11/11/2019

Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Instituto de Química
Departamento de Química Inorgânica

Fundamentos da Técnica de
Espectrometria de Absorção Molecular

Profa. Emilene M. Becker

Porto Alegre, novembro de 2019.

1. Revisão das propriedades da radiação eletromagnética

2. Espectro eletromagnético
3. Absorção atômica e absorção molecular
4. Lei de Beer
5. Desvios da Lei de Beer
6. Espécies que absorvem no UV-V
7. Instrumentação básica
8. Aplicações
9. Exercícios

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Espectroscopia
Ciência que trata das interações da radiação eletromagnética com a matéria

Radiação eletromagnética
➢ Energia transmitida no espaço
➢ Não necessita de meio para propagação
➢ Alta velocidade (3.1010 cm s-1 no vácuo)
M
O
D
Ondulatório E Corpuscular
L
O
✓ Interferência
S
✓ Reflexão ✓ Absorção de energia
✓ Refração ✓ Emissão de energia
✓ Difração
✓ Polarização

Propriedades ondulatórias: definições

Radiação eletromagnética

 Amplitude (A): medida da intensidade do campo com valor máximo da onda

 Período da radiação (p): intervalo de tempo necessário para dar passagem a
dois sucessivos máximos através de um ponto fixo no espaço
 Freqüência ( = Hz ou s- 1): número de oscilações por segundo, inverso do
período, função da fonte, invariável com o meio

 Comprimento de onda (): distância linear entre dois sucessivos máximos

 Velocidade de propagação (vi =  i): depende da composição do meio
de transmissão

c = velocidade da luz no vácuo = 2,99792 x 108 m/s

c = vλ

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Espectro Eletromagnético

Espectrometria: medida do espectro eletromagnético

Espectro Eletromagnético

Transição
Eletrônica
Transição
Nuclear Transição
Molecular
Orientação
de spin

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Espectroscopia UV-Visível
Caracterizar processos de absorção, transmissão e reflexão de uma variedade de
importantes materiais tecnológicos como: pigmentos, películas protetoras, janelas,
filtros, etc.
Aplicações qualitativas requerem o registro do espectro UV-Vis para a caracterização
das propriedades óticas e eletrônicas dos materiais.
Aplicações quantitativas relacionam a concentração de uma espécie absorvente com
a quantidade de luz absorvida.

pequena parte do espectro eletromagnético

O espectro Visível ( da ordem de 400 to 700 nm)

Objeto sólido opaco

(reflete a luz)

P0 P
Objeto líquido translúcido
(deixa passar a luz)

 Só percebemos as cores na presença de luz.

Absorção da luz visível e as cores

< 380 ultravioleta

> 780 infravermelho

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Interações entre radiação eletromagnética e espécies

moleculares e atômicas: aplicações analíticas

Microondas: preparo de amostras

Ultra-som : preparo de amostras

Infravermelho: identificação de estruturas

Raio-X: medidas qualitativas e quantitativas

Ultravioleta, visível: medidas quantitativas

 espectrofotometria
 fluorescência
 quimiluminescência

Reações fotoquímicas

Propriedades corpusculares

Absorção e emissão da Efeito fotoelétrico

energia radiante

Relação entre energia e

frequência

Foton ou Quanta E=h=hc/

onde E = energia em Joules
h = constante de Planck (6,63 . 10-34 J s)
 = freqüência (Hz ou s-1)

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Postulado de Bohr (1914)

➢ Sistemas atômicos existem em estados estáveis, sem irradiar

energia eletromagnética (estado fundamental).
➢ Absorção ou emissão de energia eletromagnética ocorre quando
um sistema atômico muda de um estado de energia para outro
(estado excitado).
➢ Processo de absorção ou emissão corresponde a um foton de
energia radiante h = E1 – E0, onde E1 – E0 é a diferença em
energia entre dois estados de um sistema atômico.

As espécies possuem espectros característicos,

que funcionam impressões digitais

11

Absorção atômica

P0
h
E1

E0
E1

E0
P
h

estado estado
fundamental excitado

E = E1 – E0 = h P0 > P

Potencia radiante P em watts (W) é a energia de um feixe

que atinge uma determinada área por unidade de tempo.

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Métodos Espectrométricos

Diagrama parcial de níveis Espectro de absorção

de energia para o sódio atômica de vapor de sódio

ABSORÇÃO O espectro é em forma de linhas finas devido

ATÔMICA: aos níveis atômicos sem subníveis energéticos.

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Absorção molecular
➢ Diagrama de níveis de energia ilustrando as mudanças associadas com a
absorção da radiação eletromagnética

Etotal = Eel + Erot + Evib

A – Transição rotacional pura (far IR)

B - Transição vibracional-rotacional (near IR)
C - Transição eletrônica vibracional-rotacional(UV-Vis)

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Métodos Espectrométricos
2,0

1,5
Absorvância

1,0

0,5

0,0 max

350 400 450 500 550 600 650 700 750

 (nm)

ABSORÇÃO O espectro de absorção é caracterizado por bandas largas

MOLECULAR: devido aos vários níveis e subníveis energéticos dos
orbitais moleculares.

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Espectros moleculares típicos no

UV-Vis

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Liberação da energia absorvida

➢ Absorção M + h M* (t = 10 -8 – 10 -9 s)

➢ Relaxação M* M + calor
Obs.: a quantidade de calor é, geralmente, não detectável

➢ Outras formas de relaxação

M* N (reação fotoquímica)
M* M + h (Fluorescência ou fosforescência)

Diagrama parcial
de níveis de
energia

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Como ocorre a absorção da luz?

• A absorção de radiação UV ou visível por uma espécie atômica ou
molecular pode ser considerada como um processo que ocorre em duas
etapas:
• M + h → M* excitação
• M* → M + calor (desprezível) relaxação

• São três tipos de transições eletrônicas:

• 1) elétrons p, s e n (moléculas e íons inorgânicos)
• 2) elétrons d e f (íons de metais de transição)
• 3) transferência de carga (complexos metal-ligante)

Obs.: Se M* sofrer decomposição ou formar novas espécies, o processo é

chamado de reação fotoquímica e, neste caso, não será possível fazer a
quantificação de M.

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Absorção Molecular na região UV-Vis

dx2-y2

dxy

Energia
dz2

dxz, dyz

dxy, dxz, dyz

dz2 , dx2-y2

Níveis de energia eletrônica molecular.

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Comprimentos de onda de absorção característicos das

transições eletrônicas.

Faixa de
Transição comprimentos Exemplos
de onda (nm)
s → s* < 200 C–C, C–H

n → s* 160 – 260 H2O, CH3OH, CH3Cl

p → p* 200 – 500 C=C, C=O, C=N, C≡C

n → p* 250 – 600 C=O, C=N, N=N, N=O

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Grupos cromóforos
➢ grupamentos funcionais que apresentam absorção característica na região
do UV-Vis: geralmente espécies com ligações insaturadas

β-Caroteno
λmax: 452 nm

Antocianina
λmax: 545 nm

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Grupos cromóforos

 Exemplos de reagentes espectrofotométricos

N N

N O
• ditizona • tiocianato
• ditiocarbamato de sódio • arsenazo
• 8-hidroxinolina • heteropoliácido
s
• cianina eriocromo R • azometina
C N

C S

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Espectro UV típico Espectro Vis típico

190 e 270 nm
[Fe(fen)3]2+

510 nm

Os máximos de absorção devem-se à presença de cromóforos na

molécula.

Cromóforo Auxocromos

•Átomo ou grupo de átomos •Átomo que não absorve radiação.

que absorve radiação.
•Modifica alguma característica da absorção do
cromóforo (comprimento de onda e intensidade de
absorção).

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Termos importantes e símbolos usados em

medidas de absorção
Termo Símbolo Definição
Potência de radiação ou Po ou Io Potência radiante em watts incidente
Intensidade de radiação na amostra
incidente
Potência de radiação ou P ou I Potência transmitida pela amostra
Intensidade de radiação
transmitida
Absorvância A log Po/P ou log Io / I
Transmitância T P / P0 ou I / I0
Caminho ótico da amostra b Comprimento sobre o qual ocorre a
atenuação da radiação
Absortividade* a A/bc
Absortividade molar**  A/bc

* c expresso em g L-1, b expresso em cm

** c expresso em mol L-1, b expresso em cm

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Absorção da radiação
 Transmitância:

 Absorvância:

espécie absorvente de
concentração c

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Absorção molecular

➢ Espectros moleculares típicos no UV-Visivel

KMnO4
max 545 nm
2,0

1,5
Absorvância

1,0

0,5

0,0
400 500 600 700 800
Comprimento de onda (nm)

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Lei de Beer (Bouguer-Lambert-Beer)

A = log Po/P A = .b.c

Po = Pa + Pt + Pr + Pe

 Pr e Pe podem ser minimizados utilizando células adequadas e uniformes e

soluções não turvas.

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Lei de Beer: requisitos

✓ Radiação monocromática

✓ A absorção ocorre em uma seção de concentração uniforme

✓ Substâncias absorventes não sofrem interações entre si (baixas

concentrações < 10-2 mol L-1)

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Análise quantitativa

Curva de calibração

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Análise quantitativa

Aumento da concentração

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Análise quantitativa
A = a.b.c = .b.c A~C
➢ Curva de calibração
Ex.: Prática - determinação do paracetamol em medicamento

➢ Comparação com padrão

Ex.: Prática - determinação simultânea de Cr e Mn
Padrão  conc.= cp   = ?  Ap = .b.cp   = Ap / b.cp
Amostra  cx = ?  Ax = .b.cx  c x = Ax /  b

Desvantagens:
- validade da lei de Beer não é verificada
-  calculado a partir de uma única medida de A (exatidão ?)

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Análise quantitativa

➢ Técnica de adição-padrão
✓ Aplicada a amostras complexas  efeito de matriz (não corrige
interferências espectrais)

✓ Padrões devem aproximar a composição da amostra, isto é,

devem conter todas as espécies presentes na amostra

✓ Consiste em adicionar um ou mais incrementos da solução-

padrão a uma ou mais alíquotas (do mesmo tamanho) da amostra

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➢Curva de adição-padrão

 Pela Lei de Beer:

A = .b.c

 Para a adição temos:

onde:
AT = .b.(cx + cp)
cx = conc. do analito na amostra
AT = .b.cx + .b.cp cp = conc. do analito adicionado

 Como , b e cx são ctes, a equação acima representa uma reta

cuja inclinação é .b e o coeficiente linear é .b.cx

 A concentração do analito na amostra pode ser obtida pela

extrapolação da reta obtida.

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Relação entre radiação

absorvida e concentração

Desvios da Lei de Beer

Reais

Aparentes Químicos
Instrumentais

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Desvios da Lei de Beer

 Real
A lei de Beer é válida para baixas concentrações (< 0,01 mol L-1).
Para altas concentrações:
✓ Interação entre espécies absorventes
✓ Variação no índice de refração ()

 Instrumental
✓ Efeito da radiação policromática
- a lei de Beer é válida para radiações monocromáticas;
- equipamentos com fontes monocromáticas são caros e pouco
práticos;
- acessórios (monocromadores, filtros) que isolam um  a partir
do espectro emitido por uma fonte contínua, produzem uma
banda + / – simétrica.
✓ Erro fotométrico (Δc/C)

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Efeito da radiação policromática na lei de Beer

➢ Curva com dados da Banda A mostra poucos desvios pois o  não

muda muito na região da banda escolhida.
➢ Curva com dados da Banda B apresenta grande desvio pois o 
muda muito na região da banda escolhida.

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Desvios da Lei de Beer

 Instrumental: luz espúria
✓ Radiações estranhas que alcançam o detector
✓ Flutuações na potência da fonte de radiação
✓ Alterações na sensibilidade do detector

Pe = luz espúria

radiação do
instrumento que está
fora da banda de
comprimentos de onda
nominal escolhida
para uma
determinação

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Desvios da Lei de Beer

 Químico (Aparente)
✓ Ocorre quandoo analito se dissocia, associa, ou reage com o solvente,
formando um outro composto com diferente espectro

- pH baixo Cr2O7 2-
Ex1: Cr2O7 2- + H2O  2 CrO4 2- + 2 H3O+
(máx=350,5 nm) (máx =372 nm) - pH alto CrO4 2-

➢ Espécies que podem participar de equilíbrio

químico em solução devem ser analisadas em
um meio onde apenas uma espécie predomine

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Desvios da Lei de Beer

 Químico (Aparente)
Ex2:

Ponto
isobéstico

 máx  440 nm  máx  580 nm

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Erros nas medidas fotométricas

❖ Precisão das medidas: limitada pelo erro indeterminado (ruído) associado ao instrumento

➢ Baixos valores de absorvância  o ruído é fator determinante

➢ Altos valores de absorvância  P ~ zero

Diferenciando a equação: Dividindo por c:

c/c = medida do erro relativo de conc. devido ao erro absoluto na medida de T

T /T = erro relativo em T atribuido ao ruído; T = incerteza

➢ O erro relativo c/c varia com magnitude de T

➢ Ajusta-se a concentração e/ou o caminho ótico para que : 65% > T% > 20% 0,2 < A < 0,8

40

20
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Erros nas medidas fotométricas

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Erros nas medidas fotométricas

sc 0,434sT
=
c T log T

sc 0,434k 2 1
= +1
c log T T

sc 0,434k3
=−
0,25 0,75 c log T

Observa-se que o erro nas medições pode ser minimizado efetuando-se

leituras de absorbância dentro de certas faixas de valores para cada tipo
de equipamento.

42

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Estabelecimento do método

 Substâncias absorventes – determinação direta

 Substâncias não-absorventes – transformar em espécies absorventes via
reação química
 especificidade da reação
✓ Escolha do  estabilidade do sistema absorvente e do branco
método  efeitos competidores (pH da solução, temperatura,
concentração de eletrólitos, substâncias interferentes)
 absortividade molar

dissolver a amostra
✓ Escolha do  transmitir na região espectral em que o analito
solvente absorve
 considerar seus efeitos no sistema absorvente

43

Estabelecimento do método

✓Escolha do considerar absorvância do próprio analito e de

comprimento interferentes
de onda de  componentes estranhos: preparação de um
trabalho branco

✓Construção da preparação das soluções de calibração

curva de  faixa de concentração  obediência a lei de
calibração Beer
A x concentração  composição real da amostra  efeito de
matriz

✓Limpeza e manutenção das células (cubetas)

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Análise de misturas absorventes

➢ Aplicações analíticas  determinação simultânea
✓ Propriedade aditiva da Lei de Beer:
Atotal = (x. b. [X]) + (y. b. [Y]) + .....

Espécies absorventes em um amostra

com espectros sobrepostos

❖ Solução complexa!

Várias espécies absorventes em um

amostra com espectros não sobrepostos
A’ = (x’ b. [X]) + (y’ b. [Y])

A” = (x” b. [X]) + (y” b. [Y])

❖ As absortividades molares de X e Y
em cada  devem ser conhecidas.

45

Análise de misturas absorventes

❖ Espectro visível do MnO4-, Cr2O7 2-, e de uma mistura

contendo ambos os íons em concentrações desconhecidas

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Instrumentação
Espectrofotômetro de Absorção Molecular UV-Vis

• Celas de medidas : cubetas

• Tubos fotomultiplicadores
• Fototubo
• Fotodiodos

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Fotômetro de feixe único para medidas de

absorção na região visível

Fonte

Seletor de Transdutor
comprimento de onda

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Fontes de radiação
➢ FUNÇÃO: emitir radiação que será absorvida pelo analito - cobrir a região
espectral de interesse

Região Visível:
380 a 780 nm Região Ultravioleta:
•Lâmpada de filamento de tungstênio 180 a 380 nm
•LED coloridos •Lâmpada de Deutério
•Lâmpada de xenônio (UV/Vis) •Lâmpada de Hidrogênio

D2 + Ee  D2*  D’ + D” + h Emissão de radiação pela oscilação de

átomos e moléculas do sólido condensado,
pelo fornecimento de energia.

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Seletores de frequência
➢ FUNÇÃO: isolar faixas espectrais estreitas
- faixa de absorvância máxima
- A X Conc. Linear

➢ TIPOS Filtros: absorção e interferência

Monocromadores: prismas e reticulares
Policromadores

 PODER DE RESOLUÇÃO:
habilidade de separar
intervalos espectrais R =  / 
adjacentes

 FATOR DE TRANSMISSÃO:
quantidade de radiação transmitida
de uma dada frequência  = P / Po

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Seletores de frequência
➢ FILTROS

✓ Filtro de absorção:
- usados somente na região do visível
- isolam determinados comprimentos de
onda por absorção dos demais
- são baratos
- vidros coloridos  maior estabilidade
térmica
- filtros de corte (cut-off-filters)
- faixas espectrais largas

✓ Filtro de interferência:
- usados no UV, Vis, e IV

- princípio de separação:
interferência de frequências

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Seletores de frequência
➢MONOCROMADORES (redes e prismáticos)
Resolvem uma radiação complexa em diversos comprimentos de
onda e, então, isolam uma estreita faixa espectral

✓ Com redes
☺ Dispersão espacial homogênea
dos  em toda faixa espectral.

Redes : série de ranhuras muito próximas,

paralelas e eqüidistantes, traçadas sobre
placa de vidro (rede de difração), placa
metálica (rede de reflexão), superfície
côncava e rede holográfica.

✓ Prismáticos
Dispersão baseada na variação do
índice de refração com o .
☺ Fácil fabricação.

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Lentes
Fonte
luminosa

Fenda

Rede de
difração
Detector

Cubeta Fenda Lentes

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Celas de medida (cubetas)

➢ FUNÇÃO: conter a amostra
- deve ser transparente à região espectral de trabalho

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➢ Tipos de cubetas

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Detectores
➢ FUNÇÃO: transformar a energia radiante em um sinal elétrico facilmente
mensurável

células fotovoltaicas
fototubos
DETECTORES FOTOELÉTRICOS tubos fotomultiplicadores
fotocondutivos
fotodiodos

R = KP R = KP + k’
➢ RESPOSTA
R = resposta k’= corrente escura
K = sensibilidade
P = potência

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Detectores
FOTOMULTIPLICADORAS

➢ ARRANJO DE FOTODIODO
➢ FOTOTUBO

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Instrumentação
➢ Fotômetros

➢ Espectrofotômetros

Faixa espectral
de
equipamentos
comerciais:
190-820 nm

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Instrumentação
➢ Espectrofotômetros
Faixa espectral de equipamentos comerciais: 190-820 nm

Abaixo de 180 nm  absorção de radiação por gases da atmosfera

(Purga com gás inerte, resolve parcialmente  Limite: 175 nm)
Abaixo 175 nm  necessário vácuo e luzes mais potentes.

Limite superior  depende da resposta de detectores

Hoje já é comum aparelhos até 1100 nm.
Possível até 3300 nm (região NIR)

59

30