Slide Espectrometria Molecular 2-2021 1

ESPECTROMETRIA MOLECULAR 2 2021/1 Prof. João Henrique Zimnoch dos Santos INSTITUTO DE QUÍMICA - UFRGS Departamento de Química Inorgânica- Av. Bento Gonçalves, 9500 - Porto Alegre - 91540-000 Telefone: (55 51) 3308 7238 - E-mail: jhzds@iq.ufrgs.br Radiação Eletromagnética Comprimento de onda Energia Modelo Ondulatório Mecânica Newtoniana Modelo Corpuscular Mecânica Quântica Fluorescência Modelo Corpuscular Mecânica Quântica Absorção Emissão Fluorescência átomo molécula Espectro Atômico (raias) Espectro Molecular (bandas) TRANSIÇÕES ELETRÔNICAS h Subníveis Vibracionais Subníveis Rotacionais ROTAÇÕES (vapor) VIBRAÇÕES Microondas Infravermelho Ultravioleta Compostos orgânicos Compostos inorgânicos Orbitais Duplas conjugadas Orbitais d Geometria e da natureza do ligante  (UV) Maior  Menor  Elementos de transição interna Espectro Molecular: compostos inorgânicos Complexos de transferência de carga Transferência de carga Metal – Ligante MLCT Transferência de carga Ligante – Metal LMCT Característica:  > 10.000 LEI DE BEER Leis  Bouguer, 1729 Luz resolvida em três componentes: Refletida, Transmitida e Absorvida  Lambert, 1760 P= Poe-xb A= - log(P/Po) = εbc x = coeficiente de absorção b = espessura da camada absorvente  Beer, 1852 A= absorvância (adimensional) b= espessura da camada absorvente (cm) c = concentração molar (mol L-1)  = Absortividade molar(mol-1 L cm-1) LEI DE BEER b T = P/Po A= - log T=log(1/T) = log(Po/P) = bc Po P Condições de contorno b LEI DE BEER A= bc Po P Condições de contorno o Radiação monocromática o Centros absorventes não sofrem interações entre si o O percurso atravessado deve ser uniforme sobre a seção transversal do feixe. (Todos os raios devem percorrer a mesma distância no meio absorvente) o A radiação incidente deve consistir de raios paralelos, perpendicular ao meio absorvente; o O fluxo incidente não pode ser muito intenso para não causar efeitos de saturação. (Lasers não são usados) Absorvância versus Transmitância Absorvância está linearmente relacionada com a concentração Transmitância é exponencialmente dependente da concentração Diferentes modos de “plotar” um espectro. Os [números abaixo das curvas indicam a concentração mg L-1 de KMnO4] e b= 2,00cm A= - log T= log(1/T) = log(Po/P) = bc Ausência de absorção  P = Po  T = 1  A= 0  90% de luz absorvida  Qual a absorvância?? Po P b LEI DE BEER   uma medida da intensidade da absorção:  probabilidade de ocorrer a transição (P)  constante característica de cada espécie, função do comprimento de onda e ambiente químico.  independente de b e c. A = . b. c A = a. b. c  = L.mol –1.cm –1 absortividade molar a = L.g –1.cm –1 absortividade b = cm b = cm c = mol.L –1 c = g.L –1 P = 1    10 5 P = 1 – 0,1    10 5 - 10 4  Banda Intensa P = 0,1 – 0,01    10 4 - 10 3  Banda forte P < 0,01   < 10 3  Baixa intensidade, transição proibida Termos importantes e símbolos usados em medidas de absorção Termo Símbolo Definição Potência ou Intensidade de radiação incidente Po ou Io Potência radiante em watts incidente na amostra Potência ou Intensidade de radiação transmitida P ou I Potência transmitida pela amostra Absorvância A log Po/P ou log Io / I Transmitância T P / P0 ou I / I0 Caminho ótico da amostra b Comprimento sobre o qual ocorre a atenuação da radiação Absortividade* a A/bc Absortividade molar**  A/bc * c expresso em g L-1, b expresso em cm ** c expresso em mol L-1, b expresso em cm DESVIOS DA LEI DE BEER 1. Desvios Reais 2. Desvios Aparentes 3. Desvios Instrumentais A =  . b. c Desvios Reais 1. Interações intermoleculares Linearidade de uma curva de calibração típica Soluções diluídas: < 10-3 M (Concentrações 10-3 a 10-6 M) DESVIOS DA LEI DE BEER 1. Desvios Reais 2. Desvios Aparentes 3. Desvios Instrumentais A =  . b. c Desvios Reais 2. Variação do índice de refração dos líquidos afeta ε Certas moléculas orgânicas complexas, como a eosina e o azul de metileno, são suscetíveis a esse tipo de alteração. Fator de correção: ε.n/(n2+2)2 n =índice de refração Raramente este efeito ocorre em soluções com concentrações < 0,01 M Desvios Aparentes: concentração analítica ≠ concentração real 1. Dissociação/Associação (Equilíbrio) 2. Formação de complexos 3. Interações com solventes 4. Temperatura/Reações fotoquímicas  C6H5COOH + H2O ⇋ C6H5COO - + H3O+ max = 273 nm ε = 970 Lmol-1cm-1 max = 268 nm ε = 560 Lmol-1cm-1  Cr2O7 2- + H2O ⇋ CrO4 2- + 2H3O+ max = 350,45 nm max = 372nm  2MnO4 - + 3Mn2+ + 2H2O ⇋ 5MnO2 + 4H+ Vermelho de fenol Yellow Acid Form Red Base Form pH 11 9.0 8.1 7.2 6.6 5.4 Absorbance Wavelength (nm) PONTO ISOBÉSTICO: o valor de absortividade molar das duas espécies interconvertíveis é o mesmo. A absorvância é independente da razão das concentrações das duas espécies (independente do pH) Ilustração do ponto isobéstico do azul de metileno (=501 nm). (A) pH5,45, (B) pH 6,95, (C) pH 7.50, (D) pH 11,60. Desvios Aparentes: Desvios Aparentes: Solução não tamponada de um indicador  HIn ⇋ H+ + In- max = 570nm max = 430 nm MHIn [HIn] [In-] A430 nm A570 nm 2,00 x 10-5 0,88 x 10-5 1,12 x 10-5 0,236 0,0073 4,00 x 10-5 2,22 x 10-5 1,78 x 10-5 0,381 0,175 8,00 x 10-5 5,27 x 10-5 2,73 x 10-5 0,596 0,401 12,00 x 10-5 8,52 x 10-5 3,48 x 10-5 0,771 0,640 16,00 x 10-5 11,9 x 10-5 4,11 x 10-5 0,922 0,887 Desvios químicos: efeito do solvente Solventes polares tendem a reduzir, ou até mesmo, eliminar as finas estruturas dos espectros Espectros de UV da 1, 2, 4, 5 tetrazina (a) Fase vapor; (b) em hexano; (c) em solução aquosa Solvatocromismo: habilidade de uma substância química de alterar a cor com a mudança na polarização do solvente Desvios instrumentais 1. Efeito da radiação monocromática: lei de Beer é estritamente válida para a radiação monocromática. A radiação nunca é perfeitamente monocromática. Variação mínima de A com  Grande variação de A com  Desvios instrumentais 2. Efeito da radiação estranha Qualquer radiação que chegue ao detector sem passar pela célula de absorção, o erro será maior para valores elevados de absorvância. Erros nas medidas fotométricas (Erro Fotométrico) Precisão das medidas: Grau de sofisticação da instrumentação Espécies químicas envolvidas  Baixos valores de absorbância, o ruído é o fator governante  Po  P  Altos valores de absorbância  P  ZERO É difícil medir “precisamente” valores altos ou baixos de absorvância Erro relativo de concentração (c/c) como função da transmitância para uma incerteza de 1% na leitura de transmitância. Erro de leitura  Detectores fotoelétricos (UV- Vis) Erro mínimo  A = 0,870 Faixa de trabalho  0,1 - 1,5 A  Detectores térmicos (IR) Erro mínimo  A = 0,434 ANÁLISE QUALITATIVA  Inspeção e caracterização de detalhes do espectro, abrangendo pontos de inflexão máximos e mínimos Limitações: bandas largas e carentes de detalhes Importante:  A posição espectral de uma banda de absorção é indicativa da presença ou ausência de certas características estruturais ou grupos funcionais numa molécula.  Além disso, as compilações de espectro de absorção UV-visível de muitos compostos estão disponíveis para comparar com o espectro de absorção de um “desconhecido” puro.  Normalmente, uma comparação entre os espectros de referência e os espectros desconhecidos não é prova suficiente da identidade do composto porque as posições e intensidades das poucas bandas de absorção não são muito afetadas por pequenas diferenças na estrutura, particularmente nas grandes moléculas.  Assim, a espectrofotometria não é considerada uma ferramenta importante para a análise qualitativa. Técnicas como RMN, IR e espectrometria de massa são mais frequentemente empregadas para identificação positiva. ANÁLISE QUALITATIVA Aplicações:  auxílio na identificação  informações negativas  controle de pureza  identificação de isômeros  determinação da força do campo (10Dq) H3C C O CH2 CH2 C O CH3 _ _ _ _ _ H3C O O C C CH2 CH2 CH3 _ _ _ _ _ acetonilacetona  > 2 x  acetona = 279 nm 3, 4 hexadiona = 400 nm Efeito da largura da fenda ANÁLISE QUALITATIVA • Fendas menores permitem melhor resolução do espectro (análise qualitativa) • Fendas maiores permitem aumentar a energia radiante (análise quantitativa) Estabelecimento do método  especificidade da reação    seleção do comprimento de onda    estabilidade do sistema absorvente e do branco  efeitos competidores  natureza do solvente  pH da solução  temperatura  concentração de eletrólitos  substância interferentes  erro fotométrico  determinação da curva de calibração  A x Concentração  preparação da solução padrão:  composição real da amostra  ampla faixa de concentração  limpeza e manutenção das células ANÁLISE QUANTITATIVA Revisão: Desenvolvimento de um método absorciométrico molecular Analito Orgânico Inorgânico Concentração 10-3 – 10-6 M pH Forma oxidada - reduzida Comprimento de onda