Aula-introdução aos metodos espectrosfotometria

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FUNDAMENTOS DOS MÉTODOS 
ESPECTROANALÍTICOS
Profa. Renata Luz
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
Instituto de Ciência Exatas
Departamento de Química
Métodos Ópticos
Baseia –se na interação da energia radiante com a matéria.
Natureza da Energia Radiante  revela uma dualidade essencial
Em alguns aspectos suas propriedades são as de uma onda, enquanto em 
outros é evidente que a radiação consiste em uma série de pacotes de energia 
discretos (fótons)
Introdução à Espectroscopia
– Espectroscopia  é uma técnica que usa a luz para (absorção ou emissão) 
obtenção de informações sobre as propriedades químicas e físicas de uma 
amostra.
–Espectro padrão que se observa quando a luz é separada em suas diversas 
cores, ou bandas espectrais.
Espectro da luz que são emitidos 
pelo sol e sua intensidade após
atravessar a atmosfera e interagir
com as substâncias químicas do ar.
Introdução à Espectroscopia
Como se usa a espectroscopia em química analítica?
É uma ferramenta muito utilizada nas análises química (qualitativas e 
quantitativas).
Análise espectroquímica  identificar uma amostra ou medir substâncias 
químicas.
Análise espectrometria  aplicada para mensurar um espetro.
Os métodos Espectrocópicos subdividem de acordo com o tipo de analito 
analisado:
-Espetroscopia Molecular  estuda analitos que sejam moléculas
-Espectroscopia Atômica  estuda átomos ou elementos
Introdução à Espectroscopia
A forma mais comum de classificar técnicas espectroscópica é fazê-lo de 
acordo com o tipo de radiação empregada e a maneira como a radiação 
interage com a matéria.
Muito do que sabemos sobre a estrutura de átomos e moléculas vem do estudo 
de sua interação com a luz (radiação eletromagnética). 
Diferentes regiões do espectro eletromagnético fornecem diferentes tipos de 
informações como resultado de tais interações. 
Introdução à Espectroscopia
Tipo de espectroscopia Faixa de 
comprimento 
de onda usual
Faixa de 
número de onda 
usual, cm-1
Tipo de transição 
quântica
Emissão de raios gama 0,005 – 1,4 Å – Nuclear
Absorção, emissão, fluorescência 
e difração de raios-x
0,1 – 100 Å – Elétrons internos
Absorção de ultravioleta de vácuo 10 – 180 nm 1x106 a 5x104 Elétrons ligados
Absorção, emissão e fluorescência 
no UV/Visível
180 – 780 nm 5x104 a 1,3x104 Elétrons ligados
Absorção no IV e espalhamento 
Raman
0,78 – 300 mm 1,3x104 a 33 Rotação/vibração de 
moléculas
Absorção de microondas 0,75 – 375 mm 13 a 0,03 Rotação de moléculas
Ressonância de spin eletrônico 3 cm 0,33 Spin de elétrons em 
um campo magnético
Ressonância Magnética Nuclear 0,6 – 10 m 1,7x10-2 a 1x10-3 Spin de núcleos em 
um campo magnético
As propriedades da luz
Como a luz interage com a matéria?
O que é a Luz?
Os cientistas definem a luz como uma radiação eletromagnética, que é uma onda
de energia que se propaga através do espaço com componentes de campo elétrico
e também de campo magnético.
A NATUREZA DA LUZ COMO ONDA
As propriedades da luz
Como a luz interage com a matéria?
O que é a Luz?
As propriedades da luz
Há várias propriedades que podemos usar para descrever a luz como uma onda.
Primeiro – velocidade em que a luz se desloca
No vácuo, todas as formas de radiação eletromagnética - sejam microondas, luz 
visível ou raios gama - viajam na velocidade da luz, que é a velocidade com a qual 
todas as formas de radiação eletromagnética viajam no vácuo
Essa velocidade é uma constante física representada pelo símbolo C, que no sistema
SI é exatamente igual a 299.792.458 m/s
Velocidade da luz em um meio que não o vácuo – V
A relação entre essas duas velocidades fornece um parâmetro conhecido como
índice refrativo (n) ou índice de refração.
Definição de índice de refração: n = C/V
As propriedades da luz
Há várias propriedades que podemos usar para descrever a luz como uma onda.
Primeiro – velocidade em que a luz se desloca - n = C/V
Tipo de material ou meio Índice refrativo (n)*
Estado de referência - vácuo 1,00000 (valor exato)
Ar 1,0003 (250C, 1 atm )
Oxigênio 1,00027 (00C, 1 atm )
Água 1,333 (200C )
Vidro 1,575 
Gelo 1,309
Poliestireno 1,55
O índice refrativo é característico ao material, e dependerá da concentração e da composição
química de uma amostra (usado para identificação química)
* Estes valores foram determinados usando-se a luz a partir da linha de sódio D em 589 nm.
As propriedades da luzAs propriedades da luz
Há várias propriedades que podemos usar para descrever a luz como uma onda.
Segundo – comprimento de onda, 
É a distância entre cristas sucessivas (ou vales sucessivos). É medido em unidades 
de distância, como metros, nanômetros (1nm = 10-9 m) ou micrômetros (1mm = 10-6
m) ou angstrom Å (1 Å = 10-10 m ; 10 Å = 1 nm).
As propriedades da luzAs propriedades da luz
Há várias propriedades que podemos usar para descrever a luz como uma onda.
Segundo – comprimento de onda, 
Unidade Símbolo Comprimento de onda 
(m)
Tipo de 
radiação
picômetro pm 10-12 raio gama
angstrom Å 10-10 raios X
nanômetro nm 10-9 raio x
micrômetro mm 10-6 infravermelho
milímetro milímetros 10-3 infravermelho
centímetro cm 10-2 microondas
metro m 10-0 rádio
As propriedades da luzAs propriedades da luz
Há várias propriedades que podemos usar para descrever a luz como uma onda.
Segundo – comprimento de onda, 
O comprimento de onda da luz é inversamente proporcional a sua energia
Um termo que é diretamente proporcional a energia é o número de ondas ( )
O número de ondas para qualquer tipo de luz é igual à recíproca do comprimento de 
onda, onde  = 1/ (cm-1).
As propriedades da luz
Há várias propriedades que podemos usar para descrever a luz como uma onda.
Terceira – frequência, 
Consiste no número de ondas (ou ciclos) que ocorrem em um determinado período
de tempo 
A unidade de freqüência é o hertz (Hz), que corresponde a um ciclo por segundo.
Isto é, 1 Hz = 1 ciclo.s-1. 
A frequência é uma propriedade característica da luz e independe do meio que 
percorre.
Está diretamente relacionada com sua energia, onde a luz de alta frequência tem 
uma energia maior do que a luz de baixa frequência.
As propriedades da luz
Há várias propriedades que podemos usar para descrever a luz como uma onda.
Correlação do comprimento de onda com a frequência
Comprimento de onda, , longo e baixa frequência, 
Comprimento de onda, , curto e alta frequência, 
Mesmo comprimento de onda e mesma frequência 
do em (b), mas baixa amplitude.
As propriedades da luz
Há várias propriedades que podemos usar para descrever a luz como uma onda.
O comprimento de onda e a frequência da luz podem se relacionar entre si por meio
da velocidade da luz, como demonstram as seguintes relações
 = C/ (vácuo) (
𝑚
𝑠
𝑥
1
𝑚
→ 𝐻𝑒𝑟𝑡𝑧)
 = V/ (qualquer meio) → v = C/n.
As propriedades da luz
Propriedades da luz como uma Partícula- Fótons 
Em 1905, Albert Einstein, havia descoberto que os elétrons eram ejetados quando
‘partículas’de luz atingiam a superfície de certos materiais (efeito fotoelétrico)
O termo fóton passou a ser usado para descrever essas partículas individuais de luz.
A energia de um único fóton de luz (Efóton) pode ser relacionada com sua frequência
(, uma propriedade de onda) usando-se a equação de Planck
em que h é a constante de Planck (6,63 x10-34 J s). Observe que o número de onda e 
a freqüência, em contraste com o comprimento de onda, são diretamente 
proporcionais à energia do fóton. O comprimento de onda é inversamente 
proporcional à energia.
𝐸 = ℎ =
ℎ𝑐

= ℎ𝑐
Medidas Espectroscópicas
A amostra é geralmente estimulada aplicando-se energia na forma de calor,
energia elétrica, luz, partículas ou por uma reação química.
Antes de se aplicar o estímulo, o analito se encontra predominantemente em
seu estado de energia mais baixo ou estado fundamental.
O estímulo então resulta que algumas das espécies do analito sofrem uma 
transição para um estado de maiorenergia ou estado excitado.
Medidas:
- Quantidade de radiação eletromagnética emitida
- Quantidade de radiação eletromagnética absorvida.
Emissão de luz liberação de luz pela matéria.
A emissão de luz ocorre quando , um átomo, um íon ou uma molécula passa de uma
estado excitado para outro de menor energia fóton de luz, de átomos e outras
espécies
No caso de átomos e outras espécies químicas que emitem luz a partir do sol, esse
estado excitado de energia é criado por energia térmica
Emissão de luz liberação de luz pela matéria.
Também é possível criar um estado excitado em uma substância química por outros 
meios , como por absorção de luz (fluorescência) ou por fornecimento de energia 
química (quimiluminescência- luminol).
O fóton liberado terá uma energia exatamente igual à diferença de energia entre o 
estado inicial excitado da substância e seus estado final de menor energia.
Emissão de luz liberação de luz pela matéria
Absorção de luz definida como transferência de energia de um campo 
eletromagnético para uma entidade química (átomo ou molécula).
Na espectroscopia de absorção, um feixe de radiação eletromagnética passa através de
uma amostra. 
Grande parte da radiação passa pela amostra sem perda de intensidade. 
Em comprimentos de onda selecionados, no entanto, a intensidade da radiação é
atenuada. Esse processo de atenuação é chamado absorção.
O resultado da absorção de luz é que a intensidade dessa luz após deixar a amostra
será menor do que seu valor original na energia ou no comprimento de onda que foi
absorvido pela amostra.
Diz que a luz remanescente que atravessou a amostra sofreu transmissão, que pode ser
definida como a passagem de radição eletromagnética através da matéria sem que ocorra
alteração na energia.
Interação da Radiação com a Matéria
A quantidade de luz que é transmitida somada à quantidade de luz que é absorvida 
pela amostra será igual ao total de luz que originalmente entrou na amostra.
Interação da Radiação com a Matéria
Exemplo: Espectros de absorção da clorofila a e da clorofila b (pigmentos que criam a
cor verde em plantas e algas e que levam à absorção de luz para a fotossíntese).
Analisando o gráfico, a luz que não é absorvida pelas clorofilas a e b entre 500 e 600nm que dá a
esses pigmentos e plantas a sua cor verde/amarelo.
Interação da Radiação com a Matéria
Exercício: As interações da luz com a clorofila são usadas em sensoriamento remoto
para o exame do teor de vegetais e de algas na terra e no mar.
a) Quais comprimentos de onda da luz na figura da página anterior são os mais 
fortemente absorvidos pelas clorofilas a e b? Quais comprimentos de onda são os 
mais facilmente transmitidos por esses pigmentos?
A maior absorção de luz para a clorofila a ocorre em cerca de 435nm e 660nm. A absorção de luz
mais intensa para a clorofila b ocorre ao redor de 460 nm e 635 nm. Comprimento de onda entre 
500 nm e 600 nm apresentam o maior grau de transmissão pelas clorofilas a e b. Pequenas
diferenças nesses intervalos de comprimento de ondas estão presentes nos dois tipos de clorofila 
por causa de suas diferentes estruturas químicas, que criam pequenas diferenças em seus níveis de 
energia e nos tipos de luz que podem absorver.
Interações Físicas entre a Luz e a Matéria
b) Quais comprimentos de onda você escolheria se quisesse usar a absorção de luz
para medir o teor das clorofilas a e b em uma amostra? Quais tipos de luz 
(ultravioleta, visível , etc) estariam presentes nesses comprimentos de onda?
Se ignorássemos os efeitos de outras substâncias químicas na amostra, as medições das 
clorofilas a e b seriam mais bem realizadas usando-se os comprimentos de onda em que tais
pigmentos absorveriam a luz mais intesamente (435 nm ou 660 para a clorofila a e 460 nm ou
635 nm para a clorofila b, o que representa a luz visível.
Interação da Radiação com a Matéria
Este efeito é bastante observado na natureza, na qual a cor de um objeto absorvente é 
determinada pelos tipos remanescentes de luz que são transmitidos ou refletidos pelo objeto.
Um exemplo: a passagem de luz branca através de uma solução de sulfato de cobre indica que
a luz azul está sendo transmitida, enquanto sua cor complementar (alaranjada) está sendo
absorvida.
A tabela mostra como outras cores podem ser criadas pela absorção de certos tipos de luz 
visível por uma amostra química
Além de ser emitidos ou absorvidos, é possível que a luz interaja de outras maneiras
com a matéria. 
Em muitos casos, ocorrem interações físicas que não afetam a energia ou a frequência
da luz, mas, na verdade, afetam fatores como velocidade e direção. Essas interações
físicas são importantes, e devem ser levadas em conta na utilização da luz em
medições químicas.
São elas:
Reflexão: Ocorrerá sempre que uma onda atingir determinada superfície e voltar a 
propagar-se no meio de origem. A onda refletida manterá a velocidade, frequência e 
comprimento de onda iguais aos da onda incidente.
Ocorre sempre que a luz encontra um limite entre duas regiões com índices
refrativos diferentes, onde pelo menos parte da luz muda a direção de sua trajetória
e retorna para o meio que estava percorrendo originalmente. 
Interações Físicas entre a Luz e a Matéria
Reflexão
A reflexão é usada em instrumentos analíticos para controlar a forma como a luz
passa por dentro do instrumento. 
É usada em alguns tipos de espectroscopia para obter informações sobre uma
amostra. Um exemplo em sensoriamento remoto é quando a reflexão da luz solar é
utilizada por satélites para obter informações sobre a estrutura e a composição da 
superfície da terra.
Interações Físicas entre a Luz e a Matéria
Há dois tipos de reflexão:
Reflexão especular ou regular– o limite entre duas regiões que causam a reflexão for
uma superfície plana, a luz será refletida de um modo bem definido e reterá sua
imagem original.
O ângulo de reflexão (r) , da luz , nesse caso, será igual ao ângulo de incidência (i) , 
mas terá direção oposta
Reflexão difusa– se o limite for áspero e irregular em vez de liso, a luz se refletirá
em muitas direções e não reterá a imagem original. 
Bastante comum, e ocorre enquanto a luz se reflete em muitos objetos em nosso meio,
como o solo, as árvores e os edifícios.
O grau em que a luz será refletida em uma superfície dependerá da diferença relativa
nos índices de refração em ambos os lados da superfície.
Quanto maior for essa diferença, maior será a fração da luz refletida.
Interações Físicas entre a Luz e a Matéria
Interações Físicas entre a Luz e a Matéria
Reflexão Especular Reflexão Difusa
Reflexão especula e difusa
A equação de Fresnel produz a fração de luz que será refletida ao penetrar no limite
em um ângulo reto.
PR/P0 = [(n2 – n1)
2/(n2 + n1)
2]
P0 = poder radiante original ou `incidental`da luz
PR = poder radiante da luz refletida
PR/P0 = é fração da luz original versus a luz refletida
Para limites que apresentam somente uma pequena diferença no índice de refração,
como entre o vácuo no espaço e o ar, a fração de luz refletida será pequena, e a maior
parte da luz passará pelo limite e penetrará o novo meio.
Se uma grande diferença no índice refrativo estiver presente, como ocorre entre o ar
ou o vidro, uma grande fração de luz será refletida.
Interações Físicas entre a Luz e a Matéria
Refração Ocorre quando a onda muda seu meio de propagação. Na refração, a 
velocidade de propagação da onda será alterada, pois a mudança de meio gera 
mudança no comprimento de onda. A frequência das ondas, por depender da fonte
geradora, não é alterada na refração.
Trata-se de um processo na qual a direção percorrida por um feixe de luz 
é alterada quando ela passa através de uma fronteira entre dois meios com índices 
de refração diferentes.
n2>n1 o ângulo da trajetória da luz se inclinará em direção a normal, 
ou se afastará da normal se n2<n1
Interações Físicas entre a Luz e a Matéria
Espalhamentousado em química e física para se referir à mudança no curso de uma
partícula (como um fóton), causada por colisão com outra partícula (por exemplo, um
átomo ou uma molécula)
No espalhamento, a energia que incide em uma direção é espalhada ou desviada
para outras direções, havendo a produção de radiação difusa. 
Um tipo comum é o espalhamento Rayleigh, ou espalhamento de partículas pequenas,
que ocorre quando fótons de luz são espalhados por partículas como átomos ou
moléculas que são menores que o comprimento de onda da luz.
O processo de espalhamento também pode ser usado isoladamente como um meio de
detectar e medir substâncias químicas (exemplo, detector de espalhamento de luz 
Evaporativo no HPLC, turbidimetria e nefelometria)
Interações Físicas entre a Luz e a Matéria
Espalhamento- Exemplo: espalhamento da luz solar por partículas e moléculas na 
atmosfera da terra
Interações Físicas entre a Luz e a Matéria