FCVA/ UNESP JABOTICABAL
FUNDAMENTOS DE ESPECTROSCOPIA
MOLECULAR UV-VISÍVEL
Profa. Dra. Luciana Maria Saran
1. Introdução
Espectroscopia é qualquer processo que utiliza a luz
para medir as concentrações químicas. Baseia-se na
análise da radiação eletromagnética emitida ou absorvida
pelas substâncias.
Espectroscopia UV-Visível: baseia-se em medidas de
absorção da radiação eletromagnética, nas regiões visível
e ultravioleta do espectro.
Mede-se a quantidade de luz absorvida pela amostra e
relaciona-se a mesma com a concentração do analito.
2. Radiação Eletromagnética
Consiste em campos elétrico e magnético oscilando, que
atravessam o espaço vazio a 3,00x108 m/s.
Figura 1: Radiação eletromagnética.
2. Radiação Eletromagnética
É composta por: raios X e , radiação ultravioleta (UV),
radiação visível, infravermelho, microondas e ondas de
rádio.
Propaga-se como uma onda.
Grandezas importantes relacionadas a uma onda:
- Freqüência, ;
- Comprimento de onda, ;
- Amplitude, A.
3. Características de uma Onda
a) Freqüência ( ): corresponde ao número de ciclos de onda
(cristas ou vales sucessivos) que passam em um dado
ponto por unidade de tempo. Unidade: hertz, s-1 (1 Hz = 1
ciclo por segundo).
b) Comprimento de onda ( ): é a distância entre cristas
sucessivas (ou vales sucessivos). Pode ser dado em
metros (m), em nanômetros (nm) ou em qualquer unidade
de comprimento que seja conveniente.
c) Amplitude (A): corresponde a altura de uma crista (ou a
profundidade de um vale).
(a) Comprimento de onda, ,
longo e baixa freqüência, .
(b) Comprimento de onda, ,
curto e alta freqüência, .
(c) Mesmo comprimento de onda
e mesma freqüência do que
em (b), mas baixa amplitude.
Figura 2: Ondas eletromagnéticas.
4. Relações entre Energia (E), Frequência ( ) e
Comprimento de Onda ( )
E = h.
. =c
em que, h = 6,626x10-34 J.s (constante de Planck)
em que, c = 2,998x108 m/s
(velocidade da luz no
vácuo)
E = h.c/
Destas equações conclui-se que:
- Energia Alta
- Energia Baixa
freqüência, , alta e
freqüência baixa e
pequeno;
grande.
Segmento ampliado
do Espectro Visível
Figura 3: Espectro eletromagnético.
Radiação Ultravioleta: é a radiação de freqüência mais
alta do que a da luz violeta. Seu comprimento de onda
é inferior a 400 nm.
Radiação Infravermelha: é a radiação que conhecemos
como calor, tem uma freqüência mais baixa e um
comprimento de onda maior do que a luz vermelha. Seu
comprimento de onda é maior do que 800 nm.
Radiação Visível: é aquela que os nossos olhos
enxergam, ou seja, corresponde a radiação
eletromagnética com comprimentos de onda no intervalo
de 400 à 800 nm.
Figura 4: Decomposição da luz branca (policromática) nos seus
componentes monocromáticos.
4. Colorimetria
A percepção visual da cor depende da absorção seletiva
de certos comprimentos de onda da luz incidente pelo
objeto colorido.
Os demais comprimentos de onda são refletidos ou
transmitidos de acordo com a natureza do objeto e são
percebidos pelo olho como a cor do objeto.
Objeto branco: reflete igualmente todos os comprimentos
de onda.
Objeto preto: reflete pouca luz de qualquer comprimento
de onda.
4. Colorimetria
Se a luz vermelha for absorvida da luz branca, então a luz
transmitida ou refletida será verde.
Entretanto, se a luz verde for removida, a luz que
aparecerá será vermelha.
As cores vermelho e verde são cores complementares,
ou seja, cada uma é a cor que permanece depois que a
outra é removida.
Neste círculo de
cores, as cores
complementares
entre si estão
localizadas em
posições opostas.
Figura 5: Roda de cores.
Tabela 1: Cores da Luz Visível.
Comprimento de Onda de
Máxima Absorção (nm)
Cor
Absorvida
Cor Observada
380 – 420
Violeta
Verde-amarelo
420 – 440
Violeta-azul
Amarelo
440 – 470
Azul
Laranja
470 – 500
Azul-verde
Vermelho
500 – 520
Verde
Roxo
520 – 550
Amareloverde
Violeta
550 – 580
Amarelo
Violeta-azul
580 – 620
Laranja
Azul
620 – 680
Vermelho
Azul-verde
680 – 780
Roxo
Verde
Exercício 1: O íon Cr(II) em água, [Cr(H2O)6]2+, absorve
luz com comprimento de onda de 700 nm. Qual a cor da
solução? Justifique.
4. Colorimetria
A base de uma análise colorimétrica é a variação de
cor da solução em função da concentração do analito.
A cor da solução é, usualmente devida, à formação de
de um composto colorido pela adição de um reagente
apropriado ou é inerente ao constituinte que se deseja
analisar.
A intensidade da cor é comparada com a intensidade
da cor que se obtém com o mesmo procedimento pelo
tratamento de uma amostra cuja quantidade e concentração são conhecidas.
4. Colorimetria
Figura 6: Comparação de cor.
5. Absorção de Luz
A absorção de radiação UV-Visível se deve ao fato das
moléculas apresentarem elétrons que podem ser
promovidos a níveis de energia mais elevados mediante
a absorção de energia.
Em alguns casos a energia necessária é proporcionada
pela radiação com comprimentos de onda no visível e o
espectro de absorção estará na região visível.
Em outros casos, é necessária energia maior, associada
à radiação ultravioleta.
Figura 7: Espectro eletromagnético, mostrando os processos moleculares
que ocorrem quando a luz é absorvida em cada região.
7. Espectros de Absorção
Um espectro de absorção
é um gráfico mostrando
como A (ou ) varia com o
comprimento de onda, .
Figura 8: Espectros de absorção
de alguns compostos orgânicos.
7. Espectros de Absorção
Figura 9: (a) Espectro visível projetado da luz branca, dicromato de potássio,
azul de bromofenol e fenoltaleína (de cima para baixo). (b) Espectro de absorção
visível dos mesmos compostos registrados com um espectrofotômetro.
7. Espectros de Absorção
Possibilitam:
Identificar substâncias: as curvas de absorção são uma
espécie de “impressão digital” das substâncias e caracterizam a presença desses compostos.
Identificar grupamentos químicos.
Indicar os comprimentos de onda para a dosagem das
substâncias.
Exercício 2: Uma solução padrão de determinado composto
orgânico exibe o espectro de absorção a seguir.
a) Considere a análise quantitativa deste composto, por
espectrofotometria e especifique em que comprimento
de onda você realizaria tal análise. Justifique sua
resposta.
b) Especifique a cor predominante da luz absorvida e a cor
da luz transmitida pela solução em questão. Justifique
sua resposta.
1,0
0,9
0,8
Absorvância
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
400
420
440
460
480
500
520
540
560
Comprimento de Onda (nm)
580
600
620
8. Lei de Beer-Lambert
Fonte de Luz
Seletor de
(Monocromador)
P0
P
Amostra
Detector
de Luz
b
Figura 10: Diagrama esquemático de um experimento espectrofotométrico.
No diagrama acima:
- P0: radiação incidente;
- P: radiação transmitida;
- b ou l: passo óptico ou caminho óptico.
8. Lei de Beer-Lambert
Transmitância, T: fração da radiação incidente que é
transmitida pela amostra.
T = P/P0
EQ. 1
A transmitância percentual ou porcentagem de
transmitância é simplesmente 100T.
Absorvância ou Absorbância (A):
A = - log T
EQ. 2
A = a.l.c
EQ. 3
8. Lei de Beer-Lambert
Exercício 3: Qual o valor da absorbância correspondente
à T = 45%? Se uma solução 0,01 mol/L exibe T = 45%,
qual será a porcentagem de transmitância para uma
solução, do mesmo composto, de concentração igual a
0,02 mol/L.
Resp.: A = 0,346; %T = 20%
8. Lei de Beer-Lambert
A Eq. 3, conhecida como Lei de Beer-Lambert, é a
equação fundamental da espectrofotometria e mostra
que a absorvância é diretamente proporcional a
concentração da espécie que absorve radiação de um
dado .
A = a.l.c
EQ. 3
Na EQ. 3:
A: absorbância ou absorvância;
a: absortividade;
l: caminho óptico ou passo óptico;
c: concentração da espécie absorvente ou
analito.
8. Lei de Beer-Lambert
Na figura abaixo, a absorbância, como é evidenciado
pela cor, é proporcional à concentração de ferro.
Figura 11: Balões volumétricos contendo [Fe(fenatrolina)3]2+ com
concentrações de Fe na faixa entre 1 mg/L (esquerda) até 10 mg/L
(direita).
8. Lei de Beer-Lambert
A absortividade, a:
- Depende do comprimento de onda e da natureza do
material absorvente.
- Pode ser expressa, por exemplo, em cm-1 g-1 L ou em
cm-1 mol-1 L, dependendo das unidades da concentração,
c.
- É expressa em cm-1 mol-1 L, quando a concentração,c,
estiver em mol/L. Neste caso, a absortividade recebe o
símbolo e é denominada absortividade molar ou
coeficiente de absorção molar ou ainda, coeficiente
de extinção molar (na literatura mais antiga).
8. Lei de Beer-Lambert
Exercício 4: 15 mg de um composto, que apresenta
massa molar = 384,63 g/mol, foram dissolvidas em água
preparando-se 5,00 mL de solução. 1,00 mL dessa
solução foi diluído à 10,0 mL.
a) Qual a concentração da solução preparada inicialmente?
b) Qual a concentração da solução diluída do composto?
c) Considerando que a solução diluída foi transferida para
uma cubeta de 0,5 cm de caminho ótico e que absorbância desta solução foi medida em = 495 nm, sendo
A = 0,634, calcule a absortividade molar, , do composto
no comprimento de onda em questão.
Resp.: 7,80x10-3 mol/L; 7,80x10-4 mol/L ;1626 cm-1 mol-1 L
Em espectrofotometria uv-visível, l é geralmente igual
a 1,00 cm.
Um gráfico de A versus c fornece uma reta. A inclinação
desta reta corresponde a absortividade do analito, num
dado . Esse gráfico é denominado curva analítica ou
curva de calibração.
Curva Analítica ou
Curva de Calibração
Quanto maior a absortividade
molar, , maior a absorvância.
A
)
Canalito (mol/L)
Exercício 5:
Fe(III) pode ser determinado espectrofotometricamente por reação com SCN-, para produzir um
complexo vermelho, [Fe(SCN)6]3-, que absorve fortemente em 480 nm. Um litro de solução padrão
estoque de Fe(III) foi preparado a partir de 0,8640 g de sulfato férrico amoniacal, FeNH4(SO4)2.12H2O
(massa molar = 482,19 g mol-1). Três soluções padrões foram preparadas por diluição da solução
estoque de Fe(III), transferindo-se alíquotas de 2,5, 3,5 e 4,5 mL de tal solução para balões volumétricos
de 100 mL e completando-se o volume de cada um, com água destilada. Uma amostra sólida foi transferida
para um balão volumétrico de 100 mL e dissolvida com água destilada, preparando-se 100 mL de uma
solução da amostra. Considerando os valores de absorbância (A) a seguir e l = 1 cm:
a) Construa a curva analítica ou curva de calibração.
b) Calcule a absortividade molar (ε) do composto, no comprimento de onda em questão;
c) Calcule quantos miligramas de Fe(III) estão presentes na amostra.
Solução
A
CFe/ mol L1
Padrão 1
0,342
4,480x10-5
Padrão 2
0,479
6,272x10-5
Padrão 3
0,616
8,064x10-5
Amostra
0,463
?
Espécie absorvente: [Fe(SCN)6]3max
480 nm
Figura 12: Espectros da espécie [Fe(SCN)6]3- , em diferentes
concentrações.
0,65
0,60
Absorvância
0,55
0,50
0,45
Y = a + b.X
Y = -0,0005 + 7645X
R=1
0,40
0,35
0,30
4,0x10
-5
4,5x10
-5
5,0x10
-5
5,5x10
-5
6,0x10
-5
6,5x10
-5
7,0x10
-5
7,5x10
-5
8,0x10
-5
8,5x10
-5
CFe (mol/L)
3+
Figura 13: Curva analítica ou curva de calibração (item a).
Exercício 5:
b) = 7645 cm-1 mol-1 L
c) Aamostra = 0,463
Eq. da reta: Y = - 0,0005 + 7645X
0,463 = - 0,0005 + 7645X
X = 6,05x10-5 mol L-1
Em 100 mL da solução da amostra
Fe3+ = 0,339 mg
6,05x10-6 mol de
8. Lei de Beer-Lambert (Desvios)
A lei de Beer descreve o comportamento da absorção
apenas para soluções diluídas.
Em concentrações acima de 0,01 mol L-1, haverá
desvios da relação linear entre a absorvância e a
concentração.
Ocorrem desvios quando o soluto colorido ioniza-se,
dissocia-se ou se associa em solução.
Altas concentrações de eletrólitos leva a um afastamento da lei de Beer.
Ocorrem discrepâncias quando a luz usada não é
monocromática.
9. Instrumentação
O instrumento necessário para uma análise
espectrofométrica é o Espectrofotômetro.
As partes essenciais de um espectrofotômetro são:
- Fonte de energia;
- Monocromador;
- Células (ou cubetas) de vidro, ou de quartzo, para o
branco e para a amostra;
- Detector.
9. Funcionamento do Espectrofotômetro
A luz proveniente de uma fonte contínua passa por um
monocromador, que seleciona uma estreita faixa de
comprimentos de onda do feixe incidente. Essa luz
“monocromática” passa pela amostra de comprimento
b, e a energia radiante da luz emergente é medida
(vide diagrama abaixo).
Fonte de Luz
Seletor de
(Monocromador)
P0
P
Amostra
Detector
de Luz
b
Figura 14: Diagrama esquemático de um experimento espectrofotométrico.
Espectrofotômetro para a Região Visível
Figura 15: Espectrofotômetro modelo Spectronic 20.
Espectrofotômetro de feixe simples.
Espectrofotômetro para as Regiões UV-Visível
Figura 16: Espectrofotômetro Varian Cary 3E Ultravioleta-Visível.
Espectrofotômetro de Feixe Duplo.
Fontes de Radiação
Lâmpada de Deutério
( : 160 – 380 nm)
Lâmpada de Tungstênio
( : 350 – 2200 nm)
Compartimento para a Amostra
Células ou Cubetas
10. Precauções
Para uma análise espectrofotométrica, geralmente
escolhe-se o comprimento de máxima absorvância (
Justificativa: a sensibilidade da análise é maior na
absorvância máxima.
max).
É desejável ajustar a concentração da amostra de forma
que a sua absorvância fique dentro seguinte faixa:
0,4 A 0,9, pois a maioria dos espectrofotômetros
exibe o mínimo de incerteza dentro desse intervalo.
O local da amostra deve estar vedado à luz.
Todos os recipientes devem ser cobertos para impedir
a entrada de poeira, pois o pó dispersa a luz.
10. Precauções
O manuseio das cubetas deve ser feito com um tecido,
para impedir que as pontas dos dedos entrem em contato
com as faces.
Mantenha os dedos longe das faces limpas da cubeta,
pois as impressões digitais dispersam e absorvem a luz.
Para leituras precisas, é importante posicionar a cubeta
no espectrofotômetro da maneira mais reprodutível
possível. Justificativa: uma variação aleatória na
absorvância surge de pequenas diferenças da posição
da cubeta no seu suporte.