ANALÍTICA AVANÇADA 2S Prof. Rafael Sousa. Notas de aula:

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1 ANALÍTICA AVANÇADA 2S 2011 Aulas 5 e 6 Espectrofotometria no UV-VisVis Prof. Rafael Sousa Departamento de Química - ICE rafael.arromba@ufjf.edu.br Notas de aula:

2 ESPECTROFOTOMETRIA ABSORÇÃO molecular no UV-VisVis FLUORESCÊNCIA molecular no UV-VisVis Plano de aula: - Definição de espectrofotometria - Aspectos conceituais da ABSORÇÃO MOLECULAR - Medidas de absorção e análises quantitativas - Instrumentos para análises espectrofotométricas - Aspectos práticos - A quimioluminescência - Espectrofluorimentria(princípios e aplicações) -Instrumentação para espectrofluorimetria

3 Bibliografia Análise Instrumental F Cienfuegos, D Vaitsman; 2000 Vogel-Análise Química Quantitativa GH Jeffrey e col., 6 a ed., Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 2002 Análise Química Quantitativa D. Harris; 7 a ed., 2008 Principles ofinstrumental Analysis DA Skoog, FL Holler, TA Nieman; 5 th ed., 1998 Tutoriais dos fabricantes de espectrofotômetros

4 Espectrofotometria -DEFINIÇÃO Espectrofotometria: Medida da luz que é absorvidaou ou emitida por uma espécie química Espectro obtido para o Β-caroteno Espectro obtido para Ag coloidal

5 Espectrofotometria -APLICAÇÕES ANALITOS ORGÂNICOS Alguns exemplos: Compostos nitrogenados Fármacos (àc. acetil salicílico) Fenóis Gorduras (colesterol) ANALITOS INORGÂNICOS Alguns exemplos: Íon cloreto amônia, fosfato, nitrato e sulfato Elementos metálicos em geral, As e B

6 ASPECTOS CONCEITUAIS LUZ O espectro eletromagnético (nm)

7 Aspecto ondulatório da radiação eletromagnética Relação entre comprimentos de onda e energia Ondas com dif. comprimentos de onda (λ) dif. cores (Vis) Análises instrumentais: medidas de frações específicas de luz (visível ou não) MÁXIMOS DE ABSORÇÃO

8 Aspecto ondulatório da radiação eletromagnética Relação entre comprimentos de onda (λ) e energia (E) Modelo matemático h= constante de Planck (6, Js) h c E= h ν= c= veloc. luz no vácuo (2, ms -1 ) λ Eé é inversamente proporcional ao λ

9 Na espectrofotometria os máximos de absorção são a principal diferença que se observa no espectro de substâncias diferentes: fenômeno menos energético Espectro obtido para o Β-caroteno Espectro obtido para Ag coloidal O que faz a absorção da luz ser diferente?

10 As substâncias absorverem radiação por causa dos Grupos Cromóforosoros Grupos cromóforos: São grupos funcionais que apresentam absorção característica na região do ultra-violetaou ou do visível Ex: Carboxila (-COOH): nm Absorve em vários comprimentos de onda diferentes (vários grupos funcionais)

11 As substâncias absorverem radiação por causa dos Grupos Cromóforos Outros grupos cromóforos: Carboxila (-COOH): nm Aldeído (-CHO): 210; Amino(-NH 2 ): 195 Brometo (-Br): 208 Dissulfeto(-S-S-): 194; 255 Substâncias diferentes Éster (-COOR): 205 Éter (-O-): 185 Diferentes grupos funcionais Nitro (-NO 2 ): 210 Nitroso (-NO): 302 Tiocarbonila(=C=S-): 205 Tioeter(-S-): 194; 215 Tiol (-SH): 195

12 As substâncias absorverem radiação por causa dos Grupos Cromóforos Processode absorção da radiação: diferentes tipos de transições eletrônicas Cada transição eletrônica vem acompanhada de uma transição rotacional e vibracional Espectros na forma de banda Níveis de energia vibracional Níveis de energia eletrônicos

13 As substâncias absorverem radiação por causa dos Grupos Cromóforos Exemplificando as diferenças entre as substâncias: Composto Orbitais envolvidos na transição eletrônica λ máx (nm) CH 4 σ σ * 122 CH 3 Cl n σ * 173 CH 2 =CH 2 π π * 162 Me 2 C=O π π * n π * H 2 C=CH-CH=CH 2 π π * π π * π π * Essas transições eletrônicas ocorrem entre níveis de energia que diferem de 10 a 100x em energia

14 As substâncias absorverem radiação por causa dos Grupos Cromóforos Processo de absorção da radiação envolvem: Transições eletrônicas (UV-Vis) Transições vibracionais (Infravermelho médio e próximo) Envolvem diferenças energéticas menores Cada nível de ENERGIA VIBRACIONAL (e n ): Subníveis de ENERGIA ROTACIONAL Envolvem diferenças energéticas ainda menores

15 ENTRETANTO átomos no estado gasoso também podem absorver radiçãono UV-VisVis Exemplos de medidas ESPECTROSCÓPICAS EspectroMETRIA ATÔMICA EspectroFOTOMETRIA MOLECULAR

16 ENTRETANTO átomos no estado gasoso também podem absorver radiçãono UV-VisVis Representação das transições eletrônicas que podem ocorrer no átomo de sódio NaCl

17 Representação genérica para os elétrons que sofrem transições em medidas espectroscópicas: NA PRÁTICA, a região do UV-Vis Visimportante importante para a espectrofotometria no UV-Vis Vis vai de 180 a 780 nm

18 PARA CASA 1)Explicar porque os espectros abaixo apresentam perfis diferentes, considerando que os espectros de absorção moleculares são geralmente bandas e não picos estreitos.

19 O processo de absorção da luz no laboratório 1ª etapa: excitação eletrônica da molécula M M + hv M* 2ª etapa: relaxação M* M M + calor M* M + M (fotodecomposição) M* M M + hv (luminescência)

20 Característica dos processos de absorção na região do visível A A cor de uma espécie em solução é a cor complementar àquela do comprimento de onda que absorve: Solução verde-amarelada absorve violeta amarela violeta-azulazul laranja azul vermelha azul-verde púrpura verde violeta verde-amarelo violeta-azuladoazulado amarelo azul laranja azul-esverdeado vermelho verde púrpura A região que contem o λde máxima absorção de uma espécie de A região que contem de uma espécie de interesse pode ser prevista se a solução da amostra for colorida...

21 Medida de absorção e análise quantitativa Medidas de absorção (A): - Obtidas a partir de medidas de transmitância (T) -Quanto maiora transmitância, menor a absorbância A= -logt= logp 0 /P A absorbância aumenta com a conc. da espécie absorvedora - depende da substância (absortividade molar) - depende do espaço físico ocupado pela amostra (caminho óptico)

22 Medida de absorção e análise quantitativa Representação gráfica para soluções de KMnO 4 em λ = 545 nm e um caminho óptico de 1 cm. a) Em %Transmitânci Transmitância versus c a) b) Em Absorbância versus c

23 Relação entre absorção e concentração = ANÁLISE QUÍMICA (Lei de Lambert-Beer Beer) Johann Heinrich Lambert ( ) observou que a intensidade da luz transmitida por um meio absorvedor era proporcional à espessura do meio pelo qual a luz passava August Beer ( ) observou que a intensidade da luz transmitida por um meio absorvedor era proporcional à concentração da espécie absorvedora

24 Relação entre absorção e concentração = ANÁLISE QUÍMICA (Lei de Lambert-Beer Beer) A α = a b A =a b C a= absortividade molar (ε: L mol - 1 cm - 1 ) b= caminho óptico (cm) C= concentração em (mol L - 1 ) Concentração Relação linear entre Ae Conc. seas medidas são feitas em condição de caminho óptico constante APLICAÇÕES DA equação da reta: A = α C - Concentrações desconhecidas -OU determinar o valor de a para se obter o de ε

25 Determinação da Concentração 1)PREPARAR PADRÕES DE CALIBRAÇÃO TÉCNICA INSTRUMENTAL PADRÕES: : Soluções semelhante à solução de amostra com concentração conhecida da espécie de interesse (ANALITO) AMOSTRAou SOLUÇÃO DE AMOSTRA? Geralmente a amostra é analisada na forma de uma solução aquosa Ex: Determinação de Fe 3+ em tecido animal amostra laboratorial preparo (ou tratamento) da amostra solução de amostra

26 Determinação da Concentração 2)Calcular os limites de detecção (LD) e de quantificação: Menor quantidade que pode ser detectada com razoável certeza para um dado procedimento analítico (IUPAC) y = y bco + 3xSd bco em termos de sinal LD = (C bco + 3xSd bco )/S em termos concentração LQ = (C bco + 10xSd bco )/S em termos concentração LD= = limite de detecção LQ = limite de quantificação (o INMETRO recomenda usar o primeiro ponto da curva analítica de calibração) y= = menor sinal medido y bco = sinal do branco C bco = concentração do branco (considerado = zero) Sd bco = desvio padrão do branco (n= 10 no mínimo) S = Sensibilidade do método (coef. angular da curva analítica (α))

27 Determinando a Concentração de Misturas (Dois analitos: Me N: ADITIVIDADE DA LEI DE BEER) A A ε s devem ser conhecidos em todos os comp. onda (λ e λ ) Considerar as espécies independemente(não existe interação) A = ε M. b. c M + ε N. b. c N A = ε M. b. c M + ε N. b. c N Resultado cálculos matemáticos (resolução de sistemas ou Quimiometria)

28 OUTROS ASPECTOS DA LEI DE LAMBERT-BEERBEER Válida para: -Soluções diluídas (C < 0,01 mol L - 1 ) - Radiação monocromática -Meio homogênio e estável Todas as medidas (padrões e amostras) : celas o mais parecidas possíveis Para compensar perdas de potência da radiação incidente por reflexão e espalhamento

29 Desvios da Lei de Lambert-Beer Beer... 1)Interações entre os centros absorvedores e instabilidade química DESVIO REALDA LEI DE BEER Ex de instabilidade química: equilíbrio entre os ânions dicromato e cromato Cr 2 O H 2 O 2H + + 2CrO nm 373 nm Espécies que podem participar de equilíbrio químico em solução devem ser analisadas em um meio onde apenas uma espécie predomine

30 PARA CASA 2)Suponha que a análise de um fármaco deva ser feita em triplicata, por um método espectrofotométrico e que a espécie absorvedora apresenta um máximo de absorbância que varia com o ph da solução de amostra. Descreva, resumidamente, como essa análise deveria ser feita, considerando desde o preparo da amostra até a obtenção do resultado final.

31 Desvios da Lei de Lambert-Beer 2)Influência de erros instrumentais (λinadequado, radiação policromática ou espúria) DESVIO APARENTE Ex de erro instrumental: II I I II A A Comprimento de onda Concentração

32 Instrumentação (ESPECTROFOTOMETRIA = TÉCNICA INSTRUMENTAL) FOTÔMETROS (COLORÍMETROS) ESPECTROFOTÔMETROS Visível -Filtros ópticos ( nm) Ultra-violeta e visível -Monocromadores ( nm) Componentes básicos (duas configurações: a e b): Fonte de Luz Amostra Seletor de Comprimento de Onda h ν Detector Fotométrico Processador UA a Fonte de Luz Seletor de Comprimento de Onda h ν Amostra h ν Detector Fotométrico Processador UA b

33 Instrumentação 1) FONTE DE LUZ REGIÃO DO ULTRA-VIOLETA REGIÃO DO VISÍVEL 200 nm 390 nm 800 nm Lâmpadas de Deutério Lâmpadas de Hidrogênio nm Lâmpadas de filamento de Tungstênio nm podem ser halógenas (W-I 2 ) - maior durabilidade LEDs (diodos emissores de luz) Lâmpadas de Xenônio

34 FONTE DE LUZ Emissões, por comprimento de onda, das principais lâmpadas para espectrofotometria

35 Instrumentação 2) SELETOR DE COMPRIMENTOS DE ONDA Isolar faixas estreitas de comprimentos de onda Diferentes dispositivos complexidade e largura da faixa de λ -Filtros - Monocromadores FILTROS: - Constituídos por uma ou mais substâncias -Isola bandas com no mín. 50 nm de largura -Usado na região do visível - Baixo custo

36 Instrumentação FILTROS: SELETOR DE COMPRIMENTOS DE ONDA Fluoreto de cálcio ou magnésio Constituído por várias camadas Dielétrico com espessura de mesma ordem do λ desejado -Passa apenas 1 λe seus múltiplos -Isola bandas com até 10 nm de largura -Pode ser usado tanto no UV como no visível -Custo maior que o filtro de absorção t= espessura do dielétrico η= índice de refração n= ordem de interferência

37 Instrumentação SELETOR DE COMPRIMENTOS DE ONDA FILTROS os de interferência são mais eficientes: (larguras a meia altura) Filtros servem para faixas específicas de λ Monocromadores: isolam bandas estreitas ao longo do espectro - Mais versáteis -Custo mais elevado que os filtros

38 Instrumentação SELETOR DE COMPRIMENTOS DE ONDA MONOCROMADORES: PRISMAS E REDES(GRADES) DE DIFRAÇÃO Diferenças entre os índices de refração FORMA DE USO Fenômeno da interferência nλ= d(sen seni + d senr) ranhuras ângulo de incidência 1) Prisma (instrumentos mais antigos) 2)Grade (custo menor, espectrofotômetros mais compactos)

39 Instrumentação SELETOR DE COMPRIMENTOS DE ONDA MONOCROMADORES: PRISMAS E REDES (GRADES) DE DIFRAÇÃO Dependendo dos demais componentes ópticos: largura de banda de 1 20 nm POSICIONAMENTO DA FENDA DE SAÍDA Isolar o comprimento de onda separado Ex: Monocromador de Czerny-Turner

40 Instrumentação 3) COMPARTIMENTO (OU SUPORTE) DA AMOSTRA CELAS OUCUBETAS DE QUARTZO(UV-Vis) CELAS OU CUBETAS DE VIDRO(Vis) CELAS OU CUBETAS DE ACRÍLICO (Vis) face para manipulação FACES PLANAS E PERPENDICULARES À RADIAÇÃO INCIDENTE CILÍNDRICAS menor custo mas que conferem menor repetibilidade CAMINHOS ÓPTICOS VARIÁVEIS mais comum: 1 cm LIMPEZA: 1- água e detergente diluído 2- enxague com água purificada e, depois, com a própria amostra

41 Instrumentação 4) DETECTORES (TRANSDUTORES) DE SINAL CONVERSÃO DA RADIAÇÃOEM SINAL ELÉTRICO -Intensidade da correnteé é proporcional à intensidade da radiação -Fototubos, fotomultiplicadoras e semicondutores de silício Junção pn Catodo e- Anodo + Feixe de Fótons + + _ + _ Amplificador R V DC _ p n Fototubo<Sensibilidade que os semicondutores <Fotomultiplicadora

42 Instrumentação DETECTORES (TRANSDUTORES) DE SINAL Espectrofotômetro com arranjo linear de diodos

43 Instrumentação OFEIXE DE RADIAÇÃO UTILIZADO PARA A MEDIDA DO BRANCO E DA AMOSTRA DEVEM TER A MESMA INTENSIDADE INSTRUMENTOS FEIXE ÚNICO E DUPLO FEIXE ajuste 100% T cela do solvente %T a. fotômetro de feixe único lâmpada de tungstênio filtro espelho semi-prateado detector cela do solvente b. Fotômetro de feixe duplo detector %T detector de zero

44 ESPECTROFOTOMETRIA NO UV-Vis Vis CONSIDERAÇÕES GERAIS Instrumentos atuais operam em transmitância ou absorbância Quando são utilizados outros solventes além de água os mesmos devem ser de grau espectroscópio e inerte no meio Análises de rotina: utilizar sistema de análise por injeção em fluxo (FIA) Pequenas quantidades de amostras e reagentes = Menor custo e geração de resíduos Maior precisão (repetibilidade) e velocidade analítica Pode ser combinada com outras técnicas analíticas, instrumentais ou não, geralmente como ferramenta de detecção Pode ser utilizada em análises não quantitativas e diretamente sobre sólidos (reflectância difusa em produtos acabados)

45 ESPECTROFOTOMETRIA NO UV-Vis Vis ANÁLISE DE SÓLIDOS POR REFLECTÂNCIA DIFUSA NA REGIÃO DO UV-Vis Vis - Utilizada para materiais opacos Papéis Plásticos Pigmentos para tintas Filmes poliméricos Medicamentos Alimentos (leite em pó)... -Princípio: a radiação não absorvida é refletida e detectada na forma de um espectro - Equipamentos de laboratório e portáteis

46 Aplicações importantes no parâmetros de qualidade: REFLECTÂNCIA DIFUSA Aplicações importantes no setor de tintas para determinação de DETERMINAÇÃO DE OUTROS PARÂMETROS: - Índice de brancura e amarelamento: ASTM E Índice de brancura: ASTM E-313-CIE modification - Índice de brancura: ASTM D Índice de amarelamento: ASTM E

47 REFLECTÂNCIA DIFUSA Tipos de equipamentos Portáteis De bancada Análise de materiais/ produtos acabados Análise quantitativas também são possíveis a partir de calibração

48 PARA CASA 3) Ao desenhar a curva analítica de um método espectrofotométrico o analista atribuiu ao branco (reagentes utilizados em água) o valor de transmissão 100%. Você concorda com esta atribuição? Justifique. 4) Em termos de configuração instrumental, comente sobre as vantagens de se utilizar um espectrofotômetro com um detector do tipo arranjo de diodos.

49 Bibliografia utilizada Principles of Instrumental Analysis DA Skoog, FL Holler, TA Nieman; 5 th ed., 1998 Análise Instrumental F Cienfuegos, D Vaitsman; 2000 Vogel-Análise Química Quantitativa GH Jeffrey e col., 6 a ed., Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 2002 Análise Química Quantitativa D. Harris; 7 a ed., 2008 Tutoriais de fabricantes de espectrofotômetros Slides didáticos fornecidos pelo Prof. Dr. Júlio C. J. Silva (UFJF) Figuras da Apostila didática da disciplina QA 581, do IQ -Unicamp