Aula de espectrometria_de_absorcao_molecular_no_uv-vis.pdf-2

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Aula de espectrometria_de_absorcao_molecular_no_uv-vis.pdf-2

  1. 1. 01/04/2010 1 Departamento de Química Disciplina: Espectroscopia Espectrometria de Absorção Molecular no Ultravioleta/Visível Prof.ª Dr.ª Simone Schneider Amaral Canoas, fevereiro de 2010. 22 Espectroscopia: Método de análise que se baseia na absorção, emissão ou reflexão da radiação 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
  2. 2. 01/04/2010 2 33 1.0 - Introdução QUÍMICA ORGÂNICA UV/Vis RMN Espectrometria de Massas IV O termo espectrometria também é empregado para denominar a técnica de espectrometria de massas, onde íons moleculares são defletidos por um campo magnético. 44 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.
  3. 3. 01/04/2010 3 55 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: 66 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
  4. 4. 01/04/2010 4 77 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 do hidrogênio. 2 Figura extraída de: http://www.ajc.pt/cienciaj/n33/atomo1.php 88 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
  5. 5. 01/04/2010 5 99 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)
  6. 6. 01/04/2010 6 1111 Espectrometria de Absorção Molecular no Ultravioleta/Visível: 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 energia rotacionais.
  7. 7. 01/04/2010 7 1313 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 demonstra que a absorbância (A) ou a transmitância (- log T) relaciona-se linearmente com a concentração do analito na amostra ao mantermos o caminho óptico fixo. Reta que passa pela origem y = ax +b 1414 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.
  8. 8. 01/04/2010 8 1515 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. 1616 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.
  9. 9. 01/04/2010 9 1717 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.). 1818 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.
  10. 10. 01/04/2010 10 1919 Instrumentos de Feixe Simples: Importante! Requer uma fonte estabilizada de tensão para evitar erros resultantes de variação da intensidade do feixe durante o tempo necessário para fazer 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.
  11. 11. 01/04/2010 11 2121 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.
  12. 12. 01/04/2010 12 2323 2.0 - Desenvolvimento Aplicações da Espectrometria de Absorção Molecular no UV/Vis: 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. 2424 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 nn ππ** AcetonaAcetona C=OC=O 186 , 280186 , 280 nn--HexanoHexano nn σσ** nn ππ** AzometanoAzometano N=NN=N 339339 EtanolEtanol nn ππ** NitrometanoNitrometano NONO22 280280 IsooctanoIsooctano nn 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):
  13. 13. 01/04/2010 13 2525 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). 2626 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 absorbância Solvente; pH; Temperatura; Concentração de eletrólitos; Substâncias interferentes;
  14. 14. 01/04/2010 14 2727 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! 2828 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
  15. 15. 01/04/2010 15 2929 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 3030 2. Características do método de absorção molecular na região 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;
  16. 16. 01/04/2010 16 3131 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 3232 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
  17. 17. 01/04/2010 17 3333 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. 3434 Aplicações da Espectrometria de Absorção Molecular no UV/Vis: 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.
  18. 18. 01/04/2010 18 3535

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