Tópicos em Métodos Espectroquímicos. Aula 2 Revisão Conceitos Fundamentais

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1 Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) Instituto de Ciências Exatas Depto. de Química Tópicos em Métodos Espectroquímicos Aula 2 Revisão Conceitos Fundamentais Julio C. J. Silva Juiz de For a, 2015

2 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

3 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.

4 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)

5 Parâmetros da Onda Eletromagnética y campo elétrico E x M z campo magnético radiação monocromática plano polarizada

6 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 = 10 4 A = I.V. (I.R) 1 nm = 10-9 m = 10 A = Visível e U.V. 1 A = m = 10-8 cm Obs.: o depende do meio onde a onda se propaga

7 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: C vácuo = 3 x cm/s = Km/s C meio C vácuo pela interação do campo magnético com a matéria (elétrons do meio)

8 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 = C vácuo /C meio Obs.: na análise espectroscópica o termo mais usado é o

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10 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 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 )

11 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

12 The electromagnetic spectrum

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14 Sempre que uma solução for colorida seu estará entre 400 e 700 nm

15 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 Laser azul-verde incidindo em um cristal de ítrio-alumínio dopado com Er 3+

16 6) INTERAÇÕES NÃO QUANTIZADAS DA R.E. COM A MATÉRIA Dispersão:

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

18 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: Na 11 = 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Para a absorção ocorrer o fóton excitador deve possuir uma energia apropriada: Onde: h = energia do fóton h = E E = Diferença de energia entre o estado fundamental e o estado excitado Retorno do elétron do estado excitado através de diferentes processos

19 Processos de Dispersão de Energia

20 Exemplo: Balanço Térmico (Efeito Estufa) 1) A TRANSPARÊNCIA DA ATMOSFERA A atmosfera é transparente aos comprimentos da luz visível. A camada de ozônio (O 3 ) na atmosfera superior absorve muito da luz ultra-violeta. 2) O EFEITO ESTUFA Na atmosfera inferior, o CO 2 e a H 2 O fazem com que a atmosfera seja opaca aos raios infra-vermelhos, e a radiação tem dificuldade em voltar ao espaço.

21 Balanço Térmico (Efeito Estufa)

22 Aurora Boreal

23 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

24 9) ABSORÇÃO MOLECULAR Compreende três tipos de energia: rotacional, vibracional e eletrônica E t = E r + E v + E e 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

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29 Espectrometria no Ultravioleta/Visível Região do espectro 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

30 Referências - Faria, L.C. Notas de Aula. Instituto de Química. UFG D. A. SKOOG, F. J. HOLLER e T. A. NIEMAN Princípios de Análise Instrumental, 5 a ed., Saunders, Junior, I.M.R. Notas de Aula. Instituto de Química. Unicamp 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, 6 a ed., Saunders, Galen W. Ewing. Métodos Instrumentais de Análise Química (Volume 1). Editora Edgard Blücher/Ed. da Universida -

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