Aula 2 – Revisão Conceitos Fundamentais

Julio C. J. Silva

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

Depto. de Química

Juiz de For a, 2013

Tópicos em Métodos Espectroquímicos

Introdução a Métodos Óticos

– ESPECTROMETRIA principal classe dos métodos analíticos

“são baseados na interação da energia radiante com a matéria”

– São largamente usados devido aos compostos coloridos, instrumentação disponível e de fácil operação

– As medidas são feitas nas regiões do espectro: visível, ultravioleta e infravermelho

Introdução a Métodos Óticos 1) INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA COM A MATÉRIA

– Métodos espectrométricos a solução da amostra absorve radiação de uma fonte e a quantidade absorvida é relacionada com a concentração da espécie em solução

2) RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA (R.E.)

– A R.E. é uma forma de energia que se propaga no espaço como onda, a enorme velocidade e, em linha reta.

– A R.E. revela características ONDULATÓRIAS e CORPUSCULARES

– Os fenômenos óticos: interferência, refração, reflexão, etc. são descritos satisfatoriamente, considerando a R.E. como um movimento ondulatório.

Introdução a Métodos Óticos Porém... O movimento ondulatório falha na interpretação da

ABSORÇÃO e EMISSÃO da energia radiante

– Absorção e Emissão são descritos com o postulado de que a R.E. consiste de partículas discretas de energia (fótons ou quanta)

“onda = grande número de fotóns”

3) PROPRIEDADES ONDULATÓRIAS

– A R.E. pode ser considerada “uma forma de energia radiante que se propaga como uma onda”

– O movimento ondulatório é caracterizado por vários parâmetros: comprimento de onda (), freqüência (), velocidade (c) e amplitude (A)

Introdução a Métodos Óticos Parâmetros da Onda Eletromagnética

campo

magnético

campo

elétrico

E

M

radiação monocromática

plano polarizada

y

x

z

Introdução a Métodos Óticos – Comprimento de onda () é distancia linear entre dois máximos

ou mínimos de onda

– O tem diversas unidades: micrometros (µm), nanômetro (nm) e Ângstron (A)

– 1 µm = 10-6 m = 104 A = I.V. (I.R)

– 1 nm = 10-9 m = 10 A = Visível e U.V.

– 1 A = 10-10 m = 10-8 cm

– Obs.: o depende do meio onde a onda se propaga

Introdução a Métodos Óticos – Freqüência () é o número de oscilações do campo por segundo

– Unidade ( ): Hertz (Hz) ou ciclo/s

– Obs.: a freqüência é determinada pela fonte e se mantém invariante, independente do meio de propagação.

– velocidade (c) o produto da freqüência () pelo comprimento de onda dá a velocidade da radiação no meio.

c = .

– No vácuo a “c” de uma onda independe da freqüência e tem valor máximo:

– Cvácuo = 3 x 1010 cm/s = 300.000 Km/s

– Cmeio Cvácuo pela interação do campo magnético com a matéria (elétrons do meio)

Introdução a Métodos Óticos

• Sendo a invariante o deve diminuir quando a radiação (onda) passa do vácuo para um meio material

• O fator segundo o qual a velocidade é reduzida chama-se índice de refração (n):

n = Cvácuo /Cmeio

• Obs.: na análise espectroscópica o termo mais usado é o

Introdução a Métodos Óticos

Introdução a Métodos Óticos

4 )PROPRIEDADES ESPECTROSCÓPICAS

– Certas interações da R.E. com o meio material obrigou a tratar a R.E. como constituída de partículas de energia (fótons ou quanta)

– Quando a R.E. é absorvida ou emitida ocorre uma transferência de energia de um meio para outro.

– A energia de um fóton depende da freqüência da radiação:

E = h.

– Onde:

• E= energia em erg

• = freqüência em Hertz

• h = constante de Planck = 6,6256 x 10-27 ergs

– Em termos de :

– E = h.v v = c/ E = h.c/

– Portanto um fóton de alta freqüência (curto ) é mais energético do que um de baixa freqüência (longo )

Introdução a Métodos Óticos

5 ) ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO

• É um arranjo ordenado das radiações conforme seus comprimentos de onda

• O espectro é dividido em várias regiões, de acordo com: a origem das radiações, as fontes para sua produção e os sensores para detectá-las

Introdução a Métodos Óticos

The electromagnetic spectrum

Introdução a Métodos Óticos

Introdução a Métodos Óticos “Sempre que uma solução for colorida seu estará entre

400 e 700 nm”

Introdução a Métodos Óticos 6) INTERAÇÕES NÃO QUANTIZADAS DA R.E. COM A MATÉRIA

• Reflexão, refração e dispersão: são fenômenos que a química não determina (óticos)

• Refração:

• desvio da radiação quando passa (em ângulo) através da interface entre dois meios

transparentes com densidades diferentes devido à diferença de velocidades da radiação

nestes meios

• Lei de Snell

Introdução a Métodos Óticos 6) INTERAÇÕES NÃO QUANTIZADAS DA R.E. COM A MATÉRIA

• Refração:

Laser azul-verde incidindo em um cristal de ítrio-alumínio dopado com Er3+

Introdução a Métodos Óticos 6) INTERAÇÕES NÃO QUANTIZADAS DA R.E. COM A MATÉRIA

• Dispersão:

Introdução a Métodos Óticos 6) INTERAÇÕES NÃO QUANTIZADAS DA R.E. COM A MATÉRIA

• Difração:

Introdução a Métodos Óticos 6) INTERAÇÕES NÃO QUANTIZADAS DA R.E. COM A MATÉRIA

• Reflexão

Laser azul incidindo em um cristal de ítrio-alumínio dopado com Er3+

Introdução a Métodos Óticos 7) ABSORÇÃO DA R.E.

• A absorção da R.E. por um meio material é uma interação quantizada que depende da estrutura das espécies atômicas ou moleculares envolvidas

• Quando um feixe de radiação atravessa um meio material, seu vetor campo elétrico (E) atua sobre os átomos, moléculas e íons do meio e certas freqüências são seletivamente absorvidas

Introdução a Métodos Óticos 7) ABSORÇÃO DA R.E.

• A energia absorvida é fixada por átomos ou moléculas que, sofrendo excitação, passa do estado fundamental para um estado excitado (estado energético superior)

• Átomos, moléculas e íons possuem número limitado de níveis de energéticos

• Ex: Na11 = 1s2 2s2 2p6 3s1

• Para a absorção ocorrer o fóton excitador deve possuir uma energia apropriada:

h = E

Onde:

h = energia do fóton

E = Diferença de energia entre o estado fundamental e o estado excitado

• Retorno do elétron do estado excitado através de diferentes processos

Introdução a Métodos Óticos

Processos de Dispersão de Energia

Exemplo: Balanço Térmico (Efeito Estufa)

1) A TRANSPARÊNCIA DA ATMOSFERA

• A atmosfera é transparente aos comprimentos da luz visível. A camada de ozônio (O3) na atmosfera superior absorve muito da luz ultra-violeta.

2) O EFEITO ESTUFA

• Na atmosfera inferior, o CO2 e a H2O fazem com que a atmosfera seja opaca aos raios infra-vermelhos, e a radiação tem dificuldade em voltar ao espaço.

Balanço Térmico (Efeito Estufa)

Aurora Boreal

Introdução a Métodos Óticos 8) ABSORÇÃO ATÔMICA

– promoção de elétrons a estados de maior energia

– relativamente poucos estados excitados possíveis

– espectro de linhas

– As energiasno U.V. e visível são suficientes apenas para provocar

transições que envolvem elétrons externos

Introdução a Métodos Óticos 9) ABSORÇÃO MOLECULAR

– Compreende três tipos de energia: rotacional, vibracional e eletrônica

Et = Er + Ev + Ee

– Er associada a rotação da molécula em torno do seu núcleo de gravidade

“ocorrem em regiões de baixa energia (µ ondas e I.V.). A energia não é

suficiente para provocar outros tipos de transição”

– Ev associada a vibração dos átomos na molécula

“ocorrem na região do I.V. e são sempre acompanhadas de transições

rotacionais”

– Ee associada a distribuição dos elétrons em torno do núcleo do átomo

“ocorrem nas regiões entre 110 e 750 nm. São sempre acompanhadas das

outras transições”

Introdução a Métodos Óticos

Introdução a Métodos Óticos

Introdução a Métodos Óticos

Introdução a Métodos Óticos

Espectrometria 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

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

- http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:EM_spectrum.svg