Optica - Espectro
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1
ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO NA REGIÃO UV-VIS
1) Introdução aos Métodos Espectrométricos: A palavra espectroscopia é normalmente usada para definir separação,
detecção e registro de mudanças de energia envolvendo núcleos, átomos,
íons ou moléculas. Essas mudanças podem ser decorrentes de emissão,
absorção, dispersão da radiação eletromagnética ou partículas. Os métodos
espectroscópicos baseiam-se na interação da radiação eletromagnética com a
amostra, para a determinação quantitativa e qualitativa dos analitos.
2) Radiação eletromagnética:
Forma de energia radiante que se propaga no espaço possuindo
características ondulatórias e corpusculares.
3) Propriedades ondulatórias:
A figura abaixo mostra a contribuição dos campos magnético e elétrico no
movimento ondulatório.
Representação de um feixe monocromático de radiação plano-polarizada. Os campos elétrico e
magnético formam um ângulo reto entre si e a direção de propagação da onda
2
O movimento eletromagnético é caracterizado pelos parâmetros:
- Comprimento de onda (λ): Distância entre dois máximos
sucessivos, unidades em micrômetros (µm) e nanômetros (nm).
- Número de onda ( ν ): Número de ondas por unidade de distância,
1/λ, unidade em cm-1.
- Freqüência (ν): Número de ondas passando por um ponto na
unidade de tempo. Unidades: s-1 (hertz)
- Período (p): Intervalo de tempo entre dois máximos sucessivos.
Relações entre as propriedades:
λ=ν
1 mas t
c λ= (a velocidade da radiação é igual a “c”
somente no vácuo)
=νt1 ∴ c = λν ⇒
c1 ν
=λ
cν
=ν⇒
4) Propriedades corpusculares:
A radiação eletromagnética é constituída de partículas discretas de
energia, os fótons.
Energia do fóton: E = hν
Onde: h = constante de Planck (6,63.10-34 J s-1) e ν = freqüência.
Como c = λν temos:
ν=λ⋅
= hchE
Esta expressão relaciona a energia do fóton com o comprimento de
onda. Assim, fótons de alta freqüência (baixo comprimento de onda)
possuem mais energia que fótons de baixa freqüência (alto comprimento de
onda).
3
5) Unidades usadas em espectroscopia
µm (micrômetro) = 10-6 m; 10-4 cm
nm (nanômetro) = 10-9 m ; 10-7 cm oA (angstron) = 10-10 m ; 10-8 cm
6) Espectro Eletromagnético
É o arranjo das radiações conforme seus comprimentos de onda.
Assim, o espectro eletromagnético foi dividido em várias regiões de acordo
com a freqüência, origem das radiações e as fontes para a sua produção.
4
Tabela 1: Métodos espectroscópicos comuns baseados na radiação eletromagnética
Tipo de
espectroscopia
Intervalo usual de
λ
Intervalo usual de
ν (cm-1)
Tipo de transição
quântica
Emissão de raios γ 0,005 – 1,4 oA - Nuclear
Absorção, emissão, fluorescência e
difração de raios X 0,1 – 100
oA - Elétrons internos
Absorção ultravioleta
no vácuo 10 – 180 nm 1.106 a 5.104 Elétrons de ligação
Absorção, emissão, e fluorescência
ultravioleta-visível 180 - 780 nm 5.104 a 1,3.104 Elétrons de ligação
Absorção infravermelha e espalhamento
Raman
0,78 - 300 µm 1,3.104 a 3,3.101 Rotação/vibração de moléculas
Absorção de microondas
0,75 – 3,75 mm 13 - 27 Rotação de moléculas
Ressonância de spin eletrônico
3 cm 0,33 Spin dos elétrons em um campo magnético
Ressonância magnética nuclear
0,6 – 10 m 1,7.10-2 a 1.103 Spin dos núcleos em um campo magnético
Tabela 2: Divisão do espectro eletromagnético na região do infravermelho até o ultravioleta
Região Denominação
> 16 µm infravermelho distante
16 µm até 2,5 µm infravermelho no NaCl 2500 nm até 780 nm infravermelho próximo 780 nm até 380 nm visível 380 nm até 200 nm ultravioleta próximo 200 nm até 10 nm ultravioleta no vácuo
5
MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS ÓTICOS
QUANTITATIVOS QUALITATIVOS
DETERMINAÇÃO ELEMENTAR
DETERMINAÇÃO MOLECULAR
- Espectroscopia no infravermelho - Espectroscopia Raman - Espectroscopia de Ressonância
Magnética Nuclear (RMN) - Difração de Raio-X
- Espectrometria de Absorção Atômica (FAAS e GF-AAS)
- Espectrometria de Emissão
Atômica com Chama (FAES) - Espectroscopia de Emissão Ótica
com Plasma Induzido de Argônio (ICP-OES)
- Espectrometria de Fluorescência
Atômica (AFS) - Espectrometria de Fluorescência
de Raio X (XRF)
- Espectrofotometria de Absorção Molecular Ultravioleta-Visível (UV-Vis)
- Espectrofotometria de Fluorescência
Molecular
6
7) Absorção da radiação eletromagnética:
Quando um feixe de radiação passa por uma substância absorvente,
a intensidade da radiação incidente (Io) será maior que a intensidade da
radiação emergente.
A absorção de radiações no visível, ultravioleta e raios-x
normalmente resultam em transições eletrônicas. Átomos ou moléculas
excitadas retornam ao estado fundamental rapidamente por perda de
energia na forma de calor ou por emissão de radiação eletromagnética
(luminescência ou fluorescência).
7.1) Absorção atômica
É a energia absorvida por átomos isolados.
Exemplo: O átomo de sódio absorve energia de comprimento
589,6 nm por deslocamento de um elétron do nível 3s ao nível 3p
equivalente a 2,10 eV.
(a)
(b)
(a) Espectro de absorção para o átomo de sódio no estado gasoso (b) Diagrama de energia para o átomo de sódio, mostrando as transições resultantes da absorção em 590, 330 e 285 nm.
300 400 500 600
Abs
orvâ
ncia
200 Comprimento de onda (nm)
1,0
2,0
3,0
4,0
3s
3p
4p
5p
Ener
gia
(eV
)
285
nm33
0nm
590
nm
7
7.2) Absorção molecular:
A energia de uma molécula pode ser considerada como a soma das
contribuições das energias eletrônicas, rotacional e vibracional. Assim:
ETotal = Eele + Erot + Evib
Onde: Eele = Energia eletrônica da molécula
Erot = Energia rotacional da molécula
Evib = Energia vibracional da molécula
Diagrama esquemático dos níveis energéticos de uma molécula diatômica com a indicação das seguintes transições: ∆J, rotacional pura; ∆V, vibracional-rotacional; ∆E, eletrônica.
2
1
0
Estado eletrônico excitado
1
0
2
Estado eletrônico fundamental
V
J
J
∆E
∆V
VJ’
J’
J
Ener
gia
∆J
J’
8
7.3) Absorção na região do visível e cor complementar
Quando uma luz policromática (luz branca), que contém todos os
comprimentos de onda do espectro na região do visível, é passada por
um objeto, este objeto irá absorver alguns comprimentos de onda,
deixando passar outros que não são absorvidos e serão transmitidos.
Estes comprimentos de onda transmitidos serão observados na forma
de cor. Esta cor é chamada de cor complementar da cor absorvida.
λ (nm) Cor absorvida Cor observada (complementar)
< 380 ultravioleta -
380 - 435 violeta verde amarelado
435 - 480 azul amarelo
480 -490 azul esverdeado alaranjado
490 - 500 verde azulado vermelho
500 - 560 verde púrpura
560 - 580 verde amarelado violeta
580 - 595 amarelo azul
595 - 650 alaranjado azul esverdeado
650 - 780 vermelho verde azulado
> 780 infravermelho -
O espectro visível compreende a região de 380 a 780 nm
9
8) Espectroscopia de absorção molecular na região UV-Vis
8.1 – Transmitância
Quando um feixe de radiação monocromática atravessa uma
solução que contenha uma espécie absorvente, uma parte da energia radiante
é absorvida enquanto a outra é transmitida pelo meio. Define-se como
potência radiante de um feixe de radiação colimada a quantidade de energia
transportada pelo feixe por segundo.
A transmitância (T) é definida como a razão da potência radiante do
feixe transmitido (P) pela potência do feixe incidente (Po).
Ou em porcentagem T (%) = 100PPo
⋅
8.2 – Lei de Beer-Lambert
Para um feixe de radiação monocromática colimado com potência
Po atravessando uma solução absorvente de concentração “c”, e
considerando uma seção transversal infinitesimal db temos:
amostra absorvente de
concentração “c”
oPPT =
10
11
Ex 1) O paládio reage com a cetona Thio-Michler’s formando um complexo
colorido de estequiometria 1:4. Uma solução contendo 0,20 mg L-1 de
paládio forneceu uma absorvância de 0,390 a 520 nm usando uma cela de
1,00 cm. Calcule a absortividade molar (ε) para o complexo paládio cetona
Thio-Michler’s.
A lei de Beer assume que:
1) A radiação é monocromática (apenas 1 λ)
2) A absorção ocorre em um volume de secção transversal uniforme
3) A substância absorve de forma independente de outras espécies presentes em solução.
Para sistemas com várias espécies absorventes a lei de Beer assume a seguinte expressão: ATotal = ε1.b.c1 + ε2.b.c2 + ε3.b.c3 + ... + εi.b.ci Esta equação é a base de métodos quantitativos que determinam misturas que absorvem em um mesmo comprimento de onda.
12
Ex 2) Um determinado indicador HIn de Ka = 1,42.10-5 absorve na região de
430 nm e 570 nm. Os valores de ε para as duas espécies absorventes HIn e
In- nos dois comprimentos de onda são dados abaixo. Determine a
absorvância de uma solução 2,00.10-5 mol L-1 do indicador em 430 e 570
nm.
Dado: HIn H+ + In-
εHIn (430 nm) = 6,30.102 εIn (430 nm) = 2,06.104
εHIn (570 nm) = 7,12.103 εIn (570 nm) = 9,60.102
13
9) O ESPECTRO DE ABSORÇÃO
Espectro de absorção do permanganato de potássio. A amostra (1) tem 66mg/L de concentração. As demais (2), (3), (4) e (5) foram diluídas para (0,8), (0,6), (0,4) e (0,2) da concentração da primeira amostra, respectivamente.
(a) (b)
14
(a) - Espectro de uma solução aquosa de azul de bromotimol 10-5 mol L-1
(laranja). (b) - Espectro de uma solução etanólica de fluoresceína 10-5 mol
L-1 (amarela)
Se várias substâncias absorverem a radiação, há um efeito aditivo:
Abs = εb1C1 + εb2C2 + . . .
Máx. de absorção a 525 nm A= 0,233 a = 0,078
Máx. de absorção a 625 nm A = 0.318 -> a = 0,106 ppmcm
Corante vermelho Corante azul
Mistura corante azul + vermelho A 510 nm= 0,183 a = 0,061/ppm.cm
Mistura: A 510 nm= 0,317 A625nm = 0,477
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10) Desvios da Lei de Beer-Lambert
O gráfico obtido pela aplicação da lei de Beer-Lambert
(absorvância em função da concentração) deve fornecer uma linha reta
passando pela origem e com uma inclinação igual a εb.
Desvios da lei de Beer-Lambert ocorrem quando o gráfico citado
apresenta uma fuga da linearidade. Os fatores que causam estes desvios
podem ser reais, instrumentais e químicos.
10.1) Limitações Reais
Ocorrem como conseqüência de interações que envolvem as
espécies absorventes e a variação do índice de refração com a
concentração.
- Desvios para soluções de altas concentrações ( > 0,01 mol L-1)
A lei de Beer-Lambert descreve o comportamento da absorção em
meios, em que a concentração do analito é relativamente baixa. Em
concentrações maiores que 0,01 mol L-1, a distância média entre as
moléculas responsáveis pela absorção diminui a ponto de cada
molécula afetar a distribuição de carga das moléculas vizinhas. Isto
altera a capacidade das moléculas de absorver um determinado
comprimento de onda da radiação.
A absortividade molar depende do índice de refração (n) da solução.
Para soluções com concentração superior a 10-2 mol L-1 deve-se utilizar
a seguinte variação da lei de Beer-Lambert:
22 )2n(nbA
+⋅ε⋅
=
16
- Desvios para soluções diluídas de alta concentração eletrolítica
Em meios com baixa concentração de espécies absorvedoras, mas com
concentrações elevadas de outras espécies, especialmente eletrólitos,
ocorre a alteração da absortividade molar da espécie absorvente, devido
interações eletrostáticas. Este efeito é diminuído por diluição.
- Desvios para soluções muito diluídas
Para que a absorvância seja uma função linear da concentração é
preciso que o aumento da concentração seja proporcional à quantidade
de luz absorvida.
Ex. Transmitância 25% 50 %
Absorvância 0,60 0,30
Transmitância 97,8% 99,8%
Absorvância 0,01 0,001
10.2) Desvios Químicos
Ocorrem quando as espécies absorventes sofrem associação,
dissociação, formação de complexos, polimerização ou solvólise, para
dar um produto que tem um espectro de absorção diferente do analito.
Neste caso, ocorre um desvio aparente, pois a lei de Beer-Lambert
estabelece que a absorvância é proporcional à concentração da espécie
absorvente e não necessariamente à concentração analítica de um
componente.
Perda da linearidade
17
Ex. HIn H+ + In- (Ka = 1,42.10-5)
CHIn [HIn] [In-]
(concentração).10-5 mol L-1 A430 A570
2,00 0,88 1,12 0,236 0,073
4,00 2,22 1,78 0,381 0,175
8,00 5,27 2,73 0,596 0,401
12,00 8,52 3,48 0,771 0,640
16,00 11,9 4,11 0,922 0,887
Desvios químicos da lei de Beer para soluções não-tamponadas do indicador HIn.
0,0 4,0x10-5 8,0x10-5 1,2x10-4 1,6x10-4
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
λ= 570 nm
Abs
orvâ
ncia
Concentração do indicador (mol L-1)
λ= 430 nm
18
10.3) Desvios Instrumentais
Estão associados com limitações dos instrumentos usados nas
medidas de absorvância. As fontes instrumentais passíveis de desvios
são:
1) Radiação policromática:
A obediência estrita a lei de Beer-Lambert é verificada apenas com
radiação verdadeiramente monocromática. Entretanto sempre se
trabalha com uma banda do comprimento de onda, porque os
dispositivos que isolam partes do espectro de uma fonte contínua
produzem uma banda mais ou menos simétrica de comprimentos de
onda em torno daquele desejado.
Desvios da lei de Beer com a luz policromática. O absorvente tem as absortividades molares indicadas nos dois comprimentos de onda λ’ e λ”.
0,0 2,0x10-4 4,0x10-4 6,0x10-4 8,0x10-4 1,0x10-3
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
ε1= 1750ε2= 250
ε1= 1000ε2= 1000
Abs
orvâ
ncia
Concentração (mol L-1)
ε1= 1500ε2= 500
19
Efeito da radiação policromática sobre a lei de Beer. A banda A exibe um pequeno desvio porque ε não muda significativamente neste intervalo. A banda B mostra um desvio considerável porque ε sofre uma variação significativa nessa região. 2) Radiação espúria:
A radiação emanada de um monocromador normalmente está
contaminada com pequenas quantidades de radiação espalhada, que
atinge a fenda de saída como resultado da reflexão ou espalhamento de
várias superfícies internas.
Esquema de um espectrofotômetro de feixe duplo separado temporalmente
20
Com freqüência a radiação espúria difere grandemente em
comprimento de onda daquele da radiação principal. Além disso, a
radiação espúria pode não ter passado pela amostra.
Quando as medidas são feitas na presença da radiação espúria tem-
se:
Onde: Pe = potência da radiação espúria não absorvida; Po = potência radiante do feixe que incide na amostra; P = potência radiante do feixe transmitido.
Desvio aparente da lei de Beer causada por várias quantidades de radiação espúria
eo
ePPPPlog'A
++
−=
21
3) Largura da fenda:
A fenda seleciona a largura da banda do espectro que irá chegar ao
detector. A largura efetiva da banda, que é a metade da largura de
banda, quando a fenda de entrada e saída do monocromador são
idênticas, é tomada como o intervalo de comprimentos de onda que sai
do monocromador, a um dado ajuste de comprimento de onda.
Iluminação de uma fenda de saída por uma radiação monocromática λ2 em vários ajustes do monocromador. As fendas de entrada e saída são idênticas.
22
Efeito da largura da fenda sobre os espectros. A fenda de entrada é
iluminada com λ1, λ2 e λ3 apenas. As fendas de entrada e saída são
idênticas. Os gráficos à direita mostram as variações na potência
emitida à medida que se ajusta o monocromador.
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Efeito da largura de banda no detalhamento espectral para o vapor de
benzeno: (a) 0,5 nm; (b) 1,0 nm; (c) 2,0 nm
O uso da largura de fenda mínima é desejável quando é necessária a
resolução de bandas estreitas de absorção. Contudo o estreitamento das
fendas é acompanhado por uma redução acentuada da potência radiante
disponível, o que compromete a precisão da análise. Assim, larguras de
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fendas maiores são utilizadas em determinações quantitativas. Nas
análises qualitativas, onde o detalhamento espectral é importante,
empregam-se larguras de fendas menores.
Efeito da largura de banda no detalhamento espectral. Amostra de
vidro didímio.
25
Efeito da abertura da fenda e largura de banda nas alturas de picos.
10.4) Fatores que afetam a formação de substâncias absorventes:
a) pH: Importante na formação de complexos, eliminação de
interferentes.
Ex. 1,10-fenantrolina reage com vários metais. A seletividade é
alcançada pela variação do pH.
1,10-fenantrolina
26
Kps Fe(OH)3 = 2,69.10-39
Kps Fe(OH)2 = 4,87.10-17
b) A concentração do reagente: A quantidade de reagente necessário é
determinada pela composição do complexo absorvente formado. A
falta ou excesso de reagente pode acarretar desvios na lei de
Beer-Lambert.
c) Tempo de reação: A reação de formação do complexo pode ser lenta
requerendo minutos ou horas para se completar.
Ex. a reação do fosfato pelo método do fosfomolibdato requer 15 min
para o completo desenvolvimento da cor.
d) Ordem da mistura dos reagentes: Em muitos casos é importante
adicionar os reagentes na seqüência especificada, caso contrário pode
1 2 3 4 5 6 7 8 9-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
Fe2+
log
C
pH
Fe3+
27
acontecer que a cor não se desenvolva devido à presença de
interferentes.
e) Estabilidade: Se o complexo formado não for muito estável a medida
de absorvância deve ser feita o mais rápido possível.
f) Mascarantes: A adição de agentes mascarantes (complexantes) pode
eliminar a interferência de outros metais.
Ex. Na presença de EDTA o íon férrico não forma complexo com
SCN2+.
Fe3+ + SCN- FeSCN2+ Kf = 891,3 (25 oC)
Fe3+ + Y4- (EDTA) FeY- Kf = 1,70.1024 (25 oC)
g) Solventes orgânicos:
- a adição de solventes miscíveis com a água ajudam a solubilizar
certos compostos;
- extração com solvente pode ser utilizada para separar um
composto colorido do excesso do reagente ou de interferentes;
- extração com solvente pode ser empregada como método de pré-
concentração;
h) Concentração salina: Alta concentração de eletrólitos, muitas vezes
influencia no espectro de absorção. Normalmente causa um
decréscimo na absorção.
28
10.5) Erros fotométricos:
Devido à relação entre a transmitância e a concentração ser
logarítmica, pequenos erros na medida de transmitância (T) causam
erros relativos elevados na concentração determinada. A concentração
das soluções deve ser ajustada para que a absorvância se situe no
intervalo de 0,2 a 0,7 (faixa de transmitância de 20 a 60%)
O erro é dado por:
Para ∆P (erro fotométrico) = 1
Esta expressão tem um valor mínimo quando A = 0,434 (T = 36,8%)
Nesta condição:
Para o erro fotométrico de 1% e transmitância de 36,8 %, o erro relativo na
concentração é de 2,72%.
0 20 40 60 80 100
2
4
6
8
10
12
14
16
Erro
rela
tivo
na c
once
ntra
ção
(%)
Transmitância (%)
29
11) Espécies Absorventes
11.1) Introdução
A absorção de radiação ultravioleta ou visível por uma espécie atômica ou molecular M pode ser considerada um processo de duas etapas, a primeira envolve a excitação eletrônica, como mostrado a seguir:
M + hν → M*
O produto da reação entre M e o fóton hν é uma espécie excitada eletronicamente, simbolizada por M*. O tempo de vida da espécie excitada é breve (10-8 a 10-9 s), sendo a sua existência terminada por um dos vários processos de relaxação. O tipo mais comum de relaxação envolve conversão da energia de excitação em calor, ou seja:
M* → M + calor
A relaxação pode também ocorrer por decomposição de M* para formar novas espécies; esse processo é chamado reação fotoquímica. A relaxação pode resultar na reemissão (fluorescência ou fosforecência).
A absorção de radiação ultravioleta ou visível geralmente resulta da excitação de elétrons de ligação. Em conseqüência, os comprimentos de onda dos picos de absorção podem ser relacionados com os tipos de ligação das espécies em estudo. Entretanto, a determinação quantitativa constitui a aplicação mais importante da espectroscopia UV-Vis.
As transições eletrônicas são divididas em três grupos, de acordo com tipo de elétrons envolvidos:
- elétrons π, σ e n
- elétrons d e f
- transferência de carga
30
11.2) Espécies absorvedoras contendo elétrons π, σ e n Espécies absorvedoras contendo elétrons π, σ e n incluem moléculas e íons inorgânicos, bem como alguns ânions inorgânicos. Todos os compostos orgânicos são capazes de absorver radiação eletromagnética porque todos contêm elétrons de valência que podem ser excitados a níveis de energia mais altos. As energias de excitação associadas a elétrons formando a maior parte das ligações simples são altas, de modo que a absorção por elas está restrita à chamada região ultravioleta de vácuo (λ < 185 nm) onde os componentes da atmosfera também absorvem energia. Assim, a maioria das investigações espectrofotométricas de compostos orgânicos envolve a região de comprimento de onda maior que 185 nm. A absorção de radiação visível e de ultravioleta de maior comprimento de onda está restrita a um número limitado de grupos funcionais (cromóforos) que contém elétrons de valência com energias de excitação relativamente baixas. Os espectros eletrônicos de moléculas orgânicas contendo cromóforos são normalmente complexos, porque a superposição de transições vibracionais com transições eletrônicas leva a uma combinação intrincada de linhas superpostas. O resultado é uma banda larga que freqüentemente parece ser contínua. 11.3) Tipos de elétrons absorventes Os elétrons que contribuem para a absorção de uma molécula orgânica são:
- os que participam diretamente na formação de ligação entre átomos e portanto estão associados a mais de um átomo;
- elétrons não-ligantes ou isolados externos que estão comumente localizados em átomos como oxigênio, halogênios, enxofre e nitrogênio.
A ligação covalente ocorre porque os elétrons que formam a ligação
movem-se no campo entre dois centros atômicos de modo a minimizar as forças coulombianas repulsiva entre dois centros. Os campos não localizados entre os átomos que são ocupados por elétrons ligantes são chamados de orbitais moleculares e podem ser considerados o resultado da superposição de orbitais atômicos. Quando dois orbitais atômicos se combinam, resultam
31
em um orbital molecular ligante, de energia mais baixa, e um orbital molecular antiligante, de energia mais alta. No estado fundamental, os elétrons ocupam primeiro o orbital ligante.
Sobreposição de dois orbitais atômicos 1s formando a molécula H2
Os orbitais moleculares associados com ligações simples são
designados por orbitais sigma (σ) e os elétrons correspondentes são elétrons σ.
Formação de orbitais moleculares ligantes e antiligante pela adição e subtração de orbitais atômicos
a)
b)
32
A ligação dupla em uma molécula orgânica contém dois tipos de orbitais moleculares: um orbital sigma (σ) correspondente a um par dos elétrons ligantes e um orbital molecular pi (π) associado a outro par. Os orbitais pi são formados pela superposição paralela de orbitais p atômicos.
Além dos elétrons σ e π, muito compostos orgânicos contém elétrons não-ligantes. Esses elétrons não-compartilhados são designados pelo símbolo n.
Ex. Tipos de orbitais moleculares no formaldeído As energias dos vários tipos de orbitais moleculares diferem
significativamente. Em geral, o nível de energia de um elétron não ligante situa-se entre os níveis de energia dos orbitais σ e π ligantes e antiligantes. As transições eletrônicas entre certos níveis de energia podem ocorrer por absorção de radiação. São possíveis quatro tipos de transições: σ → σ∗, n → σ∗, n → π∗, π → π∗.
Níveis de energia eletrônica molecular
33
11.4 - Transições σ → σ∗
Nesta transição um elétron em um orbital σ ligante de uma molécula é excitado ao orbital antiligante correspondente pela absorção da radiação. A energia necessária para induzir a transição σ → σ∗ é alta, correspondendo a freqüências na região ultravioleta de vácuo. Ex. CH4 (C-H) λ = 125 nm; CH3CH3 (C-H) λ = 135 nm
11.5) - Transições n → σ∗ Compostos saturados contendo átomos com pares de elétrons não compartilhados (elétrons não-ligantes) são capazes de transições n → σ∗. Em geral, essas transições requerem menos energia que o tipo σ → σ∗ e podem ser produzidas por radiação na região entre 150 e 250 nm, com maior parte dos picos aparecendo abaixo de 200 nm. As absortividades molares associadas a esse tipo de absorção são pequenas e intermediárias em magnitude e normalmente entre 100 e 3000 L cm-1 mol-1. Os máximos de absorção para transições n → σ∗ tendem a se deslocar para comprimentos de onda menores na presença de solventes polares, como água ou etanol. O número de grupos funcionais orgânicos com picos n → σ∗ na região do ultravioleta facilmente acessível é relativamente pequeno.
Exemplos de absorção devido a transições n → σ∗
34
11.6) Transições n → π∗ e π → π∗ A maior parte das aplicações da espectroscopia UV-Vis a compostos orgânicos está baseada em transições de elétrons n ou π para o estado excitado π∗, porque as energias necessárias para estes processos situam-se em uma região espectral experimentalmente conveniente (200 a 700 nm). Estes dois tipos de transições requerem a presença de um grupo funcional insaturado para fornecer os orbitais π. A estes centros de absorção que o termo cromóforo se aplica. As absortividades molares para picos associados a excitação ao estado n, π∗ são geralmente pequenas e comumente variam de 10 a 100 L mol-1 cm-
1; os valores para transições π → π∗ estão entre 1000 e 10000. Outra diferença é o efeito exercido pelo solvente sobre o comprimento de onda dos picos. Picos associados a transições n → π∗ geralmente são deslocados para comprimentos de onda menores (deslocamento hipsocrômico ou deslocamento para o azul) ao se aumentar a polaridade do solvente. Este efeito surge devido a maior solvatação do par de elétrons n não ligado, o que abaixa a energia do orbital n. Uma tendência oposta (deslocamento batocrômico ou deslocamento para ou vermelho) é observada para as transições π → π∗. No deslocamento batocrômico, forças de atração de polarização entre o solvente e o absorvente tendem a abaixar os níveis de energia, tanto dos estados não-excitados como dos excitados. O efeito no estado excitado, no entanto, é maior e as diferenças de energia tornam-se menores ao se aumentar a polaridade do solvente. 11.7) Cromóforos São grupos funcionais que contém elétrons de valência com energias de excitação relativamente baixas. No tratamento de orbitais moleculares, elétrons π tornam-se ainda mais deslocalizados por conjugação. Estes orbitais envolvem quatro (ou mais) centros atômicos. Os efeitos dessa deslocalização são um abaixamento do nível de energia do orbital π* e a promoção de um caráter menos antiligante para este orbital. Assim, os máximos de absorção são deslocados para comprimentos de onda maiores.
35
Espectros ultravioleta de compostos orgânicos típicos
Estrutura do β-caroteno
CH3
CH3
CH3 CH3 CH3
CH3 CH3 CH3
H3C
CH3
36
Características de absorção de alguns cromóforos comuns
37
12) COMPONENTES BÁSICOS DE UM ESPECTROFOTÔMETRO DE
ABSORÇÃO UV-VIS
Os componentes básicos de um equipamento para medidas de absorção
são:
a) Fonte de energia radiante contínua
b) Dispositivo para isolar faixas espectrais ou sistemas de seleção de
comprimento de onda
c) Recipiente para a amostra
d) Sistema de detecção
e) Dispositivo para medir a intensidade do sinal observado.
Esquema de um espectrofotômetro de feixe simples
38
Esquema de um espectrofotômetro de feixe duplo
12.1) Fonte de energia radiante contínua
12.1.1) Requisitos para a fonte de energia radiante:
a) Emitir uma radiação contínua que contenha todos os
comprimentos de onda dentro da faixa espectral de interesse (200 a
800 nm).
b) Fornecer um feixe de luz com potência radiante suficiente para
permitir a sua detecção.
c) Precisa ser estável e a potência do feixe deve se manter constante
no decorrer das medidas
12.1.2) Tipos de fontes de radiação
As duas fontes mais utilizadas na espectroscopia UV-VIS são a
lâmpada de deutério e lâmpada de filamento de tungstênio.
39
Tipo de Fonte Faixa de λ Técnica
Lâmpadas de H2 e D2 160 – 380 nm Absorção no UV
Lâmpada de
Tungstênio/Halogênio 240 – 2200 nm UV-VIS/IV próximo
Lâmpada de Tungstênio 350 – 2200 nm VIS/IV próximo
a) Lâmpadas de deutério e hidrogênio
Um espectro contínuo na região do ultravioleta é produzido por
excitação elétrica de deutério a baixa pressão. A lâmpada é formada
por um arco recoberto de óxido e um eletrodo metálico. O filamento
aquecido fornece elétrons para manter uma corrente contínua quando
se aplica aproximadamente 40V.
O balanço de energia é dado por:
O deutério produz uma esfera um pouco maior e mais intensa que o
hidrogênio, o que explica o uso maior do primeiro.
Janelas de quartzo precisam ser usadas em lâmpadas de deutério e
hidrogênio, uma vez que o vidro absorve fortemente em comprimentos
de onda abaixo de 350 nm.
40
Emissão de uma lâmpada de deutério
12.1.3) Fonte de radiação visível:
A fonte usualmente utilizada é a lâmpada de tungstênio. A
lâmpada de filamento de tungstênio funciona pelo aquecimento do
filamento, pela passagem de corrente elétrica que aquecido à
incandescência emite radiação contínua pela infinidade de transições
atômicas e moleculares.
A radiação térmica é tratada com base no modelo do corpo negro.
Por definição o corpo negro absorve qualquer radiação e atua também
como perfeito emissor.
Segundo a lei de Stefan, a energia total J, emitida pelo corpo
negro por unidade de tempo e unidade de área (potência por unidade de
área) varia com a quarta potência da temperatura absoluta.
J = a.T4
41
Devido a essa relação deve-se estabelecer um controle rigoroso
sobre a temperatura para se ter um espectro contínuo e bastante estável.
Na região do visível, a energia emitida por uma lâmpada de
tungstênio varia aproximadamente com a quarta potência da voltagem
de operação. Em conseqüência, há a necessidade de se obter uma fonte
de radiação estável.
As lâmpadas de tungstênio/halogênio contém uma quantidade de
iodo em um encapsulamento de quartzo que contém o filamento de
tungstênio. O quartzo é necessário devido a alta temperatura de
operação da lâmpada (~ 3500 K). O tempo de vida de uma lâmpada de
halogênio tungstênio é maior que o dobro daquele em uma lâmpada
comum.
42
12.2) Seletores de comprimento de onda
Para a maior parte das análises espectroscópicas é necessário
radiação constituída de um grupo estreito de comprimentos de onda
denominado de banda.
A largura de banda efetiva é uma medida inversa da qualidade do
seletor de comprimento de onda.
Dois tipos de seletores de comprimento de onda são empregados:
filtros e monocromadores.
12.2.1) Filtros
São utilizados dois tipos de filtros: filtros de interferência e filtros
de absorção.
Os filtros de absorção estão restritos à região visível do espectro.
Estes filtros isolam uma certa banda espectral absorvendo
preferencialmente os demais comprimentos de onda.
43
Os filtros mais usados são os vidros coloridos. Em geral possuem
larguras efetivas de banda de 30 a 50 nm e transmitância máxima entre
5 a 20%.
O funcionamento dos filtros de interferência baseia-se no fenômeno
da interferência óptica. Estes filtros são constituídos por um dielétrico
transparente (CaF2 ou MgF2), que ocupa o espaço entre dois filmes
metálicos semitransparentes. A espessura da camada dielétrica é
cuidadosamente controlada e determina o λ da radiação transmitida.
nλ’ = 2t/cos θ
Geralmente as larguras de banda efetivas são cerca de 1,5% do λ no
pico de transmitância.
44
12.2.2) Monocromadores
Possibilitam variar o comprimento de onda da medida (varredura do
espectro).
Os elementos ópticos encontrados nos monocromadores incluem:
- fenda de entrada que produz uma imagem retangular;
- uma lente colimadora que produz um feixe paralelo de radiação;
- um prisma ou uma rede de difração;
- elemento de focagem para projetar as imagens retangulares da
fenda de entrada;
- fenda de saída que isola a faixa espectral de interesse.
45
Atualmente, quase todos os monocromadores comercializados são
baseados em redes de difração, devido ao menor custo e a melhor
separação de comprimentos de onda para um mesmo tamanho de
elemento dispersor e dispersam a radiação linearmente ao longo do
plano focal.
As redes de difração contém normalmente 300 a 2000
ranhuras/mm com as de 1200 a 1440 sendo as mais comuns. São feitas
a partir de uma rede-mestre.
e
46
12.3) Recipiente para amostra
Normalmente empregam-se cubetas de vidro ou quartzo. A cubeta
mais utilizada é a de 1,0 cm. Existem, porém, cubetas de 0,1 cm a 10
cm, dependendo da necessidade da análise.
As cubetas para a região visível podem ser de vidro (ou de plástico
transparente no caso de soluções aquosas), mas para a região abaixo de
330 nm precisam ser utilizadas cubetas de quartzo ou de sílica fundida.
Cubetas de Absorção – Hellma (Alemanha) Código Material Percurso ótico Volume
1 mm 350 µl 2 mm 700 µl 5 mm 1750 µl 10 mm 3500 µl 20 mm 7000 µl 40 mm 14000 µl 50 mm 17500 µl 100 mm 35000 µl 1 mm 350 µl 2 mm 700 µl 5 mm 1750 µl 10 mm 3500 µl 20 mm 7000 µl 40 mm 14000 µl 50 mm 17500 µl 100 mm 35000 µl
47
Este logo de identificação indica vidro tipo UK5 da SCHOTT Glaswerke. É usado para as cubetas que no catálogo constam como "vidro ótico especial". Este vidro nobre é feito de materias primas excepcionalmente pura, que dão uma transmissão expressiva na escala ultravioleta próxima. Faixa de comprimento de onda de 320 nm a 2500 nm
Este logo de identificação indica que o quartzo é de elevado grau de pureza e de homogeneidade. É também chamado de quartzo sintético, ou seja, quartzo SUPRASIL da Heraeus Quarzglas GmbH.
Faixa de comprimento de onda de 170 nm a 2500 nm
Número de Catálogo 100
Código do Material
Percurso Ótico 10 mm
Volume 3500 µl
Dimensões Externas Altura Largura Profundidade
45 mm 12.5 mm 12.5 mm
Dimensões Internas Altura
9.5 mm
Espessura da Base 1.5 mm
Quantidade de Janelas 2
48
Número de Catálogo 100
Código do Material
Percurso Ótico 40 mm
Volume 14000 µl
Dimensões Externas Altura Largura Profundidade
45 mm 12.5 mm 42.5 mm
Dimensões Internas Altura
9.5 mm
Espessura da Base 1.5 mm
As células mais empregadas são:
- células retangulares: são células simples que pode-se encher
manualmente. As células de 1 cm são as mais utilizadas.
- células de fluxo: estas células permitem a medida de absorção em
sistemas em fluxo, sendo utilizadas como detectores em
equipamentos de cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC)
Células micro
49
Estes tipos de células estão disponíveis em três graus:
Grau A - tolerância do caminho ótico < 0,1%
Ex: 10 ± 0,01 mm
Grau B - tolerância do caminho ótico < 0,5 %
Ex: 10 ± 0,04 mm
Grau C - tolerância do caminho ótico ~ 3,0 %
Ex: 10 ± 0,3 mm
As melhores células são as que têm janelas perfeitamente normais à
direção do feixe (90 o), para minimizar as perdas por reflexão. Por essa
razão evita-se o uso de células cilíndricas.
Cuidados:
Impressões digitais, gordura ou outros depósitos nas paredes
alteram significativamente as características de transmissão de uma
célula.
50
A limpeza é feita com uma mistura de água e acetona (azeótropo).
A qualidade dos dados de absorvância depende fundamentalmente
do modo com as células casadas (par) são mantidas. Células casadas
não podem ser secas em estufa, pois pode haver mudanças no caminho
óptico.
Aferição ótica (Ex. Hellma)
184 → 1 = vidro
284 → 2 = quartzo
Todas as cubetas que tiverem este número impresso na janela terão a
mesma transmitância.
As células devem ser calibradas uma contra a outra regularmente com
uma solução absorvente.
12.4 Sistemas de detecção (detectores)
Os tipos de detectores usados em espectroscopia UV-VIS são:
Fototubo - 150 a 1000 nm
Fotomultiplicador - 150 a 1000 nm
Fotodiodo de silício - 350 a 1100 nm
Arranjo de diodos - 350 a 1100 nm
51
12.4.1) Fototubos à vácuo
Consiste de um cátodo semicilíndrico e um ânodo filamentar,
selados dentro de um envoltório evacuado e transparente. A superfície
côncava do eletrodo é coberta por uma camada de material fotoemissor
que tende a emitir elétrons quando irradiado. Quando se aplica um
potencial aos eletrodos os elétrons emitidos fluem para o filamento
anódico, gerando uma fotocorrente.
À medida que o potencial aumenta ao longo dos dois eletrodos, a
fração de elétrons emitidos que atingem o ânodo aumenta rapidamente.
Quando o potencial de saturação é alcançado, a corrente torna-se
independente do potencial e diretamente proporcional a energia
radiante.
Os cátodos mais sensíveis são do tipo biálcali de número 117 (K,
Cs, Sb).
Respostas uniformes são alcançadas com compostos de Ga/As (128)
52
Os fototubos geralmente produzem uma pequena corrente residual ,
resultante da emissão termicamente induzida de elétrons e da
radiotividade natural do 40K no revestimento de vidro do tubo.
12.4.2) Fotomultiplicador ou Tubos Fotomultiplicadores
A superfície que serve como fotocátodo deste detector tem
composição similar às superfícies dos fototubos e emite elétrons
quando exposta à radiação.
53
O tubo contém também eletrodos adicionais chamados dinodos. O
dinodo 1 é mantido a um potencial 90 V mais positivo que o do cátodo
e, como conseqüência os elétrons são acelerados em direção ao mesmo.
Quando atingem o dinodo, cada fotoelétron provoca a emissão de
vários elétrons adicionais; estes por sua vez são acelerados em relação
ao dinodo 2, que está 90 V mais positivo que o dinodo 1. No instante
em que esse processo tiver sido repetido nove vezes 106 a 107 elétrons
terão sido formados para cada fóton incidente.
As fotomultiplicadoras têm tempo de resposta extremamente
pequeno. A sensibilidade de um instrumento com este tipo de detector
fica limitada por sua emissão de corrente residual (termicamente
ativada). Este problema pode ser minimizado por meio do resfriamento
da fotomultiplicadora (as correntes residuais térmicas podem ser
eliminadas resfriando-se o detector a -30 oC).
As fotomultilicadoras podem medir potência radiante 200 vezes
mais fracas que as medidas com fototubos comuns.
54
55
12.4.3) Fotodiodo de silício
Silício cristalino é um semicondutor, isto é, um material cuja
condutância elétrica é menor que a do metal e maior que a dos
materiais isolantes. O silício é um elemento do grupo IV que possui 4
elétrons de valência.
A condutividade do silício pode ser aumentada pela dopagem com
uma quantidade controlada (1 ppm) de um elemento do grupo V ou III.
Quando o cristal é dopado com um elemento do grupo V, como o
arsênio, quatro elétrons do silício formam ligações covalentes com
quatro elétrons do silício deixando um elétron livre para contribuir com
a condutividade do cristal. Neste caso dizemos que o semicondutor é
do tipo n (figura abaixo).
No caso de um elemento dopante do grupo III acontecerá falta de
elétrons, ou seja, excesso de buracos (cargas positivas). Neste caso
diz-se que o semicondutor é do tipo p.
56
(a) Diagrama de um diodo de silício; (b) Fluxo de eletricidade com
polarização direta; (c) Formação de uma camada de depleção previne o
fluxo de eletricidade sob polarização reversa.
Uma junção pn, ou fotodiodo pn, conduz eletricidade apenas em um
sentido.
No caso da ligação em linha reversa uma camada vazia é formada
na junção pn. O diodo nesta configuração pode ser usado como
detector, porque as radiações ultravioleta e visível são suficientemente
energéticas para criar elétrons e buracos adicionais quando atingem a
região da camada vazia.
12.4.4) Arranjo de diodos (diode-array detectors)
Construído pelo arranjo linear de vários diodos pn, como o arranjo
mostrado anteriormente. Colocando-se um ou dois desses arranjos de
diodos ao longo do plano focal do monocromador, todos os
comprimentos de onda podem ser monitorados simultaneamente
57
(figura abaixo). Desta forma, a leitura torna-se extremamente rápida e
possibilita a construção de equipamentos multicanais.
Esquema de um espectrofotômetro multicanal
12.5) Dispositivo para medir a intensidade do sinal observado
Os dispositivos utilizados para a medida do sinal podem ser
simples mostradores analógicos ou digitais. Atualmente, a maioria dos
espectrofotômetros, possuem computadores acoplados com programas
especiais próprios para o tratamento dos dados obtidos nas análises
espectrofotmétricas.
58
13) CALIBRAÇÃO
13.1- Curva de calibração
Resultados de medidas de absorvância de soluções padrão de KMnO4
Concentração mg mL-1 λ (nm) branco
5 10 15 20 30
480 0,000 0,082 0,161 0,240 0,314 0,475
522 0,000 0,211 0,421 0,638 0,836 1,236
Curvas de calibração para determinação de KMnO4 nos comprimentos
de 522 e 480 nm
Sensibilidade (S): é definida como a variação da resposta de um
equipamento, causada pelo aumento ou diminuição da concentração.
0 5 10 15 20 25 30-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
λ = 480 nm
A = 0,00194 + 0,01575.CR = 0,99993
Abs
orvâ
ncia
Concentração (mg mL-1)
A = 0,00671 + 0,04127.CR = 0,99985
λ = 522 nm
59
A sensibilidade de um método analítico corresponde ao coeficiente
angular da curva de calibração.
S (λ = 480 nm) = 0,01575 mL mg-1
S (λ = 522 nm) = 0,04127 mL mg-1
Quanto maior a sensibilidade do método, maior a possibilidade de se
determinar com confiabilidade concentrações menores.
Limite de detecção (LD): é a menor concentração que pode ser
distinguida do sinal do branco com um certo nível de confiança. Toda a
técnica analítica tem um limite de detecção. Para os métodos que
empregam uma curva analítica, o limite de detecção é definido como a
concentração analítica que gera uma resposta com um fator de
confiança k superior ao desvio padrão do branco (sb).
LD = brbr ksS + ; k geralmente é igual a 3.
60
onde: brS = é o sinal médio do branco
k = fator relacionado ao nível de confiança
brs = desvio padrão do branco
Limite de quantificação (LQ): o limite de quantificação corresponde a
menor concentração de analito presente em uma amostra que pode ser
quantificada com um nível de precisão razoável.
A precisão é uma medida dos resultados obtidos por meio de um
método analítico.
A exatidão corresponde à concordância entre o valor obtido através da
análise e o valor verdadeiro.
LQ = brbr ksS + ; k geralmente é igual a 10.
13.2 - Método da adição de analito (ou padrão)
Este método é empregado quando a matriz é complexa e as
substâncias interferem na absortividade molar. Sua aplicação é
satisfatória se a interferência observada for proporcional a
concentração do analito.
Ex. determinação de Fe3+ em água potável
Neste método, pipetou-se 5 alíquotas de 20 mL de água que foram
adicionadas a balões volumétricos de 100 mL. Em seguida
adicionou-se alíquotas de (0,00), 5,00, 10,00, 15,00 e 20,00 mL de uma
solução padrão contendo 15 mg ml-1 de Fe3+, seguido da adição de um
61
um excesso de tiocianato de amônio (NH4SCN). O volume foi
completado para 100 mL, por meio da adição de água destilada.
Volume (mL)
Fe3+ adicionado 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00
Absorvância 0,215 0,424 0,621 0,826 1,020
1 2 3 4 5
20 mL
(amostra)
+
H2O destil
20 mL
(amostra)
+
5 mL
(analito)
+
H2O destil
20 mL
(amostra)
+
10 mL
(analito)
+
H2O destil
20 mL
(amostra)
+
15 mL
(analito)
+
H2O destil
20 mL
(amostra)
+
20 mL
(analito)
+
H2O destil
62
Calculando a concentração:
Solução 1: 0,00 mL de Fe3+ adicionado → [Fe3+]adicionado = 0 mg mL-1
Solução 2: 5,00 mL de Fe3+ adicionado → [Fe3+]adicionado = 0,75 mg mL-1
Solução 3: 10,00 mL de Fe3+ adicionado → [Fe3+]adicionado = 1,50 mg mL-1
Solução 4: 15,00 mL de Fe3+ adicionado → [Fe3+]adicionado = 2,25 mg mL-1
Solução 5: 20,00 mL de Fe3+ adicionado → [Fe3+]adicionado = 3,00 mg mL-1
Concentração
Fe3+ adicionado 0,00 0,75 1,50 2,25 3,00
Absorvância 0,215 0,424 0,621 0,826 1,020
Construindo o gráfico:
-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,00,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Abs
orvâ
ncia
Concentração de Fe3+ adicionada (mg mL-1)
A = 0,2188 + 0,26827.CR = 0,99993
-0,816
63
Princípio matemático do método:
Determinar a equação da reta:
Considerar a concentração total como : CAmostra + CAnalito
-3 -2 -1 0 1 2 3 40,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7A
bsor
vânc
ia
Concentração de Fe3+ adicionado (mg mL-1)
64
14) TITULAÇÕES ESPECTROFOTOMÉTRICAS
As medidas espectrofotométricas são úteis para se localizar os pontos
de equivalência de titulações. Essa aplicação requer que um ou mais
reagentes ou produtos absorvam a radiação absorvente ou que um
indicador seja adicionado a solução do analito.
65