Espectrofotometría UV- VIS

Transcripción

1 Universidad Central de Venezuela Facultad de Agronomía Departamento de Química y Tecnología Cátedra de Análisis de Productos Agrícolas I 1 09/03/2015 9:20 Prof. Fanny Molina 5 1

2 Rad Electromagnética o energía radiante Formas de Radiación electromagnética Es un tipo de energía que se transmite por el espacio en forma ondulatoria y a velocidades enormes. Energía radiante absorbida es proporcional a la concentración de la especie absorbente. Luz, calor, rayos X, rayos, luz UV, microondas Absorción de Radiación Electromagnética Si E = h. la probabilidad de que ocurra la transición es mayor. E= h. E 2 E 1

3 Longitud de onda Representación del proceso de absorción La distancia entre dos picos (o dos valles) de una onda se llama longitud de onda (λ = lambda). λ 09/03/2015 9:20

4 Transiciones nucleares: rayos, rayos cósmicos (106 ev) Tipos de cambios que puede ocurrir cuando la radiación electromagnética es absorbida: Transición de electrones capas internas: rayos X Transición de electrones de valencia: UV, Visible Alteración del modo vibracional de la molécula: IR Cercano Alteración del modo rotacional de la molécula: IR lejano, microondas E(interna) = E(vibracional) + E(rotacional) + E(electromagnética)

5 Presenta la posibilidad de que sus electrones mas exteriores o electrones de enlaces, sean elevados a niveles de energía mas altos al incidir sobre ella radiación electromagnética. Especie Absorbente Tienen absorción característica por cambios de electrones consecuencia de: Grupos funcionales absorbentes Grupos funcionales auxiliare

6 Clasificación de especies Absorbentes Especies absorbentes que contienen electrones Electrones d y f Electrones de transferencia de carga Todas las moléculas orgánicas pueden absorber radiación en la región UV-Visible, debido a que contienen electrones compartidos y sin compartir, los cuales pueden excitar a niveles de energía más elevados.

7 Algunas transiciones electrónicas en las moléculas orgánicas Compuesto (nm) Transición CH * CH 3 -Cl 173 n * CH 3 -Br 204 n * -(CH 2 =CH 2 ) * HC CH 178 * HC N 175 * * antienlazante E * antienlazante n no enlazante enlazante enlazante n * (272nm) * (188nm) n * (140nm) * (122nm)

8 Grupo insaturado covalente, el cual es responsable de la absorción electrónica en la región nm UV-VISIBLE. Grupo Cromóforo Grupo atómico presente en una molécula que determina o lleva asociada una banda de absorción electrónica ejemplo: C=O, C=C, N=N 09/03/ :11

9 Grupos que no producen por si mismos bandas de absorción, pero que intensifican las de los grupos cromoforos. Grupo Auxocromo Grupo saturado que cuando se encuentra unido a una porción adecuada, a un cromoforo, altera tanto la longitud de onda (desplazamiento rojo y azul) como la intensidad del máximo de absorción. Ejemplos: C-Br, C-0H, OH, NH2, Cl. 09/03/ :11

10 Espectro visible Intervalo de λ (nm) Color absorbido Color complementario Violeta Amarillo verdoso Azul Amarillo Azul - Verde Naranja Verde - Azul Rojo Verde Púrpura Amarillo verdoso Violeta Azul Amarillo Azul Naranja Azul verde Rojo Verde - azul 09/03/2015 9:20

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12 Desplazamiento Batocrómico: Desplazamiento hacia el rojo. 400 nm 700 nm Desplazamiento Hipsocrómico: A Desplazamiento hacia el azul 400 nm nm 09/03/ :19

13 Efecto Hipercrómico Aumento de la intensidad de absorción A 2 1 Efecto Hipocrómico Disminuye la intensidad de absorción A /03/ :19

14 Transmitancia: Fracción de radiación incidente transmitida por la disolución ó fracción de radiación que una sustancia deja pasar cuando la REM atraviesa la muestra.. T P P T O T puede valer desde 0 hasta 1. %T puede valer desde 0 hasta 100 % 09/03/2015 9:20

15 T P P T O P A Log P O T Atenuación de un haz de radiación por una disolución absorbente 09/03/2015 9:20

16 Absorbancia: La absorbancia de una disolución aumenta a medida que aumenta la atenuación del haz. Es la atenuación de la intensidad de la radiación cuando esta incide sobre una muestra ó cantidad de energía que la sustancia toma para pasar a un estado más excitado. A log T log P P O T A aumenta a medida que aumenta la atenuación de la radiación. Cuando no hay absorción de radiación Po= PT y entonces A=0 Si se absorbe el 99% de la radiación, solo se transmite el 1%, la A=2 09/03/2015 9:20

17 Ejemplo de espectro de transmitancia y absorbancia de una sustancia Transmitancia Absorbancia 09/03/2015 9:20

18 Relación entre absorbancia y concentración: ley de Beer Ley de Lambert-Beer: Absorbancia es directamente proporcional a la longitud b de la trayectoria a través de la solución y a la concentración c del analito o especie absorbente. A a b c Donde: A b c a: cte de proporcionalidad llamada absortividad. (unidades L cm -1 g -1, si c=g/l) b: longitud del camino que recorre la radiación a través del medio absorbente. c: concentración expresada en g/l (mg/l,...) Cuando en la ecuación la concentración viene expresada en mol/l, la ctte de proporcionalidad se denomina absortividad molar y se representa por (unidades L cm -1 mol -1. ) 09/03/2015 9:20

19 Relación entre absorbancia y concentración: ley de Beer Disoluciones que contienen más de una clase de especies absorbentes: A = A 1 + A A n A b c A = 1 b c b c n b c n Siendo 1, 2,, n los componentes absorbentes. 09/03/2015 9:21

20 Limitaciones de aplicabilidad de la ley de beer La atenuación de una radiación es cuantitativamente proporcional a la concentración de la especie absorbente. La proporcionalidad directa entre absorbancia y concentración cuando b es ctte presenta desviaciones: A) Limitaciones reales de la ley B) Limitaciones Químicas C) Limitaciones Instrumentales 09/03/2015 9:21

21 Limitaciones de aplicabilidad de la ley de beer A) Limitaciones reales de la ley Disoluciones de concentración elevada (c > 0.01 M) dan malos resultados. La absortividad a y la absortividad molar dependen del índice de refracción de la muestra. 09/03/2015 9:21

22 Limitaciones de aplicabilidad de la ley de beer B) Limitaciones Químicas Se produce cuando el analito se disocia, asocia o reacciona con el disolvente para dar productos que presentan propiedades de absorción diferentes de las del analito. HIn H + + In - Color 1 Color 2 09/03/2015 9:21

23 Limitaciones de aplicabilidad de la ley de beer B) Limitaciones Químicas HIn H + + In - Color 1 Color 2 Desviación positiva a 430 y negativa a 570 nm.

24 Limitaciones de aplicabilidad de la ley de beer C) Limitaciones Instrumentales El cumplimiento estricto de la Ley de Beer, sólo se observa para radiaciones monocromáticas (radiación formada por una sola longitud de onda) y éstas en la práctica no se consiguen, ya que con los dispositivos disponibles (filtros, monocromadores) se obtienen una banda de longitudes de onda más o menos simétrica entorno a la deseada.. 09/03/2015 9:21

25 Limitaciones de aplicabilidad de la ley de beer Otra desviación: Presencia de radiación parásita o dispersa. 09/03/2015 9:21

26 Limitaciones de aplicabilidad de la ley de beer Error Fotométrico 09/03/2015 9:21

27 Colorimétricos: Comparación visual del color de una muestra con el de un grupo de patrones Métodos basados en la absorción de la energía radiante Fotométricos: Se mide absorción de radiación en el sector del visible Espectrofotométricos: Se mide absorción de la radiación en cualquier región del espectro.

28 Instrumentación para espectroscopia de absorción UV-VIS FOTÓMETROS Instrumento sencillo utilizado para medir la absorbancia y que emplea filtros de absorción o interferencia para seleccionar la longitud de onda. Suelen usarse en la región del Visible. 09/03/2015 9:21 Inconvenientes: No puede utilizarse para obtener espectros de absorción. Ventajas: - Son sencillos, - económicos, - robustos y - facilidad en cuanto a mantenimiento. - Pueden transportarse, lo que lo convierte en un aparato útil para realizar análisis espectroscópicos de campo.

29 Instrumentación para espectroscopia de absorción UV-VIS ESPECTROFOTÓMETROS Instrumento empleado para medir la absorbancia que Puede usarse en la región UV, Vis e IR. Pueden ser de un solo haz o de doble haz. utiliza un selector monocromático para seleccionar la longitud de onda. Diseños instrumentales para fotómetros y espectrofotómetros 09/03/2015 9:21

30 Espectrofotometría? Método de análisis físicoquímico, que permite determinar la concentración de un analito, en función a la cantidad de energía radiante absorbida o emitida. Ventajas Concentraciones < 0,01 M Rápida Exacta Sencilla Versátil 09/03/ :28

31 Amplia aplicabilidad. Elevada sensibilidad: los límites detección 10-4 a 10-5 M. Características de los métodos espectrofotométricos Selectividad de moderada a alta. Buena exactitud: errores de concentración 1-5% o incluso menores. Facilidad y comodidad en las medidas espectrofotométricas. 09/03/ :32 Se prestan a una fácil automatización.

32 Instrumentación para espectroscopia de absorción UV-VIS

33 Instrumentación para espectroscopia de absorción UV-VIS

34 Componentes de los instrumentos espectroscópicos Los instrumentos usados para estudiar la absorción o la emisión de la radiación electromagnética en función de la λ son conocidos como Espectrofotómetr os 1. Fuente estable de energía radiante. 2. Dispositivo que aísle una determinada región del espectro. 3. Recipiente transparente a la radiación para contener la muestra. 4. Detector de radiación que convierte a la energía radiante en una señal de medida. 5. Indicador de señal: sistema de procesamiento y lectura de la señal

35 Componentes de los instrumentos espectroscópicos Ilumina la muestra. 1. Fuente de Energía radiante Debe cumplir con: condiciones de estabilidad, direccionabilidad, distribución de energía espectral continua y larga vida. Las fuentes empleadas son lámpara de tungsteno y lámpara de arco de xenón. Lámpara de Deuterio Lámpara de Wolframio

36 Componentes de los instrumentos espectroscópicos 1. Fuentes de radiación. En la Figura se resumen las fuentes usadas en función de la λ (región espectral).

37 Componentes de los instrumentos espectroscópicos 2. Monocromador Dispersan la radiación separando espacialmente las distintas λ de la luz policromática proporcionando bandas de anchura pequeña. Varían de forma continua y en un amplio Δλ y al mismo tiempo aíslan una pequeña banda de la luz policromática. Para obtener luz monocromática, constituído por las rendijas de entrada y salida, colimadores y el elemento de dispersión. El monocromador aísla las radiaciones de longitud de onda deseada que inciden o se reflejan desde el conjunto. COMPONENTES: 1. Rendija de entrada 2. Lente colimadora o espejo cóncavo que produce un haz paralelo de radiación 3. Elemento que dispersa la radiación en sus longitudes de onda individuales: prisma o red 4. Elemento de enfoque de salida 5. lida

38 Componentes de los instrumentos espectroscópicos 3. Recipientes para las muestras Todos los métodos espectroscópicos, excepto los atómicos emplean un recipiente que contenga a la muestra. Reciben el nombre de celda o cubeta y se fabrican de: plástico o vidrio (para la región Visible) sílice fundido (cuarzo) (para la región Visible y UV por debajo de 350 nm e IR hasta 3000 nm ) vidrio de silicato para medidas entre 375 y 2000 nm (V e IR) NaCl para la región del IR La longitud mas común en la trayectoria de las cubetas para Visible y UV, suele ser de 1 cm, aunque las puede haber menores o mayores.

39 Componentes de los instrumentos espectroscópicos 3. Materiales de los componentes ópticos En la Figura se muestran que tipo de material se emplea en función de la λ (región espectral) para cubetas, ventanas, lentes, prismas y selectores de λ.

40 Componentes de los instrumentos espectroscópicos 4. Fotodetectores En los instrumentos modernos se encuentra una serie de 16 foto detectores para percibir la señal en forma simultánea en 16 longitudes de onda, cubriendo el espectro visible. Esto reduce el tiempo de medida, y minimiza las partes móviles del equipo.

41 Componentes de los instrumentos espectroscópicos 4. En la Figura se resumen los diferentes sistemas de detección de la señal en función de la λ (región espectral).

42 Componentes de los instrumentos espectroscópicos 4. Fotodetectores ventajas: Alta Sensibilidad en todo el Rango. Repetibilidad de la señal. Baja Fluctuación de la señal de Absorbancia. Deriva mínima Bajo Nivel de Ruido. Convierte la energía radiante en energía eléctrica, que luego debe ser medida Los más utilizados para la región visible y UV son: células fotoválticas fotoeléctricas (fototubo)

43 Componentes de los instrumentos espectroscópicos 4. Fotodetectores Radiación Fuente de Radiación Selector de λ Ultra Lámpara de descarga de Prisma de Hidrógeno o Deuterio (El rango de cuarzo, Violeta trabajo de estas lámparas parte desde los 180 hasta los 400nm) Red de (160- difracción 350nm) Lámpara de vapor de mercurio, lámpara de arcos de xenón, todas estas lámparas utilizan ventanas de cuarzo ya que el vidrio absorbe radiación UV Celda Detector de radiación Celdas de Fototubo Cuarzo, (células fotovoltaicas Sílice tubos de rayos fundido catódicos, células conductoras Visible ( nm) Lámpara de filamento de Wolframio o Tungsteno (El rango útil de trabajo de estas lámparas empieza desde los 345 nm y termina en los 1200nm.) Red de difracción, Filtros (solo son usados en la región visible), prismas de vidrio Celdas Vidrio, cuarzo, sílice fundida Plástico de Fototubo, Célula fotovoltaica

44 En la determinación cuantitativa de soluciones de iones metálicos de transición y especies inorgánicas como son los metales de transición Aplicaciones Especies absorbentes: compuestos orgánicos que contengan grupos cromóforos. En la determinación cuantitativa de compuestos orgánicos muy conjugados. Especies no absorbentes: los analitos reaccionan con un reactivo para producir un compuesto absorbente. 09/03/ :59

45 Aplicaciones medioambientales

46 Tipos de Espectrofotómetro - Mecánicos y digitales; - Que miden solo la luz visible - Que miden en visible y en luz U.V. - Que miden en Infrarrojo - De absorción atómica (AA), - De flurescencia de rayos-x - De emisión de plasma (ICP) - Multipropósitos (para medir directamente la solución con suspensión, muestras sólidas y biológicas) - Acoplado a masas, etc.. MM 2012

47 Spectronic 20 D Spectrónic 20 MM 2012

48 Cuidados en análisis espectrofotométrico Las muestras no deben tener burbujas, encontrarse turbias o con precipitados. El volumen de la muestra en la cubeta, no debe ser excesivo para evitar que se desborde, en caso de que sucediera, se debe limpiar con un paño limpio o papel absorbente suave, para evitar rayarla. La cubeta se sujeta por los lados opacos. La cantidad a adicionar es, máximo, hasta ¾ partes de la cubeta No se deben derramar líquidos, sobre todo solventes, ácidos o álcalis; dentro del contenedor de la cubeta, se puede dañar parte del mecanismo. Se debe mantener, el espectrofotómetro, limpio y libre de humedad MM 2012