Espectrofotometria UV-VIS PROF. DR. JÚLIO CÉSAR JOSÉ DA SILVA

Transcrição

1 Espectrofotometria UV-VIS QUÍMICA ANALÍTICA V ESTAGIÁRIA A DOCÊNCIA: FERNANDA CERQUEIRA M. FERREIRA PROF. DR. JÚLIO CÉSAR JOSÉ DA SILVA 1

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

3 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. 3

4 Conceitos Básicos Luz Matéria Diferentes substâncias interagem de forma diferente com a RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA 4

5 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) 5

6 Conceitos Básicos Características das Ondas 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 6

7 Conceitos Básicos Características das Ondas 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): 10 6 s -1 = 10 6 Hz = 10 MHz A velocidade (c) de propagação é dada por: c = λ.ν c vácuo = ms -1 = 3, ms -1 7

8 Conceitos Básicos Características das Ondas Ao mudar-se o meio de propagação, a frequência permanece constante, mas a velocidade não. 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 η vácuo = 1 η água = 1,33 η ar = 1, 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) 8

9 Conceitos Básicos Características das Ondas 9

10 Conceitos Básicos Características das Ondas 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, Js) 10

11 Conceitos Básicos O espectro eletromagnético cobre uma faixa enorme de energias (frequências) e, portanto, de comprimentos de onda; Observe que a parte visível, a qual nossos olhos respondem, é somente uma parte diminuta do espetro total 11

12 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. 12

13 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. 13

14 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. 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 14

15 Medidas Espectroscópicas Emissão de Fótons Menor energia da molécula Maior Energia da molécula 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. 15

16 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). Processos de Emissão 16

17 Medidas Espectroscópicas - Uma parte da radiação incidente pode ser absorvida e promover algumas das espécies do analito para um estado excitado; Processos de Absorção - Espectroscopia de absorção: mede-se a quantidade de luz absorvida em função do comprimento de onda (informações qualitativas e quantitativas da amostra). 17

18 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. 18

19 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. 19

20 Espectrofotometria UV-Vis - Luz Monocromática: Luz de comprimento de onda único. - Portanto, antes de ser irradiada sobre a amostra, o feixe de luz passa por um monocromador. - P 0 é a intensidade da radiação incidida e P é a intensidade da radiação transmitida. 20

21 Espectrofotometria UV-Vis 21

22 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. 22

23 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. 23

24 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. 24

25 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 25

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27 Exercícios Exercício 1) Uma solução 7, 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 KMnO 4. Exercício 2) Encontre a absorvância e a transmitância de uma substância substância a 0,0024 M, cujo ε é 313 M -1 cm -1, em uma célula de 2,0 cm de espessura. 27

28 Lei de Lambert-Beer 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. 28

29 Espectros de Absorção A absorção molecular nas regiões do ultravioleta e visível consiste em bandas de absorção constituídas por linhas próximas entre si. Níveis de Energia Eletrônicos Níveis de Energia Vibracional - 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. - Uma molécula real apresenta muito mais níveis energéticos que os mostrados; Uma banda de absorção típica consiste em um número muito grande de linhas. 29

30 Espectros de Absorção - (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 30

31 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. 31

32 Todas as moléculas absorvem radiação UV-Vis? 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. 32

33 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. 33

34 Todas as moléculas absorvem radiação UV-Vis? - É possível realizar reações de complexação para gerar moléculas que irão absorver radiação UV-Vis. 34

35 Exercícios Exercício 3) a) Uma solução preparada dissolvendo-se 25,8 mg de Benzeno(C 6 H 6 - 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 KMnO 4 tem uma absorbância máxima de 0.26 perto de 525 nm em uma célula de cm. Encontre a absortividade molar e a concentração de uma solução cuja absorvância é de 0,52 a 525 nm na mesma célula. 35

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