CEN-5779 – Métodos Espectroanalíticos

Fundamentos da espectroscopia

Wanessa Melchert Mattos wanemelc@usp.br

Métodos espectroscópicos

São baseados na medida da quantidade de radiação produzida ou absorvida pelas moléculas ou pelas espécies atômicas de interesse.

Classificação: Raios Raios x Ultravioleta (UV) Visível Infravermelho Microondas

Espectroscopia

y

x

z campo elétrico

campo magnético

radiação eletromagnética

Frequência () = n° de oscilações por segundo (Hz)

Tempo (s)

Espectroscopia

E = h

h 6,6 x 10-34 J s, constante de Planck

c =

Relação entre frequência e comprimento de onda:

c 3,0 x 108 m/s, velocidade da luz no vácuo

A luz é constituída por partículas, denominadas fótons. Cada fóton transporta uma quantidade de energia, que é dada por:

Espectroscopia

raios γ

raios X

microondas

infravermelho

ultravioleta

espectro visível

rádio

λ espectro eletromagnético

Absorção de radiação eletromagnética

M + h M*

Região Transições

raios nucleares raios X eletrônicas ultravioleta eletrônicas visível infravermelho vibracionais e rotacionais microondas rotacionais ondas de rádio spin

Energia

Freqüência

Comprimento de onda ()

Comprimento de onda ()

Espectro Eletromagnético

Absorção de radiação por espécies moleculares

M + h M*

rotação

vibração

transições eletrônicas

Energia

raios γ

raios X

microondas

infravermelho

ultravioleta

espectro visível

rádio

λ espectro eletromagnético

Métodos

Ópticos

Medidas espectroscópicas

Medidas espectroscópicas - Emissão

Medidas espectroscópicas - Absorção

E2

E0

E1

e1

e2

e3

e1

e2

e3

e1

e2

e3

ea

eb

ec

ed

Absorção de radiação eletromagnética

A

E2

E0

E1

e1

e2

e3

e1

e2

e3

e1

e2

e3

ea

eb

ec

ed

Absorção de radiação eletromagnética

260 300 340

A

/ nm

benzeno – vapor

benzeno – solução (hexano)

/ nm cor cor complementar

380-420 violeta

420-440

440-470

470-500

500-520

520-550

550-580

580-620

620-680

680-780

absorvida transmitida

verde-amarelo

verde-amarelo

amarelo

amarelo

violeta

violeta

violeta-azul

violeta-azul

azul

azul

azul-verde

azul-verde

verde

verde

laranja

laranja

vermelho

vermelho

púrpura

púrpura

0.5

1.0

1.5

Espectros de absorção de diferentes substâncias

O

O

O

O

A

tempo

A

400 500 600 700 800

/ nm

620 nm 540 nm

420 nm

t

S + R P S + R P R1 + R2 P [S]

S + R P

sulfanilamida

n-naftil-etilenodiamina

- Determinação de nitrito com Reagente de Griess-Saltzman

450 500 550 600

0.04

0.08

0.12

0.16

0.20

0.24

Abso

rbâ

ncia

Comprimento de onda (nm)0.0 0.4 0.8 1.2 1.6

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Absorb

ância

Concentração de NO2

- (mg/L)

A = 0,00393 + 0,2536 C

- Determinação de nitrito com Reagente de Griess-Saltzman

S + R P

2 MnO4- + 10 I- + 16 H+ → 2 Mn2+ + 5 I2 + 8 H2O

I2 + I- → I3-

Complexo Azul, λ = 580 nm

- Determinação iodométrica de captopril

I3- + 2 C8H14O3NC-SH → 3 I- + C8H14O3NC-S-S-CNO3H14C8 + 2H+

- Determinação iodométrica de captopril

R1 + R2 P [S]

- Determinação catalítica de Cu (II)

λ = 525 nm

b

I0 It

T = It / I0 (%T = 100 x T)

A = log (1 / T) = log (I0 / It)

Lei de Beer

Lei de Beer: A = bc

c

A

m = b

A

A = 0 T = 1 100% transmissão

A = 1 T = 0,1 10% transmissão

90% absorção

A = bc

= 8,7 x 1019 PS

M ~ 1 x 105 L mol-1 cm-1

[b] = cm; [c] = mol L-1 [] = L mol-1 cm-1

S = seção de choque transversal (10-15 cm2) P = probabilidade de transição (0,1-1,0)

Absortividade molar ()

radiação monocromática

soluções diluídas

condições reacionais (excesso de reagente, pH)

A < 1,0

Aplicação da lei de Beer

Análise quantitativa

amostra

adição de reagente

branco amostra soluções de referência

c1 c3 c4 c2

cx c2

desenvolvimento da reação (t)

Análise quantitativa

Exemplo: determinação de ferro com 1,10-fenantrolina

2Fe3+ + C6H8O6 2Fe2+ + C6H6O6 + 2H+

Fe2+ + 3 phen [Fe(phen)3]2+ N N

phen =

10 mg L-1 branco 5 mg L-1

(nm)

(L

mol

-1 c

m-1)

400 500 600 700

2000

6000

10000

4000

8000

Espectro de absorção

Ax = 0,296

cx = 0,296 / 0,0598 L mg-1

cx = 4,95 mg L-1

Ax

cx 2,0 4,0 6,0 8,0 10 0

0,2

0,4

0,6

cFe / (mg L-1)

A

A = 0,0598 CFe (mg L-1)

Análise quantitativa

cFe / mg L-1 A

2,0 0,120

4,0 0,239

6,0 0,359

8,0 0,478

10 0,598

I0 It

absorção

I0

reflexão

ar ar

solução vidro vidro

Ir (2 - 1)2

Io (2 + 1)2

=

I0

espalhamento

Efeito Tyndall

NaCl gelatina/água

1

2

η1 sen1 = η2 sen2

η1

η2

refração

amostra

Espectrofotômetros

fonte de radiação

monocromador detector

amplificador

sinal

referência Io

amostra It

A = log (Io/It)

Espectrofotômetros

fonte de radiação

monocromador detector amostra

amplificador referência

fonte de radiação

monocromador detector amostra

referência

amplificador

motor

feixe duplo

feixe simples

sinal

sinal

Espectrofotômetros com duplo feixe

Espectrofotômetros com duplo feixe

deutério

tungstênio

/ nm

Int

ens

idad

e

Fontes de radiação

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Lâmpadas de tungstênio

UV vis infravermelho

comprimento de onda (m)

Lâmpadas de deutério

D2 (ou H2) a baixa pressão

D2 + Ee D2* D’ + D’’ + h

Ee = E(D2*) = Ec(D’) + Ec(D’’) + h

Sistema óptico

fenda de entrada

monocromadores

fenda de entrada

fenda de saída

espelhos

rede de difração

fenda de saída

prisma lente

lente

T (

%)

/ nm

400 450 500 550

80 60 40 20

filtro de interferência

filtro de absorção

~ 50 nm

~ 10 nm

. . .

T (

%)

½ h

filtros

Sistema óptico

Celas de medida

material transparência aplicabilidade

quartzo 150-3000 nm UV, visível

vidro 375-2000 nm visível

plástico 380-800 nm visível

0,1 cm < b < 10 cm 0,1 cm < b < 5 cm 10 L < V < 200 L

Celas de medida

Detectores

P sinal elétrico

Transdutor ideal:

sensibilidade sinal / ruído

resposta rápida

anodo catodo

e-

radiação

amplificador

90 V + -

fototubo

região p região n

Detectores

fotomultiplicadora fotodiodo

radiação

anodo ~ 107 e- / fóton

radiação catodo

quartzo

(n1 x n2) e- / fóton

n1 e- / fóton

fotomultiplicadora

Resposta de diferentes detectores

fonte de radiação

amostra

rede de difração

arranjo de fotodetectores

espelho

Espectrofotômetro multicanal

Colorímetro de Dubosq

CA = Cp l1 / l2

100% T 0% T

Espectrofotômetros

Espectrofotômetro com fibras ópticas

Espectrofotômetros com fibra óptica

detector fonte

filtro de interferência

sonda

fibras ópticas

espelho ½ b

Espectrofotômetros portáteis

Fotômetros com LED

LED fotodiodo fotoresistor

fototransistor

LED fotodetector

tubo de vidro

400 500 600 700 800

Int

ens

idad

e

/ nm

LED material Max / nm aplicação

vermelho GaAsP / GaP 635 PO43- (azul de molibdênio)

NH4+ (azul de indofenol)

laranja GaAsP / GaP 610 Al3+ (violeta de pirocatecol)

amarelo GaAsP / GaP 580 HCHO (p-rosanilina / HCl)

verde GaP 565 NO2-, NO3

- (Griess) fenóis (4-aminoantipirina)

azul GaN 482 Cl- (Hg(SCN)2, Fe3+)

Fotômetros com LED: aplicações

diretas

derivação química

acoplamento com técnicas/processos (FIA, cromatografia)

titulações espectrofotométricas

Aplicações da espectrofotometria

Aplicações em análise ambiental

águas:

- NO3-, NO2

-, PO43-, Cl-, SO4

2-, CN-, S2-, F-, SiO43-

- NH4

+, Al3+, Cd2+, Cr2O72-, Fe2+, Fe3+, Pb2+, Mn2+, Ni2+, Zn2+

- DQO, fenóis, surfactantes

gases:

- SO2, NO2,H2S, O3, Cl2

solos:

- fosfatos, nitrogênio total, NO3-

A. E. Greenberg, L. S. Clesceri, A. D. Eaton, Standard methods for the examination of water and wastewater, 18a ed., Victor Graphics, 1992.

L. H. Keith, Compilation of EPA´s sampling and analysis methods, 2a ed., Lewis publishers, 1996.

solução absorvente

bomba

filtro

remoção de umidade (opcional)

CaCl2

ar

rotâmetro

Análise de gases

gás absorvente reagente / nm

Cl2 o-toluidina o-toluidina 440

SO2 Na2HgCl4 p-rosanilina, HCHO 560

H2S Zn(C2H3O2)2 N,N-dimetil-p-fenilenodiamina 670

NH3 HCl NaOH, salicilato, NaOCl 690

Análise de gases

Pb2+ + H2S PbS + 2H+

CO2 + N2H4 H2N NH CO2H

IRED IOX + n e-

calibração

cgás

ar

Exemplos:

detector

bomba

solventes

injetor

Detector em cromatografia líquida

tempo / min ab

sorb

ânci

a

DDT

o-cresol fenol

UV ( = 272 nm)

coluna

2 4 6 8 10

Detector em cromatografia líquida

t A

0 2 4 6 8 10

A UV (254 nm)