Embed Size (px)
Citation preview
Espectrofotometría en la región ultravioleta-visible
Métodos Cuantitativos Seminario 8
Integrantes: Lizette Noemí Muñoz Salcedo
Marco Alberto Juárez OlivaFátima del Rocío Valadez Becerra
Andrea Daniela Vargas Aceves
IPN - UPIIG
Introducción a los métodos espectroscópicos
La espectrofotometría es uno de los métodos de análisis más usados, y se basa en la relación que existe entre la absorción de luz por parte de un compuesto y su concentración.
La espectroscopia ultravioleta-visible o espectrofotometría UV-VIS se refiere a la espectroscopía de absorción o espectroscopía de reflectancia en la región espectral del UV-VIS.
Introducción a los métodos espectroscópicos
La espectroscopia ultravioleta-visible se usa rutinariamente en química analítica para la determinación cuantitativa de diferentes analítos, tales como iones de metales de transición, compuestos orgánicos altamente conjugados y macromoléculas biológicas.
Los análisis espectroscópicos normalmente se llevan a cabo en solución, pero también pueden estudiarse sólidos usando la esfera de integración.
Propiedades de la radiación electromagnética
Las cargas eléctricas estacionarias producen campos eléctricos, mientras que las cargas eléctricas en movimiento producen tanto campos eléctricos como magnéticos. Los cambios repetidos y regulares en estos campos producen lo que llamamos radiación electromagnética.
La radiación electromagnética transporta energía de un punto a otro. Esta radiación se propaga a través del espacio a 299,792 km/s, viaja a la velocidad de la luz.
Propiedades de la radiación electromagnética
Otras formas de la radiación electromagnética son los rayos X, microondas, radiación infrarroja, ondas de radio AM y FM y la radiación ultravioleta.
Las propiedades de la radiación electromagnética depende fuertemente de su frecuencia (dadas en Hertz (Hz = 1/s)).
En vista que todas las radiaciones electromagnéticas viajan a la misma velocidad (en el vacío), el número de crestas (o valles) pasando por un punto dado en el espacio, en un tiempo dado, varía con la longitud de onda (distancia entre crestas o valles).
Es un tipo de campo electromagnético variable, es decir una combinación de campos
eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio
transportando energía de un lugar a otro.
Fundamento de las espectroscopias de absorción. Absorbancia, transmitancia y Ley de Beer.
Para que una substancia sea activa en el UV-VIS debe ser colorida: el que una substancia tenga color, es debido a que absorbe ciertas frecuencias o longitudes de onda del espectro visible y transmite otras más.
Por ejemplo: una solución es amarilla debido a que dentro de la región visible absorbe radiación en el rango de 435 a 480 nm. En este rango de longitud de onda se encuentra el color azul del visible, por lo que este compuesto absorbe el color azul y transmite los colores complementarios que dan origen al color amarillo de la solución mencionada.
Fundamento de las espectroscopias de absorción. Absorbancia, transmitancia y Ley de Beer.
La absorción y transmisión de las longitudes de onda de la región visible de esta parte del espectro no es la misma en substancias que den diferentes tonalidades de amarillo, por lo que podemos tener una gama diferente de tonalidades como: amarillo canario, amarillo limón, amarillo pálido, etc.
Espectro de absorción
Si se representa la absorbancia a varias longitudes de onda se obtendrá una curva característica de cada elemento, denominado espectro de absorción.
Este espectro se puede modificar por la presencia de auxocromos, por factores como el pH, concentración salina de la solución en que se encuentra el elemento, etc.
Efectos sobre el espectro de absorción:- Efecto hipsocrómico: desplazamiento a
menor longitud de onda, es decir, a mayor frecuencia.
- Efecto batocrómico: desplazamiento a mayor longitud de onda, es decir, a menor frecuencia.
- Efecto hipercrómico: desplazamiento a mayor intensidad.
- Efecto hipocrómico: desplazamiento a menor intensidad
Espectro de absorción
Fundamento de las espectroscopias de absorción. Absorbancia, transmitancia y Ley de Beer.
Imaginemos un dispositivo experimental como el de la siguiente Figura 3. Disponemos de una fuente emisora de radiación electromagnética (lámpara), unos sistemas de enfoque (rendijas) para hacer que la radiación incida perpendicularmente a la muestra, un dispositivo que permita seleccionar la longitud de onda que incide sobre la muestra (red de difracción) y un sistema electrónico de medida de intensidad de luz.
Fundamento de las espectroscopias de absorción. Absorbancia, transmitancia y Ley de Beer.
Imaginemos también que hacemos dos medidas de la intensidad de luz:
1) La primera medida la muestra será una disolución con la misma matriz que el analito que deseemos determinar pero en ausencia de éste (disolución blanco). La intensidad de radiación (luz) que llega al lector será
2) La segunda medida se hará en presencia del analito (cromóforo) que deseemos estudiar. En este caso la intensidad de luz que llega al lector será I. Como trabajamos con analítos que absorben radiación a la longitud de onda que selecciona la red de difracción
Fundamento de las espectroscopias de absorción. Absorbancia, transmitancia y Ley de Beer.
Existen dos maneras de expresar la relación entre I e Io. La relación directa se denomina transmitancia (T), mientras que se denomina absorbancia al logaritmo con signo cambiado de la transmitancia. La absorbancia es un término actualmente mucho más utilizado que la transmitancia.
La expresión matemática de ambos parámetros es:
http://repositorio.innovacionumh.es/Proyectos/P_22CursoMateriales/Miguel_Angel_Sogorb/Wimba/Espectroscopia_05.htm
Absorbancia, transmitancia y Ley de Beer.
La ley de Lambert-Beer establece que la absorbancia está directamente relacionada con las propiedades intrínsecas del analito, con su concentración y con la longitud de la trayectoria del haz de radiación al atravesar la muestra. La expresión matemática de la ley de Lambert-Beer es:
A = C . £ . L
A = Absorbancia de la muestra C = Concentración del cromóforo L = Longitud del paso óptico que contiene la muestra £ = Absorptividad molar. Depende del cromóforo en si
mismo, de la y de las condiciones de medida (pH, T...). Ya que la absorbancia es adimensional las unidades son concentración-1 longitud-1.
Espectroscopía UV-VIS
La espectroscopía UV-Vis está basada en el proceso de absorción de la radiación ultravioleta-visible (radiación con longitud de onda comprendida entre los 195 y 780 nm) por una molécula.
La espectroscopía UV-VIS se utiliza para la identificación de los grupos funcionales presentes en una molécula.
La absorción de este tipo de radiación se produce como consecuencia de la excitación de los electrones externos de los átomos.
La base de la espectroscopia UV-VIS consiste en medir la intensidad del color (o de la radiación absorbida en UV) a una longitud de onda específica comparándola con otras soluciones de concentración conocida (soluciones estándar) que contengan misma especie absorbente.
Espectroscopía UV-VIS
Región ultravioleta: abarca el intervalo de longitudes de onda comprendido entre 195-380 nm.
Región visible: abarca el intervalo de longitudes de onda que el ojo humano es capaz de percibir como colores. Comprendida entre 390-780 nm. El que una substancia tenga color, es debido a que absorbe ciertas frecuencias o longitudes de ondas del espectro visible.
El orden de los colores de mayor a menor longitud es: Violeta > azul > verde > amarillo > naranja > rojo
Por lo que la radiación ultravioleta es más energética que la visible (a mayor λ, menor energía) Espectroscopía UV-VIS
Para que una molécula sea capaz de absorber en la región UV-VIS debe contar con grupos cromóforos. Estos son grupos funcionales que contienen dobles o triples enlaces, dobles enlaces conjugados, etc. Ej: alquenos, alquinos, carbonilos, carboxilos…
Espectroscopía UV-VIS
Otro grupo que contribuye a las características de absorción de una molécula orgánica son los auxocromos. Un auxocromo es un grupo funcional que no absorbe pero que presenta la capacidad de modificar la absorción del cromóforo al que esté unido. Suelen ser sustituyentes con pares electrónicos sin compartir (O, S, N y halógenos).
Espectroscopía UV-VIS
Instrumentación
Fotómetro se caracterizan porque utilizan filtros que solo permiten el paso de una determinada longitud de onda.
El espectrofotómetro permite comparar la radiación absorbida o transmitida por una solución que contiene una cantidad desconocida de soluto y una que contiene una cantidad conocida de la misma sustancia.
1. Fuente de luz: ilumina la muestra química o biológica, debe cumplir con las siguientes condiciones: estabilidad, direccionabilidad y larga vida.
Continua: lámpara de hidrógeno o deuterio (UV), de arco de xenón (UV, VIS) y de filamento de tungsteno (VIS)
Discontinua: lámpara de vapor de mercurio (UV)
2. Selector de longitud de onda. Monocromadores: dispersa la luz separando las longitudes de onda que la componen y selecciona una banda estrecha de longitudes de onda que es la que atraviesa la muestra y llega al detector.
- Prismas: cuando la radiación electromagnética atraviesa un prisma se refracta debido a que el índice de refracción del material del prisma es diferente al del aire.
- Rejillas de difracción: se componen de gran cantidad de lineas (ranuras) las cuales funcionan como centro de dispersión para los rayos que llegan a la rejilla.
3. Cubetas. Fabricadas de un material transparente a la radiación.
- Ultravioleta: suelen ser de cuarzo o de sílice fundida.
- Visible: vidrios silicatados o algunos plásticos.
4. Detectores: se encarga de evidenciar una radiación para que posteriormente sea estudiada y saber a qué tipo de respuesta se enfrentarán (fotones o calor).Debido a la gran cantidad de energía de la radiación UV y VIS, pueden producir el efecto fotoeléctrico, por lo que se usan detectores de fotones: Varían de función dependiendo de la región de las longitudes de onda que se va a medir.Un fototubo o fotocelda es usado en las regiones ultravioleta y visible.
5 Registrador: Convierte el fenómeno físico en números proporcionales al analito en cuestión.
Los espectrofotómetros pueden ser de un solo haz o de doble haz:
Un solo haz: cuenta con solo una posición para colocar la cubeta, sobre la que incidirá la luz, por lo que para introducir una muestra en el sistema necesitaremos quitar la anterior. Se necesita leer el blanco para cada muestra, primero se meterá el blanco, se mide su absorbancia, se introduce la muestra, se mide su absorbancia y se restan.
Doble haz: cuenta con dos posiciones para colocar cubetas. El haz de luz, después de seleccionar la longitud de onda, llegará al sistema desdoblador de haz, que dirigirá una parte del haz sobre la cubeta de referencia (blanco) y otra sobre la cubeta problema.
Funcionamiento
1. Enchufa y enciende el espectrofotómetro. Deja que se caliente durante 15 minutos. Esto es necesario para que el equipo funcione correctamente.
2. Ajusta a la longitud de onda deseada con la perilla.3. Revisa el compartimento de la muestra para asegurarte
de que esté vacío y cerrado. Ajusta la perilla de control de cero girándola hasta que la lectura sea cero,colocando en el portatubo el tubo con solucion de referencia o blanco, lleno hasta la mitad y haciendo coincidir la marca del tubo con la del portatubo. Tapar.
4. Ajusta la perilla de control de luz que está ubicada al frente a la derecha del espectrofotómetro girándola hasta que la lectura sea 100. Retira la cubeta testigo e inserta una cubeta con la muestra. Anota el valor que se lee en el medidor.
Análisis Cualitativo
Al momento de realizar un análisis cualitativo a un analÍto, la espectrometría UV-Vis se usa como técnica analítica secundaria en la identificación y la determinación de detalles estructurales. La información obtenida necesita ser completada por otras técnicas de análisis como son espectroscopia de absorción de radiación IR, RMN y espectrometría de masas. Esto es debido a la naturaleza simple y general de los espectros
Identificación
En el estudio del espectro no podemos limitarnos a la zona de los máximos de absorción ya que estos corresponden al grupo cromóforo, la estructura de un compuesto puede cambiar, dentro de ciertos limites, sin introducir cambios apreciables en el mismo. Si nos limitamos a comparar una zona pequeña del espectro se pueden cometer grandes errores en la identificación. Así, dos sustancias tan diferentes como cromato de potásico (K2CrO4) y el ácido silicomolibdico (H4Si(Mo3O10)4) tienen espectros idénticos en la zona 440-500 nm.
Lo mejor es trazar los espectros de a
sustancia desconocida y de la que se compara en
papel transparente y tratar de
superponerlos; si los dos espectros
coinciden en las zonas UV, visible e
infrarroja, la identificación de a sustancia es mas
segura. A veces se pueden presentar
pequeñas diferencias que son debidas a
impurezas.
Otro procedimiento consiste en comparar los espectros de las dos sustancias en varios disolventes.
Si experimentan las mismas modificaciones al cambiar de disolvente, es otra prueba de
identidad. También el efecto del pH se usa como prueba de
identificación.
Si las curvas espectrales que se comparan son complejas,
con muchos puntos de inflexión y coinciden en todos ellos, aumenta la probabilidad
de identidad.
El problema de la identificación cualitativa cuando se trata de
mezclas de varios componentes es mas difícil. Lo mejor es separar
los componentes por un procedimiento adecuado e
identificarlos separadamente. Otro método es anular el espectro
de uno de los componentes. Ajustando el pH para que solo
absorba uno de ellos si la separación no es posible ay que
intentar la identificación comparando las andas en la zona de maor longitud de onda donde
las absorbancia son mas selectivas.
PurezaPresencia de impurezas en los reactivos. Muchos
métodos espectroscópicos son lo suficientemente
sensibles como para detectar cantidades a nivel de trazas,
por lo que la presencia de impurezas absorbentes en
los reactivos puede ocasionar errores considerables. Por
ello, en la práctica las medidas se llevan a cabo
frente a un blanco constituido por la propia célula, el disolvente y los
reactivos.
Interacciones entre especies absorbentes.
Cuando en una disolución existen varias especies absorbentes, la ley de
Lambert-Beer se cumple para cada una de ellas, si
todas actúan independientemente. Sin embargo, la interacción
entre ellas puede producir alteraciones en la posición,
forma y altura de las bandas de absorción.
Influencia del equilibrio. Cuando la sustancia
problema forma parte de un sistema en equilibrio con otras especies, el desplazamiento del
equilibrio implica una modificación en la
concentración, y por tanto, en la absorbancia.
color
La coloración de la solución se debe a la especie absorbente y esta coloración puede ser natural o inducida. La coloración natural puede ser la base de la cuantificación de una especie, como por ejemplo: la clorofila en ciertas plantas, los complejos metálicos que se encuentran presentes en solución acuosa, como son los iones de Cobre (II), Manganeso (VII), Cobalto (III), etc
En la región visible apreciamos el color
visible de una solución y que corresponde a las
longitudes de onda de luz que transmite, no que absorbe. El color que
absorbe es el complementario del color que transmite. Por tanto, para realizar mediciones
de absorción es necesario utilizar la longitud de
onda en la que absorbe luz la solución coloreada.
color
Aplicaciones cualitativas de la espectroscopia
ultravioleta visible Son útiles para la detección de grupos cromóforos, debido a que
las moléculas grandes, incluso las mas complejas, con transparentes a la radiación mayor de 180nm, la aparición de no o mas picos en la región de 200 a 400 nm es una
clara indicación de la presencia de grupos no saturados o de átomos como los de azufre o halógenos.
Disolventes: para obtener los espectros en el ultravioleta con
fines cualitativos se suelen emplear disoluciones diluida del analito. Sin embargo, en el caso
de compuestos volátiles los espectros en ase gaseosa son
mas útiles que los de fase liquida o en disolución . Los espectros en fase gaseosa se obtienen permitiendo que se evaporen
una o dos gotas de líquidos puro y se equilibren con la atmosfera
en una cubeta tapada.
Análisis Cuantitativo
Curvas tipo o curvas patrón
Método empleado para medir la concentración de una muestra en comparación. Se basa en una relación lineal entre un carácter medible (absorbencia) y un carácter a determinar (concentración).
Se efectúan diluciones de muestras de concentración conocida y se grafican.
Se realizan ensayos con muestras problema.
Ejemplo de curva patrón.
Determinaciones cuantitativas. ( Ley de Beer)
Transmitencia T=P/P0=10-kb
log T=log P/P0=-kbEn 1852, Beer y Bernard meten su
cuchara y establecen una relación entre concentración y T.
T=P/P0=10-k’c
Combinando ambas leyes se define un término nuevo, absorbencia.
A=-log T=log 1/T=log P/P0=abc (a; k y k’, b; ancho de la celda, c; concentración).
Porcentaje de transmitencia.
%T=P/P0 *100
%T=antilog(2-A)
Absortividad molar.
El producto de la absortividad por el PM del absorvente se llama absortividad molar -.
A=-bca= cm-1 g-1L-= a *PM=cm-1 mol -1 Lc=mol L
Constantes de disociación de ácidos y bases
Una propiedad útil para determinar la concentración de las especies es la absorbancia, en muchos casos esta es característica de cada sustancia y sirve como una propiedad que distingue una de otra. Un ejemplo de sustancias que exhiben absorbancias características son las soluciones acuosas ácidas y básicas de indicadores visuales.
Aplicaciones a la industria farmacéutica
Las técnicas de espectrofotometría y resultan apropiadas para el análisis de rutina de las concentraciones de los preparados farmacéuticos. Principalmente preparados líquidos, (jarabes, ampolletas, vacunas, reactivos de diagnóstico).
Se pueden determinar los pesos moleculares, concentraciones y pureza de las sustancias.
La aplicación de métodos de espectrofotometría ultravioleta visible de absorción molecular es útil para la resolución de la superposición de las bandas en el análisis cuantitativo. Esta metodología analítica de múltiples componentes con calibración multivariada se asocia con beneficios en cuanto a la mayor rapidez para determinar los componentes en una combinación, sin necesidad de recurrir a pasos previos de separación. Por lo tanto, estas técnicas parecen representar una alternativa válida a la HPLC.
Problemas
Absorbancia
1) Una disolución 100 µM de un determinado cromóforo tuvo una transmitancia a 525 nm de 0.5 cuando se midió en una celda 1.5 cm de longitud. Calcular: a) la absorbancia de la disolución; b) la absorptividad molar del cromóforo
Absorbancia
2) Una disolución patrón de níquel 5.00 x 10-5 M se coloca en una cubeta de longitud de paso 1 cm. La absorbancia a 592 nm es 0.446. a) ¿Cuánto vale a 592 nm?. b) Si una disolución problema de níquel tiene una absorbancia de 0.125 a la misma ¿cuál es la concentración de níquel en la muestra?.
Concentración, peso molecular y pureza
Se determina que una muestra en una celda de 1 cm, en un espectrómetro, transmite 80% de la luz a cierta longitud de onda. Si la absortividad de esta sustancia, a esta longitud de onda, es 2.0, ¿Cuál es la concentración de la sustancia?
Las aminas, RNH2, reaccionan con el ácido pícrico para formar picratos de amina, que absorben fuerte mente a 359 nm (-= 1.25 *10 4).
Se disolvieron 0.1155g de una amina desconocida en agua, y se diluyó en 100 ml. De esta solución se diluye una alícuota de 1mL a 250mL, para su medición. Si esta solución final tiene una absorbencia de 0.454 a 359 nm con una celda de 1cm.
¿Cuál es la concentración? ¿Cuál es el peso molecular de la amina?
La cloroanilina se determina como picrato de anilina (-= 1.25 *10 4). Una muestra de 0.0265g reacciona con ácido pícrico, y se diluye a 1L. La solución tiene una absorbencia de 0.368 en una celda de un centímetro. ¿Cuál es el porcentaje de cloroanilina en la muestra?
Bibliografía
Propiedades de la radiación electromagnética. Disponible en: http://www.ugr.es/~ute/tema2.pdf . Recuperado el 20/04/2014.
NASA. Propiedades Radiación Electromagnética. Disponible en: http://www.mdscc.org/index.php?Section=Propiedades_Radiacion_Electromagnetica. Recuperado el 18/04/2014.
López, M. J., Caselles, V. La teledetección en el seguimiento de los fenómenos naturales. Disponible en: http://books.google.com.mx/books?id=t8ZLSpM20m8C&pg=PA51&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false. Recuperado el 21/04/2014.
Bibliografía
Gary, D, K. (2009). Química Analítica. 6ª Edición. Mcgraw Hill. México.
