Espectrofotometria Uv Visible: Curso: Quimica Analítica II 2012 Profesor: Juan Carlos Sturm

Transcripción

1 Espectrofotometria Uv Visible: Aplicaciones en el analisis químico Curso: Quimica Analítica II 2012 Profesor: Juan Carlos Sturm

2 Fotómetro o espectrofotómetro? emisor LED 525nm Fotodiodo detector Microprocesador Display LCD Muestra No faltan algunos componentes en este instrumento?

3 Fuentes de radiacion electromagnetica para espectroscopia Fuente region λ usos Lamp. H 2 D 2 continua, nm absorción molecular UV L. Tungsteno, continua nm absorción molecular visible L. Arco de Xe continua nm e. molecular fluorescente Alambre de nicron continua 0,75 20 µm e. absorción IR L. Cátodo hueco líneas Uv-Vis. E Absorción atómica Laser línea, UV-Vis Abs atómica, molecular, fluoresc. L. vapor de Hg líneas fluorescencia molecular diodo línea -vis Abs. Molec vis. Fuente continua Fuente de lineas

4 Transductores para espectroscopia optica Detector clase rango λ señal fototubo foton nm corriente Fotomultiplicador foton nm corriente Fotodiodo de Si foton nm corriente Fotoconductor foton nm carga- resistencia celda fotovoltaica foton nm voltaje o corriente termocupla termico µm voltaje Termistor termico µm variacion resistencia

5 Monocromador Filtros ópticos Prismas Rejillas de difracción Ancho de banda :

6 Características de la espectroscopia molecular Aplicación en sistemas orgánicos e inorgánicos Límites de detección bajos ( 10-4 a 10-5 M) Selectividad moderada a alta Buena exactitud ( incertidumbres relativas < 2% ) Medición y adquisición de datos simple

7 Aplicaciones Determinación de iones metálicos y complejos de elementos de transición ( Ni +2, Cu +2, Co +2, Cr 2 O 7-2 ) Complejos de transferencia de carga ej: Fe(II 1,10 Fenantrolina, Fe(III) tiocianato Compuestos orgánicos con enlaces conjugados, heterociclos Campos: industrial, clínico, forense, medio ambiente

8 Espectros de absorción molecular Espectro de absorción de ácido acetil salicílico en HCl 0,05 M 2,5 2,0 a ) a ) AAS 25 mg/l b ) AAS 12,5 mg/l Absorbacia 1,5 1,0 b ) 0,5 0, λ ( nm ) La concentración de la solución no modifica la forma del espectro

9 Análisis Cuantitativo, procedimiento: Selección de la longitud de onda de medición: ( si se desea la mas alta sensibilidad se elige una longitud de onda correspondiente a un pico máximo) Verificar cumplimiento de la ley de Beer A a b C T P/P 0 -log T a b C existen variables que influyen en la absorbancia como: tipo de disolvente, ph de la solución, temperatura, sustancias interferentes Selección del rango de concentraciones para la medición con menor error

10 Ley de Beer - ideal : A abc, Señal constante * conc. de analito Ley de Beer - real : A abc + n n intercepto señal de fondo (blanco) Ambas ecuaciones representan rectas A vs C 1,2 1,2 Pendiente sensibilidad 1,0 1,0 Absorbancia 0,8 0,6 0,4 Absorbancia 0,8 0,6 0,4 rango lineal 0,2 0,2 0, Concentración intercepto 0, Concentracion

11 Otras técnicas espectroscópicas sin intercambio de energía Nefelometría Turbidimetría Refractometría Difraccion Dispersión scattering refracción difracción de rayos x dispersión óptica rotatoria Ver tambien : Modern Analytical Chemistry D. Harvey, Mc Graw Hill, cap 10

12 Métodos de cuantificación Curva de calibración con estándares externos Método de adición estándar: - a volumen final constante - a volumen variable

13 Curva de calibración con estándares externos Los estándares de calibración deben aproximarse en lo posible a la composición general de las muestras blanco muestra A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 Ax

14 Curva de calibración Concentracion Absorbancia 0,6 mg/l 0 0,010 0,5 2 0, , , , , ,590 Absorbancia (A) 0,4 0,3 0,2 0,1 A 0, ,0490*C r 0,9997 muestra 0,340 Cx 6,80 mg/l 0, Concentración ( mg/l)

15 Método de adición de estándar: a volumen final constante y varias adiciones Las dificultades de contar con un patron con una composición general que se asemeje a la de las muestras hace recomendable este método. Requisito: se cumple la ley de Beer blanco Ajuste 0 Vx Vx Vx Vx Vx A TOTAL Ax + Ast Vst 1 Vst 2 Vst 3 Vst 4 A T Cx Vx a b V T + a b Cst Vst V T Graficar A vs Vst : recta con pendiente β e intercepto α α β

16 A T Cx Vx a b V T + a b Cst Vst V T Entonces: A T α + β Vst Dividiendo α β a b Cx Vx Vt a Vt b Cst Despejando Cx α Cst β Vx

17 Método de adición de estándar: a volumen final variable y una adición Vx Vx + Vst A 1 A 2 A abcx 1 A 2 VxCx + VstCst ab Vx + Vst A A 1 2 abcx( Vx + Vst) ab( VxCx + VstCst)

18 A A 1 2 CxVx + CxVst VxCx + VstCst A2 CxVx + A2CxVst AVxCx 1 + AVstCst 1 A2 CxVx + A2CxVst AVxCx 1 AVstCst 1 [ ] factorizando A A Vx A Vst AVstCst Cx ( 2 1) Cx AVstCst ( A A ) Vx A Vst 2

19 Ejercicio 1 Se desea determinar el manganeso en un acero. Se disolvió una muestra de acero de 0,4895 g, el manganeso se oxidó a MnO 4 - y la solución se diluyó a 100 ml en un matraz aforado. La absorbancia a 525 nm en una celda de 1 cm fue 0,396. Una solución de MnO 4 - de 3x 10-4 M presenta una absorbancia de 0,672 Ast a b Cst 0,672 a 1 3x10-4 a 2240 Ax a b Cx 0, Cx Cx 1,77 x 10-4 M Otra forma de cálculo: Ast Ax a b Cst a b Cx 0,672 0, Cx 4

20 Cálculo del porcentaje de Mn en acero : ver en versión internet Ejercicio 2: Ver en versión internet Curva de calibracion con patrones independientes Interpolacion de una muestra tratada de la misma forma que los patrones Ejercicio 3 : Ver en versión internet Cálculo de concentración mediante adición estándar y volumen constante Ejercicio 4: Ver en version internet Adición de estándar con un punto e incremento de volumen

21 Calcular el porcentaje de Mn en el acero En el matraz de 100 ml encontramos una concentración 1, M de MnO 4 -. Calculemos los mg de Mn en 100ml El PA Mn 54,94; 1, ,94 9, g/l Mn 0,97mgMn X 0, ,7 mg/1000ml Mn 0,97 mg /100 ml Mn Calculemos los mg de Mn por 100 g de muestra ( porcentaje) En los 100ml se disolvieron 0,4895 g de acero y hay 0,97 mg de Mn. Cuantos mg de Mn hay en 100g de acero?) X 198,2 mg Mn / 100g muestra % 0,2 g Mn /100g muestra X 0,2 %

22 Ejercicio 2 El hierro forma un complejo con 1,10 fenantrolina el cual presenta un máximo de absorción a 510 nm. A partir de una solución patrón de 1000 mg/l de hierro se preparó una curva de calibración, obteniéndose los siguientes datos: 25,0 ml de una muestra de agua subterránea se conc A colocaron en un matraz de 50,0 ml después de ser tratada para formar el complejo coloreado, al igual ( mg/l) que la curva de calibración, fue aforada. La absorbancia fue de 0, muestra 0,203 Calcular la concentración de Fe de la muestra de agua en mg/l La ecuación de la recta es : A 0, ,0762 Cx r 0,9998 Interpolando el valor de A de la muestra :Cx 2,57 mg/l (conc en el matraz de 50) Conc. real de la muestra : 2 x 2,57 5,14 mg/l ( por la dilución de 25 ml a 50ml )

23 Ejercicio 3 Basado en el ejercicio anterior plantearemos la siguiente metodología : 25,0 ml de una muestra de agua subterránea se colocaron en un matraz de 50,0 ml después de ser tratada para formar el complejo coloreado Fe/1-10 fenantrolina, fue aforada. La absorbancia fue de 0,203. En otros matraces iguales fueron colocados 25 ml de la muestra, el reactivo complejante y respectivamente : 0, 1 ; 0,2 y 0,3 ml de solución patrón de Fe de una concentración de 1000 mg/l. Calcule la concentración de Fe en la muestra Estamos aquí frente a un método de adición estándar con volumen final fijo : DATOS:

24 Cst 1000 mg/l 0,7 A 0, ,533 Vst Vx 25 ml 0,6 Cx Cx α β 1,533 α Cst β Vx * * 25 Absorbancia 0,5 0,4 0,3 0, A 0,2063 B 1, R , ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0, ml de estandar agregado Concentración de la muestra 5,30 mg/l; Ojo : no hay factor de dilución ya que tanto muestra como Patrones se sometieron a la misma dilución.

25 Ejercicio 4 Una solución ácida de ión cúprico tiene una absorbancia de 0,062 a la longitud de onda de máxima absorción. A 5,0 ml de esta solución se le agregó 1,0 ml de solución 0,01 M de ión cúprico y se determinó que la absorbancia fue de 0,102 a la misma longitud de onda : Cual es la concentración de la muestra? R: La muestra con un volumen de 5 ml fue enriquecida con patrón aumentando el volumen a 6 ml ( adición std. con un punto y con incremento de volumen) A A 1 2 A A a b Cx CxVx a b Vx CstVst Vst Cx( Vx + Vst) CxVx + CstVst 0,062 Cx 6 0,102 Cx 5 + 0,011 0,612Cx 0,31Cx + 0,00062 Cx 2,1x 10 3 M Tarea : verifique el resultado usando la formula deducida anteriormente

26 Limitaciones de la ley de Beer Solo es aplicable a soluciones diluídas (<10-2 M) (Interacciones entre iones o moléculas afectan la absorción de radiación, variación del índice de refracción) Desviaciones químicas debido a la asociación o disociación del analito ( se forman productos con características absorbentes distintas al analito. Ej : indicadores acido base)( desv. positiva o negativa ) Desviaciones por radiación policromática y radiación parásita ( limitaciónes instrumentales ) (desviacion negativa ) Fluorescencia y Turbidez ( disminución de absorbancia por radiación emitida o aumento de absorbancia por partículas en suspensión )

27 Cuando un analito se disocia, se asocia o reacciona con el disolvente para dar un producto con espectro de absorción diferente al del analito se producen desviaciones de la ley de Beer. + HIn H + In Color 1 Color 2 Ka 1,34 x 10-5 La siguiente tabla * muestra el desplazamiento del equilibrio motivado por la dilución ( solucion no tamponada) HIn, M Desviaciones químicas [HIn] X 10 5 [In - ] X 10 5 % disociado A 430 A 570 2,00 x ,00 x ,00 x ,00 x ,00 x % 44.5% 43.1% 29 % 25.7 % * Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag

28 Desviaciones quimicas A medida que la concentración aumenta la disociación es menor dando una curvatura positiva a 570 nm Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag

29 Desviaciones instrumentales por radiación policromática En el espectro (grafico superior) la absortividad del analito es casi constante en la banda A. En la grafica de la ley de Beer, al usar la banda A hay una relación lineal. En el espectro la banda B muestra cambios notables de la absortividad resultando en una marcada desviación de la ley de Beer Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 409

30 * Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 410 Cuando la medición de absorbancia se efectúa con radiación compuesta por diversas longitudes de onda, la absorbancia es una combinación dada por las absortividades diferentes a cada longitud de onda.

31 Desviación aparente de la ley de Beer por diversas cantidades de radiación parásita ( o difusa) Radiación parásita o difusa: Cualquier radiación que llega al detector pero que no sigue la vía óptica entre la fuente y el detector La radiación parásita limita la absorbancia máxima de respuesta lineal ya que cuando la absorbancia es alta la potencia radiante que llega al detector se vuelve pequeña, similar o menor al nivel de luz parásita. Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 411

32 Error instrumental en función de la transmitancia Se ha visto que la incertidumbre en la medida espectrofotométrica de la concentración varía en forma no lineal con la magnitud de la transmitancia error relativo x x x t t x100% C C x 100 El error relativo en la concentración para una medida espectrofotométrica esta dada por la siguiente expresión : C C 0,434 T T logt T error fotométrico (incertidumbre absoluta para la transmitancia) Por ejemplo 0,005 0,5%T

33 Ejercicio Calcular el error relativo en concentración porcentual para mediciones con absorbacias de ; 0,125 ; 0,434 y 0,900 suponiendo que existe una incertidumbre fotométrica instrumental de un 1 % 0,125 74,9 %T C C 0,4343 0,01 0,749 log 0,749 0,046 A 4,6% 0,434 36,8 %T 0,900 12,5%T C C 0,4343 0,01 0,368log 0,368-0,027 ; 2,7% C C 0,4343 0,01 0,125log 0,125-0,038 ; 3,8%

34 C C 0,434 T T logt Conclusión: se eligirá un rango de concentraciones de trabajo tal que la transmitancia se mantenga en el rango 20%T 70%T (0,7A -0,15A)

35 Determinación de mezclas Se basa en que, a una determinada longitud de onda la absorbancia observada es igual a la suma de las absorbancias de cada componente 2,0 1,5 λ1 AAS 25 ppm CAF 10 ppm Mezcla λ2 A 1,0 0,5 0, λ /nm

36 A TOTAL λ1 a AAS,λ1 b C AAS + a CAFλ1 b C CAF A TOTAL λ2 a AAS,λ2 b C AAS + a CAFλ2 b C CAF Resolver este sistema de ecuaciones simultáneas para las incógnitas C AAS y C CAF Para que la exactitud y precisión de los resultados sean buenas es necesario seleccionar ambas longitudes de onda de forma que a AAS < a CAF a una de las longitudes de onda y lo inverso a la otra longitud de onda. La precisión optima se logra cuando la diferencia de absortividades sea lo mas grande posible. Se deben fijar las condiciones de ph para evitar la presencia de especies en equilibrio variable.

37 Ejercicio Se pueden determinar las concentraciones de una mezcla de Fe +3 y Cu +2 formando el complejo con hexacianorutenato (II), Ru(CN) 6-4, que forma un complejo de color azul- violáceo con el Fe +3 ( λmax 550 nm) y un complejo gris pálido con el Cobre (λmax 396 nm) Las absortividades molares de los complejos de metal se resumen en la tabla siguiente: ε 550 ε 396 Fe Cu Cuando una muestra que contiene Fe +3 y Cu +2 se analiza en una cubeta de 1 cm de paso óptico la absorbancia a 550 nm fue de 0,183 y la absorbancia a 396 nm fue de 0,109. Cuál es la concentración molar de Fe +3 y Cu +2 en la muestra?

38 a 550 nm : a 396 nm : 0, C Fe + 34 C Cu 0, C Fe C Cu Despejamos C Cu en la primera ecuación C Cu y sustituimos en la segunda 0, C Fe 4,607 (251x10, C 34 0 Fe 0, C ) C Despejando : C Fe 1,80 x 10-5 M Fe C Cu 1,26 x 10-4 M Fe Ref: D:Harvey, Química Analítica Moderna, pag. 281

39 Otras aplicaciones Determinación de constantes de equilibrio ( p.ej. La constante de acidez de un indicador acidobase) Caracterización de la estequiometría de un complejo metal-ligando ( p. ej. ML; ML 2, ML 3 etc.). Titulaciones espectrofotométricas (usa graficas de absorbancia vs volumen de titulante, formación de un producto absorbente o decoloración de un reactivo titulante coloreado)

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