Prof. Valmir F. Juliano

1. Prof. Valmir F. Juliano QUI624 INTRODUÇÃO AOS MÉTODOS ESPECTROANALÍTICOS – I

2. Chamados de métodos de via úmida Gravimetria Volumetria Eletroanalítico Cromatográfico Propriedades elétricas Propriedades mistas Classificação dos métodos analíticos CLÁSSICOS E INSTRUMENTAIS Baseados em propriedades físicas (químicas em alguns casos ) Espectrométrico Propriedades ópticas

3. Natureza ondulatória da Radiação Eletromagnética Radiação eletromagnética, ou luz, é uma forma de energia cujo comportamento é descrito por propriedades tanto de onda quando de partícula. A natureza exata da radiação eletromagnética somente foi esclarecida após o desenvolvimento da mecânica quântica por volta do início do século XX. Propriedades ópticas, como a difração, são melhores explicadas quando a luz é tratada como onda. Muitas interações entre a radiação eletromagnética e a matéria, como absorção e emissão, entretanto, são melhores descritas tratando a luz como partícula ou fóton.

4. Baixa energia Alta energia Comprimento de onda e Energia E = energia h = constante de Planck (6,626 . 10-34 J s) n = frequência c = velocidade da luz (2,998 . 108 m s-1) l= comprimento de onda

5. Usos da radiação eletromagnética

6. Uso em Química: Métodos Espectrométricos, Espectrofotométricos, Espectroquímicos ou Espectroanalíticos?!? Tutti quanti

7. Métodos Espectrométricos Os métodos espectrométricos abrangem um grupo de métodos analíticos baseados na espectroscopia atômica e molecular. Espectroscopia é um termo geral para a ciência que estuda a interação dos diferentes tipos de radiação com a matéria. A espectrometria e os métodos espectrométricos se referem às medidas das intensidades da radiação usando transdutores fotoelétricos ou outros dispositivos eletrônicos.

8. Métodos Espectrométricos • Os comprimentos de onda da radiação eletromagnética se estendem dos raios-gama até as ondas de rádio, com aplicações diferenciadas. • Os métodos espectrométricos se baseiam em propriedades ópticas (mesmo que a radiação não seja percebida pelo olho humano), quer sejam de emissão ou absorção de radiação eletromagnética de determinados l. • Como as interações da radiação com a matéria podem ocorrer tanto em nível atômico como em nível molecular,os métodos instrumentais espectrométricos se dividem em 4 classes: • Emissão (emissão atômica) • Luminescência (fluorescência atômica e molecular, fosforescência) • Espalhamento (Raman, turbidimetria e nefelometria) • Absorção (absorção atômica e molecular)

9. Métodos Espectrométricos

10. Métodos Espectrométricos

11. 474,95 341,8 396,1 275,3 Métodos Espectrométricos ABSORÇÃO ATÔMICA: O espectro é em forma de linhas finas devido aos níveis atômicos sem subníveis energéticos.

12. lmax Métodos Espectrométricos ABSORÇÃO MOLECULAR: O espectro de absorção é caracterizado por bandas largas devido aos vários níveis e subníveis energéticos dos orbitais moleculares.

13. Métodos Espectrométricos E2 E1 Rotacional ~ 0,01 kJ mol-1 RMN Vibracional ~ 1 kJ mol-1 IV Eletrônica ~ 100 kJ mol-1 UV-Vis E0

14. Métodos Espectrométricos • Quando as energias envolvidas são altas, por exemplo emissões de Raios-X, as transições eletrônicas acontecem com os elétrons dos orbitais mais internos e, nestes casos, serão independentes das ligações que os átomos estejam fazendo. • Quando um elétron é excitado a um nível vibracional mais alto de um estado eletrônico, a relaxação para um nível vibracional mais baixo desse estado ocorre antes que a transição eletrônica ao estado fundamental possa ocorrer. A razão disso é explicada em termos da transferência do excesso de energia para outros átomos através de uma série de colisões.

15. Métodos Espectrométricos • COMPONENTES BÁSICOS DOS EQUIPAMENTOS • Fonte de radiação:* • Lâmpadas de xenônio, deutério, tungstênio, lasers, etc • Seletor de comprimento de onda: • Filtros e monocromadores. • Transdutores: • Tubos fotomultiplicadores, fotodiodos, CCD, fotocélulas, etc. • * Para algumas técnicas de emissão, serão necessários mais alguns componentes.

16. Fonte Seletor de comprimento de onda Métodos Espectrométricos Fotômetro de feixe único para medidas de absorção na região visível Transdutor

17. Métodos Espectrométricos Espectrofotômetro manual de feixe duplo para medidas de absorção na região UV/Visível Fonte Transdutor Seletor de comprimento de onda

18. Métodos Espectrométricos abordados nesta disciplina • Espectrometria de Absorção Molecular na região do ultravioleta/visível. • Espectrometria de Luminescência Molecular. • Espectrometria de Absorção Atômica. • Espectrometria de Emissão Atômica.

19. Absorção molecular no UV/Vis Mais fácil que botânica....

20. Absorção Molecular no UV/Vis • Porque as nuvens são brancas? • Espalha todos os l igualmente. • Porque durante o dia o céu é azul e porque ao entardecer ou amanhecer ele é alaranjado? • Espalhamento Rayleigh: l menores se espalham com maior facilidade.

21. Absorção Molecular no UV/Vis • Medidas de absorção da radiação eletromagnética na região do UV/Visível encontram vasta aplicação para identificação e determinação de milhares de espécies inorgânicas e orgânicas. • Os métodos de absorção molecular talvez sejam os mais amplamente usados dentre todas as técnicas de análise quantitativa em laboratórios químicos e clínicos em todo mundo.

22. Absorção Molecular no UV/Vis • Absorção da radiação eletromagnética de comprimentos de onda na faixa de 160 a 780 nm. • Comprimentos de onda inferiores a 150 nm são altamente energéticos que levam à ruptura de ligações químicas. • Acima de 780 nm atinge-se o IV próximo, onde a energia, já relativamente baixa, começa apenas a promover a vibração molecular e não mais transições eletrônicas. • Devido ao grande número de estados vibracionais e rotacionais, um espectro de absorção no UV/Vis apresenta um formato alargado (banda).

23. Absorção Molecular no UV/Vis Região da luz visível do espectro eletromagnético L U Z V I S Í V E L Comprimento de onda (nm)

24. Absorção Molecular no UV/Vis Região da luz visível do espectro eletromagnético

25. Absorção Molecular no UV/Vis Região da luz visível do espectro eletromagnético L U Z V I S Í V E L

26. Sensibilidade do olho humano Visão noturna (Escotópica) Visão diurna (Fotópica) Comprimento de onda Absorção Molecular no UV/Vis

27. Absorção Molecular no UV/Vis COLORIMETRIA Um objeto tem a cor correspondente aos comprimentos de onda que ele reflete, mas... Depende de quem vê!!!

28. Absorção Molecular no UV/Vis COLORIMETRIA: Um objeto tem a cor correspondente aos comprimentos de onda que ele reflete. Cores primárias Cores secundárias

29. Lâmpada de D2 Lâmpada de Vapor de Hg Absorção Molecular no UV/Vis • Qual o tipo de fonte de radiação deve ser usado para a espectrometria UV e Visível? • Região UV: 160 a 380 nm • Lâmpada de deutério, xenônio ou vapor de mercúrio

30. Absorção Molecular no UV/Vis • Qual o tipo de fonte de radiação deve ser usado para a espectrometria UV e Visível? • Região Visível: 380 a 780 nm • Lâmpada de filamento de tungstênio • LED coloridos

31. Absorção Molecular no UV/Vis • Como selecionar o comprimento de onda desejado? • Filtros ópticos: • Filtros de absorção • Simplesmente absorve • alguns comprimentos de • Onda. • Filtros de interferência • Usando de reflexões e • interferências destrutivas • e construtivas, seleciona • o comprimento de onda • desejado.

32. Absorção Molecular no UV/Vis Filtros Ópticos de Absorção

33. Absorção Molecular no UV/Vis A visualização desta imagem através de filtros ópticos exemplifica bem o funcionamento dos filtros em barrar determinados comprimentos de onda.

34. Absorção Molecular no UV/Vis Filtros Ópticos de Interferência

35. Absorção Molecular no UV/Vis Filtro de absorção Filtro de interferência

36. Absorção Molecular no UV/Vis • Como selecionar o comprimento de onda desejado? • Monocromadores: • Fenda de entrada • Lente colimadora • ou espelho • Prisma ou rede • de difração ou • holográfica • Elemento de • focalização • Fenda de saída

37. Lentes Fonte luminosa Fenda Rede de difração Detector Lentes Cubeta Fenda Absorção Molecular no UV/Vis

38. Absorção Molecular no UV/Vis

39. Absorção Molecular no UV/Vis • Como fazer a leitura do absorção de luz? • Transdutores de radiação: • Fotônicosmonocanais • Células fotovoltáicas • Fototubos • Fotomultiplicadores • Fotodiodos • Fotônicosmulticanais • Arranjo de fotodiodos (PDA) • Dispositivos de transferência de cargas • CID e CCD (bidimensionais)

40. Absorção Molecular no UV/Vis Tubo fotomultlicador Arranjo linear de fotodiodos (pda - photodiodearray)

41. Absorção Molecular no UV/Vis • Como ocorre a absorção da luz? • A absorção de radiação UV ou visível por uma espécie atômica ou molecular pode ser considerada como um processo que ocorre em duas etapas: • M + hn M* excitação • M*  M + calor (desprezível) relaxação • São três tipos de transições eletrônicas: • 1) elétrons p, s e n (moléculas e íons inorgânicos) • 2) elétrons d e f (íons de metais de transição) • 3) transferência de carga (complexos metal-ligante) • Obs.: Se M* sofrer decomposição ou formar novas espécies, o processo é chamado de reação fotoquímica e, neste caso, não será possível fazer a quantificação de M.

42. Métodos Espectrométricos Níveis de energia eletrônica molecular.

43. Absorção Molecular no UV/Vis Comprimentos de onda de absorção característicos das transições eletrônicas.

44. Absorção Molecular no UV/Vis Espectro Vis típico Espectro UV típico [Fe(fen)3]2+ Os máximos de absorção devem-se à presença de cromóforos na molécula. (Temos duas absorções em 190 e 270 nm no espectro da acetona e uma em 510 nm no espectro do complexo [Fe(fen)3]2+). Cromóforo Auxocromos • Átomo ou grupo de átomos que absorve radiação. • Átomo que não absorve radiação. • Modifica alguma característica da absorção do cromóforo.

45. Absorção Molecular no UV/Vis • Como melhorar a absorção da luz? • Se o analito M não for uma espécie absorvente ou que tenha uma baixa absorção, deve-se buscar reagentes reajam seletiva e quantitativamente com M formando produtos que absorvam no UV ou no visível. • Uma série de agentes complexantes são usados para determinação de espécies inorgânicas. • Exemplos: SCN- para Fe3+; I- para Bi3+. • Natureza do solvente, pH, temperatura, concentração de eletrólitos e presença de substâncias interferentes são as variáveis comuns que influenciam o espectro de absorção e, evidentemente, seus efeitos precisam ser conhecidos. Qual a relação entre a absorção e a concentração?

46. Métodos Espectrométricos Potência do feixe incidente Potência do feixe transmitido Caminho óptico

47. Absorção Molecular no UV/Vis Perdas por reflexão e espalhamento com uma solução contida em uma célula (cubeta) de vidro típica. As reflexões ocorrem em qualquer interface que separa os materiais. Como não há como evitar estas reflexões e espalhamentos, torna-se necessário usar a mesma cubeta (ou uma idêntica) nas medidas das várias soluções dos padrões e da solução amostra do analito.

48. Absorção Molecular no UV/Vis Para compensar os efeitos da perda de potência do feixe luminoso ao atravessar o solvente, a potência do feixe transmitido pela solução do analito deve ser comparada com a potência do feixe transmitido em uma cubeta idêntica contendo apenas o solvente. Se o material de fabricação da cubeta provocar uma diminuição na potência do feixe luminoso, essa diminuição também será compensada.

49. Absorção Molecular no UV/Vis • A lei de Beer-Lambert, também conhecida como lei de Beer-Lambert-Bouguer ou simplesmente como lei de Beer é uma relação empírica que relaciona a absorção de luz com as propriedades do material atravessado por esta. • A lei de Beerfoi descoberta independentemente (e de diferentes maneiras) por Pierre Bouguerem 1729, Johann Heinrich Lambert em 1760 e August Beerem 1852.

50. Absorção Molecular no UV/Vis • A expressão final da lei de Beer é A = ebc, a qual pode ser obtida pela integração de: onde S é a área da seção atravessada pela luz e Px é a potencia ao longo do caminho óptico.