ESPECTROSCOPIA ULTRAVIOLETA

Determinación cualitativa y cuantitativa de una muestra problema

aplicando comparación y la ley de Beer

David Santiago Correa1

María Elena Rodríguez Zambrano2

Juan Esteban Restrepo3

1Químico Farmacéutico, Universidad de Antioquia Sede Medellín davidcorrea0526 @gmail.com

2Química Farmacéutico, Universidad de Antioquia Sede Medellín

marie70694 @hotmail.com 3 Ingeniería de Alimentos, Universidad de

Antioquia Sede Medellín esteban90-11@hotmail.com

RESUMEN

La espectroscopia UV es una técnica instrumental que permite realizar tanto mediciones analíticas como determinaciones con bases comparativas. El fundamento de esta técnica se basa en la cantidad de radiación electromagnética que puede absorber o transmitir una muestra en función de la cantidad de sustancia presente. Cada muestra debido a características atómicas y moleculares distintas muestra diferentes espectros los cuales son característicos y únicos por cada tipo de molécula de manera que es posible mediante compilaciones en alguna base de datos reconocer cual es el analito en una muestra por simple comparación. El rango de análisis de la espectroscopia ultravioleta comienza a

partir de longitudes de onda menores a 400 nm; en el caso de la práctica previamente realizada el rango de análisis fue de 200 a 400nm.

Un aspecto relevante a destacar durante el análisis con espectroscopia UV es que el efecto del solvente es determinante para la obtención de un espectro característico; por lo cual fue importante tener especial cuidado en la pureza y tipo de solvente utilizado ya que esto define las bases comparativas a tener en cuenta y las posibles interferencias en el espectro mostrado por el equipo.

ABSTRACT

The instrumental UV spectroscopy is a technique that allows both analytical measurements and determinations comparative basis. The basis of this technique is based on the amount of electromagnetic radiation that can absorb or transmit a sample based on the amount of substance. Each sample due to atomic and molecular features different displays different spectra which are characteristic and unique for each type of molecule so that it is possible through compilations recognizes any database which is the analyte in a sample by simple comparison. The range of UV spectroscopy analysis begins at wavelengths less than 400 nm; in the case of previously practice on analysis range was 200 to 400nm.

An important aspect to note during UV spectroscopy analysis is that the effect of the solvent is crucial for obtaining a characteristic spectrum; so it was important to take special care in the purity and type of solvent used as this it defines the comparisons to consider and

possible interference in the spectrum shown by the team bases.

Palabras clave: Espectro característico, rango de análisis, efecto del solvente.

INTRODUCCIÓN

A continuación se presentara un informe sobre la determinación de un compuesto específico en una muestra problema mediante la utilización de la técnica espectroscópica UV. El proceso analítico se centrara en tres parte: análisis elemental, el análisis químico y análisis en sistemas multicomponentes. En el análisis elemental aunque parezca limitada para determinación estructural, la espectroscopia UV se muestra muy útil para el estudio de sistemas dienicos conjugados, productos naturales, en compuestos carbonilicos α,β-insaturados, en el estudio de productos quinónicos y en el de productos aromáticos y heterocíclicos, habiéndose establecido fórmulas empíricas que permiten determinar la λmax en función de la estructura. En el análisis químico se determina además el estado químico de cada elemento a través de su energía de ligadura. Se pueden detectar concentraciones elementales muy bajas (0.1%), de este modo se puede determinar el estado de oxidación del átomo, los enlaces químicos y la estructura cristalina. Existen tablas con las energías de ligadura de todos los elementos químicos presentes en la naturaleza. En el análisis de sistemas multicomponentes se puede identificar la concentración de los elementos en los espectros, y determinar el área que ocupan cada uno de los máximos de esos espectros. Por medio de estos

patrones de estudio, se determina la concentración química de los constituyentes presentes en la superficie.

MARCO TEORICO

Debemos tener en cuenta que la obtención de un espectro UV supone en primer lugar disolver la sustancia en un disolvente adecuado, que también absorbería en el UV, por lo que en la práctica la espectroscopia UV se ve limitada a longitudes de onda superiores a 200-220 nm. Debido a ello, como podemos imaginar, no son muchos los grupos funcionales que podremos determinar con la espectroscopia UV, siendo de destacar que todos ellos deben poseer al menos un enlace doble. La existencia de un segundo doble enlace conjugado con el anterior o la presencia de un grupo auxocromo hace que aumente la λmax de la absorción (efecto batocrómico) (también la absorbancia y ε, (efecto hipercrómico).

En caso de producirse por cualquier circunstancia una disminución de la λmax sería un efecto ipsocrómico, o una disminución de la absorbancia (efecto hipocrómico.

Objetivo general

Conocer y comprender el fundamento de la espectroscopia UV, el equipo analizador, las partes del mismo, las aplicaciones en diferentes campos, las ventajas y desventajas y los principios físicos y químicos que implican la utilización de esta técnica.

Objetivos específicos

Llevar a cabo el análisis de un muestra problema mediante espectroscopia UV identificando cual es el analito de interés

y su concentración en la solución donde está presente.

Determinar posibles interferencias y errores técnico-prácticos por la obtención de incongruencias durante alguna fase del proceso de análisis y obtención de resultados.

Datos experimentales

Muestra: 6 Antraceno

Peso de la muestra: 0.0021g

Volumen de la solución madre: 50 mL

Concentración de la solución madre patrón: 42 ppm

Dilución de la muestra: 10/2

Longitud máxima de absorbancia: 249.0

C.Estándar 4.2 ppm 8.4 ppm 12.6 ppm Muestra problemaV.Estándar 5mL 2mL 3mL DiluidaAbsorbancia dependiente de concentración

1.649 2.608 2.740 2.520

Absorbancia método fotométrico

1.520 2.474 2.503 2.385

Figura 1. Curva de calibración absorbancia dependiente de concentración vs Concentración

4 5 6 7 8 9 10 11 12 130

0.5

1

1.5

2

2.5

3f(x) = 0.129880952380952 x + 1.24133333333333R² = 0.839256016538607

Absorbancia vs concentracion

Concentracion

Abs

orba

cia

depe

ndie

nte

de [

]

Figura 2. Curva de calibración Absorbancia modo fotométrico vs Concentración

4 5 6 7 8 9 10 11 12 130

0.5

1

1.5

2

2.5

3

f(x) = 0.11702380952381 x + 1.18266666666667R² = 0.772106319576656

Absorbancia vs Concentracion

Concentracion

Abs

orba

ncia

mod

o f

otom

etri

co

Figura 3. Espectro del antraceno arrojado por el equipo

CALCULO DE CONCENTRACIÓN DE ANTRACENO POR INTERPOLACIÓN.

La curva con la cual obtuvimos mayor coeficiente de correlación (R) y que a su vez acoge por cercanía la mayor cantidad de puntos es la de absorbancia dependiente de concentración arrojada por el equipo, por ende se toma esta como referencia.

Y= 0.1299X + 1.2413

X= 2.520−1.2413

0.129

X= 9.9124 ppm

Ahora extrapolamos

Multiplicamos por el factor de dilución

9.9124 ppm x 102

= 49.532 ppm

concentración de la muestra problema en la solución

Si aplicamos el mismo cálculo para la otra curva de calibración obtenemos:

Y= 0.117x + 1.1827

X = 2.385−1.1827

0.117; X= 10.27ppm; que al

ser multiplicado por el factor de dilución

obtendríamos: 10.27 102

= 51.35 ppm. Este

valor es más confiable que el valor que arrojo la curva de la figura 1 (mirar análisis página 6 columna derecha)

Figura 4. Espectro UV del antraceno comprado con otras moléculas orgánicas con menor y mayor cantidad de anillos.

ANALISIS DE RESULTADOS

Durante el proceso analítico llevado a cabo con nuestra muestra de interés (antraceno); se tuvieron distintas etapas que a su vez son complementarias para llegar a un fin determinado que es aplicar la ley de Beer para determinar propiedades cuantitativas; en este caso solo se determinó una y fue concentración del analito en la muestra tomada. En el primer proceso realizado se obtuvo por comparación de espectros que tipo de analito tenemos en la muestra; esto se hizo introduciendo en varias celdas de cuarzo la muestra problema de concentración desconocida y la muestras

patrón cuya concentración era previamente conocida por las diluciones realizadas igualmente con anterioridad. El equipo (Ultravioleta Jenway) en cuanto tuvo a todas las cuales 4 celda en su interior (3 celdas con soluciones patrones y 1 con la solución problema) hizo un barrido seleccionando alguna de las celdas donde posteriormente mostraba un espectro de absorbancia en el UV; en esta parte del proceso se analizaron varios aspectos relevantes; primero debido a que el rango de trabajo fue de 200 a 400 nm es decir UV cercano, se destacaron los principales picos de absorbancia, que dieron valores similares en máximos de absorbancia a ciertas longitudes de onda muy similares entre todas las soluciones. Segundo se procedió a caracterizar y definir la molécula según el espectro arrojado por el equipo; pero se tuvieron ciertos percances debido a que existían fluctuaciones entre todos los espectros que se tenían de referencia con el espectro que teníamos obtenido por parte del equipo, por lo cual se dio paso a relacionar picos característicos del espectro obtenido con los espectros de muestra, de manera que se puedo definir que el analito presente en la muestra era antraceno. El principal motivo por el cual se llegó a esta conclusión es que se observan 3 picos simultáneos entre 300 y 400 nm coincidente a lo que se observa en el espectro que se tiene como referencia (tanto el observado en el laboratorio como el que se muestra en la figura 4) que igualmente presentan la misma cantidad de picos característicos en la misma zona. Algo a destacar es que la muestras problema debía de coincidir con algunos de los espectros de referencia lo cual fue de gran ayuda tener mayor certeza de que el espectro obtenido era el del antraceno. En la imagen de la figura 4 se observa el espectro del antraceno que esta resaltado con color

verde, como se puede observar si están presente los picos que determinamos característicos para definir la muestra problema, pero estos están más agudos y pronunciados en comparación al espectro arrojado por el equipo, una posible explicación para ello es que el tipo de solvente en el cual estaba presente el antraceno al momento de hacer la determinación fue distinto al utilizado en la práctica lo cual logro amplificar y modificar a ciertas señales; también se puede decir pero con menor certeza que la concentración de antraceno era distinta en el caso del espectro de la figura 4 suponiendo entonces que si se superponen los espectros la variación en la intensidad de la señales (absorbancia) es equivalente a la variación en la concentración. Otro muy probable escenario es que debido a que el equipo presento problemas durante el proceso de la elucidación del espectro UV por motivos técnicos como fallas en la lampara por averías o rayones en las placas de cuarzo generando espectros con fluctuaciones al que realmente debería de dar.

El tercer aspecto relevante que se analizo fue el pico más alto, es decir la longitud de onda específica a la cual el antraceno en nuestro rango de análisis presento mayor absorbancia; este pico es claramente visible y es precisamente este mismo sobretono el que nos generó mayores problemas durante la determinación de la muestra ya que presenta variaciones en su forma e incluso en la longitud de onda especifica en la cual se da esta señal. Aunque en todos los casos (tanto en el espectro de referencia visto en la práctica como el espectro representado en la figura 4) está en el rango de 240(+) a 300(-)nm. Esta señal según el dato arrojado por el equipo es de 249nm. Con esta misma longitud de onda se procedió a realizar la curva de calibración. En la curva de

calibración se buscaba demostrar como bajo estas longitudes de onda irradiando este tipo de moléculas (orgánicas) y bajo condiciones determinadas de solvente se cumple la ley de Beer. Para ello se observaba el grado de aumento que tenía la absorbancia con respecto a la concentración de antraceno presente en la solución. Como se muestra en la tabla 1 solo se hicieron 3 determinaciones con muestra patrón de manera que se esperaba que el cumplimiento de la ley de Beer con solo estos 3 datos fuera optimo, pero como se observa en la figura 1 y 2 se da una desviación en el tercer dato dando origen a una función logarítmica. Esto a su vez origino problemas en los resultados obtenidos de concentración ya que como son solo 3 los datos presentes en los gráficos (siendo bajo estas condiciones una cantidad inferior a la adecuada) era imposible estadísticamente hablando una reducción de un dato para modificar el coeficiente de correlación lineal; por lo cual las variables obtenidas presentan un 17%menos (en el caso de la figura 1) y 23% menos (en el caso de la figura 2) de certeza de ser correctas (se resta el total del R obtenido en ambos casos con 1, que sería el valor que idealmente deberían dar las curvas); por lo cual la confianza de que el valor obtenido en ambos casos sea el correcto es casi nula. El motivo por el cual tenemos dos curvas de calibración es debido a que los valores que componen a ambas fueron obtenidos por dos modos diferentes del equipo. Esto nos daba mayor certeza de que la curva inicialmente arrojada fuese la correcta, pero como se ven en los mismos coeficientes de correlación son muy distintas entre sí. Uno de esos modos es el modo en el cual la absorbancia es dependiente de la concentración, es decir el equipo mismo arroja la curva pero los

valores de cada curva son correspondientes a la concentración de antraceno en cada solución presente a su vez en cada cuarzo; el problema en este caso es que los valores de concentración que el equipo arrojaba eran incorrectos y esta conclusión era correcta ya que conocíamos con anterioridad los valores de concentración de cada solución de muestra patrón, por lo cual se buscó determinar la absorbancia con otro modo del equipo que no dependiese de la concentración y es el modo fotométrico en el cual independientemente de la concentración, el equipo registra la cantidad de ondas electromagnéticas que son absorbidas gracias a un detector que reconoce la fuente de excitación y las ondas electromagnéticas que salen de él y luego aquellas ondas que son absorbidas por las moléculas arrojando un valor de absorbancia (similar funcionamiento al espectrofotómetro regular). Con este modo se construyó otra curva de calibración que como se puede observar tuvo un valor de R con menor valor que la curva anterior; pese a este defecto resulta ser más confiable el valor de la curva de calibración de la figura 1 ya que son valores correspondientes a la concentración real de las soluciones preparadas por el equipo de trabajo. En el otro modo aunque la curva es un 6% mejor en coeficiente de correlación al modo fotométrico los valores de absorbancia que esta arroje los hará con base a unas concentraciones erróneas lo que hará que ese 6% de más sea insignificante no solo por el incumplimiento observado a la ley de Beer en un 17% sino un porcentaje de error no calculado por datos de absorbancia que no son correspondientes a las soluciones estándares previamente preparadas. La variación calculada entre ambos resultados (51.35 ppm- 49.532ppm) es de 1.818 ppm lo cual indica que ese 6% de diferencia entre

ambas curvas de calibración se refleja en ese valor.

CONCLUSIONES

Pudo identificarse cual método para la construcción de la curva de calibración resulta ser más preciso y confiable en los resultados analizando la variación entre los coeficientes de correlación, la diferencia en el valor de la concentración que se determinó con la ecuación de la recta de cada curva y la compresión del fundamento teórico de la técnica instrumental para observar cualitativamente cual curva debería de arrojar los valores correctos.

Se logró identificar la muestra problema y se logró a su vez justificar posible errores que generaban variaciones en la obtención del espectro. Igualmente con el espectro representado en la figura 4 se logró determinar como el efecto del solvente genera variaciones en aspectos característicos del espectro de una misma sustancia.

Pudo comprenderse mediante la compresión del fundamento de la técnica instrumental las posibles aplicaciones en el campo farmacéutico, en la industria química y en la investigación.

Con la imagen de la figura 4 se logró comprender como la presencia o eliminación de un fragmento de la molécula puede afectar en ciertas regiones el espectro inicialmente obtenido con la molécula base, algo similar a lo que ocurre con RMN.

PREGUNTAS

a) Discutir la concordancia entre el espectro obtenido en su práctica y el espectro obtenido de la sustancia encontrado en la literatura, con respecto a la localización de máximos y mínimos en la escala se longitud de onda, si encuentra algunas diferencias sugiera cuales son las causas.

R/ En el espectro UV obtenido y el espectro de referencia la mayor variación de espectros se dio el pico con mayor absorbancia a 249 nm, ya que en el espectro tomado de la literatura se observa que previamente no posee una depresión tan marcada como si lo es el caso del espectro obtenido y también se ve que la forma del pico es distinta debido a que tiene otro λmax contiguo. Otra variación que ya se explicó en el análisis de los resultados es en los picos finales que mientras en uno de los casos estos picos son agudos y pronunciado (como lo es el caso del espectro mostrado en la literatura) en el otro de los casos ocurre lo opuesto. Esta situación de atribute a dos posibles causas que podrían ser

complementarias: el estado de la lampara, ya que se determinó que poseía fallas por múltiples problemas que presento el equipo durante todo el proceso; y la segunda el tipo de solvente utilizado, ya que es posible que cuando se hizo la elucidación espectral el antraceno este estaba inmerso en una solución con solvente distinto al etanol, lo cual agudizo, aumento y vario la forma de las señales.

b) Calcular la absortividad molar de la sustancia problema a la longitud de onda de máxima absorbancia y compararla con la absortividad molar de la sustancia a la misma longitud de onda pero obtenida del espectro modelo.

Absortividad muestra problema

9.9124 mg/L x 1 g

1000mg x

1mol178,23g

= 5.722

X 10−5mol/L

𝜺= 2.385

1cmx 5.722x 10−5M = 41681.23

L/mol.cmAbsortividad molar del espectro de referencia (no el de la bibliografía) asumiendo que la concentración de antraceno es de 25ppm (estaba indicado) y la absorbancia a la máxima de longitud de onda es de 2.5

25 mg/L X 1 g

1000mg x

1mol178.23g

= 1.402x10−4

mol/L

𝜺= 2.50

1cm x1.402 x10−4M= 17831.66

L/mol.cm

c) Para la sustancia problema, pintar su estructura química y decir a cuales constituyentes de su estructura se debe que esta sustancia presente absorción ultravioleta.

El Antraceno es un hidrocarburo aromático policíclico. Las razones por las cuales puede absorber en el UV son las siguientes, debido a que es un compuesto orgánico y todos los compuestos orgánicos son capaces de absorber radiación electromagnética, ya que todos contienen electrones de valencia que pueden ser excitados a niveles de energía superiores y la otra es porque posee enlaces dobles, los cuales son grupos cromóforos, que posibilitan una transmisión de energía por parte del compuesto a causa de la excitación, los cuales emiten radiaciones específicas para el rango del ultravioleta