Espectroscopia molecular

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QUÍMICA ANALÍTICA 
ESPECTROSCOPIA MOLECULAR 
CONCEITOS BÁSICOS 
A espectroscopia refere-se ao campo da ciência que 
trata da mensuração e da interpretação da luz que é 
absorvida ou emitida por uma amostra. Esse tipo de 
análise, muitas vezes, envolve o uso de um espectro, 
que é o padrão que se observa quando a luz é 
deparada em suas diversas cores, ou bandas 
espectrais. 
 
Figura 1. Decomposição da luz em várias bandas espectrais 
A luz é definida pelos cientistas modernos como uma 
radiação eletromagnética, que é uma onda de energia 
que se propaga através do espaço com componentes 
de campo elétrico e também magnético. 
 
Figura 2. A luz como uma onda eletromagnética 
A luz descrita dessa forma apresenta uma frequência 
(ν) que consiste no número de ondas (ou ciclos) que 
ocorrem em um determinado período de tempo e 
fornecida em unidades de ciclos por segundo ou hertz 
(Hz), onde 1 Hertz = 1/s. Uma outra propriedade da 
luz é o comprimento de onda (λ), que consiste na 
distância entre quaisquer duas cristas vizinhas em 
uma onda, medida em nanômetros (nm) ou 
micrômetros (μm). O comprimento de onda e a 
frequência da luz podem se relacionar entre si por 
meio da velocidade da luz (c, 3,00 x 10
8
 m/s): 
𝜈 = 𝑐/𝜆 
A luz como uma partícula foi sugerida por Isaac 
Newton, que propôs que a luz era composta de 
pequenas partículas que se moviam em grande 
velocidade. Um trabalho de Albert Einstein, 
evidenciava que os elétrons eram ejetados quando 
“partículas” de luz atingiam a superfície de certos 
materiais (efeito fotoelétrico). O termo fóton passou a 
ser utilizado para descrever essas partículas. A 
energia de um único fóton de luz (Efóton) pode ser 
relacionada com sua frequência (ν) usando a equação 
de Plank. 
𝐸𝑓ó𝑡𝑜𝑛 = ℎ𝜈 
Existem várias maneiras de interação entre luz e 
matéria. A liberação de luz pela matéria é chamada de 
emissão. A emissão de luz ocorre quando uma 
matéria, como um átomo, um íon ou uma molécula 
passa de um estado excitado para outro de menor 
energia. A segunda maneira pela qual a matéria pode 
interagir com a luz é por meio da absorção, que pode 
ser definida com a transferência de energia de um 
campo eletromagnético (como o que a luz possui) para 
uma entidade química (por exemplo, um átomo ou uma 
molécula). 
Para medir a quantidade de luz que é absorvida por 
uma amostra, devemos comparar a quantidade inicial 
de luz (I0) que é aplicada a uma amostra com a 
quantidade que é transmitida (I) pela amostra. Essa 
relação é chamada de transmitância (T): 
 
Figura 3. Transmitância observada em uma análise 
espectroscópica 
𝑇 =
𝐼
𝐼0
 
Um valor intimamente relacionado é o percentual de 
transmitância (%T), em que %T=100.T. O termo que 
se relaciona melhor com a concentração é a 
absorbância (A), uma medida da absorção que se 
calcula usando-se o logaritmo de base 10 da 
transmitância: 
𝐴 = − log(𝑇) 𝑜𝑢 𝑇 = 10𝐴 
 
QUÍMICA ANALÍTICA 
ESPECTROSCOPIA MOLECULAR 
A absorbância de uma amostra homogênea pode ser 
relacionada à concentração de um analito absorvente 
diluído por uma expressão chamada “lei de Beer-
Lambert” ou lei de Beer: 
𝑨 = 𝜶. 𝒍. 𝑪 
Em que, A: Absorção molecular, α: Absortividade 
molar, l: tamanho da cubeta e C: Molaridade. 
INTRODUÇÃO 
A espectroscopia molecular é um conjunto de métodos 
que examina a interação da luz com uma molécula 
intacta. Várias abordagens podem ser aplicadas a 
essas medições, como a espectroscopia ultravioleta-
visível, a espectroscopia no infravermelho e a 
espectroscopia de luminescência. 
A espectroscopia molecular pode ser definida como o 
exame das interações entre a luz e as moléculas. As 
moléculas podem absorver, emitir ou dispersar a luz. 
Quando um analito absorve energia de uma fonte 
luminosa, eleva-se a um nível mais alto de energia e, 
depois, emite luz enquanto o analito passa de um alto 
nível de energia para outro inferior. A absorção nas 
moléculas pode envolver uma alteração nos níveis de 
energia eletrônica, bem como nos níveis de energia 
vibracional e rotacional. Essa característica torna a 
espectroscopia uma ferramenta útil para prover 
informações qualitativas e quantitativas sobre as 
moléculas. 
A espectroscopia Uv-Vis é utilizada principalmente na 
análise quantitativa, ou em testes de triagem, 
enquanto a espectroscopia no infravermelho serve 
principalmente para identificar substâncias 
moleculares. Baseada na colorimetria, em que cor da 
solução do produto reacional é comparada com a dos 
padrões, o que possibilita determinar a quantidade do 
analito presente na amostra ou apenas verificar se o 
analito está presente acima de um certo nível como 
parte de um teste de triagem. 
 
Figura 4. Espectro UV-vis do corante vermelho bordeaux 
A espectroscopia IV de uma molécula costuma ter 
muitos picos em vez de um ou dois como normalmente 
se verifica na absorção de raio ultravioleta, ou luz 
visível por moléculas. A localização, o número e a 
intensidade dos picos em um espectro de IV formam 
um padrão de impressões digitais útil para uma 
molécula, e pode ajudar na identificação ou na 
determinação dos tipos de grupos funcionais que essa 
molécula possui. 
 
Figura 5. Espectro IV do dimetilsufóxido 
ESPECTROSCOPIA DE UV-vis 
Em geral chamada de espectroscopia Uv-vis, é um 
método comum de análise de moléculas e outros tipos 
de substâncias químicas. Essa técnica pode ser 
definida como um tipo de espectroscopia que se 
destina a examinar a capacidade que um analito tem 
de interagir com o raio ultravioleta ou com a luz 
visível por meio de absorção. Uma luz na faixa 
ultravioleta ou visível tem a mesma quantidade de 
energia de alguns elétrons em moléculas. Se a energia 
dessa luz corresponde exatamente à diferença em um 
dos níveis de energia, o elétron se move de um orbital 
em estado de energia mais baixo para um orbital vazio 
em um estado de energia mais alto, se a molécula 
absorve a luz. 
A absorção tanto do raio ultravioleta quando a luz 
visível, em especial na faixa de 200-780 nm, costuma 
envolver transições eletrônicas em moléculas por 
elétrons π ou elétrons não ligantes (n). Por essa 
razão, moléculas orgânicas somente com ligações 
simples e elétrons σ, mas sem elétrons π ou elétrons 
não ligantes (n), tendem a não absorver nessa região 
do espectro Uv-vis. Isso significa que os 
hidrocarbonetos saturados não podem ser medidos 
por espectroscopia Uv-vis de rotina, porque contém 
somente ligações simples e elétrons σ. A porção de 
uma molécula que tem propriedades que lhe permitem 
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absorver luz é conhecida como cromóforo. Esse 
processo de absorção pode ser descrito pela lei de 
Beer. 
𝑨 = 𝜶. 𝒍. 𝑪 
Em que, A: Absorção molecular, α: Absortividade 
molar, l: tamanho da cubeta e C: Molaridade. 
O instrumento usado para examinar a absorção de luz 
em espectroscopia UV-vis é conhecido como 
espectrofotômetro de absorbância UV-vis. Este 
equipamento apresenta quatro componentes básicos: 
uma fonte de luz, um meio de selecionar um 
determinado tipo de luz para análise, um recipiente de 
amostra e um detector. 
 
Figura 6. Composição básica do espectrofotômetro de absorção 
molecular 
Uma fonte de luz comum para a luz visível é uma 
lâmpada de tungstênio. A uma temperatura normal de 
funcionamento (2000 a 3000 K), o comprimento de 
emissão máxima é de cerca de 1000 nm para este tipo 
de lâmpada, com uma faixa utilizável que abrange de 
320 a 2500 nm. A lâmpada de hidrogênio e deutério, 
são responsáveis por emitir luz no comprimento de 
onda ultravioleta. 
O seletor do comprimento de onda (ou 
monocromador) consiste em geral de uma fenda 
estreita através da qual a luz entra, em um dispositivo 
para separa a luz em seus vários comprimentos de 
onda e outra fenda estreita através da qual se permite 
que uma parte específica da luz saia e passa para a 
amostrae para o detector. Instrumentos para medição 
de absorção em espectroscopia UV-vis costumam usar 
um prisma ou uma grade para separar a luz. 
O recipiente da amostra, em espectroscopia UV-vis é 
em geral uma cubeta na qual se coloca uma amostra 
ou uma solução-padrão. A cubeta deve ser 
transparente para os comprimentos de onda de luz a 
serem utilizados na medição e ter uma geometria bem 
definida. 
Muitos detectores usados para monitorar raios 
ultravioleta ou luz visível fazem uso do efeito 
fotoelétrico, que ocorre quando a luz incide sobre 
certas substâncias e provoca a ejeção de um elétron a 
partir da superfície. Tal efeito pode ser usado em um 
fototubo ou em tubo fotomultiplicador para detectar a 
luz. O resultado é a produção de elétrons e de uma 
corrente que é proporcional em tamanho ao número 
de fótons que atingiram a superfície fotoativa. Em 
resumo, a corrente produzida pelo detector é 
proporcional a concentração do analito. 
Medições diretas. O uso mais comum de 
espectrofotometria na análise química está na 
medição direta de analitos por meio de colorimetria. 
Nessa técnica, a concentração de um analito é 
determinada pela comparação da absorbância de uma 
concentração desconhecida de uma substância com a 
absorbância de uma concentração conhecida do 
mesmo material. A lei de Beer, é então, utilizada para 
relacionar a absorbância medida de uma substância a 
sua concentração. Uma abordagem mais eficiente 
seria aplicar vários padrões e preparar um gráfico de 
lei de Beer, onde esses padrões são medidos de acordo 
com a mesma solução e condições de comprimento de 
onda que serão utilizadas nas amostras. A 
concentração de uma analito em uma amostra pode 
ser determinada comparando-se a absorbância da 
amostra com a resposta do gráfico. 
 
Figura 7. Curva de calibração utilizada para determinação da 
concentração de um analito 
 
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ESPECTROSCOPIA MOLECULAR 
Método de adição de padrão. Trata-se de uma técnica 
usada para determinar a concentração de um analito 
em uma amostra que tem uma matriz ou condições de 
solução (como pH e força iônica) difíceis de 
reproduzir em uma solução-padrão. Para assegurar 
que esses parâmetros sejam os mesmos no padrão e na 
solução desconhecida, o material-padrão é 
adicionado diretamente a uma fração da amostra. O 
sinal da amostra original e o da amostra que foi 
contaminada com o padrão são medidos e usados para 
calcular a concentração de analito na amostra 
original. 
𝐴0
𝐴𝑠𝑝
=
𝐶0(𝑉0 + 𝑉𝑠)
𝐶0𝑉0 + 𝐶𝑠𝑉𝑠
 
Em que: 
A0 = Absorbância da amostra original 
Asp = Absorbância da amostra contaminada 
V0 = volume original da amostra 
Vs = Volume da solução padrão contaminada com a 
amostra 
C0 = Concentração do analito na amostra original 
Cs = Concentração total de analito (amostra + 
padrão) 
 
ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO 
Em espectroscopia UV-vis, a absorbância de luz 
visível ou de raios ultravioleta pode levar a um 
aumento na energia das moléculas absorventes por 
causa de transições eletrônicas. As moléculas também 
podem absorver outros tipos de radiação, mas esses 
processos podem envolver tipos de transições 
diferentes daqueles que fazem uso de uma variação de 
um estado eletrônico. Se uma molécula absorver luz 
infravermelho (que tem energia mais baixa do que a 
luz visível ou os raios ultravioleta), essa absorção se 
baseia em uma mudança de energia devido a 
vibrações ou rotações que ocorrem na molécula. O 
tipo mais simples de vibração de ligação envolve o 
alongamento de uma ligação entre dois átomos. 
A absorção de energia é necessária para fazer uma 
vibração molecular ocorrer com mais energia, e os 
níveis de energia que descrevem tais vibrações 
ocorrem em valores distintos. As diferenças nesses 
níveis de energia vibracional costumam ser muito 
menores do que as diferenças de energia presentes em 
transições eletrônicas. 
APLICAÇÔES DA ESPECTROSCOPIA IV 
A espectroscopia IV é mais frequentemente 
empregada em identificação qualitativa de compostos 
quase puros. Visto que cada composto fornece vários 
picos, é muito difícil de interpretar o espectro IV de 
uma mistura. Os grupos de átomos que chamamos de 
“grupos funcioinais” têm energias vibracionais 
características e comprimentos de onda de absorção 
IV característicos que podem ser utilizados nesse 
processo. 
BORA PRATICAR 
01. Quais são as três maneiras pelas quais as 
moléculas podem interagir com a luz? 
02. Explique como a espectroscopia molecular pode 
ser utilizada na medição ou na identificação de uma 
molécula. Indique um tipo específico de 
espectroscopia que seja comumente usado em cada 
uma dessas aplicações gerais. 
03. Descreva o que acontece com a movimentação 
dentro de uma molécula quando essa molécula 
absorve radiação infravemlho. 
04. Como a espectroscopia IV é normalmente utilizada 
em análise química? Como a aplicação comum de 
espectroscopia IV em análises químicas difere das 
aplicações de espectroscopia UV-vis? Por que essas 
diferenças existem? 
05. Defina a palavra “cromóforo”. Quais são os 
recursos comuns encontrados em um cromóforo de 
uma molécula orgânica que pode absorver raio 
ultravioleta ou luz visível? 
06. Classifique os compostos a seguir na ordem em 
que, na sua opinião, será mais fácil fazer uma medição 
usando-se a espectrometria UV-vis. Justifique a 
ordem de sua classificação das substâncias químicas 
a seguir. 
(a) CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 
(b) CH2=CH-CH2-CH2-CH2-CH3 
(c) CH3-CH=CH-CH2-CH=CH2 
(d) CH3-CH=CH-CH=CH-CH3 
07. Uma solução tem concentração de analito de 5,7 x 
10
-3
 mol/L que fornece uma transmitância de 43,6 por 
cento a 480 nm, quando medida em uma cubeta de 
5,00 cm. Calcule a absortividade molar do analito. 
08. O complexo de Fe
2+
 com 1,10-fenantrolina tem 
absortividade molar de aproximadamente 11,000 
L/mol.cm em água a 510 nm. Uma amostra de água de 
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20,00 mL supostamente contendo Fe
2+
 é misturado a 
um excesso de 1,10-fenantrolina. Ácido acético, 
acetato de sódio e hidroxilamina também são 
adicionados como tampão da solução e para 
assegurar que todo o ferro seja reduzido a Fe
2+
. A 
mistura é diluída com água destilada para um volume 
total de 50,00 mL, e se constata que a solução final 
produz uma absorbância de 0,762 a 510 nm quando se 
usa uma cubeta de 1,0 cm. 
(a) Se supusermos que não existem espécies 
absorventes na solução que não o complexo Fe
2+
 com 
1,10-fenantrolina, qual a concentração de Fe
2+
 na 
amostra original? 
(b) Discuta como a presença de outras espécies que 
também absorvem em 510 nm afetaria a precisão da 
medição. Obteríamos em erro positivo ou negativo? 
09. Quatro soluções padrão e uma amostra 
desconhecida contendo o mesmo composto fornecem 
as seguintes leituras de absorbância a 535 nm quando 
se utiliza cubetas de 1,00 cm. Qual é a concentração 
do analito na amostra? 
Solução mol/L Abs 
Padrão 1 0,00 0,005 
Padrão 2 2,5 x 10
-3 
0,085 
Padrão 3 5,0 x 10
-3
 0,175 
Padrão 4 25,0 x 10
-3
 0,805 
Amostra ? 0,456