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
