FCVA/ UNESP JABOTICABAL FUNDAMENTOS DA ESPECTROSCOPIA MOLECULAR UV-VISÍVEL. Prof a. Dr a. Luciana Maria Saran

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1 FCVA/ UNESP JABOTICABAL FUNDAMENTOS DA ESPECTROSCOPIA MOLECULAR UV-VISÍVEL Prof a. Dr a. Luciana Maria Saran

2 1. Introdução Espectroscopia é qualquer processo que utiliza a luz para medir as concentrações químicas. Baseia-se na análise da radiação eletromagnética emitida ou absorvida pelas substâncias. Espectroscopia UV-Visível: baseia-se em medidas de absorção da radiação eletromagnética, nas regiões visível e ultravioleta do espectro. Mede-se a quantidade de luz absorvida pela amostra e relaciona-se a mesma com a concentração do analito.

3 2. Radiação Eletromagnética Consiste em campos elétrico e magnético oscilando, que atravessam o espaço vazio a 3,00x10 8 m s -1. Figura 1. Radiação eletromagnética.

4 2. Radiação Eletromagnética É composta por: raios X e, radiação ultravioleta (UV), radiação visível, infravermelho, microondas e ondas de rádio. Propaga-se como uma onda. Grandezas relacionadas a uma onda: - Freqüência, ; - Comprimento de onda, ; - Amplitude, A.

5 3. Características de uma Onda a) Freqüência ( ): corresponde ao número de ciclos de onda (cristas ou vales sucessivos) que passam em um dado ponto por unidade de tempo. Unidade: hertz, s -1 (1 Hz = 1 ciclo por segundo). b) Comprimento de onda ( ): é a distância entre cristas sucessivas (ou vales sucessivos). Pode ser dado em metros (m), em nanômetros (nm) ou em qualquer unidade de comprimento que seja conveniente. c) Amplitude (A): corresponde a altura de uma crista (ou a profundidade de um vale).

6 (a) Comprimento de onda ( ) longo e baixa frequência ( ). (b) Comprimento de onda ( ) curto e alta frequência ( ). Figura 2. Ondas eletromagnéticas. (c) Mesmo comprimento de onda e mesma freqüência do que em (b), mas baixa amplitude.

7 4. Relações entre Energia (E), Frequência ( ) e Comprimento de Onda ( ) E = h. Planck) em que, h = 6,626x10-34 J.s (constante de. = c em que, c = 2,998x10 8 m/s (velocidade da luz no vácuo) E = h.c/ Destas equações conclui-se que: - Energia Alta freqüência ( ) alta e pequeno - Energia Baixa freqüência baixa ( ) e grande

8 Figura 3. Espectro eletromagnético. Segmento ampliado do Espectro Visível

9 Radiação Ultravioleta: é a radiação de frequência mais alta do que a da luz violeta. Seu comprimento de onda é inferior a 400 nm. Radiação Infravermelha: é a radiação que conhecemos como calor, tem frequência mais baixa e comprimento de onda maior do que a luz vermelha. Seu comprimento de onda é maior do que 800 nm. Radiação Visível: é aquela que os nossos olhos enxergam, ou seja, corresponde a radiação eletromagnética com comprimentos de onda no intervalo de 400 à 800 nm.

10 Figura 4. Decomposição da luz branca (policromática) nos seus componentes monocromáticos.

11 5. Absorção de Luz A absorção de radiação UV-Visível se deve ao fato das moléculas apresentarem elétrons que podem ser promovidos a níveis de energia mais elevados mediante a absorção de energia. Em alguns casos a energia necessária é proporcionada pela radiação com comprimentos de onda no visível e o espectro de absorção estará na região visível. Em outros casos, é necessária energia maior, associada à radiação ultravioleta.

12 Figura 5. Espectro eletromagnético, mostrando os processos moleculares que ocorrem quando a luz é absorvida em cada região.

13 6. Espectros de Absorção Um espectro de absorção é um gráfico mostrando como a absorbância, A (ou a absortividade, ) varia com o comprimento de onda,. Figura 6. Espectros de absorção de alguns compostos orgânicos.

14 6. Espectros de Absorção Figura 7. (a) Espectro visível projetado da luz branca, dicromato de potássio, azul de bromofenol e fenoltaleína (de cima para baixo). (b) Espectro de absorção visível dos mesmos compostos registrados com um espectrofotômetro.

15 A percepção visual da cor depende da absorção seletiva de certos comprimentos de onda da luz incidente pelo objeto colorido. Os demais comprimentos de onda são refletidos ou transmitidos de acordo com a natureza do objeto e são percebidos pelo olho como a cor do objeto. Objeto branco: reflete igualmente todos os comprimentos de onda. Objeto preto: reflete pouca luz de qualquer comprimento de onda.

16 Se a luz vermelha for absorvida da luz branca, então a luz transmitida ou refletida será verde. Entretanto, se a luz verde for removida, a luz que aparecerá será vermelha. As cores vermelho e verde são cores complementares, ou seja, cada uma é a cor que permanece depois que a outra é removida.

17 Neste círculo de cores, as cores complementares entre si estão localizadas em posições opostas. Figura 8. Roda de cores.

18 Tabela 1. Cores da Luz Visível. Comprimento de Onda de Máxima Absorção (nm) Cor Absorvida Cor Observada Violeta Verde-amarelo Violeta-azul Amarelo Azul Laranja Azul-verde Vermelho Verde Roxo Amareloverde Violeta Amarelo Violeta-azul Laranja Azul Vermelho Azul-verde Roxo Verde

19 Exercício 1. O íon Cr(II) em água, [Cr(H 2 O) 6 ] 2+, absorve luz com comprimento de onda de 700 nm. Qual a cor da solução? Justifique.

20 7. Colorimetria A base de uma análise colorimétrica é a variação de cor da solução em função da concentração do analito. A cor da solução é, usualmente devida, à formação de um composto colorido pela adição de um reagente apropriado ou é inerente ao constituinte que se deseja analisar. A intensidade da cor é comparada com a intensidade da cor que se obtém com o mesmo procedimento pelo tratamento de uma amostra cuja quantidade e concentração são conhecidas.

21 7. Colorimetria Figura 9. Comparação de cor.

22 Absorvância Exercício 2. Uma solução padrão de determinado corante orgânico exibe o espectro de absorção a seguir. a) Considere a análise quantitativa deste composto, por espectrofotometria e especifique em que comprimento de onda você realizaria tal análise. Justifique sua resposta. b) Especifique a cor predominante da luz absorvida e a cor da luz transmitida pela solução em questão. Justifique sua resposta. 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Comprimento de Onda (nm)

23 8. Lei de Beer-Lambert Fonte de Luz Seletor de (Monocromador) P 0 Amostra P Detector de Luz b Figura 10. Diagrama esquemático de um experimento espectrofotométrico. No diagrama acima: - P 0 : radiação incidente; - P: radiação transmitida; - b ou l: passo óptico ou caminho óptico.

24 8. Lei de Beer-Lambert Transmitância, T: fração da radiação incidente que é transmitida pela amostra. T = P/P 0 EQ. 1 A transmitância percentual ou porcentagem de transmitância é simplesmente 100T. Absorvância ou Absorbância (A): A = - log T EQ. 2 A = a.l.c EQ. 3

25 8. Lei de Beer-Lambert Exercício 3. Qual o valor da absorbância correspondente à T = 45%? Se uma solução 0,01 mol/l exibe T = 45%, qual será a porcentagem de transmitância para uma solução do mesmo composto de concentração igual a 0,02 mol L -1. Resp.: A = 0,346; %T = 20%

26 8. Lei de Beer-Lambert A Eq. 3, conhecida como Lei de Beer-Lambert, é a equação fundamental da espectrofotometria e mostra que a absorvância é diretamente proporcional a concentração da espécie que absorve radiação de um dado. Na EQ. 3: A = a.l.c EQ. 3 A: absorbância ou absorvância a: absortividade l: caminho óptico ou passo óptico c: concentração da espécie absorvente ou analito.

27 8. Lei de Beer-Lambert Na figura abaixo, a absorbância, como é evidenciado pela cor, é proporcional à concentração de ferro. Figura 11. Balões volumétricos contendo [Fe(fenatrolina) 3 ] 2+ com concentrações de Fe na faixa entre 1 mg L -1 (esquerda) até 10 mg L -1 (direita).

28 8. Lei de Beer-Lambert A absortividade, a: - Depende do comprimento de onda e da natureza do material absorvente. - Pode ser expressa, por exemplo, em cm -1 g -1 L ou em cm -1 mol -1 L, dependendo das unidades da concentração, c. - É expressa em cm -1 mol -1 L, quando a concentração,c, estiver em mol/l. Neste caso, a absortividade recebe o símbolo e é denominada absortividade molar ou coeficiente de absorção molar ou ainda, coeficiente de extinção molar (na literatura mais antiga).

29 8. Lei de Beer-Lambert Exercício mg de um composto, que apresenta massa molar = 384,63 g mol -1, foram dissolvidas em água preparando-se 5,00 ml de solução. 1,00 ml dessa solução foi diluído à 10,0 ml. a) Qual a concentração da solução preparada inicialmente? b) Qual a concentração da solução diluída do composto? c) Considerando que a solução diluída foi transferida para uma cubeta de 0,5 cm de caminho ótico e que a absorbância desta solução foi medida em = 495 nm, sendo A = 0,634, calcule a absortividade molar ( ) do composto no comprimento de onda em questão. Resp.: 7,80x10-3 mol L -1 ; 7,80x10-4 mol L -1 ;1626 cm -1 mol -1 L

30 Em espectrofotometria UV-visível, l é geralmente igual a 1,00 cm. Um gráfico de A versus c fornece uma reta. A inclinação desta reta corresponde a absortividade do analito, num dado. Esse gráfico é denominado curva analítica ou curva de calibração. A Curva Analítica ou Curva de Calibração Quanto maior a absortividade molar ( ) maior a absorvância. ) C analito (mol L -1 )

31 8. Lei de Beer-Lambert (Desvios) A lei de Beer descreve o comportamento da absorção apenas para soluções diluídas. Em concentrações acima de 0,01 mol L -1, haverá desvios da relação linear entre a absorvância e a concentração. Ocorrem desvios quando o soluto colorido ioniza-se dissocia-se ou se associa em solução. Altas concentrações de eletrólitos leva a um afastamento da lei de Beer. Ocorrem discrepâncias quando a luz usada não é monocromática.

32 9. Instrumentação O instrumento necessário para uma análise espectrofométrica é o Espectrofotômetro. As partes essenciais de um espectrofotômetro são: - Fonte de energia; - Monocromador; - Células (ou cubetas) de vidro, ou de quartzo, para o branco e para a amostra; - Detector.

33 Espectrofotômetro Cubeta contendo a amostra P 0 P

34 9. Funcionamento do Espectrofotômetro A luz proveniente de uma fonte contínua passa por um monocromador, que seleciona uma estreita faixa de comprimentos de onda do feixe incidente. Essa luz monocromática passa pela amostra de comprimento b, e a energia radiante da luz emergente é medida (vide diagrama abaixo). Fonte de Luz Seletor de (Monocromador) P 0 Amostra P Detector de Luz l Figura 12. Diagrama esquemático de um experimento espectrofotométrico.

35 Espectrofotômetro

36 Espectrofotômetro para a Região Visível Figura 13. Espectrofotômetro modelo Spectronic 20. Espectrofotômetro de feixe simples.

37 Espectrofotômetro para as Regiões UV-Visível Figura 14. Espectrofotômetro Varian Cary 3E Ultravioleta-Visível. Espectrofotômetro de Feixe Duplo.

38 Fontes de Radiação Lâmpada de Deutério ( : nm) Lâmpada de Tungstênio ( : nm)

39 Compartimento para a Amostra Células ou Cubetas

40 10. Precauções Para uma análise espectrofotométrica, geralmente escolhe-se o comprimento de máxima absorvância ( max ). Justificativa: a sensibilidade da análise é maior na absorvância máxima. É desejável ajustar a concentração da amostra de forma que a sua absorvância fique dentro seguinte faixa: 0,4 A 0,9; pois a maioria dos espectrofotômetros exibe o mínimo de incerteza dentro desse intervalo. O local da amostra deve estar vedado à luz. Todos os recipientes devem ser cobertos para impedir a entrada de poeira, pois o pó dispersa a luz.

41 10. Precauções O manuseio das cubetas deve ser feito com um tecido, para impedir que as pontas dos dedos entrem em contato com as faces. Mantenha os dedos longe das faces limpas da cubeta, pois as impressões digitais dispersam e absorvem a luz. Para leituras precisas, é importante posicionar a cubeta no espectrofotômetro da maneira mais reprodutível possível. Justificativa: uma variação aleatória na absorvância surge de pequenas diferenças da posição da cubeta no seu suporte.

42 11. Aplicações na análise de amostras de interesse agronômico Determinação dos teores de fósforo e de matéria orgânica em amostras de solo. Determinação dos teores de N, P, Mo, Cu, Fe e Al em amostras de tecido vegetal. Determinação dos teores de P, B, Zn e Mn, entre outros elementos, em amostras de fertilizantes.