Métodos espectromicos

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Avaliações:
Serão aplicadas duas provas (P1 e P2), dois testes 
(T1 e T2) e um seminário (S1), totalizando 10 
(dez) pontos distribuídos. O aluno que obtiver 
nota parcial ( NP) ≥ 7estará aprovado. Caso 
contrário, o aluno fará uma prova final ( PF). A 
nota final ( NF) é igual a média das notas 
obtidas na prova final e sua nota parcial. Se 
NF ≥ 5 estará aprovado. 
1
O aluno que obtiver freqüência inferior a 75% das aulas previstas estará 
reprovado por falta, independente de suas avaliações. 
O aluno que faltar em uma das provas ou teste, fará a prova final, de 
todo o conteúdo da disciplina, para reposição da avaliação perdida.
EMENTA 
• Espectroscopias Atômicas e Moleculares (Abs, 
Emissão e Fluorescência) UV-VIS, IV e RMN.
• Espectrometria de Massas. 
• Mecanismos de separação em Cromatografia 
Líquida. Cromatografia Líquida de Alta 
Eficiência e Cromatografia Gasosa.
• Análise Térmica (TG; DTA; DSC). 
• Avaliação de resultados.
2
3
Introdução aos Métodos
Espectroscópicos
Prof. Aloísio J.B. Cotta
e-mail:
acotta@ceunes.ufes.br
CAPÍTULOS 24, 25 e 26
Fundamentos de Química Analítica
Autor: Skoog, 2004, 8ed.
Introdução aos Métodos Espectroscópicos
• Os métodos espectroscópicos de análise são
baseados na medida e interpretação da
quantidade de radiação produzida ou
absorvida pelas moléculas, íons ou espécies
atômicas de interesse.
• Os métodos espectroscópicos são
classificados de acordo com a região do
espectro eletromagnético usada.
raios g, os raios X, ultravioleta (UV), visível (Vis), 
infravermelha (IV), microondas e 
radiofreqüência (RF).
Os métodos espectroscópicos ópticos envolvem a radiação 
UV, visível ou infravermelha.
6
O espectro eletromagnético
1 nanômetro = 1x10-9m
E=h.f
7
8
9
PROPRIEDADES DA RADIAÇÃO 
ELETROMAGNÉTICA
• A radiação eletromagnética é uma forma de energia
que é transmitida através do espaço a velocidade de
3x108m/s para ar ou vácuo.
• Não requer nenhum meio de suporte para a sua
transmissão.
• A radiação eletromagnética pode ser descrita como
uma onda com propriedades como comprimento de
onda, freqüência, velocidade e amplitude.
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Propriedades ondulatórias
A radiação eletromagnética é uma 
oscilação, em fase, dos campos elétricos e 
magnéticos. As oscilações são 
perpendiculares entre si e são 
perpendiculares à direção do movimento 
da onda.
O campo elétrico para uma dada 
freqüência oscila de forma senoidal no
espaço e no tempo. Este é representado 
como um vetor cujo comprimento é 
proporcional à intensidade do campo.
11
12
A freqüência da onda de luz é determinada pela fonte
que a emite e permanece constante
independentemente do meio que esta atravessa.
Em contraste, a velocidade, v, da frente de onda que
atravessa um meio depende de ambos o meio e a
freqüência.
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Observe que ambos, a velocidade e o comprimento 
de onda, dependem do meio
v = f.λ e E=h.f
para o vácuo ou para o ar
Velocidade = freqüência.comprimento_de_onda const. de Plank (h) = 6,63x10-34 j.s
Sabendo que a energia de ligação do O2 é de 494 kJ/mol. Qual o
comprimento de onda da radiação capaz de quebrar a
molécula de O2?, em qual faixa do espectro esta se localiza?
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Resposta: Lig dupla = 2.494x103/6,02x1023 = 
Energia por ligação = 1,64x10-18 J
E = h.f ..... 1,64x10-18 = 6,63x10-34.f 
Freq.da radiação com dada energia f = 2,48x1015 Hz
c = f.λ ..... 3x108 = 2,48x1015.λ
λ= 1,21x10-7 m ou 1,21x10-7.109 = 121 nm.
E se fosse para quebrar apenas uma lig, qual o λ?
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA
• Os tipos de interação mais importantes em 
espectroscopia envolvem transições entre 
diferentes níveis energéticos quantizados das 
espécies químicas.
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Rotação Vibração
Medidas Espectroscópicas
• A amostra é geralmente estimulada aplicando-
se energia na forma de calor, energia elétrica,
luz ou partículas.
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A intensidade da
radiação absorvida
ou emitida é (sob
certas condições)
proporcional a
concentração do
analito na amostra.
Níveis de energia (Ex)
• Na espectroscopia de emissão, medimos a
quantidade de luz (fótons) que é emitida após a
excitação do analito.
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Espectroscopia de EMISSÃO
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Espectroscopia de ABSORÇÃO
• Na espectroscopia de absorção, medimos a
quantidade de luz absorvida (ou consumida) para
excitar o analito.
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Espectroscopia de ABSORÇÃO
Espectroscopia de absorção na 
região UV-Vis do espectro
• A lei de absorção (Lei Beer-Lambert ou Beer).
À medida que a luz atravessa um meio contendo um analito
que absorve, ocorre um decréscimo de intensidade na
proporção que o analito é excitado.
Para uma solução do analito de dada concentração, quanto
mais longo for o comprimento do caminho do meio através
do qual a luz passa, mais centros absorventes estarão no
caminho, e maior será a atenuação. Também, para um
dado caminho óptico, quanto maior for a concentração de
absorventes, mais forte será a atenuação.
20
21
radiação
monocromática
espessura
Transmitância (T)
T =P/P0
Absorbância
• A absorbância (A) de uma solução está
relacionada com a transmitância de forma
logarítmica.
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radiação
monocromática
espessura
Transmitância (T)
T =P/P0
Vogel 1989 Quantitative Chemical Analysis 5ed
Lei de Beer
• A absorbância (A) é diretamente proporcional 
à concentração (C) da espécie absorvente e ao 
comprimento (b) do caminho óptico.
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a é denominada absortividade, se a conc. está
em mol/l usa-se  no lugar de a.
A absorbância é adimensional.
24
Efeito do aumento do caminho óptico
Efeito do aumento da concentração e 
do caminho óptico
• Uma solução de ozônio apresenta 83,4% de
transmitância medido em 258nm em cubeta de
5,0 cm, sabendo que o coeficiente de
absortividade molar (ε) do O3 vale
2950L/(mol.cm), calcule a conc. de O3 na
solução.
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A = -log(T) = - log(P/Po) = -log(83,4/100) = 0,0788
A = abc
0,0788 = 2950.5.c
c = 5,3x10-6 mol/L 
Utilização da Lei de Beer
Uma solução padrão de concentração 10,0 mg/L de um analito foi analisada 
num espectrofotômetro no comprimento de onda de máxima absorção, em 
seguida uma amostra foi analisada utilizando-se as mesmas condições. As 
absorbancias registradas foram 0,850 e 0,664 respectivamente, para uma cela 
de 1,50 cm. Calcule a absortividade do analito e sua concentração na amostra.
A = abc
0,850 =a.1,5.10
a=0,057 L(mg.cm)-1
A = abc
0,664 = 0,057*1,5*c
c= 7,77 mg/L
Absorção Atômica
29
• Quando um feixe de radiação policromática (UV
ou Vis) passa por um meio contendo átomos no
estado gasoso, somente algumas frequências são
absorvidas.
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Matéria quente e 
densa
Gás quente
Grade de 
difração
Gás frio
Espectro contínuo
Espectro de EMISSÂO
Espectro de ABSORÇÃO
Absorção
Emissão
As transições eletrônicas
envolvem a excitação do último
elétron do Na de seu orbital (3s),
do estado fundamental, para
orbitais de maior energia (3p, 4p
e 5p).
Absorção Atômica
Desenhe o espectro de ABS 
e EMISSÃO do Na.
Absorção Molecular
• As moléculas sofrem três tipos diferentes
de transições quantizadas quando excitadas
pela radiação ultravioleta, visível e
infravermelha.
• Além das transições eletrônicas, as moléculas
exibem dois tipos adicionais de transições
induzidas por radiação: transições
vibracionais e transições rotacionais.
33
34
Absorção Molecular
estados eletrônico excitado
estados eletrônico excitado
estados eletrônico fundamental estados vibracionais
estados vibracionais
estados vibracionais
Tipos de vibrações moleculares
35
Qual tipode radiação 
eletromagnética é 
capaz de promover 
transições vibracionais?
Resposta: Infravermelha (IV)
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Absorção Molecular
estados eletrônico excitado
estados eletrônico excitado
estados eletrônico fundamental estados vibracionais
estados vibracionais
estados vibracionais
níveis energéticos 
vibracionais associados 
com cada
um dos estados 
eletrônicos da molécula
Observe que as diferenças de 
energia entre os estados 
vibracionais são mto menores 
que entre os níveis eletrônicos.
Uma molécula ainda 
possui estados 
rotacionais, associados 
à sua rotação. Esses 
estados rotacionais são 
superpostos a cada 
estado vibracional
Transições vibracionais
Transição eletrônica com várias 
opções de estados vibracionais
A energia total (E) associada com uma 
molécula é dada por
• Eeletrônica é a energia associada com os elétrons 
nos vários orbitais da molécula
• Evibracional é a energia devido às vibrações 
interatômicas
• Erotacional é a energia associada com a rotação 
da molécula em torno do seu centro de 
gravidade
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Átomos isolados
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Moléculas
UV e Vis IV Microondas
• A absorção molecular nas regiões do UV-Vis
consiste em bandas de absorção formadas por um
número muito grande linhas próximas entre si.
39
Em uma solução, as colisões da molécula
com o solvente tendem a desdobrar as
energias dos estados quânticos, originando
picos de absorção suavizados e contínuos.
solvente não-polar
em solv ñ-polar as moléculas da 
tetrazina não conseguem girar 
livremente (não vemos as 
transições rotacionais)
em solvente polar a forte 
interação água-tetrazina 
distorce os níveis vibracionais
(vemos apenas uma banda 
referente a transição eletrônica 
sem resolução dos níveis 
vibracionais)
CAPÍTULO 25
• Instrumentos para a espectroscopia óptica
• O s componentes básicos dos instrumentos 
analíticos para a espectroscopia de 
absorção, bem como para espectroscopia de 
emissão, são semelhantes em sua função e 
nos seus requisitos de desempenho no 
ultravioleta (UV), visível (Vis) ou 
infravermelha (IV). 
40
COMPONENTES DOS INSTRUMENTOS
(1) Uma fonte estável de energia radiante
(2) Um seletor de comprimento de onda que isola uma
região limitada do espectro para a medida
(3) Um ou mais recipientes para a amostra
(4) Um detector de radiação, o qual converte a energia
radiante para um sinal elétrico mensurável
(5) Uma unidade de processamento e de leitura do sinal
(circuito eletrônico ou computador)
41
42
Porta amostra (Cubetas) p/ Abs UV-Vis
Materiais Ópticos
• As células ou cubetas, espelhos e elementos de seleção de 
comprimento de onda devem não devem absorver a 
radiação na região do comprimento de onda usado.
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O vidro silicato é adequado para
o uso no Vis (baixo custo). 
Na região do UV, usa-se quartzo
ou sílica fundida.
No IV, tanto o vidro, o quartzo e a 
sílica fundida absorvem. Portanto 
usa-se sais haletos ou materiais 
poliméricos.
Fontes Espectroscópicas
Fonte deve gerar um feixe estável de radiação 
que seja suficientemente potente para 
permitir fácil detecção e medida.
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fonte contínua 
fonte de linhas
Existem dois tipos de fontes
45
Fontes 
empregada na faixa do UV/vis
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Fontes Espectroscópicas
Formação de moléculas excitadas D2
*
ou H2
* pela absorção de energia 
elétrica. Essas espécies se dissociam 
emitindo um fóton ultravioleta. 
Janela de quartzo
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Seletores de Comprimentos de Onda
• Servem para restringir a radiação que está sendo
medida dentro de uma banda estreita de
comprimentos de onda. Esses dispositivos
melhoram a seletividade e sensibilidade de um
instrumento.
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Prisma como seletor de λ
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Um prisma é um elemento dispersivo, isto é, provoca a separação da radiação
policromática em seus vários componentes, pois ao atravessar o prisma, ondas de
diferentes frequências irão tomar diversos ângulos na refração.
Como um prisma é mais denso que o ar, para cada freqüência há um ângulo de
refração diferente.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Dispers%C3%A3o_(%C3%B3ptica)
Na interface do material com o ar ou vácuo, a Lei de Snell prevê que a luz 
incidente com ângulo θ1 será refratada em ângulo θ2; sen(θ1)*n1 = sen(θ2)*n2
dessa forma a luz azul será mais inclinada que a vermelha.
Como o índice de refração (n) é função do λ, temos: 1 <n (λVermelho) <n (λAmarelo) <n (λAzul)
Em suma: 
θ2 ≈ F(n)
θ2 ≈ F(1/λ)
Enquanto maior 
o λ menor o 
ângulo de 
dispersão !!!
I
Aproximadamente n= 1,000296 1,000291
Seletores de Comprimentos de Onda
• Monocromadores
51
banda de passagem espectral 
varia de 1 a 20 nm. 
Em virtude da facilidade e rapidez 
com a qual o comprimento de 
onda pode ser alterado em um 
monocromador, esses são 
empregados em aplicações que 
requerem varredura espectral, 
Dispersão λ1> λ2
interferência
Rede de 
difração
Rede ou GRADE de difração
52
Seletores de Comprimentos de Onda
53
Uma rede para as regiões do UV-Vis 
tem aprox. 1300 ranhuras/mm.
Rede Tipo Echellette O feixe 2 percorre uma 
distância maior que o feixe 1; 
essa diferença é igual a CB+BD. 
Para que uma interferência 
construtiva ocorra:
CB+BD=nλ
O ângulo CAB é igual ao ângulo i
e que o ângulo DAB é idêntico ao 
ângulo r. Portanto:
CB = d sen i
BD= d sen r (alternos internos)
Substituindo as duas últimas 
expressões na primeira, obtém
Na rede os diferentes comprimentos de 
ondas são difratados em ângulos 
diferentes. A rotação da rede permite 
que comprimentos de onda diferentes 
passem pela fenda de saída 
Seletores de Comprimentos de Onda
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• Filtros de absorção: Isolam uma banda espectral,
com largura típica entre 30 a 50 nm e transmitância
máxima de 5 a 20 %. Vidros coloridos (região do
visível).
 Filtros de interferência:
(isolam faixa espectral
mais estreita) Baseiam-
se nos fenômenos de
interferência para isolar
uma faixa espectral
desejada.
Detectando e Medindo a Energia Radiante
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Um detector é dispositivo sensível a chegada de
radiação eletromagnética.
Um transdutor converte a intensidade de luz em
sinais elétricos que são amplificados e
convertidos em números proporcionais à
intensidade da radiação incidente.
Alta sensibilidade, baixo ruído e resposta 
proporcional a radiação incidente. 
56
A resposta de um fototubo ou de um tubo fotomultiplicador 
está baseada no efeito fotoelétrico. 
material fotoemissivo
K, Na ou
PbO
fotoelétrons
(+)
(-)
O número de elétrons ejetados
do catodo é proporcional à
intensidade da radiação que
atinge a sua superfície. Com a
d.d.p. aplicada, todos esses
elétrons são coletados no anodo
para fornecer uma corrente
proporcional à intensidade da
radiação.
57
O tubo fotomultiplicador (TFM) é similar em construção ao 
fototubo, mas é significativamente mais sensível. 
série de dinodos
D1 +100 V
D2 +200 V
D3 +300 V
...
Gera ganhos da 
ordem de 107
FOTÔMETROS E 
ESPECTROFOTÔMETROS UV-Vis
58
FOTÔMETROS E 
ESPECTROFOTÔMETROS UV-Vis
• Os fotômetros empregam um filtro para seleção do
comprimento de onda (Vis) juntamente com um
transdutor de radiação adequado.
• Os espectrofotômetros oferecem a vantagem
considerável de que o comprimento de onda pode
ser alterado continuamente tornando possível
registrar o espectro de absorção (UV-Vis).
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• Instrumento de Feixe Único
60
ESPECTROFOTÔMETROS
• Instrumento de Feixe Duplo
61
ESPECTROFOTÔMETROS
espelho setorizado rotatório
Vantagem sobre feixe único: 
compensa flutuações na 
potência
radianteda fonte
Veja o vídeo
• http://www.youtube.com/watch?v=O39avevq
ndU&playnext=1&list=PL2AB4B544728B45E2
• Instrumentos Multicanais
ESPECTROFOTÔMETROS
permite a medida do 
espectro em menos de 1s
é mto + caro.Utiliza um 
POLICROMADOR!!! 
Erro espectrométrico
65
0,1 < Abs < 0,8
 Aplicação extensiva a muitos elementos químicos
 Instrumentação relativamente barata
 Amostras podem ser de natureza inorgânica ou 
orgânica
 Disponibilidade de muitos métodos
 Intervalo de aplicação :10-3 a 10-6 mol L-1
 Tempo/análise: moderado
 Custo: relativamente baixo
Vantagens desta técnica
66
67
Abs = 0,210.Conc + 0,01
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 1 2 3 4
Conc. de P em ppm (mg/L)
A
b
so
rb
ân
ci
a 
a 
65
0 
n
m
dados experimentais reta calculada
Abs = 0,21.Conc + 0,01
0,518 = 0,21.Conc + 0,01
Conc = (0,518-0,01)/0,21
Conc = 2,42 mg/L
69
Soluções padrão de Fe(fenantrolina)3
2+
contendo Fe de 1 até 10 mg/l (ppm).
complexo Fe(II) 1,10-fenantrolina (ferroína);
Calibração Grupo 1
Padrões Fe (mg/L) Abs
0 0
1 0,36
2 0,697
3 1,03
Inclinação da reta (a) 0,343
intercepto da reta (b) 0,008
FUNÇÃO (Y=ax+b) Abs=0,343X+0,008
R 1,000
R2 1,000
Abs
Repicata 1 0,465
Repicata 1 rep de leitura 0,468
Repicata 2 0,450
Branco 0,011
1,0 g de solo
250 ml de solução 
da amostra
5,0 ml alíquota
Solução (100 ml) cuja 
Abs foi medida
Extração 
Tomada de 
alíquota
Diluição 
Medida da Abs 
Procedimento 
0
0,3
0,6
0,9
1,2
0 1 2 3
Fe (mg/L)
A
b
s
Grupo 1 Grupo 2 Reta G1
CONCENTRAÇÂO de Fe (mg/L) na solução cuja Abs 
foi medida
Repicata 1 1,332
Repicata 1 rep 1,341
Repicata 2 1,289
Branco 0,009
Da concentração da solução deve-se subtrair a 
concentração do Branco, pois o branco 
representa a contribuição (contaminação) 
dos reagentes, frascos e do ambiente. 
No caso do valor negativo para o Branco, não 
se faz a subtração, isto é não se altera os 
valores calculados acima.
CONCENTRAÇÂO de Fe (mg/L) na solução 
cuja Abs foi medida, após subtração do 
branco
Repicata 1 1,323
Repicata 1 rep 1,332
Repicata 2 1,280
1,0 g de solo
250 ml de solução 
da amostra
5,0 ml alíquota
Solução (100 ml) cuja 
Abs foi medida
Extração 
Repicata 1
Conc de Fe na alíquota 1 = (Conc. na alíquota)*(Vol Final / 
Vol da aliquota)
Conc de Fe na alíquota 1 
=1,323*(100/5) = 26,47 mg/L de Fe
Conc de Fe na alíquota 1 = Com. de Fe na solução 
da amostra
26,47 mg em 1 L de solução 
X 0,250 L (Vol da solução da amostra)
X= 6,617 mg de Fe
ou seja 6,62 mg de Fe/1,0g de solo (para replicata 1)
Tomada de 
alíquota
Diluição 
Medida da Abs 
Procedimento 
CONCENTRAÇÂO de Fe (mg de Fe/1,0g de solo)
Grupo 1
Repicata 1 6,62
Repicata 1 rep 6,66
Repicata 2 6,40
Fe2O3 ------------------- 2Fe
2*55,85+3*16=159,7 ------------ 2*55,85= 111,7
X -------------------6,62
X= 6,62* (159,7/111,7)= 6,62*1,43 = 9,46 mg de Fe2O3 / 1g de solo
ou seja: se 1,0 g --------100%
9,46x10-3 g------- Y Y=0,95% de Fe2O3.
74
Soluções padrão de Fe(fenantrolina)3
2+
contendo Fe de 1 até 10 mg/l (ppm).
Como ter certeza que nossa 
análise foi bem feita? C.Q.
Como sabemos se estamos 
produzindo resultados 
precisos e exatos? M.R.
Origem do espectro de absorção
• O espectro de absorção é devido ao fato das
moléculas ou átomos conterem elétrons que
podem ser promovidos para níveis superiores
de energia através da absorção de radiação
eletromagnética.
• Em moléculas, as transições entre os níveis
rotacionais e vibracionais estão sobrepostas às
transições eletrônicas. O que resulta, não em
linhas de Abs, mas sim em bandas de Abs.
75
76
Os comprimentos de onda dos picos de absorção molecular
podem ser correlacionados com os tipos de ligação
Espécies absorventes
Transições eletrônicas possíveis: envolvendo elétrons
σ origem no orbital sigma (lig forte C-H, assim abs radiação de λ<200 nm)
 orbital π (pi) (superposição paralela de orbitais p atômico)
n elétrons não compartilhados
Formaldeído
CH2O
Envolvem elétrons mais fracamente ligados e
por isso podem ser excitados com radição UV-Vis
Absorção por compostos orgânicos
77
• Elétrons que estão localizadas sobre átomos como os
de oxigênio, enxofre, nitrogênio e halogênios (F, Cl,
Br, I).
• Elétrons envolvidos em ligações duplas e triplas: não
estão tão fortemente presos, são portanto mais
fáceis de serem excitados pela radiação. Em
moléculas com duplas conjugados.
• Cromóforos: grupos orgânicos insaturados (C=C,
benzeno, ou C≡C, N=O, HC=O, C-S) que absorvem nas
regiões UV e VIS
Azul e Verde 
Absorção por compostos orgânicos
79
• Em geral, os íons e os complexos orgânicos dos
elementos das primeiras duas séries de transição
absorvem as bandas largas da região visível em pelo
menos um de seus estados de oxidação e são, como
resultado, coloridos.
• A absorção envolve a transição entre os orbitais d-d
preenchidos e não-preenchidos com energias que
dependem dos ligantes dos átomos metálicos.
• As diferenças de energia entre esses orbitais
dependem: da posição do elemento na tabela
periódica, seu estado de oxidação e da natureza do
ligante.
Absorção por compostos inorgânicos
FIM
• Façam os exercícios do CAP 24 e 25.
81