Balança Analítica
Introdução:
Balança de dois pratos
Balança (do latim bis – dois e linx – prato) é um instrumento que mede a massa de um corpo. A unidade usual para massa é o kg (Sistema Internacional de Unidades – SI). Portanto as balanças medem as massas dos corpos e objetos, não o peso deles. Embora a função primária da balança seja medir a massa, há balanças que podem informar o valor aproximado do peso de um corpo através de relações matemáticas simples.
O peso é uma grandeza de força física e duas unidades são utilizadas para representá-la: o °N e o kgf. Quando calculado em Newtons* (a partir de uma massa dada em quilogramas), o peso corresponde à massa do corpo multiplicada pelo valor da aceleração da gravidade, que é de aproximadamente 9,80665 m/s² (a gravidade também precisa estar em unidades do SI). Desta forma, uma pessoa que possua massa de 55Kg terá um peso aproximado de 539,36575N.
Isaac Newton
*A escala de temperatura Newton (símbolo: °N) foi planejada por Isaac Newton por volta de 1700. Nessa escala, a água é solidificada em grau 0 e sua ebulição ocorre aos 33 graus.
A história
Admite-se que a balança tenha origem no Antigo Egito. Durante cerca de 40 séculos, a balança teve como característica a existência de dois pratos.
Balança Egípcia
Balança de dois pratos:
Aristóteles
A teoria da balança foi assunto de estudos do grego Aristóteles (384-322 A.C.), que decompôs o movimento dos braços da balança em seus componentes radial e tangencial. A obra Perì Cygôn (sobre alavancas) de Arquimedes (287-212 A.C.) contém as considerações principais sobre o centro de gravidade e o braço da alavanca.
Archimedes
Contudo, a teoria completa da balança foi desenvolvida somente em 1747, por Leonhard Euler (1707-1783), matemático e físico suíço. Na década de 1870, Dmitri Mendeleev (1834-1907) reestudou a teoria física da balança. O resultado de seus cálculos mostrou que uma exatidão de 1/15 mg com uma carga de 1 kg podia ser obtida com um tamanho de travessão até quatro vezes menor que os instrumentos da ocasião, resultado esse que teve influência na construção das balanças comerciais a partir daquela época.
Dmitri Mendeleev
Na Idade Média com o advento da iatroquímica (a precursora da química médica), por volta do século XVI, começou o uso de substâncias muito venenosas na composição dos remédios, daí uma pesagem mais rigorosa tornou-se necessária. No século XVI, com o renascimento da tecnologia química, apareceram as primeiras grandes obras neste campo, onde a inserção da balança em atividades de pesquisa e o rigor em seu emprego começaram a tomar forma.
Vannoccio Biringuccio (1480-1537) deu as primeiras indicações numéricas corretas sobre o aumento de massa na transformação do chumbo metálico em litargírio (PbO) e mínio (Pb3O4), com aumentos de massa de 8 até 10% (os valores exatos são, respectivamente, 7,7% e 10,3%).
Georgius Agricola
Georgius Agricola (1494-1555), em sua obra principal, De Re Metallica (1556), atribuiu grande importância à balança. Andreas Libavius (1540-1616) projetou em 1606 uma “casa ideal de química”, onde havia uma sala para balanças e Johann Joachim Becher (1635-1682), no seu catálogo ilustrado de um laboratório químico portátil (1680), descreveu os equipamentos mais necessários de um laboratório analítico. Johann Baptist van Helmont (1577-1644) proclamou a absoluta necessidade do emprego da balança nas pesquisas científicas.
Joachim Jungius
Joachim Jungius (1587-1657) também manifestou a opinião de que os processos químicos deviam ser investigados com auxílio da balança.
Em meados do século XVII, por conta da expansão da metalurgia, as balanças tornaram-se mais sensíveis a pequenas variações de massa (diminuição da massa do travessão) e os sistemas de pesos foram regulamentados. A partir de 1760 apareceram muitos trabalhos de química quantitativa, fundamentada no emprego da balança.
A determinação da massa estava intimamente ligada à descoberta de leis ponderais e de novos elementos químicos, ao desenvolvimento da química orgânica e à evolução da análise quantitativa gravimétrica inorgânica e orgânica e hoje se diz que toda a operação química de precisão começa e termina na balança.
Martin Heinrich Klaproth
Martin Heinrich Klaproth (1743-1817), usuário intensivo da balança analítica, adotou técnicas e métodos analíticos que levaram a resultados mais rigorosos que os obtidos normalmente pelos outros químicos e suscitaram a descoberta de novos elementos, descobriu algumas “terras”: óxidos de zircônio, urânio, telúrio e titânio (estes compostos somente anos mais tarde forneceram os respectivos elementos usando métodos de redução).
Jöns Jacob Berzelius
Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) modificou a técnica gravimétrica de Klaproth, considerada a melhor da época, usando quantidades consideravelmente menores das substâncias a analisar, introduzindo balanças mais sensíveis de uso analítico. A partir do método da combustão controlada, desenvolvido por Justus von Liebig (1803-1873), que requeria uma quantidade de 0,5 a 1,0 g de material para análise, às vezes impraticável quando do isolamento de um produto natural, Fritz Pregl (1869-1930) introduziu um processo de microanálise em 1911, melhorando os instrumentos e acessórios envolvidos, especialmente a sensibilidade da balança. Com isso a massa necessária passou para a faixa 3-4 mg, sendo ele premiado com o Nobel de Química em 1923. O alemão Carl Remigius Fresenius (1818-1897), em sua obra de Química Analítica Quantitativa (1885), dedicava um capítulo especial à balança.
Florenz Sartorius
Em 1870, Florenz Sartorius (1846-1925), engenheiro alemão, a partir de uma peça de alumínio cedida por Friedrich Wöhler (1800-1882), desenvolveu uma balança extremamente leve, de braços curtos e encerrados em uma caixa de vidro, montada na própria estrutura da balança. O uso do alumínio, metal mais leve que o cobre ou o bronze, melhorou enormemente a sensibilidade da balança e ajudou na adoção do modelo proposto por Sartorius em escala comercial.
Johann Gottlieb Gahn
Popularizou-se no início do século XX “o cavaleiro”, proposto no século XIX por Johann Gottlieb Gahn (1745-1818). Sobre uma escala (geralmente de 0 a 100, com divisões), montada acima do travessão da balança, depositava-se em suas cavidades um pequeno peso em forma de gancho (mais tarde passou a ser de formato cilíndrico), “o cavaleiro”. Os pontos de apoio das balanças passaram a ser, em geral, feitos de material polimérico (essencialmente baquelite), o qual transmite muito menos vibração da bancada à balança que os metais. Outra inovação foi a inclusão de sistemas de amortecimento dos pratos, que evitavam uma oscilação excessiva do instrumento, poupando as partes móveis de desgastes inúteis. A importância da balança nos laboratórios foi tamanha que livros específicos sobre seu uso e conservação foram editados.
Na virada para o século XX, a balança assumiu papel especial na Química Analítica Qualitativa, dada a introdução da microanálise (que emprega quantidade de substâncias cerca de 100 vezes menores do que na macroanálise) e reagentes de maior sensibilidade e confiabilidade, o que exigia o preparo de soluções com menores concentrações do analito de interesse.
A balança de um prato:
Erhart Mettler
As balanças de um prato ou eletromecânicas tornaram-se conhecidas somente a partir de 1946, quando Erhart Mettler (1917-2000) introduziu o primeiro modelo comercial prático no mercado científico. Nesse instrumento um dos pratos da balança e sua suspensão foram substituídos por um contrapeso.
A balança eletrônica:
A balança eletrônica elimina as operações de seleção e remoção de pesos, de liberação lenta do travessão e do suporte do prato, de anotação das leituras das escalas de pesos e da escala ótica, de retorno do travessão ao repouso e de recolocação dos pesos que foram removidos. A operação em uma única etapa permite a leitura, em um visor digital, da massa do objeto colocado no prato. A maior parte das balanças possui o recurso da tara, que permite compensar a massa do recipiente, permitindo a leitura direta da massa do material adicionado. Elas incorporam um sistema interno de calibração de pesos, recomenda-se comparar as leituras contra uma série de pesos calibrados. As balanças eletrônicas são de vários tipos, com leituras de escala indo desde 0,1 mg (macrobalança) até 0,1 µg (ultramicrobalança).
A microbalança:
A microbalança é uma subclasse das balanças digitais, o princípio de funcionamento de uma microbalança similar à balança eletrônica, é um instrumento capaz de medir as menores variações de massa. O primeiro modelo fabricado no Brasil, no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) e é capaz de detectar massas da ordem de 1 µg (10-6 g).
Informações
Massa: Medida da matéria contida em determinada região do espaço e portanto constante em qualquer parte do planeta ou fora dele.
Peso: Força com que qualquer massa é atraída para o centro de gravidade, é variável com a posição na superfície do planeta e com a distância deste, sendo também influenciável por fatores como magnetismo, velocidade, empuxo, efeito de temperatura, eletricidade estática.
Para a medida da massa dos reagentes e demais itens participantes dos inúmeros experimentos são utilizados as balanças de precisão (de uso geral) e as balanças analíticas:
Balanças de uso geral:
São as de uso mais comum num laboratório, apresentam o prato para colocação de amostras exposto, é recomendável que ele seja protegido por uma caixa, pois leves correntes de ar podem levar instabilidade ao valor lido ou induzir a um erro de leitura.
Balança de uso rotineiro, para medidas da ordem de centenas a 0,01g.
Balança Analítica:
Seu uso é mais restrito, especialmente na determinação de massas em análises químicas de determinação da quantidade absoluta ou quantidade relativa de um ou mais elementos de uma amostra, usualmente apresentam o prato para colocação de amostras protegido por portinholas de vidro corrediças, porque leves ou imperceptíveis correntes de ar podem levar instabilidade ao valor lido, ou até induzir a um grande erro de leitura. Devido à necessidade de extrema precisão das medidas efetuadas, as balanças analíticas devem ter salas específicas para sua manipulação, com condições ambientais controladas (temperatura, umidade), bem como observadas as condições da rede elétrica de fornecer voltagem dentro dos limites de tolerância especificados no manual de cada modelo. No comércio de produtos para laboratório encontra-se também a balança semi-analítica. A diferença entre a Balança Analítica e a Balança Semi-Analítica é o grau de precisão na hora da pesagem.
Uma Balança Analítica Digital pode pesar com precisão máxima de até quatro casas decimais (0,1 micrograma até 0,1 miligramas), enquanto a Balança Semi-Analítica pesa com precisão (centesimal) até 0,001g. Balança analítica, para medidas da ordem de gramas a 0,0001g (milesimal).
Classificação:
Quanto ao tipo, uma balança pode ser:
Analítica – Quando se destina à análise de determinada grandeza sob certas condições ambientais.
De Precisão – Quando seu mecanismo possui elevada sensibilidade de leitura e indicação.
Industrial – Quando se destina a medições de cargas muito pesadas.
Rodoviária – Quando se destina à medição do peso de veículos em trânsito.
As balanças analíticas e de precisão são mais utilizadas em laboratórios e indústria farmacêutica.
