UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBInstituto de Cincias ExatasDepartamento de Fsica e Qumica

Qumica Geral

Fundamentos da Espectroscopia Molecular e Lei de Lambert-BeerRelatrio de QumicaNmero de matrcula Nome 14197 Danielle Aparecida dos Reis 14200 Helder Luiz de Oliveira 14206 Mateus Coli Alunos do curso Fsica Licenciatura Assinatura

Orientador: lvaro de Queiroz

Itajub 08 de Abril de 2008

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB Instituto de Cincias Exatas Departamento de Fsica e Qumica

Daniele Aparecida dos Reis Helder Luiz de oliveira Mateus Coli

Fundamentos da Espectroscopia Molecular e Leide Lambert-Beer

Este relatrio visa mostrar a veracidade da Lei de Lambert-Beer, utilizando a espectroscopia na regio do visvel. Orientador: lvaro Queiroz

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Itajub 10/03/2008

ndice:1.0 Objetivo ------------------------------------------------------------------ 4 2.0 Introduo --------------------------------------------------------------- 5 3.0 Fundamentao terica ------------------------------------------------- 63.1 Exemplos de espectroscopia ----------------------------------- 7 3.2 Espectro de radiaes e unidades espectroscpicas -------- 8 3.3 Relaes entre cor e absoro de luz ------------------------- 10 3.4 Absorciometria -------------------------------------------------- 11

4.0 Execuo do experimento --------------------------------------------- 124.1 Material utilizado ----------------------------------------------- 12 4.2 Procedimento experimental ------------------------------------ 13

5.0 Concluso ---------------------------------------------------------------- 17 6.0 Anexos ------------------------------------------------------------------- 17 7.0 Bibliografia -------------------------------------------------------------- 31

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Abstract:This report seeks to show the truthfulness of the Law of Lambert-Beer, using the spectrum of the light in the area of the visible.

1.0 Objetivo:O objetivo do experimento foi realizar medies da transmitncia de uma soluo e calcular sua respectiva absorbncia, podendo determinar quais as linhas do espectro em que h maior absoro da luz na faixa do visvel. Observar um possvel deslocamento da curva de absoro de acordo com a concentrao da soluo.

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2.0 Introduo:A espectroscopia tem como fundamento a utilizao de ondas eletromagnticas para bombardear amostras a serem estudadas de modo a observar a reao da amostra absorvendo as ondas incidentes ou emitindo novas ondas, conseguindo, desta forma, informaes sobre a estrutura, composio e outras caractersticas da matria. O uso da espectroscopia de radiaes eletromagnticas, com variao em todos os comprimentos de onda, uma das mais importantes fontes de informao para a fsica de tomos e molculas.

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3.0 Fundamentao terica:Muitos de nossos conhecimentos sobre a estrutura da matria so baseados em investigaes espectroscpicas. A partir dos espectros de emisso ou absoro gerados quando a radiao interage com os tomos e/ou molculas da matria, pode-se obter diversas informaes sobre a estrutura molecular e sobre a interao das molculas com seus vizinhos. Ao se medir o comprimento de onda de linhas espectrais possvel determinar o nvel de energia de sistemas atmicos e moleculares. A probabilidade de transio, que mede o quanto dois nveis de transio molecular/atmica esto acoplados, proporcional intensidade da linha espectral. Como a probabilidade de transio depende das funes de onda de ambos os nveis de energia, as medidas de intensidade ajudam na verificao da distribuio espacial de cargas dos eltrons excitados, a qual pode ser estimada a partir de solues aproximadas da equao de Schrdinger. Medidas resolvidas no tempo permitem o acompanhamento da dinmica das molculas nos estados fundamentais e estacionrios que auxiliam o estudo de mecanismos de transferncia de energia e processos de coliso. Momentos de dipolo magntico nuclear ou momentos de quadrupolo eltrico e a interao entre os ncleos e a nuvem eletrnica podem ser determinados e caracterizados pela estrutura hiper-fina de linhas espectrais. O acoplamento de diferentes momentos angulares em tomos ou molculas, mesmo com configuraes eletrnicas complexas, pode ser esclarecido pelos momentos de dipolos eltricos ou magnticos que por sua vez podem ser medidos pelos efeitos de desdobramento Stark e Zeeman por campos eltricos e magnticos. Informaes sobre os processos de coliso potencial interatmico podem ser obtidas pelo alargamento por presso e deslocamento por presso de linhas espectrais. A determinao dos tempos de vida mdios de estados moleculares excitados efetuada usando a largura natural de uma linha espectral, que pode ser resolvida por tcnicas especiais. A distribuio de velocidades das molculas, que so obtidas pelas medidas da largura Doppler, fornece a temperatura da amostra. Estes so alguns exemplos das formas pelas qual a espectroscopia contribui para o conhecimento do mundo nanoscpico dos tomos e das molculas. Porm, o tipo de fonte de radiao usado para iluminar as amostras influi na quantidade de informao que pode ser extrada de um espectro, alm da resoluo temporal ou 6

espectral dos instrumentos de disperso usados e da sensibilidade de deteco que pode ser atingida.

3.1 Exemplos de espectroscopia Espectroscopia de raios gama ( ): A fonte de energia neste tipo de espectroscopia a radiao gama, que inclui a anlise espectroscpica da ativao de Mossbauer. Espectroscopia do eltron: H vrios tipos de espectroscopia do eltron, todos associados com medies mudam em nveis de energia eletrnica. Espectroscopia do eltron paramagntico: usado para determinar as estruturas das amostras. Esta a tcnica de microondas em partir campos eletrnicos de energia em um campo magntico. Espectroscopia de reflexo: o estudo das substncias em pelculas finas ou em superfcies. A amostra penetrada por um feixe de energia, e refletida e analisada. Espectroscopia da transformada de Fourier: A amostra irradiada por todos os comprimentos de onda relevantes simultaneamente por certo perodo de tempo. O aspecto de absoro obtido aplicando uma analise matemtica energia resultante do teste padro. Espectroscopia do infravermelho: Espectros infravermelhos so usados para identificar os materiais e para quantificar o nmero de molculas absorventes. Espectroscopia de Raman: Pode ser usada para fornecer informaes da composio qumica da amostra e sua estrutura molecular. Espectroscopia de freqncia modulada ou multiplex: Cada comprimento de onda tico que gravado decodificado com freqncia de udio que contm a informao original do comprimento de onda. Espectroscopia de massa: Quando uma massa colocada na fonte do espectrmetro, ela produz ons. Analisando a disperso dos ons quando interagirem com uma amostra pode-se obter informaes sobre esta amostra. Espectroscopia a laser: 7

Os espectroscpios de laser fornecem a informao sobre a interao de luz polarizada com a matria. Esse tipo de espectroscopia tem boa resoluo e sensibilidade. Espectroscopia de raios X: Esta tcnica envolve a excitao de eltrons internos dos tomos, que podem ser vistos com absoro de raios X. Espectroscopia astronmica: Os espectros dos objetos celestiais so usados para analisar sua composio qumica, densidade, presso, temperatura, campos magnticos, velocidade e outras caractersticas. Espectroscopia de absoro atmica: Uma amostra absorve energia e libera luz, que pode ser medida por tcnicas de espectroscopia de fluorescncia e usada para avaliar as caractersticas dessa amostra.

3.2 Espectro de radiaes e unidades espectroscpicas:O espectro de radiaes eletromagnticas varia desde as ondas de rdio, com longos comprimentos de onda (103 - 102m), at as radiaes de altssima energia (raios-X e raios-) com comprimentos de onda muito curtos, entre 10-10 e 10-15 m. O espectro inclui regies de radiaes com energias intermedirias, entre microondas, o ultravioleta, o infravermelho e o visvel. Cada uma dessas regies tem suas formas prprias de serem produzidas e detectadas. No existe uma delimitao perfeitamente definida entre regies do espectro eletromagntico, sendo ele contnuo do ponto de vista macroscpico. Microondas so ondas eletromagnticas com freqncias na faixa de 1 a 100 GHz sendo esta a regio da espectroscopia de ressonncia de spin, e da espectroscopia rotacional, especialmente para molculas pequenas na fase gasosa. O comprimento de onda superior desta regio j se sobrepe com os da regio espectral do infravermelho distante FIR (far infra-red sigla em ingls). O infravermelho se estende do limite superior da faixa de microondas at o incio da regio visvel, em comprimentos de onda prximos de 800 nm. A parte de comprimentos de onda mais longos (0,1 - 1 mm) aplicvel excitao de espectros rotacionais, enquanto a extremidade de comprimentos de ondas menores (o infravermelho prximo, 10-3 - 10-1 mm) a regio onde espectros vibracionais tpicos das molculas so observados: os chamados espectros rotacionais vibracionais. Transies eletrnicas comeam no infravermelho, no entanto elas ocorrem com maior probabilidade nas regies visvel e UV. So observados espectros de banda de molculas, no sentido prprio do termo, ou seja, espectros consistindo de transies eletrnicas com transies vibracionais e rotacionais superpostas. Alm da extremidade de comprimentos de onda curtos do UV, e sobrepondo-se com ela, est a regio de raios-X e, em seguida, de radiao . 8

Com radiao de to altas energias, transies de estados dos eltrons mais internos, aqueles nas camadas internas do tomo, podem ser investigadas, especialmente por espectroscopia de fotoeltrons. Nas diferentes regies espectrais e tambm em vrias disciplinas cientficas, uma variedade de unidades para medidas das freqncias e comprimentos de onda da radiao est em uso por razes prticas. Algumas frmulas de converso importantes para as unidades que medem energia so: 1 cm-1 = 29,979 GHz = 1,2398 x 10-4eV 1 kcal/kmol = 0,349cm-1. Medir energias em cm-1 ou em s-1 uma prtica comumente usada e muito prtica, mas incorreta. A unidade de energia ou nmero de onda definida pela relao:

V =

1 energia = = [cm 1 ] c hc

(1)

Para a unidade de freqncia, temos:

=Espectro molecular:

c

[ s 1 ]

(2)

A soma das energias de excitaes parciais dos nveis eletrnico, vibracional e rotacional, expressa a energia total de uma molcula:

E = Eel + Evib + ErotOnde os subscritos el, vib e rot significam eletrnica, vibracional e rotacional respectivamente. Satisfazendo o princpio de Franck Condon, as regras de seleo so obedecidas pelas transies. Podemos diferenciar trs tipos de espectros pticos: Espectros rotacionais: So as transies que ocorrem entre os nveis rotacionais de um dado nvel vibracional em um estado eletrnico particular. Nestas transies muda apenas o nmero quntico rotacional. Estes espectros encontram-se na regio de microondas ou no infravermelho distante e consistem de um grande nmero de linhas espectrais que so igualmente espaados. Esses espectros rotacionais podem ser observados pela espectroscopia de Raman. Espectros rotacionais - vibrantes: 9

So transies que ocorrem entre um nvel rotacional de certo estado vibracional para o nvel rotacional de outro estado vibracional no mesmo termo eletrnico. Nestas transies mudam os nmeros qunticos J e V (v caracteriza os nveis vibracionais quantizados). Estes espectros esto na regio do infravermelho e consistem de um grupo de linhas (bandas) estritamente espaadas (linhas de banda). Os espetos rotacionais vibrantes podem ser observados com espectroscopia Raman e espectroscopia infravermelha. Espectros eletrnicos: So as transies entre os nveis rotacionais dos vrios nveis vibracionais de um estado eletrnico e os nveis rotacionais e vibracionais de um outro estado eletrnico (sistemas de bandas). Todos trs nmeros qunticos mudam: J e v e aqueles que caracterizam o estado eletrnico (n,l,m).

3.3 Relaes entre cor e absoro de luzDe acordo com a fsica quntica, a luz apresenta caracterstica onda-partcula. Por um lado, a luz uma onda eletromagntica que apresenta freqncia vibratria e comprimento de onda. A energia da luz proporcional sua freqncia (ou ao seu comprimento de onda, pois c uma constante) e dada por: E = h. Onde: h a constante de Planck; a freqncia. Por outro lado, a luz tambm apresenta caracterstica de corpsculo, os quanta. A energia da luz viaja em quanta e uma partcula individual de luz possui um quantum de energia, que determinado como fton. Concluindo, a luz tanto energia como matria. Estes ftons viajam na velocidade da luz e so capazes de penetrar na matria, transferindo sua energia para outras partculas. A incidncia da luz na pele pode influenciar sistemas por ressonncia, dependendo da freqncia e do nmero de ftons devidamente dirigidos para penetrao. O espectro que compreende a faixa de luz visvel ao olho humano muito estreito e varia entre o violeta e o vermelho. O violeta possui comprimento de onda menor (450 nm) e o vermelho possui comprimento de onda maior (760 nm).

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Entre os comprimentos de onda acima citados, o olho capaz de distinguir at 180 tons diferentes, embora a variao entre os comprimentos de onda possveis seja muitas vezes maior que este nmero para as cores. De certa forma a luz visvel no somente absorvida pela pele, mas tambm pelos olhos, no apenas para ver os objetos, mas de forma a influenciar no modo de pensar e agir. Esta absoro chamada de psquica ou retinial, podendo ser usada com finalidade medicinal.

3.4 AbsorciometriaA absorciometria um mtodo fotomtrico baseado na propriedade que tm muitas espcies inicas ou moleculares de absorver vibraes de certos comprimentos de onda nas regies ultravioleta e visvel, principalmente nesta ltima. Para determinar a absorciometria de um constituinte necessrio que este possua propriedades cromgenas ou que ele possa ser convertido em uma espcie absorvente atravs de uma reao apropriada. Exemplo: na determinao absorciomtrica de mangans necessrio que ocorra a oxidao do on mangans (II) a on permanganato, que absorve fortemente na regio visvel, resultando em uma soluo com colorao violeta. Por fim, a soluo submetida passagem de um feixe de energia radiante. Se a radiao empregada contiver ftons com energia igual requerida para provocar uma variao energtica quantizada, ocorrer absoro. O nmero de ons ou molculas (centros absorventes) proporcional frao de ftons que foi absorvida. Quando o feixe de radiao monocromtica atravessou a soluo, uma parte da energia radiante ser absorvida e a parte restante simplesmente atravessar o meio. Ento a quantidade de energia transportada por segundo atravs de uma unidade seo transversal denominada potncia radiante. A razo a potncia de radiao transmitida (P) para a potencia da radiao incidente (P0) a transmitncia: T= P P0

usual expressar a transmitncia percentualmente: T% = P 100 P0

A absoro da energia radiante por um sistema convenientemente descrita mediante a representao da transmitncia em funo do comprimento de onda, conforme ilustrado na figura abaixo. Alm da transmitncia a curva tambm nos oferece a absorbncia (uma quantidade que pode ser relacionada com a transmitncia). Os mnimos na curva de 11

transmitncia so os mximos na curva de absorbncia. Como para uma da espcie as energias requeridas para os processos de absoro so nicas, conclui-se que o espectro de absoro caracterstico da substncia.

A medida da transmitncia pode ser feita segundo duas diferentes tcnicas: Calorimetria visual (absorciometria relativa): Consistem na comparao visual da colorao da soluo em estudo com as de solues padres obtidos semelhantemente. Absorciometria absoluta: Esta tcnica mede diretamente a transmitncia. Os instrumentos utilizados operam com faixas espectrais limitadas e medem a potncia da radiao transmitida com detectores fotossensveis. um meio que proporciona maior nvel de exatido e sob condies mais favorveis.

4.0 Execuo do experimento:4.1 Material utilizado: Espectrofotmetro:

Aparelho da marca FEMTO IND. COMRCIO INSTRUMENTOS LTDA. que incide diferentes freqncias de luz, e permite que obtenham o quanto de luz foi absorvido pelo composto estudado. Soluo de sulfato de cobre gua destilada Soluo utilizada para o experimento Usada para lavar alguns materiais e tambm utilizado para misturar na soluo de hidrxido de amnio e sulfato de cobre de tal modo que tivssemos a concentrao pedida. 12

Pisseta Hidrxido de amnio Pipeta volumtrica Pipeta graduada

Utilizado para sugar as solues no volume desejado. Soluo utilizada no experimento Aparelho que mede um volume fixo. Utilizada para medir o volume de sulfato de cobre. Aparelho que pode medir vrios volumes dentro de sua escala. Utilizada para medir o volume do hidrxido de amnio. Balo volumtrico Cubeta Utilizado para medir o volume final do composto utilizado no experimento. Instrumento utilizado para colocarmos a soluo no espectrofotmetro.

4.2 Procedimento experimental:O espectrofotmetro foi ajustado de modo a estar em 0% quando desligado e 100% de transmitncia, com hidrxido de amnio, e o comprimento de onda variando de 20 nm em 20 nm, e a cada mudana de comprimento de onda o aparelho era ajustado como no comeo (0% quando desligado e 100% de transmitncia). Os dados obtidos esto representados na tabela 1: Tabela 1: (nm) 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 Absorbncia 0,003 0,003 0,005 0,006 0,018 0,038 0,065 0,097 0,127 0,155 0,179 0,188 0,191 0,188 0,176 0,160 Transmitncia 99,3% 99,2 98,9 98,5 95,6 91,3 86,0 79,8 74,6 70,1 66,6 64,9 64,4 64,9 66,7 69,1

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Grfico de absorbncia por comprimento de onda para o sulfato de cobre. Foi feito um ajuste da curva Gaussiano, pois esse era o comportamento esperado. Segue a equao obtida por mtodo de quadrados mnimos e o coeficiente de correlao: F(x) = -1,80 10-15x6 + 7,39 10-12x5 - 1,21 10-8x4 + 1,01 10-5x3 0,04 10-2x + 1,09x 104,21 R = 0,99986 O resultado foi discutido, no laboratrio, entre as outras equipes que a maior absorbncia foi quando a freqncia da onda eletromagntica foi de 640 nm. Outras equipes fizeram a mesma analise com o mesmo composto, mas com concentraes diferentes. Na tabela 2 mostra a concentraes das outras equipes, com a respectiva absorbncia em 640 nm. Tabela 2: Soluo da equipe 1 2 3 4 5 6 Absorbncia 640 nm 0,059 0,101 0,107 0,191 0,280 0,268 em Transmitncia 640 nm (%) 87,3 78,3 78,1 64,4 52,5 53,8 em Concentrao da soluo (mols/L) 0,0010 0,0020 0,0030 0,0040 0,0060 0,0050

Com o auxilio da tabela 2 podemos construir o grfico da absorbncia em funo da concentrao, grfico 2: 14

Grfico 2

A equao da funo representada no grfico 2 uma funo polinomial de primeira ordem. Matematicamente temos: F(x) = Ax + B. Os dados foram obtidos atravs do software Origin 6.0. A = (48,28571 5,80874) B = (-0,00133 0,02262) Assim temos: F(x) = (48,28571 5,80874)x + (-0,00133 0,02262) R = 0,97226 A lei de Lambert-Beer no diz que a intensidades da radiao incidente e emergente podem ser relacionadas com as concentraes do material presente na soluo. Os seguintes esclarecimentos devem ser feitos: 1. So considerados desprezveis os efeitos de reflexo, refrao e espalhamento. 2. A radiao incidente deve ser monocromtica, isto , conter somente um comprimento de onda. Isto posto, vamos considerar a situao ilustrada na Figura 1. Io e I so, respectivamente, as intensidades da radiao incidente e transmitida pela amostra. Figura 1:

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Muitas vezes, a intensidade transmitida decai exponencialmente com o aumento do caminho percorrido na soluo (comprimento l da Figura 1), e tambm com o aumento da concentrao c: I = Io10-lc Sendo c a concentrao do material em estudo, l o comprimento interno do recipiente que contem a soluo, e o coeficiente de extino ou absortividade ou coeficiente de absoro, um fator caracterstico da substncia absorvedor (e o solvente), que depende do comprimento de onda da radiao. A grandeza que medimos experimentalmente a transmitncia T que a razo entre a intensidade incidente e a transmitida: T = I/Io Em relao a essa grandeza, a lei de Lambert-Beer assume ento a forma: T = 10-lc A absorbncia A definida como A = - log10 T Assim, em relao na absorbncia a lei de Lambert-Beer escrita: A = - log10 T = log10(1/T ) = log10(10-lc) E, portanto: A = lc Vemos o porqu da definio da absorbncia, nas condies da validade da lei de Lambert-Beer uma quantidade proporcional na concentrao. O espectrofotmetro se torna um medidor de concentrao seletivo para uma determinada substncia, atravs da relao c = A/l. De uma maneira geral, para uma soluo de dada substncia, em certo solvente, analisada a certo comprimento de onda da radiao, pode-se traar uma curva da absorbncia A em funo da concentrao c; a partir dessa curva ser possvel determinar a concentrao de qualquer amostra dessa soluo. 16

Portanto, com analise do grfico 2 temos que coeficiente angular da reta ser (48,28571 5,80874). Para determinar o coeficiente de absoro molar devemos fazer o uso de a relao a seguir: A = lc. Sendo: A = 0,191 (adimensional) l = 1,1 cm c = 0,00043 mols/L Fazendo os clculos obtm-se o valor da absoro molar () igual a 43,41mols L-1 cm-1.

5.0 Concluso:Podemos observar que a lei Beer-Lambert foi obedecida para este composto e para esta concentrao. Vimos tambm que h desconsideraes a serem feitas ao utilizar o espectrofotmetro; e sendo elas feitas o aparelho pode ser utilizado para mensurar a concentrao de solues. Para grandes concentraes a lei de Beer-Lambert no obedecida.

6.0 Anexos: Termos e Significados em anlises espectrofotomtricas UV-VisvelRadiao e Luz: A luz uma forma de onda eletromagntica que atravessa o vcuo a uma velocidade de3 x 1010 cm/seg. Ela classificada em raios infravermelho (IV), visvel (VIS) e ultravioleta (UV), de acordo com o comprimento de onda. Comprimento de Onda: O comprimento de onda da luz a distncia entre duas cristas de onda, medida em direo progresso de onda, usualmente expressa pelo smbolo l. A unidade usada no UV e Visvel o nanmetro (nm) equivalente a 10-9 metro. A luz comum mistura de radiaes de diferentes comprimentos de onda e pode ser dispersa por um monocromador em luz monocromtica; cada uma delas com estreita faixa de comprimento de onda. Cor: A luz visvel uma mistura de cores com vrios comprimentos de onda entre 400 a 700 nm, idnticas s cores do arco ris. Luzes com o comprimento de onda inferior a 400 nm (ultravioleta) ou superior a 700 nm (infravermelho) no podem ser observadas pelo olho humano.

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Energia da Luz: A equao abaixo expressa as relaes entre a energia (E) da luz e o seu comprimento de onda (): E = hc/ Onde (c) a velocidade da luz e (h) a constante de Planck (6.624 x 10-27 erg.s) Isto mostra que quanto mais curto for o comprimento de anda, maior ser a energia de luz. Portanto, a radiao ultravioleta possui maior energia que a visvel e esta maior energia que a infravermelha. Espectro ultravioleta visvel: Quando a luz incide sobre uma substncia, uma parte absorvida seletivamente pela substncia conforme a sua estrutura molecular e atmica. Todas as substncias possuem um nvel de energia que uma caracterstica especfica das molculas que a constituem. Quando uma luz que tem energia igual diferena entre a energia no estado fundamental (G) e a energia no estado excitado (E1, E2,...) incide sobre a substncia, os eltrons no estado fundamental so transferidos para o estado excitado e parte da energia da luz correspondente quele comprimento de onda absorvida. Os eltrons excitados perdem energia pelo processo de radiao quente retornando ao estado fundamental inicial. Um espectro de absoro obtido quando deixamos diferentes luzes monocromticas golpearem sucessivamente uma substncia e medimos o grau de absoro. Os comprimentos de onda (nm) so plotados na abscissa e os graus de absoro (transmitncia ou absorbncia) na ordenada. Anlises colorimtricas: O objetivo da anlise qualitativa identificar uma substncia ou encontrar os elementos que a compem. A anlise quantitativa usada para determinar a quantidade (concentrao) de um componente especfico da amostra. A anlise colorimtrica uma tcnica de determinao quantitativa, que compara a densidade de cor da amostra com a do padro. A amostra colorida tem caractersticas especiais de absoro e desta forma sua cor complementar absorvida na regio do visvel. A quantidade ou concentrao de uma substncia pode ser determinada pela medio do quantum de cor complementar absorvido. Isto o princpio das anlises colorimtricas. Se a amostra for incolor e transparente, adicionam-se reagentes que atravs de reaes qumicas produzem a cor. As substncias assim coloridas podem ser medidas pela anlise colorimtrica, ou se a amostra tiver caractersticas de absoro nas regies do ultravioleta e infravermelho prximo, usa-se essa absoro em anlises quantitativas. Em sentido amplo essa tcnica tambm chamada de mtodo colorimtrico. Transmitncia e Absorbncia:

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Figura 1: Lei de Lambert-Beer A figura 1 mostra uma luz incidente de intensidade (Io) que passa atravs da substncia e transmite uma luz de intensidade (It), resultando na equao: 1) It = Io 10-aCl Onde: a = coeficiente de absoro C = concentrao da substncia em absoro l = comprimento do caminho tico da cubeta A transmisso (T) expressa por: (2) T = It/ Io E a porcentagem da transmitncia (%T) por: (3) %T = It/ Io x 100 Das equaes (1) a (3), obteremos: T = 10-aCl e %T = 10-aCl x 100 Elas mostram que T e %T no so proporcionais concentrao (C). Para obter a concentrao atravs da transmitncia ou da porcentagem de transmitncia necessrio fazer incmodos clculos logartmicos. Por isso, recorre-se a determinao da absorbncia (A), expressa por: (4) A = log 10T = log 10 Io/ It = log 10 10aCl = aCl Isto significa que a absorbncia (A) proporcional a concentrao (C) desde que o coeficiente de absoro (a) seja constante e o comprimento do caminho tico sempre o mesmo. Portanto, nas anlises quantitativas, onde desejamos obter a concentrao da substncia, mais conveniente medir a absorbncia do que a transmitncia. A figura 2 mostra o aspecto de absoro do permanganato de potssio em soluo aquosa com cinco concentraes diferentes, registrados de 470 a 600 nm. A amostra (1) tem 66mg/L de 19

concentrao. As demais (2),(3),(4) e (5) foram diludas para 4/5 (0.8), 3/5 (0.6), 2/5 (0.4) e 1/5 (0.2) da concentrao da primeira amostra, respectivamente.

Curva de Calibrao: A relao entre a concentrao e a absorbncia das cinco amostra a 525 nm dada na figura 3. O resultado desse estudo uma linha reta que passa pela origem (figura 3), onde tambm se pode verificar que as absorbncias so linearmente proporcionais s concentraes. A curva da figura 2 chama-se curva de calibrao. Se a curva de calibrao determinada em um comprimento de onda de fraca absoro, por exemplo, a565 nm, como na figura 3, o gradiente da curva de calibrao ser pequeno, pois a mudana de absoro contra a concentrao ser menor que a 525 nm. Para obter uma alta sensibilidade, necessrio selecionar um comprimento de onda com coeficiente molar mximo.

Geralmente, as curvas de calibrao em altas concentraes so lineares, caso em que so dadas altas absorbncias. Entretanto, as curvas de calibrao apresentam um desvio para baixo, como

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mostra a figura 4. Esse desvio provocado pela radiao extraviada (luz espria), causada por pequenas pores de luz de outros comprimentos de onda, contidas na luz monocromtica.

Exemplo: Uma luz monocromtica de comprimento de onda l0 incide em uma amostra. Esta luz contm 0,1% de radiao extraviada. O valor em absorbncia dado por essa amostra de 2.0, o que corresponde a 1%T. Neste caso, sero transmitidos somente 1% da luz incidente de l0 e toda a radiao extraviada, de maneira que o valor total de transmitncia ser 1,1%. A absorbncia no ser de 2.0, mas de 1.959. Isto mostra que 0,1% de luz espria causaro um erro de 2% em uma amostra com 2.0 de absorbncia. Quando as intensidades de luz monocromtica e luz espria, incidentes na amostra, so indicadas como (Ioo) e (IoS) respectivamente, e a luz monocromtica transmitida como (It), a transmitncia (T) dada pela equao: (5) T = (It + IoS)/(Io +IoS) Visto a luz extraviada (IoS) no ser absorvida totalmente pela amostra. Quando (Io) > (IoS) e (It) > (IoS), a equao (5) representada como T = It/ Io, satisfazendo plenamente a equao (2). Por outro lado, se a concentrao da amostra for muito alta, desde que (Io) > (IoS) e (It) > (IoS), a equao (5) reescrita como: (6) T = (It + IoS)/Io Essa equao mostra que a luz espria (IoS) no negligencivel em gamas de altas concentraes. E quanto maior for a absorbncia, maior ser o desvio da curva de calibrao para baixo. Anlises Quantitativas: Para determinar a concentrao de uma amostra desconhecida, dever ser construda uma curva de calibrao idntica da figura 3, usando solues padro com concentraes conhecidas. Dever ser selecionado o comprimento de onda que der o 21

mximo de absoro que, no caso da figura 3, o de 525 nm. Assim, o valor curva de absorbncia da amostra lido no espectrofotmetro e a sua concentrao obtida na de calibrao atravs do ponto de interseco. Lembramos, entretanto, que nem sempre assegurada a linearidade das curvas de calibrao quando trabalhamos com altas concentraes, devido ao efeito da luz espria. Largura da Faixa Espectral: A luz monocromtica passando atravs do monocromador tem uma determinada largura de faixa e se a luz monocromtica chamada 500nm, por exemplo, ela certamente conter radiaes componentes do espectro de 497 a 503nm, no caso de uma largura de faixa de 3nm. Uma radiao de 500nm indica intensidade mxima no centro da distribuio espectral da funo de abertura triangular. A largura da metade da altura da distribuio espectral triangular, indicando metade da intensidade do pico no comprimento de onda central, chama-se largura da faixa espectral ou faixa de passagem. Diferentes larguras da faixa espectral do valores diferentes de absorbncia para a mesma amostra, devido ao coeficiente molar de absoro (a) da equao 4. Esses valores dependem do comprimento de onda e da largura da faixa. Se uma luz monocromtica de um mesmo comprimento de onda usada com uma faixa de grande largura resultar um pequeno valor de absorbncia. Isto acontece devido presena de componentes de outros comprimentos de onda, diferentes do comprimento central, contidos em uma grande extenso.

A melhor largura de faixa a ser selecionada no espectrofotmetro a de 1/8 a 1/10 da metade da altura do espectro de absoro da amostra. A metade da altura da faixa de absoro a largura medida na metade da altura do pico. Na colorimetria, geralmente, usada uma largura de faixa de 10nm, visto que a metade da altura da maioria das faixas de absoro maior que 50 ou 100nm. Se uma largura da faixa espectral mais estreita que a largura da fenda selecionada, a 22

energia da luz decrescer e como resultado ter um elevado nvel de rudo de fundo e baixa preciso fotomtrica. A largura da faixa espectral selecionada no espectrofotmetro, pela mudana da fenda Nos espectrofotmetros onde as fendas de entrada e sada podem ser simultaneamente ajustadas a sada de energia da luz monocromtica do monocromador, ela proporcional ao quadrado da largura da fenda. Duplicando a largura da fenda, a largura da faixa ser duas vezes maior e a energia da luz do monocromador incrementada em quatro vezes.

Aparelhos para medir a absoro: O nome colorimetria originou-se da comparao das densidades de cores. O instrumento usado em colorimetria o Colormetro, mas, atualmente estes instrumentos apenas so usados para medies na regio visvel. Para as regies ultravioleta e visvel usam-se espectrofotmetros.

A luz branca da fonte de luz entra no elemento dispersante que a transforma em luz monocromtica. A luz monocromtica transmitida atravs da cubeta ou tubo de medio localizado no compartimento de amostras e incide no detector, onde convertida em sinal eltrico que ser amplificado e exposto no medidor ou indicador. 23

Os instrumentos que medem a absoro de radiao por solues so denominados colormetros e espectrofotmetros. Embora no exista uma separao rgida entre ambas as classes, pode-se dizer que os colormetros so os aparelhos mais simples para medir a absoro no visvel, tais como os comparadores visuais e fotocolormetros. Os espectrofotmetros diferem dos colormetros por serem aparelhos que utilizam a radiao proveniente de um determinado tipo de monocromador e, portanto, operam com uma faixa muito mais estreita do espectro. Instrumentos de Feixe Simples e Feixe Duplo: Na anlise qumica por absoro nunca se mede a intensidade absoluta do feixe de radiao. Ao invs disso, sempre feita a comparao entre dois feixes, sendo um proveniente da passagem atravs do solvente puro e o outro atravs da soluo-amostra. Feixe Simples: A figura 6 mostra um sistema de feixe simples, onde se pode notar que um nico feixe de luz do monocromador passa atravs do compartimento de amostras.

Nos instrumentos de feixe simples ajusta-se o 0%T, posio em que nenhuma radiao incide no detector. Feito isto, ajusta-se o 100%T ou 0 de Absorbncia colocando-se uma cubeta contendo o solvente puro no caminho da radiao. A cubeta com o solvente trocada ento pelas cubetas com as amostras e mede-se a transmitncia. Devido mudana de sensibilidade dos detectores, da intensidade da radiao e da flutuao na tenso de alimentao da fonte de radiao, haver alterao do comprimento de onda. Por isso deve-se recolocar freqentemente a cubeta contendo o solvente e ajustar o 100%T (ou Abs). Feixe Duplo: Nos instrumentos de feixe duplo, a radiao proveniente do monocromador dividida por um espelho rotatrio semiprateado em dois feixes: o de referncia e o de amostra (figura7)

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A cubeta com a amostra colocada no feixe de amostra e o solvente no de referncia As duas luzes transmitidas so simultnea e seqencialmente detectadas como sinal de referncia (Io ) e sinal de amostra (I). O sistema de feixe duplo ainda pode ser classificado em sistemas com um ou dois detectores. Fonte de luz: No espectrofotmetro UV-Visvel geralmente usa-se uma lmpada de deutrio para a regio UV e uma de tungstnio ou tungstnio-halognio para a regio visvel e infravermelho prximo. A lmpada de mercrio serve para calibrar a escala dos comprimentos de onda. Lmpada de Deutrio: Normalmente usa-se a lmpada de deutrio para comprimentos de onda entre 180 a 370nm. A Radiao espectral, caracterstica da lmpada de deutrio, fornece muitas linhas espectrais ao longo do comprimento de onda acima de 370nm, inclusive duas fortes linhas espectrais em 486.0 e 651.1nm, que freqentemente so utilizados para checar a preciso do comprimento de onda. Lmpada de Tungstnio e Tungstnio-Halognio: O filamento da lmpada de tungstnio vaporiza-se e esses vapores fixam-se na face interna do bulbo da lmpada. O efeito da evaporao catdica ou sublimao reduz a transmisso de luz e deteriora o filamento. A lmpada de tungstnio-halognio tem longa vida til e previne a queda da intensidade provocada pela evaporao catdica. Ela contm uma mistura de gs inerte e certa quantidade de trao de gs iodeto (halognio), o que retarda a vaporizao do filamento de tungstnio atravs do ciclo halognio sob condies de aquecimento, resultando em maior vida til e mantendo uma forte radiao por maior perodo de tempo. Lmpada de Mercrio: A lmpada de mercrio contm vapor de mercrio a baixa presso (apenas alguns Torr). Emite muitas linhas espectrais, normalmente esses espectros so usados para calibrar a escala do comprimento de onda de espectrofotmetros. As trs linhas adjacentes ao redor de 365nm (365.0, 365.5 e 366.3nm) servem para checar a resoluo do monocromador.

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A resoluo definida como sendo o menor intervalo de comprimentos de onda, pelo quais duas linhas espectrais adjacentes podem ser reconhecidas como espectros independentes. Filtros: O filtro transmite radiaes de alguns comprimentos de onda, mas absorve total ou parcialmente outros comprimentos de onda. Objetos transparentes coloridos absorvem as radiaes de determinadas regies do espectro visvel, isto , as radiaes correspondentes sua cor complementar, com maior intensidade. A funo dos filtros em fotocolorimetria justamente a de selecionar determinadas faixas espectrais. Por exemplo, um filtro verde s deixa passar certa faixa de comprimento de onda correspondente ao verde, um filtro azul s transparente s radiaes azuis e assim por diante. O filtro colorido consiste em um slido transparente no qual se introduziu alguma substncia, capaz de subtrair da luz branca algumas radiaes que ela contm. Portanto, age de maneira semelhante a uma superfcie colorida, que tambm absorve algumas freqncias da luz branca. O filtro apresenta, porm a vantagem de permitir a viso por transparncia. Assim, ao fazermos incidir uma luz branca sobre um filtro azul, por exemplo, este deixar passar radiaes luminosas at uma determinada freqncia, retendo as demais e a sensao da cor que se obtm do outro lado do filtro correspondente ao azul. Um filtro ideal deveria transmitir totalmente as radiaes de determinada freqncia e absorver completamente as radiaes de outras freqncias. A qualidade dos filtros varia bastante, pois depende da natureza da matria prima com que foram construdos. Os filtros empregados em colorimetria podem ser de gelatina impregnada de corante, vidro colorido com uma, duas ou mais lminas coloridas justapostas. A introduo de substncias minerais que absorvem seletivamente determinadas radiaes na constituio do filtro, faz com que se possam obter sries enormes de filtros coloridos, cada um transmitindo apenas uma faixa relativamente estreita do espectro visvel. Filtros de Interferncia: Os filtros ticos podem tambm ser construdos com base no fenmeno da interferncia. Os filtros interferenciais so formados por duas lminas de vidro sobre as quais foi deposita uma pelcula de prata metlica semitransparente (semi-espelho), tendo entre si uma camada transparente de fluoreto de magnsio ou de clcio. Cada um desses filmes de prata reflete e transmite metade de qualquer radiao que incide sobre ele. Assim, a frao da radiao incidente que atravessa a primeira pelcula de prata refletida repetidamente por ambas as pelculas de prata, porm, a cada reflexo, parte da radiao transmitida pela segunda camada. Vrios raios emergentes reforam-se mutuamente apenas para o caso do comprimento de onda que corresponde ao dobro da distncia que separa os dois filmes semitransparentes de prata (o que vale dizer corresponde ao dobro da espessura da camada de MgF2 ou CaF2). Os outros comprimentos de onda so eliminados por interferncia. Os filtros 26

de interferncia permitem isolar faixas com largura entre 10 a 17nm. Entretanto tambm podem ser construdos com largura de 8nm ou menos e pico de transmitncia de 60 a 95%. Eles so os mais eficientes filtros de transmisso e podem ser usados com fonte de luz de alta intensidade, uma vez que suprimem as radiaes no desejadas por transmisso e reflexo e no por absoro. Prismas: Os prismas so utilizados como elementos dispersantes entre o UV prximo e o IV mdio, no podendo ser aplicados em outras regies. Eles apresentam a caracterstica da no linearidade dos seus espectros de disperso, ou seja, os sucessivos comprimentos de onda acham-se espaados desigualmente. Os comprimentos de onda correspondentes ao vermelho esto muito mais agrupados entre si que o do violeta. Dessa maneira, se a fenda de sada tiver largura fixa, ela isolar faixas de comprimentos de onda com larguras maiores para a faixa de comprimentos de onda longos. Por isso, as montagens com prismas tm fendas ajustveis, que permitem o controle efetivo da largura da faixa espectral. A figura 8 mostra a decomposio da luz branca ou policromtica nas cores fundamentais do espectro visvel por meio de um prisma.

Um raio de luz que incide obliquamente sobre um bloco de vidro, ao atravessar a superfcie de separao entre os dois meios (ar-vidro), muda de direo e aproxima-se da normal ao plano de separao (refrao, vide figura 9).

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Se o raio incidente for luz branca, notamos que no vidro aparecem raios de cores diferentes, de modo a constituir uma gama contnua de cores que variam do violeta ao vermelho. O raio vermelho aproxima-se menos do normal, pois sofre menor desvio do que o violeta (figura 8), demonstrando que o raio incidente foi decomposto em funo do comprimento de onda das radiaes que constituem embora esta separao seja pequeno. Para melhorar a separao faz-se com que o feixe decomposto incida uma segunda vez sobre a superfcie ar-vidro, mas desta vez, em sentido contrrio, ou seja, do vidro para ar. Grades ou Redes de Difrao: A disperso da luz tambm pode ser obtida por meio de uma grade de difrao - dispositivo com uma srie de entalhes paralelos, entre 500 a 2000 linhas por milmetro, dirigidos para a superfcie refletiva. Geralmente os entalhes so triangulares com ngulo de inclinao em relao superfcie plana de grade. Este ngulo (a) chama-se ngulo de brilho. Comercialmente, a maior parte das grades rplica. A grade rplica reproduzida a partir da matriz em filme fino de resina sinttica e cimentada em placa de vidro de pequeno coeficiente de expanso. A seguir o filme plstico aluminizado a vcuo. A grade de difrao dispersa a luz incidente de acordo com comprimento de onda. Monocromadores: Os monocromadores, de acordo com tipo dos seus elementos de disperso, so classificados em monocromadores de prisma, de grade, de difrao, de filtros e outros. Monocromador de Prisma: Os prismas quartzo fundido e foram largamente empregados at alguns anos atrs, devido ao alto custo de fabricao das grades de difrao.

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Caractersticas do monocromador de prisma: Um s prisma pode cobrir uma grande faixa de 185 a 2500 nm (da regio UV at a IV prximo) No h necessidade de filtros dispostos em uma distribuio posto que os mesmos so utilizados nos monocromadores de grade O monocromador de prisma, comparado a um monocromador de grade, obtm grande disperso e melhor resoluo na regio do UV (180 300nm) Desvantagens do monocromador de prisma: Como a disperso varia com o comprimento de onda, torna-se necessrio um sistema complicado que permita obter uma escala linear ou contador do comprimento de onda No possvel obter a resoluo uniforme da largura da faixa fixa, devido a disperso no linear do prisma A disperso e resoluo na regio Vis e IV prximo so inferiores as dos monocromadores de grade. Mritos monocromador de grade: As grades em comparao com o prisma permitem obter grande disperso bem como melhor resoluo, tanto na regio do visvel como no infravermelho prximo. As grades asseguram grande exatido do comprimento de onda, desde que o pequeno desvio devido mudana de temperatura seja negligencivel Com a largura fixa de fenda, a resoluo em relao ao comprimento de onda constante devido disperso sempre igual sob a largura da faixa do comprimento de onda. Para assegurar a exatido linear da escala de comprimento de onda, necessrio um complicado sistema mecnico sine bar Os monocromadores de grade tm tambm algumas desvantagens, tais como o espectro de ordem alta que atirado para o espectro da primeira ordem e o uso obrigatrio de filtros de distribuio de ordens. A configurao dos componentes ticos do monocromador de grade leva os nomes de seus inventores Um exemplo tpico de sistema tico de monocromador o tipo CzernyTurner. Compartimento de amostra e cubetas: Um compartimento de amostra provido de tampa protege o detector da luz forte externa. As cubetas so disponveis em vrias formas e dimenses Uma das mais populares a cubeta plana retangular com dimenses - 10mm de largura. (comprimento do caminho tico), 10 mm de profundidade e 45 mm de altura. Na fabricao das cubetas usa-se como matria prima o vidro e a slica, tambm chamada de quartzo. As cubetas de vidro servem na faixa de comprimento de onda de 340 a 2500nm e as de slica (quartzo) de 180 a 2500nm. Atravs da lei de Lambert-Beer (equao 4) ficou claro que, dobrando o comprimento do caminho tico da cubeta teremos o dobro de absorbncia. Quando a concentrao da amostra muito baixa ou absorbncia muito pequena, dever ser usada uma cubeta com longo caminho tico. Dessa maneira pode-se obter uma alta absorbncia, porm, o 29

volume da amostra dever ser maior. Alternativa a expanso eletrnica na escala de absorbncia, melhorando a exatido da leitura. Limpeza de cubetas: Aps as medies, as cubetas devero ser imersas durante certo tempo em soluo fraca de cido crmico e em seguida enxaguado em gua destilada. No esfregar forte demais as superfcies lisas das cubetas nem usar panos. O excesso de gua removido suavemente com leno de papel. Detectores de Radiao: Em todos os aparelhos utilizados para anlises por absoro, a existncia de um sistema que possa medir ou comparar as intensidades de radiao fundamental. Os detectores convertem os sinais luminosos (ticos) em eltricos, tornando possvel a sua medio ou comparao. Em princpio, qualquer dispositivo fotosensvel pode ser utilizado, desde que tenha resposta linear na poro do espectro usado e sensibilidade adequada. Fotoclula com Camada Barreira: O dispositivo mais utilizado pela sua simplicidade a fotoclula com camada barreira, cujo espectro de sensibilidade estvel para a regio do visvel e infravermelho prximo. Este dispositivo compreende uma placa de metal (ferro, por exemplo) sobre a qual depositada uma camada semicondutora, tal como o selnio. Uma pelcula de prata, to fina a ponto de ser transparente, recobre a camada semicondutora e atua como eletrodo coletor, sendo o outro eletrodo a base do metal. Fototubo: Um fototubo produz alta sensibilidade na regio do ultravioleta e visvel por um baixo custo. A tenso aplicada entre o nodo e o foto-ctodo. Quando um fton atinge o foto-ctodo, so liberados eltrons que fluem para o nodo. A corrente eltrica gerada pelo fototubo fraca deve ser amplificada e, por ser constante, a sensibilidade do foto-tubo no variar em proporo tenso aplicada. Fotomultiplicador: Um fotomultiplicador a combinao de um foto-tubo e um amplificador de alto ganho. A sensibilidade do fotomultiplicador largamente varivel pelo ajuste da tenso aplicada, permitindo obter um grande espectro de sensibilidade na faixa de 200 a 600nm, mas, acima de 900nm, praticamente no tem mais sensibilidade. O nodo blindado e, uma alta tenso negativa de 200 ~ 1000 V aplicada ao ctodo. Essa tenso negativa, dividida por uma srie de resistores, aplicada em cada dinodo. Existem vrios tipos de fotoctodos e vrios espectros de sensibilidade. Indicadores: Existem dois tipos de indicadores, analgico e digital, que recebem os sinais eltricos amplificados do detector. Indicador Digital: Um indicador analgico freqentemente causa erros por ocasio da leitura de reflexo Um medidor digital, entretanto, minimiza as possibilidades de erros vistos 30

que o valor. Fotomtrico indicado em algarismos e em conexo com uma impressora permite a impresso automtica dos valores indicados no display. O indicador digital, tambm permite uma apresentao linear das porcentagens de transmitncias, absorbncias e concentraes.

7.0 Bibliografia: ANGELA, Antunes. Patologia clnica. < www.professoraangela.kit.net/index.htm>. EUCLIDES, Alberto Vieira. Espectrofotometria: Chacoalhar molculas. Acesso em 03 abil. 2008. . Acesso em 03 abil. 2008. OHWEILER, Otto Alcides. Qumica Analtica quantitativa. RJ. LTC, 1974, Vol. 3NOVA ENCICLOPDIA BARSA. - So Paulo: Encyclopaedia Britannica do Brasil

Pag. 653 657.Publicaes, 1998. Vrios colaboradores; Volume 5 pp 351-352; Volume 6 pp 28-30; Volume 12 pp 189-192.

RICARDO, Alberto Prass. Termos e Significados em anlises espectrofotomtricas

UV-Visvel. . Acesso em 03 abil. 2008

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