Diapositivas Uv-Vis Ai Iqi 2012

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Espectrofotometría Molecular

U V / V i s

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Contenido• El espectro electromagnético

• Interacción de la luz con la materia: transiciones electrónicas

• Componentes principales del espectrofotómetro: fuente de luz, sistema de aislación delongitud de onda, compartimiento de la celda/referencia, detector

• Ley de Lambert‐Beer

– Limitaciones de la ley de Lambert‐Beer

• Usos de la espectrofotometría UV/Vis

– Identificación de sustancias y determinación de estructuras

– Análisis cuantitativo: determinación de componentes por curvas de calibración

– Estudio de sistemas en equilibrio (complejación, pH, redox)

– Titulaciones espectrofotométricas y fotométricas

– Análisis de mezclas

• Métodos especiales

– Espectroscopía derivada

– Turbidimetría

– Nefelometría

• Espectrofotometría molecular de fotoluminiscencia: Fluorescencia y fosforescencia.

• Referencias

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• Energía.• Viaja a través del espacio vacío.• Campo eléctrico y magnético que varían repetidamente.•Comportamiento de onda y de partícula.

Radiación electromagnética

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Longitud de onda ()Distancia lineal entre dos puntos equivalentes deondas sucesivas (sucesivos máximos o mínimos).

Longitud de onda

Max Max

Min Å = 10‐10 m nm = 10‐9 m m = 10‐6 m

Frecuencia ()Número de crestas de onda que pasan por un puntodado cada segundo.

Hertz (Hz): 1 Hertz = 1 onda por segundo = s‐1

Propiedades Generales de las Ondas

181000.3 smvc c

v

1

v

Numero de ondaNúmero de unidades de que hay en 1 centímetro.

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Regiones del Espectro Electromagnético

Bajas frecuencias

Longitudes de ondaLargas

Altas frecuencias

Longitudes de onda Cortas

Radiación ElectromagnéticaBAJA ENERGÍA

Radiación ElectromagnéticaALTA ENERGÍA

E = h

E = hc

Constante de Planck (h) = 6.6260755 10‐34 J∙s

Velocidad de la luz (c) = 3.00 108 m∙s‐1

vhcE

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Regiones del Espectro electromagnético: Interacción con la materia

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Espectroscopías: Intercambio de energía

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Espectro UV/Vis

• Forma depende de

– Transiciones electrónicas que pueden ocurrir.

– Estado físico

– Ambiente atómico en el que ocurren las transiciones

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Espectros electrónicos: Definiciones

• Cromóforo– Grupo covalente insaturado responsable de la absorción en la región

UV/Vis.– Ejemplos: CC ; CO ; NO2

• Auxocromo– Grupo saturado que al enlazarse a un cromóforo cambia la longitud de

onda y la intensidad del máximo de absorción.– Ejemplos: OH ; NH2 ; Cl

• Efecto hipercrómico– Incrementa la intensidad de absorción

• Efecto hipocrómico– Disminuye la intensidad de absorción.

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Radiación electromagnética: Interacción con la materia

• Reflexión

• Dispersión

• Absorción

• Absorción y reemisión

– Fluorescencia/fosforescencia

• Absorción y ruptura de enlaces

–Reacción fotoquímica

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Espectro UV/Vis: Transiciones electrónicas

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Transiciones electrónicas• Involucran electrones ubicados en orbitales , y n.

• Comparación de E: n* < * < n* << *

• Transición *– Requiere energía del UV lejano (125‐135 nm).

– Hidrocarburos saturados: transparentes en UV cercano

• Transición n*– Enlaces simples –C – C – y electrones no compartidos (O, N, S, Cl).

– Intensidad moderada (180‐220 nm).

– Ejemplos: metanol, éter, etilamina, 1‐clorobutano.

*

*

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Transiciones electrónicas• Transición n *

– Debe haber pares de electrones no compartidos y además ‐CC‐ o ‐CC‐– Ej: carbonilos, nitros, azo compuestos.

• Transición *

– Debe haber grupos que tengan dobles o triples enlaces.

– Fuerte absorción.

– Ej: etilenos, acetilenos, carbonilos, azocompuestos

• Transición d d

– Sales inorgánicas

– Débil absorción en la región Vis

– Ejemplo: [Cu(H2O)6]2+

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Efecto del Disolvente

• Hipsocrómico (cambio al azul)

– Típica en transiciones n*– Estado basal más polar que estado excitado

– Solvente polar estabiliza por solvatación a molécula antes de absorción del fotón

– Posición de máximo de absorción se desplaza a longitudes de onda cortas (E) con respecto a los obtenidos con solventes no polares

• Batocrómico (cambio al rojo)

– Típica en transiciones *– Estado excitado más polar que estado basal

– Solvente polar estabiliza por solvatación a molécula excitada

– Posición de máximo de absorción se desplaza a longitudes de onda larga (E) con respecto a los obtenidos con solventes no polares.

Los dos efectos también pueden ocurrir como resultado de la sustitución de un grupo funcional

• Efecto del pH

– Cambio de pH afecta la estructura de grupos ácido ó básicos y ocurre un cambio en la posición de max.

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Componentes del espectrofotómetro

• Fuente de radiación electromagnética.

• Sistema de dispersión:– Seleccionan una longitud onda particular (ancho de banda).

• Área de muestra

• Detectores– Miden la intensidad de la radiación.

Fuente de luz

Sistema de

dispersiónMuestra Detector

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Espectrofotómetro: Fuente de radiación

• Lámpara de arco dedeuterio: UV

• Lámpara de tungsteno‐halógeno: parte del UVy toda la región visible

• Selección de la fuentede luz

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Espectrofotómetro: Sistema de dispersión

• Diferentes longitudes de ondade radiación se dispersan enángulos diferentes.

• En combinación con unarendija de salida se utilizanpara seleccionar una longitudde onda en particular (anchode banda) de la fuente de luz

• Dos tipos:– Prismas– Rejillas holográficas

• Monocromador =– Rendija de entrada +– Sistema de dispersión +– Rendija de salida

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Espectrofotómetro: Detector

• Convierte luz en señal eléctrica.–Tubo fotomultiplicador

–Fotodiodo

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Espectrofotómetro: Detector

Fototubos

Es el principio por el que trabajan losfotomultiplicadores. Son sensibles a la luz, la cualse transforma en corriente eléctrica. Formadospor un tubo que se encuentra al vacío relleno conalgún gas inerte (argón o similar) y un cátodo.

Al contrario que en los tubosfotomultiplicadores, no seproduce amplificación.

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Unidad IEspectrofotometría ultravioleta visible molecular

INSTRUMENTACIÓNINSTRUMENTACIÓN

Tubo fotomultiplicador

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Tubo fotomultiplicador

Los fotones impactan en una primera placadenominada fotocátodo.

Desprendimiento uno o más electrones.

Atracción y aceleramiento coulombimétrico de loselectrones a una segunda placa (dínodo) con unpotencial de 90 V por encima del fotocátodo

Este proceso se repite a través de una cadena de 9dínodos, se genera una corriente eléctrica de 106 a107electrones por cada fotón

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Diodos

Consiste en una unión pn polarizada inversamente que se monta en un chip de silicio.La polarización inversa reduce a cero la conductancia de la unión


Diodo

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La radiación que incide forma agujeros yelectrones que generan una corriente proporcional a lapotencia radiante

Los arreglos de diodos están integrados por fotodiodosindividuales montados sobre un chip de silicio


Diodos

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Óptica invertida

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Configuraciones

• Un solo haz (1)

• Doble haz (2)

• Haz dividido (3)

1. Reference. Solvent, memoria

2. Solvent + Analyte

1. Reference , solvent

1. Reference. Solvent

2. Solvent + Analyte

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Área de la muestra: Celdas• El material debe ser completamente transparente a todas las longitudes

de onda.

• Referencia: Compensa la reflexión, dispersión y absorción debida a la celda y al disolvente.

320 nm210 nm

190 nm

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Área de la muestra: CeldasTípico paso óptico: 10 mm

Muestras poco absorbentes: mayor longitud de paso.Muestras muy absorbentes: menor longitud de paso.

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Cuidados de las celdas

• Evitar rayaduras.

• No tocar paso óptico con los dedos. Grasa delos dedos genera absorbancia significativa.

• Superficies ópticas sucias: limpiar con tejido omaterial suave.

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Selección del solvente

• Solvente ideal: no flamable, no tóxico, sin absorción en todas las longitudes de onda (transparente).

• El solvente debe ser compatible con el material de la celda.• Solventes muy volátiles (acetona, diclorometano): utilizar celda con tapa.

Disolvente Punto de corte de transparencia(Cutoff)

Disolvente Punto de corte de transparencia(Cutoff)

Acetonitrilo 190 nm Etanol 210 nm

Agua 191 nm 1‐butanol 210 nm

Heptano 197 nm Metoxietanol 210 nm

Glicerol 207 nm 1,4 ‐dioxano 215 nm

Hexano 210 nm Éter etílico 218 nm

Ciclohexano 210 nm Tetrahidrofurano 220 nm

Metanol 210 nm Diclorometano 235 nm

%T = 10%, celda de 1 cm de paso óptico (A = 1): Cualitativo%T = 90%, celda de 1 cm de paso óptico (A = 0.05): Cuantitativo

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Celda de absorción

Ley de Lambert‐Beer: Deducción

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dP = de poder radiante en capa

infinitesimalmente pequeña.

N = # especies absorbentes

yxdbc N

333 cm

cmmmol

cmcmcmcm

mmol

c

Ley de Lambert‐Beer: DeducciónSegmento de la celda de absorción

especies 106.023 23 mmol

dbcyxmmol

especies

))(

10023.6( N

23

dbcmmol

cmespecies

22310023.6 N

dbc K N

# choques N P dp N P = K c db P

dP = ‐ K c db P

K = constante de proporcionalidad

Signo ( ) : P decrece cuando db aumenta

Incidente Transmitida

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Ley de Lambert‐Beer: Deducción

cbK

PP

bcKPP

cbKPP

bcKPP

dbKcp

dp

T

T

T

T

bP

PT

303.2log

303.2log

log303.2

ln

0

0

0

0

0

0

cbPPT

0

log

ncia transmitade PorcentajeT100

0T 1 ancia)T(transmitPP

0

T

cbT log AcbεlogT

M ión,concentracc

cm óptico, pasob

cmM molar, adabsortividε

aladimensiona,absorbanciA1-1-

cbεA

ε = valor característico de una molécula o ión

absorbente en disolvente determinado a una

determinada.

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Transmitancia y longitud de paso óptico, b

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A y T vs. concentración a una determinada y b

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Absorbancia, Transmisión y Color

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Ley de Lambert‐Beer: Problemas

• El hexano puro apenas presenta absorbancia en el UV porencima de 200 nm. Una disolución preparada disolviendo 25.8mg de benceno (C6H6, PM 78.114) en hexano y diluyendo a250 mL, presenta una banda de absorción a 256 nm y unaabsorbancia de 0.266 en una celda de 1.0 cm. Hallar laabsortividad molar () del benceno a dicha longitud de onda.

• Una muestra de hexano contaminada con benceno dio unaabsorbancia de 0.070 a 256 nm en una celda de 5 cm de pasode luz. Hallar la concentración del benceno en mgL‐1.

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Ley de Lambert‐Beer: Condiciones

• Para que se cumpla– Radiación: monocromática.

– Concentraciones bajas: 10‐2 y 10‐7 M.

– Absorción debe ocurrir dentro de un volumen desección transversal uniforme.

– Celda y disolventes: transparentes a radiaciónempleada.

– Disolución: no fluorescente o heterogénea(partículas).

– Solutos: no experimentar reacciones fotoquímicas.

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Ley de Lambert‐Beer: Limitaciones

Fundamentales– Concentraciones elevadas(>0.01 M) del analito oelectrolitos.

– Especies químicas no secomportan de maneraindependiente.

– Cambio en el índice derefracción de ladisolución.

– Consecuencia: cambia elvalor de .

cbεA

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Ley de Lambert‐Beer: Limitaciones

Químicas

– Formación de productoscon característicasabsorbentes distintas alas del analito.

• Disociación.

• Asociación

• Reacción con disolvente

– Equilibrios• Ácido‐base.

• Complejación.

Figura: Principios de análisis instrumental, 5ª edición, Skoog, Holler, Nieman

pKa = 4.87

pH no amortiguado en

la disolución

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Ley de Lambert‐Beer: Limitaciones Instrumentales

– Radiación policromática.

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varia constante

Figuras: Principios de análisis instrumental, 5ª edición, Skoog, Holler, Nieman

Medir A en banda de absorción ancha.Medición de A en la pendiente: utilizar estrecho ancho de banda efectivo para mejorar linealidad.

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Ley de Lambert‐Beer: Limitaciones Instrumentales

– Radiación parásita o dispersada (Pstray)• Dispersión y reflexión de superficies: rendijas filtros y ventanas.

• Diferente • No atravesó la muestra: no siguió camino de fuente a detector.

Figura: Fundamentals of UV‐vis Spectrometry ‐ Primer, Agilent Tecnologies

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Espectrofotometría UV/Vis: Aplicaciones

• Análisis cuantitativo– Determinación de componentes por curvas de calibración

• Análisis de mezclas

• Estudio de sistemas en equilibrio (complejación, pH, redox)

• Titulaciones espectrofotométricas y fotométricas.

• Espectroscopía de derivadas

• Identificación de sustancias y determinación de estructuras.

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Análisis de especies no absorbentes

• Derivatización: transformación química del analito a una especie absorbente.

• Reacción de derivatización:– Específica

– Cuantitativa

– Rápida

– Reproducible

– Producto estable en solución

• Típicas aplicaciones– El analito está presente en

una matriz que tieneconstituyentes queabsorben en el mismointervalo espectral.

– El analito no tienecromóforo (no hayabsorción) o la absorciónes débil.

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Análisis de mezclas

• Aditividad de absorbancias

La A de una mezcla a cualquier longitud de onda esigual a la suma de la A de cada componente en lamezcla a dicha longitud de onda (se asumen lasmismas concentraciones molares).

Fuente

b

A1

C1

A2

C2

bDetector

Abs.A

A = A1+ A2 C1 + C2

Detector

Abs.A

Fuente

b

111 cbεA 222 cbεA 2211 cεcεbA

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• Caso simple:– Medida de A al # de a #

de componentes en mezcla.

• Metodología:– Elección de para cada

componente: AMax

– Determinación de para cadacomponente a : medida deA de soluciones estándar deconcentración conocida decomponentes puros(calibración).

– Medida de A de mezcla a seleccionadas.

ynm 210

yxnm 210

xnm 210

ynm 210

xnm 210y)(x cbεcbεAAA

ynm 230

yxnm 230

xnm 230

ynm 230

xnm 230y)(x cbεcbεAAA

nm 230y)(xA

nm 210y)(xA

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Análisis de mezclas: Problema

1. Las absortividades molares () de loscompuestos X e Y se midieron con muestras purasde cada uno de ellos.

Una mezcla de los compuestos X e Y en una celdade 1.000 cm dio una absorbancia de 0.957 a 272nm y de 0.559 a 327 nm. Hallar lasconcentraciones de X e Y en la mezcla.

2. El Pd (II) y el Au (III) se analizaronsimultáneamente por medio de una reacción conmetiomeprazina (C19H24N2S2). La absorciónmáxima para el complejo de Pd ocurre a 480 nmy para el complejo de Au a 635 nm (valores de480nm y 635nm en la tabla).

Una muestra de 25 mL se trató con exceso demetiomeprazina y se diluyó a 50 mL. Calcúlese lasconcentraciones molares de Pd (II) y Au (III) en lamuestra si la solución diluida tuvo unaabsorbancia de 0.533 a 480 nm y de 0.590 a 635nm cuando se midió en una celda de 1 cm depaso óptico.

Absortividad molar,

Complejo 480 nm 635 nm

Pd 3.55103 5.64102

Au 2.96103 1.45104

Absortividad molar,

, nm X Y

272 16440 3870

327 3990 6420

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Análisis de mezclas: Punto isosbéstico

• Longitud de onda a la quese cruzan entre si losespectros de A de dosespecies.

• En una disolución en la queocurre una reacción químicaes una prueba de que:– Solo hay 2 componentes

– La concentración total esconstante.

• Aplicación: estudio deconcentración total de dosespecies en equibrio.

Aacido = Abase

acido = base

baseacidooisosbéstic punto

basebaseacidoacidooisosbéstic punto

ccεA

cεcεA

b

bb

Ácido

Base

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Valoraciones fotométricas• Identificación de puntos de equivalencia de titulaciones.

• Uno o más de los reactivos o productos debe absorberradiación (alternativa: indicador).

titulante:ε

producto:ε

analito:ε

t

p

s

Absorban

cia

Vt, mL

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Valoraciones fotométricas

Analitos: Bi(III) + Cu(II)

Concentración: 0.002 M

Vdisolución: 100 mL

Valorante: EDTA 0.1 M

analítica: 745 nm

Cu(II) + BiY‐

CuY2‐ + BiY‐

CuY2‐ + BiY‐+ Y4‐

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Espectroscopía derivadaMax

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Espectroscopía derivada: Aplicaciones

• Análisis cualitativo: Identificación de una sustanciapor comparación de espectro medido vs un espectrode referencia.

• Derivadas de orden superior: Aumentan número debandas de un espectro (espectro más complejo).

• Ejemplo: Testosterona

– Espectro de cero orden: solo una banda ancha (330 nm)

– Espectro de segundo orden: seis bandas distintas

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• Reducir efectos de interferencia originados pordispersión, matriz de muestra u otros compuestosque absorben luz en la región UV/Vis (análisiscuantitativo)

10%

1%

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Zero‐crossing

Simultaneous Determination of %Furfuraldehyde and 5‐(Hydroxymethyl) ‐2‐furfuraldehyde by DerivativeSpectrophotometryJ. Agric. Food Chem. 1002, 40, 1022‐1025

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