Espectrofotometria UV-VIS

QUÍMICA ANALÍTICA V

ESTAGIÁRIA A DOCÊNCIA: FERNANDA CERQUEIRA M. FERREIRA

PROF. DR. JÚLIO CÉSAR JOSÉ DA SILVA

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Conceitos Básicos Espectroscopia: É o estudo de sistemas físicos pela radiação eletromagnética com a qual eles interagem ou que eles produzem;

Espectrometria: É a medida de tais radiações como um meio de obter informações sobre os sistemas e seus componentes;

Espectrofotometria: É o tipo de espectrometria que mede as intensidades das radiações emitidas ou absorvidas pelos sistemas em análise.

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IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, Gold Book, 2012.

Conceitos Básicos

Os métodos espectroscópicos podem ser classificados de acordo com a região do espectro eletromagnético envolvida na medida.

As regiões espectrais que têm sido empregadas incluem os raios γ, os raios X, ultravioleta (UV), visível, infravermelha (IV), microondas e radiofreqüência (RF).

Os métodos espectroquímicos têm provido ferramentas amplamente empregadas para a elucidação de estruturas moleculares, bem como na determinação qualitativa e quantitativa de compostos orgânicos e inorgânicos.

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Conceitos Básicos

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Luz Matéria Diferentes substâncias interagem de

forma diferente com a RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

Conceitos Básicos A radiação eletromagnética é uma forma de energia que é transmitida através do espaço a grandes velocidades.

Quando se lida com fenômenos como a reflexão, refração, interferência e difração, a radiação eletromagnética é modelada de forma conveniente como ondas constituídas de um campo elétrico e um campo magnético oscilantes e perpendiculares entre si. (a)

O campo elétrico para uma dada frequência oscila de forma senoidal no espaço e no tempo, como exposto. (b)

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Conceitos Básicos

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Amplitude (A) de uma onda é uma quantidade vetorial que fornece a medida da intensidade do campo elétrico ou magnético no ponto de máximo da onda.

Comprimento de onda (λ) é a distância linear entre dois máximos ou mínimos sucessivos de uma onda.

Período (p) é o tempo em segundos necessário para a passagem de dois máximos sucessivos ou dois mínimos por um ponto fixo no espaço

• Características das Ondas

Conceitos Básicos

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Frequência (ν) é o número de oscilações do vetor campo elétrico por unidade de tempo e é igual a 1/p. Uma oscilação por segundo é chamada de um Hertz (1Hz):

106 s-1 = 106 Hz = 10 MHz

A velocidade (c) de propagação é dada por:

c = λ.ν

cvácuo = 299.792.458 ms-1 = 3,00 108 ms-1

• Características das Ondas

Conceitos Básicos

Ao mudar-se o meio de propagação, a frequência permanece constante, mas a velocidade não.

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O índice de refração (η) de um meio mede a extensão da interação entre a radiação eletromagnética e o meio através do qual ela passa

Ele é definido como: η = c/ν ηvácuo = 1 ηágua = 1,33 ηar = 1,000293

Em um meio contendo matéria, a luz move-se com velocidades menores por causa da interação entre o campo eletromagnético e os elétrons dos átomos ou moléculas do meio. Uma vez que a frequência da radiação é constante, o comprimento de onda deve diminuir quando a luz passa do vácuo para um meio contendo matéria (c = λ.ν)

• Características das Ondas

Conceitos Básicos

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• Características das Ondas

Conceitos Básicos

Em muitas interações entre radiação e matéria, é mais útil considerar a luz como constituída por fótons.

Podemos relacionar a energia de um fóton com seu comprimento de onda e frequência através da seguinte equação:

E = hν = hc/λ

Onde h é a Constante de Planck (h = 6,63 10-34 Js)

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• Características das Ondas

Conceitos Básicos

O espectro eletromagnético cobre uma faixa enorme de energias (frequências) e, portanto, de comprimentos de onda;

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Observe que a parte visível, a qual nossos olhos respondem, é somente uma parte diminuta do

espetro total

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Radiação Ultravioleta: é a radiação de freqüência mais alta do que a da luz violeta. Seu comprimento de onda é inferior a 400 nm.

Radiação Infravermelha: é a radiação que conhecemos como calor, tem uma freqüência mais baixa e um comprimento de onda maior do que a luz vermelha. Seu comprimento de onda é maior do que 800 nm.

Radiação Visível: é aquela que os nossos olhos enxergam, ou seja, corresponde a radiação eletromagnética com comprimentos de onda no intervalo de 400 à 800 nm.

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Na figura abaixo: regiões do espectro eletromagnético que são empregadas em análises espectroscópicas. Também estão expostos os tipos de transições atômicas e moleculares que resultam das interações da radiação com a amostra.

A radiação de baixa energia empregada na ressonância nuclear magnética (RNM) e ressonância de spin eletrônica (RSE) causam alterações sutis, tais como mudanças de spin; a radiação de alta energia empregada na espectroscopia de raios γ pode produzir efeitos muito mais drásticos, como alterações na configuração nuclear.

Medidas Espectroscópicas Empregam-se as interações da radiação com a matéria para obter informações sobre uma amostra.

A amostra é estimulada de alguma forma, aplicando-se energia na forma de calor, energia elétrica, luz, partículas ou por uma reação química.

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Antes de se aplicar o estímulo

• O analito se encontra predominantemente em seu estado de energia mais baixo ou estado fundamental

Depois de aplicar o estímulo

• Algumas das espécies do analito sofrem uma transição para um estado de maior energia ou estado excitado

Medidas Espectroscópicas

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Maior Energia da molécula

Menor energia da molécula

Emissão de

Fótons

Absorção de

Fótons

Obtêm-se informações sobre o analito medindo-se a radiação eletromagnética emitida quando este retorna ao estado

fundamental ou a quantidade de radiação eletromagnética absorvida decorrente da

excitação.

Medidas Espectroscópicas

- Amostra é estimulada;

- Antes do estímulo, o analito se encontra no estado fundamental (menor energia);

- Estímulo faz com que espécies do analito sofram uma transição para um estado excitado (maior energia);

- Resultados expressos através de um espectro (gráfico).

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Processos de Emissão

Medidas Espectroscópicas - Uma parte da radiação incidente pode ser absorvida e promover algumas das espécies do analito para um estado excitado;

- Espectroscopia de absorção: mede-se a quantidade de luz absorvida em função do comprimento de onda (informações qualitativas e quantitativas da amostra).

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Processos de Absorção

Medidas Espectroscópicas Espectroscopia de fotoluminescência: a emissão de fótons é medida após a absorção (fluorescência e fosforescência)

Foco: Espectroscopia de absorção na região UV/Visível: largamente empregada em química, biologia, ciências forenses, engenharia, análises clínicas, dentre muitos outros campos.

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Espectrofotometria UV-Vis Quando a radiação é absorvida por uma amostra, há uma diminuição na intensidade do feixe incidente;

Esta diminuição é dependente da natureza da amostra, assim como da concentração do analito;

O campo elétrico das radiações eletromagnéticas interage com átomos, moléculas e íons da amostra de certa forma que alguns comprimentos de onda são seletivamente absorvidos;

Por isso, isso, a espectroscopia pode ser utilizada como uma ferramenta qualitativa ou quantitativa.

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Espectrofotometria UV-Vis

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- Luz Monocromática: Luz de comprimento de onda único.

- Portanto, antes de ser irradiada sobre a amostra, o feixe de luz passa por um monocromador.

- P0 é a intensidade da radiação incidida e P é a intensidade da radiação transmitida.

Espectrofotometria UV-Vis

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Espectrofotometria UV-Vis - Perdas por reflexão ou espalhamento podem ocorrer nas paredes das células, podem ser perdas substanciais;

- A luz pode também ser espalhada em todas as direções a partir da superfície de moléculas grandes ou de partículas (como poeira) presentes no solvente, e esse espalhamento pode causar uma atenuação adicional do feixe quando este passa através da solução;

- Para compensar para esses efeitos: uso do branco (potência que atravessa uma célula contendo somente o solvente ou o branco dos reagentes);

- Cubeta deve estar sempre limpa e ser constituída de material que não absorva na faixa de trabalho do UV-Vis.

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Lei de Lambert-Beer De acordo com a lei de Beer, a absorvância é diretamente proporcional à concentração da substância absorvente (c) e também ao caminho óptico (b)

b: distância percorrida pelo feixe.

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Lei de Lambert-Beer A = ε.b.C

b é o caminho óptico, cm

c é a concentração do analito, mol L-1

ε é a absortividade molar, L mol-1 cm-1

Intrínseco a cada substância e possui valores diferentes para diferentes comprimentos de onda.

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Lei de Lambert-Beer Lei de Beer:

- Determinação da absortividade molar das substâncias

- Determinação da concentração

As absortividades podem variar de acordo com:

- Solvente

- Composição da solução

- Temperatura

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Exercícios Exercício 1) Uma solução 7,25 10-5 mol L-1 de permanganato de potássio apresenta uma transmitância de 44,1% quando medida em uma célula de 2,10 cm no comprimento de onda de 525 nm. Calcule (a) a absorbância dessa solução; (b) a absortividade molar do KMnO4.

Exercício 2) Encontre a absorvância e a transmitância de uma substância substância a 0,0024 M, cujo ε é 313 M-1cm-1, em uma célula de 2,0 cm de espessura.

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A interação linear entre absorvância e concentração só é válida para radiações monocromáticas.

A lei de Beer é válida apenas para soluções diluídas (≤0,01mol L-1).

Em altas concentrações a distância média entre as moléculas ou íons responsáveis pela absorção é pequena, de forma que cada partícula afeta na distribuição de carga da partícula vizinha.

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Lei de Lambert-Beer

Espectros de Absorção A absorção molecular nas regiões do ultravioleta e visível consiste em bandas de absorção constituídas por linhas próximas entre si.

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Níveis de Energia Vibracional

Níveis de Energia Eletrônicos

- Uma molécula real apresenta muito mais níveis energéticos que os mostrados; Uma banda de absorção típica consiste em um número muito grande de linhas.

- Uma transição eletrônica envolve a transferência de um elétron de um orbital para outro. Tanto os átomos (orbitais atômicos) como as moléculas (orbitais moleculares) podem sofrer esse tipo de transição. - As transições vibracionais e rotacionais ocorrem em espécies poliatômicas porque somente essas espécies possuem estados vibracionais e rotacionais com diferentes

energias.

Espectros de Absorção

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- (a): As moléculas individuais da tetrazina estão suficientemente separadas umas das outras para vibrarem e girarem livremente. Portanto, muitas linhas em razão das transições eletrônicas, vibracionais e rotacionais são distinguíveis. - (b) e (c): No estado líquido, e em solução, as moléculas da tetrazina não conseguem girar livremente, assim, não vemos uma estrutura fina no

espectro.

Moléculas de água causam uma modificação energética irregular nos níveis vibracionais espectro com o formato de uma banda única e larga

Colorimetria - A percepção visual da cor depende da absorção seletiva de certos comprimentos de onda da luz incidente pelo objeto colorido.

- Os demais comprimentos de onda são refletidos ou transmitidos de acordo com a natureza do objeto e são percebidos pelo olho como a cor do objeto.

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Todas as moléculas absorvem radiação UV-Vis?

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Para que uma molécula absorva radiação UV-Vis é preciso que haja na molécula a presença de um grupo Cromóforo.

• Grupos Cromóforos: São os grupos funcionais com absorção característica na região do ultravioleta ou do visível.

Todas as moléculas absorvem radiação UV-Vis?

A molécula de Aspartame possui vários grupos cromóforos e por isso é capaz de absorver diversos comprimentos de onda na região do UV.

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Todas as moléculas absorvem radiação UV-Vis?

- É possível realizar reações de complexação para gerar moléculas que irão absorver radiação UV-Vis.

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Exercícios Exercício 3) a) Uma solução preparada dissolvendo-se 25,8 mg de Benzeno(C6H6 - PM 78,11) em Hexano e diluindo-se a 250,0 mL tem um pico de absorção em 256 nm e uma absorbância de 0,266 numa célula de 1,000 cm. Encontre a absortividade molar do Benzeno neste comprimento de onda.

b) Uma amostra de Hexano contaminada com Benzeno tem absorvância de 0,070 em 256nm em uma célula de 5,000 cm. Qual a concentração de benzeno em mg L-1?

Exercício 4) 0.10 mM KMnO4 tem uma absorbância máxima de 0.26 perto de 525 nm em uma célula de 1.000 cm. Encontre a absortividade molar e a concentração de uma solução cuja absorvância é de 0,52 a 525 nm na mesma célula.

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Continua...