectroscopic
characterization of humic acids isolated form different Slovak soil types. Geoderma
78, 251-266, 1997.
BURSTEIN, E.A. e EMELYANENKO, V.I., Log-normal description of fluorescence
spectra of organic fluorophores. Photochemistry and Photobiology 164, 316-320,
1996.
COLOMBO, S.M., Isolamento, purificação e caracterização de substâncias húmicas
isoladas de vermicomposto. Propriedades ácido-base e de complexação com íons
Cu(II). Dissertação de Mestrado, Instituto de Química –USP, 2006.
COLOMBO, S.M.; DOS SANTOS, L.B.O.; MASINI, J.C. e ABATE, G., Propriedades
ácido-base e de complexação de ácidos húmicos e fúlvicos isolados de
vermicomposto. Química Nova 30 (5), 1261-1266, 2007.
FUKUSHIMA, M.; NAKAYASU, K.; TANAKA, S. e NAKAMURA, H., Chromium(III)
binding abilities of humic acids. Analytica Chimica Acta 317, 195-206, 1995.
LOMBARDI, A.T. e JARDIM, W.F., The complexation of marine and terrestrial
organic materials with cooper (II) ions as determined by fluorescence quenching.
Chemical Speciation and Bioavailability 9(27), 27-34, 1997.
MIANO, T.M.; SPOSITO, G. e MARTIN, J.P., Fluorescence spectroscopy of humic
substances. Soil Sci. Soc. Am. J. 52, 1016-1019, 1988.
RYAN, D.K. e WEBER, J.H., Fluorescence quenching titration for determination of
complexing capacities and stability constants of fulvic acid. Analytical chemistry 54,
986-990, 1982.
68
SAAR, R.A. e WEBER, J.H., Fulvic acid: modifier of metal-ion chemistry.
Environmental Science & Technology 16 (9), A510-517, 1982.
SENESI, N.; MIANO, T.M.; PROVENZANO, M.R. e BRUNETTI, G.;
Characterization, differentiation, and classification of humic substances by
fluorescence spectroscopy. Soil Science 152, 259-271, 1991.
SKOOG, D.A.; HOLLER, F.J. e NIEMAN, T.A., Princípios de Análise Instrumental
(5ª ed.). Porto Alegre: Bookman, p. 322 e 327, 2002.
WANDRUSKA, R.V.; RANGLE, C. e ENGEBRETSON, R., The role of selected
cations in the formation of pseudomicelles in aqueous humic acid. Talanta 44, 805-
809, 1997.
WERSHAW, R.L., Membrane-micelle model for humus in soils and sediments and its
relation to humification. US geological Survey; Denver, open-file report 91-513, 1992.
69
CAPÍTULO 3. DESENVOLVIMENTO DE MÉTODO
QUIMILUMINESCENTE PARA A DETERMINAÇÃO DA
CONCENTRAÇÃO DE ÁCIDOS HÚMICOS
70
3.1. Introdução
A quimiluminescência é produzida quando uma reação química fornece uma
espécie excitada eletronicamente que emite luz quando retorna ao estado
fundamental ou que transfere sua energia para outra espécie, que então produz
emissão (Skoog et al., 2002).
Dentre as vantagens da detecção quimiluminescente, destacam-se a alta
sensibilidade e uma faixa linear de concentração do analito ampla, com o uso de
uma instrumentação relativamente simples. A alta sensibilidade dos procedimentos é
obtida principalmente pela ausência da necessidade de uma fonte de radiação,
eliminando o espalhamento Raman, Rayleigh e ruídos relacionados com a fonte,
permitindo que a fotomultiplicadora seja operada em potencial relativamente alto
comparado ao aplicado na fluorescência convencional (Robards e Worsfold, 1992).
Do ponto de vista analítico, a intensidade de radiação emitida é o parâmetro
mais significativo e pode ser usado para quantificar a espécie que determina a
velocidade de reação. A intensidade pode ser medida como uma resposta transiente
ou por integração com relação ao tempo de emissão (Robards e Worsfold, 1992).
A seletividade baixa é uma das principais limitações analíticas da detecção
quimiluminescente. A utilização de sistemas de análise com soluções em fluxo tem a
vantagem de acomodar um tratamento químico on line para fornecer um certo grau
de seletividade à análise (Robards e Worsfold, 1992).
3.1.1. Quimiluminescência de ácidos húmicos
Algumas investigações têm sugerido que a oxidação dos grupos hidroxilas dos
anéis aromáticos pode produzir quimiluminescência (Slawinska e Slawinski, 1967).
71
A determinação por quimiluminescência de ácidos húmicos (AH) a partir da
oxidação utilizando-se agentes oxidantes tais como: MnO
4
-
, Br
2
, ClO
-
, Cr
2
O
7
2-
, H
2
O
2
,
H
2
O
2
na presença de formaldeído e BrO
-
já foi investigada (tabela 1.2., p. 37 - limites
de detecção na faixa de 0,05 a 10 mg L
-1
) (Marino e Ingle Jr, 1981; Kitano et al.,
1994; Michalowski et al., 2001).
A utilização do método quimiluminescente para a determinação de ácidos
húmicos é mais preciso em comparação com o método espectrofotométrico,
conforme discutido no capítulo 1 (tabela 1.2, p. 37).
No presente estudo foi investigada a determinação por quimiluminescência de
ácidos húmicos baseada na sua oxidação por peroxomonosulfato em meio alcalino.
A utilização do sal triplo de peroxomonosulfato de potássio ou Oxone,
2KHSO
5
.KHSO
4
.K
2
SO
4
, é vantajosa devido à sua alta estabilidade comparada aos
demais oxidantes estudados anteriormente.
O ânion peroxomonosulfato (PMS) é obtido a partir do sal de
peroxomonosulfato de potássio que é bastante solúvel em água. Ele também pode
ser obtido a partir da dissociação do ácido peroxomonosulfúrico, também conhecido
como ácido de Caro. Este é um ácido forte e a sua primeira constante de ionização é
muito baixa (pka
1
< 1). Por isso em solução de pH até 9 a forma predominante é
HSO
5
-
(Ball e Edwards, 1956; Coichev e Eldik, 1991).
HSO
5
-
H
+
+ SO
5
2-
pKa
2
= 9,4 (3.1)
O ânion peroxomonosulfato é um agente oxidante muito forte e se decompõe
cataliticamente na presença de metais de transição ou substratos orgânicos
produzindo radicais e íons radicalares que também possuem potenciais de redução
elevados. A decomposição catalítica do HSO
5
-
, melhor discutida no próximo capítulo,
72
pode ser resumida como (Makita et al., 1993; Lin e Yamada, 2000 e Tsukada et al.,
1998):
2 HSO
5
-
→ 2 H
+
+ 2 SO
4
2-
+ O
2
+ hν (3.2)
A oxidação de ácidos húmicos e fúlvicos por PMS gera um produto em estado
eletronicamente excitado cujo decaimento de energia leva à emissão de radiação.
No presente trabalho a intensidade de radiação emitida (I
máx
) foi relacionada com a
concentração de substância húmica, levando ao desenvolvimento de método
analítico.
Empregou-se, com fins comparativos, o método analítico para a determinação
de AH e AF baseado na emissão de radiação na presença de peróxido de
hidrogênio e formaldeído. O sistema H
2
O
2
/ CH
2
O é adequado para a determinação
de AH devido à sua alta sensibilidade e baixa interferência de íons presentes em
águas naturais como Cl
-
, NO
3
-
, PO
4
3-
e CO
3
2-
, Fe(III), Mg(II) e Cu(II) (Kitano, 1994).
O procedimento analítico foi adaptado de Kitano (1994).
A oxidação de CH
2
O por H
2
O
2
em meio básico produz uma emissão de
radiação extremamente fraca (Slawinska e Slawinski, 1975). O formaldeído reage
com o peróxido de hidrogênio para produzir α-hidroxi-metil peróxido, também
chamado de α-hidroxiperóxido, de acordo com a seguinte equação:
(3.3)
α-hidroxiperóxido
73
Entretanto, o α-hidroxiperóxido sofre decomposição em meio básico (Slawinska
e Slawinski, 1975):
HO-CH
2
-OOH + NaOH HCOONa + 2 H
2
O (3.4)’
Um outro modo de decomposição do α-hidroxiperóxido, que envolve
desproporcionamento de radicais peroxi está representado a seguir (Slawinska e
Slawinski, 1975):
2 HO-CH
2
-OOH CH
2
O + HCOOH + H
2
O + O
2
(3.5)
Uma característica importante desta reação é a formação de O
2
, pois uma
parte das moléculas de oxigênio pode ser formada no estado singlete excitado
(Slawinska e Slawinski, 1975). Luz visível pode resultar da transição simultânea de
duas moléculas de
1
O
2
. Esta reação é capaz de gerar um fóton de luz vermelha ou
de transferir esta energia para um fluoróforo (como AH e AF) (Kahn e Kasha, 1966).
Por isso observou-se um aumento significativo da intensidade de radiação emitida
na presença de AH.
Assim, no presente trabalho os dois métodos foram empregados na análise das
mesmas amostras de ácidos húmicos, fúlvicos e substância húmica para uma
comparação dos resultados.
3.2. Parte Experimental
3.2.1. Reagentes e materiais
Foram utilizados somente reagentes de grau analítico (Merck ou Aldrich). As
soluções foram preparadas diariamente utilizando-se água deionizada purificada
com o sistema Milli-Q Plus Water System (Millipore).
74
Prepararam-se soluções estoque e diluídas de ácidos húmico, fúlvico e
substâncias húmicas provenientes da Aldrich e de amostras de solos diferentes
(tabela 3.1).
Analisaram-se AH extraídos de turfas de duas procedências diferentes (Turfa A
e B). Ambas foram cedidas pelo grupo de pesquisa do Prof. Dr. Eduardo A. Neves.
O solo Turfa A é proveniente de uma turfeira do município de Luis Antônio – SP. O
AH foi extraído desta turfa com NH
4
OH. A partir da Turfa B foram extraídos AH com
NaOH e com Na
4
P
2
O
7
.
As amostras SH1, SH2 e SH3 foram fornecidas pelo grupo de pesquisa do
Prof. Dr. Julio C. Rocha. Elas são de procedências diferentes, e somente a
amostra SH1 foi purificada.
As amostras VA1, VA2, VA3 e VA4 foram fornecidas pelo grupo de pesquisa da
Profa. Dra. Maria Olímpia de Oliveira Rezende. O mesmo vermicomposto (VA) foi
submetido a diferentes tratamentos para a extração de AH: uma fração foi extraída
com NaOH e outra com Na
4
P
2
O
7
. Após extração com NaOH, uma parte foi purificada
por diálise (VA1) e outra parte não foi purificada (VA2). A partir do mesmo
vermicomposto, envelhecido de 6 meses, foi extraído o AH com NaOH e purificado
(VA3).
Todas as amostras foram liofilizadas.
As amostras VBH e VHF foram fornecidas pelo grupo de pesquisa do Prof. Dr.
Jorge C. Masini. A partir da amostra de vermicomposto foram extraídas as soluções
de ácidos húmico e fúlvico. Em meio fortemente ácido foi extraído o AH. Após
extração, elas foram eluídas através de colunas contendo resinas trocadoras de íons
para purificação. As amostras não foram liofilizadas.
75
Tabela 3.1: Características das amostras de ácidos húmicos, fúlvicos e substâncias
húmicas.
Amostra Origem Extração
Procedimento
de purificação
C (%) H (%) Cl
b
(%)
AH -ALD Aldrich ----- ----- 51,5 4,7 0,6
AH - TA Turfa A NH
4
OH 0,5
mol L
-1
Troca iônica 52,2 4,0 0,8
AH - TB1 Turfa B NaOH 0,1
mol L
-1
Diálise 53,7 3,9 1,2
AH - TB2 Turfa B Na
4
P
2
O
7
0,1
mol L
-1
Diálise 54,6 4,2 0,8
AH - VA1 Vermicomposto
A
NaOH 0,1
mol L
-1
Diálise 50,5 5,5 0,4
AH - VA2 Vermicomposto
A
NaOH 0,1
mol L
-1
nenhum 43,9 5,7 0,8
AH - VA3
a
Vermicomposto
A
NaOH 0,1
mol L
-1
Diálise 44,1 5,9 3,2
AH - VA4 Vermicomposto
A
Na
4
P
2
O
7
0,1
mol L
-1
Diálise 47,2 5,1 2,0
AH - VBH Vermicomposto
B
NaOH 0,5
mol L
-1
Troca iônica 57,7 4,4 0,2
AF - VBF Vermicomposto
B
NaOH 0,5
mol L
-1
Troca iônica 46,8 4,0 0,2
SH1 Substância
húmica
NaOH 0,1
mol L
-1
Diálise
36,9 3,4 1,0
SH2 Substância
húmica
NaOH 0,1
mol L
-1
nenhum 28,5 2,8 12,4
SH3 Substância
húmica
NaOH 0,1
mol L
-1
nenhum 24,4 2,2 14,9
ª extraído após 6 meses
b
Cl pode ser usado como indicativo do grau de pureza da amostra.
76
Os teores de C, H e Cl de todas as amostras da tabela 3.1 foram determinados
por análise elementar na Central Analítica do Instituto de Química – USP, São Paulo.
A solução de SO
5
2-
0,6 mol L
-1
foi preparada diariamente pela dissolução de
9,22 g do sal 2KHSO
5
.KHSO
4
.K
2
SO
4
, em 50,0 mL.
Uma solução de H
2
O
2
0,58 mol L
-1
e CH
2
O 0,44 mol L
-1
foi preparada pela
mistura das soluções estoque recentes de H
2
O
2
1,16 mol L
-1
(peridrol 30%, Merck) e
CH
2
O 0,88 mol L
-1
(37%, Merck).
Foram preparadas soluções de NaOH 0,16 e 1,0 mol L
-1
.
Soluções estoque de 5000 mg L
-1
de Mn(II)EDTA, Co(II)EDTA, Fe(III)EDTA,
Cu(II)EDTA, Cr(III)EDTA e Ca(II)EDTA foram preparadas pela dissolução dos sais
de nitrato e Na
2
EDTA, numa proporção de 1:1. Soluções de CoCl
2
e MnCl
2
100 mg
L
-1
e soluções de Na
2
EDTA, NaCl, NaNO
3
, Na
2
CO
3
e Na
3
PO
4
10 000 mg L
-1
também
foram preparadas a fim de investigar o efeito da adição de alguns ânions.
A amostra de água do Rio Miranda, Mato Grosso do Sul – Brasil, foi coletada
em frascos limpos de polietileno e estocadas à -15 ºC. A amostra foi filtrada à vácuo
utilizando-se a membrana Millipore HA (poro de diâmetro de 0,45 μm ).
As medições de quimiluminescência foram realizadas em um luminômetro da
marca Berthold, modelo Lumat LB 9507, que possui 2 injetores de volumes variáveis
de solução. As reações foram realizadas em tubos transparentes de poliestireno com
capacidade para 5 mL, posicionados em frente a uma fotomultiplicadora.
O luminômetro utilizado não permite um arranjo alternativo do sistema em fluxo.
Por outro lado ele possui uma câmara otimizada para captação de luz e injeção
automática de pequenos volumes de reagentes com alta precisão e exatidão para a
mistura vigorosa e imediata com baixo consumo de reagentes.
77
3.2.2. Procedimento: método analítico empregando-se PMS
Para o método utilizando o peroxomonosulfato como oxidante, a seqüência de
adição de reagentes foi a seguinte: 100 μL de água (branco) ou de solução de SH
foram introduzidos no tubo, no qual foram injetados seqüencialmente 100 μL de
solução de peroxomonosulfato de potássio 0,6 mol L
-1
e logo após 0,7 s, 100 μL da
solução NaOH 1,0 mol L
-1
.
Também foi estudada a influência de alguns cátions e ânions - Cl
-
, NO
3
-
, PO
4
3-
,
CO
3
2-
, Co(II), Mn(II), Fe(III), Cu(II), Cr(III) e Ca(II) – na reação de AH com PMS. A
seqüência de adição de reagentes neste caso foi a seguinte: 50 μL de água ou de
solução de SH + 50 μL de espécie interferente foram introduzidos no tubo e foram
injetados, primeiramente, 100 μL de solução de peroxomonosulfato de potássio 0,6
mol L
-1
e logo após 0,7 s, 100 μL da solução NaOH 1,0 mol L
-1
.
3.2.3. Procedimento: método analítico empregando-se H
2
O
2
/ CH
2
O
Para o método utilizando H
2
O
2
/ CH
2
O como oxidante, a seqüência de adição de
reagentes foi a seguinte: 200 μL de água (branco) ou de solução de AH foram
introduzidos no tubo, no qual foram injetados seqüencialmente 100 μL de solução de
peróxido de hidrogênio 0,58 mol L
-1
+ formaldeído 0,44 mol L
-1
e logo após 0,7 s, 100
μL da solução NaOH 0,16 mol L
-1
.
Os resultados foram obtidos em triplicata.
78
3.3. Resultados e Discussões
Com o objetivo de desenvolvimento do método analítico foram observadas as
variações de intensidade de radiação emitida após a adição de AH, AF ou SH a uma
solução básica de PMS. O perfil de intensidade de radiação quimiluminescente
emitida em função do tempo está representado na figura 3.1.
O melhor sinal foi observado com a seguinte ordem de mistura dos reagentes:
solução de AH, AF ou SH seguida da adição das soluções de PMS e NaOH.
Somente após a adição da solução de NaOH a intensidade de radiação emitida em
função do tempo foi registrada. O tempo total de reação foi de cerca de 2 segundos.
O máximo de intensidade de radiação emitida (I
máx
) e a área do pico foram
relacionados com as concentrações de AH, AF e SH. Em todas as amostras
empregadas neste estudo, os valores de I
máx
e área aumentaram com a
concentração de AH, AF e SH.
A área integrada sob as curvas de intensidade vs. tempo dá indícios da
eficiência relativa da quimiluminescência, enquanto a altura do pico (I
máx
) geralmente
está relacionada à velocidade da reação QL – quanto maior I
máx
, maior a velocidade
da reação.
A variação do sinal em função da concentração de PMS está representada na
figura 3.2.
Os melhores valores de I
máx
e área foram obtidos quando a concentração de
PMS era 0,6 mol L
-1
. O sal peroxomonosulfato não é solúvel em concentrações
maiores do que 0,8 mol L
-1
, por isso não foram testadas concentrações superiores.
A reação ocorreu somente em meio básico. Em experimentos realizados
adicionando-se água ao invés de solução de NaOH não foi observado sinal
79
Figura 3.1: Perfil da intensidade de radiação emitida em função do tempo da reação
de oxidação de AH Aldrich com PMS. No tubo contendo 100 μL de AH 10 mg L
-1
foram adicionados seqüencialmente 100 μL de solução PMS 0,6 mol L
-1
e 100 μL de
solução de NaOH 1,0 mol L
-1
.
80
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
0
15
30
45
60
concentração de PMS/ mol L
-1
área/ 10
3
0
20
40
60
80
I
máx
/ 10
3
Figura 3.2: Efeito da concentração de PMS. Valores de I
máx
(A) e área (B) obtidos
pela mistura de 100 μL de água ou AH Aldrich 10 mg L
-1
+ 100 μl de PMS (2,5 x 10
-2
– 0,8) mol L
-1
+ 100 μL de NaOH 1,0 mol L
-1
.
A
B
81
quimiluminescente. Adicionou-se solução de NaOH na faixa de 0,90 a 1,20 mol L
-1
,
sendo que os valores de I
máx
e área não foram significativamente afetados.
É importante ressaltar que a concentração de hidróxido adicionada deveria ser
suficiente para neutralizar os íons H
+
provenientes do sal PMS e manter o meio
básico.
Adicionou-se a solução de NaOH após os demais reagentes porque o PMS não
é muito estável em meio básico (Kennedy e Stock, 1960).
O outro método analítico utilizado comparativamente, baseado na oxidação de
AH, AF e SH por H
2
O
2
/ CH
2
O, foi adaptado de Kitano (1994).
Na figura 3.3 observa-se um gráfico de intensidade de radiação emitida em
função do tempo de reação de uma solução 5 mg L
-1
de AH oxidado por H
2
O
2
(0,58
mol L
-1
) e CH
2
O (0,44 mol L
-1
) em meio alcalino (NaOH 0,16 mol L
-1
).
3.3.1. Curvas de calibração
As curvas analíticas de ambos os métodos estão representadas nas figuras 3.4
e 3.5 e os correspondentes parâmetros das regressões lineares na tabela 3.2.
Os valores de I
máx
e área são funções lineares da concentração de AH Aldrich
para ambos os métodos (PMS e H
2
O
2
/ CH
2
O), numa faixa de concentração de 0,5 –
20 mg L
-1
, curvando em direção à abscissa na faixa de 40-200 mg L
-1
(figuras 3.6 e
3.7).
O limite de detecção (LD) foi definido como três vezes o desvio padrão do
coeficiente linear dividido pelo valor do coeficiente angular. A sensibilidade de
calibração (M) foi estabelecida como o coeficiente angular da curva de calibração.
82
Figura 3.3: Perfil da Intensidade de Radiação Emitida em função do tempo da
reação de oxidação de AH Aldrich com H
2
O
2
/ CH
2
O. No tubo contendo 200 μL de
AH 5 mg L
-1
foi adicionado inicialmente 100 μL de solução (CH
2
O 0,44 mol L
-1
+
H
2
O
2
0,58 mol L
-1
) e em seguida 100 μL de solução de NaOH 0,16 mol L
-1
.
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0
tempo/ s
Intensidade de radia
ç
ão emitida/ 10
3
5
I
máx
= 4564
Área = 2729
4
3
2
1
83
048121620
0
15
30
45
60
75
concentração AH/ mg L
-1
área/ 10
3
0
20
40
60
80
100
120
I
máx
/ 10
3
Figura 3.4: Curvas analíticas utilizando-se os valores de I
máx
(A) e área (B) em
função da concentração de AH Aldrich com o método PMS.
A
B
84
048121620
-1
0
1
2
3
4
5
concentração AH/ mg L
-1
área/ 10
3
0
2
4
6
8
I
máx
/ 10
3
Figura 3.5: Curvas analíticas utilizando-se os valores de I
máx
(A) e área (B) em
função da concentração de AH Aldrich com o método H
2
O
2
/ CH
2
O .
A
B
85
Tabela 3.2: Parâmetros das regressões lineares das curvas analíticas (I
max
ou
área = A + M x [AH Aldrich]).
Método
Faixa [AH]
/mg L
-1
A/ 10
3
M/ 10
3
N r
2
LD
/mg L
-1
DPR
I
máx
0,5 – 20
0,10 ± 0,06 0,40± 0,01
9 0,999 0,44 6,4
H
2
O
2
/
CH
2
O
área 0,5 – 20
0,10 ± 0,03 0,21 ± 0,01
9 0,999 0,43 8,1
I
máx
0,5 – 20
2,4 ± 0,4 5,5 ± 0,2
9 0,993 0,24 3,9
PMS
área 0,5 – 20
1,8 ± 0,3 3,7 ± 0,1
9 0,998 0,24 1,2
N = número de pontos;
r
2
= coeficiente de correlação;
LD = limite de detecção;
DPR = desvio padrão relativo para solução de AH 10 mg L
-1
(n=5);
M = coeficiente angular;
A = coeficiente linear.
86
0 50 100 150 200
0
100
200
300
400
500
I
máx
/ 10
3
0 50 100 150 200
0
50
100
150
200
250
300
área / 10
3
concentração de AH / mg L
-1
Figura 3.6: Curvas analíticas utilizando-se PMS para avaliar a linearidade de I
máx
(A)
e área (B) em função da concentração de AH Aldrich.
A
B
87
0 50 100 150 200
-5
0
5
10
15
20
25
30
I
máx
/ 10
3
0 50 100 150 200
0
4
8
12
16
área/ 10
3
concentração de AH/ mg L
-1
Figura 3.7: Curvas analíticas utilizando-se H
2
O
2
/ CH
2
O para avaliar a linearidade de
I
máx
(A) e área (B) em função da concentração de AH Aldrich.
A
B
88
O método do PMS apresentou valores melhores de LD e valores maiores de M
do que o método H
2
O
2
/ CH
2
O. Para ambos os métodos as curvas de calibração de
I
máx
em função da concentração de SH apresentaram maior sensibilidade (valores de
M maiores) do que as curvas de área (tabela 3.2).
O método H
2
O
2
/ CH
2
O apresentou maior desvio padrão relativo (DPR) para
uma solução de 10 mg L
-1
de AH do que o método PMS.
3.3.2. Influência de alguns ânions e cátions no método PMS
A influência de alguns ânions (Cl
-
, NO
3
-
, PO
4
3-
e CO
3
2-
) e cátions (Co(II), Mn(II),
Fe(III), Cu(II), Cr(III) e Ca(II)) está apresentada na tabela 3.3. Os cátions foram
adicionados como complexos de EDTA para evitar a precipitação de seus
hidróxidos. Esses íons foram adicionados a soluções de AH (Aldrich) 1 e 10 mg L
-1
.
Co(II) e Mn(II) mesmo em concentrações pequenas como 0,1 mg L
-1
aumentaram o sinal de I
máx
. Os outros íons metálicos e ânions não apresentaram
efeito significativo nos valores de I
máx
e área em concentrações menores ou iguais
àquelas apresentadas na tabela 3.3 (primeiras linhas).
A maioria destas espécies não deve estar normalmente presente em águas
naturais em concentração suficiente para interferir significativamente na
determinação de SH, considerando-se o limite de detecção e o desvio padrão. Por
outro lado, os íons Fe(III) e Cl
-
podem estar presentes em concentrações maiores do
que 10 e 50 mg L
-1
, respectivamente, em algumas amostras de água natural,
caracterizando-se, nestes casos, como interferentes na análise de AH, AF e SH.
89
Tabela 3.3: Efeito de alguns cátions (complexados com EDTA) e ânions (sais de
sódio) adicionados à solução de AH Aldrich 1 ou 10 mg L
-1
.
[cátion ou ânion]/
mg L
-1
Intensidade
relativa
a
Espécie
adicionada
AH 1 mg L
-1
AH 10 mg L
-1
AH 1 mg L
-1
AH 10 mg L
-1
Co(II) 0,1 0,1 1,0 1,0
1,0 1,0 2,8 2,2
Mn(II) 0,1 0,01 1,0 1,0
1,0 1,0 1,6 1,3
Fe(III) 10 10 1,0 1,0
50 50 1,4 1,3
Cu(II) 200 200 1,0 1,0
500 500 0,9 0,9
Cr(III) 500 50 1,0 1,0
Ca(II) 200 100 1,0 1,0
EDTA
2-
1000 5000 1,0 1,0
Cl
-
50 50 1,0 1,0
5000 5000 1,2 1,3
NO
3
-
500 5000 1,0 1,0
PO
4
3-
9000 9000 1,0 1,0
CO
3
2-
5000 7500 1,0 1,0
9000 9000 0,7 0,9
a
a intensidade relativa (I
máx
) para soluções de AH 1 ou 10 mg L
-1
na ausência de cátions e
ânions foi normalizada para 1,0.
OBS: Para cada espécie adicionada, a primeira linha representa a concentração máxima
deste cátion ou ânion que não produz alteração no valor de intensidade relativa do AH
Aldrich.
90
3.3.3. Influências do solo de origem e dos procedimentos de extração e
purificação na análise de amostras de AH, AF e SH
Foram utilizadas soluções de AH, AF e SH provenientes de solos tipo turfa ou
vermicomposto, extraídos e purificados por diferentes processos (tabela 3.1) a fim de
avaliar a variação na intensidade de radiação emitida pela reação quimiluminescente
estudada, já que esses tratamentos podem levar a substâncias com características
estruturais diferentes.
A figura 3.8 mostra que as amostras de ácido húmico TA e Aldrich, de
procedências distintas, apresentaram diferentes curvas de calibração. Além disso, as
curvas analíticas obtidas utilizando-se as amostras de ácido húmico TB1 e TB2
extraídas com NaOH e Na
4
P
2
O
7
apresentaram sensibilidades diferentes, que podem
ser avaliadas pelos coeficientes angulares das curvas analíticas. Observa-se que as
amostras extraídas com Na
4
P
2
O
7
produziram maior sinal do que as amostras
extraídas com NaOH. Provavelmente a extração com Na
4
P
2
O
7
produziu menor
degradação na molécula original do ácido húmico.
Na figura 3.9 confirmaram-se as diferenças no sinal I
máx
em função do
tratamento das amostras de AH provenientes de vermicomposto. A amostra extraída
com Na
4
P
2
O
7
(VA4) também apresentou valores maiores de I
máx
, comparada com a
amostra extraída com NaOH (VA1). Além disso, a amostra de ácido húmico não
purificada (VA2) apresentou sinal (I
máx
e área) maior do que a purificada (VA1). A
amostra não purificada deve possuir alguns íons (como Co(II), Mn(II), Fe(III) ou Cl
-
)
em quantidade suficiente para produzir aumento no sinal obtido. A amostra
envelhecida de ácido húmico (VA3) apresentou sinal I
máx
menor do que as demais,
provavelmente devido à decomposição do vermicomposto com o tempo.
91
0 10203040
0
40
80
120
160
200
I
máx
/ 10
3
concentração de AH/ mg L
-1
Figura 3.8: Valores de I
máx
utilizando-se o método PMS para amostras de AH
extraídas de diferentes solos tipo turfa: TA com NH
4
OH (*); TB1 com NaOH (●); TB2
com Na
4
P
2
O
7
(▲) e Aldrich (■).
92
0 10203040
0
2
4
6
concentração de AH/ mg L
-1
I
máx
/ 10
3
0
20
40
60
80
100
I
máx
/ 10
3
Figura 3.9: Valores de I
máx
utilizando-se os métodos PMS (A) e H
2
O
2
/ CH
2
O (B) para
amostras de AH extraídas de mesmo vermicomposto: extraída com NaOH e
purificada VA1 (■); extraída com NaOH sem purificação VA2 (○); extraída com
NaOH após envelhecimento VA3
(∆) e extraída com Na
4
P
2
O
7
VA4 (*).
93
Para uma melhor comparação dos dois métodos, a tabela 3.4 apresenta os
valores de I
máx
e área obtidos para uma mesma concentração de AH, AF e SH (10
mg L
-1
) utilizando-se as amostras listadas na tabela 3.1 (p.75). Os valores de I
máx
e
área para essas amostras podem diferir significativamente para os métodos PMS e
H
2
O
2
/ CH
2
O.
As amostras de ácido húmico extraídas de solo tipo turfa (TA, TB1 e TB2)
apresentam alto teor de carbono (tabela 3.1) e valores de I
máx
e área elevados
(tabela 3.4). Entretanto, a quantidade de carbono das amostras não pode ser
diretamente relacionada com os valores de I
máx
e área, pois algumas amostras com
alto teor orgânico apresentaram sinais de I
máx
e área baixos, como a amostra de
ácido húmico VA1.
Soluções de AH e AF extraídos de uma mesma amostra de vermicomposto
foram analisadas pelos métodos PMS e H
2
O
2
/ CH
2
O (figura 3.10 e tabela 3.4). É
interessante notar a sensibilidade baixa obtida na análise do ácido fúlvico (VBF) pelo
método H
2
O
2
/ CH
2
O. Entretanto, com o método PMS, a sensibilidade foi maior na
análise de ácido fúlvico (VBF) do que de ácido húmico (figura 3.10A e tabela 3.4).
Para a mesma amostra de ácido húmico (VBH) valores maiores de I
máx
foram
obtidos com o método H
2
O
2
/ CH
2
O (tabela 3.4 e figura 3.10), enquanto que valores
maiores de área foram obtidos para o método PMS (tabela 3.4).
Para o método PMS, o sinal obtido para amostras SH1, SH2 e SH3 foi alto,
embora a quantidade de carbono fosse pequena. Provavelmente essas amostras
contêm AF em maior quantidade do que AH. Além disso, as amostras não
purificadas SH2 e SH3 possuem elevado teor de Cl (tabela 3.1, p. 75), que na forma
de cloreto em solução pode produzir aumento no sinal obtido, conforme discutido
anteriormente (tabela 3.3, p.89).
94
Tabela 3.4: Valores de I
máx
e área para soluções de AH, AF e SH 10 mg L
-1
obtidos
pelos métodos PMS e H
2
O
2
/ CH
2
O. Comparação de amostras extraídas de
diferentes solos e com tratamentos diversos.
PMS H
2
O
2
/ CH
2
O
Amostra
I
máx
/ 10
3
área/ 10
3
I
máx
/ 10
3
área/10
3
AH - ALD
53 ± 4 61 ± 2 6,0 ± 0,2 3,7 ± 0,1
AH - TA 71 ± 3 60 ± 2 12,6 ± 0,3 7,5 ± 0,3
AH - TB1 26,2 ± 0,5 35,2 ± 0,9 5,1 ± 0,1 3,3 ± 0,1
AH - TB2 61 ± 3 62 ± 3 9,4 ±0,1 6,1 ±0,1
AH - VA1 14,8 ± 0,2 20,8 ± 0,4 0,86 ±0,01 0,55 ±0,03
AH - VA2 21,3 ± 0,5 26 ± 1 1,2 ±0,1 0,86 ±0,02
AH - VA3
a
12,5 ± 0,6 19,0 ± 0,8 0,6 ± 0,1 0,44 ± 0,04
AH - VA4 25,8 ± 0,9 33 ± 2 1,9 ± 0,1 1,4 ± 0,1
AH – VBH 73 ± 3 59,4 ± 0,7 92 ± 2 27,0 ± 0,8
AF - VBF 118 ± 3 101 ±3 6,3 ± 0,2 2,80 ± 0,04
SH1 65 ± 4 55 ± 2 5,7 ± 0,1 3,4 ± 0,1
SH2 57 ± 5 52 ± 3 12,6 ± 0,2 6,9 ± 0,1
SH3 45 ± 3 37 ± 2 9,2 ± 0,3 5,2 ± 0,1
a
amostra extraída após 6 meses.
95
0 10203040
0
100
200
300
400
I
max
/ 10
3
B
[AH] ou [AF]/ mg L
-1
0
75
150
225
300
375
450
A
I
max
/ 10
3
Figura 3.10: Valores de I
máx
vs. concentrações de AH – VBH (•) e AF – VBF (■).
Métodos PMS (A) e H
2
O
2
/ CH
2
O (B). Amostras de AH e AF extraídas de um mesmo
vermicomposto.
96
3.3.4. Determinação da concentração de AH em amostra de água natural
A determinação da concentração de AH na água do rio Miranda – MS foi
realizada pelos dois métodos analíticos estudados, utilizando-se curva analítica
obtida com e sem adição de padrão. As curvas de adição de padrão (I
máx
ou área em
função da concentração de AH) foram obtidas adicionando-se seis incrementos de
uma solução padrão (de AH Aldrich) a uma alíquota de mesmo volume da amostra.
Cada solução foi então diluída a um volume fixo antes da medição. Os dados
apresentados na tabela 3.5 representam a média de três experimentos.
Os valores encontrados com e sem adição de padrão para um mesmo
método analítico (PMS ou H
2
O
2
/ CH
2
O) foram diferentes. O método PMS deu origem
a valores maiores de concentração de AH porque tanto a oxidação de AH como de
AF presentes na amostra produziram emissão de radiação. A adição de padrão
produziu valores maiores de concentração, indicando a existência de um efeito de
matriz.
Ainda que não seja possível confirmar a exatidão do método PMS,
concentrações baixas de AH em águas naturais puderam ser detectadas.
3.4. Conclusões
O método analítico desenvolvido empregando PMS apresentou boa
sensibilidade, dada pelos valores baixos de limite de detecção obtidos para a
amostra de AH Aldrich (0,24 mg L
-1
) e os valores relativamente altos de coeficiente
angular. Entretanto, a faixa dinâmica do método não foi muito ampla (0,5 a 20 mg
L
-1
) e os valores de coeficiente linear obtidos foram elevados, indicando a ocorrência
97
Tabela 3.5
: Determinação da concentração de ácido húmico na amostra do Rio
Miranda - MS. Comparação dos resultados obtidos por dois métodos
quimiluminescentes.
[AH] encontrado /mg L
-1
Curvas
analíticas
H
2
O
2
/ CH
2
O PMS
I
máx
9,1 ± 0,7 12,3 ± 0,6
Com adição
de padrão
área
9,0 ± 0,5 12,0 ± 0,4
I
máx
5,6 ± 0,3 6,6 ± 0,1
Curva de
calibração
área
6,2 ± 0,2 8,05 ± 0,04
98
de emissão de radiação na ausência de AH devido à decomposição do PMS
(equação 3.2).
Comparativamente, o método H
2
O
2
/ CH
2
O foi menos sensível, apresentando
valores de limite de detecção maiores (aproximadamente 0,40 mg L
-1
) e menores
valores de coeficiente angular. Entretanto, os valores de coeficiente linear foram
baixos, indicando que a emissão de radiação na ausência de AH foi bem pequena.
Com o método PMS obteve-se sensibilidade maior na análise de AF do que de
AH, enquanto o método H
2
O
2
/ CH
2
O foi muito mais sensível ao AH.
A sensibilidade dos métodos para AH, AF e SH depende da natureza e dos
procedimentos de extração e purificação das amostras, sendo que amostras
extraídas com Na
4
P
2
O
7
e/ ou não purificadas apresentaram sinais maiores.
Além disso, a quantidade de carbono das amostras não pode ser diretamente
relacionada com os valores de I
máx
e área, pois algumas amostras com alto teor
orgânico apresentaram sinais de I
máx
e área baixos.
Os radicais sulfato e hidroxila podem oxidar os íons cloreto presentes em
solução formando OCl
-
, HOCl ou Cl
2
. A formação dessas espécies também leva a
um aumento da intensidade de radiação emitida conforme verificado nos estudos de
efeito de ânions nessa reação. Na tabela 3.3 (p. 89) está representado que I
máx
aumenta de 20% quando o ânion cloreto é da ordem de 5000 mg L
-1
em uma
solução de AH (Aldrich) 10 mg L
-1
.
As determinações da concentração de AH na água do rio Miranda com e sem
adição de padrão não apresentaram sensibilidades idênticas neste estudo porque o
AH do padrão (Aldrich) e da amostra não devem possuir as mesmas características
estruturais. Embora alguns autores (Marino e Ingle Jr, 1981; Kitano et al., 1994 e
Michalowski et al., 2001) tenham mostrado valores praticamente idênticos obtidos
99
por quimiluminescência com curva de calibração e adição de padrão, isso não deve
ocorrer sempre, pois o efeito de matriz pode interferir na determinação. A curva de
calibração deve ser construída com padrão de AH preparado com características
muito similares as da amostra. Assim, Michalowski et al. (2001) propuseram a
calibração utilizando-se AH extraído da água do rio a ser analisado.
Dos íons estudados, as adições de Co(II) e Mn(II) produziram as alterações
mais significativas nos valores de I
máx
e área do AH Aldrich. Os aumentos
produzidos nos valores de I
máx
e área com a adição de Co(II) e Mn(II) foram melhor
investigados no capítulo 4, com a finalidade de aprimorar o método analítico
proposto.
100
3.5. Referências Bibliográficas
BALL, D.L. e EDWARDS, J.O.
,The kinetics and mechanism of the decomposition of
Caro´s acid (1). Journal of American Chemical Society 78(6), 1125-1129, 1956.
COICHEV, N. e ELDIK, R.V., Kinetics and mechanism of the sulfite-induced
autoxidation of cobalt (II) in aqueous azide medium. Inorganic Chemistry 30, 2375-
2380, 1991.
KAHN, A.U. e KASHA, M., Physical theory of chemiluminescence in systems
evolving molecular oxygen. Journal of American Chemical Society 88(7), 1574-1576,
1966.
KENNEDY, R.J. e STOCK, A.M.
, The oxidation of organic substances by potassium
peroxymonosulfate. Journal of Organic Chemistry 25, 1901-1906, 1960.
KITANO, M.; OGASAWARA, Y.; XINCHENG, H.; TAKENAKA, N.; BANDOW, H. e
MAEDA, Y., Continuous determination of trace amounts of humic acid in natural
waters by chemiluminescent method. Microchemical Journal 49, 265-274, 1994.
LIN, J.M. e YAMADA, M., Chemiluminescent reaction of fluorescent organic
compounds with KHSO
5
using cobalt(II) as catalyst and its first application to
molecular imprinting. Analytical Chemistry 72, 1148-1155, 2000.
MAKITA, Y.; UMEBAYASHI, H.; SUZUKI, T.; MASUDA, A.; YAMADA, M. e HOBO,
T.
, New analytical chemiluminescence system using peroxymonosulfate as oxidant.
Chemistry Letters 9, 1575-1578, 1993.
MARINO, D.F. e INGLE JR., J.D., Determination of humic acid by
chemiluminescence. Analytica Chimica Acta 124, 23-30, 1981.
MICHALOWSKI, J.; HALABURDA, P. e KOJLO, A., Determination of humic acid in
natural waters by flow injection analysis with chemiluminescence detection. Analytica
Chimica Acta 438, 143-148, 2001.
101
ROBARDS, K. e WORSFOLD, P.J., Analytical applications of liquid-phase
chemiluminescence. Analytica Chimica Acta 266, 147-173, 1992.
SLAWINSKA, D. e SLAWINSKI, J., Chemiluminescence of humic acids. Nature 213,
902-903, 1967.
SLAWINSKA, D. e SLAWINSKI, J., Chemiluminescent flow method for
determination of formaldehyde. Analytical Chemistry 47 (13), 2101-2109, 1975.
SKOOG, D.A.; HOLLER, F.J. e NIEMAN, T.A., Princípios de Análise Instrumental
(5ª ed.). Porto Alegre: Bookman, p. 322 e 327, 2002.
TSUKADA, S.; MIKI, H.; LIN, J.M.; SUZUKI, T. e YAMADA, M.,
Chemiluminescence from fluorescent organic compounds induced by cobalt (II)
catalyzed decomposition of peroxymonosulfate. Analytica Chimica Acta 371, 163-
170, 1998.
102
CAPÍTULO 4. EFEITO DA ADIÇÃO DE Co(II) E Mn(II) NA REAÇÃO
QUIMILUMINESCENTE DE PEROXOMONOSULFATO COM ÁCIDOS
HÚMICOS E SUBSTÂNCIAS HÚMICAS
103
4.1. Introdução
Conforme mencionado anteriormente, o ânion peroxomonosulfato é um agente
oxidante muito forte e se decompõe cataliticamente na presença de metais de
transição ou substratos orgânicos produzindo radicais e íons radicalares que
também possuem elevados potenciais de redução. A formação destes radicais tem
sido identificada por radiólise de pulso óptico com evolução de oxigênio (Lin e
Yamada, 2000 e Maruthamuthu e Neta, 1977). Esta decomposição é seguida por
emissão de radiação (equação 4.8) devido à formação de O
2
, oxigênio singlete (
1
O
2
),
gerado pela decomposição do peroxomonosulfato produzida pelo íon metálico
(Makita et al., 1993 e Tsukada et al., 1998). De acordo com a literatura, em meio
contendo íons Co(II), as seguintes reações podem acontecer (Anipsitakis e
Dionysiou, 2003; Coichev e Eldik, 1991; Lin e Yamada, 2000; Mariano, 1968;
Maruthamuthu e Neta,1977; Stauff et al., 1963; Thompson, 1981; Tsukada et al.,
1998; Zhang e Edwards, 1992):
HSO
5
-
+ Co
2+
→ Co
3+
+ SO
4
•-
+ OH
-
(4.1)
HSO
5
-
+ Co
2+
→ Co
3+
+ SO
4
2-
+
•
OH (4.2)
HSO
5
-
+ Co
3+
→ Co
2+
+ SO
5
•-
+ H
+
(4.3)
Co
2+
+ SO
4
•-
→ Co
3+
+ SO
4
2-
(4.4)
HSO
5
-
+ SO
4
•-
→ HSO
4
-
+ SO
5
•-
(4.5)
HSO
5
-
+
•
OH → SO
5
•-
+ H
2
O (4.6)
2 SO
5
•-
+ H
2
O → 2 HSO
5
-
+ 3/2
1
O
2
(4.7)
1
O
2
+
1
O
2
→ (
1
O
2
)
2
* → 2 O
2
+ hν (4.8)
2 SO
5
•-
→
-
O
3
SOOOOSO
3
-
→ SO
4
•-
O
2
SO
4
•-
(4.9)
104
2 SO4
•-
→ S
2
O
8
2-
(produto de terminação) (4.10)
{SO
4
•-
O
2
SO
4
•-
} → O
2
+ S
2
O
8
2-
(4.11)
{SO
4
•-
O
2
SO
4
•-
} → O
2
+ 2 SO
4
•-
(4.12)
Alguns valores de potenciais de redução do ânion peroxomonosulfato (PMS) e
dos radicais SO
5
•-
, SO
4
•-
e HO
•
estão apresentados na tabela 4.1.
Neste trabalho a oxidação das substâncias e ácidos húmicos por PMS na
presença de íons metálicos Co(II) e Mn(II) foram estudados a fim de avaliar o efeito
destes íons metálicos no método analítico para a determinação da concentração de
SH e AH.
4.2. Parte Experimental
Detalhes experimentais foram descritos no capítulo 3, p. 73.
A intensidade de radiação emitida foi medida utilizando-se um luminômetro da
marca Berthold (modelo Lumat LB 9507). As reações foram realizadas em tubos
transparentes de poliestireno com capacidade para 5 mL.
A seqüência de adição de reagentes foi a seguinte: 50 μL de água (branco) ou
de solução de AH/ SH + 50 μL de solução de íon metálico 100 mg L
-1
foram
introduzidos no tubo e em seguida foram injetados, 100 μL de solução de
peroxomonosulfato de potássio 0,6 mol L
-1
e logo após 0,7 s, 100 μL da solução
NaOH 1,0 mol L
-1
.
105
Tabela 4.1
: Valores de potenciais de redução(V) vs ENH de algumas espécies.
Espécie
Potencial de
redução vs ENH
pH Referências
HSO
5
-
/ HSO
4
-
1,81 – 1,85 -
Spiro, 1979; Steele e
Appelman, 1982; Price et al.,
1986; O’Hare et al., 1985.
HSO
5
-
/ SO
4
2-
1,75 3-9 Spiro, 1979.
SO
5
2-
/ SO
4
2-
1,22
> 10
Spiro, 1979.
HSO
5
-
/ HSO
4
-
1,44 - Kennedy e Stock, 1960.
SO
5
•-
/ HSO
5
-
1,1 7 Huie e Neta, 1984.
SO
5
•-
/ SO
5
2-
0,81 - Anast e Margerum, 1981.
SO
3
-
/ HSO
3
-
0,84 3,6 Huie e Neta, 1984.
SO
3
•-
/ SO
3
2-
0,63 – 0,89
> 7
Das et al.,2001; Huie e Neta,
1984; Anast e Margerum, 1981;
Sarala et al., 1990; Merényi et
al., 1988.
SO
4
•-
/ SO
4
2-
2,43-3,08 -
Stanbury, 1989; Furholz e
Haim, 1987
HO● / H
2
O 2,72 0 Sawyer, 1988
2,31 7 Sawyer, 1988
1,77 14 Sawyer, 1988
106
4.3. Resultados e Discussões
Em alguns testes preliminares (tabela 3.3, p. 89) verificou-se que a presença
dos íons Co(II) e Mn(II) na reação de oxidação de AH por PMS aumentaram
significativamente a emissão de radiação. Assim, investigações adicionais, descritas
a seguir, foram realizadas com a finalidade de melhorar o método analítico proposto.
A figura 4.1 mostra o perfil da intensidade de radiação emitida por uma solução
de AH Aldrich com e sem adição dos íons metálicos Co(II) e Mn(II) em função do
tempo.
4.3.1. Influência de Co(II) e Mn(II) no método PMS
O aumento nos sinais de área e I
max
, devido à adição de Co(II) e Mn(II) na
forma de complexos de EDTA, foi eficiente quando a concentração de íon metálico é
maior do que 1 mg L
-1
(figura 4.2).
Quando Mn(II) foi adicionado (como EDTA ou sal de cloreto) à solução de AH
seguido da adição de PMS e NaOH, observou-se que a solução apresentou
coloração rosa intenso após a reação quimiluminescente.
É interessante ressaltar que a adição de Mn(II)EDTA produziu aumento
somente nos valores de I
max
, enquanto os valores de área permaneceram
praticamente constantes (figura 4.2).
107
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8
0
150
300
450
600
750
c
b
a
Intensidade de radiação emitida/ 10
3
tempo/ s
Figura 4.1: Intensidade de radiação emitida após mistura de: 100 μl de AH Aldrich
10 mg L
-1
(com e sem Mn(II) ou Co(II)/ EDTA)+ 100 μl de PMS 0,6 mol L
-1
+ 100 μl
de NaOH 1,0 mol L
-1
. a) sem íon metálico, b) com Mn(II)EDTA 50 mg L
-1
e c) com
Co(II)EDTA 50 mg L
-1
.
108
00.010.1 1 1050
0,0
0,4
0,8
1,2
[íon metálico]/ mg L
-1
área/ 10
5
0
2
4
6
8
I
máx
/ 10
5
Figura 4.2: Efeito do Co(II) e Mn(II). Sinais obtidos após mistura de: 100 μL de (AH
Aldrich 10 mg L
-1
+ íon metálico/EDTA) + 100 μL de PMS 0,6 mol L
-1
+ 100 μL de
NaOH 1,0 mol L
-1
. Co(II) (ο) e Mn(II) (g).
109
Como será amplamente discutido a seguir, Co(II)EDTA é cataliticamente mais
ativo do que Mn(II)EDTA, aumentando os valores de I
max
e área.
Os parâmetros das regressões lineares das curvas analíticas de I
máx
ou área
em função da concentração de AH (ou SH) estão apresentados na tabela 4.2. Os
valores de I
max
e área são funções lineares com a concentração de ácido húmico
(Aldrich) até 20 mg L
-1
, curvando em direção à abscissa na faixa de 20-200 mg L
-1
.
Para melhor avaliar o aumento de sensibilidade devido à adição de Co(II) e
Mn(II) calculou-se m, que foi obtido pela razão dos coeficientes angulares (M) das
curvas de calibração na presença e na ausência de Co(II) e Mn(II). Assim, valores de
m maiores do que 1 indicam que houve aumento de I
máx
e área na presença desses
íons metálicos.
Foram realizados experimentos adicionando-se Co(II) ou Mn(II) como
complexos de EDTA ou sais de cloreto (tabela 4.2). Estes íons metálicos foram
adicionados como complexos para verificar se o EDTA poderia produzir alguma
inibição com possível interação desses íons metálicos com AH. Além disso, para
evitar a precipitação dos respectivos hidróxidos, já que a reação ocorre somente em
meio alcalino.
Os sinais de I
máx
e área na ausência de AH (dado pelo coeficiente linear, A, das
curvas analíticas) aumentaram com a adição de Co(II) ou Mn(II) (tabela 4.2),
mostrando o efeito catalítico destes íons metálicos na decomposição do PMS. No
caso da adição de Co(II), a emissão de radiação ocorre devido à formação de
oxigênio singlete (equação 4.8).
A adição dos complexos de EDTA produziram valores de I
máx
e área maiores do
que os respectivos sais de cloreto.
110
Tabela 4.2: Parâmetros das regressões lineares das curvas analíticas (I
max
ou área =
A + M x [AH Aldrich]). Soluções de 50 mg L
-1
de Co(II) e Mn(II).
Íon
metálico
faixa
[AH]/
mg L
-1
A/ 10
3
M/ 10
3
m N r
2
LD/
mg L
-1
DPR
nenhum I
max
0,5 – 20
2,4 ± 0,4 5,5 ± 0,2
1,0 9 0,993 0,24 3,9
área
0,5 – 20
1,8 ± 0,3 3,7 ± 0,1
1,0 9 0,998 0,24 1,2
Co(II)EDTA I
max
2 – 20
114 ± 23 65 ± 2
11,8 6 0,998 1,1 3,5
área
2 – 20
12 ± 2 11,2 ± 0,2
3,0 6 0,999 0,59 2,4
CoCl
2
I
max
2 – 20
35 ± 15 54 ± 1
9,8 6 0,999 0,83 1,8
área
2 – 20
5 ± 2 9,8 ± 0,2
2,6 6 0,999 0,74 2,0
Mn(II)EDTA I
max
2 – 20
26 ± 9 21,7 ± 0,8
3,9 6 0,998 1,2 3,6
área
2 – 20
4 ± 2 3,9 ± 0,2
1,1 6 0,997 1,3 2,2
MnCl
2
I
max
2 – 20
15 ± 10 16± 1
2,9 6 0,994 1,9 4,6
área
2 – 20
3 ± 2 3,7 ± 0,2
1,0 6 0,996 1,5 1,6
m = razão dos valores de coeficientes angulares na presença e na ausência de Co(II) ou
Mn(II);
N = número de pontos;
r
2
= coeficiente de correlação;
LD = limite de detecção;
DPR = desvio padrão relativo para solução de AH 10 mg L
-1
(n=5);
M = coeficiente angular;
A = coeficiente linear.
111
Observou-se uma grande dispersão nos valores de A, principalmente na
presença dos íons metálicos e, portanto os valores dos limites de detecção
calculados foram maiores, já que o limite de detecção (LD) foi definido como três
vezes o desvio padrão do coeficiente linear (A) dividido pelo valor do coeficiente
angular (M).
Outro aspecto importante é a variação dos valores de I
max
e área como indício
da alteração da velocidade e eficiência da reação de oxidação de AH por PMS.
Comparando-se os valores dos coeficientes angulares M das regressões lineares
das curvas analíticas de área e I
max
em função da concentração de AH, na ausência
e presença de Co(II) e Mn(II), pode-se concluir que a reação é mais rápida (maiores
valores de I
max
) e mais eficiente (maiores valores de área) na presença de Co(II) do
que de Mn(II) (figura 4.1 e 4.2), mesmo porque a adição de Mn(II) não produziu
alteração nos valores de área.
4.3.2. Experimentos com substâncias e ácidos húmicos extraídos de solos
diferentes
Soluções preparadas com amostras de substâncias e ácidos húmicos extraídos
de solos diferentes foram utilizadas neste trabalho a fim de avaliar a influência do
Co(II) e Mn(II) na intensidade de radiação emitida. As curvas analíticas foram obtidas
empregando-se as amostras de ácidos húmicos VA1, VA2 e de substância húmica
SH3 (tabela 3.1, p. 75).
A tabela 4.3 apresenta os parâmetros das regressões lineares das curvas
analíticas. Com a adição dos complexos de Co(II) e Mn(II) EDTA, os sinais (I
max
e
área) foram maiores.
112
Tabela 4.3: Parâmetros das regressões lineares das curvas analíticas (I
max
ou área =
A + x [AH]). Soluções de 50 mg L
-1
de Co(II) e Mn(II) adicionadas como complexos
de EDTA.
Amostra
Íon
metálico
A/ 10
3
M/ 10
3
m r
2
LD/
mg L
-1
DPR
nenhum I
max
4 ± 2 1,5 ± 0,1
1,0 0,986 4,0 15
área
4 ± 2 1,3 ± 0,2
1,0 0,974 4,6 4,8
AH -VA1
Co(II) I
max
94 ± 7 24,1 ± 0,7
16,1 0,999 0,87 1,1
área
10 ± 0,2 4,3 ± 0,1
3,3 0,999 0,70 4,9
Mn(II) I
max
17± 3 4,9 ± 0,3
3,3 0,993 1,8 2,4
área
2,3 ± 0,3 1,45 ± 0,02
1,1 0,999 0,62 2,9
nenhum I
max
4 ± 1 1,6 ± 0,1
1,0 0,990 1,9 6,7
área
2 ± 1 1,4 ± 0,1
1,0 0,992 2,1 2,3
AH -VA2
Co(II) I
max
89 ± 3 22,6 ± 0,3
14,1 1,00 0,40 7,5
área
8,7 ± 0,3 4,10 ± 0,03
2,9 1,00 0,22 2,9
Mn(II) I
max
17 ± 2 4,0 ± 0,2
2,5 0,996 1,5 5,2
área
2,1 ± 0,2 1,10 ± 0,02
0,8 0,999 0,55 5,0
nenhum I
max
6 ± 3 3,2 ± 0,3
1,0 0,990 2,8 8,5
área
4 ± 2 2,5 ± 0,2
1,0 0,993 2,4 4,4
SH3
Co(II) I
max
115 ± 17 49 ± 2
15,3 0,998 1,0 4,3
área
10,4 ± 0,9 7,7 ± 0,1
3,1 1,00 0,35 3,1
Mn(II) I
max
15 ± 5 9,3 ± 0,4
2,9 0,997 1,6 2,4
área
1,6 ± 0,5 2,54 ± 0,05
1,0 0,999 0,59 0,9
Faixa [AH] = 2 – 20 mg L
-1
; número de pontos = 5;
m = razão dos valores de coeficientes angulares na presença e na ausência de Co(II) ou
Mn(II);
r
2
= coeficiente de correlação;
LD = limite de detecção;
DPR = desvio padrão relativo para solução de AH 10 mg L
-1
(n=5);
M = coeficiente angular;
A = coeficiente linear.
113
Observou-se novamente que a curva analítica depende da natureza da amostra
(AH ou SH) da procedência e método de extração e purificação.
Ácidos húmicos provenientes de uma mesma amostra de vermicomposto
(chamados de VA1 e VA2) foram extraídos com um mesmo procedimento, mas
somente a amostra VA1 foi purificada. Essas amostras produziram curvas analíticas
similares, sendo que algumas impurezas presentes na amostra VA2 (não purificada)
podem ter interferido no sinal obtido.
A amostra SH3 pode conter ácidos fúlvico e húmico, e conforme descrito no
capítulo 3, este método é mais sensível a ácidos fúlvicos do que a ácidos húmicos.
Por isso o sinal obtido para SH3 foi alto. Provavelmente essa amostra contém AF em
maior quantidade do que AH. E, além disso, como SH3 não foi purificada e
apresenta elevado teor de Cl (14,9%, tabela 3.1, p. 75), íons cloreto (e outros íons)
em solução podem produzir aumento no sinal obtido.
4.3.3. Determinação da concentração de AH em amostra de água natural
A determinação da concentração de AH na água do rio Miranda – MS foi
realizada utilizando-se a curva analítica obtida com AH Aldrich com e sem adição
dos complexos de Co(II) ou Mn(II) EDTA. O conteúdo total de AH foi determinado
utilizando-se as curvas de I
max
ou área em função da concentração de AH. Os dados
da tabela 4.4 representam a média de três medições.
Um experimento de recuperação foi realizado adicionando-se à amostra uma
quantidade conhecida de AH Aldrich (1 mg L
-1
). Valores de recuperação de 91 a
114
Tabela 4.4: Determinação de ácido húmico na amostra do Rio Miranda - MS.
Comparação dos resultados obtidos para AH determinado com e sem Co(II)EDTA ou
Mn(II)EDTA 50 mg L
-1
.
Íon
metálico
Curva
analítica
Valor sem adição
de padrão
(mg L
-1
)
Valor com adição
de padrão
a
(mg L
-1
)
Recuperação
(%)
I
max
5,0 ± 0,5 6,6 ± 0,4
110
nenhum
área
3,8 ± 0,3 5,0 ± 0,3
104
I
max
4,3 ± 0,1 4,8 ± 0,1
91
Co(II)
área
2,9 ± 0,2 3,6 ± 0,1
92
I
max
4,01 ± 0,03 4,9 ± 0,3
98
Mn(II)
área
3,3 ± 0,1 4,6 ± 0,1
107
a
adição de 1 mg L
-1
do padrão de AH Aldrich.
115
110% foram obtidos, enquanto que a concentração de AH obtida para a mesma
amostra variou de 2,9 a 6,6 mg L
-1
. Isto mostra que existe uma diferença
significativa nas curvas analíticas obtidas com e sem Mn(II) ou Co(II).
4.4. Conclusões
Destes resultados pode-se concluir que na presença destes íons metálicos a
oxidação do AH e a decomposição catalítica do PMS ocorrem simultaneamente, e o
ligante do íon metálico (EDTA ou AH) influenciará na eficiência da reação. Na
ausência de EDTA estes íons metálicos podem complexar com AH.
O aumento dos valores de I
máx
e área na presença de Co(II) e Mn(II) pode ser
explicado pelas equações 4.1 a 4.12, nas quais o efeito catalítico destes íons
metálicos gera espécies fortemente oxidantes (SO
5
•-
, SO
4
•-
, HO
•
). Essas espécies
são responsáveis pela maior oxidação das SH, com subseqüente aumento na
intensidade de radiação emitida.
O potencial de redução (vs ENH) do peroxomonosulfato depende da acidez do
meio (tabela 4.1). Em meio ácido, o potencial de redução do par HSO
5
-
/SO
4
2-
(E
HSO5
-
/SO
4
2-
= 1,75V) é um pouco menor do que do Co
3+
/ Co
2+
(E
Co
3+
/Co
2+
= 1,802 V). Desta
forma, alguns estudos da literatura mostraram que HSO
5
-
pode oxidar ou reduzir o
Co(II) e Co(III), respectivamente (equações 4.2 e 4.3). Lin e Yamada (2000)
mostraram que quando Co(III) é usado como catalisador, a redução (equação 4.3)
pode ocorrer aumentando a concentração dos radicais SO
4
•-
ou HSO
5
•
. Esses
radicais formados, por sua vez, podem oxidar o Co(II). Um aspecto importante que
deve ser considerado é que o ligante coordenado ao íon cobalto influenciará no seu
potencial de redução. Isto pode explicar porque a adição dos complexos de EDTA
116
com Mn(II) e Co(II) produziram valores maiores de m, ou seja, apresentaram retas
com maior coeficiente angular do que os respectivos sais de cloreto.
Outra possibilidade que também deve ser considerada é a oxidação dos íons
cloreto formando OCl
-
, HOCl ou Cl
2
. A formação dessas espécies também leva a um
aumento da intensidade de radiação emitida conforme verificado nos estudos de
efeito de ânions nessa reação. Na tabela 3.3 (p. 89) está representado que I
máx
aumenta de 20% quando o ânion cloreto é da ordem de 5000 mg L
-1
em uma
solução de AH (Aldrich) 10 mg L
-1
.
Em todos os experimentos realizados com amostras diferentes de AH ou SH, a
adição de Co(II)EDTA ou Mn(II) EDTA produziu um efeito significativo nos valores de
I
máx
e área, os quais ainda dependem da procedência da amostra. Assim, os
parâmetros da curva analítica vão depender da natureza da substância húmica já
que ela pode representar amostras com diferentes características. Além disso,
nenhuma correlação com a quantidade de carbono da amostra foi possível.
Como foi apresentado no capítulo 3, as determinações da concentração de AH
na água do rio Miranda com e sem adição de padrão não apresentaram resultados
idênticos. Os valores de concentração de AH na amostra obtidos com e sem adição
de Co(II) e Mn(II) também foram diferentes, já que estes íons metálicos podem
interagir com AH e PMS mudando os mecanismos da reação com emissão de
radiação do AH e a decomposição catalítica do PMS.
117
4.5. Referências Bibliográficas
ANAST, J.M. e MARGERUM, D.W.
, Trivalent copper catalysis of the autoxidation of
sulfite. Kinetics and mechanism of the copper(III/II) tetraglycine reactions with sulfite.
Inorganic Chemistry 20, 2319-2326, 1981.
ANIPSITAKIS, G.P. e DIONYSIOU, D.D., Degradation of organic contaminants in
water with sulfate radicals generated by the conjunction of peroxymonosulfate with
cobalt. Environmental Science & Technology 37, 4790-4797, 2003.
COICHEV, N. e ELDIK, R.V., Kinetics and mechanism of the sulfite-induced
autoxidation of cobalt (II) in aqueous azide medium. Inorganic Chemistry 30, 2375-
2380, 1991.
DAS, T.N.; HUIE, R.E. e NETA, P., Reduction potentials of SO
3
•
-
, SO
5
•
-
, and S
2
O
6
•
3-
radicals in aqueous solution. Journal of Physical Chemistry A 103, 3581-3588, 1999.
FURHOLZ, U. e HAIM, A., Kinetics and mechanisms of the reactions of mononuclear
and binuclear ruthenium(II) ammine complexes with peroxydisulfate. Inorganic
Chemistry 26, 3243-3248, 1987.
HUIE, R.E. e NETA, P., Chemical behavior of sulfur trioxide(1-) (SO3-) and sulfur
pentoxide(1-) (SO5-) radicals in aqueous solutions. Journal of Physical Chemistry 88,
5665-5569, 1984.
KENNEDY, R.J. e STOCK, A.M., The oxidation of organic substances by potassium
peroxymonosulfate. Journal of Organic Chemistry 25, 1901-1906, 1960.
LIN, J.M. e YAMADA, M., Chemiluminescent reaction of fluorescent organic
compounds with KHSO
5
using cobalt(II) as catalyst and its first application to
molecular imprinting. Analytical Chemistry 72, 1148-1155, 2000.
118
MAKITA, Y.; UMEBAYASHI, H.; SUZUKI, T.; MASUDA, A.; YAMADA, M. e HOBO,
T.
, New analytical chemiluminescence system using peroxymonosulfate as oxidant.
Chemistry Letters 9, 1575-1578, 1993.
MARIANO, M.H., Spectrophotometric analysis of sulfuric solutions of hydrogen
peroxide, peroxymonosulfuric acid and peroxydisulfuric acid. Analytical Chemistry 40,
1662-1667, 1968.
MARUTHAMUTHU, P. e NETA, P., Radiolytic chain decomposition of
peroxomonophosphoric and peroxomonosulfuric acids. Journal of Physical Chemistry
81, 937- 940, 1977.
MERÉNYI, G.; LIND, J. e SHEN, X., Electron transfer from indoles, phenol, and
sulfite (SO32-) to chlorine dioxide (ClO2). Journal of Physical Chemistry 92, 134-137,
1988.
O’HARE, P.A.G.; BASILE, L. e APPELMAN, E.H., Thermochemistry of inorganic
sulfur compounds. V. Peroxymonosulfate revisited: standard molar enthalpies of
formation of KHSO
5
.H
2
O(cr), KHSO
5
(cr), and HSO
5
-
(aq). Journal of Chemical
Thermodynamics 17, 473-480, 1985.
PRICE, J.S.; TASKER, I.R.; APPELMAN, E.H. e O´HARE, P.A.G.,
Thermochemistry of inorganic sulfur compounds IX. Molar heat capacity of
KHSO
5
(cr) from 5 to 300 K, and partial molar entropy of HSO
5
-
(aq). Journal of
Chemical Thermodynamics 18, 923-930, 1986.
SARALA, R.; ASHRAFUL I.M.; RABIN, S.B. e STANBURY, D.M., Aromatic
sulfonation by sulfite and the reduction potential of the sulfite radical: oxidation of
sulfite by the tetraammine(phenanthroline)ruthenium(II) cation. Inorganic Chemistry
29, 1133-1142, 1990.
119
SAWYER, D.T., IN: Oxygen complexes and oxygen activation by transition metals,
Martell, A.E., Sawyer, D.T., Eds.; Plenum Press: New York; pp. 131-148, 1988.
SPIRO, M., The standard potential of the peroxosulphate/ sulphate couple.
Electrochimica Acta 24, 313-314, 1979.
STANBURY, D.M., IN: Advances in inorganic chemistry; Strikes, A.G.; Academic
Press, Inc.: San Diego; v. 33, pp. 69-138, 1989.
STAUFF, J.; SCHMIDKUNZ, H. e HARTMANN, G., Weak chemiluminescence of
oxidation reactions. Nature 198, 281-282, 1963.
STEELE, W.Y. e APPELMAN, E.H., The standard enthalpy of formation of
peroxymonosulfate (HSO
5
-
) and the standard electrode potential of the
peroxymonosulfate – bisulfate couple. Journal of Chemical Thermodynamics 14, 337-
344, 1982.
THOMPSON, R.C., Catalytic decomposition of peroxymonosulfate in aqueous
perchloric acid by the dual catalysts silver(I) and peroxydisulfate(2-) and by cobalt(II).
Inorganic Chemistry 20, 1005-1010, 1981.
TSUKADA, S.; MIKI, H.; LIN, J.M.; SUZUKI, T. e YAMADA, M.,
Chemiluminescence from fluorescent organic compounds induced by cobalt (II)
catalyzed decomposition of peroxymonosulfate. Analytica Chimica Acta 371, 163-
170, 1998.
ZHANG, Z. e EDWARDS, J.O., Chain lengths in the decomposition of
peroxomonosulfate catalyzed by cobalt and vanadium. Rate law for catalysis by
vanadium. Inorganic Chemistry 31, 3514-3517, 1992.
120
CAPÍTULO 5. REAÇÃO QUIMILUMINESCENTE DE
PEROXOMONOSULFATO COM ALGUNS COMPOSTOS
ORGÂNICOS
121
5.1. Introdução
O ânion peroxomonosulfato pode ser utilizado como agente oxidante de alguns
compostos orgânicos como cetonas e fenóis, produzindo uma emissão
quimiluminescente (Slawinska e Slawinski, 1967 e Makita et al., 1993).
Os principais grupos orgânicos presentes na estrutura de uma molécula de
ácidos húmico e fúlvico são fenóis, polifenóis, ácidos carboxílicos, carbonilas e ácido
salicílico. Assim, alguns compostos orgânicos modelo foram oxidados por PMS em
meio alcalino na presença e ausência de Co(II), produzindo emissão de luz.
Desta forma pretende-se investigar se essas porções das moléculas de AH e
AF podem ser as responsáveis pela produção de quimiluminescência na reação de
substâncias húmicas com peroxomonosulfato em meio básico.
5.2. Parte Experimental
Foram utilizados somente reagentes de grau analítico. As soluções foram
preparadas diariamente utilizando-se água deionizada purificada com o sistema Milli-
Q Plus Water System (Millipore).
A tabela 5.1 apresenta os compostos orgânicos estudados e suas principais
características.
A seqüência de adição de reagentes foi a seguinte: 100 μL de água (branco) ou
de solução do composto orgânico (com ou sem 50 mg L
-1
de Co(II)EDTA) foram
introduzidos no tubo e foram injetados, primeiramente, 100 μL de solução de
peroxomonosulfato de potássio 0,6 mol L
-1
e logo após 0,7 s, 100 μL da solução
NaOH 1,0 mol L
-1
.
122
Tabela 5.1: Principais características físico-químicas dos compostos orgânicos
estudados.
Nomenclatura
Fórmula
Estrutural
Massa
molecular
(g/mol)
d
(g/cm
3
)
Solubilidade
(g/ 100ml
de H
2
O)
Ácido salicílico
OH
O
OH
138,12 1,44 -
Ácido benzóico
OH
O
122,12 1,08
0,34
Ácido gálico ou
ácido 3,4,5-
trihidroxibenzóico
OH
OH
OH
O
HO
170,12 1,69
Parcialmente
solúvel
Ácido pirogálico ou
1,2,3- benzenotriol
OH
OHHO
126,11 1,453 65
Ciclohexanol ou 1-
ciclohexanol
OH
100,16 0,962 3,6
d-glucose ou
dextrose
O
OH
HO OH
OH
OH
180,16 1,54 -
123
Tabela 5.1: Continuação.
Nomenclatura
Fórmula
Estrutural
Massa
molecular
(g/mol)
d
(g/cm
3
)
Solubilidade
(g/ 100ml
de H
2
O)
Fenol ou
hidroxibenzeno
OH
94,11 1,07 8,28
Hidrazina ou
diamina
H
2
NNH
2
32,04 - miscível
Hidroquinona ou
1,4-
dihidroxibenzeno
OH
HO
110,11 1,332 7
o-cresol ou 1-
hidroxi, 2-
metilbenzeno
OH
CH
3
108,14 1,048 < 0,1
p-cresol ou 1-
hidroxi, 4-
metilbenzeno
OH
H
3
C
108,14 1,034 < 0,1
Floroglucinol ou
1,3,5 -benzenotriol
OH
OHHO
126,11 - -
Resorcinol ou 1,3 -
dihidroxibenzeno
OH
OH
110,11 1,27 110
Catecol ou
Pirocatecol ou 1,2 -
dihidroxibenzeno
OH
OH
110,11 - solúvel
124
5.3. Resultados e Discussões
Foram realizados experimentos com alguns compostos orgânicos modelo
(tabela 5.2) sob as mesmas condições utilizadas para os ácidos húmicos. Os
resultados foram expressos como a área integrada sob a curva de intensidade vs.
tempo (tabela 5.2 e figuras 5.1 e 5.2) em função da concentração do orgânico em
mg L
-1
. Dentro da faixa de concentração estudada para cada composto, escolheu-se
um valor de concentração para o qual representou-se o tempo de reação e a área
obtida.
Nos experimentos em que a área apresentou uma relação linear com a
concentração do composto orgânico, os valores de limite de detecção foram
calculados. Especialmente na presença de Co(II)EDTA, os valores de LD obtidos
foram maiores devido aos valores elevados do desvio padrão dos coeficientes
lineares e dos coeficientes angulares. Mesmo assim, concentrações baixas de
compostos orgânicos puderam ser detectadas.
Como as concentrações das AH e AF foram expressas em mg L
-1
, também
nestes experimentos esta unidade de concentração foi escolhida ao invés de mol L
-1
.
Na tabela 5.2 também estão apresentados os dados obtidos com amostras de
ácido húmico (Aldrich-ALD e VBH) e de ácido fúlvico (VBF), sendo que VBH e VBF
são AH e AF extraídos de um mesmo vermicomposto (tabela 3.1, p.75). Lembrando
que para uma mesma concentração (10 mg L
-1
) o valor de área obtido para a
amostra VBF de ácido fúlvico foi maior do que a do ácido húmico (VBH), o que
significa que este método é mais sensível a AF do que a AH, como apresentado nos
capítulos 3 e 4.
125
Tabela 5.2: Parâmetros das reações quimiluminescentes de alguns compostos orgânicos com PMS.
sem Co(II)EDTA com Co(II)EDTA
Espécie
faixa
/mg L
-1
Conc.
/mg L
-1
tempo
reação /s
área /10
4
LD/mg L
-1
tempo
reação /s
área /10
4
LD/ mg L
-1
m
AH Aldrich 0,5-20 10 0,6 6,1 0,24 0,2 12,8 0,59 3,0
AH - VBH
*
2,0-40 10 0,5 6,0 6,0 - - - -
AF - VBF
*
2,0-40 10 0,7 10,1 0,53 - - - -
Fenol 100-1000 250 150 13,5 66 2,8 0,16 292 0,011
Catecol 1,6-50 12,5 50 1,0 4 0,2 0,61 - -
Resorcinol 1,6-50 25 120 5,1 5,4 0,33 1,4 3,3 0,10
Hidroquinona 10-100 20 17,5 1,2 6,5 0,2 5,2 - -
Ácido pirogálico 1,6-50 12,5 0,2 3,1 3,8 0,2 6,2 4,1 1,7
Floroglucinol 1,6-50 12,5 16 140 2,3 0,2 7,6 4,7 0,034
p-cresol 1,6-50 12,5 50 4,2 4,1 0,2 1,3 10 0,082
o-cresol 1,6-100 50 60 20,6 3 2,0 12,6 3,5 0,34
Ciclohexanol 6,3-100 25 0,6 0,56 46 0,2 11,3 46 53
Ácido benzóico 125-1000 500 3 0,54 137 0,5 1,5 211 2,0
Ácido salicílico 6,3-100 12,5 30 2,0 18 0,2 0,87 7,4 0,5
Ácido gálico 12,5-100 50 30 2,2 12,5 0,2 3,8 18,8 1,5
D-glucose 156-5000 1000 9 0,55 115 0,2 7,0 - -
Hidrazina 250-2500 750 6 1,3 - 0,2 1,1 - -
* ácidos húmico e fúlvico extraídos de um mesmo vermicomposto.
Conc. = concentração do composto orgânico na qual foram obtidos os valores de tempo de reação e área.
126
0 1020304050
0,0
0,1
0,2
0,3
concentração/ mg L
-1
área/ 10
6
0
2
4
6
8
B
A
área/ 10
6
Figura 5.1: Área em função da concentração de alguns compostos orgânicos
modelo (A) sem e (B) com Co(II)/EDTA. Sinais obtidos após mistura de: 100 μL de
composto orgânico (sem ou com Co(II)/EDTA 50 mg L
-1
) + 100 μL de PMS 0,6 mol
L
-1
+ 100 μL de NaOH 1,0 mol L
-1
. Floroglucinol(■) e ácido pirogálico (▲).
127
0 1020304050
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
concentração/ mg L
-1
0
3
6
9
12
15
B
A
área/ 10
4
área/ 10
4
Figura 5.2: Área em função da concentração de alguns compostos orgânicos
modelo (A) sem e (B) com Co(II)/EDTA. Sinais obtidos após mistura de: 100 μL de
composto orgânico (sem ou com Co(II)/EDTA 50 mg L
-1
) + 100 μL de PMS 0,6 mol
L
-1
+ 100 μL de NaOH 1,0 mol L
-1
. Catecol(■), resorcinol (●) e p-cresol (▲).
128
5.3.1. Ausência de complexos de Co(II)EDTA
Na ausência de complexos de Co(II), os valores de área obtidos com soluções
aquosas de fenol, ácido benzóico, D-glucose e hidrazina, em concentrações
menores que 100 mg L
-1
, foram muito pequenos (tabela 5.2). Entretanto os
polifenóis, em concentrações mais baixas (1 – 100 mg L
-1
) produziram sinais
significativos e os valores de área seguiram aproximadamente a ordem: floroglucinol
>> ácido fúlvico > ácido húmico > resorcinol > ácido pirogálico > catecol >
hidroquinona (figuras 5.1A
e 5.2A), apesar das concentrações estarem
representadas em mg L
-1
e não mol L
-1
.
A substituição em meta do grupo hidroxila (resorcinol) apresentou maiores
sinais de área e tempo de reação do que a substituição em orto (catecol),
possivelmente devido às propriedades eletrofílicas do grupo hidroxila (Marino e Ingle
Jr, 1981; Kitano et al., 1994). Considerando os fenóis trisubstituídos, o floroglucinol
originou um sinal de área muito maior do que o ácido pirogálico (figura 5.1), sendo
que para uma concentração de 12,5 mg L
-1
, o tempo de reação para o floroglucinol
(16s) foi maior do que para o ácido pirogálico (0,2s) (tabela 5.2).
Comparando com o fenol, a adição de grupos metila (um doador de elétrons)
aumentou a reatividade. Por exemplo, p e o- cresol em concentrações baixas (1,6 –
100 mg L
-1
) apresentaram sinais muito maiores do que o fenol (100 -1000 mg L
-1
).
Para e orto cresol também apresentaram reatividades aproximadamente iguais as do
resorcinol e catecol (figura 5.1). Considerando as faixas de concentrações
estudadas, a adição de um grupo carboxílico (sacador de elétrons) ao fenol também
produziu aumento da reatividade (ácido salicílico > ácido gálico >> fenol), enquanto
o ácido benzóico foi menos reativo que o fenol (tabela 5.2). A área obtida para o
ciclohexanol foi significativa em concentrações baixas (6 a 100 mg L
-1
).
129
5.3.2. Presença de complexos de Co(II)EDTA
A tabela 5.2 e as figuras 5.1 e 5.2 também apresentam os resultados obtidos
utilizando-se PMS na presença de Co(II)EDTA. Em geral, para uma mesma
concentração de composto orgânico, o tempo de reação foi muito pequeno, cerca de
0,2 s, pois a decomposição do PMS catalisada por íons Co(II) é muito rápida,
conforme equações 4.1 a 4.12 (p. 101 e 102). De fato mesmo na ausência do
composto orgânico, o PMS na presença de Co(II) produz uma emissão de radiação
de duração de 0,2 s, devido à formação do oxigênio singlete (equação 4.8, p. 101).
Para melhor avaliar o aumento de sensibilidade devido à adição de Co(II)
calculou-se m, que é dado pela razão dos coeficientes angulares (M) das curvas de
calibração obtidas na presença e na ausência de Co(II) Os valores de área
aumentaram (m>1) na presença de Co(II) somente para ciclohexanol, AH, ácido
benzóico, ácido gálico e ácido pirogálico. Os valores de m seguiram a seguinte
ordem: ciclohexanol > AH > ácido benzóico > ácido gálico > ácido pirogálico.
Comparando-se a área do ciclohexanol em concentrações baixas (6 – 100 mg
L
-1
) na presença e na ausência de Co(II)EDTA, o efeito da adição do íon metálico é
muito mais evidente (m = 53).
5.4. Conclusões
A sensibilidade do método foi boa para a determinação de polifenóis, dado
pelos valores limites de detecção obtidos com e sem Co(II). Esta reação
quimiluminescente poderia ser utilizada no desenvolvimento de método analítico
para a determinação da concentração de polifenóis.
130
Como polifenóis e fenóis associados a grupos carboxílicos existem na estrutura
de substâncias húmicas, essas porções da molécula devem ser as responsáveis
pela produção de quimiluminescência na reação com peroxomonosulfato em meio
básico.
A literatura apresenta alguns estudos da reação quimiluminescente de
compostos orgânicos modelo, embora menos abrangentes que o presente trabalho.
Alguns resultados similares foram obtidos, especialmente para polifenóis, utilizando-
se os oxidantes: permanganato (Marino e Ingle Jr, 1981), peróxido de hidrogênio na
presença de formaldeído (Kitano et al., 1994) e N-bromosuccinamida (Michalowski et
al., 2001).
Como na decomposição do PMS catalisada por Co(II) há a formação de
radicais (SO
5
•-
, SO
4
•-
e HO
•
), a diminuição nos valores de área que ocorreu com
alguns compostos orgânicos poderia ser interpretada como uma reação de
supressão desses radicais, característica de alguns álcoois.
131
5.5. Referências Bibliográficas
KITANO, M.; OGASAWARA, Y.; XINCHENG, H.; TAKENAKA, N.; BANDOW,
H. e
MAEDA, Y., Continuous determination of trace amounts of humic acid in natural
waters by chemiluminescent method. Microchemical Journal 49, 265-274, 1994.
MAKITA, Y.; UMEBAYASHI, H.; SUZUKI, T.; MASUDA, A.; YAMADA, M. e HOBO,
T.
, New analytical chemiluminescence system using peroxymonosulfate as oxidant.
Chemistry Letters 9, 1575-1578, 1993.
MARINO, D.F. e INGLE JR., J.D., Determination of humic acid by
chemiluminescence. Analytica Chimica Acta 124, 23-30, 1981.
MICHALOWSKI, J.; HALABURDA, P. e KOJLO, A., Determination of humic acid in
natural waters by flow injection analysis with chemiluminescence detection. Analytica
Chimica Acta 438, 143-148, 2001.
SLAWINSKA, D. e SLAWINSKI, J., Chemiluminescence of humic acids. Nature 213,
902-903, 1967.
132
CAPÍTULO 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
E CONCLUSÕES
133
6.1. Considerações finais
O ânion PMS (HSO
5
-
) apresenta muitas qualidades, as quais tem levado à sua
aplicação em diversos processos industriais, na formulação de produtos comerciais,
no desenvolvimento de métodos analíticos e no tratamento de efluentes industriais.
Entre essas vantagens, podemos citar: elevado poder oxidante, estabilidade do seu
sal de origem em solução, existência em solução em uma ampla faixa de pH (1-9), o
seu uso produz menos danos ao meio ambiente (do que Cl
2
ou ClO
-
), é inodoro e
dissolve-se facilmente em água.
A decomposição de PMS na presença de íons metálicos leva à formação de
radicais como SO
5
•-
, SO
4
•-
e HO
•
. Anipsitakis e Dionysiou (2004) mostraram que o
Co(II) é o melhor catalisador para essa decomposição, comparado com Ag(I), Ce(III),
Fe(III), Fe(II), Mn(II), Ni(II), Ru(III) e V(III). No processo catalisado pelo íon Co(II),
observaram que o radical sulfato livre é a espécie preferencialmente formada,
enquanto que na presença dos íons Mn(II) o radical sulfato se coordena ao íon
metálico, reduzindo a sua reatividade.
Alguns autores sugeriram que o radical sulfato é mais seletivo na oxidação de
substratos orgânicos do que o radical hidroxila, sendo que SO
4
•-
reage
preferencialmente por transferência de elétrons (Neta et al., 1988). Parece que a
estrutura do substrato a ser oxidado afeta mais a reatividade do radical sulfato do
que do hidroxila (Anipsitakis e Dionysiou, 2004).
No presente estudo não foi verificada a extensão da oxidação de substâncias
húmicas ou compostos orgânicos (descritos no capítulo 5) pelo PMS. No entanto, de
acordo com estudos de Anipsitakis e Dionysiou (2003), o 2,4-diclorofenol na
presença de PMS e Co(II) em pH 7 foi 98% transformado em vários produtos, dos
quais 90% resultou em CO
2
e H
2
O. Estudos adicionais desse grupo de pesquisa
134
(Anipsitakis et al., 2006) mostraram que os principais produtos da oxidação do fenol
por PMS, foram quinona, catecol, hidroquinona e enxofre molecular (S
8
). Verificaram
também que os íons cloreto presentes em solução reagiram com os radicais sulfato
formando radical cloro, o qual pode reagir diretamente com o composto orgânico ou
formar espécies cloradas que também participam nas reações de transformação do
substrato.
6.2. Conclusões finais
Ambas as técnicas luminescentes estudadas, fluorimetria e
quimiluminescência, são sensíveis na detecção de AH e SH, sendo a fluorimetria
menos sensível, até porque parte da radiação emitida pela molécula de ácido
húmico é perdida devido à existência de um monocromador antes da detecção na
fotomultiplicadora.
O método apresentado para a determinação dos valores das constantes de
estabilidade condicional (K) e capacidade complexante (Cc) de SH com íons
metálicos empregando titulação fluorimétrica é simples e rápido (já que não
necessita da utilização de outra técnica complementar) e sensível na detecção de
AH, embora o modelo de cálculo apresente algumas limitações de uso (p.63).
Neste trabalho apresentou-se um novo método analítico baseado na oxidação
quimiluminescente de substâncias húmicas por peroxomonosulfato em meio básico.
O método proporciona uma boa alternativa na determinação da concentração de AH,
pois é simples, a reação é rápida e apresenta boa sensibilidade, dada pelos valores
de limite de detecção baixos, considerando a curva analítica obtida com AH Aldrich
(0,24 mg L
-1
).
135
Em todos os experimentos realizados com AH ou SH, a adição de Co(II)EDTA
ou Mn(II)EDTA aumentou significativamente os valores de I
máx
e área, sem produzir
melhoria no método analítico, já que os limite de detecção calculados na ausência
(LD 0,24 mg L
-1
) foram maiores do que na presença destes íons metálicos (0,59 e
1,3 mg L
-1
, respectivamente).
Conforme descrito nos capítulos 3 e 4, p. 96 e 115, o método analítico proposto
apresenta problemas no que se refere à natureza da amostra de AH, AF e SH. A
sensibilidade do método depende da natureza e dos procedimentos de extração e
purificação das amostras, sendo que amostras extraídas com Na
4
P
2
O
7
e/ ou não
purificadas apresentaram sinais maiores.
Nas reações de oxidação quimiluminescente de alguns polifenóis com PMS
obtiveram-se as intensidades de radiação mais significativas, ou seja, maiores
valores de área. Entretanto, os limites de detecção obtidos para o floroglucinol e
ácido pirogálico foram maiores do que os do AH e AF. Isto pode ser explicado pelo
elevado desvio padrão dos valores de coeficientes lineares (A) das curvas analíticas
destes polifenóis (dado não apresentado).
Polifenóis e fenóis associados a grupos carboxílicos existentes na estrutura de
substâncias húmicas devem ser as porções da molécula responsáveis pela
produção de quimiluminescência na reação com peroxomonosulfato em meio básico.
A reação quimiluminescente de PMS com substratos orgânicos, com ou sem
adição de Co(II), tem possível aplicação no desenvolvimento de outros métodos
analíticos (como na determinação da concentração de polifenóis ou tanino) e no
tratamento de efluentes industriais.
136
6.3. Referências Bibliográficas
ANIPSITAKIS, G.P. e DIONYSIOU, D.D.
, Degradation of organic contaminants in
water with sulfate radicals generated by the conjunction of peroxymonosulfate with
cobalt. Environmental Science & Technology 37, 4790-4797, 2003.
ANIPSITAKIS, G.P. e DIONYSIOU, D.D., Radical generation by the interaction of
transition metals with common oxidants. Environmental Science & Technology 38,
3705-3712, 2004.
ANIPSITAKIS, G.P.; DIONYSIOU, D.D. e GONZALEZ, M.A., Cobalt-mediated
activation of peroxymonosulfate and sulfate radical attack on phenolic compounds.
Implications of chloride ions. Environmental Science & Technology 40, 1000-1007,
2006.
NETA, P.; HUIE, R.E. e ROSS, A.B., Rate constants for reactions of inorganic
radicals in aqueous-solution. Journal of Physical and Chemical Reference Data
17(3), 1027-1284, 1988.
137
SÚMULA CURRICULAR
DADOS PESSOAIS
Nome Giselle Baratti Magdaleno
Nascimento 28/05/1979 - São Paulo/SP - Brasil
FORMAÇÃO ACADÊMICA/ TITULAÇÃO
1994 - 1997
Curso técnico em Química.
Colégio Técnico Oswaldo Cruz, São Paulo, Brasil
1999 - 2002
Graduação em Química Bacharel.
Universidade de São Paulo, USP, São Paulo, Brasil
1999 - 2003
Graduação em Química Licenciatura.
Universidade de São Paulo, USP, São Paulo, Brasil
2003 - atual
Doutorado em Química (Química Analítica) [SP-Capital].
Universidade de São Paulo, USP, São Paulo, Brasil
Título: Alguns estudos da fluorescência e quimiluminescência de
substâncias húmicas
Orientadora: Nina Coichev
Bolsista do(a): Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São
Paulo (2003-2005) – processo: 04/14609-8
FORMAÇÃO COMPLEMENTAR
2001 - 2002
Iniciação Científica.
Instituto de Química - Universidade de São Paulo, São Paulo.
Título: Medições de luminescência em rocha (espeleotemas) e em
amostras de água em cavernas.
Orientadora: Nina Coichev
138
Bolsista do(a): Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São
Paulo. Processo: 00/14697-3
ATUAÇÃO PROFISSIONAL
2006 - Atual
Especialista em Laboratório, Centro de Pesquisas de Águas
Subterrâneas
Instituto de Geociências – Universidade de São Paulo
PUBLICAÇÕES
Artigos completos publicados em periódicos
1. MAGDALENO, Giselle Baratti, COICHEV, Nina
Effect of cobalt (II) and manganese (II) on the chemiluminescent reaction of
peroxymonosulfate with humic acid and some organic compounds. Analytical
Applications. Analytical Letters, v.40, p.585 - 600, 2007.
2. MAGDALENO, Giselle Baratti, COICHEV, Nina
Chemiluminescent determination of humic substances based on the oxidation
by peroxymonosulfate. Analytica Chimica Acta. , v.552, p.141 - 146, 2005.
3. CRUZ JR, Francisco Willian da, KARMANN, Ivo, MAGDALENO, Giselle
Baratti, COICHEV, Nina, VIANNA JR, Oduvaldo
Influence of hydrological and climatic parameters on spatial-temporal
variability of fluorescence intensity and DOC of karst percolation waters in the
Santana Cave System, Southeastern Brazil. Journal of Hydrology, v.302, p.1 -
12, 2005.
Resumos Publicados em Anais de Congressos
1. MAGDALENO, Giselle Baratti, COICHEV, Nina.
Reação quimiluminescente de substâncias húmicas com KHSO5. Aplicações
analíticas In: 13º Encontro Nacional de Química Analítica, 2005, Niterói.
Anais do 13º Encontro Nacional de Química Analítica. , 2005.
139
2. MAGDALENO, Giselle Baratti, COICHEV, Nina.
Influência de alguns íons metálicos na fluorescência de soluções de ácidos
húmicos In: 12º Encontro Nacional de Química Analítica, 2003, São Luís.
Anais do 12º Encontro Nacional de Química Analítica. , 2003. p.EM-016
3. MAGDALENO, Giselle Baratti, COICHEV, Nina, CRUZ JR, Francisco Willian
da, KARMANN, Ivo, VIANNA JR, Oduvaldo
Medições de luminescência em rocha (espeleotemas) e em amostras de
água em cavernas In: 25ª Reunião Anual da Sociedade Brasileira de
Química, 2002, Poços de Caldas.
Anais da 25ª Reunião da Sociedade Brasileira de Química. , 2002.
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo
