espectroscopia molecular uv-visível
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FCVA/ UNESP JABOTICABAL
FUNDAMENTOS DA ESPECTROSCOPIA MOLECULAR UV-VISÍVEL
Profa. Dra. Luciana Maria Saran
1. Introdução
Espectroscopia é qualquer processo que utiliza a luz para medir as concentrações químicas. Baseia-se na análise da radiação eletromagnética emitida ou absorvida pelas substâncias.
Espectroscopia UV-Visível: baseia-se em medidas de absorção da radiação eletromagnética, nas regiões visível e ultravioleta do espectro.
Mede-se a quantidade de luz absorvida pela amostra e relaciona-se a mesma com a concentração do analito.
2. Radiação Eletromagnética
Consiste em campos elétrico e magnético oscilando, que atravessam o espaço vazio a 3,00x108 m s-1.
Figura 1. Radiação eletromagnética.
2. Radiação Eletromagnética
É composta por: raios X e , radiação ultravioleta (UV), radiação visível, infravermelho, microondas e ondas de rádio.
Propaga-se como uma onda. Grandezas relacionadas a uma onda:
- Freqüência, ; - Comprimento de onda, ; - Amplitude, A.
3. Características de uma Onda a) Freqüência (): corresponde ao número de ciclos de
onda (cristas ou vales sucessivos) que passam em um dado ponto por unidade de tempo. Unidade: hertz, s-1 (1 Hz = 1 ciclo por segundo).
b) Comprimento de onda (): é a distância entre cristas
sucessivas (ou vales sucessivos). Pode ser dado em metros (m), em nanômetros (nm) ou em qualquer unidade de comprimento que seja conveniente.
c) Amplitude (A): corresponde a altura de uma crista (ou a profundidade de um vale).
Figura 2. Ondas eletromagnéticas.
(a) Comprimento de onda () longo e baixa frequência ().
(b) Comprimento de onda ()
curto e alta frequência ().
(c) Mesmo comprimento de onda e mesma freqüência do que em (b), mas baixa amplitude.
4. Relações entre Energia (E), Frequência () e Comprimento de Onda ()
E = h. em que, h = 6,626x10-34 J.s (constante de Planck)
. = c em que, c = 2,998x108 m/s (velocidade da luz no vácuo)
E = h.c/ Destas equações conclui-se que:
- Energia Alta freqüência () alta e pequeno - Energia Baixa freqüência baixa () e grande
Segmento ampliado do Espectro Visível
Figura 3. Espectro eletromagnético.
Radiação Ultravioleta: é a radiação de frequência 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 frequência mais baixa e 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.
Figura 4. Decomposição da luz branca (policromática) nos seus componentes monocromáticos.
A absorção de radiação UV-Visível se deve ao fato das moléculas apresentarem elétrons que podem ser promovidos a níveis de energia mais elevados mediante a absorção de energia.
Em alguns casos a energia necessária é proporcionada pela radiação com comprimentos de onda no visível e o espectro de absorção estará na região visível.
Em outros casos, é necessária energia maior, associada à radiação ultravioleta.
5. Absorção de Luz
Figura 5. Espectro eletromagnético, mostrando os processos moleculares que ocorrem quando a luz é absorvida em cada região.
Um espectro de absorção é um gráfico mostrando como a absorbância, A (ou a absortividade, ) varia com o comprimento de onda, .
Figura 6. Espectros de absorção de alguns compostos orgânicos.
6. Espectros de Absorção
Figura 7. (a) Espectro visível projetado da luz branca, dicromato de potássio, azul de bromofenol e fenoltaleína (de cima para baixo). (b) Espectro de absorção visível dos mesmos compostos registrados com um espectrofotômetro.
6. Espectros de Absorção
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.
Objeto branco: reflete igualmente todos os comprimentos de onda.
Objeto preto: reflete pouca luz de qualquer comprimento de onda.
Se a luz vermelha for absorvida da luz branca, então a luz transmitida ou refletida será verde.
Entretanto, se a luz verde for removida, a luz que aparecerá será vermelha.
As cores vermelho e verde são cores complementares, ou seja, cada uma é a cor que permanece depois que a outra é removida.
Figura 8. Roda de cores.
Neste círculo de cores, as cores complementares entre si estão localizadas em posições opostas.
Comprimento de Onda de Máxima Absorção (nm)
Cor Absorvida
Cor Observada
380 – 420 Violeta Verde-amarelo
420 – 440 Violeta-azul Amarelo
440 – 470 Azul Laranja
470 – 500 Azul-verde Vermelho
500 – 520 Verde Roxo
520 – 550 Amarelo-verde
Violeta
550 – 580 Amarelo Violeta-azul
580 – 620 Laranja Azul
620 – 680 Vermelho Azul-verde
680 – 780 Roxo Verde
Tabela 1. Cores da Luz Visível.
Exercício 1. O íon Cr(II) em água, [Cr(H2O)6]2+, absorve
luz com comprimento de onda de 700 nm. Qual a cor da solução? Justifique.
7. Colorimetria
A base de uma análise colorimétrica é a variação de cor da solução em função da concentração do analito.
A cor da solução é, usualmente devida, à formação de um composto colorido pela adição de um reagente apropriado ou é inerente ao constituinte que se deseja analisar.
A intensidade da cor é comparada com a intensidade da cor que se obtém com o mesmo procedimento pelo tratamento de uma amostra cuja quantidade e concentração são conhecidas.
7. Colorimetria
Figura 9. Comparação de cor.
Exercício 2. Uma solução padrão de determinado corante orgânico exibe o espectro de absorção a seguir.
a) Considere a análise quantitativa deste composto, por espectrofotometria e especifique em que comprimento de onda você realizaria tal análise. Justifique sua resposta.
b) Especifique a cor predominante da luz absorvida e a cor da luz transmitida pela solução em questão. Justifique sua resposta.
400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Ab
so
rvâ
ncia
Comprimento de Onda (nm)
Fonte de Luz Amostra Detector
de Luz
Seletor de
(Monocromador)
P0 P
b
Figura 10. Diagrama esquemático de um experimento espectrofotométrico.
8. Lei de Beer-Lambert
No diagrama acima: - P0: radiação incidente; - P: radiação transmitida; - b ou l: passo óptico ou caminho óptico.
8. Lei de Beer-Lambert
Transmitância, T: fração da radiação incidente que é transmitida pela amostra.
T = P/P0 EQ. 1
A transmitância percentual ou porcentagem de transmitância é simplesmente 100T.
Absorvância ou Absorbância (A):
A = - log T EQ. 2 A = a.l.c EQ. 3
8. Lei de Beer-Lambert
Exercício 3. Qual o valor da absorbância correspondente à T = 45%? Se uma solução 0,01 mol/L exibe T = 45%, qual será a porcentagem de transmitância para uma solução do mesmo composto de concentração igual a 0,02 mol L-1.
Resp.: A = 0,346; %T = 20%
8. Lei de Beer-Lambert
A Eq. 3, conhecida como Lei de Beer-Lambert, é a equação fundamental da espectrofotometria e mostra que a absorvância é diretamente proporcional a concentração da espécie que absorve radiação de um dado .
A = a.l.c EQ. 3
Na EQ. 3: A: absorbância ou absorvância a: absortividade l: caminho óptico ou passo óptico c: concentração da espécie absorvente ou
analito.
8. Lei de Beer-Lambert
Na figura abaixo, a absorbância, como é evidenciado pela cor, é proporcional à concentração de ferro.
Figura 11. Balões volumétricos contendo [Fe(fenatrolina)3]2+ com
concentrações de Fe na faixa entre 1 mg L-1 (esquerda) até 10 mg L-1 (direita).
8. Lei de Beer-Lambert
A absortividade, a:
- Depende do comprimento de onda e da natureza do material absorvente.
- Pode ser expressa, por exemplo, em cm-1 g-1 L ou em cm-1 mol-1 L, dependendo das unidades da concentração, c.
- É expressa em cm-1 mol-1 L, quando a concentração,c, estiver em mol/L. Neste caso, a absortividade recebe o símbolo e é denominada absortividade molar ou coeficiente de absorção molar ou ainda, coeficiente de extinção molar (na literatura mais antiga).
8. Lei de Beer-Lambert
Exercício 4. 15 mg de um composto, que apresenta massa molar = 384,63 g mol-1, foram dissolvidas em água preparando-se 5,00 mL de solução. 1,00 mL dessa solução foi diluído à 10,0 mL.
a) Qual a concentração da solução preparada inicialmente? b) Qual a concentração da solução diluída do composto? c) Considerando que a solução diluída foi transferida para uma cubeta de 0,5 cm de caminho ótico e que a absorbância desta solução foi medida em = 495 nm, sendo A = 0,634, calcule a absortividade molar () do composto no
comprimento de onda em questão. Resp.: 7,80x10-3 mol L-1; 7,80x10-4 mol L-1 ;1626 cm-1 mol-1 L
Em espectrofotometria UV-visível, l é geralmente igual a 1,00 cm.
Um gráfico de A versus c fornece uma reta. A inclinação desta reta corresponde a absortividade do analito, num dado . Esse gráfico é denominado curva analítica ou curva de calibração.
Canalito (mol L-1)
A
)
Curva Analítica ou
Curva de Calibração
Quanto maior a absortividade
molar () maior a absorvância.
8. Lei de Beer-Lambert (Desvios)
A lei de Beer descreve o comportamento da absorção
apenas para soluções diluídas.
Em concentrações acima de 0,01 mol L-1, haverá
desvios da relação linear entre a absorvância e a
concentração.
Ocorrem desvios quando o soluto colorido ioniza-se
dissocia-se ou se associa em solução.
Altas concentrações de eletrólitos leva a um
afastamento da lei de Beer.
Ocorrem discrepâncias quando a luz usada não é
monocromática.
9. Instrumentação
O instrumento necessário para uma análise espectrofométrica é o Espectrofotômetro.
As partes essenciais de um espectrofotômetro são:
- Fonte de energia;
- Monocromador;
- Células (ou cubetas) de vidro, ou de quartzo, para o branco e para a amostra;
- Detector.
Espectrofotômetro
P0 P
Cubeta contendo a amostra
9. Funcionamento do Espectrofotômetro
A luz proveniente de uma fonte contínua passa por um monocromador, que seleciona uma estreita faixa de comprimentos de onda do feixe incidente. Essa luz “monocromática” passa pela amostra de comprimento b, e a energia radiante da luz emergente é medida (vide diagrama abaixo).
Fonte de Luz Seletor de
(Monocromador) Amostra
Detector de Luz
P0 P
l
Figura 12. Diagrama esquemático de um experimento espectrofotométrico.
Figura 13. Espectrofotômetro modelo Spectronic 20.
Espectrofotômetro de feixe simples.
Espectrofotômetro para a Região Visível
Figura 14. Espectrofotômetro Varian Cary 3E Ultravioleta-Visível. Espectrofotômetro de Feixe Duplo.
Espectrofotômetro para as Regiões UV-Visível
Fontes de Radiação
Lâmpada de Deutério (: 160 – 380 nm)
Lâmpada de Tungstênio (: 350 – 2200 nm)
Células ou Cubetas
Compartimento para a Amostra
10. Precauções
Para uma análise espectrofotométrica, geralmente escolhe-se o comprimento de máxima absorvância (max). Justificativa: a sensibilidade da análise é maior na absorvância máxima.
É desejável ajustar a concentração da amostra de forma que a sua absorvância fique dentro seguinte faixa: 0,4 A 0,9; pois a maioria dos espectrofotômetros exibe o mínimo de incerteza dentro desse intervalo.
O local da amostra deve estar vedado à luz. Todos os recipientes devem ser cobertos para impedir a entrada de poeira, pois o pó dispersa a luz.
10. Precauções
O manuseio das cubetas deve ser feito com um tecido, para impedir que as pontas dos dedos entrem em contato com as faces.
Mantenha os dedos longe das faces limpas da cubeta, pois as impressões digitais dispersam e absorvem a luz.
Para leituras precisas, é importante posicionar a cubeta no espectrofotômetro da maneira mais reprodutível possível. Justificativa: uma variação aleatória na absorvância surge de pequenas diferenças da posição da cubeta no seu suporte.
11. Aplicações na análise de amostras de interesse agronômico
Determinação dos teores de fósforo e de matéria orgânica em amostras de solo.
Determinação dos teores de N, P, Mo, Cu, Fe e Al em amostras de tecido vegetal. Determinação dos teores de P, B, Zn e Mn, entre outros elementos, em amostras de fertilizantes.