QUÍMICA ANALÍTICA FUNDAMENTOS ANÁLISES ESPECTROFOTOMÉTRICA

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1 QUÍMICA ANALÍTICA FUNDAMENTOS ANÁLISES ESPECTROFOTOMÉTRICA Prof.a. Dra. Renata P. Herrera Brandelero Dois Vizinhos 2012

2 Bibliografias 1. SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, Fundamentos de Química Analítica, Tradução da 8ª Edição norte-americana, Editora Thomson, São Paulo-SP, VOGEL, Análise Química Quantitativa, 6ª Edição, LTC Editora, Rio de Janeiro-RJ, HARRIS, DANIEL C., Análise Química Quantitativa, 6ª Edição, LTC-Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., Rio de Janeiro-RJ, CHRISTIAN, G. D., Analytical Chemistry, Fifth Edition, Jhon Wiley & Sons, Inc., New York-EUA, SKOOG, HOLLER, NIEMAN, Princípios de Análise Instrumental, 5ª Edição, Editora Bookman, São Paulo-SP, 2002.

3 MÉTODOS ÓPTICOS (ou Espectrofotométricos) São métodos que tem como principio determinar as alterações que ocorrer quando a matéria (prótons, neutros e elétrons) interage com a energia radiante. Aplicações: na área de ciência agrárias são inúmeras as aplicações para os métodos, cito algumas: -Determinação do P, K, Ca e Mg entre outros metais em solos e em águas. -Análise de fertilizantes. -Determinação do teor de açúcar em extratos de plantas. -Determinação de metais pesados em água. -Determinação de pigmentos (antocianinas). Professor, Palestrante: BRANDELERO, R. P. H. COAGRI, PROGRAD, Slide: 00/00

4 Radiação Eletromagnética RADIAÇÕES DE INTERESSE EM ANALÍTICA

5 Radiação Eletromagnética A radiação eletromagnética é formada por partículas como fótons. Estas partículas embora corpusculares propagam-se no espaço como se fossem uma onda, assumindo comportamento ondulatório. Podem ser classificadas como não-ionizantes (luz, microondas, radiofrequência, infravermelh o) e ionizantes (ultra violeta, raio X e raios gama).

6 Radiação Eletromagnética A radiação eletromagnética pode ser descrita como uma onda, assim ela é caracterizada pela freqüência, amplitude e pelo comprimento de onda. A onda eletromagnética é mais veloz que as ondas sonoras e não necessita de um meio material para propagação. A onda eletromagnética é composta por dois tipos de onda: elétrica e magnética.

7 Radiação Eletromagnética Comprimento de onda: é a distância entre dois máximos ou mínimos sucessivos. É representada pelo letra grega λ (lambda)

8 OUTRAS DEFINIÇÕES FREQUÊNCIA DE ONDA -É o número de oscilação da onda em determinado intervalo de tempo, é representada pela letra, pode ser definida como o inverso do período. A freqüência não altera-se quando passa por um meio material, mas a velocidade da onda é alterada, assim a velocidade depende do comprimento de onda. A velocidade é dada por: V = f.λ V=velocidade da onda dada em cm s -1 ou m s -1. f= freqüência (1/s). λ=comprimento de onda (cm ou m).

9 O comprimento de onda modifica-se conforme o meio por onde a radiação penetra.

10 Radiação Eletromagnética A energia da radiação pode ser medida pela potência radiante (P) que é dada em watts. A energia pode ser calculada utilizando a seguinte equação: E=hʋ, onde h é a constante de Planck (6.626 x ) e f=frequência. Como fλ=v, sendo que V=c, onde c é a velocidade da luz (2,998 x 10 8 m/s). c = fλ ou f=c/λ, assim temos: E=h c λ A partir desta equação podemos concluir que a energia da radiação é proporcional ao comprimento de onda

11 Calcule a energia em joules de um fóton de uma radiação no infravermelho com comprimento de onda de 5,00 µm. Constante de Planck h=6,63x10-34 j.s e velocidade de luz no vácuo 3,00x10 8 m.s -1 Usando a equação que correlaciona energia e comprimento de onda, temos: E = 6,63x10-34 j.s x 3,00 x cm.s -1 x cm E= 3,98x10-22 j

12 Comprimento de onda e radiação eletromagnética

13 A luz visível é composta de partículas de energia chamada de fótons, os fótons interagem com a matéria. Quando os fótons colidem com os elétrons ocorre uma transferência de energia radiante para os mesmos excitando-os para um nível maior de energia, neste caso o elétron é chamado de excitado. O efeito dos fótons sobre a matéria é conhecido como fotoionização, sendo estes o processo responsável pela transição eletrônica que fundamenta a absorciometria.

14 Transição eletrônica A energia é absorvida pelo elétron no estado fundamental E 0, elevando o elétron para o nível E 1 sempre que a energia absorvida for igual a diferença entre o nível E o e E 1. Após, os elétrons voltam ao estado fundamental (E o ) liberando uma quantidade menor de energia absorvida.

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16 ABSORÇÃO DA LUZ PELA CLOROFILA processo fundamental para a realização da fotossíntese. Espectro de absorção no UV-VIs

17 Absorção de Luz Como vimos a luz pode interagir com a matéria, assim podemos dizer que quando os elétrons são excitados pela radiação uma quantidade específica de energia (igual a diferença energética entre os níveis eletrônicos) ou de radiação foi absorvida. Podemos dizer que a energia de radiação ao atravessar matéria é atenuada, a atenuação da energia pode ser quantificada.

18 Absorção de Luz A atenuação da radiação, também chamada de absorção da radiação pode ser quantificada pela Lei de Beer-Lambert. " A intensidade de um feixe de luz monocromático decresce exponencialmente à medida que a concentração da substância absorvente aumenta aritmeticamente ". P=P o.10 kc Onde: P intensidade de radiação atenuada, PIo intensidade de radiação original, k coeficiente de absorção e c concentração da espécie absorvente

19 Absorção da luz Pode-se escrever a Lei de Beer em função da potência de radiação (P), assim T = P P 0 Onde T é chamado de transmitância e consiste na fração de luz que passa pela amostra. P é a potencia de radiação atenuada e Po é potência de radiação original radiada pela fonte. Matematicamente os valores de T estão entre 0 a 1. A transmitância percentual é 100T e está entre 0 e 100%.

20 Absorção da Luz A absorbância é definida como a quantidade de luz que a amostra absorveu, sendo representada por A. A absorbância é o inverso do logarítmico da transmitância e pode ser definida como: P A= log o = logt P

21 Associando a lei de potencia radiante com a de intensidade de radiação E P=P o.10 kc Absorção da Luz Po A= log = logt P Podemos chegar numa relação onde - logt=kc, fazendo k=ε.b, podemos escrever a seguinte equação A =ε. bc. (equação geral de absorciometria) onde ε =absortividade molar (mol.cm -1 )e b=caminho óptico (cm)

22 Quando nenhuma luz é absorvida A=0, pois P o = P e log de 1 é zero. Se 90% da luz é absorvida isto significa que a T=10% e A=- log 0,10, A=1. Se 1% da luz é transmitida, A=- log 0,01, então A=2. A absorbância é muito importante porque ela é proporcional aos centros de absorção, ou seja à concentração (c) da substância absorvente. Esta relação entre A e c é base para diferentes métodos analíticos.

23 A absortividade molar ε (épsilon) é uma característica da substância absorvente, e indica qual a quantidade de luz (por mol) que é absorvida num determinado comprimento de onda pela substância absorvente. O valor de ε muda conforme o comprimento de onda assim a absorbância (A) também altera com o comprimento de onda. Qualquer substância que absorva luz é chamada de cromóforo, ou seja, uma substância absorvente é colorida quando a luz branca (composta de todas as cores) passa através dela, assim a cor que visualizamos na solução é o reflexo dos comprimentos de onda transmitidos, ou seja, a luz branca subtraída dos comprimentos de onda absorvidos, a cor complementar da radiação é o que visualizamos.

24 Lei de Beer-Lambert - Soluções químicas absorventes

25 O caminho óptico é representado por b, corresponde a distância que luz percorre através da amostra. Nas análises o caminho óptico é padronizado, geralmente, igual a 1cm. No métodos de absorção da luz visível/uv utiliza-se as cubetas para padronizar o caminho óptico.

26 Comportamento conforme a Lei de Beer-Lambert SEMPRE QUE FOR POSSÍVEL ESTABELECER UM COMPORTAMENTO LINEAR, COM A RETA PASSANDO PELO ZERO, ENTRE A ABSORBÂNCIA E A CONCENTRAÇÃO DO ANALITO A LEI DE BEER-LAMBERT ESTÁ SENDO OBDECIDA.

27 Limitações da Lei de Beer A lei de Beer-Lambert estabelece que a absorção é proporcional á concentração da substância absorvente. Realmente só pode ser aplica para radiações monocromáticas e quando as soluções estão bastante diluídas (0,01M). A lei de Beer pode sofrer desvios químicos e instrumentais.

28 Desvios químicos - Sempre que a absortividade altera durante a análise por fatores como dissociação, associação ou reação do analito com o solvente, a lei de Beer não pode ser aplicada. Em soluções concentradas as moléculas do soluto ficam muito perto uma das outras e podem interagir alterando a energia absorvida para realizar as transições eletrônicas, o soluto torna-se solvente, nestas condições ocorre desvios da lei de Beer. Valores de absorção entre 0,2 e 0,8 são ideais para evitar os desvios da Lei de Beer-Lambert.

29 Desvios Instrumentais relacionado com a seleção do comprimento de onda da radiação monocromática desejada.uma vez que a absortividade molar é influenciada pelo comprimento de onda. Assim um radiação que não é monocromática não segue a lei A=εbc, uma vez que o valor de ε não é igual em comprimento de onda diferentes. Assim deve utilizar a faixa de comprimento de onda que leva a menor variação na absortividade molar, ou seja a região de maior absorbância para a espécie a ser analisada.

30 Região de menor variação da A com λ

31 Átomos e moléculas podem absorver ou emitir a radiação eletromagnética. O princípio está na capacidade dos elétrons excitarem-se e realizar as transições eletrônicas. A energia atenuada pode ser medida e correlacionada com a concentração dos átomos e moléculas pela lei de Beer-Lambert. As moléculas podem ainda realizar transições vibracionais e rotacionais, também atenuando a radiação de uma fonte.

32 Transição eletrônica

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36 Espectrometria de absorção molecular no Visível e UV Faixa de trabalho UV: nm Faixa de trabalho Visível: nm. Abaixo de 200 nm quase todas as moléculas orgânicas absorvem. Absorção no UV-visível: presença de cromóforos. Cromóforos: grupos funcionais que absorvem radiação eletromagnética na faixa de trabalho utilizada.

37 Espectrometria de absorção molecular no Visível e UV Centos absorventes elétrons de ligações do tipo σ-σ necessitam de muita energia para a transição eletrônica, só na UV abaixo de 180 nm oa vácuo. Já elétrons do tipo π são fáceis de migrar para orbitais mais energéticos, assim transições do tipo π π ou π- σ, assim substâncias orgânicas insaturadas são bons cromóforos. Substâncias orgânicas com heteroátomos como oxigênio, hidrogênio e halogênios apresentam elétrons não ligantes que podem ser facilmente excitados ( nm). Substâncias iônicas e complexos absorvem radiação UV-VIS sempre que os elétrons migrarem para orbitais d não preenchidos. Complexos realizam absorção na radiação VIS e UV por transferência de carga (reações de oxidoredução).

38 EQUIPAMENTOS PARA ANÁLISE NO UV-VIS Os espectrofotômetros são equipamentos que possibilitam a análise da absorção no UV-VIS, são compostos dos seguintes componentes: fontes, seletores de comprimento de onda (monocromadores), cubetas, detector, processador e leitor de saída (digital ou analógico).

39 Espectrofotômetros EVOLUÇÃO DOS ESPECTROFOTÔMETROS

40 FONTES As fontes são lâmpadas que emitem radiações na faixa do visível e na faixa do UV. Lâmpadas na faixa do visível são as de filamento de tungstênio que emite radiação de cor branca (400 a 760 nm). Lâmpadas na faixa do UV são as de filamento de deutério e emitem radiação na faixa de 200 a 400 nm.

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42 Recipientes para amostras As amostras podem ser alojadas em cubetas que podem ser de acrílico, vidro ou quartzo. O material da cubeta não deve sofrer absorção na faixa espectral utilizada na técnica analítica. Podemos classificar o uso da seguinte forma: acrílico e Podemos classificar o uso da seguinte forma: acrílico e vidro (glass) para análises no VIS e as de quartzo para análise no UV. O caminho (valor de b) óptico do feixe de radiação é padronizado em 1 cm.

43 Monocromadores UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

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45 Assista ao vídeo sobre o funcionamento do espectrofotômetro, acessando o link:

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47 Os fototubos e os fotomultiplicadores são utilizados nos fotômetros e espectrofotômetros

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49 Método Qualitativo O método é qualitativo quando conseguimos expressar a absorbância em relação á concentração do analito. Para tal é necessário respeitar um protocolo de análise, neste protocolo alguns pontos devem ser bem definidos, tais como: oanalito (substância a ser analisada) deve ser um bom cromóforo; osolvente (considerado branco deve ser transparente ao comprimento de onda); oo equipamento deve ser calibrado para transmitância igual a zero antes da leitura, utiliza-se um branco que pode ser um solvente ou água destilada (a água sofre absorção em comprimentos de onda abaixo de 180 nm) oo comprimento de onda utilizado deve o de máxima absorção. odeve estabelecer um curva padrão que mostre que o analito comporta-se em conformidade com a Lei de Beer-Lambert.

50 CURVA PADRÃO Soluções de diferentes concentrações resultaram nos dados de absorbância abaixo,a partir destes dados, responda: - O sistema de análise segue a Lei de Beer-Lambert (construa a curva padrão). - Qual o valor da absortividade específica do composto (0,031mg%.cm -1 ). - Se um amostra apresentar absorbância igual a 0,097 qual a concentração do analito em mg%. (3,19 mg%)

51 Curva padrão apresenta relação linear entre absorbância e concentração

52 Questionário: 1. Por que uma solução de Cu(NH 3 ) 4 2+ é azul? 2. Qual é a relação entre (a) absorbância e transmitância? (b) (b) absortividade a e absortividade molar? 3. Calcule a freqüência em hertz de (a) um feixe de raios X com comprimento de onda igual a 2,97 Å. (b) uma linha de emissão do cobre a 324,7 nm. (c) a linha a 632,8 nm produzida pelo laser de He-Ne. (d) a saída de um laser de CO2 a 10,6 mm. (e) um pico de absorção infravermelho a 3,75 mm. (f ) um feixe de microondas de 1,86 cm. 3. Expresse as seguintes absorbâncias em termos de porcentagem de transmitância: (a) 0,0350 (b) 0,936 (c) 0,310 (d) 0,232 (e) 0,494 (f ) 0, Converta os seguintes dados de transmitâncias para as respectivas absorbâncias: (a) 22,7% (b) 0,567 (c) 31,5% (d) 7,93% (e) 0,103 (f ) 58,2%

53 5. Avalie as quantidades que faltam na tabela a seguir. Quando necessário, use o valor 200 como massa molar do analito.

54 6) Uma forma comum de determinar fósforo em urina consiste em tratar a mostra, com molibdênio(vi) após se remover as proteínas,e então reduzir o complexo 1,2-molibdofosfato com ácido ascórbico para fornecer uma espécie de cor azul intensa. A absorbância do azul de molibdênio pode ser medida a 650 nm. Um paciente produziu ml de urina em 24 horas.uma alíquota de 1,00 ml da amostra foi tratada com Mo(VI) e ácido ascórbico e foi diluída para um volume de 50,00 ml. Uma curva analítica foi preparada tratandose alíquotas de 1,00 ml de soluções padrão de fosfato da mesma forma que a amostra de urina. As absorbâncias dos padrões e da amostra de urina foram medidas a 650 nm,obtendo-se os seguintes resultados: Calcule o teor de fósforo em ppm na amostra. Absorbância 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 y = 0,210x + 0,009 R² = 0, Concentração (ppm)