6 Espectrofotometria

6.1 Introducao

Medir e basicamente chacoalhar o objeto sob estudo, e ver o que acontece. Uma maneira boa de cutucarmoleculas, e com radiacao eletromagnetica (luz). A palavra espectrofotometria designa um metodo deanalise baseado em medidas de absorcao de radiacao eletromagnetica. A tecnica que aqui se descreve estarestrita a uma pequena regiao de comprimento de onda da radiacao eletromagnetica, que correspondea luz visıvel ou ultra-violeta: e a faixa entre aproximadamente 200 e 700 nm (1 nanometro = 10−9 m,700 nm = 0,7 µm.)

6.2 Absorcao de Radiacao

Varias coisas podem acontecer com a radiacao luminosa que atinge uma certa substancia (ver Figura 6.1)A radiacao incidente pode sofrer reflexao, refracao, espalhamento ou ser absorvida pelo material.

Disso resulta que somente uma parte da radiacao incidente e transmitida atraves do material.O processo de absorcao ocorre ao nıvel molecular. Assim, como acontece num atomo, cada molecula

caracteriza-se por possuir nıveis de energia moleculares quantizados, os quais podem ser ocupados peloseletrons das moleculas. Por outro lado, a radiacao carrega energia, sendo que o valor dessa energiadepende do comprimento de onda da radiacao. A absorcao da radiacao se da quando a energia queela transporta e igual a diferenca entre dois nıveis de energia da molecula; nessa situacao, a energia daradiacao e transferida para a molecula e ocorre a chamada absorcao de radiacao.

Como moleculas de substancias de substancias diferentes tem diferentes nıveis moleculares de energia,ocorre que cada substancia absorve a radiacao de maneira peculiar. Dito de outra forma, os compri-mentos de onda que uma certa substancia absorverao sao caracterısticos da sua estrutura e outrassubstancias absorverao outros comprimentos de onda. Se levantarmos dados referentes a intensidade deluz absorvida por uma substancia, em funcao dos comprimentos de onda da radiacao, estaremos obtendouma curva chamada espectro de absorcao da substancia. O importante e que cada substancia tem umespectro caracterıstico e, desse modo, se queremos identificar um material desconhecido, poderemosfaze-lo a partir de sua curva de absorcao, comparada com curvas de substancias conhecidas.

Uma vez conhecido o espectro de absorcao de uma dada substancia pode-se tambem determinar emque quantidade essa substancia se apresenta em uma solucao analisada. Isso e feito atraves da medidada intensidade de luz que atravessa a amostra, como veremos a seguir.

Figura 6.1: Reflexao, refracao, espalhamento e absorcao fazem com que a luz que sai da amostra tenhauma intensidade menor do que a luz que incide.

1

6.3. Lei de Lambert-Beer 2

Figura 6.2: Experimento ao qual se refere a lei de Lambert-Beer.

6.3 Lei de Lambert-Beer

Lambert estudou a transmissao de luz por solidos homogeneos. Beer estendeu o trabalho de Lambertao estudo de solucoes. Pode-se apresentar as conclusoes dois dois pesquisadores na forma de uma leiconhecida como a Lei de Lambert-Beer.

Atraves dessa lei, intensidades da radiacao incidente e emergente podem ser relacionadas com asconcentracoes do material presente na solucao. Vamos discorrer brevemente sobre essa lei, com osseguintes esclarecimentos:

1. Sao considerados desprezıveis os efeitos de reflexao, refracao e espalhamento.2. A radiacao incidente deve ser monocromatica, isto e, conter somente um comprimento de onda.

Isto posto, vamos considerar a situacao ilustrada na Figura 6.2. I0 e I sao, respectivamente, as intensi-dades da radiacao incidente e transmitida pela amostra. Muitas vezes, a intensidade transmitida decaiexponencialmente com o aumento do caminho percorrido na solucao (comprimento l da Figura 6.2), etambem com o aumento da concentracao c:

I = I010−εlc

sendo c a concentracao do material em estudo, l o comprimento interno do recipiente que contem asolucao, e ε(λ), o coeficiente de extincao ou absortividade ou coeficiente de absorcao, um fator carac-terıstico da substancia absorvedor (e o solvente), que depende do comprimento de onda da radiacao.

A grandeza que medimos experimentalmente e a transmitancia T que e a razao entre a intensidadeincidente e a transmitida:

T = I/I0 (6.1)

Em relacao a essa grandeza, a lei de Lambert-Beer assume entao a forma

T = 10−εlc

A absorbancia A e definida comoA = − log10 T (6.2)

Assim, em relacao a absorbancia a lei de Lambert-Beer e escrita

A = − log10 T = log10(1/T ) = log10(10εlc)

e portanto,A = εlc (6.3)

Vemos o porque da definicao da absorbancia: nas condicoes da validade da lei de Lambert-Beer e umaquantidade proporcional a concentracao. O espectrofotometro se torna um medidor de concentracaoseletivo para um determinada substancia, atraves da relacao c = A/εl.

De uma maneira geral, para uma solucao de dada substancia, em um certo solvente, analisada aum certo comprimento de onda da radiacao, pode-se tracar uma curva da absorbancia A em funcao daconcentracao c; a partir dessa curva sera possıvel determinar a concentracao de qualquer amostra dessasolucao.

6.4. Instrumentacao 3

6.4 Instrumentacao

De maneira global, um espectrofotometro tem tres partes:Fonte de radiacao normalmente e uma lampada incandescente. Existe tambem um controle de in-

tensidade da radiacao, mas e fundamental um meio de controle do comprimento da onda (porexemplo, filtros ou monocromatizadores como prismas ou grades de difracao). No nosso aparelho,pode-se selecionar o comprimento de onda da luz incidente atraves de um controle manual.

Amostra deve estar contida em um recipiente apropriado do tipo tubos de ensaio ou cubetas. Comonormalmente medidas comparativas sao feitas (uma medida com so solvente, outra com solventee soluto), as cubetas vem emparelhadas. As cubetas sao fabricadas o mais igual possıvel. Assim,no resultado final, somente o soluto faz uma contribuicao a absorcao.

Detetor e um elemento sensıvel a radiacao e que pode nos dar uma medida da intensidade da mesma;varia desde foto-moleculas ate o proprio olho. Um indicador no aparelho converte o sinal doelemento em um numero. Os instrumentos em geral dispoe de duas indicadores: uma delas nos daa transmitancia T (Eq. 6.1) e a outra da a absorbancia A (Eq. 6.2) direto, evitando a necessidadede uma calculadora.

6.5 Experimento

A molecula guaiazuleno (C15H18, 198,31 g/mol) foi isolado originalmente a partir do oleo essencialde camomila. E usado como corante em alimentos e cosmeticos. Temos uma solucao de 19,8 mg deguaiazuleno em 100 ml de ethanol. Queremos levantar o espectro de absorcao no visıvel (de 400 ate 700nm) e medir o coeficiente de extincao ε (no comprimento de onda de maior absorcao).

Medida do espectro de absorcao de um corante

A receita para medir o espectro segue:

1. Ligue o aparelho, e espere cinco minutos para o aquecimento e estabilizacao dos circuitos.2. Ajuste o comprimento de onda para o valor maximo (λ = 700 nm).3. Em alguns aparelhos, sem cubeta no aparelho, tem um obstaculo entre a lampada e o detetor. A

transmitancia neste situacao deve ser zero: regule a transmitancia T para zero, usando o botaoapropriado. Em outros aparelhos este ajuste e feito de outra forma, ou nao precisa ser feito.

4. Coloque uma cuba com somente solvente na porta-amostra do aparelho. Nesta situacao, vamosdefinir a transmitancia sendo 100% (T = 1). Portanto, regule a transmitancia para 100%, usandoo botao apropriado. Este ajuste e feito para que, ao analisarmos a solucao, tenhamos eliminadoa absorcao por parte do solvente e a cuba. Ao contrario do ajuste do item anterior, a regulagemda transmitancia 100% deve ser feita para todo valor de λ, uma vez que o solvente pode absorverdiferentemente em cada λ.

5. Retire a cubeta com o solvente e coloque em seu lugar a que contem a solucao. O indicadordara a transmitancia T ou a absorbancia A, dependendo da posicao de um botao. Anote os dois.(Verifique com a sua calculadora que o aparelho da de fato A = − log T )

6. Varie λ a intervalos adequados, repetindo sempre os itens (4) e (5). Levante o espectro entre 400e 700 nm, com uma resolucao melhor (meca mais pontos) na regiao de maior absorbancia.

7. Faca um grafico com dois eixos verticais, um para T , outro para A.

Medida da curva de concentracao

Vai agora fixar o comprimento de onda e obter dados da absorbancia da solucao em funcao da concen-tracao do solucao, afim de conseguir o coeficiente de extincao da molecula em questao.

1. A partir dos dados da parte anterior, fixe o comprimento de onda λ no valor correspondente amaxima absorcao. Meca o comprimento interno l da sua cubeta. Qual e a concentracao molar dasua solucao?

2. Coloque o solvente no porta-amostras e faca os ajustes de transmitancia zero e 100%, como naparte anterior.

6.6. Relatorio 4

3. Meca a absorbancia, dilua a solucao e repete, ate nao conseguir medir mais porque a transmitancia(T ) ficou perto de 100% (a absorbancia A ficou muito pequena).

4. Faca o grafico dos seus dados (A contra a concentracao). A proporcionalidade de A com c (Eq. 6.3)e verificada? Tire o coeficiente de extincao ε a partir da derivada (coeficiente angular) do seugrafico. (Qual unidades tem ε? Como poderia estimar a incerteza no seu valor?)

6.6 Relatorio

Vamos se preocupar sobretudo com uma apresentacao boa dos dados e uma discussao. Descreve tambemeventuais dificuldades que tinha com o seu aparelho. Discute a relacao entre o seu espectro e a cor dasolucao que usou. A lei de Lambert-Beer (proporcionalidade entre concentracao e absorbancia) foiverificada?

Comentarios e sugestoes sao bem vindos: ewout@if.usp.br