Aula 4 – Espectrometria Molecular UV-VIS

Julio C. J. Silva

Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) Instituto de Ciências Exatas

Depto. de Química

Juiz de For a, 2014

QUI 070 – Química Analítica V Análise Instrumental

Espectrometria de Absorção Molecular no Ultravioleta/Visível

• Região do espectro 160 – 780 nm

• Medidas de absorção da radiação UV-Vis ampla aplicação na quantificação de espécies inorgânicas e orgânicas

• Espectrometria UV-Vis Transmitãncia (T), Absorvância (A), Células transparentes, Caminho ótico (b)

• Concentração (c) relação linear com A

Transmitância

Po P

b

c

• Quando um feixe de radiação monocromática atravessa uma solução contendo uma espécie absorvente, uma parte dessa energia é absorvida, enquanto a outra é transmitida • Transmitância atenuação sofrida pelo feixe de radiação incidente • Absorvância depende do número de centros absorventes (concentração)

absorbância:

transmitância: 100 x %T ou

o o P

P

P

P T = =

log log log P

P

P

P T A o

o

= - = - =

feixe incidente, Po

feixe emergente, P

reflexão espalhamento

Medidas de Transmitância e Absorbância

P P

P

P A o

soluçã

solvente log log o

=

0 %T: realizado na ausência de radiação, compensar a corrente de escuro

100 %T: compensar absorbância do solvente

Distribuição Espectral

Transmitância ou Absorvância versus

Lei de Lambert-Beer • A quantidade de radiação monocromática absorvida por uma

amostra é descrita pela lei de Beer-Bernard-Bouguer-Lambert

• Bouguer e Lambert quando a energia é absorvida a energia transmitida decresce exponencialmente com o caminho ótico.

T = P/Po = 10-kb

LogT = logP/Po = -kb

• Beer e Bernard lei similar para a dependência da T com a concentração

T = P/Po = 10-kc

LogT = logP/Po = -kc

Lei de Lambert-Beer • Combinando as duas equações:

T = P/Po = 10-abc

LogT = logP/Po = -abc

• Como a A = -logT, temos:

A = -LogT

A = - LogT = logP/Po = abc

• A concentração é diretamente proporcional a concentração

• A constante “a” é chama de absortividade e é dependente do e da natureza do material absorvente

• a = coeficiente de absortividade (L g-1 cm-1)

• = coeficiente de absortividade molar (L mol-1 cm-1)

Lei de Lambert-Beer

Representação gráfica da Lei de Beer, para soluções de KMnO4 em l = 545 nm e um caminho óptico de 1 cm.

a) Em %Transmitância %T versus “c” b) Em Absorbância A versus “c”

• Desvios reais: • Lei de Beer é obedecida para soluções diluídas (C 0,01 mol L-1) conc. maiores ocorre interação entre as espécies absorventes: - espécies muito próximas - alteração na distribuição de cargas - alteração na capacidade de absorção • Soluções diluídas, com alta concentração de eletrólito inerte: - interações eletrostáticas - alteração no coeficiente de absortividade molar • Coeficiente de absortividade molar varia com o índice de refração da solução (soluções coloridas)

Limitações da Lei de Beer

• Desvios aparentes: • Causa física relacionados as limitações dos instrumentos:

- Faixa espectral isolada (radiação policromática) - Radiação estranha (espúria) - Instabilidade da fonte - Resposta não linear do detector

• Causa química -Associações e dissociações moleculares - Deslocamento de equilíbrios (ex. Cr2O7 e CrO4)

Limitações da Lei de Beer

desvio químico: ocorre devido à dissociação, reações com solvente

Desvio da Lei de Beer para solução não-tamponada de um indicador HIn

HIn H+ + In-

cor 1 cor 2

• ponto no qual duas espécies em equilíbrio químico possuem o mesmo coeficiente de absortividade molar

Ponto isosbéstico do azul de bromotimol (501 nm):

(A) pH 5,45 (B) pH 6,95 (C) pH 7,50 (D) pH 11,6

Ponto Isosbéstico

radiação espúria geralmente tem comprimento de onda muito

diferente do selecionado não é, portanto, absorvida pela solução

desvio instrumental: efeito da radiação espúria

Efeito da largura da fenda

• fendas mais estreitas: - melhor resolução - menor potência de radiação

vidro de didímio

Display

Ajuste de Zero

Ajuste de 100 %

Seleção de

Compartimento da cubeta

Instrumentos

Fonte de Radiação Espelho colimador

Rede de difração Detector

Cela de amostra

Instrumentos

Tipos de Instrumentos

• Figura – Diagrama de blocos de um espectrofotômetro

Todos os espectrofotômetros envolvem alguns componentes básicos

• Uma fonte de energia radiante

• Um dispositivo para isolar o de interesse (monocromador)

• Um módulo de recipiente para a amostra

• Um detector que converte a energia radiante em sinal elétrico

• Um dispositivo para medir a grandeza do sinal elétrico

Fonte de Energia radiante

• Deve gerar radiação contínua, estável na região do espectro e alta intensidade

• Lâmpada com filamento de tungstênio 350 a 750 nm (visível)

• Lâmpada de tungstênio-iodo (visível)

• Lâmpada de descarga de hidrogênio (U.V.) 185 a 375 nm

• Emissor de Nernst e oglobar (I.V.)

Fonte de Energia radiante

Monocromadores • Um monocromador consiste de:

– Lentes e espelhos focalizar a radiação

– Fendas de entrada e saída restringir radiações desnecessários

– Elementos de resolução separar o comprimento de onda de interesse (filtros, prismas, redes de difração)

Figura - Diagrama de um monocromador

Recipientes para a amostra

• Cubetas ou celas cilindricas devem apresentar características de transparência, forma e tamanho apropriado

- Plástico: região visível

– Vidro borossilicato: 380 –2000 nm

– Quartzo ou sílica fundida: região UV

Detectores

• Detector ideal:

– Alta sensibilidade

– Alta razão sinal/ruído

– Resposta constante para ampla faixa de

– Resposta rápida

– Sinal 0 na ausência de radiação (dark current)

Detectores • Células fotovoltáicas

• Células fotoelétricas

• Tubos fotomultiplicadores:

Registradores • Galvanômetros, Multímetro, Microamperímetro ou

Registrador

fotômetros: filtro (ou fonte radiação monocromática)

espectrofotômetros: monocromador (manual ou automático)

feixe simples: amostra e referência são alternadas

feixe duplo: compensa variações da fonte e detector

- mais complexo

multicanal (com arranjo de diodos):

- monocromador fixo

- detecção simultânea

- eletronicamente mais complexo

- radiação policromática é incida na amostra

(mínima fotodecomposição - medida rápida)

Tipos de Instrumentos

Espectrofotômetros Monocanais feixe simples

Espectrofotômetros Monocanais (duplo feixe)

Espectrofotômetros Multicanais (arranjo de fotodiodos)

amostra

fonte

fenda

arranjo de fotodiodos

rede côncava

Aplicações da Espectroscopia UV-VIS

• poucas aplicações em análises qualitativas

• importante em análises quantitativas

- compostos orgânicos e inorgânicos

- limite de detecção 10-4 - 10-5 mol L-1

- seletividade moderada a alta

- boas exatidão e precisão (1 - 3 %)

Determinação da Concentração:

• curva analítica: Absorbância x concentração

• método da adição de padrão

• titulação espectrofotométrica

• minimizar/eliminar o efeito de matriz

• adição de quantidades crescentes de padrão sobre a amostra

• NÃO melhora o limite de detecção

Método da Adição de Padrão

amostra sem adição

concentração da amostra

• Curva analítica

• Curva adição de padrão

Determinação da Concentração

Limite de detecção (LD): menor quantidade que pode ser detectada com razoável certeza para um dado procedimento analítico (IUPAC)

Determinação da Concentração

y = ybco + 3xSdbco em termos de sinal

LD = (Cbco + 3xSdbco)/S em termos concentração

LQ = (Cbco + 10xSdbco)/S em termos concentração

onde: LD = limite de detecção LQ = limite de quantificação (o INMETRO recomenda usar o primeiro ponto da curva analítica de calibração) y = menor sinal medido ybco = sinal do banco Cbco = concentração do branco (considerado = zero) Sdbco = desvio padrão do branco (n= 10 no mínimo) S = Sensibilidade (coef. angular da curva analítica (b))

Determinação de Misturas

• ’s devem ser conhecidos em

todos os comp. onda (’ e ’’)

• espécies independentes

(não existe interação)

• mais de duas espécies

A’ = ’M . b . cM + ’N . b . cN

A’’ = ’’M . b . cM + ’’N . b . cN

• Misturas (não há interação entre as espécies) • Quimiometria

• amostra, titulante ou produto que absorva radiação

• eventualmente pode ser usado um indicador

• modificação no espectrofotômetro para colocar a cela

de titulação (cilíndrica)

• presença de outras espécies absorventes podem não interferir

• não necessita de dados experimentais ao redor do ponto final

Titulação Espectrofotométrica

Titulação Espectrofotométrica

Referências

- Faria, L.C. Notas de Aula. Instituto de Química. UFG. 1995.

- D. A. SKOOG, F. J. HOLLER e T. A. NIEMAN – Princípios de Análise

Instrumental, 5a ed., Saunders, 2002.

- Junior, I.M.R. Notas de Aula. Instituto de Química. Unicamp. 2003.

- James N. Miller & Jane C. Miller. Statistics and Chemometrics for

Analytical Chemistry, fourth edition. Person Education.

- A. I. VOGEL - Análise Analítica Quantitativa, LTC, 6ª ed., Rio de Janeiro.

- D. A. SKOOG, D. M. WEST e F. J. HOLLER – Fundamentals of Analytical

Chemistry, 6a ed., Saunders, 1991.

- Galen W. Ewing. Métodos Instrumentais de Análise Química (Volume 1).

Editora Edgard Blücher/Ed. da Universida

Chemkeys : http://www.chemkeys.com/bra/index.htm

http://www.chemkeys.com/bra/index.htmhttp://www.chemkeys.com/bra/index.htmhttp://www.chemkeys.com/bra/index.htmhttp://www.chemkeys.com/bra/index.htmhttp://www.chemkeys.com/bra/index.htmhttp://www.chemkeys.com/bra/index.htmhttp://www.chemkeys.com/bra/index.htmhttp://www.chemkeys.com/bra/index.htmhttp://www.chemkeys.com/bra/index.htm