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01/04/2010
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Departamento de Química
Disciplina: Espectroscopia
Espectrometria de Absorção Molecular no Ultravioleta/Visível
Prof.ª Dr.ª Simone Schneider Amaral
Canoas, fevereiro de 2010.
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Espectroscopia:
Método de análise que se baseia na absorção , emissão ou reflexão daradiação eletromagnética.
1.0 - Introdução
1 Extraída de: SKOOG, D. A. et al. Princípios de Análise Instrumental 5ª ed., 2006, Porto Alegre:Bookman.
Tabela 1: Métodos espectroscópicos comuns baseados na radiação
eletromagnética1
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1.0 - Introdução
QUÍMICA ORGÂNICA
UV/Vis RMN
Espectrometria de Massas
IV
O termo espectrometria também é empregado para denominar atécnica de espectrometria de massas, onde íons moleculares sãodefletidos por um campo magnético.
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1.0 - Introdução
Radiação Eletromagnética:
Ondas que se auto-propagam pelo espaço, algumas das quais são percebidas
pelo olho humano (visível).
Campo elétrico da
radição – responsável
pela maior parte dos
fenômenos
(transmissão, reflexão,
refração e absorção).
Composta por um campo elétrico e um magnético, que oscilam
perpendicularmente um ao outro e à direção da propagação de energia.
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Einstein – o fóton (luz) tem características de partícula (quantidade de
movimento) e de onda (propagação no vácuo) dependendo das condições
experimentais empregadas (dualidade partícula-onda da mecânica quântica).
1.0 - Introdução
Max Planck e Albert Einstein � mostraram independentemente que todas as
radiações eletromagnéticas comportam-se como se fossem compostas de
minúsculos corpúsculos (matéria) de energia chamados quantum .
Quantum = quantidade elementar, indivisível, de energia eletromagnética.
Referindo-se à luz, é o mesmo que fóton .
Cada quantum de luz, ou fóton, tem uma energia proporcional à freqüência da
radiação e inversamente proporcional ao comprimento de onda:
Efóton = h. v v = c/λ Efóton = h.c/λ
Teoria Quântica:
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1.0 - Introdução
Átomos, íons e moléculas podem existir somente em certos estados discretos
caracterizados por quantidades definidas de energia.
Quando uma espécie altera seu estado, absorve ou emite uma quantidade de
energia exatamente igual à diferença de energia entre os estados.
Estados Energéticos das Espécies Químicas:
Quando átomos, íons ou moléculas absorvem ou emitem radiação ao efetuar
uma transição de um estado energético para outro, a radiação de frequência
(v) ou de comprimento de onda (λ) está relacionada com a diferença de
energia entre os dois estados pela equação:
E1 – E0 = h.c/λ
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Moléculas – a energia de um dado estado provém do movimento dos elétrons
em torno do núcleo positivamente carregado (estados eletrônicos).
1.0 - Introdução
Possíveis transições de absorção e emissão entre os níveis eletrônicos dohidrogênio.2 Figura extraída de: http://www.ajc.pt/cienciaj/n33/atomo1.php
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Também apresentam estados vibracionais quantizados que estão associados à
energia das vibrações interatômicas e estados rotacionais quantizados que
provém da rotação entre as moléculas em torno de seus centros de gravidade.
O estado de menor energia é o estado fundamental e os estados de energia
mais altos são os estados excitados.
1.0 - Introdução
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A radiação eletromagnética é classificada de acordo com a freqüência - ondas
de rádios, microondas, radiação terahertz (Raios T), radiação infravermelha,
luz visível, radiação ultravioleta, Raios-X e Radiação Gama.
1.0 - Introdução
Parâmetros de Onda:
Período – tempo requerido (s) para a passagem de máx. e
mín. em um ponto fixo.
Número de oscilações por segundo.
ν - determinada pela fonte e permanece invariante.
Comprimento do vetor no ponto
máximo.
Distância linear entre dois pontos equivalentes em
ondas sucessivas.
1010
1.0 - Introdução
Espectro Eletromagnético:
UV/Vis; λ = 160 – 780 nmIV; λ = 0,78 – 300 µm
RMN; r.f. = 0,6 -10m (4 – 900MHz)
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Espectrometria de Absorção Molecular no Ultravioleta/Vis ível:
2.0 - Desenvolvimento
Baseia-se na medida da transmitância (T) ou da absorbância (A) da radiação
eletromagnética na faixa do UV e do visível pela amostra.
Perdas:- reflexão (interfaces)
- espalhamento (solução)- absorção
Feixe incidente
(P0)
Feixe emergente
(P)
b = caminho óptico
Transmitância – fração da radiação transmitida através do meio.
T = Pamostra/Pbranco
Absorbância – fração da radiação absorvida pelo meio.
A = log (Pamostra/Pbranco)
1212
Os espectros de absorção molecular nas regiões do UV e do Visível são
normalmente caracterizados por regiões de absorção que abrangem um
intervalo substancial de comprimentos de onda.
2.0 - Desenvolvimento
Espectro de absorção molecular do cloreto de cetil piridinium (CPC).3
3 Figura extraída de http://www.abq.org.br/cbq/2008/trabalhos/5/5-393-4246.htm
Uma série de linhas de
absorção muito próximas
� banda de absorção
(máx. 260nm).
� transições eletrônicas;
� estados vibracionais;
� níveis de energiarotacionais.
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2.0 - Desenvolvimento
Lei de Beer:
A = - log T = ε. b. c onde ε = absortividade molar (L.mol-1.cm-1)
Serve como base para análises quantitativas em medidas de absorção
molecular na região do UV/vis.
Relação matemática aplicada às radiações monocromáticas que demonstraque a absorbância (A) ou a transmitância (- log T) relaciona-se linearmentecom a concentração do analito na amostra ao mantermos o caminho ópticofixo.
Reta que passa pela
origem
y = ax +b
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Desvios da proporcionalidade entre a absorbância medida e a concentração
quando b é constante:
Desvios reais e Desvios aparentes
Limitações da Lei de Beer:
2.0 - Desenvolvimento
Desvios reais: desvios fundamentais relacionados com a limitação da lei em si.
Ex.: altas concentrações do analito ou alterações significativas no índice de
refração da solução em análise.
Diminuição da distância média entre as moléculas absorventes a ponto de
cada molécula afetar a distribuição de carga de suas vizinhas � altera a
capacidade das moléculas de absorver um determinado comprimento de onda
da radiação.
Variações de concentração também causam alterações significativas no índice
de refração do meio ocasionando desvios da lei de Beer.
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2.0 - Desenvolvimento
Limitações da Lei de Beer (continuação):
Desvios Aparentes: desvios que ocorrem devido a maneira como as medidas
são realizadas (desvios instrumentais) ou como resultado de mudanças
químicas associadas com variações de concentração (desvios químicos).
Ex. desvio químico aparente: um analito se dissocia ou reage com um solvente
para dar um produto que tenha um espectro de absorção diferente do analito.
Ex. desvio instrumental aparente: a lei de Beer se aplica somente quando
radiação monocromática é utilizada.
Minimizar o desvio
utilizando a região
espectral onde ε seja
constante.
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Instrumentação:
2.0 - Desenvolvimento
Constituição Básica dos Instrumentos:
4 Figura extraída de http://www.c2o.pro.br/automacao/figuras/feixe_simples.png
� Fontes de radiação;
� Seletores de comprimento
de onda (monocromadores
ou filtros);
� Compartimento de amostra;
� Detector.
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2.0 - Desenvolvimento
Componentes dos Instrumentos:
Fontes – devem ser contínuas. A potência não pode variar bruscamente em
uma faixa considerável de comprimento de onda.
Lâmpadas de Deutério e Hidrogênio: produzem um espectro contínuo útil na
região de 160 a 375 nm (UV).
Lâmpadas de Filamento de Tungstênio: fonte mais comum de radiação visível
e infravermelho próximo. Produz um espectro contínuo útil na região de 350 –
2.500 nm.
Cubetas – quartzo (λ = 150 - 3.000 nm; UV/Vis), vidro borossilicato (λ = 375 –
2.000 nm; Vis), plástico (λ = 380 – 800 nm; Vis).
Seletores de comprimento de onda – filtros ópticos (visível) ou
monocromadores (prismas ou grades de difração – UV/Vis.).
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2.0 - Desenvolvimento
Componentes dos Instrumentos (continuação):
Detector – converte a energia radiante em sinal elétrico.
Tipos de Instrumentos:
Colorímetros: equipamentos simples que trabalham exclusivamente na região
do visível.
Fotômetros: equipamentos em que o λ é separado por filtros ópticos. A
seleção dos λ não é muitos eficiente � espectros com bandas mais largas.
Espectrofotômetro: equipamentos mais complexos. Trabalham na região do
UV e do Vis.
Os λ é selecionado por monocromadores � melhor seleção dos λ � banda
mais estreita � menor erro.
Dois tipos de espectrofotômetros disponíveis � feixe simples e feixe duplo.
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Instrumentos de Feixe Simples:
Importante!
Requer uma fonte estabilizada de tensão para evitar erros resultantesde variação da intensidade do feixe durante o tempo necessário parafazer a leitura do branco e a leitura do analito.
2.0 - Desenvolvimento
2020
Instrumentos de Feixe Duplo:
2.0 - Desenvolvimento
Um dos feixes passa pela amostra e outro pelo branco simultaneamente.
Vantagem!
Compensam flutuações da fonte de radiação e da fonte de tensão.
O equipamento presta-se bem ao registro contínuo de espectros de
transmitância ou absorbância.
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Instrumentos com Arranjo de Diodos:
Determinação simultânea de todos os λ� rapidez!
Obtenção do espectro no UV e no Visível � varredura.
2.0 - Desenvolvimento
2222
Medidas de Transmitância e Absorbância:
2.0 - Desenvolvimento
Para um instrumento produzir uma leitura direta em porcentagem de
transmitância (ou em absorbância da amostra), dois ajustes preliminares são
feitos: ajuste de 0% T (ou 100% A), ou ajuste de corrente residual, e o ajuste
de 100% T (ou 0% A).
Ajuste de 0% T (ou 100% A), ou ajuste de corrente residual – bloqueia-se o
detector fechando-se o obturador.
Ajuste de 100% T (ou 0% A) – é feito com o obturador aberto e com a cela
contendo somente o branco (solvente) no caminho da radiação. Normalmente,
o branco fica contido em uma cela que é o máximo possível idêntica à cela que
contém a amostra.
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2323
2.0 - Desenvolvimento
Aplicações da Espectrometria de Absorção Molecular no UV/V is:
Aplicação limitada:
� Número de máximos e mínimos de absorção é relativamente pequeno �
identificação não-ambígua é frequentemente impossível.
� Grande disponibilidade de métodos espectroscópicos mais eficientes.
Análise Qualitativa:
Análise Quantitativa:
Ex.: cerca de 95% de todas as determinações quantitativas sejam feitas por
espectrofotometria no UV/Vis. no campo da saúde.
Um dos métodos mais úteis e amplamente empregados.
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Espécies absorventes � a determinação espectrofotométrica de qualquer
composto orgânico contendo um ou mais grupos cromóforos é potencialmente
factível.
CompostoComposto CromóforoCromóforo λλλλλλλλmaxmax (nm)(nm) SolventeSolvente Tipo de TransiçãoTipo de Transição
EtilenoEtileno C=CC=C 170170 VaporVapor ππ�� ππ**
Ácido acéticoÁcido acético C=OC=O 204204 EtanolEtanol n n �� ππ**
AcetonaAcetona C=OC=O 186 , 280186 , 280 nn--HexanoHexano n n �� σσ**n n �� ππ**
AzometanoAzometano N=NN=N 339339 EtanolEtanol n n �� ππ**
NitrometanoNitrometano NONO22 280280 IsooctanoIsooctano n n �� ππ**
Tabela 2: Características de absorção de alguns grupos cromóforos comuns5
5 Extraída parcialmente de: SKOOG, D. A. et al. Princípios de Análise Instrumental 5ª ed., 2006,Porto Alegre: Bookman.
Aplicações:
2.0 - Desenvolvimento
Análise Quantitativa (continuação):
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2.0 - Desenvolvimento
Análise Quantitativa (continuação):
Espécies não-absorventes � reagentes especiais que se ligam seletivamente
à espécies não-absorventes para fornecer produtos que absorvem fortemente
nas regiões UV ou Visível.
Importante ���� Reação colorimétrica deve ser completa para a correta
quantificação!
� Geração de cor;
� Aumentar o εmáx.
Aspectos Práticos da Análise Quantitativa:
1. Estabelecimento de condições de trabalho;
2. Preparação da curva de calibração (concentração x absorbância).
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1. Estabelecimento de condições de trabalho:
2.0 - Desenvolvimento
1.1. Seleção do comprimento de onda
Comprimento de onda correspondente a um pico de absorção onde a
absorbância por unidade de concentração seja a maior possível (λmáx.) �
Sensibilidade máxima.
A curva deve ser plana nessa região � boa concordância com a Lei de Beer.
1.2. Determinação das variáveis que influenciam na absorbâ ncia
� Solvente;
� pH;
� Temperatura;
� Concentração de eletrólitos;
� Substâncias interferentes;
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1.3. Limpeza e manuseio das cubetas
1. Estabelecimento de condições de trabalho (continuação) :2.0 - Desenvolvimento
� Cubetas casadas e de boa qualidade;
� Calibrar uma cubeta contra a outra para detectar diferenças (riscos,
arranhões, desgaste, ...)
� Limpeza das janelas externas
� Papel macio;
� Metanol grau espectroscópico.
� Nunca tocar diretamente nas janelas externas das
cubetas!
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1.4. Escolha adequada do branco ���� diminuição das interferências
1. Estabelecimento de condições de trabalho (continuação) :2.0 - Desenvolvimento
1.5. Escolha do método (Quantitativo)
1.5.1. Método da curva de calibração ou curva analítica
Construção de um gráfico Absorbância x Concentração da solução padrão �
deve englobar a região de concentração esperada para as amostras.
6 Gráfico extraído do polígrafo de Princípios de Análise Instrumental, prof.ª Dr.ª Janete H. Yariwake
(USP – IQ São Carlos)
Leitura da absorbância da amostra �
concentração do analito obtida
graficamente
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1. Estabelecimento de condições de trabalho (continuação):
2.0 - Desenvolvimento
1.5.2. Método da adição de padrão
Amostras complexas como solo, minerais, ... � difícil obtenção de padrões e
brancos adequados (efeitos de matriz).
Spiking - forma mais utilizada envolve a adição de um ou mais incrementos de
uma solução padrão e alíquotas da amostra de mesmo volume.
Cada solução é, então, diluída a um volume fixo antes da medida da sua
absorbância
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2. Características do método de absorção molecular na regiã o do UV/Vis
2.0 - Desenvolvimento
� Equipamentos amplamente disponíveis comercialmente;
� Custo relativo dos equipamentos é baixo;
� Versatilidade � análise de amostras orgânicas e inorgânicas;
� Boa sensibilidade � ≈ 10-5 mol/L;
� Seletividade relativamente alta;
� Boa exatidão � ≈ 1 - 3%;
� Fácil aquisição, tratamento e armazenamento dos dados;
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3.0 – Conclusões
� Espectroscopia de absorção molecular está baseada na medida da
transmitância ou da absorbância de soluções contidas em células
transparentes tendo um caminho óptico fixo;
Absorção da radiação promovem:
� Transições eletrônicas;
� Alterações nos estados vibracionais;
� Alteração nos níveis de energia rotacionais.
Perdas:- reflexão (interfaces)
- espalhamento (solução)- absorção
Feixe incidente
(P0)
Feixe emergente
(P)
b = caminho óptico
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Para as radiações monocromáticas, a absorbância de uma amostra (A = - log
T) é diretamente proporcional ao caminho óptico (b) e à concentração (c) das
espécies absorventes.
Lei de Beer:
A = - log T = ε. b. c onde ε = absortividade molar (L.mol-1.cm-1)
3.0 - Conclusões
Reta que passa pela
origem
y = ax +b
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� Fontes de radiação;
� Seletores de comprimento de onda (monocromadores ou filtros);
� Compartimento de amostra;
� Detector.
Constituição Básica dos Instrumentos:
3.0 - Conclusões
Dois tipos de espectrofotômetros disponíveis � feixe simples e feixe duplo.
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Aplicações da Espectrometria de Absorção Molecular no UV/V is:
Análise Qualitativa e Quantitativa
3.0 - Conclusões
Estabelecimento de condições de trabalho:
1.1. Seleção do comprimento de onda;
1.2. Determinação das variáveis que influenciam na absorbância;
1.3. Limpeza e manuseio das cubetas;
1.4. Escolha adequada do branco � diminuição das interferências;
1.5. Escolha do método (Quantitativo);
1.5.1. Método da curva de calibração ou curva analítica;
1.5.2. Método da adição de padrão.
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