Os princípios da espectroscopia: Teoria DESENVOLVENDO UMA CIÊNCIAMELHOR AGILENT E VOCÊ

Transcrição

1 Os princípios da espectroscopia: Teoria DESENVOLVENDO UMA CIÊNCIAMELHOR AGILENT E VOCÊ 1

2 A Agilent tem um compromisso com a comunidade educacional e está disposta a conceder acesso ao material de propriedade da empresa. Este conjunto de slides foi criado pela Agilent apenas para finalidades de ensino. Caso deseje usar as imagens, esboços ou desenhos para qualquer outra finalidade, primeiro entre em contato com a Agilent. 2

3 Introdução A espectroscopia é o estudo da interação entre a matéria e a radiação eletromagnética. Historicamente, a espectroscopia teve origem a partir do estudo da luz visível dispersa de acordo com seu comprimento de onda, por um prisma. Mais tarde, o conceito foi bastante ampliado para compreender qualquer interação com energia radioativa como uma função de seu comprimento de onda ou frequência. Os dados espectroscópicos geralmente são representados por um espectro, uma representação da resposta de interesse como uma função do comprimento de onda ou da frequência. Spectrum (latim): fantasma Skopos (grego): observador Espectroscopista = observador de fantasma 3

4 Índice Contexto histórico Início dahistória dos espectros ópticos 1666 Observação de espectro visível 1802 Linhas de absorção de Fraunhofer Experimento de emissão de Kirchhoff e Bunsen Experimento de absorção de Kirchhoff e Bunsen Principais parâmetros Comprimento de onda e frequência Absorção e emissão Luz absorvida x Níveis de energia Características de espectros atômicos Absorvância e Transmitância Absorvância: Relação de concentração Lei de Beer-Bouguer-Lambert Definições Espectro de Milton Espectroscopia e espectrômetro Espectro eletromagnético Luz 4

5 Contexto histórico Início da história dos espectros ópticos Sir Isaac Newton descobre o espectro solar William Hyde Wollaston identifica linhas escuras no espectro solar Joseph von Fraunhofer estuda essas linhas escuras com um espectroscópio August Beer identifica a relação entre a absorção de luz e a concentração Gustav Kirchhoff & Robert Bunsen observam cores diferentes de elementos aquecidos à incandescência Anders J. Angstrom mede os comprimentos de onda de cerca de linhas de Fraunhofer Abney & Festing obtiveram espectros de absorção infravermelhos para mais de 50 compostos 5

6 Contexto histórico 1666 Observação de espectro visível Experimento de Sir Isaac Newton Sir Isaac Newton, Matemático e físico inglês Fonte: Wikipedia 6

7 Contexto histórico 1802 Linhas de absorção de Fraunhofer Wollaston e Fraunhofer, trabalhando de forma independente, descobrem linhas escuras no espectro solar. Fraunhofer apresenta a grade de difração, que obtém melhor resolução espectral. Fraunhofer sugere que as linhas escuras se devem à atmosfera absorvendo a própria luz do sol. Img. 1: Joseph von Fraunhofer, , Oftalmologista alemão. Fonte: Wikipedia, Img. 2: William Hyde Wollaston, , Químico inglês. Fonte: Wikipedia consulte as notas para obter mais detalhes 7

8 Contexto histórico Experimento de emissão de Kirchhoff e Bunsen Robert Bunsen ( ) Químico alemão, Fonte: Wikipedia Gustav Robert Kirchhoff ( ) Físico alemão, Fonte: Wikipedia Kirchhoff e Bunsen observaram cores diferentes em elementos aquecidos à incandescência. 8

9 Contexto histórico Experimento de absorção de Kirchhoff e Bunsen Kirchhoff e Bunsen passaram um feixe de luz através do sal metálico aquecido e obtiveram linhas de absorção de Fraunhofer. 9

10 Definições Espectro de Milton Este diagrama do espectro de Milton demonstra o tipo, o comprimento de onda (com exemplos), a frequência e a temperatura de emissão de corpo negro. Fonte: Wikipedia; adaptado de EM_Spectrum3-new.jpg, que é uma imagem da NASA 10

11 Definições Espectroscopia A medição de uma interação da amostra com luz de diferentes comprimentos de onda de regiões distintas do espectro eletromagnético. Espectrômetro Um instrumento para fazer medições relativas na região espectral óptica, usando luz espectralmente dispersa por um elemento dispersante. A medição desses sinais como uma função de resultados de comprimento de onda na coleta de um espectro gerou o termo "espectroscopia." λ I 0 I Fonte de luz Monocromador Amostra Detector de luz 11

12 Definições Espectro eletromagnético O espectro eletromagnético abrange muitas ordens de magnitude da frequência e do comprimento de onda. O nome das regiões são puramente históricos Nenhuma alteração abrupta ou fundamental para ir de uma região para a próxima A luz visível representa apenas uma pequena fração do espectro eletromagnético O espectro eletromagnético 12

13 Definições Luz A luz pode ser descrita de duas formas: Termos de propriedades de onda como comprimento de onda e frequência são bastante usados. Propriedades de partícula são expressas em termos de pacotes de energia denominados fótons. Esses termos são válidos em todo o espectro eletromagnético e não estão limitados ao que geralmente é considerado como luz (visível, ultra violeta e infravermelho). A luz é considerada como onda por natureza e consiste na oscilação de campos elétricos (E) e magnéticos (M). Esses campos estão em ângulos retos entre si e viajam a uma velocidade constante em um determinado meio. No vácuo, essa velocidade é de ms

14 Principais parâmetros Comprimento de onda e frequência A energia associada com a radiação eletromagnética pode ser definida como: Observação: Na espectroscopia, o comprimento de onda geralmente é expresso em micrômetros, nanômetros ou números de ondas (1/λ; expresso em centímetros recíprocos). E = h ν A frequência está relacionada ao comprimento de onda por: ν = c λ E Energia (J) h Constante de Planck (6, Js) ν Frequência (s -1 ) c Velocidade da luz ( ms -1 ) λ Comprimento de onda (m) 14

15 Principais parâmetros Absorção e Emissão As interações de radiação eletromagnética com a matéria podem ser classificadas de modo geral em: Processos de absorção: A radiação eletromagnética de uma fonte é absorvida pela amostra e resulta em um aumento do poder de radiação que chega a um detector Processos de emissão: A radiação eletromagnética emana de uma amostra, resultando em um aumento do poder de radiação que chega a um detector 15

16 Principais parâmetros Absorção e Emissão Os processos de absorção e emissão envolvem transições entre diferentes níveis ou estados de energia. Para ocorrer uma transição, um fóton incidente deve ter energia igual às diferenças na energia entre os dois estados. Se esse for o caso, a energia pode ser absorvida e uma transição para um estado excitado pode ocorrer. Essas transições podem envolver alterações na Energia eletrônica Energia vibratória Energia rotacional E eletrônica > E vibratória > E rotacional Alterações nos níveis de energia nuclear podem ser observadas em energias muito altas (γ raios), enquanto mudanças nos estados de rotação podem ser observadas em energias muito mais baixas (micro-ondas e ondas de rádio). 16

17 Principais parâmetros Absorção e Emissão Esta figura mostra um exemplo de transições eletrônicas em formaldeído e os comprimentos de onda da luz que geram essas transições Essas transições devem resultar em bandas de absorção muito estreitas em comprimentos de onda altamente característicos da diferença dos níveis de energia da espécie de absorção. Transições eletrônicas no formaldeído 17

18 Principais parâmetros Absorção e Emissão Aqui vemos níveis de energia vibratória e rotacional superimpostos nos níveis de energia eletrônica. Como muitas transições com energias distintas podem ocorrer, as bandas são ampliadas. A ampliação é ainda maior em soluções com interações solvente-soluto. Transições eletrônicas e espectros UV visíveis em moléculas 18

19 Principais parâmetros Absorção e Emissão Esta figura mostra um exemplo de transições eletrônicas em átomos. Essas transições devem resultar em bandas de absorção muito estreitas em comprimentos de onda altamente característicos da diferença dos níveis de energia da espécie de absorção. Existem comprimentos de onda únicos para cada absorção/emissão de energia do átomo. Transições eletrônicas e espectros em átomos 19

20 Principais parâmetros Absorção e Emissão Os átomos podem absorver quantidades discretas de energia: Calor Luz em comprimentos de onda discretos Um elétron pode alterar os níveis de energia: Energia para alterar os níveis = energia de luz absorvida Os átomos ficam excitados O elétron se move a um nível de energia mais alto: E 1, E 2,... E n Diagrama do nível de energia do chumbo (Pb) 20

21 Principais parâmetros Luz absorvida x Níveis de energia O comprimento de onda de luz (λ) é inversamente proporcional à distância entre os níveis de energia: λ = c E Cada transição tem distância e energia distintas e, portanto, comprimento de onda diferente. Os átomos também terão linhas de emissão. Um átomo excitado volta ao estado normal liberando energia como luz emitida. A mesma energia da absorção O mesmo comprimento de onda da absorção (distância maior = comprimento de onda mais curto) 21

22 Principais parâmetros Características de espectros atômicos Picos agudos (comparados a picos largos em UV-Vis) As linhas mais importantes têm origem no estado normal Linhas de ressonância: Linhas mais intensas Maior interesse em absorção atômica Podem ocorrer de um estado excitado para outro Linhas de não ressonância: Linhas mais fracas Geralmente não são úteis para absorção atômica 22

23 Principais parâmetros Absorvância e Transmitância Quando a radiação interage com a matéria vários processos podem ocorrer: Absorvância Reflexão Dispersão Fluorescência/fosforescência Reações fotoquímicas Quando a luz atravessa ou é refletida de uma amostra, a quantidade de luz absorvida é igual à proporção da radiação transmitida (I) à radiação incidente (Io). I I T = T = 100 I 0 I 0 (Transmitância) A = log10 (Absorvância) T 23

24 Principais parâmetros Relação de absorvância/concentração Lei de Lambert A fração de luz absorvida por um meio transparente independe da intensidade da luz incidente Cada unidade sucessiva de espessura do meio absorve uma fração igual à luz que o atravessa Lei de Beer A absorção de luz é proporcional ao número de espécies de absorção na amostra 24

25 Espectroscopia UV-Vis Lei de Beer-Bouguer-Lambert A absorvância é relacionada à concentração pela Lei de Beer-Bouguer-Lambert: A = log 10 T = ε b c A absorção pode ser atribuída à interação com a amostra e/ou a perdas devido à reflexão e dispersão. ε coeficiente de extinção ou absorção molar (Lmol -1 cm -1 ) b comprimento da trajetória (cm) c concentração Exemplo de curva de calibração. A calibração é feita medindo A conforme a variação de c. Fonte: Princípios de espectroscopia UV visível consulte as notas para obter mais detalhes 25

26 Abreviações Abreviação A AAS AES b Definição absorvância espectroscopia de absorção atômica espectroscopia de emissão atômica comprimento da trajetória (cm) c velocidade da luz ( ms -1 ) ε E E h I I 0 coeficiente de extinção ou absorção molar (Lmol -1 cm -1 ) campo elétrico oscilante energia Constante de Planck (6, Js) radiação transmitida radiação incidente Abreviação ICP-OES ICP-MS λ M MP-AES T Definição plasma acoplado indutivamente espectroscopia de emissão óptica plasma acoplado indutivamente espectrometria de massas atômicas comprimento de onda campos magnéticos oscilantes espectroscopia de emissão atômica com plasma induzido por micro-ondas transmitância v frequência (s -1 ) XRF XRD fluorescência de raios X difração de raios X 26

27 Saiba mais Para obter mais informações sobre os produtos Agilent, acesse ou Você tem dúvidas sobre esta apresentação ou deseja dar sugestões? Entre em contato Publicação Título (materiais em inglês) No. da pub. Primer Aplicações de espectroscopia atômica no laboratório ambiental EN Primer Princípios de espectroscopia UV visível espectroscopia EN Brochura Brochura do portfólio de espectroscopia atômica (em português) PTBR Web e vídeos Imagens CHROMacademy acesso gratuito para alunos e funcionários da universidade a cursos on-line

28 OBRIGADO Número de publicação: PTBR 28