Espectrofotometr ¡a de Absorci ¦n 11-12.pdf

Introduccin a los mtodos espectroscpicos.

Mtodosespectroscpicos

UV-Visible

Refractometra

Fluorescencia molecular

Plasma

Absorcin atmica

Raman

Infrarrojo

Rayos-x

RMN

UMSNH/FQFB/Ciclo 11-12Espectrofotometra Absorcin-UV-Vis /

Anl Inst / JLSH


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ULTRAVIOLETA VISIBLE

REGIN DE TRABAJO DE LA ESPECTROSCOPA DE ABSORCIN

180 nm 1100 nm


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ABSORCIN EMISIN

ATMICA MOLECULAR ATMICA MOLECULAR

Espectrofotometra de absorcin.

La espectrofotometra de absorcin es un mtodo deanlisis cuantitativo y cualitativo que se basa en medir la cantidadde luz absorbida por una sustancia (muestra).

Cuando le aplicamos luz visible a una sustancia, si noabsorbe ninguna ,,,, la veremos transparente e incolora. Cuando laabsorcin ocurre a longitudes de onda que el ojo humano nopercibe la veremos incolora. Cuando se absorbe toda la luz sever negra y si absorbe selectivamente una sola longitud de ondala veremos coloreada.

La cantidad de luz absorbida a una longitud de onda en

particular depender del tipo de sustancia y de la cantidad de

tomos o molculas presentes en el trayecto del haz de luz.


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En este mtodo se hace pasar a travs de la muestra un hazde longitud de onda definida (Se usan filtros y luz visible), se mide lade longitud de onda definida (Se usan filtros y luz visible), se mide laabsorcin mediante un instrumento llamado fotocolormetro o unespectrofotmetro en donde la longitud de onda se obtiene usandorejillas de difraccin o un prisma, se puede usar luz UV o Infrarroja. Elinstrumento se calibra previamente para que de una lectura de cerode A usando el solvente puro y 100% de T bloqueando el paso de laluz. Cuando la sustancia que se quiere analizar no absorbe luz sehace una reaccin qumica para formar un producto que si absorba.


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Anlisis cualitativo: Se requiere de un espectrofotmetro. Se mide lacantidad de luz absorbida por la muestra en un intervalo apropiado de ;la grfica resultante (A vs ) se llama espectro de absorcin y escaracterstico para cada sustancia. La muestra se identifica porcomparacin del espectro de absorcin contra el de una serie desubstancias puras o interpretndolo. La interpretacin consiste en asignaruna a cada banda de absorcin el grupo funcional que la produjo (grupocromforo) en funcin de su posicin, forma e intensidad. Para lassustancias orgnicas ste mtodo tiene una utilidad muy limitada cuandose usa luz visible o ultravioleta; (es mucho ms selectivo cuando se usase usa luz visible o ultravioleta; (es mucho ms selectivo cuando se usaluz infrarroja).


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Absorcin

emisin.

Anlisis cuantitativo: Se mide la cantidad de luz absorbida por lamuestra a una especfica. Esta es directamente proporcional a laconcentracin de la sustancia, la cual podemos obtener porcomparacin con la absorcin de uno o varios estndares. La a laque se realizan las mediciones generalmente es aquella donde lasustancia presenta su mxima absorcin (max, la cual se obtiene de suespectro) y en los mtodos analticos de rutina queda en la reginvisible o UV.

Emisin.

C

Si se mide la emisin,

la relacin es lineal.


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% Luz

Transmitida.

C

Si se mide la

transmisin la

relacin es

logartmica.

Las cantidades para

A.

C

Las cantidades para

medir la absorcin se

llama absorbancia y

son funcin logartmica

del porcentaje de luz

transmitida.


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Cuando se usan varios estndares se hace unagrfica de lectura contra concentracin. Esta grfica se llamacurva de calibracin y es el mejor mtodo de anlisis.Tericamente debe de dar una lnea recta pero no siemprees as; si se da el caso, este es el nico mtodo de anlisisque dar resultados exactos.

Las clases de sustancias que pueden analizarse conluz visible o UV son los compuestos orgnicos quecontengan enlaces conjugados, as como muchos otroscontengan enlaces conjugados, as como muchos otroscompuestos inorgnicos. Con luz IR, cualquier compuestoorgnico. Los anlisis de rutina se realizan con luz visible, yaque los equipos que permiten trabajar con luz UV e IR sonmuy costosos, sobre todo los IR.


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0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

A

B

S

O

R

C

I

O

N

CURVA DE CALIBRACION

0

0.1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8% C


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Aplicaciones:

Anlisis cuantitativos de sustancias orgnicas e inorgnicas.

Identificacin de sustancias desconocidas por comparacin delespectro con un estndar.

Pruebas enzimticas.

Determinacin de velocidades de reaccin.Determinacin de velocidades de reaccin.

Anlisis qumicos, clnicos, farmacuticos, bromatolgicos(alimentos) y ambientales.

Para detectar el paso de una sustancia en algunos mtodos deseparacin (HPLC y CE).

Anlisis remoto ambiental e industrial.


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Cantidad y estado fsico de la muestra.

La cantidad de muestra puede ser muy poca (fracciones de mLen lquidos) o g (muestra slidas) dependiendo del equipo. En losequipos varia entre 0.5-10 mL. La muestra puede ser slida, lquida ogaseosa, el requisito es que sea transparente y est libre de turbidez. Sila muestra es opaca puede medirse con un equipo especial parareflectancia (se mide la luz reflejada). Aunque lo ms comn es trabajarcon soluciones.


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Preparacin de la muestra y tiempo de anlisis.Los slidos deben disolverse en un solvente que no absorba a la

de medicin. Si la muestra es incolora se hace una reaccin paraformar un compuesto coloreado (si la medicin es en el visible). Si hayimpurezas que interfieran o turbidez debe realizarse un tratamientoprevio (filtracin, precipitacin, etc.). El material de vidrio debe estarescrupulosamente limpio. El tiempo de anlisis puede varias entre 2-30minutos por muestra si se usa un instrumento manual. Con equipoautomatizado puede llevarse unos cuantos segundos (aunque, si lamuestra requiere de un tratamiento especial, el anlisis puede durarvarias horas).varias horas).


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Ventajas.Alta precisin y exactitud, sobre todo si el anlisis es por curva

de calibracin.Rapidez.El costo de los equipos es relativamente bajo (para el caso de

anlisis en el visible).

Desventajas y limitaciones.Las lecturas de A deben ser menores de 2. El intervalo ptimo

de C vara entre 0.01-100 %.Los compuestos fotosensibles son difciles de analizar.Los compuestos fotosensibles son difciles de analizar.La turbidez de la muestra produce dispersin de la luz (lecturas

errneas).En anlisis de mezclas, si las donde los compuestos presentan

su mxima absorcin estn muy prximas se reduce la precisin delos resultados.

Los lmites de deteccin son relativamente altos (no permitenmedir C muy bajas).

Anlisis muy susceptibles a interferencias de otros compuestosque absorban a cercanas.


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FUNDAMENTOS DE ESPECTROFOTOMETRA.

La espectrofotometra es cualquier procedimiento que sebase en utilizar la luz para obtener la C de una sustancia (oidentificarla):Espectrofotometra de absorcin, en la cual se hace pasar un hazde luz a travs de la muestra y se mide la cantidad de luz queabsorbi.

Espectrofotometra de emisin, en esta se mide la cantidadde luz producida por la muestra al aplicarle energa.de luz producida por la muestra al aplicarle energa.

El anlisis cuantitativo se basa en que la cantidad de luz

absorbida (o emitida) es directamente proporcional a la C, el

cualitativo en la comparacin de las caractersticas de absorcin (o

emisin) de la muestra contra sustancias conocidas.


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Cmo es la Absorcin de la luz (energa radiante) y su

interaccin con la materia a nivel atmico o molecular?.


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Absorcin de la luz.

Al recibir un fotn de la adecuada, los electrones de la capa de valenciapasan de un nivel a otro superior. El mover la masa del electrn de un nivel a otroconsume energa y esta es la causa de la absorcin. El estado basal es laconfiguracin electrnica de mnima energa, mientras que el estado excitado esenergticamente desfavorable. Esto da lugar a que los electrones regresen a suconfiguracin del estado basal y emitan el exceso de energa como un fotn, perode mayor a la original debido a que parte de la energa se gast en mover alelectrn.


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A) ORBITALES

B) TIPO DE TRANSICIONES

C) DEDUCCIN DE LA LEY DE BEER


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Las leyes que rigen la absorcin de la luz.

El color de una sustancia se debe al hecho de que absorbeselectivamente la luz de ciertas . Si una solucin no absorbe,aparece transparente. Si absorbe completamente la luz, la veremosnegra. Pero si absorbe solamente una parte de la energa radianteque la atraviesa, a definidas, la veremos coloreada en un tonocomplementario al que absorbi.


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La absorcin de la luz por una solucin est relacionadaa la cantidad de energa luminosa (radiante) gastada en laexcitacin de los electrones de las molculas que contiene. Amayor facilidad de excitacin de los electrones, la energagastada en este proceso ser menor. Entre los compuestosinorgnicos, las sustancias coloreadas son principalmenteaquellas que contienen elementos de los subgrupos secundarioscon los orbitales electrnicos incompletos (Fe, Cr, Co). Entre lassustancias orgnicas, el requisito principal para que ocurrasustancias orgnicas, el requisito principal para que ocurraabsorcin es la presencia de dobles ligaduras conjugadas. La yla intensidad de la absorcin se modifican por la presencia desustituyentes donadores de electrones (-NH2, -OH, etc.),aceptores de electrones (-NO2, -SO3H, etc.) y algunos otrosgrupos funcionales.


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En los primeros experimentos se intent encontrar lacorrelacin entre la intensidad del color con:

El espesor de la capa de la solucin. Esto dio lugar a la leyde Bouguer-Lambert: Las capas de espesores iguales de una mismasustancia, bajo las mismas condiciones, siempre absorben fraccionesiguales de un flujo luminoso incidente.

La concentracin, lo que dio lugar a la ley de Beer: Encondiciones iguales, la cantidad de luz absorbida por una solucin escondiciones iguales, la cantidad de luz absorbida por una solucin esdirectamente proporcional a la concentracin de la sustanciaabsorbente.


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Generalizando, la cantidad de luz absorbida esdirectamente proporcional al nmero de molculasabsorbentes que se encuentran en el trayecto del flujoluminoso. De que factores depende este nmero?:luminoso. De que factores depende este nmero?:


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Del espesor de la capa de la solucin: a mayorespesor, habr mayor nmero de molculas.


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De la concentracin: a mayor concentracin tambinhabr mayor nmero de molculas.


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A partir de aqu se obtiene la ley de Bouguer, Lambert y Beer,que relaciona los cambios de absorbancia debidos a los cambios enel espesor de la capa absorbente y la concentracin.

A = a b c.

Donde:A = Absorbancia.a = Absortividad. Es una constante que depende de la longitud deonda de la luz incidente, la naturaleza de la sustancia absorbente y laonda de la luz incidente, la naturaleza de la sustancia absorbente y latemperatura de la solucin.b = Longitud del trayecto del flujo luminoso a travs de la muestra(cm).c = Concentracin.


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Si la concentracin se expresa en g-mol / L, nosqueda:

A = b c.

Donde se llama coeficiente de extincin molar.


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P o P

I I

b

PRDIDAS POR REFLEXIN Y DISPERSIN.

I o I t

I r

I a


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P o P

I o I tI r

I a

b

Cuando se hace incidir un flujo luminoso Io sobre una celda quecontenga una solucin, una parte de l ( Ir ) ser reflejada por la superficie dela celda, otra parte ( I ) ser absorbida por la solucin y otra parte ( I )la celda, otra parte ( Ia ) ser absorbida por la solucin y otra parte ( It )pasar a travs de la celda. Estas cantidades se relacionan de la siguientemanera:

I o = I r + I a + It (1).

En la prctica, Ir es despreciable y puede despreciarse si se utilizala misma celda para todas las determinaciones. Por tanto, la ecuacin nosqueda:

I o = I a + I t (2).UMSNH/FQFB/Ciclo 11-12

Espectrofotometra Absorcin-UV-Vis / Anl Inst / JLSH

Transmitancia: Como consecuencia de la interaccin de la radiacinelectromagntica con la materia, la potencia del haz disminuye de Io a It. Latransmitancia de la solucin es la fraccin de radiacin incidente transmitida porla solucin. (Por lo general, la T se expresa en porcentaje).

T = P / Po = It / Io.

%T = P / Po X 100 = It / Io X 100.

Absorbancia: Es la cantidad de radiacin incidente absorbida ( Ia ) yse define por la ecuacin:

A = - log T = log P o / P = log I o / I t.


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Nombre .* Smbolo.* Definicin. Alterno u obsoleto.

Absorbancia. A.Log (Io / It) = bc

Densidad ptica. D.O.Log (100 / %T)

Por ciento de

Transmitancia.% T.

100 (It / Io) Por ciento de

transmisin.100 / 10A

Transmitancia. T. It / Io Transmisin.

Absortividad. a.** A / (bc)Coeficiente de

extincin.k

Absortividad

molar.Am, . *** A / (bc), c en moles / L

Coeficiente de

extincin molar.

Espesor de

celda.b.

La distancia entre

paredes Internas de la

celda (cm).

l


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*Terminologa recomendada por la American Chemical Society (ACS)(Anal. Chem.,1990, 62, 91).

**C puede expresarse en g/L o en otras unidades de concentracin; bpuede expresarse en cm o en otras unidades de longitud.

***C se expresa en mol/L; b se expresa en cm.


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CAUSAS DE LA DESVIACIN DE LA LEY DE BEER.

Elevada concentracin.

Equilibrio qumico asimtrico: HA H+ + A-.

Variacin del pH.

Presencia de electrolitos (Na+, Cl-, K+).Presencia de electrolitos (Na+, Cl-, K+).

Formacin de complejos.

Mala seleccin de la longitud de onda.


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P-1. Transformar los siguientes datos de absorbancia en porciento detransmitancia.

a) 0.375; b) 1.325; c) 0.012

P-2. Transformar los siguientes datos de porciento de transmitanciaen absorbancia.

a) 33.6; b) 92.1; c) 1.75

P-3. Calcular el porciento de transmitancia de disoluciones quepresentan la mitad de los valores de absorbancia que aparecen en elpresentan la mitad de los valores de absorbancia que aparecen en elproblema 1.

P4. Calcular la absorbancia de disoluciones que presentan la mitadde los valores de porciento de transmitancia que aparecen en elproblema 2.


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P-5. Utilizar los datos siguientes para calcular los valores faltantes.Cuando sea necesario, supngase que el peso molecular de la especiequmica que absorbe es de 280.

A % T e b (cm) c (M) c a

a) 0.296 2.5 4.41x10-4 mg/L

b) 19.6 1.5 6.91x10-3 ppm

c) 0.877 0.5 g/ L 0.250c) 0.877 0.5 g/ L 0.250

d) 84.2 7.85x102 3.00x10-4 mg/100mL


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P-6. Una disolucin de 4.14 x10 -3 M en X present una transmitanciade 0.126 cuando se midi en una cubeta de 2.00 cm. Qu concentracinde X se necesitara para que la transmitancia aumente tres veces cuandose utiliza una cubeta de 1.00 cm?

P-7. Expresar las siguientes A en trminos de %T.

a b c d e f

0.0510 0.918 0.379 0.261 0.485 0.072

P-8. convertir los siguientes datos de T en A.

a b c d e f

25.5 % 0.567 % 32.8 % 3.58 % 0.085 % 53.8 %


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P-9. Calcular el %T de las disoluciones cuyas A son el doble de lasdel P-7.

P-10. Calcular la A de las disoluciones cuyos %T son la mitad de losdel P-8.

P-11. Una disolucin que contiene 4.48 ppm de KMnO4 presenta una Tde 0.309 en una cubeta de 1 cm a 520 nm. Calcular la absortividad molardel KMnO4.4

P-12. Una solucin con una concentracin de 2x10-4 M tiene una A de1 a 320 nm, en una celda de 1 cm. Calcular:

a) Absortividad molar a 320 nm.

b) Transmitancia de la solucin.

c) Transmitancia de una solucin 4x10-4 M.


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P-13. Una substancia colorida con una absortividad molar de 14,000

L/cm mol la max. Calcular la concentracin de una solucin quepresenta una A de 0.85 usando una celda de 1 cm.

P-14. Una muestra particular de una solucin de una sustanciacolorida que se sabe sigue la Ley de Beer, muestra un 80 % de T cuandose mide en una celda de 1 cm.

a) Calcular el % T para una solucin del doble de concentracin usandola misma celda.la misma celda.

b) Cul debe ser la longitud de la celda para obtener la misma T para lasolucin que contiene el doble de concentracin.

c) Calcular el % T de la solucin original cuando esta est contenida enuna celda de 0.5 cm de longitud.

d) Si la concentracin original es de 0.005 %. Cul es el valor de a.


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P-15. Una muestra de 500 mg de un compuesto colorido X se disuelvey se lleva a 500 mL. Una alcuota de esta solucin presenta una A de 0.9 a400 nm (max) en una celda de 1 cm. 10 mg del compuesto X puro sedisuleve en 1 L de agua y la solucin presenta una A de 0.3 en una celdade 0.1 cm. Cul es el % de X en la primera muestra.

P-16. Con los datos siguientes realizar una curva de calibracin yencontrar la concentracin de Y con A =0.5.

Y (mg) 1 2 3 4

A 0.26 0.44 0.54 0.61

P-17. Se ha demostrado que la cafena (C8H10O2N4H2O) tiene unaabsorbancia igual a 0.51 para una concentracin de 1mg/100mL a 272nm. Una mezcla de 2.5 g de una determinada marca de caf soluble, semezcla con agua hasta un volumen de 500 mL; 25 mL de esta solucin sesometieron a un proceso de clarificacin y se afor a 500 mL y estasolucin present una absorbancia de 0.415 a 272 nm.

a) Calcular la absortividad molar.

b) Calcular la cantidad de cafena por libra de caf.

Longitud de la celda 1 cm.UMSNH/FQFB/Ciclo 11-12

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Bibliografa:


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