Espectrofotometria UV-VIS

Aula 2Química Analítica V

Estagiária a Docência: Fernanda Cerqueira M. Ferreira

Prof. Dr. Júlio César José da Silva

1

Relembrando

2

Campo elétrico da radiação

eletromagnéticaMatéria

Diferentes substâncias interagem de forma diferente

com a RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

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Amplitude (A)

Comprimento de onda (λ)

Período (p)Frequência (ν)Velocidade (c)

c = λ.ν

E = hν = hc/λ

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Níveis de Energia

Vibracional

Níveis de Energia

Eletrônicos

Maior Energia da molécula

Menor energia da molécula

Emissão

de Fótons

Absorção

de Fótons

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Transmitância (T)

𝑇 =𝑃

𝑃0

Absorvância (A)

𝐴 = log𝑃0𝑃

= − log 𝑇

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Lei de Lambert-Beer

A = ε.b.Cb é o caminho óptico, cm

c é a concentração do analito, mol L-1

ε é a absortividade molar, L mol-1 cm-1

Exercícios• 1) Uma solução colorida é colocada dentro de um

espectrofotômetro UV-visível. Em 465 nm a amostraapresenta uma absorbância de 0,79. Calcule a porcentagemde luz que está sendo absorvida. Considere P0 = 1

• 2) Um solução colocada dentro de um espectrofotômetro UV -visivel apresenta uma absorbância de 0,67 em umcomprimento de onda de 560 nm. Qual a porcentagem deradiação que está sendo transmitida? Considere P0 = 1

• 3) Uma solução da droga tolbutamina apresenta umaabsorbância de 0,85 em uma cubeta com caminho óptico de 1cm. A massa molar da tolbutamina é de 270 e a absortividademolar em 262 nm é de 703 L mol-1 cm-1. Qual a concentraçãomolar da tolbutamina em mg/L?

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Limitações da Lei de Beer

• Observa-se desvios da proporcionalidade direta entre aabsorbância e a concentração, quando o caminho ópticob é mantido constante;

• Alguns desses desvios, denominados desvios reais,são fundamentais e representam limitações reais dalei de Beer.;

• Outros são resultantes do método que empregamospara efetuar as medidas de absorbância (desviosinstrumentais);

• Ou resultantes de alterações químicas que ocorremcom a variação da concentração (desvios químicos).

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Desvios Reais

• A lei de Beer é válida apenas para soluções diluídas(≤0,01𝑚𝑜𝑙/L);

• Em altas concentrações a distância média entre asmoléculas ou íons responsáveis pela absorção, deforma que cada partícula afeta na distribuição decarga da partícula vizinha;

• Portanto, soluções muito concentradas apresentamdesvios de linearidade entre a absorvância e aconcentração da espécie absorvedora.

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11

- Propriedades mudam (absortividade)

- Alterações:

Na distribuição de cargas

Na capacidade de absorção

Desvios Químicos

• Os desvios da lei de Beer aparecem quando a espécieabsorvente sofre associação, dissociação ou reação com osolvente para gerar produtos que absorvem de forma diferentedo analito.

• Exemplo de instabilidade química: equilíbrio entre os ânionsdicromato e cromato

Cr2O72- + H2O ՚ 2H+ + 2CrO4

2-

350nm 373 nm

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՜

Espécies que podem participar de equilíbrio químico em solução

devem ser analisadas em um meio onde apenas uma espécie

predomine

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Desvios Químicos

• Desvio da Lei de Beer parasolução não-tamponada de umindicador;

• Desvio positivo em 430 nm enegativo em 570 nm.

• HIn ՚ H+ + In-՜ Forma HIn

Forma In-

Desvios InstrumentaisRadiação Policromática

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• A lei de Beer se aplica estritamente somente quandoas medidas forem feitas com a radiaçãomonocromática;

• Na prática, fontes policromáticas que apresentamuma distribuição contínua de comprimentos de ondasão utilizadas em conjunto com uma rede ou um filtropara isolar uma banda bastante simétrica decomprimentos de onda ao redor do comprimento deonda a ser empregado.

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A relação entre Am e a

concentração não é mais

linear quando as

absortividades molares são

diferentes. Além disso, à

medida que a diferença entre ε1 e ε2 aumenta, o

desvio da linearidade

cresce.

Desvios da lei de Beer com a radiação

policromática. O absorvente tem as

absortividades molares indicadas nos dois

comprimentos de onda λ1 e λ2.

• Se a banda de comprimentos de onda selecionada para as medidascorresponder a uma região do espectro na qual a absortividade molardo analito for constante, os desvios da lei de Beer serão mínimos.

• Contudo, algumas bandas de absorção na região UV/visível e muitasna região do infravermelho são muito estreitas e os desvios da lei deBeer são comuns;

• Para se evitar os desvios selecionar um comprimento de ondapróximo ao máximo de absorção (ε do analito se altera pouco com o

comprimento de onda)

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ε do analito cte

sobre a banda A

Banda B região sobre

qual a ε do analito se

altera

• Luz Espúria: Radiação instrumental que está fora da banda do λescolhido Resultado do espalhamento e das reflexões dassuperfícies das redes, lentes ou espelhos, filtros e janelas.

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Desvios InstrumentaisLuz Espúria

Pe é a potência radiante da luz

espúria

• Outro desvio da lei de Beer quase trivial, mas importante, écausado pelo uso de células desiguais;

• Se as células que contêm o analito e o branco não apresentam omesmo caminho óptico e não são equivalentes em suascaracterísticas ópticas, uma interseção vai ocorrer na curva decalibração e a equação real será:

A = ε.b.C + k

• Esse erro pode ser evitado utilizando-se células muitoparecidas ou empregando-se um procedimento de regressãolinear para se calcular ambos, a inclinação e o intercepto, dacurva de calibração.

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Desvios InstrumentaisCélulas Desiguais

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Desvios InstrumentaisLargura da Fenda

Fendas mais estreitas

melhoram a resolução

instrumental, pois

diminuem a potência de

radiação.

Determinação Espectrofotométrica de Misturas

O espectro de absorção das espécies absorvedoras será o resultado da sobreposição dos espectros individuais de

cada espécie.

A absortividade molar de cada espécie deve ser

conhecida nos comp. de onda analisados.

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Para analisar a mistura, deve-se considerar que

não há interação entre as espécies absorvedoras

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Exercícios

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4)

Instrumentação

• O instrumento utilizado em análises Espectrofotométricas é oEspectrofotômetro. É constituído basicamente de 5componentes:

• (1) uma fonte estável de energia radiante;

• (2) um seletor de comprimento de onda que isola uma regiãolimitada do espectro para a medida;

• (3) um ou mais recipientes para a amostra;

• (4) um detector de radiação, o qual converte a energia radiantepara um sinal elétrico mensurável;

• (5) uma unidade de processamento e de leitura do sinal.

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• A luz proveniente de uma fonte contínua passa por ummonocromador, que seleciona uma estreita faixa decomprimentos de onda do feixe incidente. Essa luz“monocromática” passa pela amostra de comprimento b, e aenergia radiante da luz emergente é medida.

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Instrumentação

b

• As células, janelas, lentes, espelhos e elementos de seleção decomprimento de onda devem, nos instrumentos deespectroscopia óptica, transmitir a radiação na região decomprimento de onda investigada.

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Materiais Ópticos

Fontes Espectroscópicas

• Para ser adequada aos estudos espectroscópicos, uma fontedeve gerar um feixe de radiação que seja suficientementepotente para permitir fácil detecção e medida.

• Sua potência de saída deve ser estável por períodos razoáveisde tempo.

• Fontes contínuas: Emitem radiação cuja intensidade sealtera lentamente em função do comprimento de onda.

• Fontes de linhas: Emitem um número limitado de linhasespectrais, cada uma delas abrangendo uma região muitolimitada de comprimento de onda.

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• As fontes podem ser classificadas também comoininterruptas (contínuas, no sentido de que sua emissão nãoé interrompida com o tempo) e pulsadas, que emitemradiação periodicamente interrompida.

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Fontes Espectroscópicas

Fonte Contínua

Fonte de Linhas

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Fontes Espectroscópicas

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Fontes Espectroscópicas

Espectrofotômetros UV / Vis utilizam duas fontes de luz: lâmpada de

arco de um deutério (H2 e D2) para a intensidade consistente na faixa

de UV (160 a 380 nm) e uma lâmpada de tungstênio/halogênio para a

intensidade consistente no espectro visível (380 a cerca de 800 nm).

Seletores de Comprimento de Onda

• Os instrumentos espectroscópicos para as regiões do UV evisível são geralmente equipados com um ou mais dispositivospara restringir a radiação que está sendo medida dentro deuma banda estreita que é absorvida ou emitida pelo analito;

• Melhoram a seletividade e sensibilidade de um instrumento;

• Bandas estreitas reduzem a chance de desvios na lei de Beeroriundos de radiação policromática.

• Monocromadores: Possuem lentes e espelhos para focalizaçãoda radiação e possuem fendas de entrada e saída para seleçãodo λ

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Seletores de Comprimento de Onda - Monocromador

• Os monocromadores geralmente possuem uma rede de difraçãopara dispersar a radiação sem seus comprimentos de ondaconstituintes:

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Girando-se a rede, os

comprimentos de onda

diferentes podem ser

dirigidos para uma fenda

de saída.

• Os instrumentos antigos empregavam prismas para essepropósito, baseando-se na diferença entre o índice de refraçãodo ar e do material constituinte do prisma.

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Seletores de Comprimento de Onda - Monocromador

A faixa de comprimento de onda selecionada por um

monocromador é denominada largura de banda efetiva e pode

ser menor que 1 nm para os instrumentos de custo mais alto ou

maior que 20 nm para os instrumentos de baixo custo.

• A maior parte das redes dos monocromadores modernos écomposta por réplicas, geralmente feitas a partir de uma redemestra, que consiste em uma superfície dura, plana e polidasobre a qual uma ferramenta de diamante criou um grandenúmero de ranhuras próximas e paralelas.

• Um dos tipos mais comuns de rede refletora é a echellette

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• Um feixe paralelo de radiação monocromática incide sobre asuperfície com um ângulo i em relação à normal da rede. Ofeixe incidente é constituído por três feixes paralelos que criamuma frente de onda denominados 1, 2 e 3. O feixe difratado érefletido com um ângulo r, o qual depende do comprimento deonda da radiação.

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n= ordem de difração (número inteiro e pequeno)

d = distancia entre ranhuras

i = ângulo de incidência do feixe

r = ângulo do feixe refletido

• Os filtros operam pela absorção de toda a radiação comexceção de uma banda estreita. Os empregados são: filtros deinterferência e absorção.

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Seletores de Comprimento de Onda - Filtros

Os filtros de Interferência

geralmente transmitem

uma fração muito maior de

radiação nos seus

comprimentos de onda

nominais do que fazem os

filtros de absorção.

• Filtros de interferência:passam a radiação na região deinteresse e refletem os outroscomprimentos de onda;

• Empregados com as radiaçõesUV/Vis e comprimentos deonda de até 14µm no IV;

• Baseia-se na interferênciaóptica para produzir umabanda de radiação estreita (5 a20 nm de largura);

• É constituído de váriascamadas, isola bandas com até10 nm de largura e pode serusado tanto no UV e no visível.Porém, possui maior custo queos filtros de absorção 36

• Filtros de Absorção: Placa de vidro colorido que remove parteda radiação incidente por absorção;

• Os filtros de absorção são capazes de isolar bandas de nomínimo 50 nm de largura, menor custo e mais robusto,limitados na região do visível.

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Células

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Detectores

• Um detector é um dispositivo que indica a existência dealgum fenômeno físico.

• Os exemplos familiares de detectores incluem o filmefotográfico (para indicar a presença de radiaçãoeletromagnética ou radioativa), o ponteiro de uma balança e onível de mercúrio em um termômetro. O olho humano tambémé um detector converte a radiação visível em sinais elétricos,que são transmitidos ao cérebro via uma cadeia de neurôniospresentes no nervo óptico e que produzem a visão.

• Um transdutor é um tipo de detector que converte vários tipos de grandezas químicas e físicas em sinais elétricos, tais como uma carga elétrica, uma corrente ou uma voltagem.

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Detectores

• Um transdutor ideal para a radiação eletromagnética responde rapidamente a baixos níveis de energia radiante em uma faixa ampla de comprimento de onda.

• Produz um sinal elétrico fácil de ser amplificado e apresenta um baixo nível de ruído elétrico.

• É essencial que o sinal elétrico produzido pelo transdutor seja diretamente proporcional à potência radiante P do feixe

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• Todos os detectores de fótons são baseados na interação daradiação com uma superfície reativa para produzir elétrons(fotoemissão) ou para promover elétrons para os estadosenergéticos nos quais podem conduzir eletricidade (fotocondução)

• Detecta-se a radiação IV medindo-se o aumento de temperatura deum material escurecido localizado no caminho do feixe. Em virtudede o aumento de temperatura que resulta da absorção de radiaçãoIV ser muito pequeno, requer-se um controle rigoroso datemperatura para se evitar erros significativos é o sistema dedetecção que limita a sensibilidade e a precisão de um instrumentoIV. 41

Tipos de Aparelho

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Aplicações

43

- O Captopril é um fármaco de

primeira escolha em casos de

hipertensão arterial.

- Sua ação é eficiente, porém de

curto prazo. Comprimidos

de Liberação prolongada

- Desenvolvimento e a

validação de um método

analítico para quantificação

do captopril contido em

comprimidos de liberação

prolongada

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45

A Organização Mundial de Saúde (OMS) prevê que nos

próximos 20 anos, a depressão sairá do quarto para o

segundo lugar na lista de doenças dispendiosas e fatais

Cloridrato de Fluoxetina é amplamente utilizado no

tratamento da depressão por ser mais aceitável em

termos de tolerância e toxicidade. É mundialmente

conhecido como Prozac.

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Os método analítico proposto para determinação de cloridrato de fluoxetina em

cápsulas por UV é específico, exato, robusto e linear na faixa de 100,00 a 300,00

µg/mL, respectivamente. O método espectrofotométrico, entretanto, quando

comparado ao método cromatográfico é uma alternativa econômica e de fácil

execução, podendo ser utilizado em análise rotineira de controle de qualidade de

cápsulas de fluoxetina.

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Um método espectrofotométrico simples foi desenvolvido para a determinação do

bromidrato de fenoterol (BF) em comprimidos, gotas e xarope, como princípio ativo

único e associado ao ibuprofeno. O método se baseia na reação de acoplamento

oxidativo do BF com o 3-metil-2-benzotiazolinona hidrazona (MBTH), na presença de

sulfato cérico, como agente oxidante. A mistura de BF, MBTH e sulfato cérico, em meio

ácido, produz um composto colorido (vermelho castanho) com máximo de absorção a

475 nm. A curva de calibração foi linear num intervalo de concentração de 3,0 a 12,0

µg/mL, com coeficiente de correlação linear de 0,9998. O método proposto mostrou-se

exato, preciso, linear e não é passível de interferência de excipientes, para as formas

farmacêuticas comprimidos e gotas. Não houve interferência do ibuprofeno que consta

de uma das formulações analisadas, associado ao BF. Quanto ao xarope, houve

interferência do veículo sugerindo reações de seus componentes com o MBTH.

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Exercícios• 5) Imagine que você foi enviado para a Índia para investigar a

ocorrência de bócio atribuída à deficiência de iodo. Como partede sua investigação, você deve fazer medidas de campo detraços de iodeto (I-) nos lençóis d’água. O procedimento é oxidaro I- a I2 e converter o I2 num complexo intensamente coloridocom pigmento verde brilhante em tolueno.

• a) Uma solução 3,15 x 10-6 mol L-1 do complexo coloridoapresentou uma absorbância de 0,267 a 635 nm em umacubeta de 1 cm. Uma solução branco feita de água destilada nolugar do lençol d’água teve absorbância de 0,019. Determine aabsortividade molar do complexo colorido.

• b) A absorbância de uma solução desconhecida preparada dolençol d’água foi de 0,175. Encontre a concentração da soluçãodesconhecida. 49

Exercícios

• 6) Um composto de massa molecular de 292,16 g/mol foidissolvido em um balão volumétrico de 5 mL. Foi retirada umaalíquota de 1,00 mL, colocada num balão volumétrico de 10 mLe diluída até a marca. A absorbância a 340 nm foi de 0,427numa cubeta de 1 cm. A absortividade molar para estecomposto em 340 nm é: ε340nm= 6130 L mol-1 cm-1.

• a) Calcule a concentração do composto na cubeta.

• b) Qual era a concentração do composto no balão de 5 mL?

• c) Quantos miligramas do composto foram usados para sepreparar os 5 mL da solução?

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