Universidade Federal de Juiz de Fora UFJF Instituto

Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) Instituto de Ciências Exatas Depto. de Química Tópicos em Métodos Espectroquímicos Aula 2 – UV-Vis (parte 2) Doutoranda: Jemima Gonçalves Pinto da Fonseca Juiz de Fora, 2017

Aplicações da Lei de Beer • Na análise química: • Exercício 1. Uma solução preparada dissolvendo-se 25, 8 g de benzeno (C 6 H 6 – PM 78, 114) em hexano e diluindo-se a 250, 0 m. L tem um pico de absorção em 256 nm e uma absorbância de 0, 266 numa célula de 1, 000 cm. Encontre a absortividade molar do benzeno neste comprimento de onda. Dica: Achar a concentração molar (M) e aplicar a fórmula; • Exercício 2. Encontre a absorbância e a transmitância de uma solução 0, 00240 M de uma substância com coeficiente de absortividade molar de 313 M-1 cm-1 numa célula com 2, 00 cm de caminho óptico. Dica: utilização da fórmula A = . b. c

Representação gráfica da Lei de Beer

Limitações da Lei de Beer Desvios por limitação da lei: • Funciona muito bem para soluções diluídas (C < 0, 01 mol L-1); • Soluções concentradas as moléculas do soluto influenciam umas às outras = propriedade mudam (absortividade); • Alterações: - na distribuição de cargas - na capacidade de absorção

Limitações da Lei de Beer Desvios por limitação da lei: • Soluções muito diluídas com altas concentrações de outras espécies, particularmente eletrólitos: - Interações eletrostáticas e alteração da absortividade molar; “Os desvios por limitação da lei são aqueles em que as interações do analito com o solvente e demais solutos variam com o aumento da concentração”

Limitações da Lei de Beer Desvios químicos: • Espécies absorventes sofrem associação, dissociação ou reação com o solvente gerando produtos que absorvem de forma diferente do analito; • Desvio positivo em 430 nm e negativo em 570 nm; HIn H+ + I Forma In. Forma HIn Desvio da Lei de Beer para solução não-tamponada de um indicador

Ponto Isosbéstico Ponto no qual duas espécies químicas em equilíbrio possuem a mesma absortividade molar; Ponto isobéstico do azul de bromotimol

Limitações da Lei de Beer Desvios Instrumentais: Radiação Policromática • Lei aplicada estritamente em radiações monocromáticas; • Fontes policromáticas são utilizadas em conjunto com filtros/redes;

Limitações da Lei de Beer • Desvios instrumentais: Luz espúria Luz ou radiação espúria: radiação do instrumento que está fora da banda de comprimento de onda escolhido para uma determinação. Ela é resultante do espalhamento e das reflexões das superfícies das redes, lentes ou espelhos, filtros e janelas. Geralmente tem λ ≠ do selecionado; Não é absorvida pela radiação; Pe = potência radiante da luz espúria; P 0 = potência incidente

Limitações da Lei de Beer • Células desiguais: se as células que contêm o analito e o branco não apresentam o mesmo caminho óptico e não são equivalentes em suas características, uma interseção vai ocorrer e a equação será: A = Ɛ. b. c + k.

Largura de fenda Fendas mais estreitas: - melhor resolução - menor potência de radiação

• Exercício 3. Um composto X deve ser determinado por espectrofotometria UV/visível. Uma curva de calibração é construída a partir de soluções padrão de X com os seguintes resultados: 0, 50 ppm, A = 0, 24; 1, 5 ppm, A = 0, 36; 2, 5 ppm, A = 0, 44; 3, 5 pp, A = 0, 59; 4, 5 ppm, A = 0, 70. Uma amostra de X forneceu uma absorbância igual a 0, 50 nas mesmas condições de medida dos padrões. Encontre a inclinação e a interseção da curva de calibração, a concentração da amostra de X de concentração desconhecida. Construa o gráfico da curva analítica e determine manualmente a concentração da amostra.

Instrumentos para a Espectrometria Óptica • O espectrofotômetro: mede a quantidade de fótons (a intensidade da luz) absorvidos de um feixe de luz após ele ter passado através de solução de amostra.

Diagrama de blocos de um espectrofotômetro

Componentes principais • Uma fonte de energia radiante; • Um seletor de interesse (monocromador); • Um módulo de recipiente para a amostra (cubeta); • Um detector que converte a energia radiante em sinal elétrico; • Um dispositivo para medir a grandeza do sinal elétrico (circuito eletrônico/computador);

Materiais Ópticos • As células, janelas, lentes, espelhos e elementos de seleção de comprimento de onda devem transmitir a radiação na região de comprimento de onda investigada. Baixo custo!!!

Fontes Espectroscópicas • Deve gerar um feixe de radiação potente o suficiente para permitir fácil detecção e medida; • Sua potência de saída deve ser estável por períodos razoáveis de tempo; • São dois tipos: Contínuas e Fonte de linhas; • Também classificadas como ininterruptas e pulsadas (periodicamente interrompidas);

Fontes Contínuas • Lâmpadas de Xenônio: Inadequadas para a fotometria uma vez que suas emissões de luz são instáveis pela mudança de posicionamento no ponto de arco;

Fontes Contínuas UV/Vis • Espectrofotômetros UV / Vis utilizam duas fontes de luz: lâmpada de arco de um deutério (H 2 e D 2) para a intensidade consistente na faixa de UV (160 a 380 nm) e uma lâmpada halogena de tungstênio para a intensidade consistente no espectro visível (380 a cerca de 800 nm).

Fontes Contínuas UV/Vis

Fontes de Linhas UV/Vis • Lâmpadas de arco de mercúrio – detectores em cromatografia líquida (253, 7 nm); • Lâmpadas de cátodo oco – espectroscopia de absorção atômica; • Lasers – espectroscopia atômica e molecular;

Seletores de comprimento de onda • Melhoram a seletividade e sensibilidade de um instrumento; • Bandas estreitas reduzem a chance de desvios na lei de Beer oriundos de radiação policromática; • Podem ser: Monocromadores ou Filtros e Policromadores Lentes e espelhos focalizar a radiação Fendas de entrada e saída restringir radiações desnecessários Elementos de resolução separar o comprimento de onda de interesse (filtros, prismas, redes de difração) Monocromador de rede Monocromador de prisma

• Policromadores: múltiplas fendas de saída de forma que várias banda de comprimento de onda podem ser isoladas simultaneamente.

Seletores de comprimento de onda • Espectrógrafos: desmembram ou dispersam os comprimentos de onda de forma que possam ser detectados pelo uso de detectores multicanais;

Redes • Componente óptico refletivo ou transmissivo com uma série de linhas impressas próximas. Quando a luz é refletida pela rede, cada linha se comporta-se como uma linha de radiação separada. • Regulada por uma série de ranhuras paralelas próximas; Rede Echellette

Redes • Fornece uma difração muito eficiente da radiação. O feixe difratado é refletido com um ângulo r, o qual depende do comprimento de onda da radiação. n= ordem de difração (número inteiro e pequeno) d = distancia entre ranhuras i = ângulo de incidência do feixe r = ângulo do feixe refletido

• Exercício 4. Uma rede Echelette contendo 1450 ranhuras por milímetro foi irradiada com um feixe policromático a um ângulo de incidência de 48° em relação à normal da rede. Calcule o comprimento de onda da radiação que apareceria a um ângulo de reflexão de +20, +10 e 0 graus. Dica: Obtêm-se o valor de d (conversão de mm para nm)

Filtros • Os filtros operam pela absorção de toda a radiação com exceção de uma banda estreita. Os empregados são: filtros de interferência e absorção. Medidas de absorção

• Filtros de interferência: passam a radiação na região de interesse e refletem os outros comprimentos de onda; • Empregados com as radiações UV/Vis e comprimentos de onda de até 14µm no IV; • Baseia-se na interferência óptica para produzir uma banda de radiação estreita (5 a 20 nm de largura); Interferência construtiva da radiação Remoção destrutiva da radiação t = espessura da camada do dielétrico (transparente) h= índice de refração n = ordem de interferência

• Filtros de absorção: menor custo e mais robusto, limitados na região do visível. • Placa de vidro colorido que remove parte da radiação incidente por absorção; • Larguras de bandas efetiva na faixa de 30 a 250 nm;

Detectores • Dispositivo que indica existência de fenômeno físico • Produz um sinal elétrico quando é golpeado por um fóton; • Depende do comprimento de onda dos fótons incidentes; • Transdutor: detector que converte luz, p. H, massa e temperatura em sinais elétricos que podem ser amplificados, manipulados e convertidos em números;