Método de baixo custo para quantificação de sódio em água de coco e água do mar para o laboratório de graduação de química analítica: teste de chama, câmera de telefone celular e processamento de imagem

ISBN 978-85-85905-10-1

Área

Ensino de Química

Autores

da Silva, N.S.A. (UFRN) ; da Silva, N.S.A. (UFRN) ; da Silva, N.S.A. (UFRN) ; da Silva, N.S.A. (UFRN) ; da Silva, N.S.A. (UFRN) ; Moraes, E.P. (UFRN) ; de Morais, C.L.M. (UFRN) ; das Neves, L.S. (UFRN) ; de Lima, K.M.G. (UFRN)

Resumo

O teste de chama é um método analítico clássico que é frequentemente usado para ensinar alunos como identificar espécies de metais. Um método foi desenvolvido baseado no teste de chama para quantificar sódio em água de coco e água do mar usando vídeos gravados de uma chama durante o experimento e subsequente tratamento de imagem com a plataforma estatística R. Esse experimento proporciona a alunos da graduação uma oportunidade para estudar temas importantes como teoria atômica, espectroscopia de emissão, análise quantitativa e processamento de imagens. Estudantes mediram o teor de sódio em água do mar coletada na região costeira do RN. Foi obtida concentrações de sódio que variou entre 11,2 e 12,2 g.[dm][/-3] e curvas de calibração apresentando boa linearidade ([R][/2] > 0,91).

Palavras chaves

Química analítica; Instruções de laboratório; Análise quantitativa

Introdução

O teste de chama é um experimento muito interessante que é frequentemente usado para introduzir análise quantitativa[1] e espectroscopia de emissão atômica[2] para fins educacionais. No entanto, métodos quantitativos baseados nestes princípios tem sido desenvolvidos utilizando caros sistemas de análise comercial, limitando assim o seu uso, especialmente em universidades de países em desenvolvimento, onde instrumentos sofisticados de análise não estão disponíveis. O processamento de imagem tem sido desenvolvido como uma ferramenta analítica nos últimos anos devido as imagens serem versáteis e de fácil aquisição, e os resultados podem ser convertidos para valores numéricos. Marbach e coautores [9] relataram uma técnica de processamento de imagem para a detecção de chama a partir de imagens de vídeos, por conseguinte, permitindo o seu uso em alarmes de incêndio. Recentemente Lyra e coautores[11] desenvolveram um método de espectroscopia de emissão de chama baseado em imagem digital, utilizando o sistema de cores RGB. Esse sistema foi utilizado para determinar de forma indireta diferentes drogas[12]. Os estudantes usaram um telefone celular como um detector, que trouxe um elemento comum do estilo de vida dos jovens para sala de aula. A chama do sódio é espetacularmente brilhante e ele está presente em diversas matrizes, e pode contribuir para o ensino de química contextualizado[13]. O objetivo deste trabalho foi apresentar uma simples abordagem para medir o teor de sódio em água de coco e água do mar. Um algoritmo para o processamento de imagem foi desenvolvido para auxiliar na automação da análise de dados. Como prova de sua confiabilidade e validade, o método proposto foi aplicado para os estudantes de geologia em um Curso Química Analítica Aplicada.

Material e métodos

Cloreto de sódio (> 99,5%) foi obtido a partir de Dinâmica Química Contemporânea (Diadema, Brasil). O frasco de perfume com spray pulverizador foi comprado em uma loja de varejo local (<2 reais cada). Todas as soluções padrão e amostras foram preparadas com água destilada. Esse experimento requereu 4h de tempo de laboratório e os grupos tinham de 3 a 4 estudantes. Para a curva analítica, os estudantes prepararam soluções padrões de 20, 40, 80, 120, and 160 mg.[dm][/-3] de sódio a partir de uma solução estoque de 640 mg.[dm][/-3] de sódio. As soluções foram colocadas nos frascos de spray. Em seguida, dois estudantes realizaram o teste; um estudante pulverizou a solução na chama enquanto o outro grava o vídeo. A distãncia dos dois estudantes para a chama foi padronizado (Figura 1). O procedimento foi repetido em duplicata para cada solução padrão. Por último, os alunos examinaram água de coco pura e água do mar diluida por um fator de 100. Estas amostras foram analisadas em triplicata. Para validar a técnica, as amostras foram analisadas pelos instrutores em um fotômetro de chama Analyzer 910 M (Sao Paulo, Brasil). O tratamento de dados foi implementado na plataforma estatistica R (R Foundation for Statistical Computing). O teste de chama pode ser perigoso, por isso o experimento deve ser conduzido em laboratório ventilado. O público deve manter uma distancia mínima de 1,5 m da chama, e os estudantes que realizarm o experimento de 0,4 m. Cuidados devem ser tomados para proteger os olhos dos alunos.

Resultado e discussão

Uma curva de calibração produzida por um dos grupos das medidas feitas em duplicata das soluções padrão de sódio é apresentado na Figura 1. A curva de calibração foi obtida plotando o valor baseado em RGB (||v||)[11] versus a concentração das cinco soluções de sódio. Na figura 1, um comportamento linear entre a resposta analítica e as concentrações de analito foi observada. O LOD e LOQ correspoderam a níveis de sódio de 6 e 19 mg.[dm][/-3], respectivamente. Esse valores foram calculados de acordo com Silva Lyra e coautores. A medida da concentração de sódio nas amostras de água de coco e de água do mar estão aprersentadas na Tabela 1. As amostras foram analisadas em triplicata, e os resultados do teste de chama foram comprados com os resultados obtidos a partir de um fotômetro de chama. O teste F (95% de cofiança) indicou que não existe diferença significativa entre os dois métodos. Como prova de sua confiabilidade e validade, este método foi aplicado por estudantes de geologia em um Curso de Química Analítica Aplicada para quantificar sódio em água do mar. A mesma amostra apresentada na Tabela 1 foi analisada por cinco grupos de estudante. A concentração de sódio variou de 11,2 para 12,2 g .[dm][/-3]. Tipicamente, a concentração de sódio na água do mar é 10,5 g .[dm][/-3], mas a salinidade da superfície da água do mar é elevada (até 37 g .[dm][/-3]) na latitude investigada[15]. Nesta tarefa, os alunos aprendem química analítica e a associá-la com os problemas reais utilizando um simples e aplicável método. Além disso, eles desenvolvem habilidades analíticas, julgamento crítico e experiência prática com os fenômenos químicos. Como lição de casa, os alunos podem discutir se é possível usar o método para outros elementos, e os efeitos de possíveis interferentes.

Curva de calibração para análise de sódio apresentando o vetor ||V|| versus a concentração de sódio.


Concentração de sódio nas amostras

Conclusões

O método aqui descrito fornece uma excelente ilustração entre a relação de emissão atômica e intensidades RGB a partir de imagens digitais. Ao aprender sobre esses temas, os alunos ganham visão sobre a atuais pesquisas em química analítica e de processamento de imagem.

Agradecimentos

Os autores são gratos a CAPES, CNPq e PROPESQ-UFRN.

Referências

[1] Vogel, A. I. Textbook of Macro and Semimicro Qualitative Inorganic Analysis; 5th ed.; Longman Inc.: New York, 1979; p 137.
[2] Smith, E. T. Multiple Burning Heaps of Color-An Elegant Variation of a Flame Test. J. Chem. Educ. 1995, 72, 828.
[9] Marbach, G.; Loepfe, M.; Brupbacher, T. An Image Processing Technique for Fire Detection in Video Images. Fire Saf. J. 2006, 41, 285−289.
[11] Silva Lyra, W.; Dos Santos, V. B.; Dionízio, A. G. G.; Martins, V.L.; Almeida, L. F.; Nóbrega Gaião, E.; Diniz, P. H. G. D.; Silva, E. C.; Arauj́o, M. C. U. Digital Image-Based Flame Emission Spectrometry. Talanta 2009, 77, 1584−1589.
[12] Da Silva Lyra, W.; Castriani Sanches, F. A.; Antônio da Silva Cunha, F.; Gonca̧ lves Dias Diniz, P. H.; Lemos, S. G.; Cirino da Silva, E.; Ugulino de Araujo, M. C. Indirect Determination of Sodium Diclofenac, Sodium Dipyrone and Calcium Gluconate in Injection Drugs Using Digital Image-Based (webcam) Flame Emission Spectrometric Method. Anal. Methods 2011, 3, 1975.
[13] Schwartz, A. T. Contextualized Chemistry Education: The American Experience. Int. J. Sci. Educ. 2006, 28, 977−998.