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Espectrofotometria Uv – Visible:
Aplicaciones en el analisis químico
Curso: Quimica Analítica II 2012
Profesor: Juan Carlos Sturm
emisor LED 525nm
Muestra
Fotodiodo detector
Microprocesador Display LCD
¿No faltan algunos componentes en este instrumento?
¿Fotómetro o espectrofotómetro ?
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
Detector clase rango λ señal
fototubo foton 200-1000 nm corriente
Fotomultiplicador foton 110 – 1000nm corriente
Fotodiodo de Si foton 250 – 1100 nm corriente
Fotoconductor foton 750 – 6000 nm carga- resistencia
celda fotovoltaica foton 400- 5000 nm voltaje o corriente
termocupla termico 0.8- 40 µm voltaje
Termistor termico 0.8- 40 µm variacion resistencia
Transductores para espectroscopia optica
• Filtros ópticos
• Prismas
• Rejillas de difracción
Monocromador
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
La concentración de la solución no modifica la forma del espectro
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
200 220 240 260 280 300 320 340 360
a ) AAS = 25 mg/l b ) AAS = 12,5 mg/l
Espectro de absorción de ácido acetil salicílico en HCl 0,05 M
b )
a ) A
bsor
baci
a
λ ( nm )
Análisis Cuantitativo, procedimiento:
• Selección del rango de concentraciones para la medición con menor error
• Selección de la longitud de onda de medición: ( si se desea la mas alta sensibilidad se elige una longitud de onda correspondiente a un pico máximo)
• Verificar cumplimiento de la ley de Beer A = a b C T = P/P0 -log T = a b C existen variables que influyen en la absorbancia como: tipo de disolvente, pH de la solución , temperatura , sustancias interferentes
Ley de Beer - ideal : A = abC , Señal = constante * conc. de analito Ley de Beer - real : A = abC + n n= intercepto señal de fondo (blanco)
Ambas ecuaciones representan rectas A vs C
0 2 4 6 8 100,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Abso
rban
cia
Concentración0 2 4 6 8 10
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
rango lineal
intercepto
Abso
rban
cia
Concentracion
Pendiente = sensibilidad
• Nefelometría scattering
• Turbidimetría
• Refractometría refracción
• Difraccion difracción de rayos x
• Dispersión dispersión óptica rotatoria
Otras técnicas espectroscópicas sin intercambio de energía
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
blanco muestra
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 Ax
Los estándares de calibración deben aproximarse en lo posible a la composición general de las muestras
Curva de calibración
Concentracion
mg/L
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 2 4 6 8 10 120,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
r = 0,9997A = 0,0066 +0,0490*CAb
sorb
anci
a (A
)
Concentración ( mg/L)Cx = 6,80 mg/L
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 Vx Vx Vx Vx
Vst1 Vst2 Vst3 Vst4
A TOTAL = Ax + Ast
TTT V
VstCstbaV
VxCxbaA ∗∗∗+
∗∗∗=
Graficar A vs Vst : recta con pendiente β e intercepto α
α β
• Entonces: A T = α + β Vst
• Dividiendo
Despejando
CstbaVt
VtVxCxba
∗∗∗
∗∗∗=
βα
VxCstCx
∗∗
=β
α
TTT V
VstCstbaV
VxCxbaA ∗∗∗+
∗∗∗=
Método de adición de estándar: a volumen final variable y una adición
++
=VstVxVstCstVxCxabA2
)()(
2
1
VstCstVxCxabVstVxabCx
AA
++
=
Vx Vx + Vst
A1 A2
abCxA =1
VstCstVxCxCxVstCxVx
AA
++
=2
1
VstCstAVxCxACxVstACxVxA 1122 +=+
VstCstAVxCxACxVstACxVxA 1122 =−+
factorizando [ ] VstCstAVstAVxAACx 1212 )( =+−
VstAVxAAVstCstACx
212
1
)( +−=
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
CxbaCstba
AxAst
····
=
Ast = a· b ·Cst 0,672= a·1 ·3x10-4 a = 2240
Ax = a· b· Cx 0,396 = 2240·1·Cx Cx = 1,77 x 10-4M
Otra forma de cálculo:
Cx
410·3396,0672,0 −
=
• 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
Cálculo del porcentaje de Mn en acero : ver en versión internet
•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
9,7 mg/1000mL Mn
0,97 mg /100 ml Mn Calculemos los mg de Mn por 100 g de muestra ( porcentaje)
1004895,097,0 XmgMn
=
X = 198,2 mg Mn / 100g muestra
% = 0,2 g Mn /100g muestra
X = 0,2 %
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 ?)
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
2 0.160
4 0.313
6 0.460
8 0.619
muestra 0,203
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 .
Calcular la concentración de Fe de la muestra de agua en mg/L
La ecuación de la recta es : A = 0,007 + 0,0762·Cx
r = 0,9998
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 :
0 0.203
0.1 0.363
0.2 0.516
0.3 0.663
DATOS:
VxCstCx
∗∗
=β
α
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
-----------------A 0,2063B 1,533-----------------
R---------------0,99982---------------
Abso
rban
cia
ml de estandar agregado
Cst = 1000 mg/L
Vx = 25 ml
α= 0.2063
β= 1,533
30.532.38
3.20625*533.1
1000*2063.0===Cx
A = 0,2063 + 1,533 Vst
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)
VstVxCstVstCxVxbaA
CxbaA
++
=
=
··
··
2
1
CstVstCxVxVstVxCx
AA
++
=)(
2
1
Tarea : verifique el resultado usando la formula deducida anteriormente
MxCxCxCx
CxCx
3101,200062,031,0612,0
1·01,05·6·
102,0062,0
−=
+=+
=
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 )
−+ +⇔ InHHIn
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.
Color 1 Color 2 Ka = 1,34 x 10-5
La siguiente tabla * muestra el desplazamiento del equilibrio motivado por la dilución ( solucion no tamponada)
HIn, M
[HIn] X 105
[In-] X 105
% disociado
A 430 A570
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
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 %
0.236
0.381
0.596
0.771
0.922
0.073
0.175
0.401
0.640
0.887
* Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 407-408
Desviaciones químicas
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
* Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 410
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 .
Desviación aparente de la ley de Beer por diversas cantidades de radiación parásita ( o difusa)
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.
Radiación parásita o difusa:
Cualquier radiación que llega al detector pero que no sigue la vía óptica entre la fuente y el detector
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
%100xx
xxrelativoerrort
t−=
El error relativo en la concentración para una medida espectrofotométrica esta dada por la siguiente expresión :
TTT
CC
log434,0 ∆
=∆ ∆T = error fotométrico
(incertidumbre absoluta para la transmitancia)
Por ejemplo 0,005 = 0,5%T
100xCC∆
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 %
046,0749,0log749,001,0·4343,0
−==∆CC
368,0log368,001,0·4343,0
=∆CC
0,125 = 74,9 %T
0,434 = 36,8 %T
0,900 = 12,5%T
= 4,6%
125,0log125,001,0·4343,0
=∆CC
= -0,027 ; = 2,7%
= -0,038 ; = 3,8%
A
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)
TTT
CC
log434,0 ∆
=∆
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
200 220 240 260 280 300 320 0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
AAS 25 ppm CAF 10 ppm Mezcla
A
λ /nm
λ1
λ2
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
349970183,0 Fe
CuCC −
=
y sustituimos en la segunda
Fe
FeFe
Cx
CC
)·10251(607,434
·9970183,0856·84109,0
5−=
−
+=
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 acido-base)
· 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