Introdução aos Métodos Espectroscópicos

Avaliações:

Serão aplicadas duas provas (P₁ e P₂), dois testes (T₁ e T₂) e um seminário (S₁), totalizando 10 (dez) pontos distribuídos. O aluno que obtiver nota parcial ( NP) ≥ 7estará aprovado. Caso contrário, o aluno fará uma prova final ( PF). A nota final ( NF) é igual a média das notas

obtidas na prova final e sua nota parcial. Se NF ≥ 5 estará aprovado.

1

O aluno que obtiver freqüência inferior a 75% das aulas previstas estará reprovado por falta, independente de suas avaliações.

O aluno que faltar em uma das provas ou teste, fará a prova final, de todo o conteúdo da disciplina, para reposição da avaliação perdida.

EMENTA

• Espectroscopias Moleculares (UV-VIS) e Atômicas (Abs e Emissão; AAS e ICP-OES). • Espectrometria de Massas (ICP-MS). • Técnicas de separação.

• Cromatografia Líquida de Alta Eficiência (HPLC) e Cromatografia Gasosa (CG). • Eletroquímica.

2

Métodos Eletroanalíticos (Eletrogravimetria, condutimetria, coulometria, potenciometria e polarografia). Métodos espectroanalíticos: espectrofotometria no UV-Vis, IV, espectroscopia de emissão atômica, espectroscopia de absorção atômica. Espectroscopia de massas. Métodos cromatográficos de

3 Skoog Capítulos 18 ao 28 +29 ao 32 Harris Capítulos 13 ao 24

Introdução aos Métodos

Espectroscópicos

Prof. Aloísio J.B. Cotta

e-mail:

CAPÍTULOS 24, 25 e 26

Fundamentos de Química Analítica Autor: Skoog, 2004, 8ed.

Harris Cap. 17

Introdução aos Métodos Espectroscópicos

PROPRIEDADES DA RADIAÇÃO

ELETROMAGNÉTICA

• A radiação eletromagnética é uma forma de energia que é transmitida com velocidade (c) de 3x108_m/s

para o vácuo (≈ ar).

• Não requer nenhum meio de suporte para a sua transmissão.

• A radiação eletromagnética pode ser descrita como uma onda com propriedades como comprimento de onda, freqüência, velocidade e amplitude.

Propriedades ondulatórias

A radiação eletromagnética é uma oscilação, em fase, dos campos elétricos e

magnéticos. As oscilações são perpendiculares entre si e são perpendiculares à direção do movimento

da onda.

O campo elétrico para uma dada freqüência oscila de forma senoidal no espaço e no tempo. Este é representado

como um vetor cujo comprimento é proporcional à intensidade do campo.

7

8 A frequência refere-se ao número de oscilações por segundo, dada em Hertz (Hz) Hz = 1/segundo

A frequência, f, da onda é determinada pela fonte

que a emite e permanece constante

independentemente do meio que esta atravessa. Em contraste, a velocidade, v, da onda que atravessa

um meio depende de ambos, do meio e da frequência.

9

c = f.λ

Índice de refração do meio (n) n = c/v c= veloc. a luz no vácuo v= veloc da luz no meio

Relação: FREQUÊNCIA e ENERGIA

A energia da luz é mais facilmente entendida pensando-se em FÓTONS. Cada um com uma energia dada por:

10

E = hc/λ

E=h.f

Métodos espectroscópicos de análise

são baseados na medida e interpretação da quantidade de radiação produzida ou absorvida pelas moléculas, íons ou espécies atômicas de interesse.

• Os métodos espectroscópicos são

classificados de acordo com a região do espectro eletromagnético usada.

raios g, os raios X, ultravioleta (UV), visível (Vis),

infravermelha (IV), microondas e

radiofreqüência (RF).

11

O espectro eletromagnético

1 nanômetro = 1x10-9_m 12

Calcule a energia (kJ/mol) da radiação correspondente a cor azul (400 nm), e da correspondente ao vermelho(750 nm). 13 E = hc/λ E = 6,63x10-34_*3,00x108_/400x10-9 E = 4,97x10-19_J E = 4,97x10-19_*6,02x1023_{/1000 = 299 kJ/mol} const. de Plank (h) = 6,63x10-34 _j.s

Sabendo que a energia de ligação do O₂ é de 494 kJ/mol. Qual o

comprimento de onda da radiação capaz de quebrar a

molécula de O₂? Em qual faixa do espectro esta se localiza?

14

Resposta: Lig dupla = 2.494x103_/6,02x1023 ₌

Energia por ligação = 1,64x10-18 _J

E = h.f ... 1,64x10-18 _{= 6,63x10}-34_.f

Freq. da radiação com dada energia f = 2,48x1015 _Hz

c = f.λ ... 3x108 _{= 2,48x10}15_.λ

λ= 1,21x10-7 _{m ou 1,21x10}-7_.109 _{= 121 nm.} E se fosse para quebrar apenas uma lig, qual o λ?

INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA

• Os tipos de interação mais importantes em espectroscopia envolvem transições entre diferentes níveis energéticos quantizados das espécies químicas. 15 16 Micro-ondas → Rotação IV→ Vibração UV-Vis→transferência de elétrons para orbitais de maior energia (excitação) R-X→ ionização e fotólise.

Medidas Espectroscópicas

• A amostra é geralmente estimulada aplicando-se energia na forma de calor, energia elétrica, luz ou partículas. 17 A intensidade da radiação absorvida ou emitida é (sob certas condições) proporcional a concentração da espécie ativa na amostra. Níveis de energia (Ex)

• Na espectroscopia de emissão, medimos a quantidade de luz (fótons) que é emitida após a excitação do analito.

18

19

Espectroscopia de ABSORÇÃO

Na espectroscopia de

absorção, medimos a

quantidade de luz, de um dado λ, que é absorvida pelo analito.

Espectroscopia de absorção na

região UV-Vis do espectro

• A lei de absorção (Lei Beer-Lambert ou Beer).

À medida que a luz atravessa um meio contendo um analito que absorve, ocorre um decréscimo de intensidade na proporção que o analito é excitado.

Para uma solução do analito de dada concentração, quanto mais longo for o comprimento do caminho do meio através do qual a luz passa, mais centros absorventes estarão no caminho, e maior será a atenuação. Da mesma forma, para um caminho óptico constante, quanto maior for a concentração de espécies absorventes, mais forte será a atenuação.

21 radiação monocromática espessura

Transmitância (T)

Absorbância

• A absorbância (A) de uma solução está relacionada com a transmitância de forma logarítmica. 22 radiação monocromática espessura Transmitância (T) T =P/P0 Vogel 1989 Quantitative Chemical Analysis 5ed

Lei de Beer

• A absorbância (A) é diretamente proporcional à concentração (C) da espécie absorvente e ao comprimento (b) do caminho óptico.

23

a é denominada absortividade, se a conc. está em mol/l usa-se  no lugar de a.

Efeito do aumento do caminho óptico

Efeito do aumento da concentração e

do caminho óptico

Utilização da Lei de Beer

Podemos calcular as absortividades molares das espécies se a concentração for conhecida.

Podemos utilizar o valor medido de absorbância para obter a concentração se a absortividade e o caminho óptico forem conhecidos.

As absortividades, no entanto, variam com o tipo de solvente, a composição da solução e da temperatura. Por causa da variação da absortividade (em função destes parâmetros) não é prudente utilizar valores tabelados na literatura para realizar uma análise quantitativa.

Portanto, uma solução padrão do analito no mesmo solvente e à temperatura similar é empregada para se obter a absortividade no momento da análise. Com mais freqüência, empregamos uma série de soluções padrão do analito para construir uma curva de calibração

27

• Uma solução de ozônio apresenta 83,4% de transmitância medido em 258nm em cubeta de 5,0 cm. Sabendo que o coeficiente de

absortividade molar (ε) do O₃ vale

2950L/(mol.cm), calcule a conc. de O₃ na solução.

28

A = -log(T) = - log(P/Po) = -log(83,4/100) = 0,0788

A = a . b . c

0,0788 = 2950.5.c c = 5,3x10-6 _mol/L

Uma solução padrão de concentração 10,0 mg/L de um analito foi analisada num espectrofotômetro no comprimento de onda de máxima absorção, em seguida uma amostra foi analisada utilizando-se as mesmas condições. As absorbancias registradas foram 0,850 e 0,664 respectivamente, para uma cela de 1,50 cm. Calcule a absortividade do analito e sua concentração na amostra.

A = abc 0,850 = a.1,5.10 a = 0,057 L(mg.cm)-1 A = abc 0,664 = 0,057*1,5*c c = 7,77 mg/L

Absorção Atômica

• Quando um feixe de radiação policromática (UV ou Vis) passa por um meio contendo átomos no estado gasoso, somente algumas frequências são absorvidas.

31 Matéria quente e densa Gás quente Grade de difração Gás frio Espectro contínuo Espectro de EMISSÂO Espectro de ABSORÇÃO Absorção Emissão As transições eletrônicas

envolvem a excitação do último elétron do Na de seu orbital (3s), do estado fundamental, para orbitais de maior energia (3p, 4p e 5p).

Absorção Atômica

Desenhe o espectro de Abs e

Absorção Molecular

• As moléculas sofrem três tipos diferentes de transições quantizadas quando excitadas pela radiação ultravioleta, visível e infravermelha.

• Além das transições eletrônicas, as moléculas exibem dois tipos adicionais de transições

induzidas por radiação: transições

vibracionais e transições rotacionais.

34 Rotação Vibração

35

Absorção Molecular

1º estado eletrônico excitado 2º estado eletrônico excitado

estados eletrônico fundamental _{estados vibracionais} estados vibracionais

estados vibracionais

37

Absorção Molecular

estados eletrônico excitado estados eletrônico excitado

estados eletrônico fundamental estados vibracionais estados vibracionais estados vibracionais níveis energéticos vibracionais associados com cada um dos estados eletrônicos da molécula

Observe que as diferenças de energia entre os estados vibracionais são mto menores que entre os níveis eletrônicos.

Uma molécula ainda possui estados rotacionais. Esses estão superpostos a cada estado vibracional

Transições vibracionais

Transição eletrônica com várias opções de estados vibracionais

A energia total (E) associada com uma

molécula é dada por

• E_eletrônica é a energia associada com os elétrons

nos vários orbitais da molécula

• E_vibracional é a energia devido às vibrações

interatômicas

• E_rotacional é a energia associada com a rotação

da molécula em torno do seu centro de gravidade 38

Átomos isolados

Moléculas

UV e Vis IV Microondas

• A absorção molecular nas regiões do UV-Vis consiste em bandas de absorção formadas por um número muito grande linhas próximas entre si.

40

Em uma solução, as colisões da molécula com o solvente tendem a desdobrar as energias dos estados quânticos, originando picos de absorção suavizados e contínuos.

solvente não-polar

em solv ñ-polar as moléculas da tetrazina não conseguem girar livremente (não vemos as

transições rotacionais)

em solvente polar a forte interação água-tetrazina distorce os níveis vibracionais (vemos apenas uma

banda referente a transição eletrônica sem resolução dos níveis vibracionais)

CAPÍTULO 25

• Instrumentos para a espectroscopia óptica • O s componentes básicos dos instrumentos

analíticos para a espectroscopia de absorção, bem como para espectroscopia de

emissão, são semelhantes em sua função e nos seus requisitos de desempenho no

ultravioleta (UV), visível (Vis) ou infravermelha (IV).

(1) Uma fonte estável de energia radiante

(2) Um seletor de comprimento de onda que isola uma região limitada do espectro para a medida

(3) Um ou mais recipientes para a amostra

(4) Um detector de radiação, o qual converte a energia radiante para um sinal elétrico mensurável

(5) Uma unidade de processamento e de leitura do sinal (circuito eletrônico ou computador)

42

43

Materiais Ópticos

• As células ou cubetas, espelhos e elementos de seleção de comprimento de onda devem não devem absorver a radiação na região do comprimento de onda usado.

44

O vidro silicato é adequado para o uso no Vis (baixo custo).

Na região do UV, usa-se quartzo ou sílica fundida.

No IV, tanto o vidro, o quartzo e a sílica fundida absorvem. Portanto usa-se sais haletos ou materiais poliméricos.

Perdas de radiação não relacionadas a

absorção molecular

Fontes Espectroscópicas

Fonte deve gerar um feixe estável de radiação que seja suficientemente potente para permitir fácil detecção e medida.

46

fonte contínua

fonte de linhas

Existem dois tipos de fontes

47

Fontes

48

Fontes Espectroscópicas

Formação de moléculas excitadas D₂* ou H₂*_{pela absorção de energia}

elétrica. Essas espécies se dissociam emitindo um fóton ultravioleta.

Janela de quartzo

Seletores de Comprimentos de Onda

• Servem para restringir a radiação que está sendo medida dentro de uma banda estreita de comprimentos de onda. Esses dispositivos melhoram a seletividade e sensibilidade de um instrumento.

50

Prisma como seletor de λ

51 Um prisma é um elemento dispersivo, isto é, provoca a separação da radiação policromática em seus vários componentes, pois ao atravessar o prisma, ondas de diferentes frequências irão tomar diversos ângulos na refração.

Como um prisma é mais denso que o ar, para cada freqüência há um ângulo de

http://pt.wikipedia.org/wiki/Dispers%C3%A3o_(%C3%B3ptica)

luz incidente com ângulo θ₁ será refratada em ângulo θ₂;

sen(θ1)*n1 = sen(θ2)*n2 dessa forma a luz azul será mais inclinada que

a vermelha. Como o índice de refração (n) é função direta da Frequência, temos: 1 <n (λVermelho) <n (λAmarelo) <n (λAzul)

Em suma: θ₂ ≈ F(n) θ₂ ≈ F(1/λ) Enquanto maior o λ menor o ângulo de dispersão !!! I

Seletores de Comprimentos de Onda

• Monocromadores

53

banda de passagem espectral varia de 1 a 20 nm.

Em virtude da facilidade e rapidez com a qual o comprimento de onda pode ser alterado em um

monocromador, esses são empregados em aplicações que

requerem varredura espectral,

Dispersão λ1> λ2 interferência

Rede de

54

Seletores de Comprimentos de Onda

55

Uma rede para as regiões do UV-Vis tem aprox. 1300 ranhuras/mm.

Rede Tipo Echellette O feixe 2 percorre uma

distância maior que o feixe 1; essa diferença é igual a CB+BD. Para que uma interferência construtiva ocorra:

CB+BD=nλ

O ângulo CAB é igual ao ângulo i e que o ângulo DAB é idêntico ao ângulo r. Portanto:

CB = d sen i

BD= d sen r (alternos internos)

Substituindo as duas últimas expressões na primeira, obtém

Na rede os diferentes comprimentos de ondas são difratados em ângulos diferentes. A rotação da rede permite que comprimentos de onda diferentes passem pela fenda de saída

Se o ângulo de incidência da radiação policromática sobre a rede de difração é de 30º e a fenda de saída está a 40º em relação ao plano da rede, a qual é composta por 1300 ranhuras/mm, qual será o comprimento de onda (em nm) de saída do monocromador para difração de 1º e 2º ordens?

d = 1mm/1300 = 1x106_{nm/1300 = 769 nm}

nλ = 769(sen30 + sen40)

nλ = 769(0,5 + 0,64) ... p/ (n=1) ... λ = 879 nm

p/ (n=2) ... λ =879/2 = 439 nm

Qual a implicação deste resultado??? Como eliminar as ordens superiores???

Seletores de Comprimentos de Onda

58

• Filtros de absorção: Isolam uma banda espectral, com largura típica entre 30 a 50 nm e transmitância máxima de 5 a 20 %. Vidros coloridos (região do visível).

 Filtros de interferência:

(isolam faixa espectral mais estreita) Baseiam-se nos fenômenos de interferência para isolar uma faixa espectral desejada.

Detectando e Medindo a Energia Radiante

59

Um detector é dispositivo sensível a chegada de radiação eletromagnética.

Um transdutor converte a intensidade de luz em sinais elétricos que são amplificados e convertidos em números proporcionais à intensidade da radiação incidente.

Alta sensibilidade, baixo ruído e resposta proporcional a radiação incidente.

60

A resposta de um fototubo ou de um tubo fotomultiplicador está baseada no efeito fotoelétrico.

material fotoemissivo K, Na ou PbO fotoelétrons (+) (-)

O número de elétrons ejetados do catodo é proporcional à intensidade da radiação que atinge a sua superfície. Com a d.d.p. aplicada, todos esses elétrons são coletados no anodo para fornecer uma corrente proporcional à intensidade da radiação.

61

O tubo fotomultiplicador (TFM) é similar em construção ao fototubo, mas é significativamente mais sensível.

série de dinodos D1 +100 V D2 +200 V D3 +300 V ... Gera ganhos da ordem de 107

FOTÔMETROS E

ESPECTROFOTÔMETROS UV-Vis

62

FOTÔMETROS E

ESPECTROFOTÔMETROS UV-Vis

• Os fotômetros empregam um filtro para seleção do comprimento de onda (Vis) juntamente com um transdutor de radiação adequado.

• Os espectrofotômetros oferecem a vantagem considerável de que o comprimento de onda pode ser alterado continuamente tornando possível registrar o espectro de absorção (UV-Vis).

• Instrumento de Feixe Único

64

ESPECTROFOTÔMETROS

• Instrumento de Feixe Duplo

65

ESPECTROFOTÔMETROS

espelho setorizado rotatório

Vantagem sobre feixe único: compensa flutuações na

Veja o vídeo

• http://www.youtube.com/watch?v=O39avevq

• Instrumentos Multicanais

ESPECTROFOTÔMETROS

Erro espectrométrico

Na prática deve-se isolar uma banda simétrica selecionando um comprimento de onda próximo ao máximo de absorção.

Desvios da lei de Beer

70 Efeito da radiação policromática sobre a lei de Beer.

A absortividade do analito é praticamente constante sobre a banda A, que estabelece uma relação linear com a concentralçao. Mas qdo a absortividade do analito se altera, pelo uso de rad. policromática, ocorre desvio da lei de Beer.

 Aplicação extensiva a muitos elementos químicos

 Instrumentação relativamente barata

 Amostras podem ser de natureza inorgânica ou orgânica

 Disponibilidade de muitos métodos

 Intervalo de aplicação :10-3 _{a 10}-6 _{mol L}-1  _{Tempo/análise: moderado}

 _{Custo: relativamente baixo}

Vantagens desta técnica

72 Abs = 0,210.Conc + 0,01 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 1 2 3 4 Conc. de P em ppm (mg/L) A b s o rb â n c ia a 6 5 0 n m

dados experimentais reta calculada

Abs = 0,21.Conc + 0,01 0,518 = 0,21.Conc + 0,01 Conc = (0,518-0,01)/0,21 Conc = 2,42 mg/L

74

contendo Fe de 1 até 10 mg/l (ppm).

complexo Fe(II) 1,10-fenantrolina (ferroína);

Calibração Grupo 1 Padrões Fe (mg/L) Abs 0 0 1 0,36 2 0,697 3 1,03

Inclinação da reta (a) 0,343 intercepto da reta (b) 0,008

FUNÇÃO (Y=ax+b) Abs=0,343X+0,008

R 1,000 R2 _1,000 Abs

Repicata 1 0,465

Repicata 1 rep de leitura 0,468

Repicata 2 0,450 Branco 0,011 1,0 g de solo 250 ml de solução da amostra 5,0 ml alíquota Solução (100 ml) cuja Abs foi medida

Extração Tomada de alíquota Diluição Medida da Abs Procedimento

0 0,3 0,6 0,9 0 1 2 3 Fe (mg/L) A b s

Grupo 1 Grupo 2 Reta G1

CONCENTRAÇÂO de Fe (mg/L) na solução cuja Abs foi medida

Repicata 1 1,332 Repicata 1 rep 1,341 Repicata 2 1,289 Branco 0,009

Da concentração da solução deve-se subtrair a concentração do Branco, pois o branco representa a contribuição (contaminação) dos reagentes, frascos e do ambiente. No caso do valor negativo para o Branco, não

se faz a subtração, isto é não se altera os valores calculados acima.

CONCENTRAÇÂO de Fe (mg/L) na solução cuja Abs foi medida, após subtração do branco Repicata 1 1,323 Repicata 1 rep 1,332 Repicata 2 1,280 1,0 g de solo 250 ml de solução da amostra 5,0 ml alíquota Solução (100 ml) cuja Abs foi medida

Extração

Repicata 1

Conc de Fe na alíquota 1 = (Conc. na alíquota)*(Vol Final / Vol da aliquota)

Conc de Fe na alíquota 1

=1,323*(100/5) = 26,47 mg/L de Fe

Conc de Fe na alíquota 1 = Com. de Fe na solução da amostra

26,47 mg em 1 L de solução

X 0,250 L (Vol da solução da amostra)

X= 6,617 mg de Fe

ou seja 6,62 mg de Fe/1,0g de solo (para replicata 1)

Tomada de alíquota

Diluição

Medida da Abs Procedimento

CONCENTRAÇÂO de Fe (mg de Fe/1,0g de solo) Grupo 1 Repicata 1 6,62 Repicata 1 rep 6,66 Repicata 2 6,40 Fe2O3 --- 2Fe 2*55,85+3*16=159,7 --- 2*55,85= 111,7 X ---6,62 X= 6,62* (159,7/111,7)= 6,62*1,43 = 9,46 mg de Fe2O3 / 1g de solo ou seja: se 1,0 g ---100% 9,46x10-3 _{g--- Y Y=0,95% de Fe} 2O3. 79

Soluções padrão de Fe(fenantrolina)

contendo Fe de 1 até 10 mg/l (ppm).

Como ter certeza que nossa análise foi bem feita? C.Q.

Como sabemos se estamos produzindo resultados

Origem do espectro de absorção

• O espectro de absorção é devido ao fato das

moléculas ou átomos conterem elétrons que podem ser promovidos para níveis superiores de energia através da absorção de radiação eletromagnética.

• Em moléculas, as transições entre os níveis rotacionais e vibracionais estão sobrepostas às transições eletrônicas. O que resulta, não em linhas de Abs, mas sim em bandas de Abs.

80

81

Os comprimentos de onda dos picos de absorção molecular podem ser correlacionados com os tipos de ligação

Espécies absorventes

Transições eletrônicas possíveis: envolvendo elétrons

σ origem no orbital sigma (lig forte C-H, assim abs radiação de λ<200 nm)

 orbital π (pi) (superposição paralela de orbitais p atômico) n elétrons não compartilhados

Formaldeído

CH₂O

Envolvem elétrons mais fracamente ligados e por isso podem ser excitados com radição UV-Vis

Absorção por compostos orgânicos

82

• Elétrons que estão localizadas sobre átomos como os de oxigênio, enxofre, nitrogênio e halogênios (F, Cl, Br, I).

• Elétrons envolvidos em ligações duplas e triplas: não estão tão fortemente presos, são portanto mais fáceis de serem excitados pela radiação. Em moléculas com duplas conjugados.

• Cromóforos: grupos orgânicos insaturados (C=C, benzeno, ou C≡C, N=O, HC=O, C-S) que absorvem nas regiões UV e VIS

Azul e Verde

84

• Em geral, os íons e os complexos orgânicos dos elementos das primeiras duas séries de transição absorvem as bandas largas da região visível em pelo menos um de seus estados de oxidação e são, como resultado, coloridos.

• A absorção envolve a transição entre os orbitais d-d preenchidos e não-preenchidos com energias que dependem dos ligantes dos átomos metálicos.

• As diferenças de energia entre esses orbitais dependem: da posição do elemento na tabela periódica, seu estado de oxidação e da natureza do ligante.

FIM

• Façam os exercícios do CAP 24 e 25.