Poligrafo Radiação UV-Visível

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FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA 
 
CURSO TÉCNICO EM QUÍMICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
ANÁLISE QUÍMICA - ESPECTROSCOPIA 
 
Espectrometria nas regiões do UV-visível 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Professora: Fabrina Bentlin 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Novo Hamburgo, Março de 2020. 
 
Radiação eletromagnética e sua interação com a matéria 
 
1. Termos gerais: 
Espectroscopia é a ciência que trata das interações da radiação eletromagnética com a 
matéria. 
Espectrometria trata das medidas quantitativas da intensidade da radiação eletromagnética 
por um detector fotométrico em um ou mais comprimentos de onda. 
Espectrofotometria: é qualquer processo que utiliza a luz para medir as concentrações 
químicas. 
Espectrometria molecular trata das medidas óticas de espécies moleculares no estado vapor, 
liquido ou sólido. 
Espectrometria atômica trata das medidas envolvendo espécies atômicas livres que estão 
geralmente no estado de vapor. 
 
2. Propriedades da luz: 
Newton: no séc XVII descreveu de forma adequada o fenômeno da decomposição da luz. 
A luz branca era uma mistura de cores que podiam ser separadas em um prisma. Cada uma 
das quais é pura, ou seja, não pode ser separada em outras. 
Atualmente, a teoria que descreve melhor os fenômenos da interação da luz com a matéria, 
faz uso da mecânica quântica. Essa descreve como se comportam partículas muito 
pequenas como elétrons. 
A luz se comporta como: Onda: em fenômenos como difração, reflexão, refração, 
 interferência. A luz é onda 
 Partícula: em fenômenos como absorção e emissão de energia 
 Por átomos e moléculas. A luz se comporta como partícula 
 (fótons). 
2.1 Interferência: quando duas ou mais ondas se cruzam em um ponto qualquer. Pode-se ter 
interferência construtiva (ângulo de 0°, 360°) ou interferência destrutiva (180°). 
 
 
Figura 1: interferência construtiva e interferência destrutiva 
 
2.2 Difração: processo que ocorre em um feixe paralelo de radiação quando passa por uma 
fenda ou orifício. 
 
2.3 Refração: é observada quando a radiação atravessa, com um dado ângulo, uma interface 
entre dois materiais de densidades diferentes. Quando a radiação atinge a interface entre um 
meio de densidade menor para um meio de densidade maior com um ângulo θ1 com a 
normal, a direção de propagação seguirá um ângulo θ2 com a normal, menor. O desvio se 
afasta da normal quando um feixe passa de um meio mais denso para um menos denso. 
 
3. Ondas eletromagnéticas 
São produzidas por cargas elétricas em movimento muito rápido de vaivém. No 
vácuo todas as ondas eletromagnéticas se propagam com velocidade = 2,998 x 10
8
 m/s. 
Exemplo de onda: rádio, TV, radar, luminosa. Infravermelho, ultravioleta, raioX, 
micro-ondas. 
 
 
 
 
 
 
3.1 Onda plano-polarizada 
 
 
Figura 2: Representação de um feixe de radiação monocromática e plano-polarizada. 
(a) Campos elétrico e magnético em propagação ortogonal. 
(b) Representação bi-dimensional do vetor do campo elétrico. 
λ = comprimento de onda (distância entre 2 máximos) 
f = frequência: é o numero de oscilações (ciclos) completos que a onda faz a cada segundo. 
A unidade de frequência é o segundo recíproco, s
-1
. 
Uma oscilação por segundo também é chamada de Hertz (Hz). 
Logo: f = 10
6
 s
-1
 = 10
6
 Hz ou 1 MHz (1Hz = 1 oscilação/s) 
 
3.2 Relação entre f e λ : frequência e comprimento de onda 
 
C = λ. f C= velocidade da luz no vácuo. 
C= 2,998 x 10
8
 m/s ou 3,0 x 10
8
 m/s 
 
OBS: em outro meio que não o vácuo, a velocidade da luz no meio é dada por: 
V luz (outro meio) = C(vácuo) / n 
 
Onde n= é o índice de refração do meio 
 
 
 
 
Meio material Índice de refração V luz (outro meio) λ outro meio 
Ar 1,0 2,998 x 10
8
 m/s 500 nm 
Água 1,3 2,906 x 10
8 
m/s
 
484 nm 
Glicerina 1,4 2,141 x 10
8 
m/s 357 nm 
Vidro 1,5 1,998 x 10
8 
m/s 333 nm 
Zircônio 1,9 1,578 x 10
8 
m/s 263 nm 
Diamante 2,5 1,199 x 10
8 
m/s 200 nm 
 
Em uma meio qualquer da velocidade da radiação (C) é menor do que no vácuo, em 
virtude da interação do campo eletromagnético com o meio. 
 
3.2 Relação entre energia e frequência. 
Teoria quântica: átomos, íons e moléculas podem existir somente em certos estados 
discretos, caracterizados por uma certa quantidade de energia. Quando uma espécie muda 
seu estado (transição) ela absorve ou emite uma quantidade de energia exatamente igual a 
diferença de energia entre dois estados. 
Quando átomos, íons e moléculas absorvem ou emitem radiação durante uma 
transição de um estado de energia para um outro, a diferença de energia entre os estados 
está relacionado com a frequência. 
Com relação à energia, é mais conveniente pensar na luz como partícula (fótons). 
Cada fóton transporta a energia, E, dada por: E = h f 
Onde h = constante de Planck = 6,626 x 10
-34
 J.s 
 
A energia de um fóton E é proporcional a sua frequência (f). 
Como: 
f = C/ λ e E = hf, substituindo a frequência (f): E = h C/ λ 
 
1 / λ = ΰ que é o numero de onda = m
-1
 ou cm
-1
, metro recíproco ou centímetro recíproco. 
 
Substituindo tem-se: E = h C ΰ 
 
Principais regiões do espectro eletromagnético: 
Região Energia 
(KJ/mol) 
λ 
unidades 
usuais 
λ metros Frequência 
(Hz) 
Transições 
atômicas ou 
moleculares 
Raio X 1,2 x 10
7
 a 
12000 
10
-2
 – 10
2
 Ǻ 10
-12
 – 10
-8
 10
20
- 10
16
 Quebra da 
ligação e 
ionização 
Ultravioleta 12000 – 
310 
10 – 400 nm 10
-8
 – 4 x 10
-7
 10
16
- 10
14
 Eletrônica 
Visível 310 - 150 400 – 750 
nm 
4 x 10
-7
- 
7,5x10
-7 
7,5 x 10
14
 – 
4 x 10
14 
Eletrônica 
Infravermelho 150 – 0,12 0,80 – 1000 
um 
7,5x10
-7
 – 10
-3 
4 x 10
14
- 10
11 
Vibracional 
Micro-ondas 0,12 – 
0,0012 
0,1 – 100 
cm 
10
-3 
- 1 10
11
 – 10
8 
Rotacional 
Ondas rádio < 0,0012 1 – 1000 m 1 - 10
3 
10
8
 - 10
5 
 
 
Um fóton de alta frequência (curto λ) possui uma energia maior do que um fóton de baixa 
frequência (alto λ). 
 Raios X quebram ligações químicas e ionizam moléculas: perigoso 
 UV-visível: excitação eletrônica das moléculas. Promove elétrons do estado 
fundamental para o estado excitado. 
 Infravermelho: estimula a energia vibracional das moléculas 
 Micro-ondas: estimula a energia rotacional das moléculas. 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 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 Amarelo-verde Violeta 
550-580 Amarelo Violeta-azul 
580-620 Laranja Azul 
620-680 Vermelho Azul-verde 
680-780 roxo verde 
A luz branca contém todas as cores do arco-íris 
A cor observada é chamada complementar da cor absorvida 
 
4. Interação da luz com a matéria – Absorção da luz 
 
A absorção de luz (energia) na nomenclatura de espectroscopia é um processo no qual 
uma espécie química em um meio transparente atenua (diminui a intensidade) 
seletivamente certas frequências de radiação eletromagnética. De acordo com a teoria 
quântica, cada partícula elementar (átomo, íon ou molécula) tem um único conjunto de 
estados de energia, o mais baixo dos quais é o estado fundamental. 
Portanto quando uma molécula absorve um fóton a energia da molécula aumenta. Nessa 
situação a molécula é promovida para um estado excitado, se uma molécula emite um fóton 
a energia da molécula diminui. 
OBS: na temperatura ambiente, a maioria das partículas está no estado fundamental. 
 
 
 
 
 _____________________________________ 
 _____________________________________ Estado excitado 
 ______________↑_________↓____________ 
 ___________↑__________________________ 
 ________↑_________________↓___________› Estado fundamental 
 Absorção Emissão 
 
A absorção da luz aumenta a energia da molécula. A moléculaé promovida ao 
estado excitado. A emissão da luz diminui a energia absorvida pela molécula. A molécula 
volta ao estado fundamental. 
Para átomos ou íons no estado fundamental, a energia de um dado estado provém do 
movimento dos elétrons em torno do núcleo positivamente carregado. Como consequência, 
os vários estados energéticos são chamados de estados eletrônicos. Além de apresentarem 
estados eletrônicos, as moléculas também apresentam estados vibracionais quantizados que 
estão associados a energia das vibrações interatômicas e estados rotacionais quantizados 
que provem da rotação das moléculas em torno de seus centros de gravidade. 
 
4.1 Espectrometria de absorção nas regiões do ultravioleta e visível 
Todo analito molecular é capaz de absorver certos comprimentos de onda 
característicos da radiação eletromagnética. Nesse processo, a energia da radiação é 
transferida, temporariamente para a molécula. A consequência dessa transferência é que a 
intensidade da radiação diminui. 
Como isso ocorre experimentalmente? 
A luz proveniente da fonte de radiação passa pelo monocromador ou filtro, onde 
acontece a seleção do comprimento de onda desejado. A luz neste comprimento de onda, 
com intensidade de luz incidente Io, atinge a amostra. Essa amostra está numa cubeta de 
espessura b. A intensidade de luz transmitida do feixe que emerge do outro lado é I. 
Uma parte da luz pode ter sido absorvida pela amostra logo, I< Io. 
Há perdas da luz por reflexão e dispersão durante a passagem de Io para I (intensidade de 
luz transmitida) na amostra (cubeta). 
* Perdas por dispersão na solução pela amostra, podem ser por partículas suspensas, 
proteínas. 
* parte da luz pode ser absorvida pelo material (superfície do vidro) 
* parte da luz pode ser refletida pela superfície da amostra e voltar em direção a fonte 
luminosa. 
Quando a luz é absorvida por uma amostra, a intensidade de luz incidente (Io) do feixe 
luminoso diminui. 
 
Figura 3: experimento em um espectrofotômetro de feixe simples 
 
4.1.1 Transmitância, absorbância e lei de Beer (Beer-Lambert) 
Quando a luz (monocromática) incide sobre um meio homogêneo uma parcela da 
luz (Io) que incide é refletida, uma outra parcela é absorvida no meio e o restante é 
transmitido. 
Lambert: estudou a relação da transmissão da luz (monocromática) e a espessura da camada 
absorvedora. A intensidade da luz emitida diminui exponencialmente com a espessura do 
meio absorvedor. 
Beer: estudou o efeito da concentração do constituinte corado, numa solução sobre a 
transmissão ou absorção da luz. A intensidade de um feixe de luz monocromática diminui 
exponencialmente com a concentração da substancia absorvedora. 
Transmitância T = I / Io 
A transmitância medida no laboratório é a fração da luz incidente que emerge do outro lado 
da amostra. A transmitância varia de 0 a 1: 
Será 0 quando a amostra absorver toda a luz incidente 
Será 1 quando a amostra não absorver nada de luz incidente. 
Transmitância percentual: varia de 0% a 100% 
 T% = (I/Io) x 100 
Exemplo: uma transmitância de 30% significa que 70% da luz não passou através da 
amostra, pois foi absorvida por ela. 
 
Absorbância: A=log Io/I = - log Io/I = - log T 
 A = - log T 
Exemplo: 
Quanto maior a absorbância, menos luz é transmitida através da amostra: 
% T (Transmitância) I/Io (fração da radiação transmitida) A (Absorbância) 
100 1 0 
50 0,5 0,30 
10 0,1 1 
1 0,01 2 
0,1 0,001 3 
 
Porque a absorbância é importante? 
Porque a absorbância é proporcional a concentração das moléculas que absorvem luz na 
amostra, conforme expressa a lei de Beer: 
A = εbC 
Onde: A = absorbância (adimensional) 
 C = concentração da espécie (mol/L) 
 b = caminho ótico ou comprimento do percurso (cm) 
 ε = absortividade molar (L mol
-1
 cm
-1
) constante 
A absortividade molar nos diz o quanto de luz é absorvida em um dado comprimento de 
onda. 
A absorbância é uma medida de intensidade da cor (para espécies que absorvem no visível). 
Quanto mais intensa a cor, maior é a absorbância. 
Para que uma substância possa ser determinada por espectroscopia de ultravioleta e no 
visível, ela tem que absorver radiação eletromagnética e essa absorção deve ser distinguível 
daquela de outras substancias presentes na amostra. Portanto, antes da análise de uma 
amostra por essa técnica precisa-se descobrir o comprimento de onda de máxima absorção. 
Como proceder para encontrar o melhor comprimento de onda? 
1. através de um padrão de referência (do composto a analisar); 
2. encontrar o comprimento de onda de máxima absorção; 
3. traçar uma curva de absorção versus comprimento de onda; 
4. e encontrar o comprimento de onda com máxima absorção. 
 
4.2 Limitações da Lei de Beer 
As condições que devem ser respeitadas para o cumprimento da Lei de Beer são: 
a) luz monocromática, comprimento de onda determinada. 
b) meio homogêneo, ou seja, de igual índice de refração em todas as direções. 
c) ausência de reações indesejáveis entre moléculas do soluto e moléculas do solvente. 
d) soluções diluídas (< 0,01M) 
Em soluções concentradas, as moléculas do soluto influenciam umas às outras como 
resultado de sua proximidade. Quando as moléculas do soluto ficam muito perto umas das 
outras, suas propriedades (incluindo a absortividade molar) mudam um pouco. 
A partir dessas condições é possível deduzir alguns tipos de desvios sofridos pela 
Lei de Beer que, conforme as causas podem ser divididas em dois grupos: desvios químicos 
e desvios instrumentais. 
a) os desvios químicos capazes de provocar variação da concentração da espécie absorvente 
em solução ocorrem devido a: 
* interações química do soluto: em sistemas, como por exemplo Cu
2+
/NH3 ou Fe(III)/ SCN
-
pode formar-se mais do que um complexo, e em geral, complexos diferentes têm 
absortividade diferentes. 
* mudanças do índice de refração com a concentração. 
*variações no pH. 
Na solução aquosa de dicromato de potássio existem três espécies absorventes: o 
Cr2O7
-2
, HCrO4
-
 e o Cr2O4
-2
, que dependem do pH conforme o equilíbrio: 
Cr2O7
-2
 + H2O ↔ 2 HCrO4
-
 + 2H
+
 + 2 Cr2O4
-2
 
 Cor laranja (350,4 nm) Amarelo (373 nm) 
* pureza e estabilidade dos reagentes. 
*temperatura na qual se forma a cor. 
b) haverá desvios instrumentais quando ocorrer: 
* uso de radiação policromática. 
* uso de tubos de vidro comuns ao invés daqueles especialmente fabricados para o 
instrumento. 
*poeira no sistema. 
 
4.3 Características gerais de um instrumento de UV-Visível 
Os instrumentos espectroscópicos comuns têm cinco componentes: 
a) Fonte de radiação: 
Requisitos para a fonte de energia radiante: 
* Emitir uma radiação contínua que contenha todos os comprimentos de onda dentro da 
faixa espectral de interesse (200 a 800 nm). 
* Fornecer um feixe de luz com potência radiante suficiente para permitir a sua detecção. 
* Precisa ser estável e a intensidade do feixe deve se manter constante no decorrer das 
medidas 
 
b) Seletores de comprimento de onda 
Dois tipos de seletores de comprimento de onda são empregados: filtros e 
monocromadores. 
* filtros: 
- podem ser baseados no princípio de interferência construtiva ou destrutiva das ondas ou 
também filtros de absorção, que isolam determinado comprimento de onda, por absorção 
dos demais, são mais baratos. 
- o mais simples é o de vidro colorido, no qual as espécies coloridas absorvem uma grande 
porção do espectro e transitem outra porção do espectro. 
* monocromadores 
-dispositivo que dispersa a luz proveniente da fonte em diversos comprimentos de onda 
permitindo isolar uma banda de comprimento de onda geralmente muito mais estreita que a 
obtida por um filtro. O monocromador é formado por um elemento de dispersão, que pode 
ser um prisma ou uma rede de reflexão, e duas fendas estreitas que sevem como entrada e 
saída de radiação.c) Recipiente para conter a amostra 
Normalmente empregam-se cubetas de vidro ou quartzo. A cubeta mais utilizada é a de 
1,0 cm. Existem, porém, cubetas de 0,1 cm a 10 cm, dependendo da necessidade da análise. 
As cubetas para a região visível podem ser de vidro (ou de plástico transparente no caso de 
soluções aquosas), mas para a região abaixo de 330 nm precisam ser utilizadas cubetas de 
quartzo ou de sílica fundida. 
 
 
Figura 4: cubetas 
As células mais empregadas são as células retangulares de 1 cm: são células simples que 
pode-se encher manualmente. 
Cuidados: 
Impressões digitais, gordura ou outros depósitos nas paredes alteram significativamente as 
características de transmissão de uma célula. 
A limpeza é feita com uma mistura de água e acetona. A qualidade dos dados de 
absorbância depende fundamentalmente do modo com as células são mantidas. Células não 
podem ser secas em estufa, pois pode haver mudanças no caminho óptico. 
 
 
 
 
4.3.4 Detector de radiação 
O detector é a parte do equipamento que recebe a energia radiante transmitida através 
da solução e transforma em energia elétrica. Os tipos de detectores usados são de fototubo e 
fotomultilplicador 
 
4.3.5 Processador e um dispositivo de saída. 
Dispositivos utilizados para a medida do sinal podem ser simples mostradores analógicos 
ou digitais. Atualmente, a maioria dos espectrofotômetros, possuem computadores 
acoplados com programas especiais próprios para o tratamento dos dados obtidos nas 
análises espectrofotométricas. 
 
4.4 Tipos de instrumentos: 
 
Instrumentos de feixe único 
Num espectrofotômetro de feixe simples a amostra e a referência devem ser 
colocadas alternadamente no feixe, para medidas em vários comprimentos de onda, a 
referência deve ser lida em cada comprimento de onda. 
 
Instrumentos de feixe duplo 
 Em um espectrofotômetro de feixe duplo, a luz passa alternadamente pelas cubetas 
da amostra e de referência, direcionada por um motor que gira um espelho para dentro e 
para fora do caminho da luz. Quando o divisor rotatório não está desviando o feixe, a luz 
passa pela amostra, e o detector mede a energia radiante que chamamos de I. Quando o 
alternador desvia o feixe para a cubeta de referência, o detector mede I0. O feixe é desviado 
várias vezes por segundo, e o conjunto de circuitos compara automaticamente I e I0 para 
obter a transmitância e a absorbância. 
 
Figura 5: esquema de um instrumento de feixe único (a) e instrumento de feixe duplo (b) 
 
4.5 Aplicações da Espectrometria de absorção molecular no UV-Visível. 
A espectrometria de absorção molecular no UV-Visível é uma das ferramentas mais 
úteis e amplamente usadas para análise quantitativa. Algumas das aplicações dessa técnica 
são as determinações diretas de espécies orgânicas e inorgânicas coradas ou convertidas em 
espécies coradas. Exemplo: Fe, Co, Mn, Mo, SCN
-
, I
-
, entre outros. 
Metodologia Analítica: 
a)protocolo de condições de análise: 
- seleção do comprimento de onda 
-estudo de variáveis: como a natureza do solvente, pH, temperatura, presença de 
interferentes. 
-limpeza e manutenção das células 
b) curva de calibração 
-preparação de padrões (cobrir a faixa de concentrações) 
- composição real da amostra. 
 
 
4.6 Aplicação da Lei de Beer a Misturas 
 
A Lei de Beer também se aplica a um meio que contem mais do que um tipo de 
substância absorvente. Desde de que não haja interação entre as várias espécies, a 
absorbância total de um sistema multicomponente é dada por: 
Atotal = A1 + A2 + ...........+ An 
Onde: 1,2,....., n, referem-se aos componentes absorventes. 
 
4.6.1 Determinação espectrofotométrica simultânea 
A determinação espectrofotométrica simultânea de dois componentes, com curvas 
de calibração sobrepostas, tem como base o fato de cada centro absorvente atua 
independentemente sobre a radiação. Em outros termos, cada íon ou molécula absorvente, 
absorve uma quantidade de energia radiante que não é afetada pelos seus vizinhos. Isso 
significa que a Lei de Beer pode ser estendida a mistura de vários componentes. 
Seja um sistema com dois componentes, 1 e 2, a absorbância total, para um certo 
comprimento de onda é: Atotal = A1 + A2 + ...........+ An 
Atotal = ε1 b c1 + ε2 b c2 +........+ εn b cn 
Se b, a espessura da cubeta, que contem os dois componentes absorventes é 
constante e igual a 1 tem-se: Atotal = ε1 c1 + ε2 c2 
As absortividades molares podem ser determinadas, experimentalmente, a partir de 
soluções-padrão individuais dos componentes 1 e 2. 
Para que se possa determinar as concentrações desconhecidas, são necessárias duas 
equações, medindo-se a absorbância para dois comprimentos de λ1 e λ2. Assim: 
Aλ1 = (ε1)λ1 c1 + (ε2)λ1 c2 
Aλ2 = (ε1)λ2 c1 + (ε2)λ2 c2 
Através do sistema de equações, pode-se encontrar a concentração para cada 
componente: 
c1 = (ε2)λ2 Aλ1 - (ε2)λ1 Aλ2 
 (ε1)λ1(ε2)λ2 - (ε2)λ1(ε1)λ2 
 
c2 = (ε1)λ1 Aλ2 - (ε1)λ2 Aλ1 
 (ε1)λ1(ε2)λ2 - (ε2)λ1(ε1)λ2 
Nenhum dos dois comprimentos de onda deve, necessariamente, coincidir com o 
máximo de absorção de qualquer um dos componentes. 
 
Bibliografia 
 
* Fundamentos de Análise Instrumental – Ohlweiler O. A., Editora: LTC 
* Princípios de Química Analítica –Skoog D., West D.e Holler F., Editora: Bookman 
*Análise Química Quantitativa – Harris, D., Editora: LTC 
* Análise Instrumental – Cienfuegos F. e Vaitsman D., Editora: Interciência