ABSORÇÃO NO INFRAVERMELHO

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1 ABSORÇÃO NO INFRAVERMELHO QUI346 IR / NIR / FTIR 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

2 ABSORÇÃO NO INFRA-VERM (IR) RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA vs MOLÉCULAS (MATÉRIA): ABSORÇÃO PODE PROVOCAR TRANSIÇÕES: ELETRÔNICAS VIBRACIONAIS ROTACIONAIS Altera a posição dos átomos nas moléculas 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

3 ABSORÇÃO NO INFRA-VERM (IR) VIBRAÇÃO MOLECULAR Figura 3: Modelo do oscilador harmônico: (a) partícula ligada a uma parede de massa muito maior, e (b) duas partículas de massas m 1 e m 2 ligadas. Fonte: Oliveira, L. F. C. Espectroscopia Molecular. Química Nova Interativa, SBQ: onceito.php?idconceito=28, acessado em 15/09/11. 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

4 ABSORÇÃO NO INFRA-VERM (IR) Uma molécula absorverá energia radiante no IR capaz de ser medida experimentalmente se o movimento vibracional provocar uma alteração em seu momento de dipolo. Fonte: Oliveira, L. F. C. Espectroscopia Molecular. Química Nova Interativa, SBQ: 28, acessado em 15/09/11. (a) molécula diatômica homonuclear (momento de dipolo nulo); (b) molécula diatômica heteronuclear (momento de dipolo diferente de zero); (c) tetracloreto de carbono (momento de dipolo igual a zero: ligações químicas polares, mas a geometria anula as contribuições para o momento de dipolo global da molécula).

5 ABSORÇÃO NO INFRA-VERM (IR) Características da técnica IR Faixa de energia: 800 nm a nm O espectro é dado em T (transmitância) vs número de onda (cm -1 ) Faixa típica: 250 a cm -1 ( a J.mol -1 ) I.V. Próximo (NIR): a cm-1 (2500 nm a 800 nm quase visível) A molécula absorverá energia I.V. se houver mudança em seu dipolo durante a vibração (moléculas poliatômicas). 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

6 VIBRAÇÃO MOLECULAR Moléculas diatômicas Moléculas diatômicas: (movimento de mola halteres). Só vibrações não hormônicas absorvem energia (átomos diferentes) V = número quântico vibracional 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

7 ESPECTRO IV: MOLÉCULAS DIATÔMICAS Vibração de uma molécula diatômica (movimento da mola regido pelo momento da Força resultante) Frequência de equilíbrio em número de ondas (s e ) Considerando-se somente as transições do estado fundamental, o número de onda de cada transição pode ser prevista para moléculas diatômicas. Espectro IV de uma molécula diatômica em solução (a banda é devida aos movimentos de rotação)

8 ESPECTRO IV Modos vibracionais Moléculas lineares = 3N 5 (diatômica = 1 modo vibracional) Moléculas não lineares = 3N 6 (N = número de átomos) O número de diferentes tipos de movimentos vibracionais definem o número de bandas no espectro IV considerando somente o primeiro overtone (fingerprint).

9 VIBRAÇÃO MOLECULAR - IV Moléculas poliatômicas Movimentos vibracionais que absorvem energia na região do IV: deformações axiais (stretch) e angulares (bend) Movimentos vibracionais da molécula de água (Scissoring / tesoura) (rotação / rocking) Symmetrical stretch Bending mode Asymmetric stretch (balanço / wadding) (torção / twisting)

10 ABSORÇÃO NO INFRAVERMELHO Espectro de Absorção no IV (IR) Normalmente é plotado como Transmitância vs Frequência (número de onda, cm -1 ). Dá informações qualitativas importantes para moléculas poliatômicas Espectro IV do n- decano Axial CH Axial CH 2 e angular assimétrica CH 3 Axial CH 2 e angular assimétrica CH 3

11 ABSORÇÃO IV: Análise Qualitativa Identificação de grupos funcionais 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

12 ABSORÇÃO IV: Análise Qualitativa Identificação de grupos funcionais 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

13 ABSORÇÃO IV: Análise Qualitativa Identificação de grupos funcionais 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

14 ABSORÇÃO IV: Análise Qualitativa Espectro no infravermelho do etanol (CH 3 CH 2 OH) 3N 6 = 21 modos vibracionais Fonte: Oliveira, L. F. C. Espectroscopia Molecular. Química Nova Interativa, SBQ: acessado em 15/09/11.

15 ABSORÇÃO IV: Análise Qualitativa Identificação de grupos funcionais Espectro IV do 1,2-dimetilbenzeno (o-xileno) 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

16 ABSORÇÃO IV: Instrumentação Espectrofotômetro IV (IR) convencional Espectrofotômetro IV com duplo feixe

17 ABSORÇÃO IV: Instrumentação Espectrofotômetro IV (IR) convencional Espectrofotômetro IV com duplo feixe

18 ABSORÇÃO IV: Instrumentação Espectrofotômetro IV com TF (FTIR) 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

19 ABSORÇÃO IV: Instrumentação Espectrofotômetro IV com TF (FTIR) O espectrofotômetro de Infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) não utiliza monocromador! A luz não passa por um monocromador (não é monocromática), em vez disso, a luz IV (com todos os l) passa por um interferômetro. Os sinais do interferograma através da Transformada de Fourier (TF, FT) resulta num espectro idêntico ao da espectroscopia IV convencional (dispersiva). Devido às suas várias vantagens os espectrofotômetros de infravermelho modernos são de FTIR. 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

20 ABSORÇÃO IV: Instrumentação Os instrumentos para medir a absorção infravermelha requerem uma fonte de radiação infravermelha contínua e um transdutor sensível ao infravermelho (detector). As fontes infravermelhas consistem em um sólido inerte que é eletricamente aquecido a temperaturas entre 1500 e 2200 K. O material aquecido emitirá, assim, radiação infravermelha.

21 ABSORÇÃO IV Instrumentação Detectores Detectores térmicos Funcionam a temperatura ambiente. Mas, o tempo de resposta é curto e a sensibilidade é menor comparada com outros tipos de detectores: Termopares A diferença potencial entre os extremos do termopar (conjunto de dois condutores metálicos distintos unidos pelos extremos) muda de acordo com a diferença de temperatura entre os extremos. Bolômetro Um bolômetro funciona como uma resistência variável quando é aquecida. Consta de finas lâminas de platina ou níquel ou de um semicondutor. 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

22 ABSORÇÃO IV Instrumentação Detectores Detectores piroelétricos Material pirelétrico possui uma polarização espontânea que se altera com a mudança da temperatura. O material mais comum é o sulfato de triglicina (STG). Os detectores piroelétricos (bom tempo de resposta) é o preferido para os espectrômetros com transformada de Fourier (necessita de resposta rápida). 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

23 ABSORÇÃO IV Instrumentação Detectores Detectores fotocondutores Baseiam-se nas interações entre os fótons e o semicondutor (são mais sensíveis). O detector consiste em uma película fina de um material semicondutor (sulfureto de chumbo - NIR, mercúrio ou telúrio de cádmio ou antimoneto de índio - IR) numa superfície de vidro não condutiva e selada para proteger o semicondutor da atmosfera. Deve ser resfriado com nitrogênio líquido para minimizar alterações. 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

24 ABSORÇÃO IV Instrumentação Amostra Introdução da amostra Pastilhas de KBr, NaCl, KCl e CsBr com amostra ou amostra + Nujol (óleo mineral = hidrocarboneto) Amostras gasosas Amostras líquidas (puras ou com solventes) e amostras sólidas 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

25 ABSORÇÃO IV: Aplicação A principal aplicação da espectrofotometria de IV é no auxílio de identificação de amostras, principalmente com relação aos grupos funcionais das moléculas presentes. Dessa forma, ela é uma técnica essencialmente qualitativa de grande importância na identificação de substâncias orgânicas, principalmente na área de síntese. IV também é uma técnica semi-quantitativa ou mesmo pode ser quantitativa, mas para isso precisa estar associada a um tratamento estatístico (quimiométrico) robusto.

26 ABSORÇÃO IV: Aplicação Algumas das vantagens dessa técnica são a facilidade de preparação da amostra; a possibilidade do uso de amostras em filmes sólidos, amostras líquidas e gasosas; bem como o custo, o tamanho e a versatilidade do equipamento necessário para as análises. Uma desvantagem é que IV demanda muita experiência (know-how) Outras técnicas para o preparo das amostras precisam de extração ou calcinação, ou ainda podem demandar equipamentos muito caros. Um espectrofotômetro de infravermelho custa menos que a metade de um aparelho de espectrometria de raios x. 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

27 ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO SUGESTÃO PARA LEITURA Espectroscopia Infravermelho com Transformada de Fourier: Feliz Combinação de Velhos Conhecimentos de Óptica, Matemática e Informática Fonte: Oswaldo Luiz Alves (Professor Titular do Departamento de Química Inorgânica do Instituto de Química da UNICAMP e fundador/coordenador científico do Laboratório de Química do Estado Sólido - LQES) 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

28 QUI346 LUMINESCÊNCIA MOLECULAR FLUORESCÊNCIA FOSFORESCÊNCIA 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

29 TRANSIÇÕES ELETRÔNICAS As transições eletrônicas nos átomos são mais simples que nas moléculas. As transições eletrônicas nas moléculas são mais complexas porque a energia que origina o espectro provem de: Transições eletrônicas dos elétrons; Vibrações entre os átomos; Diversos movimentos rotacionais. 07/10/2013 Mauricio X. Coutrim

30 ESTADOS SINGLETE E TRIPLETE Estado excitado S 1 T 1 Estado fundamental S 0 O estado excitado triplete tem menor energia do que o estado singlete correspondente. Como consequência o tempo de vida médio do primeiro (10-4 s a alguns segundos) é maior do que do segundo (10-8 a 10-5 s) 07/10/2013 Mauricio X. Coutrim

31 EXEMPLO ESTADO TRIPLETE Os elétrons mais energéticos da molécula de oxigênio estão no estado triplete. Por isso ele é paramagnético. 07/10/2013 Mauricio X. Coutrim

32 EMISSÃO DE ENERGIA: PROCESSOS DE RELAXAÇÃO A energia radiante absorvida por algumas espécies químicas promovem elétrons de um nível de energia fundamental para um nível excitado. No entanto, esses elétrons tendem a retornarem aos estados de energia iniciais (processos de relaxação) EMITINDO ENERGIA de diversas formas, inclusive radiante. 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

33 LUMINESCÊNCIA MOLECULAR - O processo de absorção é muito rápido (~ s). - Parte dessa energia é emitida por processos de relaxação. - A fluorescência é um processo de relaxação rápido (estado excitado singlete para estado fundamental singlete). - A fosforescência é um processo de relaxação mais lento (estado excitado triplete para estado fundamental singlete). - Na quimioluminescência a energia de excitação é proveniente de uma reação química.

34 LUMINESCÊNCIA MOLECULAR Luminescência (Atômica ou Molecular) Tempo de meia vida ~ 10-8 a 10-5 s Diagrama de Jablonski Estado metaestável (tempo de meia vida > 10-5 s) 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

35 FOTOLUMINESCÊNCIA LUMINESCÊNCIA MOLECULAR Luminescência Molecular Fluorescência Molecular Absorção de fótons emissão de fótons (estado excitado tem mesmo spin singlete) Fosforescência Absorção de fótons emissão de fótons (estado excitado tem spin diferente / muda a rotação do elétron do fundam. p/ o excitado triplete) Quimiluminescência Excitação química emissão de fótons 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

36 Energia LUMINESCÊNCIA MOLECULAR Relaxação vibracional S 1 T 1 Abs. Fosforescência absorção relaxação S = singlete T = Triplete S 0 Conversão interna (relaxação não radiativa)

37 LUMINESCÊNCIA MOLECULAR Fonte: Sotomayor, M. D. P. T. et al. Quim. Nova, v.31, n.7, p , 2008

38 LUMINESCÊNCIA MOLECULAR Fosforescência (T S) (10-4 s < t ½ <10 s); Fluorescência (estado singlete para singlete) velocidade média maior (t ½ < 10-5 s); Fluorescência ressonante (l abs = l em, estado gasoso); Deslocamento de Stokes (l abs < l em, é energia vibracional); Conversão interna (transição não radiante do menor nível de energia vibracional do estado singlete excitado para o maior nível vibracional de um estado singlete fundamental): ocorre decaimento sem fluorescência; Conversão externa intermolecular (entre moléculas excitadas e o solvente ou outra espécie).

39 Energia LUMINESCÊNCIA MOLECULAR Relaxação vibracional Cruzamento entre sistemas S 1 T 1 Abs. Fosforescência absorção relaxação S = singlete T = Triplete S 0 Fluorescência ressonante Conversão interna (relaxação não radiativa) Fluorescência não ressonante Deslocamento Stokes (Relaxação vibracional)

40 FLUORECÊNCIA MOLECULAR Fosforescência (T S) (10-4 s < t ½ <10 s); Fluorescência (estado singlete para singlete) velocidade média maior (t ½ < 10-5 s); Fluorescência ressonante (l abs = l em, estado gasoso); Deslocamento de Stokes (l abs < l em, é energia vibracional); Conversão interna (transição não radiante do menor nível de energia vibracional do estado singlete excitado para o maior nível vibracional de um estado singlete fundamental): ocorre decaimento sem fluorescência; Conversão externa intermolecular (entre moléculas excitadas e o solvente ou outra espécie).

41 FLUORECÊNCIA MOLECULAR Os processos fotolumiscentes são melhores observados à 90 0 porque evitam outras energias radiantes interferentes (a intensa energia transmitida e as energias de absorções diversas). Na fluorescência ressonante a frequência da radiação de excitação é igual à de emissão. Ocorre mais frequentemente em átomos no estado gasoso porque não há energia vibracional envolvida. Na fluorescência não ressonante a diferença na frequência da energia entre a excitação e emissão (a da excitação é maior do que a da emissão) é chamada de deslocamento de Stokes.

42 FLUORESCÊNCIA A Emissão fluorescente é um processo de relaxação originado de uma transição de um nível vibracional excitado mais baixo para o estado fundamental. Todas as moléculas que absorvem energia radiante tem potencial para fluorescerem porém na maioria das vezes os processos de relaxação não radiativos são mais rápidos e o rendimento quântico não é favorável. A relaxação vibracional é mais rápida que a desativação fluorescente.

43 FLUORESCÊNCIA Tipos de transições na fluorescência s s* não ocorre, absorção de l max < 250 nm dissociação. n p* da absorção n p* com l max > 250 nm tempo de transição 10-7 a 10-5 s (menos energética que p p*). p p* proveniente da absorção p p* com l max > 250nm tempo de transição 10-9 a 10-7 s (mais rápida que n p*). OBS.: Entre as transições promotoras da fluorescência prevalecerá aquela que permanecer menor tempo no estado excitado. A Eficiência Quântica ou Rendimento Quântico (f) (processo cinético) é a razão entre as moléculas que fotoluminescem (k F ) e o número total de moléculas excitadas (k T ). (f) = k F / k T (p.ex., fluoresceína f ~1)

44 FLUORESCÊNCIA O rendimento quântico está relacionado com a rigidez da molécula que diminui a velocidade da relaxação não radiativa havendo tempo para ocorrência da fluorescência. Fluoreno: Ø ~ 1 Bifenila: Ø ~ 0,2 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

45 FLUORESCÊNCIA Fatores que diminuem a fluorescência Solvente e Temperatura Aumento de T ou diminuição de viscosidade do solvente levam a um aumento no número de colisões e portanto aumenta a probabilidade por conversão externa (supressão colisional) ph A fluorescência de compostos aromáticos com funcionalidades ácidas ou básicas apresentam forte dependência com o ph Ex.: anilina/anilínio e fenol/fenolato 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

46 FLUORESCÊNCIA & AROMÁTICOS Heterocíclicos não fluorescem (p* n) Heterocíclicos condensados fluorescem (p* p) A eficiência quântica (f) da fluorescência dos compostos aromáticos (p* p) é aumentada com o número de anéis condensados na molécula (quanto mais flexível a molécula há mais energia na relaxação com a vibração). 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

47 FLUORESCÊNCIA & AROMÁTICOS Efeito da Substituição do anel Bz na Fluorescência

48 FLUORESCÊNCIA & AROMÁTICOS Não tem interferência de fundo (background). Processo muito sensível. Utilizado para detecção em HPLC (1 a 3 vezes mais sensível que absorção = 10-9 a mol.l -1 ). Exemplo de aplicação: Separação de HPAs por HPLC e detecção por fluorescência

49 FLUORESCÊNCIA & AROMÁTICOS Sensibilidade de um detector de fluorescência para HPLC Ref. Determine o LD dessa detecção de antraceno de HPLCfluorescência (S = sinal e N = ruído).

50 INSTRUMENTAÇÃO Fontes de Radiação (mais potente que Abs. Mol. UV-Vis) Lâmpadas: (menor custo) Lâmpada de vapor de mercúrio linhas intensas para a excitação (usa filtros de absorção ou de interferência) Lâmpada de arco de xenônio a alta pressão - fonte contínua (~ radiação do corpo negro) Lasers: (maior sensibilidade) laser pulsado de N 2 ou laser Nd:YAG Filtros e Monocromadores (similares Abs. Mol. UV-Vis) Filtros em fluorímetros e monocromadores (prismas ou redes de difração) em espectrofluorímetros Transdutores (detectores) Fotomultiplicadoras (PMT) ou contador de fótons Arranjo de diodos

51 INSTRUMENTAÇÃO Esquema de um espectrofluorímetro Atenção! O seletor de l do fluorímetro (filtro) é diferente do espectrofluorímetro (monocromador) Fonte a 90º do detector 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim

52 (ESPECTRO)FLUORÍMETRO INSTRUMENTAÇÃO A energia fluorescente emitida pela amostra é detectada a 90º da fonte Sempre de Feixe duplo Os espectros (ou apenas as bandas) de excitação e de emissão são obtidos pelos l exc e l emis selecionados pelos monocromadores (ou filtros).

53 INSTRUMENTAÇÃO Espectrofluorímetro com Rede de Difração

54 INSTRUMENTAÇÃO A riboflavina (vitamina B2; C 17 H 20 N 4 O 6 ) quando excitada com luz UV emite luz verde-amarelada. Uma série de padrões e uma amostra foram analisadas nessas condições e as intensidades de fluorescência foram medidas. Calcule a concentração de riboflavina na amostra, em mg/l. Concentração (mol/l) Intensidade de Fluorescência 1, ,0 2, ,0 4, ,0 8, ,0 16, ,0 32, ,0 64, ,0 Amostra 25,8 Resposta: 6, mol/l = 24,2 mg/l (MM = 376 g/mol)

55 A + B C* D / C* C + hν QUIMILUMINESCÊNCIA LUMINOL + N2 + H2O Luminol + H 2 O 2 Em Pandora todos organismos possuíam propriedades luminescente

56 BIOLUMINESCÊNCIA A + B C* D C* C + hν sistemas biológicos bioluminescência: vagalumes (luciferase), águas-vivas, crustáceos, etc. (altas profundezas dos oceanos) proteína fluorescente verde (Luminol) 24/02/2015 Mauricio X. Coutrim