Espectrofotometria__Uv___Visible2012 - U

Espectrofotometria Uv – Visible:
Aplicaciones
en el analisis químico
Curso: Quimica Analítica II
2012
Profesor: Juan Carlos Sturm
¿Fotómetro o espectrofotómetro ?
emisor LED
525nm
Fotodiodo
detector
Microprocesador
Display
LCD
Muestra
¿No faltan algunos componentes en este instrumento?
Fuentes de radiacion electromagnetica para
espectroscopia
Fuente
region λ
usos
Lamp. H2 – D2
continua, 160-380 nm
absorción molecular UV
L. Tungsteno,
continua 320 -2400 nm
absorción molecular visible
L. Arco de Xe
continua 200 – 1000 nm
e. molecular fluorescente
Alambre de nicron continua 0,75 – 20 µm
e. absorción IR
L. Cátodo hueco
líneas Uv-Vis.
E Absorción atómica
Laser
línea , UV-Vis
Abs atómica , molecular, fluoresc.
L. vapor de Hg
líneas
fluorescencia molecular
diodo
línea -vis
Abs. Molec vis.
Fuente
continua
Fuente
de
lineas
Transductores para espectroscopia optica
Detector
fototubo
Fotomultiplicador
Fotodiodo de Si
Fotoconductor
celda fotovoltaica
termocupla
Termistor
clase
foton
foton
foton
foton
foton
termico
termico
rango λ
200-1000 nm
110 – 1000nm
250 – 1100 nm
750 – 6000 nm
400- 5000 nm
0.8- 40 µm
0.8- 40 µm
señal
corriente
corriente
corriente
carga- resistencia
voltaje o corriente
voltaje
variacion resistencia
Monocromador
• Filtros ópticos
• Prismas
• Rejillas de difracción
Ancho de
banda :
Características de la espectroscopia
molecular
•
•
•
•
•
Aplicación en sistemas orgánicos e inorgánicos
Límites de detección bajos ( 10-4 a 10-5 M)
Selectividad moderada a alta
Buena exactitud ( incertidumbres relativas < 2% )
Medición y adquisición de datos simple
Aplicaciones
• Determinación
de iones metálicos y complejos de
elementos de transición ( Ni+2, Cu+2, Co+2, Cr2O7 -2 )
• Complejos de transferencia de carga
ej: Fe(II –1,10 Fenantrolina , Fe(III)– tiocianato
•Compuestos orgánicos con enlaces conjugados,
heterociclos
• Campos: industrial, clínico, forense, medio
ambiente
Espectros de absorción molecular
Espectro de absorción de ácido acetil salicílico en HCl 0,05 M
2,5
a)
a) AAS = 25 mg/l
b) AAS = 12,5 mg/l
Absorbacia
2,0
1,5
1,0
b)
0,5
0,0
200
220
240
260
280
300
320
340
360
λ ( nm )
La concentración de la solución no modifica la forma del espectro
Análisis Cuantitativo, procedimiento:
• Selección de la longitud de onda
( si se
de medición:
desea la mas alta sensibilidad se elige una
longitud de onda correspondiente a un
pico máximo)
• Verificar cumplimiento de la ley de
Beer
T = P/P0
A=abC
-log T = a b C
existen variables que influyen en la
absorbancia como: tipo de disolvente, pH de la
solución , temperatura , sustancias interferentes
• Selección del rango de concentraciones para la medición con
menor error
Ley de Beer - ideal : A = abC ,
Señal = constante * conc. de analito
Ambas ecuaciones
representan rectas
A vs C
Ley de Beer - real : A = abC + n
1,2
1,2
1,0
1,0
Absorbancia
Absorbancia
n= intercepto señal de fondo (blanco)
0,8
0,6
0,4
0,8
0,6
0,4
0,2
0,2
0,0
0,0
0
2
4
6
Concentración
8
10
Pendiente = sensibilidad
rango lineal
intercepto
0
2
4
6
Concentracion
8
10
Otras técnicas espectroscópicas sin intercambio de
energía
•
•
•
•
•
Nefelometría
Turbidimetría
Refractometría
Difraccion
Dispersión
scattering
refracción
difracción de rayos x
dispersión óptica rotatoria
Ver tambien : Modern Analytical Chemistry
D. Harvey , Mc Graw Hill , cap 10
Métodos de cuantificación
• Curva de calibración con estándares externos
• Método de adición estándar:
- a volumen final constante
- a volumen variable
Curva de calibración con estándares externos
Los estándares de calibración deben aproximarse en lo
posible a la composición general de las muestras
muestra
blanco
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
Ax
Curva de calibración
Absorbancia
0
0,010
2
0,100
4
0,200
6
0,300
8
0,405
10
0,500
12
0,590
muestra
0,340
0,6
0,5
Absorbancia (A)
Concentracion
mg/L
0,4
0,3
A = 0,0066 +0,0490*C
r = 0,9997
0,2
0,1
0,0
0
Cx = 6,80 mg/L
2
4
6
8
Concentración ( mg/L)
10
12
Método de adición de estándar:
a volumen final constante y varias adiciones
Las dificultades de contar con un patron con una composición general que se
asemeje a la de las muestras hace recomendable este método. Requisito: se
cumple la ley de Beer
blanco
Ajuste 0
Vx
A TOTAL =
Ax
+
Vx
Vx
Vst1
Vst2
Vx
Vst3
Vst4
Ast
Cx ∗Vx a ∗ b ∗ Cst ∗Vst
AT = a ∗ b ∗
+
VT
VT
α
Vx
β
Graficar A vs Vst :
recta con pendiente β e
intercepto α
AT = a ∗ b ∗
Cx ∗Vx a ∗ b ∗ Cst ∗Vst
+
VT
VT
•
Entonces:
A T = α + β Vst
•
Dividiendo
α
Cx ∗ Vx
Vt
= a ∗b ∗
∗
β
Vt
a ∗ b ∗ Cst
Despejando
α ∗ Cst
Cx =
β ∗Vx
Método de adición de estándar:
a volumen final variable y una adición
Vx
Vx + Vst
A2
A1
A1 = abCx
 VxCx + VstCst 
A2 = ab

 Vx + Vst 
A1
abCx (Vx + Vst )
=
A2 ab(VxCx + VstCst )
A1 CxVx + CxVst
=
A2 VxCx + VstCst
A2CxVx + A2CxVst = A1VxCx + A1VstCst
A2CxVx + A2CxVst − A1VxCx = A1VstCst
factorizando
Cx[( A2 − A1 )Vx + A2Vst ] = A1VstCst
A1VstCst
Cx =
( A2 − A1 )Vx + A2Vst
Ejercicio 1
•
Se desea determinar el manganeso en un acero. Se disolvió una muestra de acero
de 0,4895 g , el manganeso se oxidó a MnO4- y la solución se diluyó a 100 ml en
un matraz aforado. La absorbancia a 525 nm en una celda de 1 cm fue 0,396 .
Una solución de MnO4- de 3x 10-4 M presenta una absorbancia de 0,672
Ast = a· b ·Cst
0,672= a·1 ·3x10-4
Ax = a· b· Cx
0,396 = 2240·1·Cx
a = 2240
Cx = 1,77 x 10-4M
Otra forma de cálculo:
Ast a·b·Cst
=
Ax a·b·Cx
0,672 3 ·10−4
=
0,396
Cx
Cálculo del porcentaje de Mn en acero :
ver en versión internet
• Ejercicio 2: Ver en versión internet
• Curva de calibracion con patrones independientes
• Interpolacion de una muestra tratada de la misma
forma que los patrones
• Ejercicio 3 : Ver en versión internet
• Cálculo de concentración mediante adición estándar y
volumen constante
•Ejercicio 4: Ver en version internet
•Adición de estándar con un punto e incremento de volumen
Calcular el porcentaje de Mn en el acero
En el matraz de 100 ml encontramos una concentración 1,77· 10 -4
M de MnO4- .
Calculemos los mg de Mn en 100ml
El PA Mn = 54,94;
1,77·10-4 · 54,94 = 9,7· 10-3 g/L Mn
0,97mgMn
X
=
0,4895
100
9,7 mg/1000mL Mn
0,97 mg /100 ml Mn
Calculemos los mg de Mn por 100 g de muestra ( porcentaje)
En los 100ml se disolvieron 0,4895 g de acero y hay 0,97 mg
de Mn. ¿ Cuantos mg de Mn hay en 100g de acero ?)
X = 198,2 mg Mn / 100g muestra
% = 0,2 g Mn /100g muestra
X = 0,2 %
Ejercicio 2
El hierro forma un complejo con 1,10 fenantrolina el cual
presenta un máximo de absorción a 510 nm.
A partir de una solución patrón de 1000 mg/l de hierro se
preparó una curva de calibración , obteniéndose los siguientes
datos:
conc
( mg/L)
A
25,0 ml de una muestra de agua subterránea se
colocaron en un matraz de 50,0 ml después de ser
tratada para formar el complejo coloreado , al igual
que la curva de calibración , fue aforada. La
absorbancia fue de 0,203 .
2
0.160
4
0.313
6
0.460
8
0.619
La ecuación de la recta es : A = 0,007 + 0,0762·Cx
0,203
r = 0,9998
muestra
Calcular la concentración de Fe de la muestra de
agua en mg/L
Interpolando el valor de A de la muestra :Cx = 2,57 mg/L (conc en el matraz de 50)
Conc. real de la muestra : 2 x 2,57 = 5,14 mg/L ( por la dilución de 25 ml a 50ml )
Ejercicio 3
Basado en el ejercicio anterior plantearemos la siguiente metodología :
25,0 ml de una muestra de agua subterránea se colocaron en un matraz de
50,0 ml después de ser tratada para formar el complejo coloreado Fe/1-10
fenantrolina , fue aforada. La absorbancia fue de 0,203 .
En otros matraces iguales fueron colocados 25 ml de la muestra , el reactivo
complejante y respectivamente : 0, 1 ; 0,2 y 0,3 ml de solución patrón de Fe de
una concentración de 1000 mg/L. Calcule la concentración de Fe en la muestra
Estamos aquí frente a un método de adición estándar con volumen final fijo :
DATOS:
0
0.203
0.1
0.363
0.2
0.516
0.3
0.663
Cst = 1000 mg/L
0,7
Vx = 25 ml
0,6
β= 1,533
α ∗ Cst
Cx =
β ∗Vx
0,5
Absorbancia
α= 0.2063
A = 0,2063 + 1,533 Vst
----------------A
0,2063
B
1,533
-----------------
0,4
R
--------------0,99982
---------------
0,3
0,2
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
ml de estandar agregado
0.2063 * 1000 206.3
Cx =
=
= 5.30
1.533 * 25
38.32
Concentración de la muestra = 5,30 mg/L; Ojo : no hay factor de dilución
ya que tanto muestra como Patrones se sometieron a la misma dilución.
Ejercicio 4
Una solución ácida de ión cúprico tiene una absorbancia de 0,062 a la
longitud de onda de máxima absorción.
A 5,0 ml de esta solución se le agregó 1,0 ml de solución 0,01 M de ión
cúprico y se determinó que la absorbancia fue de 0,102 a la misma
longitud de onda : ¿ Cual es la concentración de la muestra ?
R: La muestra con un volumen de 5 ml fue enriquecida con patrón aumentando
el volumen a 6 ml ( adición std. con un punto y con incremento de volumen)
A1 = a·b·Cx
A2 = a·b·
CxVx + CstVst
Vx + Vst
A1
Cx(Vx + Vst )
=
A2 CxVx + CstVst
Cx·6
0,062
=
0,102 Cx·5 + 0,01·1
0,612Cx = 0,31Cx + 0,00062
Cx = 2,1x10 −3 M
Tarea : verifique el
resultado usando la
formula deducida
anteriormente
Limitaciones de la ley de Beer
·Solo es aplicable a soluciones diluídas (<10-2M)
(Interacciones entre iones o moléculas afectan la absorción de
radiación, variación del índice de refracción)
•Desviaciones químicas debido a la asociación o
disociación del analito ( se forman productos con características
absorbentes distintas al analito. Ej : indicadores acido base)( desv.
positiva o negativa )
•Desviaciones por radiación policromática y radiación
parásita ( limitaciónes instrumentales ) (desviacion negativa )
Fluorescencia y Turbidez ( disminución de absorbancia por
radiación emitida o aumento de absorbancia por partículas en
suspensión )
Desviaciones químicas
Cuando un analito se disocia , se asocia o reacciona con el disolvente
para dar un producto con espectro de absorción diferente al del
analito se producen desviaciones de la ley de Beer.
HIn ⇔ H + + In −
Color 1
Ka = 1,34 x 10-5
Color 2
La siguiente tabla * muestra el desplazamiento del equilibrio motivado
por la dilución ( solucion no tamponada)
HIn, M
2,00 x 10-5
4,00 x 10-5
8,00 x 10-5
12,00 x 10-5
16,00 x 10-5
[HIn]
[In-]
%
X 105
X 105
disociado
0.88
2.22
5.27
8.52
11.9
1.12
1.78
2.73
3.48
4.11
56 %
44.5%
43.1%
29 %
25.7 %
A 430
0.236
0.381
0.596
0.771
0.922
* Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 407-408
A570
0.073
0.175
0.401
0.640
0.887
Desviaciones quimicas
A medida que la concentración
aumenta la disociación es
menor dando una curvatura
positiva a 570 nm
Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 407-408
Desviaciones instrumentales por radiación policromática
En el espectro (grafico superior) la
absortividad del analito es casi
constante en la banda A.
En la grafica de la ley de Beer, al
usar la banda A hay una relación
lineal.
En el espectro la banda B muestra
cambios notables de la absortividad
resultando en una marcada
desviación de la ley de Beer
Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 409
Cuando la medición de
absorbancia se efectúa con
radiación compuesta por
diversas longitudes de onda , la
absorbancia es una combinación
dada por las absortividades
diferentes a cada longitud de
onda .
* Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 410
Desviación aparente de la ley de Beer por diversas
cantidades de radiación parásita ( o difusa)
Radiación parásita o difusa:
Cualquier radiación que llega
al detector pero que no
sigue la vía óptica entre la
fuente y el detector
La radiación parásita limita la
absorbancia máxima de
respuesta lineal ya que cuando
la absorbancia es alta la
potencia radiante que llega al
detector se vuelve pequeña,
similar o menor al nivel de luz
parásita.
Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 411
Error instrumental en función de la transmitancia
Se ha visto que la incertidumbre en la medida
espectrofotométrica de la concentración varía en forma
no lineal con la magnitud de la transmitancia
x − xt
error relativo =
x 100 %
xt
∆C
x 100
C
El error relativo en la concentración para una medida
espectrofotométrica esta dada por la siguiente expresión :
∆C 0,434 ∆T
=
C
T log T
∆T = error fotométrico
(incertidumbre absoluta para la
transmitancia)
Por ejemplo 0,005 = 0,5%T
Ejercicio
Calcular el error relativo en concentración porcentual para
mediciones con absorbacias de ; 0,125 ; 0,434 y 0,900
suponiendo que existe una incertidumbre fotométrica instrumental
de un 1 %
0,125 = 74,9 %T
A
0,434 = 36,8 %T
0,900 = 12,5%T
∆C
0,4343 · 0,01
=
= −0,046 = 4,6%
0,749 log 0,749
C
∆C
0,4343 · 0,01
=
C
0,368 log 0,368 = -0,027 ; = 2,7%
∆C
0,4343 · 0,01
=
= -0,038 ; = 3,8%
C
0,125 log 0,125
∆C 0,434 ∆T
=
C
T log T
Conclusión: se eligirá un rango de concentraciones de trabajo tal que la
transmitancia se mantenga en el rango 20%T – 70%T (0,7A -0,15A)
Determinación de mezclas
Se basa en que, a una determinada longitud de onda la absorbancia
observada es igual a la suma de las absorbancias de cada
componente
λ1
2,0
AAS 25 ppm
CAF 10 ppm
Mezcla
1,5
λ2
A
1,0
0,5
0,0
200
220
240
260
λ/nm
280
300
320
ATOTAL λ1= aAAS,λ1·b·CAAS + aCAFλ1·b·CCAF
ATOTAL λ2= aAAS,λ2·b·CAAS + aCAFλ2·b·CCAF
Resolver este sistema de ecuaciones simultáneas para las
incógnitas CAAS y CCAF
Para que la exactitud y precisión de los resultados sean buenas es necesario
seleccionar ambas longitudes de onda de forma que aAAS < aCAF a una de las
longitudes de onda y lo inverso a la otra longitud de onda . La precisión
optima se logra cuando la diferencia de absortividades sea lo mas grande
posible . Se deben fijar las condiciones de pH para evitar la presencia de
especies en equilibrio variable.
Ejercicio
Se pueden determinar las concentraciones de una mezcla de Fe+3
y Cu +2 formando el complejo con hexacianorutenato (II) ,
Ru(CN)6-4, que forma un complejo de color azul- violáceo con el
Fe+3 ( λmax = 550 nm) y un complejo gris pálido con el Cobre
(λmax = 396 nm) Las absortividades molares de los complejos de
metal se resumen en la tabla siguiente:
ε 550
ε 396
Fe +3
9970
84
Cu+2
34
856
Cuando una muestra que contiene
Fe+3 y Cu+2 se analiza en una cubeta
de 1 cm de paso óptico la
absorbancia a 550 nm fue de 0,183 y
la absorbancia a 396 nm fue de
0,109. ¿Cuál es la concentración molar
de Fe +3 y Cu+2 en la muestra ?
a 550 nm :
0,183 = 9970 CFe + 34 CCu
a 396 nm :
0,109 = 84 CFe + 856 CCu
Despejamos C Cu en la primera ecuación
0,183 − 9970CFe
34
y sustituimos en la segunda
C Cu =
 0,183 − 9970·CFe 
0,109 = 84·C Fe +856

34

= 4,607 − ( 251x105 )·CFe
Despejando : CFe = 1,80 x 10 -5M
C Cu = 1,26 x 10-4 M
Ref: D:Harvey, Química Analítica Moderna , pag. 281
Otras aplicaciones
· Determinación de constantes de equilibrio
( p.ej. La constante de acidez de un indicador acidobase)
· Caracterización de la estequiometría de un
complejo metal-ligando
( p. ej. ML; ML2, ML3 etc.)
. Titulaciones espectrofotométricas
(usa graficas de absorbancia vs volumen de titulante,
formación de un producto absorbente o decoloración
de un reactivo titulante coloreado)
http://en.wikipedia.org/wiki/Beer%E2%80%93Lambert_law