Radiação eletromagnética

Prévia do material em texto

Radiação eletromagnética 
FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA 
CURSO TÉCNICO DE QUÍMICA 
DISCIPLINA: Análise Química II 
PROFESSORA: Fabrina Bentlin 
 
Radiação eletromagnética e sua interação 
com a matéria 
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. 
Propriedades da radiação eletromagnética 
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. 
 
A teoria que descreve melhor os fenômenos da interação da luz com a 
matéria, faz uso da mecânica quântica (dualidade onda-partícula). 
 
A luz se comporta como: 
 
Onda: em fenômenos como difração, reflexão, refração, interferência. 
Partícula: em fenômenos como absorção e emissão de energia 
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°). 
Difração: processo que ocorre em um feixe paralelo de 
radiação quando passa por uma fenda ou orifício. 
Refração: é observada quando a radiação atravessa, com um 
dado ângulo, uma interface entre dois materiais de 
densidades diferentes. 
 
O desvio se afasta da normal quando um feixe passa de um 
meio mais denso para um menos denso 
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 = 106 s-1 = 106 Hz ou 1 MHz (1Hz = 1 oscilação/s) 
Relação entre ν e λ : frequência e comprimento de onda 
 
C = λ. f C= velocidade da luz no vácuo. 
C= 2,998 x 108 m/s ou 3,0 x 108 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 
Em um meio qualquer da velocidade da radiação (C) é 
menor do que no vácuo, em virtude da interação do campo 
eletromagnético com o meio. 
 
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 (v). 
 
Como: 
f = C/ λ e E = hv, substituindo a frequência (v): 
E = h C/ λ 
1 / λ = ʋ que é o numero de onda = m-1 ou cm-1, metro 
recíproco ou centímetro recíproco. 
Substituindo tem-se : E = h C ʋ 
Região Energia 
(KJ/mol) 
λ 
unidades 
usuais 
λ metros Frequência 
(Hz) 
Transições 
atômicas ou 
moleculares 
Raio X 1,2 x 107 a 
12000 
10-2 – 102 Ǻ 10-12 – 10-8 1020- 1016 Quebra de 
ligação e 
ionização 
Ultravioleta 12000 – 
310 
10 – 400 
nm 
10-8 – 4 x 10-7 1016- 1014 Excitações 
eletrônicas 
Visivel 310 - 150 400 – 750 
nm 
4 x 10-7- 
7,5x10-7 
7,5 x 1014 – 
4 x 1014 
Excitações 
eletrônicas 
Infravermel
ho 
150 – 0,12 0,80 – 
1000 um 
7,5x10-7 – 10-
3 
4 x 1014- 1011 Vibrações 
moleculares 
Micro-ondas 0,12 – 
0,0012 
0,1 – 100 
cm 
10-3 - 1 1011 – 108 Rotações 
moleculares 
Ondas rádio < 0,0012 1 – 1000 m 1 - 103 108 - 105 
Principais regiões do espectro eletromagnético 
 
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 
Tabela Cores da luz visível 
A luz branca contém todas as cores do arco-íris 
A cor observada é chamada complementar da cor absorvida 
Interação da luz com a matéria 
 Absorção e emissão 
Fonte: Rev. Bras. Ensino Fís. vol.34 no.2 São Paulo Apr./June 2012 
https://www.google.com.br/url?sa=i&url=http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1806-11172012000200015&psig=AOvVaw3Ry1_WrwidXkfOrNrhwxYN&ust=1586355427711000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCOCBkuDA1ugCFQAAAAAdAAAAABAJ
Transmitância, Absorbância e Lei de Beer 
 
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. 
 
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 
 
Absorbância: é a medida de energia que foi absorvida 
A=log Io/I = - log Io/I = - log T 
 
A = - log T 
 
Quanto maior a absorbância, menos luz é transmitida através da amostra 
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. 
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. 
A partir dessas condições é possível deduzir alguns tipos de 
desvios sofridos pela Lei de Beer: 
 
a) os desvios químicos capazes de provocar variação da 
concentração da espécie absorvente em solução ocorrem devido a: 
* interações química do soluto: 
*mudanças do índice de refração com a concentração. 
*variações no pH. 
* 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. 
 
Espectrometria de absorção nas 
regiões do ultravioleta e visível 
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). 
Características gerais de um instrumento de UV-Visível 
 
Osinstrumentos espectroscópicos comuns têm cinco componentes: 
 
1.Fonte de radiação: Emitir uma radiação contínua que contenha todos os 
comprimentos de onda dentro da faixa espectral de interesse (200 a 800 nm). 
As fontes de radiação mais usadas na região do UV são o tubo de descarga de 
hidrogênio, a lâmpada de deutério e lâmpada de filamento de tungstênio. 
 
2 Seletores de comprimento de onda: Dois tipos de seletores de comprimento 
de onda são empregados: filtros e monocromadores. 
 
3. 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 : cubetas de quartzo 
 
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. Células não podem ser 
secas em estufa, pois pode haver mudanças no caminho óptico. 
 
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. 
 
5. Processador e um dispositivo de saída. 
Dispositivos utilizados para a medida do sinal podem ser simples mostradores 
analógicos ou digitais. A maioria dos espectrofotômetros, possuem computadores 
acoplados com programas especiais próprios para o tratamento dos dados.20 
 
Aplicações da Espectrometria de absorção 
molecular no UV-Visível 
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. 
Cálculo equação de reta 
 
y = ax + b 
 
a= coeficiente angular 
b= coeficiente linear 
 
a = n(Σxy) - Σx Σy 
 n(Σx2) – (Σx)2 
 
b = y – a x 
Determinação espectrofotométrica simultânea 
 
 
A determinação espectrofotométrica simultânea de dois componentes, tem como base o 
fato de cada centro absorvente atua independentemente sobre a radiação. 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