Aspectos experimentais de espectroscopia UV-Vis

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Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações
Cores complementares: Combinação aditiva (branco) ; combinação 
subtrativa (cinza ou preto). 
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Equações Básicas
A espectroscopia Uv-Vis é baseada na 
equação de Bohr-Einstein:
∆E = E2 – E1 = hνννν; νννν = c/λλλλ
Onde E2 , E1 , h, c , νννν e λλλλ referem-se aos níveis
de energia (fundamental e excitado), constante
de Plank, velocidade de luz, frequência e
comprimento de onda respectivamente.
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Lei de Lambert-Beer e Sua Aplicação 
Absorbância = A = log (Io / I)λλλλ ; 
%T (transmitância) = (I / Io) x 100
A = log (100 / %T )λλλλ = εεεελλλλ x c x l
Onde εεεελλλλ = Absortividade molar, c = concentração
molar, l = comprimento do caminho ótico em cm.
Assim, (A) não tem unidade, e a unidade de εεεελλλλ é
L mol-1 cm-1.
3
A razão de usar a absorbância e não a % transmitância é que a
última escala não é linear no comprimento do caminho óptico.
4
Correlação Entre a Estrutura Molecular e Absorção
O comprimento de onda da banda, λmax, depende
inversamente sobre ∆E (maior ∆E, menor λmax)), este
depende dos elétrons e os orbitais envolvidos
Energia das diferentes transições
5
A seguir os valores mínimos (práticos) de uso de
alguns solventes (grau espectroscópico) no Uv-Vis (A =
0,6 em cela de 1cm; contra água como referência).
O ponto importante nesta Tabla é a correlação elétron
envolvido/energia do orbital antiligante/valor de λmax.
Solvente λλλλ mínimo,
nm
Solvente λλλλ mínimo,
nm
Hexano/ 
heptano
200 CH3CN 213
Dietil éter 205 CH2Cl2 233
Etanol puro 207 DMSO 270
i-Propanol 209 Benzeno 280
Metanol 210 Piridina 306
Ciclo-
hexano
212 Acetona 331
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Vocabulário de Uv-Vis: Posição e Intensidade 
dos picos
Cromóforo: Um grupo insaturado covalente,
responsável pela absorção eletrônica (ex: C=C; C=O,
NO2).
Grupo cromóforo Composto λλλλmax; nm
-C=C- H2C=CH2 180
Anel aromático Benzeno 255
-C=O Acetona 277
-N=N- Me-N=N-Me 347
-C=S Me2C=S 400
-N=O C4H9N=O 665
Valores de λmax de grupos cromóforos típicos
A conjugação de cromófores aumenta λλλλmax e εεεεmax
Composto λλλλmax, 
nm
εεεεmax, Lmol-
1 cm-1
λλλλmax, 
nm
εεεεmax, Lmol-1
cm-1
H2C=CH2 180 10000
H2C=CH-CH=CH2 217 210000
H2C=O 180 10000 273 12
H2C=CH-CH=O 217 160000 321 20
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Efeito da conjugação sobre ∆∆∆∆E e λλλλ
8
Relação entre o numero de duplas ligações, n, e
valores de λmax na molécula CH3-(CH=CH)n-CH3
9
Amarelo de alizarine
Vermelho de Congo
Auxocromo: Um grupo saturado que, quando
ligado a um cromóforo, altera tanto λmax, como εmax.
Importância para os corantes 
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Deslocamento Batocrômico: desclocamento de λλλλmax para
valores maiores, em relação a um composto de referência ou
de partida. Também chamado deslocamento para o
vermelho.
Deslocamento Hipsocrômico: deslocamento de λλλλmax para
valores menores , em relação a um composto de referência
ou de partida. Também chamado deslocamento para o azul.
Efeito Hipercrômico: É um aumento da intensidade da
absorção
Efeito Hipocrômico: É uma diminuição da intensidade da
absorção.
O efeito de auxocromos foi estudado extensivamente em
sistemas orgânicos; observou-se a ordem:
O- > NHMe > NH2, OH > Cl > CH3 > NH3
+ , H
Esta ordem de (G) concorda (aproximadamente) com que
sabemos sobre reações de substituição SEAr em G-Ph?
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Instrumentação
As partes básicas de um espectrometro dispersivo de Uv-Vis-
NIR (um λ por vez) são: Fontes de radiação; Monocromador;
Compartimento de amostra; Detector de absorção; Saída
(Impresso em papel; Digital; Display no monitor).
As fontes são: Uv lâmpadas de H2 ou D2; Vis lâmpada de
tungstênio (perda de W por evaporação; perda de intensidade
devido ao W ppt na parede do bulbo), lâmpada de halogênio
(vapor de I2).
Detectores: Uv-Vis = fotomultiplicadora; NIR = diodos de PbS e
PbSe.
Os espectrometros podem ser:
Mono-feixe: Onde a referência (solvente, ar) e a amostra são
lidas em seqüência a cada medida. Os aparelhos mono-feixe,
controlados por CPU armazenam a leitura do branco na
memória, e comparam a mesma com a a série de leituras
realizadas (Zeiss).
Feixe duplo: A amostra e a referência são comparadas o tempo
inteiro (Shimadzu).
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Espectrômetros Dispersivoa: Mono feixe
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Espectrômetros Dispersivo: Duplo 
Feixe
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A mono-cromação da luz foi feita com prismas, mais tarde com 
grades de difração, cujo poder de resolução é dado por:
Resolução = λ/∆λ
Onde λ e ∆λ são o comprimento de onda e o poder de resolução.
Assim, para λ = 500 nm, e ∆λ = 0.5 nm, o valore de resolução é
1000. A resolução depende de conjunto de parâmetros
operacionais, velocidade de varredura (nm / min); a largura da
fenda (mm) por onde a luz passa, e o valor de ∆λ. Obtem-se
espectros com maior resolução usando varredura lenta, fenda
pequena e valor baixo de ∆λ.
Existem equipamentos que irradiam a amostra com a faixa
desejada inteira de λ e usam uma rede de foto-diodos (1024
elementos, 0,5 x 25 mm) de silício (diode array), cada
programado para “ler” uma faixa pequena de λ (HP). A luz
incidente sobre o material semicondutor gera corrente, que
descarrega um capacitor ligado. A carga necessária para
recarregar o capacitor depende da intensidade de luz incidente.
Espectrômetros com Rede de Diodos
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O equipamento é mais simples, pois não há grade ou
parte mecânica móvel (para dispersão da radiação);
Ganha-se bastante no tempo para tirar um espectro
(aspecto positivo para um sistema dinâmico); a
resolução pode ser menor que o dispersivo; a perda
de um, ou mais elementos implica na troca do
conjunto inteiro (caro) de foto-diodos.
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CELAS: MATERIAIS e TIPOS
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Aplicações
1- Determinação Quantitativa
Baseia-se na aplicação da lei de Lambert-Beer. Constrói-se um
gráfico entre a [substância] e a absorção de sua solução. Este é
usado para determinar a concentração desconhecida desta
substância, por exemplo, numa mistura.
Da equação (A = ε x C x l) a relação entre A e C deve ser linear.
Entretanto, há situações onde os gráficos mostram desvios da
linearidade, devido a problemas com a amostra (i a iv), ou de
origem instrumental (v a vii).
Problemas com a amostra
(i) Equilíbrios que dependem da concentração (ex: dimerização;
agregação); do pH do meio, etc;
(ii) Soluções concentradas (ca. > 0,01 mol/L) onde as interações
inter-moleculares; ou dos íons presentes mudam a
distribuição da carga das espécies que estão sendo seguidas,
conseqüentemente o valor de ε.
(iii) Em muitos casos, a banda de absorção é larga, dificultando a
determinação exata da λmax e, consequentemente, (A). Neste
caso, opta-se para usar as derivadas do espectro.
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(iv) Reações secundárias foto-catalisadas
Por exemplo, a foto-oxidação de fenóis para
quinonas (na cinética, o valor de A aumenta o
tempo todo, sem alcançar infinito);
descoramento (bleaching) de corantes.
Estes problemas são mais graves no caso de
usar equipamento com rede de diodo pois a
amostra está sendo irradiada todo o tempo
pela faixa inteira da luz (maior chance de
oxidação)
Soluções: Usar equipamento dispersivo onde a
amostra é irradiada pela luz com λ adequada;
saturar a solução e cela com gás inerte; usar
equipamento de rede de diodos que irradia a
amostra somente na hora de fazer a leitura
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A = ελ x c x l (Sem derivada)
∂A/∂λ = c x l x ∂ ελ/ ∂λ (Primeira derivada)
∂2A/∂λ2 = c x l x ∂2 ελ/ ∂λ
2 (Segunda derivada)
Assim, no máximo de absorção do espectro a primeira
derivada = 0, e a segunda derivada tem valor mínimo. Os
espectros das derivadas auxiliam, por exemplo, na localização
dos máximos de absorção de bandas largas, e na resolução de
picos sobre-postos (ombros).
Vantagens e limitações no uso das derivadas:
Redução na largura da banda (Gaussiana) de 100% (0) → 53%
(1ª ) → 41% (4ª), com aumento de resolução.
Derivadas de ordem par geram artefatos (satélites) que podem
interferir nas bandas vizinhas.
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Problemas de origem experimental
(v) O equipamento está descalibrado (λmax e,
consequentemente (A) não estão corretos).Solução: Usar padrão (filtro ou solução)
Espectro de padrão Didymium glass filter 23
(vi) Relação entre a largura de fenda, resolução, e (A)
Dois picos são considerados “resolvidos” se o mínimo
entre eles está a 80% da intensidade máxima (Raleigh). A
resolução depende da largura da fenda.
Para espectros com estrutura fina, a largura de fenda
(LF, nm) empregada pode afetar o valor de (A),
conseqüentemente, a qualidade do espectro, e a
linearidade da lei de Beer. A seguir são os efeitos da
razão LF/largura da banda (LB) sobre o fator de
absorção, FA (FA < 1 = falso resultado)
LF/LB 0,1 0,25 0,5 1,0 1,5
FA 1,0 0,96 0,87 0,66 0,55
Ou seja, é necessário trabalhar com LF/LB < 0,1. 24
Efeito da largura da fenda sobre a resolução do 
espectro de vapor de benzeno 
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Problemas com as Determinações Quantitativas
Mesmo para amostras que obedecem a lei de Beer, há
problemas (intrínsecos) nas medidas de (A) pois, tanto λmax,
como εmax dependem dos elétrons presentes na molécula, e do
orbital anti-ligante de excitação:
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i-Absorção Fraca da solução:
As soluções deste problema são a seguir, dependem se 
poder, ou não mudar o volume da solução: 
(i) Usar cela de caminho ótico maior (l varia de 0,1 a 10
cm). Vantagem: a concentração não foi mudada;
Problemas: Precisa bastante volume de amostra, se
não tiver mini-, ou micro-celas; muitos equipamentos
tem porta-amostra somente para cela de 1 cm.
(ii) Concentrar a solução: Evaporação e medida; Extração,
ex: por solvente orgânico, seguida por evaporação e
medida. Limitações: Amostras termo-sensíveis;
solubilidade no solvente empregado.
(iii) Aumentar a absorbância por complexação, e/ou 
derivatização do analito. Problema: pode perder o 
analito.
Exemplos:
As absorções de íons metálicos podem ser aumentadas
pela transformação em produtos coloridos via
complexação com compostos orgânicos de estrutura
adequada, por exemplo:
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Alguns compostos absorvem fortemente. Exemplos são os
alcenos conjugados para os quais λmax e εmax, para a
transição π→π* são: 193, 217, 253 nm e 10000, 21000, e
50000 L mol-1 cm-1., respectivamente.
Outros têm absorção fraca, devido, por exemplo a
transição n→π* (εmax = 13, 17 para acetona e acetaldeído,
respectivamente).
Calcular a concentração de CH3CHO que pode ser
determinada, a saber:
Caminho ótico = 1 cm; εmax = 17; (A) desejado > 0,2.
Calcular a mesma concentração para a 2,4-dinitrofenil
hidrazona correspondente, sob as mesmas condições,
sendo λmax = 383 nm; εmax= 27600.
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A situação mais simples (A) é de dois componentes que
absorvem em λmáx bem afastados Exemplo: azul de timol,
que apresenta formas ácidas e básicas de cores bem
distintas (amarela e azul, respectivamente).
Em outras situações (B a D), os componentes da mistura
absorvem na mesma faixa espectral, embora com λmax e εmax
diferentes (vide espectro abaixo)..
Análise dos espectros de nitrofenóis, mostrando os isômeros 
orto (.....), meta (---), para (- . - . - ) e a mistura dos três ( ___ ).
Análise de sistemas multi-componentes
ORTO
META
PARA
MISTURA
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A absorbância da mistura é dada por:
A = C1 εmax1+ C2 εmax2 + C3 εmax3+............ n 
A composição de mistura de (n) componentes pode ser
determinada se: (i) Foram feitas medidas em (n) valores
diferentes de λ; (ii) Os valores das absortividades
molares dos componentes da mistura em cada λ são
conhecidos; (iii) A lei de Lambert-Beer se aplica, sendo
as absorbâncias dos componentes são aditivas; (iv)
Não há interação entre os componentes, ou entre os
solutos e solvente (conseqüências de interações?).
Ponto Isosbético: Outro problema é quando a absorção
do sistema depende do pH, como a solução
cromato/dicromato, usado para calibrar os
espectrômetros: Cr2O72- + H2O ⇄ 2 CrO4- + 2 H+
Aumento de pH de 2 para 10 causa λmax 350 → 375nm,
A → ≈ 3 A. Soluções: Tamponar o meio, ou usar
soluções não tamponadas e medir (A) no ponto
isosbéstico (somente depende da concentração)..
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Uso do ponto isosbéstico para fins mecanísticos
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2- Determinação de pKa de um ácido fraco
Para o equilíbrio : BH + H2O � B + H3O
+, temos para l
= 1 cm
Co = CBH + CB (1)
Aexp = CBH εBH + CB εB (2)
Equações (1) e (2) podem ser manipuladas para
CB = (Aexp - Co εBH ) / ( εB- εBH )
CBH = (Co εB - Aexp) / (εB - εBH )
Para soluções diluídas, a constante de equilíbrio pode
ser dada em termo das concentrações (γ = 1) e
absorbâncias, como:
Ka = {(Aexp - Co εBH ) / (Co εB - Aexp)} aH3O+
e o pKa é determinado pela equação de Hendersson-
Hasselbach
pKa = log {(Aexp - Co εBH ) / (Co εB - Aexp)} + pH
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Dependência do espectro de absorção de 4-nitrofenol
sobre o pH do meio. pKa = 7,16. Obs:
A experiência consiste em determinar as absorbâncias
das soluções em função do pH do meio. Exemplo: 4-
nitrofenol.
Ponto
isosbéstico
Os valores de εHA e εA- são obtidos medindo-se as
absorbâncias do composto na mesma concentração
(conhecida) em pH muito ácido e muito básico,
respectivamente.
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Estudo quantitativo de CTC
Para o complexo 1:1 entre um doador (D) e receptor
de elétrons (A), formado em soluções diluídas, para l
= 1cm, temos:
KDA = CDA / (CoD - CDA ) (CoA - CDA )
Aequilíbrio=Ae = εD(CoD - CDA )+εA(CoA - CDA ) +εDA CDA
Onde o subscrito (o) refere-se a concentração inicial.
Se usamos CoD >> CoA, ou seja CoD + CoA >> CDA , e
se os componentes A e D não absorvem na λmax do
DA, temos a equação de Benesi-Hildbrand:
(CoA CoD ) / Ae = (1/ KDA εDA ) + (1/ εDA ) CoD
Fixa-se [receptor] e aumenta-se [doador]. Do gráfico
de (CoA CoD )/ Ae versus CoD obtém-se (1/ εDA) do
coeficiente angular e KDA do coeficiente linear, como
mostram as Figuras a seguir para o complexo entre
tetrametil-p-hidroquinona (D) e tetracloro-p-
benzoquinona (A). 35
Espectros de [D] = 1,03 – 12,4 x10-2 mol L-1, 
[A] = 9,7 x 10-4 mol L-1
Aplicação da Equação de Benesi-Hildbrand.
εεεεAD = 2580 l mol
-1cm-1; K = 2,15 l mol-1
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Uso de solvatocromismo : 
Análise quantitativa sem 
gráfico de Beer
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Bioetanol-gasolina Bioetanol-água
El Seoud et al, J. Chem. Educ. 88, 1293 (2011); 
Chem. Educ. Res. Pract, 13, 147 (2012) 
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Cafeína Teobromina 
Teofilina 
: 
As metilxantinas cafeína, teobromina (pKa 9,9) e teofilina (pKa 8,8)
apresentam as seguintes estruturas moleculares:
E1% 1cm
Cafeína 519
Teobr. 
55
0
Teofil.
53
0 
39
40
SEMINÁRIOS - RESULTADOS
AVALIADO
R
DATA TEMA
GRUPO
S
NOTA 
Parcial
Média
05/ab
r P.A + cinética DCA G1+G2 7.6
Média
12/ab
r P.A + cinética DCA G3+G4 7.9
Média
19/ab
r
Corante + cinética 
CDNF G1+G2 8.4
Média
26/ab
r
Corante + cinética 
CDNF G3+G4 8.1
Média
03/m
ai FTIR sólidos + ATR G1+G2 9.0
Média
10/m
ai FTIR sólidos + ATR G3+G4 8.5
Média
17/m
ai
FTIR líquidos 1 + 
Raman G1+G2 8.0
AVALIADO
R
DATA TEMA
GRUPO
S
NOTA 
Parcial
Média 08/mar Corante 3 e 4 8.3
Média 08/mar
Clorofil
a 1 e 2 7.2
Média 22/mar T1 3 6.5
Média 22/mar T2 4 7.3
Média 05/abr T1 1 8.5
Média 05/abr T2 2 6.5
Média 12/abr T3 3 7
Média 12/abr T4 4 6.3
Média 19/abr T3 1 7.5
Média 19/abr T4 2 6.5
Média 17/mai T5 1 8.15
Média 17/mai T6 2 7.9
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