ANALÍTICA V – 1S 2013

Aula 5: 0404--0606--1313

ESPECTROSCOPIA

Espectrofotometria no UVEspectrofotometria no UV--Vis Vis -- Parte IIParte II

Prof. Rafael Sousa

Departamento de Química Departamento de Química -- ICEICE

rafael.arromba@ufjf.edu.brrafael.arromba@ufjf.edu.br

Notas de aula: www.ufjf.br/baccan

Relembrando a aula 4...Relembrando a aula 4...

EspectrofotometriaEspectrofotometria::Medidas da luz que é Medidas da luz que é absorvidaabsorvida ou ou emitidaemitida por uma espécie químicapor uma espécie química

�� Geralmente utilizada para determinar Geralmente utilizada para determinar espécies orgânicasespécies orgânicas

�� As diferentes substâncias apresentam As diferentes substâncias apresentam máximos de absorção característicosmáximos de absorção característicosmáximos de absorção característicosmáximos de absorção característicos

�� As substâncias absorverem radiação por causa dos As substâncias absorverem radiação por causa dos Grupos Cromóforos Grupos Cromóforos

ProcessoProcesso envolveenvolvetransições eletrônicas dos elétrons da camada de valênciacamada de valência

O processo de O processo de absorção da luz absorção da luz no laboratóriono laboratório

�������� CUBETA CUBETA ++ ESPECTROFOTÔMETROESPECTROFOTÔMETRO

Relembrando a aula 4...Relembrando a aula 4...

Radiação TRANSMITIDARadiação TRANSMITIDA

� BaixaBaixa transmitância � AltaAlta absorbância

A=A= -- loglog T= T= loglog PP00/P /P

Relação entre absorção e concentração = ANÁLISE QUÍMICA QUANTITATIVARelação entre absorção e concentração = ANÁLISE QUÍMICA QUANTITATIVA

(Lei de Lambert(Lei de Lambert--BeerBeer))

JohannJohann HeinrichHeinrich LambertLambert ((17281728 –– 17771777)) observou quea intensidade da luz transmitida por um meio absorvedorera proporcional à espessura do meio pelo qual a luz passava

AugustAugust BeerBeer ((18251825 –– 18631863)) observou que a intensidade daluz transmitida por um meio absorvedor era proporcional àconcentração da espécie absorvedora

Relação entre absorção e concentração = ANÁLISE QUÍMICA QUANTITATIVARelação entre absorção e concentração = ANÁLISE QUÍMICA QUANTITATIVA(Lei de (Lei de LambertLambert--BeerBeer))

�������� A =A = a b a b CCA A

aa= absortividade molar (= absortividade molar (εε: L mol : L mol --11cmcm--11))

bb= caminho óptico (= caminho óptico (cmcm))

Concentração Concentração

α = α = a ba b

�� MEDIDAS NAS MESMAS CONDIÇÕESMEDIDAS NAS MESMAS CONDIÇÕEScomprimento de onda, caminho óptico e tipo de comprimento de onda, caminho óptico e tipo de cubetacubeta

bb= caminho óptico (= caminho óptico (cmcm))

CC= concentração em (= concentração em (mol Lmol L--11))

Outra característica dos processos de absorção na região do Outra característica dos processos de absorção na região do visívelvisível

Solução Solução verdeverde--amareladaamarelada absorve absorve violetavioletaamarela violetaamarela violeta--azulazullaranjalaranja azulazulvermelhavermelha azulazul--verdeverde

�������� A cor de uma espécie é complementar àquela que “ela” absorve:A cor de uma espécie é complementar àquela que “ela” absorve:

vermelhavermelha azulazul--verdeverdepúrpurapúrpura verdeverdevioletavioleta verdeverde--amareloamarelovioletavioleta--azuladoazulado amareloamareloazulazul laranjalaranjaazulazul--esverdeadoesverdeado vermelhovermelhoverdeverde púrpurapúrpura

�������� A região que contem A região que contem o o λλ de máxima absorção de máxima absorção de uma espécie de de uma espécie de

interesse interesse pode ser prevista pode ser prevista se a solução da amostra for coloridase a solução da amostra for colorida

•• Curvas analíticas Curvas analíticas em meio semelhante ao da solução de amostra (Calibração externa)em meio semelhante ao da solução de amostra (Calibração externa)

•• Curvas de Curvas de adição de padrãoadição de padrão

Para Determinar a Concentração de uma espécie:

Preparação:

1- Adição da mesma quantidade de amostra em todos os balões2- Adição de volumes crescentes de uma solução padrão exceto na “solução 1”3- Diluição com solvente apropriado até o menisco

PROPRIEDADES DA LEI DE BEER: PROPRIEDADES DA LEI DE BEER: 1)1) AditividadeAditividade

Determinar a Concentração de Misturas (dois (dois analitosanalitos: : MM e e NN))

AA´́´́

AA´́

PROPRIEDADES DA LEI DE BEER: PROPRIEDADES DA LEI DE BEER: 1)1) AditividadeAditividade

Cálculos para determinar a Concentração de dois dois analitosanalitos: : MM e e NN

εε’s devem ser conhecidos em’s devem ser conhecidos em

todos os comp. onda (todos os comp. onda (λλ’ e ’ e λλ’’)’’)

Considerar as espécies

independemente (não existe interação)

A’A’ = = εε’’MM . b . . b . ccMM + + εε’’NN . b . . b . ccNN

A’’ A’’ = = εε’’’’MM . b . . b . ccMM + + εε’’’’N N . b . . b . ccNN

ResultadoResultado �������� Cálculos matemáticos (resolução de sistemas)Cálculos matemáticos (resolução de sistemas)

Exemplo desta propriedade Exemplo desta propriedade �������� Prática 6Prática 6

Estudo espectrofotométrico de uma mistura de CrEstudo espectrofotométrico de uma mistura de Cr22OO7722-- e MnOe MnO44

--

PROPRIEDADES DA LEI DE BEER PROPRIEDADES DA LEI DE BEER

2) “Limitações”2) “Limitações”

Válida paraVálida para::

��Soluções diluídas (Soluções diluídas (C < 0,01 mol L-1) ) ��Soluções diluídas (Soluções diluídas (C < 0,01 mol L-1) )

��Radiação monocromáticaRadiação monocromática

��Meio absorvedor deve ser homogêneo e estávelMeio absorvedor deve ser homogêneo e estável

�������� Todas as medidas (padrões e amostras) : Todas as medidas (padrões e amostras) :

celas o mais “parecidas” possíveis celas o mais “parecidas” possíveis (para compensar perdas de(para compensar perdas de

potência da radiação incidente por potência da radiação incidente por reflexãoreflexão e e espalhamentoespalhamento))

EVITAR OS “Desvios” da Lei de EVITAR OS “Desvios” da Lei de LambertLambert--BeerBeerREAISREAIS ouou APARENTESAPARENTES

11) (Real) Interações entre os centros absorvedores ) (Real) Interações entre os centros absorvedores ouou instabilidade químicainstabilidade química

Ex de Ex de instabilidade químicainstabilidade química: :

equilíbrio entre os ânions equilíbrio entre os ânions dicromatodicromato e e cromatocromato

Cr2O72- + H2O 2H+ + 2CrO4

2-

350 350 nmnm 373 373 nmnm

�������� Espécies que podem participar de equilíbrio químico em soluçãoEspécies que podem participar de equilíbrio químico em soluçãodevem ser analisadas em um devem ser analisadas em um meio onde apenas uma espécie predominemeio onde apenas uma espécie predomine

22)) (Aparente) Influência de erros instrumentais (Aparente) Influência de erros instrumentais --λ inadequado, radiação policromática ou espúria

Ex de Ex de erro instrumentalerro instrumental::

III

EVITAR OS “Desvios” da Lei de EVITAR OS “Desvios” da Lei de LambertLambert--BeerBeerREAIS REAIS ouou APARENTESAPARENTES

A

II

I II

A

Comprimento de onda Concentração

PARA “CASA”PARA “CASA”

CC22 ––SuponhaSuponha queque aa análiseanálise dede umum fármacofármaco devadeva serser feitafeita emem triplicata,triplicata, porpor umum métodométodo

espectrofotométricoespectrofotométrico ee queque aa espécieespécie absorvedoraabsorvedora apresentaapresenta umum máximomáximo dede

absorbânciaabsorbância queque variavaria comcom oo pHpH dada soluçãosolução dede amostraamostra.. Descreva,Descreva, resumidamente,resumidamente,

comocomo essaessa análiseanálise deveriadeveria serser feitafeita,, considerandoconsiderando desdedesde oo preparopreparo dada amostraamostra atéaté

aa obtençãoobtenção dodo resultadoresultado finalfinal..aa obtençãoobtenção dodo resultadoresultado finalfinal..

INSTRUMENTAÇÃOINSTRUMENTAÇÃO

Computadorizados ou nãoComputadorizados ou não

“Pequenos”“Pequenos”“Pequenos”“Pequenos”

Podem ser portáteisPodem ser portáteis

Instrumentação Instrumentação da ESPECTROFOTOMETRIA da ESPECTROFOTOMETRIA

FOTÔMETROSFOTÔMETROS(COLORÍMETROS)(COLORÍMETROS) ESPECTROFOTÔMETROSESPECTROFOTÔMETROS

VisívelVisível--Filtros ópticos (Filtros ópticos (380 380 –– 780 780 nmnm))

UltraUltra--violeta e visívelvioleta e visível-- Monocromadores (Monocromadores (200 200 –– 1000 1000 nmnm))

Fonte de

LuzAmostra

Seletor deComprimentode Onda h ν

Detector

Fotométrico

Processador

0.102 UA

Fonte de

LuzAmostra

Seletor deComprimentode Onda h ν

Detector

Fotométrico

Processador

0.102 UAh ν

a

b

Componentes básicos (duas configurações: Componentes básicos (duas configurações: aa e e bb):):

Componentes instrumentaisComponentes instrumentais

1) 1) FONTE DE LUZFONTE DE LUZ

REGIÃO DO VISÍVELREGIÃO DO VISÍVELREGIÃO DO ULTRAREGIÃO DO ULTRA--VIOLETAVIOLETA

200 200 nmnm 390 390 nmnm 800 800 nmnm

• Lâmpadas de Deutério• Lâmpadas de Hidrogênio

• Lâmpadas de filamento de Tungstênio• Lâmpadas de Hidrogênio

160 – 375 nm

320 – 2500 nmpodem ser halógenas (W-I2)

- maior durabilidade

• LEDs

(diodos emissores de luz)

• Lâmpadas de Xenônio

2)2) SELETORES DE COMPRIMENTOS DE ONDASELETORES DE COMPRIMENTOS DE ONDA

�� Isolar faixas estreitas de comprimentos de ondaIsolar faixas estreitas de comprimentos de onda

�� Diferentes dispositivosDiferentes dispositivos

complexidade complexidade ee largura da faixa de largura da faixa de λλ

Componentes instrumentaisComponentes instrumentais

complexidade complexidade ee largura da faixa de largura da faixa de λλ

-- FiltrosFiltros-- MonocromadoresMonocromadores

2) SELETORES DE COMPRIMENTOS DE ONDA2) SELETORES DE COMPRIMENTOS DE ONDA

Componentes instrumentaisComponentes instrumentais

Ilustrando o funcionamento dos filtros:

2)2) SELETORES DE COMPRIMENTOS DE ONDASELETORES DE COMPRIMENTOS DE ONDA

1) 1) FILTROS DE FILTROS DE ABSORÇÃOABSORÇÃO

Componentes instrumentaisComponentes instrumentais

-- Constituído por uma ou mais substânciasConstituído por uma ou mais substâncias-- Isola bandas com no mín. 50 Isola bandas com no mín. 50 nmnm de largurade largura-- Usado na região do visívelUsado na região do visível-- (Principal vantagem) (Principal vantagem) Baixo custoBaixo custo

SELETORES DE COMPRIMENTOS DE ONDASELETORES DE COMPRIMENTOS DE ONDA

2) FILTROS DE 2) FILTROS DE INTERFERÊNCIAINTERFERÊNCIA �������� Constituído por várias camadasConstituído por várias camadasDielétrico Dielétrico com espessura de mesma ordem do λ desejado (t)

-- Passa apenas 1 Passa apenas 1 λλ e seus múltiplose seus múltiplos-- Isola bandas com até 10 Isola bandas com até 10 nmnm de largurade largura-- Pode ser usado tanto no UV como no visívelPode ser usado tanto no UV como no visível

��Fluoreto de cálcio Fluoreto de cálcio ou magnésioou magnésio

-- Pode ser usado tanto no UV como no visívelPode ser usado tanto no UV como no visível-- Custo maior que o filtro de absorção ...Custo maior que o filtro de absorção ...

A reflexão na superfície dos

filmes metálicos “anulam” –

interferência destrutiva - os

comprimentos de onda

diferentes de “t”

SELETOR DE COMPRIMENTOS DE ONDASELETOR DE COMPRIMENTOS DE ONDA

FILTROS FILTROS -- ResumindoResumindo

os de interferência são mais eficientes:os de interferência são mais eficientes:(larguras a meia altura)(larguras a meia altura)

�� Filtros servem para selecionar faixas Filtros servem para selecionar faixas específicasespecíficas de de λλ

�������� Monocromadores: isolam bandas estreitas ao longo do espectroMonocromadores: isolam bandas estreitas ao longo do espectro�������� Mais versáteis

���� Custo mais elevado que os filtros...

SELETOR DE COMPRIMENTOS DE ONDASELETOR DE COMPRIMENTOS DE ONDA

MONOCROMADORES: MONOCROMADORES: PRISMASPRISMAS E E REDESREDES (GRADES) DE DIFRAÇÃO(GRADES) DE DIFRAÇÃO

FORMA DE USOFORMA DE USO

1) 1) PrismaPrisma (instrumentos mais antigos)2)2) GradeGrade (custo menor, espectrofotômetros mais compactos

Diferenças entre os Diferenças entre os índices de refraçãoíndices de refração Fenômeno da Fenômeno da interferênciainterferência

SELETOR DE COMPRIMENTOS DE ONDASELETOR DE COMPRIMENTOS DE ONDA

MONOCROMADORES: PRISMAS E REDES (GRADES) DE DIFRAÇÃOMONOCROMADORES: PRISMAS E REDES (GRADES) DE DIFRAÇÃO

POSICIONAMENTO DA POSICIONAMENTO DA FENDA DE SAÍDAFENDA DE SAÍDAisolar o comprimento de onda de interesse isolar o comprimento de onda de interesse EX:EX:

���� Dependendo dos demais componentes ópticos: largura de banda de 1 – 20 nm

EX:EX:

���� Monocromador de Czerny-Turner

3)3) COMPARTIMENTO (OU SUPORTE) DA AMOSTRACOMPARTIMENTO (OU SUPORTE) DA AMOSTRA

CELAS CELAS OU CUBETAS DE CUBETAS DE QUARTZOQUARTZO ((UVUV--VisVis))CELAS OU CUBETAS DE CELAS OU CUBETAS DE VIDROVIDRO (Vis)(Vis)CELAS OU CUBETAS DE CELAS OU CUBETAS DE MATERIAL POLIMÉTRICO MATERIAL POLIMÉTRICO (Vis)(Vis)

�� FACESFACES PLANAS E PERPENDICULARES À RADIAÇÃO INCIDENTEPLANAS E PERPENDICULARES À RADIAÇÃO INCIDENTE

Componentes instrumentaisComponentes instrumentais

�� CILÍNDRICAS CILÍNDRICAS menor custo mas que conferem menor menor custo mas que conferem menor repetibilidaderepetibilidade

CAMINHOS ÓPTICOS VARIÁVEISCAMINHOS ÓPTICOS VARIÁVEISmais comum: mais comum: 1 cm

LIMPEZA:LIMPEZA:1- Água e detergente diluído2- Enxague com água purificada e, depois, com a própria amostra

4)4) DETECTORES (TRANSDUTORES) DE SINALDETECTORES (TRANSDUTORES) DE SINAL

�������� CONVERSÃO DA RADIAÇÃO EM SINAL ELÉTRICOCONVERSÃO DA RADIAÇÃO EM SINAL ELÉTRICO

-- GeraGera uma intensidade da corrente proporcional à intensidade da radiaçãouma intensidade da corrente proporcional à intensidade da radiação

-- FototubosFototubos, , fotomultiplicadorasfotomultiplicadoras e semicondutores de silícioe semicondutores de silício

Junção pn

Componentes instrumentaisComponentes instrumentais

_ +90 V DC

R

Amplificador

Catodo

Anodo

Feixe de Fótons

e- +

+

+

+ _ _

__

+

+ _

_

p n

+-

�������� Sensibilidade Sensibilidade FototuboFototubo << Sensibilidade Sensibilidade semicondutoressemicondutores << Sensibilidade Sensibilidade FotomultiplicadoraFotomultiplicadora

4)4) DETECTORES (TRANSDUTORES) DE SINALDETECTORES (TRANSDUTORES) DE SINAL

Semicondutores de silício para Semicondutores de silício para medida simultânea de vários ʎmedida simultânea de vários ʎ (rapidez)(rapidez)

Espectrofotômetro com arranjo linear de diodosEspectrofotômetro com arranjo linear de diodos

INSTRUMENTOS “INSTRUMENTOS “FEIXE ÚNICOFEIXE ÚNICO” E “” E “DUPLO FEIXEDUPLO FEIXE””

�� OO FEIXE DE RADIAÇÃO UTILIZADO PARA A MEDIDA DO “BRANCO” E DA AMOSTRA” FEIXE DE RADIAÇÃO UTILIZADO PARA A MEDIDA DO “BRANCO” E DA AMOSTRA” DEVEM TER A MESMA INTENSIDADE DEVEM TER A MESMA INTENSIDADE

%T

cela do

solventeajuste 100% T

a. fotômetro de feixe

único

Componentes instrumentaisComponentes instrumentais

lâmpada de

tungstêniofiltro espelho semi-prateado

cela do

solvente

detector de zero%T

detector

detector

único

b. Fotômetro de feixe duplo

ESPECTROFOTOMETRIA NO ESPECTROFOTOMETRIA NO UVUV--VisVis

CONSIDERAÇÕES GERAISCONSIDERAÇÕES GERAIS

�������� Instrumentos atuais operam em transmitância ou Instrumentos atuais operam em transmitância ou absorbânciaabsorbância

��Quando são utilizados outros solventes além de água os mesmos devem ser Quando são utilizados outros solventes além de água os mesmos devem ser ��Quando são utilizados outros solventes além de água os mesmos devem ser Quando são utilizados outros solventes além de água os mesmos devem ser de de grau espectroscópiograu espectroscópio e e inerte no meioinerte no meio

(impurezas em concentrações (impurezas em concentrações abaixoabaixo do limite de detecção)do limite de detecção)

��Pode ser combinada com outras técnicas analíticas, instrumentais ou não, Pode ser combinada com outras técnicas analíticas, instrumentais ou não, geralmente como geralmente como ferramenta de detecçãoferramenta de detecção �������� ex.: titulação espectrofotométricaex.: titulação espectrofotométrica

(Prática 4)(Prática 4)

PARA “CASA”PARA “CASA”

C3)C3)Ao “desenhar a curva analítica” de um método espectrofotométrico o analista Ao “desenhar a curva analítica” de um método espectrofotométrico o analista

atribuiu ao branco (reagentes utilizados em água) o valor de transmissão atribuiu ao branco (reagentes utilizados em água) o valor de transmissão

100%. Você concorda com esta atribuição? Justifique.100%. Você concorda com esta atribuição? Justifique.

C4)C4)Em termos de configuração instrumental, cite uma vantagem de se utilizar um Em termos de configuração instrumental, cite uma vantagem de se utilizar um

espectrofotômetro com um detector do tipo “arranjo de diodos”.espectrofotômetro com um detector do tipo “arranjo de diodos”.

Bibliografia utilizada nesta aula

�� ““PrinciplesPrinciples ofof Instrumental Instrumental AnalysisAnalysis””DA Skoog, FL Holler, TA Nieman; 5th ed., 1998

�� “Análise Instrumental”“Análise Instrumental”F Cienfuegos, D Vaitsman; 2000

�� ““VogelVogel -- Análise Química Quantitativa” Análise Química Quantitativa” GH Jeffrey e col., 6a ed., Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 2002GH Jeffrey e col., 6a ed., Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 2002

�� “Análise Química Quantitativa”“Análise Química Quantitativa”D. Harris; 7a ed., 2008

�� Tutoriais de fabricantes de espectrofotômetrosTutoriais de fabricantes de espectrofotômetros

�� Slides didáticos fornecidos pelo Prof. Dr. Júlio C. J. Silva (UFJF)Slides didáticos fornecidos pelo Prof. Dr. Júlio C. J. Silva (UFJF)

�� Figuras da Apostila didática da disciplina QA 581 do IQ Figuras da Apostila didática da disciplina QA 581 do IQ -- UnicampUnicamp