Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

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Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações Cores complementares: Combinação aditiva (branco) ; combinação subtrativa (cinza ou preto). 1

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Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

Cores complementares: Combinação aditiva (branco) ; combinação

subtrativa (cinza ou preto).

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Equações Básicas

A espectroscopia Uv-Vis é baseada na

equação de Bohr-Einstein:

∆E = E2 – E1 = hνννν; νννν = c/λλλλ

Onde E2 , E1 , h, c , νννν e λλλλ referem-se aos níveis

de energia (fundamental e excitado), constante

de Plank, velocidade de luz, frequência e

comprimento de onda respectivamente.

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Lei de Lambert-Beer e Sua Aplicação

Absorbância = A = log (Io / I)λλλλ ;

%T (transmitância) = (I / Io) x 100

A = log (100 / %T )λλλλ = εεεελλλλ x c x l

Onde εεεελλλλ = Absortividade molar, c = concentração

molar, l = comprimento do caminho ótico em cm.

Assim, (A) não tem unidade, e a unidade de εεεελλλλ é

L mol-1 cm-1.

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A razão de usar a absorbância e não a % transmitância é que a

última escala não é linear no comprimento do caminho óptico.

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Correlação Entre a Estrutura Molecular e Absorção

O comprimento de onda da banda, λmax, depende

inversamente sobre ∆E (maior ∆E, menor λmax)), este

depende dos elétrons e os orbitais envolvidos

Energia das diferentes transições

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A seguir os valores mínimos (práticos) de uso de

alguns solventes (grau espectroscópico) no Uv-Vis (A =

0,6 em cela de 1cm; contra água como referência).

O ponto importante nesta Tabla é a correlação elétron

envolvido/energia do orbital antiligante/valor de λmax.

Solvente λλλλ mínimo,nm

Solvente λλλλ mínimo,nm

Hexano/ heptano

200 CH3CN 213

Dietil éter 205 CH2Cl2 233

Etanol puro 207 DMSO 270

i-Propanol 209 Benzeno 280

Metanol 210 Piridina 306

Ciclo-hexano

212 Acetona 331

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Vocabulário de Uv-Vis: Posição e Intensidade

dos picos

Cromóforo: Um grupo insaturado covalente,responsável pela absorção eletrônica (ex: C=C; C=O,NO2).

Grupo cromóforo Composto λλλλmax; nm

-C=C- H2C=CH2 180

Anel aromático Benzeno 255

-C=O Acetona 277

-N=N- Me-N=N-Me 347

-C=S Me2C=S 400

-N=O C4H9N=O 665

Valores de λmax de grupos cromóforos típicos

A conjugação de cromófores aumenta λλλλmax e εεεεmax

Composto λλλλmax, nm

εεεεmax, Lmol-1 cm-1

λλλλmax, nm

εεεεmax, Lmol-1

cm-1

H2C=CH2 180 10000

H2C=CH-CH=CH2 217 210000

H2C=O 180 10000 273 12

H2C=CH-CH=O 217 160000 321 20

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Efeito da conjugação sobre ∆∆∆∆E e λλλλ

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Relação entre o numero de duplas ligações, n, evalores de λmax na molécula CH3-(CH=CH)n-CH3

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Amarelo de alizarine

Vermelho de Congo

Auxocromo: Um grupo saturado que, quando

ligado a um cromóforo, altera tanto λmax, como εmax.

Importância para os corantes

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Deslocamento Batocrômico: desclocamento de λλλλmax para

valores maiores, em relação a um composto de referência ou

de partida. Também chamado deslocamento para o

vermelho.

Deslocamento Hipsocrômico: deslocamento de λλλλmax para

valores menores , em relação a um composto de referência

ou de partida. Também chamado deslocamento para o azul.

Efeito Hipercrômico: É um aumento da intensidade da

absorção

Efeito Hipocrômico: É uma diminuição da intensidade da

absorção.

O efeito de auxocromos foi estudado extensivamente em

sistemas orgânicos; observou-se a ordem:

O- > NHMe > NH2, OH > Cl > CH3 > NH3+ , H

Esta ordem de (G) concorda (aproximadamente) com que

sabemos sobre reações de substituição SEAr em G-Ph?

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Instrumentação

As partes básicas de um espectrometro dispersivo de Uv-Vis-

NIR (um λ por vez) são: Fontes de radiação; Monocromador;

Compartimento de amostra; Detector de absorção; Saída

(Impresso em papel; Digital; Display no monitor).

As fontes são: Uv lâmpadas de H2 ou D2; Vis lâmpada detungstênio (perda de W por evaporação; perda de intensidadedevido ao W ppt na parede do bulbo), lâmpada de halogênio

(vapor de I2).

Detectores: Uv-Vis = fotomultiplicadora; NIR = diodos de PbS e

PbSe.

Os espectrometros podem ser:

Mono-feixe: Onde a referência (solvente, ar) e a amostra são

lidas em seqüência a cada medida. Os aparelhos mono-feixe,

controlados por CPU armazenam a leitura do branco na

memória, e comparam a mesma com a a série de leituras

realizadas (Zeiss).

Feixe duplo: A amostra e a referência são comparadas o tempo

inteiro (Shimadzu).

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Espectrômetros Dispersivoa: Mono feixe

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Espectrômetros Dispersivo: Duplo Feixe

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A mono-cromação da luz foi feita com prismas, mais tarde com

grades de difração, cujo poder de resolução é dado por:

Resolução = λ/∆λ

Onde λ e ∆λ são o comprimento de onda e o poder de resolução.

Assim, para λ = 500 nm, e ∆λ = 0.5 nm, o valore de resolução é

1000. A resolução depende de conjunto de parâmetros

operacionais, velocidade de varredura (nm / min); a largura da

fenda (mm) por onde a luz passa, e o valor de ∆λ. Obtem-se

espectros com maior resolução usando varredura lenta, fenda

pequena e valor baixo de ∆λ.

Existem equipamentos que irradiam a amostra com a faixa

desejada inteira de λ e usam uma rede de foto-diodos (1024

elementos, 0,5 x 25 mm) de silício (diode array), cada

programado para “ler” uma faixa pequena de λ (HP). A luz

incidente sobre o material semicondutor gera corrente, que

descarrega um capacitor ligado. A carga necessária para

recarregar o capacitor depende da intensidade de luz incidente.

Espectrômetros com Rede de Diodos

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O equipamento é mais simples, pois não há grade ou

parte mecânica móvel (para dispersão da radiação);

Ganha-se bastante no tempo para tirar um espectro

(aspecto positivo para um sistema dinâmico); a

resolução pode ser menor que o dispersivo; a perda

de um, ou mais elementos implica na troca do

conjunto inteiro (caro) de foto-diodos.

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CELAS: MATERIAIS e TIPOS

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Aplicações

1- Determinação Quantitativa

Baseia-se na aplicação da lei de Lambert-Beer. Constrói-se um

gráfico entre a [substância] e a absorção de sua solução. Este é

usado para determinar a concentração desconhecida desta

substância, por exemplo, numa mistura.

Da equação (A = ε x C x l) a relação entre A e C deve ser linear.

Entretanto, há situações onde os gráficos mostram desvios da

linearidade, devido a problemas com a amostra (i a iv), ou de

origem instrumental (v a vii).

Problemas com a amostra

(i) Equilíbrios que dependem da concentração (ex: dimerização;

agregação); do pH do meio, etc;

(ii) Soluções concentradas (ca. > 0,01 mol/L) onde as interações

inter-moleculares; ou dos íons presentes mudam a

distribuição da carga das espécies que estão sendo seguidas,

conseqüentemente o valor de ε.

(iii) Em muitos casos, a banda de absorção é larga, dificultando a

determinação exata da λmax e, consequentemente, (A). Neste

caso, opta-se para usar as derivadas do espectro.20

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(iv) Reações secundárias foto-catalisadas

Por exemplo, a foto-oxidação de fenóis para

quinonas (na cinética, o valor de A aumenta o

tempo todo, sem alcançar infinito);

descoramento (bleaching) de corantes.

Estes problemas são mais graves no caso de

usar equipamento com rede de diodo pois a

amostra está sendo irradiada todo o tempo

pela faixa inteira da luz (maior chance de

oxidação)

Soluções: Usar equipamento dispersivo onde a

amostra é irradiada pela luz com λ adequada;

saturar a solução e cela com gás inerte; usar

equipamento de rede de diodos que irradia a

amostra somente na hora de fazer a leitura21

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A = ελ x c x l (Sem derivada)

∂A/∂λ = c x l x ∂ ελ/ ∂λ (Primeira derivada)

∂2A/∂λ2 = c x l x ∂2 ελ/ ∂λ2 (Segunda derivada)

Assim, no máximo de absorção do espectro a primeira

derivada = 0, e a segunda derivada tem valor mínimo. Os

espectros das derivadas auxiliam, por exemplo, na localização

dos máximos de absorção de bandas largas, e na resolução de

picos sobre-postos (ombros).

Vantagens e limitações no uso das derivadas:Redução na largura da banda (Gaussiana) de 100% (0) → 53%

(1ª ) → 41% (4ª), com aumento de resolução.Derivadas de ordem par geram artefatos (satélites) que podem

interferir nas bandas vizinhas.

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Problemas de origem experimental(v) O equipamento está descalibrado (λmax e,consequentemente (A) não estão corretos).Solução: Usar padrão (filtro ou solução)

Espectro de padrão Didymium glass filter 23

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(vi) Relação entre a largura de fenda, resolução, e (A)

Dois picos são considerados “resolvidos” se o mínimoentre eles está a 80% da intensidade máxima (Raleigh). Aresolução depende da largura da fenda.

Para espectros com estrutura fina, a largura de fenda

(LF, nm) empregada pode afetar o valor de (A),

conseqüentemente, a qualidade do espectro, e a

linearidade da lei de Beer. A seguir são os efeitos da

razão LF/largura da banda (LB) sobre o fator de

absorção, FA (FA < 1 = falso resultado)

LF/LB 0,1 0,25 0,5 1,0 1,5

FA 1,0 0,96 0,87 0,66 0,55

Ou seja, é necessário trabalhar com LF/LB < 0,1. 24

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Efeito da largura da fenda sobre a resolução do espectro de vapor de benzeno

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Problemas com as Determinações Quantitativas

Mesmo para amostras que obedecem a lei de Beer, háproblemas (intrínsecos) nas medidas de (A) pois, tanto λmax,

como εmax dependem dos elétrons presentes na molécula, e do

orbital anti-ligante de excitação:

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i-Absorção Fraca da solução:

As soluções deste problema são a seguir, dependem se

poder, ou não mudar o volume da solução:

(i) Usar cela de caminho ótico maior (l varia de 0,1 a 10

cm). Vantagem: a concentração não foi mudada;

Problemas: Precisa bastante volume de amostra, se

não tiver mini-, ou micro-celas; muitos equipamentos

tem porta-amostra somente para cela de 1 cm.

(ii) Concentrar a solução: Evaporação e medida; Extração,

ex: por solvente orgânico, seguida por evaporação e

medida. Limitações: Amostras termo-sensíveis;

solubilidade no solvente empregado.

(iii) Aumentar a absorbância por complexação, e/ou

derivatização do analito. Problema: pode perder o

analito.

Exemplos:

As absorções de íons metálicos podem ser aumentadas

pela transformação em produtos coloridos via

complexação com compostos orgânicos de estrutura

adequada, por exemplo:

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Page 29: Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

Alguns compostos absorvem fortemente. Exemplos são os

alcenos conjugados para os quais λmax e εmax, para a

transição π→π* são: 193, 217, 253 nm e 10000, 21000, e

50000 L mol-1 cm-1., respectivamente.

Outros têm absorção fraca, devido, por exemplo a

transição n→π* (εmax = 13, 17 para acetona e acetaldeído,

respectivamente).

Calcular a concentração de CH3CHO que pode ser

determinada, a saber:

Caminho ótico = 1 cm; εmax = 17; (A) desejado > 0,2.

Calcular a mesma concentração para a 2,4-dinitrofenil

hidrazona correspondente, sob as mesmas condições,

sendo λmax = 383 nm; εmax= 27600.

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Page 30: Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

A situação mais simples (A) é de dois componentes queabsorvem em λmáx bem afastados Exemplo: azul de timol,

que apresenta formas ácidas e básicas de cores bemdistintas (amarela e azul, respectivamente).

Em outras situações (B a D), os componentes da mistura

absorvem na mesma faixa espectral, embora com λmax e εmax

diferentes (vide espectro abaixo)..

Análise dos espectros de nitrofenóis, mostrando os isômeros orto (.....), meta (---), para (- . - . - ) e a mistura dos três ( ___ ).

Análise de sistemas multi-componentes

ORTO

META

PARA

MISTURA

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Page 31: Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

A absorbância da mistura é dada por:

A = C1 εmax1+ C2 εmax2 + C3 εmax3+............ n

A composição de mistura de (n) componentes pode ser

determinada se: (i) Foram feitas medidas em (n) valores

diferentes de λ; (ii) Os valores das absortividades

molares dos componentes da mistura em cada λ são

conhecidos; (iii) A lei de Lambert-Beer se aplica, sendo

as absorbâncias dos componentes são aditivas; (iv)

Não há interação entre os componentes, ou entre os

solutos e solvente (conseqüências de interações?).

Ponto Isosbético: Outro problema é quando a absorção

do sistema depende do pH, como a solução

cromato/dicromato, usado para calibrar os

espectrômetros: Cr2O72- + H2O ⇄ 2 CrO4

- + 2 H+

Aumento de pH de 2 para 10 causa λmax 350 → 375nm,

A → ≈ 3 A. Soluções: Tamponar o meio, ou usar

soluções não tamponadas e medir (A) no ponto

isosbéstico (somente depende da concentração)..

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Page 32: Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

Uso do ponto isosbéstico para fins mecanísticos

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Page 33: Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

2- Determinação de pKa de um ácido fraco

Para o equilíbrio : BH + H2O � B + H3O+, temos para l

= 1 cm

Co = CBH + CB (1)

Aexp = CBH εBH + CB εB (2)

Equações (1) e (2) podem ser manipuladas para

CB = (Aexp - Co εBH ) / ( εB- εBH )

CBH = (Co εB - Aexp) / (εB - εBH )

Para soluções diluídas, a constante de equilíbrio pode

ser dada em termo das concentrações (γ = 1) e

absorbâncias, como:

Ka = {(Aexp - Co εBH ) / (Co εB - Aexp)} aH3O+

e o pKa é determinado pela equação de Hendersson-

Hasselbach

pKa = log {(Aexp - Co εBH ) / (Co εB - Aexp)} + pH

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Page 34: Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

Dependência do espectro de absorção de 4-nitrofenol

sobre o pH do meio. pKa = 7,16. Obs:

A experiência consiste em determinar as absorbâncias

das soluções em função do pH do meio. Exemplo: 4-

nitrofenol.

Ponto

isosbéstico

Os valores de εHA e εA- são obtidos medindo-se as

absorbâncias do composto na mesma concentração

(conhecida) em pH muito ácido e muito básico,

respectivamente.34

Page 35: Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

Estudo quantitativo de CTC

Para o complexo 1:1 entre um doador (D) e receptor

de elétrons (A), formado em soluções diluídas, para l

= 1cm, temos:

KDA = CDA / (CoD - CDA ) (CoA - CDA )

Aequilíbrio=Ae = εD(CoD - CDA )+εA(CoA - CDA ) +εDA CDA

Onde o subscrito (o) refere-se a concentração inicial.

Se usamos CoD >> CoA, ou seja CoD + CoA >> CDA , e

se os componentes A e D não absorvem na λmax do

DA, temos a equação de Benesi-Hildbrand:

(CoA CoD ) / Ae = (1/ KDA εDA ) + (1/ εDA ) CoD

Fixa-se [receptor] e aumenta-se [doador]. Do gráfico

de (CoA CoD )/ Ae versus CoD obtém-se (1/ εDA) do

coeficiente angular e KDA do coeficiente linear, como

mostram as Figuras a seguir para o complexo entre

tetrametil-p-hidroquinona (D) e tetracloro-p-

benzoquinona (A). 35

Page 36: Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

Espectros de [D] = 1,03 – 12,4 x10-2 mol L-1, [A] = 9,7 x 10-4 mol L-1

Aplicação da Equação de Benesi-Hildbrand.

εεεεAD = 2580 l mol-1cm-1; K = 2,15 l mol-1

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Page 37: Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

Uso de solvatocromismo : Análise quantitativa sem

gráfico de Beer

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Page 38: Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

Bioetanol-gasolina Bioetanol-água

El Seoud et al, J. Chem. Educ. 88, 1293 (2011); Chem. Educ. Res. Pract, 13, 147 (2012)

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Page 39: Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

Cafeína Teobromina Teofilina

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As metilxantinas cafeína, teobromina (pKa 9,9) e teofilina (pKa 8,8)

apresentam as seguintes estruturas moleculares:

E1% 1cm

Cafeína 519

Teobr.

55

0

Teofil.

53

0

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Page 40: Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

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Page 41: Espectroscopia Uv-Vis e suas Aplicações

SEMINÁRIOS - RESULTADOSAVALIADO

RDATA TEMA

GRUPOS

NOTA

Parcial

Média05/ab

r P.A + cinética DCA G1+G2 7.6

Média12/ab

r P.A + cinética DCA G3+G4 7.9

Média19/ab

rCorante + cinética

CDNF G1+G2 8.4

Média26/ab

rCorante + cinética

CDNF G3+G4 8.1

Média03/m

ai FTIR sólidos + ATR G1+G2 9.0

Média10/m

ai FTIR sólidos + ATR G3+G4 8.5

Média17/m

aiFTIR líquidos 1 +

Raman G1+G2 8.0

AVALIADOR

DATA TEMAGRUPO

SNOTA

Parcial

Média 08/mar Corante 3 e 4 8.3

Média 08/marClorofil

a 1 e 2 7.2

Média 22/mar T1 3 6.5

Média 22/mar T2 4 7.3

Média 05/abr T1 1 8.5

Média 05/abr T2 2 6.5

Média 12/abr T3 3 7

Média 12/abr T4 4 6.3

Média 19/abr T3 1 7.5

Média 19/abr T4 2 6.5

Média 17/mai T5 1 8.15

Média 17/mai T6 2 7.9

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