ANALÍTICA V 1S 2013 ESPECTROSCOPIA. Prof. Rafael Sousa. Notas de aula: - PDF
ANALÍTICA V 1S 2013 ESPECTROSCOPIA. Prof. Rafael Sousa. Notas de aula:
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Gonçalo Lancastre Santos
1 ANALÍTICA V 1S 2013 Aula 5: ESPECTROSCOPIA Espectrofotometria no UV-Vis Vis - Parte II Prof. Rafael Sousa Departamento de Química - ICE Notas de aula:
2 Relembrando a aula 4... Espectrofotometria: Medidas da luz que é absorvidaou ou emitida por uma espécie química Geralmente utilizada para determinar espécies orgânicas As diferentes substâncias apresentam máximos de absorção característicos As substâncias absorverem radiação por causa dos Grupos Cromóforos Processo envolve transições eletrônicas dos elétrons da camada de valência
3 Relembrando a aula 4... O processo de absorção da luz no laboratório CUBETA + ESPECTROFOTÔMETRO Radiação TRANSMITIDA Baixa transmitância Alta absorbância A=-log logt= logp 0 /P
4 Relação entre absorção e concentração = ANÁLISE QUÍMICA QUANTITATIVA (Lei de Lambert-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
5 Relação entre absorção e concentração = ANÁLISE QUÍMICA QUANTITATIVA (Lei de Lambert-Beer Beer) A A =a b C a= absortividade molar (ε: L mol - 1 cm - 1 ) b= caminho óptico (cm cm) C= concentração em (mol L - 1 ) α = a b Concentração MEDIDAS NAS MESMAS CONDIÇÕES comprimento de onda, caminho óptico e tipo de cubeta
6 Outra característica dos processos de absorção na região do visível A A cor de uma espécie é complementar àquela que ela 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 A região que contem o λde máxima absorção de uma espécie de interesse se a solução da amostra for colorida interesse pode ser prevista se a solução da amostra for colorida
7 Para Determinar a Concentração de uma espécie: Curvas analíticas em meio semelhante ao da solução de amostra (Calibração externa) Curvas de adição de padrão Preparação: 1-Adição da mesma quantidade de amostra em todos os balões 2- Adição de volumes crescentes de uma solução padrão exceto na solução 1 3- Diluição com solvente apropriado até o menisco
8 1) Aditividade PROPRIEDADES DA LEI DE BEER: Determinar a Concentração de Misturas(dois analitos: Me N) A A
9 PROPRIEDADES DA LEI DE BEER: 1) Aditividade Cálculospara determinar a Concentração de dois analitos: Me N 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) Exemplo desta propriedade Prática 6 Estudo espectrofotométrico de uma mistura de Cr 2 O 2-7 e MnO - 4
10 PROPRIEDADES DA LEI DE BEER 2) Limitações Válida para: Soluções diluídas (C < 0,01 mol L -1 ) Radiação monocromática Meio absorvedor deve ser homogêneo 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)
11 EVITAR OS Desvios da Lei de Lambert-Beer REAIS ou APARENTES 1) ) (Real) Interações entre os centros absorvedores ou instabilidade química 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
12 EVITAR OS Desvios da Lei de Lambert-Beer REAIS ou APARENTES 2)(Aparente) Influência de erros instrumentais - λ inadequado, radiação policromática ou espúria Ex de erro instrumental: II I I II A A Comprimento de onda Concentração
13 PARA CASA C2 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 comoph phda solução de amostra. Descreva, resumidamente, como essa análise deveria ser feita, considerando desde o preparo da amostra até aobtenção do resultado final.
14 INSTRUMENTAÇÃO Computadorizados ou não Pequenos Podem ser portáteis
15 Instrumentação da ESPECTROFOTOMETRIA Visível -Filtros ópticos ( nm) FOTÔMETROS (COLORÍMETROS) Ultra-violeta e visível - Monocromadores ( nm) ESPECTROFOTÔMETROS 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
16 Componentes instrumentais 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
17 Componentes instrumentais 2) SELETORES DE COMPRIMENTOS DE ONDA Isolar faixas estreitas de comprimentos de onda Diferentes dispositivos complexidade elargura da faixa de λ -Filtros - Monocromadores
18 Componentes instrumentais 2) SELETORES DE COMPRIMENTOS DE ONDA Ilustrando o funcionamento dos filtros:
19 Componentes instrumentais 2) SELETORES DE COMPRIMENTOS DE ONDA 1) FILTROS DE ABSORÇÃO - Constituído por uma ou mais substâncias -Isola bandas com no mín. 50 nm de largura -Usado na região do visível -(Principal vantagem) Baixo custo
20 SELETORES DE COMPRIMENTOS DE ONDA 2) FILTROS DE INTERFERÊNCIA Constituído por várias camadas Dielétrico com espessura de mesma ordem do λdesejado (t) -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... Fluoreto de cálcio ou magnésio A reflexão na superfície dos filmes metálicos anulam interferência destrutiva - os comprimentos de onda diferentes de t
21 SELETOR DE COMPRIMENTOS DE ONDA FILTROS - Resumindo os de interferência são mais eficientes: (larguras a meia altura) Filtros servem para selecionar faixas específicasde λ Monocromadores: isolam bandas estreitas ao longo do espectro Monocromadores: isolam bandas estreitas ao longo do espectro Mais versáteis Custo mais elevado que os filtros...
22 SELETOR DE COMPRIMENTOS DE ONDA MONOCROMADORES: PRISMAS E REDES(GRADES) DE DIFRAÇÃO Diferenças entre os índices de refração Fenômeno da interferência FORMA DE USO 1) Prisma(instrumentos mais antigos) 2) Grade(custo menor, espectrofotômetros mais compactos
23 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 de interesse EX: Monocromador de Czerny-Turner
24 Componentes instrumentais 3) COMPARTIMENTO (OU SUPORTE) DA AMOSTRA CELAS OUCUBETAS DE QUARTZO(UV-Vis) CELAS OU CUBETAS DE VIDRO(Vis) CELAS OU CUBETAS DE MATERIAL POLIMÉTRICO (Vis) 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
25 Componentes instrumentais 4) DETECTORES (TRANSDUTORES) DE SINAL CONVERSÃO DA RADIAÇÃO EM SINAL ELÉTRICO -Gera uma intensidade da corrente 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 Sensibilidade Fototubo <Sensibilidade semicondutores < Sensibilidade Fotomultiplicadora
26 4) DETECTORES (TRANSDUTORES) DE SINAL Semicondutores de silício para medida simultânea de vários ʎ(rapidez) Espectrofotômetro com arranjo linear de diodos
27 Componentes instrumentais INSTRUMENTOS FEIXE ÚNICO E DUPLO FEIXE OFEIXE DE RADIAÇÃO UTILIZADO PARA A MEDIDA DO BRANCO E DA AMOSTRA DEVEM TER A MESMA INTENSIDADE 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
28 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 (impurezas em concentrações abaixo do limite de detecção) Pode ser combinada com outras técnicas analíticas, instrumentais ou não, geralmente como ferramenta de detecção ex.: titulação espectrofotométrica (Prática 4)
29 PARA CASA C3) 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. C4) Em termos de configuração instrumental, cite uma vantagem de se utilizar um espectrofotômetro com um detector do tipo arranjo de diodos.
30 Bibliografia utilizada nesta aula 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
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA NATUREZA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Desenvolvimento de um fotômetro LED-Vis portátil