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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