QUÍMICA ANALÍTICA FUNDAMENTOS ANÁLISES ESPECTROFOTOMÉTRICA

QUÍMICA ANALÍTICA FUNDAMENTOS ANÁLISES ESPECTROFOTOMÉTRICA Prof.a. Dra. Renata P. Herrera Brandelero Dois Vizinhos 2012

Bibliografias 1. SKOOG, WEST, HOLLER, CROUCH, Fundamentos de Química Analítica, Tradução da 8ª Edição norte-americana, Editora Thomson, São Paulo-SP, 2006. 2. VOGEL, Análise Química Quantitativa, 6ª Edição, LTC Editora, Rio de Janeiro-RJ, 2002. 3. HARRIS, DANIEL C., Análise Química Quantitativa, 6ª Edição, LTC-Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., Rio de Janeiro-RJ, 2005. 4. CHRISTIAN, G. D., Analytical Chemistry, Fifth Edition, Jhon Wiley & Sons, Inc., New York-EUA, 1994. 5. SKOOG, HOLLER, NIEMAN, Princípios de Análise Instrumental, 5ª Edição, Editora Bookman, São Paulo-SP, 2002.

MÉTODOS ÓPTICOS (ou Espectrofotométricos) São métodos que tem como principio determinar as alterações que ocorrer quando a matéria (prótons, neutros e elétrons) interage com a energia radiante. Aplicações: na área de ciência agrárias são inúmeras as aplicações para os métodos, cito algumas: -Determinação do P, K, Ca e Mg entre outros metais em solos e em águas. -Análise de fertilizantes. -Determinação do teor de açúcar em extratos de plantas. -Determinação de metais pesados em água. -Determinação de pigmentos (antocianinas). Professor, Palestrante: BRANDELERO, R. P. H. COAGRI, PROGRAD, Slide: 00/00

Radiação Eletromagnética RADIAÇÕES DE INTERESSE EM ANALÍTICA

Radiação Eletromagnética A radiação eletromagnética é formada por partículas como fótons. Estas partículas embora corpusculares propagam-se no espaço como se fossem uma onda, assumindo comportamento ondulatório. Podem ser classificadas como não-ionizantes (luz, microondas, radiofrequência, infravermelh o) e ionizantes (ultra violeta, raio X e raios gama).

Radiação Eletromagnética A radiação eletromagnética pode ser descrita como uma onda, assim ela é caracterizada pela freqüência, amplitude e pelo comprimento de onda. A onda eletromagnética é mais veloz que as ondas sonoras e não necessita de um meio material para propagação. A onda eletromagnética é composta por dois tipos de onda: elétrica e magnética.

Radiação Eletromagnética Comprimento de onda: é a distância entre dois máximos ou mínimos sucessivos. É representada pelo letra grega λ (lambda)

OUTRAS DEFINIÇÕES FREQUÊNCIA DE ONDA -É o número de oscilação da onda em determinado intervalo de tempo, é representada pela letra, pode ser definida como o inverso do período. A freqüência não altera-se quando passa por um meio material, mas a velocidade da onda é alterada, assim a velocidade depende do comprimento de onda. A velocidade é dada por: V = f.λ V=velocidade da onda dada em cm s -1 ou m s -1. f= freqüência (1/s). λ=comprimento de onda (cm ou m).

O comprimento de onda modifica-se conforme o meio por onde a radiação penetra.

Radiação Eletromagnética A energia da radiação pode ser medida pela potência radiante (P) que é dada em watts. A energia pode ser calculada utilizando a seguinte equação: E=hʋ, onde h é a constante de Planck (6.626 x 10-34 ) e f=frequência. Como fλ=v, sendo que V=c, onde c é a velocidade da luz (2,998 x 10 8 m/s). c = fλ ou f=c/λ, assim temos: E=h c λ A partir desta equação podemos concluir que a energia da radiação é proporcional ao comprimento de onda

Calcule a energia em joules de um fóton de uma radiação no infravermelho com comprimento de onda de 5,00 µm. Constante de Planck h=6,63x10-34 j.s e velocidade de luz no vácuo 3,00x10 8 m.s -1 Usando a equação que correlaciona energia e comprimento de onda, temos: E = 6,63x10-34 j.s x 3,00 x 10 10 cm.s -1 x 5.10-4 cm E= 3,98x10-22 j

Comprimento de onda e radiação eletromagnética

A luz visível é composta de partículas de energia chamada de fótons, os fótons interagem com a matéria. Quando os fótons colidem com os elétrons ocorre uma transferência de energia radiante para os mesmos excitando-os para um nível maior de energia, neste caso o elétron é chamado de excitado. O efeito dos fótons sobre a matéria é conhecido como fotoionização, sendo estes o processo responsável pela transição eletrônica que fundamenta a absorciometria.

Transição eletrônica A energia é absorvida pelo elétron no estado fundamental E 0, elevando o elétron para o nível E 1 sempre que a energia absorvida for igual a diferença entre o nível E o e E 1. Após, os elétrons voltam ao estado fundamental (E o ) liberando uma quantidade menor de energia absorvida.

ABSORÇÃO DA LUZ PELA CLOROFILA processo fundamental para a realização da fotossíntese. Espectro de absorção no UV-VIs

Absorção de Luz Como vimos a luz pode interagir com a matéria, assim podemos dizer que quando os elétrons são excitados pela radiação uma quantidade específica de energia (igual a diferença energética entre os níveis eletrônicos) ou de radiação foi absorvida. Podemos dizer que a energia de radiação ao atravessar matéria é atenuada, a atenuação da energia pode ser quantificada.

Absorção de Luz A atenuação da radiação, também chamada de absorção da radiação pode ser quantificada pela Lei de Beer-Lambert. " A intensidade de um feixe de luz monocromático decresce exponencialmente à medida que a concentração da substância absorvente aumenta aritmeticamente ". P=P o.10 kc Onde: P intensidade de radiação atenuada, PIo intensidade de radiação original, k coeficiente de absorção e c concentração da espécie absorvente

Absorção da luz Pode-se escrever a Lei de Beer em função da potência de radiação (P), assim T = P P 0 Onde T é chamado de transmitância e consiste na fração de luz que passa pela amostra. P é a potencia de radiação atenuada e Po é potência de radiação original radiada pela fonte. Matematicamente os valores de T estão entre 0 a 1. A transmitância percentual é 100T e está entre 0 e 100%.

Absorção da Luz A absorbância é definida como a quantidade de luz que a amostra absorveu, sendo representada por A. A absorbância é o inverso do logarítmico da transmitância e pode ser definida como: P A= log o = logt P

Associando a lei de potencia radiante com a de intensidade de radiação E P=P o.10 kc Absorção da Luz Po A= log = logt P Podemos chegar numa relação onde - logt=kc, fazendo k=ε.b, podemos escrever a seguinte equação A =ε. bc. (equação geral de absorciometria) onde ε =absortividade molar (mol.cm -1 )e b=caminho óptico (cm)

Quando nenhuma luz é absorvida A=0, pois P o = P e log de 1 é zero. Se 90% da luz é absorvida isto significa que a T=10% e A=- log 0,10, A=1. Se 1% da luz é transmitida, A=- log 0,01, então A=2. A absorbância é muito importante porque ela é proporcional aos centros de absorção, ou seja à concentração (c) da substância absorvente. Esta relação entre A e c é base para diferentes métodos analíticos.

A absortividade molar ε (épsilon) é uma característica da substância absorvente, e indica qual a quantidade de luz (por mol) que é absorvida num determinado comprimento de onda pela substância absorvente. O valor de ε muda conforme o comprimento de onda assim a absorbância (A) também altera com o comprimento de onda. Qualquer substância que absorva luz é chamada de cromóforo, ou seja, uma substância absorvente é colorida quando a luz branca (composta de todas as cores) passa através dela, assim a cor que visualizamos na solução é o reflexo dos comprimentos de onda transmitidos, ou seja, a luz branca subtraída dos comprimentos de onda absorvidos, a cor complementar da radiação é o que visualizamos.

Lei de Beer-Lambert - Soluções químicas absorventes

O caminho óptico é representado por b, corresponde a distância que luz percorre através da amostra. Nas análises o caminho óptico é padronizado, geralmente, igual a 1cm. No métodos de absorção da luz visível/uv utiliza-se as cubetas para padronizar o caminho óptico.

Comportamento conforme a Lei de Beer-Lambert SEMPRE QUE FOR POSSÍVEL ESTABELECER UM COMPORTAMENTO LINEAR, COM A RETA PASSANDO PELO ZERO, ENTRE A ABSORBÂNCIA E A CONCENTRAÇÃO DO ANALITO A LEI DE BEER-LAMBERT ESTÁ SENDO OBDECIDA.

Limitações da Lei de Beer A lei de Beer-Lambert estabelece que a absorção é proporcional á concentração da substância absorvente. Realmente só pode ser aplica para radiações monocromáticas e quando as soluções estão bastante diluídas (0,01M). A lei de Beer pode sofrer desvios químicos e instrumentais.

Desvios químicos - Sempre que a absortividade altera durante a análise por fatores como dissociação, associação ou reação do analito com o solvente, a lei de Beer não pode ser aplicada. Em soluções concentradas as moléculas do soluto ficam muito perto uma das outras e podem interagir alterando a energia absorvida para realizar as transições eletrônicas, o soluto torna-se solvente, nestas condições ocorre desvios da lei de Beer. Valores de absorção entre 0,2 e 0,8 são ideais para evitar os desvios da Lei de Beer-Lambert.

Desvios Instrumentais relacionado com a seleção do comprimento de onda da radiação monocromática desejada.uma vez que a absortividade molar é influenciada pelo comprimento de onda. Assim um radiação que não é monocromática não segue a lei A=εbc, uma vez que o valor de ε não é igual em comprimento de onda diferentes. Assim deve utilizar a faixa de comprimento de onda que leva a menor variação na absortividade molar, ou seja a região de maior absorbância para a espécie a ser analisada.

Região de menor variação da A com λ

Átomos e moléculas podem absorver ou emitir a radiação eletromagnética. O princípio está na capacidade dos elétrons excitarem-se e realizar as transições eletrônicas. A energia atenuada pode ser medida e correlacionada com a concentração dos átomos e moléculas pela lei de Beer-Lambert. As moléculas podem ainda realizar transições vibracionais e rotacionais, também atenuando a radiação de uma fonte.

Transição eletrônica

Espectrometria de absorção molecular no Visível e UV Faixa de trabalho UV: 200 400 nm Faixa de trabalho Visível: 400 760 nm. Abaixo de 200 nm quase todas as moléculas orgânicas absorvem. Absorção no UV-visível: presença de cromóforos. Cromóforos: grupos funcionais que absorvem radiação eletromagnética na faixa de trabalho utilizada.

Espectrometria de absorção molecular no Visível e UV Centos absorventes elétrons de ligações do tipo σ-σ necessitam de muita energia para a transição eletrônica, só na UV abaixo de 180 nm oa vácuo. Já elétrons do tipo π são fáceis de migrar para orbitais mais energéticos, assim transições do tipo π π ou π- σ, assim substâncias orgânicas insaturadas são bons cromóforos. Substâncias orgânicas com heteroátomos como oxigênio, hidrogênio e halogênios apresentam elétrons não ligantes que podem ser facilmente excitados (170-250nm). Substâncias iônicas e complexos absorvem radiação UV-VIS sempre que os elétrons migrarem para orbitais d não preenchidos. Complexos realizam absorção na radiação VIS e UV por transferência de carga (reações de oxidoredução).

EQUIPAMENTOS PARA ANÁLISE NO UV-VIS Os espectrofotômetros são equipamentos que possibilitam a análise da absorção no UV-VIS, são compostos dos seguintes componentes: fontes, seletores de comprimento de onda (monocromadores), cubetas, detector, processador e leitor de saída (digital ou analógico).

Espectrofotômetros EVOLUÇÃO DOS ESPECTROFOTÔMETROS

FONTES As fontes são lâmpadas que emitem radiações na faixa do visível e na faixa do UV. Lâmpadas na faixa do visível são as de filamento de tungstênio que emite radiação de cor branca (400 a 760 nm). Lâmpadas na faixa do UV são as de filamento de deutério e emitem radiação na faixa de 200 a 400 nm.

Recipientes para amostras As amostras podem ser alojadas em cubetas que podem ser de acrílico, vidro ou quartzo. O material da cubeta não deve sofrer absorção na faixa espectral utilizada na técnica analítica. Podemos classificar o uso da seguinte forma: acrílico e Podemos classificar o uso da seguinte forma: acrílico e vidro (glass) para análises no VIS e as de quartzo para análise no UV. O caminho (valor de b) óptico do feixe de radiação é padronizado em 1 cm.

Monocromadores UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

http://www.youtube.com/watch?v=r4zt3g2-ryg Assista ao vídeo sobre o funcionamento do espectrofotômetro, acessando o link: http://www.youtube.com/watch?v=r4zt3g2-ryg

Os fototubos e os fotomultiplicadores são utilizados nos fotômetros e espectrofotômetros

Método Qualitativo O método é qualitativo quando conseguimos expressar a absorbância em relação á concentração do analito. Para tal é necessário respeitar um protocolo de análise, neste protocolo alguns pontos devem ser bem definidos, tais como: oanalito (substância a ser analisada) deve ser um bom cromóforo; osolvente (considerado branco deve ser transparente ao comprimento de onda); oo equipamento deve ser calibrado para transmitância igual a zero antes da leitura, utiliza-se um branco que pode ser um solvente ou água destilada (a água sofre absorção em comprimentos de onda abaixo de 180 nm) oo comprimento de onda utilizado deve o de máxima absorção. odeve estabelecer um curva padrão que mostre que o analito comporta-se em conformidade com a Lei de Beer-Lambert.

CURVA PADRÃO Soluções de diferentes concentrações resultaram nos dados de absorbância abaixo,a partir destes dados, responda: - O sistema de análise segue a Lei de Beer-Lambert (construa a curva padrão). - Qual o valor da absortividade específica do composto (0,031mg%.cm -1 ). - Se um amostra apresentar absorbância igual a 0,097 qual a concentração do analito em mg%. (3,19 mg%)

Curva padrão apresenta relação linear entre absorbância e concentração

Questionário: 1. Por que uma solução de Cu(NH 3 ) 4 2+ é azul? 2. Qual é a relação entre (a) absorbância e transmitância? (b) (b) absortividade a e absortividade molar? 3. Calcule a freqüência em hertz de (a) um feixe de raios X com comprimento de onda igual a 2,97 Å. (b) uma linha de emissão do cobre a 324,7 nm. (c) a linha a 632,8 nm produzida pelo laser de He-Ne. (d) a saída de um laser de CO2 a 10,6 mm. (e) um pico de absorção infravermelho a 3,75 mm. (f ) um feixe de microondas de 1,86 cm. 3. Expresse as seguintes absorbâncias em termos de porcentagem de transmitância: (a) 0,0350 (b) 0,936 (c) 0,310 (d) 0,232 (e) 0,494 (f ) 0,104 4. Converta os seguintes dados de transmitâncias para as respectivas absorbâncias: (a) 22,7% (b) 0,567 (c) 31,5% (d) 7,93% (e) 0,103 (f ) 58,2%

5. Avalie as quantidades que faltam na tabela a seguir. Quando necessário, use o valor 200 como massa molar do analito.

6) Uma forma comum de determinar fósforo em urina consiste em tratar a mostra, com molibdênio(vi) após se remover as proteínas,e então reduzir o complexo 1,2-molibdofosfato com ácido ascórbico para fornecer uma espécie de cor azul intensa. A absorbância do azul de molibdênio pode ser medida a 650 nm. Um paciente produziu 1.122 ml de urina em 24 horas.uma alíquota de 1,00 ml da amostra foi tratada com Mo(VI) e ácido ascórbico e foi diluída para um volume de 50,00 ml. Uma curva analítica foi preparada tratandose alíquotas de 1,00 ml de soluções padrão de fosfato da mesma forma que a amostra de urina. As absorbâncias dos padrões e da amostra de urina foram medidas a 650 nm,obtendo-se os seguintes resultados: Calcule o teor de fósforo em ppm na amostra. Absorbância 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 y = 0,210x + 0,009 R² = 0,999 0 1 2 3 4 5 Concentração (ppm)