Optica - Espectro

1

ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO NA REGIÃO UV-VIS

2

O movimento eletromagnético é caracterizado pelos parâmetros: - Comprimento de onda (λ): Distância entre dois máximos

1) Introdução aos Métodos Espectrométricos: A palavra espectroscopia é normalmente usada para definir separação,

sucessivos, unidades em micrômetros (µm) e nanômetros (nm). - Número de onda ( ν ): Número de ondas por unidade de distância,

detecção e registro de mudanças de energia envolvendo núcleos, átomos,

1/λ, unidade em cm-1.

íons ou moléculas. Essas mudanças podem ser decorrentes de emissão,

- Freqüência (ν): Número de ondas passando por um ponto na

absorção, dispersão da radiação eletromagnética ou partículas. Os métodos

unidade de tempo. Unidades: s-1 (hertz)

espectroscópicos baseiam-se na interação da radiação eletromagnética com a

- Período (p): Intervalo de tempo entre dois máximos sucessivos.

amostra, para a determinação quantitativa e qualitativa dos analitos.

Relações entre as propriedades:

2) Radiação eletromagnética:

ν=

Forma de energia radiante que se propaga no espaço possuindo características ondulatórias e corpusculares. 3) Propriedades ondulatórias:

ν=

1 λ

mas

c=

λ t

(a velocidade da radiação é igual a “c” somente no vácuo)

1 1 ν = ∴ c = λν ⇒ t λ c

⇒ ν=

ν c

A figura abaixo mostra a contribuição dos campos magnético e elétrico no movimento ondulatório.

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: E=

h⋅c = hν λ

Esta expressão relaciona a energia do fóton com o comprimento de Representação de um feixe monocromático de radiação plano-polarizada. Os campos elétrico e

onda. Assim, fótons de alta freqüência (baixo comprimento de onda)

magnético formam um ângulo reto entre si e a direção de propagação da onda

possuem mais energia que fótons de baixa freqüência (alto comprimento de onda).

3

5) Unidades usadas em espectroscopia -6

-4

µm (micrômetro)

= 10 m; 10 cm

nm (nanômetro)

= 10-9 m ; 10-7 cm

o

A (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

Intervalo usual de

Intervalo usual de

Tipo de transição

espectroscopia

λ

ν (cm )

quântica

-

Nuclear

-

Elétrons internos

10 – 180 nm

1.106 a 5.104

Elétrons de ligação

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

Emissão de raios γ

-1

o

0,005 – 1,4 A

Absorção, emissão, fluorescência e difração de raios X

o

0,1 – 100 A

Absorção ultravioleta no vácuo Absorção, emissão, e fluorescência ultravioleta-visível

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

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

QUANTITATIVOS

radiação emergente.

QUALITATIVOS

A absorção de radiações no visível, ultravioleta e raios-x normalmente resultam em transições eletrônicas. Átomos ou moléculas - Espectroscopia no infravermelho - Espectroscopia Raman

- Difração de Raio-X

É a energia absorvida por átomos isolados. 589,6 nm por deslocamento de um elétron do nível 3s ao nível 3p equivalente a 2,10 eV.

5p

DETERMINAÇÃO MOLECULAR

4,0

- Espectrofotometria Molecular

de

Fluorescência

200 300 400 500 600 Comprimento de onda (nm)

3,0

3p

2,0

1,0

590 nm

- Espectrofotometria de Absorção Molecular Ultravioleta-Visível (UV-Vis)

4p

330 nm

- Espectrometria de Fluorescência de Raio X (XRF)

7.1) Absorção atômica Exemplo: O átomo de sódio absorve energia de comprimento

- Espectroscopia de Emissão Ótica com Plasma Induzido de Argônio (ICP-OES) - Espectrometria de Fluorescência Atômica (AFS)

(luminescência ou fluorescência).

285 nm

- Espectrometria de Emissão Atômica com Chama (FAES)

- Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

energia na forma de calor ou por emissão de radiação eletromagnética

Energia (eV)

- Espectrometria de Absorção Atômica (FAAS e GF-AAS)

excitadas retornam ao estado fundamental rapidamente por perda de

Absorvância

DETERMINAÇÃO ELEMENTAR

3s

(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.

7

7.2) Absorção molecular:

7.3) Absorção na região do visível e cor complementar

A energia de uma molécula pode ser considerada como a soma das contribuições das energias eletrônicas, rotacional e vibracional. Assim:

Estes comprimentos de onda transmitidos serão observados na forma

Erot = Energia rotacional da molécula

de cor. Esta cor é chamada de cor complementar da cor absorvida.

Evib = Energia vibracional da molécula

λ (nm)

Cor absorvida

< 380

ultravioleta

Cor observada (complementar) -

380 - 435

violeta

verde amarelado

435 - 480

azul

amarelo

480 -490

azul esverdeado

alaranjado

490 - 500

verde azulado

vermelho

500 - 560

verde

púrpura

V

560 - 580

verde amarelado

violeta

2

580 - 595

amarelo

azul

595 - 650

alaranjado

azul esverdeado

650 - 780

vermelho

verde azulado

> 780

infravermelho

-

J’ V 2 1

Estado eletrônico excitado

0

Energia

∆E

J

J

J ∆J

∆V

comprimentos de onda do espectro na região do visível, é passada por deixando passar outros que não são absorvidos e serão transmitidos.

Onde: Eele = Energia eletrônica da molécula

J’

Quando uma luz policromática (luz branca), que contém todos os um objeto, este objeto irá absorver alguns comprimentos de onda,

ETotal = Eele + Erot + Evib

J’

8

1

Estado eletrônico fundamental

0

Diagrama esquemático dos níveis energéticos de uma molécula diatômica com a indicação das seguintes transições: ∆J, rotacional pura; ∆V, vibracional-rotacional; ∆E, eletrônica.

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.

amostra absorvente de concentração “c”

A transmitância (T) é definida como a razão da potência radiante do feixe transmitido (P) pela potência do feixe incidente (Po).

T=

Ou em porcentagem T (%) =

P Po

P ⋅ 100 Po

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:

10

11

12

Ex 1) O paládio reage com a cetona Thio-Michler’s formando um complexo

Ex 2) Um determinado indicador HIn de Ka = 1,42.10-5 absorve na região de

colorido de estequiometria 1:4. Uma solução contendo 0,20 mg L-1 de

430 nm e 570 nm. Os valores de ε para as duas espécies absorventes HIn e

paládio forneceu uma absorvância de 0,390 a 520 nm usando uma cela de

In- nos dois comprimentos de onda são dados abaixo. Determine a

1,00 cm. Calcule a absortividade molar (ε) para o complexo paládio cetona

absorvância de uma solução 2,00.10-5 mol L-1 do indicador em 430 e 570

Thio-Michler’s.

nm. Dado: HIn

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.

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

14

(a) - Espectro de uma solução aquosa de azul de bromotimol 10-5 mol L-1

9) O ESPECTRO DE ABSORÇÃO

(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 + . . . Corante vermelho

Máx. de absorção a 525 nm A= 0,233 a = 0,078

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)

A 510 nm= 0,183 a = 0,061/ppm.cm

Corante azul

Máx. de absorção a 625 nm A = 0.318 -> a = 0,106 ppmcm

Mistura corante azul + vermelho Mistura: A 510 nm= 0,317 A625nm = 0,477

15

10) Desvios da Lei de Beer-Lambert

16

- Desvios para soluções diluídas de alta concentração eletrolítica

O gráfico obtido pela aplicação da lei de Beer-Lambert

Em meios com baixa concentração de espécies absorvedoras, mas com

(absorvância em função da concentração) deve fornecer uma linha reta

concentrações elevadas de outras espécies, especialmente eletrólitos,

passando pela origem e com uma inclinação igual a εb.

ocorre a alteração da absortividade molar da espécie absorvente, devido

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.

interações eletrostáticas. Este efeito é diminuído por diluição.

- Desvios para soluções muito diluídas Para que a absorvância seja uma função linear da concentração é

10.1) Limitações Reais

preciso que o aumento da concentração seja proporcional à quantidade

Ocorrem como conseqüência de interações que envolvem as espécies absorventes e a variação do índice de refração com a concentração.

de luz absorvida. Ex. Transmitância 25% Absorvância 0,60

50 % 0,30

-1

- Desvios para soluções de altas concentrações ( > 0,01 mol L )

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

Transmitância 97,8%

99,8%

Absorvância 0,01

0,001

Perda da linearidade

10.2) Desvios Químicos

moléculas responsáveis pela absorção diminui a ponto de cada

Ocorrem quando as espécies absorventes sofrem associação,

molécula afetar a distribuição de carga das moléculas vizinhas. Isto

dissociação, formação de complexos, polimerização ou solvólise, para

altera a capacidade das moléculas de absorver um determinado

dar um produto que tem um espectro de absorção diferente do analito.

comprimento de onda da radiação.

Neste caso, ocorre um desvio aparente, pois a lei de Beer-Lambert

A absortividade molar depende do índice de refração (n) da solução. -2

-1

estabelece que a absorvância é proporcional à concentração da espécie

Para soluções com concentração superior a 10 mol L deve-se utilizar

absorvente e não necessariamente à concentração analítica de um

a seguinte variação da lei de Beer-Lambert:

componente.

b⋅ε⋅ n A= 2 ( n + 2) 2

17

H+ + In- (Ka = 1,42.10-5)

Ex. HIn CHIn

10.3) Desvios Instrumentais Estão associados com limitações dos instrumentos usados nas

[In-]

[HIn]

18

(concentração).10-5 mol L-1

A430

A570

medidas de absorvância. As fontes instrumentais passíveis de desvios são:

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

A obediência estrita a lei de Beer-Lambert é verificada apenas com

12,00

8,52

3,48

0,771

0,640

radiação verdadeiramente monocromática. Entretanto sempre se

16,00

11,9

4,11

0,922

0,887

trabalha com uma banda do comprimento de onda, porque os

1) Radiação policromática:

dispositivos que isolam partes do espectro de uma fonte contínua produzem uma banda mais ou menos simétrica de comprimentos de

1,0

onda em torno daquele desejado. 1,0

λ= 430 nm

0,6

ε1= 1000

0,8

ε2= 1000

λ= 570 nm

0,4

Absorvância

Absorvância

0,8

0,2 0,0 0,0

4,0x10

-5

-5

8,0x10

-4

-4

1,2x10

1,6x10

ε1= 1500

0,6

ε2= 500 ε1= 1750

0,4

ε2= 250

0,2

-1

Concentração do indicador (mol L )

Desvios químicos da lei de Beer para soluções não-tamponadas do indicador HIn.

0,0 0,0

2,0x10

-4

-4

4,0x10

-4

6,0x10

-4

8,0x10

-3

1,0x10

-1

Concentração (mol L )

Desvios da lei de Beer com a luz policromática. O absorvente tem as absortividades molares indicadas nos dois comprimentos de onda λ’ e λ”.

19

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 temse: A ' = − log

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.

P + Pe Po + Pe

Onde: Pe = potência da radiação espúria não absorvida; Po = potência radiante do feixe que incide na amostra; P = potência radiante do feixe transmitido.

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.

Desvio aparente da lei de Beer causada por várias quantidades de radiação espúria Esquema de um espectrofotômetro de feixe duplo separado temporalmente

21

22

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.

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 Iluminação de uma fenda de saída por uma radiação monocromática λ2 em vários ajustes do monocromador. As fendas de entrada e saída são idênticas.

emitida à medida que se ajusta o monocromador.

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24

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 para o vapor de benzeno: (a) 0,5 nm; (b) 1,0 nm; (c) 2,0 nm Efeito da largura de banda no detalhamento espectral. Amostra de 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

vidro didímio.

25

26

Kps Fe(OH)3 = 2,69.10-39 Kps Fe(OH)2 = 4,87.10-17 1 0 -1

Fe

2+

-2 log C

-3

Fe

3+

-4 -5 -6

Efeito da abertura da fenda e largura de banda nas alturas de picos.

-7 -8 1

interferentes. Ex. 1,10-fenantrolina reage com vários metais. A seletividade é alcançada pela variação do pH.

3

4

5

6

7

8

9

pH

10.4) Fatores que afetam a formação de substâncias absorventes: a) pH: Importante na formação de complexos, eliminação de

2

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

1,10-fenantrolina

adicionar os reagentes na seqüência especificada, caso contrário pode

27

acontecer que a cor não se desenvolva devido à presença de interferentes.

28

10.5) Erros fotométricos: Devido à relação entre a transmitância e a concentração ser

e) Estabilidade: Se o complexo formado não for muito estável a medida

logarítmica, pequenos erros na medida de transmitância (T) causam

de absorvância deve ser feita o mais rápido possível.

erros relativos elevados na concentração determinada. A concentração das soluções deve ser ajustada para que a absorvância se situe no

f) Mascarantes: A adição de agentes mascarantes (complexantes) pode

intervalo de 0,2 a 0,7 (faixa de transmitância de 20 a 60%)

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

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:

certos compostos; - extração com solvente pode ser utilizada para separar um 16

- extração com solvente pode ser empregada como método de préconcentração; h) Concentração salina: Alta concentração de eletrólitos, muitas vezes influencia no espectro de absorção. Normalmente causa um decréscimo na absorção.

Erro relativo na concentração (%)

composto colorido do excesso do reagente ou de interferentes;

14 12 10 8 6 4 2 0

20

40

60

80

100

Transmitância (%)

Para o erro fotométrico de 1% e transmitância de 36,8 %, o erro relativo na concentração é de 2,72%.

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

32

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.

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.

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.

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∗.

a)

b)

Níveis de energia eletrônica molecular Formação de orbitais moleculares ligantes e antiligante pela adição e subtração de orbitais atômicos

33

34

11.4 - Transições σ → σ∗

11.6) Transições n → π∗ e π → π∗

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

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 cm1 ; 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.

11.5) - 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∗

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

36

Características de absorção de alguns cromóforos comuns

Espectros ultravioleta de compostos orgânicos típicos

CH3 CH3

CH3 CH3

CH3

H3C CH3

CH3

Estrutura do β-caroteno

CH3

CH3

37

38

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 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

Esquema de um espectrofotômetro de feixe simples

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

Lâmpadas de H2 e D2

160 – 380 nm

Absorção no UV

240 – 2200 nm

UV-VIS/IV próximo

350 – 2200 nm

VIS/IV próximo

Lâmpada de Tungstênio/Halogênio Lâmpada de Tungstênio

40

Técnica

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.

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

O balanço de energia é dado por:

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

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.

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

42

12.2) Seletores de comprimento de onda

sobre a temperatura para se ter um espectro contínuo e bastante estável.

Para a maior parte das análises espectroscópicas é necessário

Na região do visível, a energia emitida por uma lâmpada de

radiação constituída de um grupo estreito de comprimentos de onda

tungstênio varia aproximadamente com a quarta potência da voltagem

denominado de banda.

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.

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

preferencialmente os demais comprimentos de onda.

absorvendo

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%.

44

12.2.2) Monocromadores Possibilitam variar o comprimento de onda da medida (varredura do espectro).

O funcionamento dos filtros de interferência baseia-se no fenômeno

Os elementos ópticos encontrados nos monocromadores incluem:

da interferência óptica. Estes filtros são constituídos por um dielétrico

- fenda de entrada que produz uma imagem retangular;

transparente (CaF2 ou MgF2), que ocupa o espaço entre dois filmes

- uma lente colimadora que produz um feixe paralelo de radiação;

metálicos semitransparentes. A espessura da camada dielétrica é

- um prisma ou uma rede de difração;

cuidadosamente controlada e determina o λ da radiação transmitida.

- elemento de focagem para projetar as imagens retangulares da fenda de entrada; - fenda de saída que isola a faixa espectral de interesse.

nλ’ = 2t/cos θ

Geralmente as larguras de banda efetivas são cerca de 1,5% do λ no pico de transmitância.

45

Atualmente, quase todos os monocromadores comercializados são

46

12.3) Recipiente para amostra

baseados em redes de difração, devido ao menor custo e a melhor

Normalmente empregam-se cubetas de vidro ou quartzo. A cubeta

separação de comprimentos de onda para um mesmo tamanho de

mais utilizada é a de 1,0 cm. Existem, porém, cubetas de 0,1 cm a 10

elemento dispersor e dispersam a radiação linearmente ao longo do

cm, dependendo da necessidade da análise.

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.

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

e

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

48 Número de Catálogo

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

100

Código do Material Percurso Ótico Volume

40 mm 14000 µl

Dimensões Externas

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

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

Código do Material Percurso Ótico

10 mm

Volume

3500 µl

manualmente. As células de 1 cm são as mais utilizadas. Células micro

Dimensões Externas Altura Largura Profundidade

45 mm 12.5 mm 12.5 mm

Dimensões Internas Altura

Espessura da Base Quantidade de Janelas

9.5 mm

1.5 mm

2

- 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)

49

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 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

→ 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)

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.

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

52

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.

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 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)

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

56

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

(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.

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.

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

58

13) CALIBRAÇÃO

possibilita a construção de equipamentos multicanais. 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

1,3 1,2 1,1

A = 0,00671 + 0,04127.C

1,0

λ = 522 nm

R = 0,99985

Absorvância

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

λ = 480 nm

0,3

Esquema de um espectrofotômetro multicanal 12.5) Dispositivo para medir a intensidade do sinal observado

0,2 0,1

A = 0,00194 + 0,01575.C

0,0

R = 0,99993

-0,1 0

5

10

15

20

25

30

-1

Concentração (mg mL )

Os dispositivos utilizados para a medida do sinal podem ser simples mostradores analógicos ou digitais. Atualmente, a maioria dos

Curvas de calibração para determinação de KMnO4 nos comprimentos

espectrofotômetros, possuem computadores acoplados com programas

de 522 e 480 nm

especiais próprios para o tratamento dos dados obtidos nas análises

Sensibilidade (S): é definida como a variação da resposta de um

espectrofotmétricas.

equipamento, causada pelo aumento ou diminuição da concentração.

59

A sensibilidade de um método analítico corresponde ao coeficiente angular da curva de calibração.

60

onde: Sbr = é o sinal médio do branco k = fator relacionado ao nível de confiança s br = desvio padrão do branco

S (λ = 480 nm) = 0,01575 mL mg

-1

S (λ = 522 nm) = 0,04127 mL mg-1

Limite de quantificação (LQ): o limite de quantificação corresponde a menor concentração de analito presente em uma amostra que pode ser

Quanto maior a sensibilidade do método, maior a possibilidade de se

quantificada com um nível de precisão razoável.

determinar com confiabilidade concentrações menores.

A precisão é uma medida dos resultados obtidos por meio de um Limite de detecção (LD): é a menor concentração que pode ser

método analítico.

distinguida do sinal do branco com um certo nível de confiança. Toda a

A exatidão corresponde à concordância entre o valor obtido através da

técnica analítica tem um limite de detecção. Para os métodos que

análise e o valor verdadeiro.

empregam uma curva analítica, o limite de detecção é definido como a

LQ = Sbr + ksbr ; k geralmente é igual a 10.

concentração analítica que gera uma resposta com um fator de confiança k superior ao desvio padrão do branco (sb).

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 LD = Sbr + ksbr ; k geralmente é igual a 3.

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

62

Calculando a concentração:

completado para 100 mL, por meio da adição de água destilada. 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 4

2

3

20 mL

20 mL

20 mL

20 mL

20 mL

(amostra)

(amostra)

(amostra)

(amostra)

(amostra)

1

+ H2O destil

5

Concentração

+

+

+

5 mL

10 mL

15 mL

20 mL

(analito)

(analito)

(analito)

(analito)

+

+

+

+

+

H2O destil H2O destil H2O destil

Fe3+ adicionado Absorvância

0,00

0,75

1,50

2,25

3,00

0,215

0,424

0,621

0,826

1,020

Construindo o gráfico: 1,0

A = 0,2188 + 0,26827.C

H2O destil

R = 0,99993

Volume (mL) Fe3+ adicionado Absorvância

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

0,215

0,424

0,621

0,826

1,020

Absorvância

0,8

0,6

0,4

0,2

-0,816

0,0 -1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0 3+

1,5

2,0

2,5 -1

Concentração de Fe adicionada (mg mL )

3,0

63

Princípio matemático do método:

64

14) TITULAÇÕES ESPECTROFOTOMÉTRICAS As medidas espectrofotométricas são úteis para se localizar os pontos

0,7

de equivalência de titulações. Essa aplicação requer que um ou mais 0,6

reagentes ou produtos absorvam a radiação absorvente ou que um

Absorvância

0,5

indicador seja adicionado a solução do analito.

0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 -3

-2

-1

0

1 3+

2

3

4 -1

Concentração de Fe adicionado (mg mL )

Determinar a equação da reta: Considerar a concentração total como : CAmostra + CAnalito

65