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Longitud de ondaTRANSCRIPT
Laboratorio de Analisis instrumentalPRCTICA 1INTRODUCCIN A LA ESPECTROSCOPA UV-VisibleDeterminacin de la longitud de onda ptima para el anlisis cuantitativo.
Alejandro Carvajal Restrepo.Departamente de Ingenieria QuimicaUniversidad de AntioquiaMayo 06 de 2013
1. Marco tericoDesde hace muchos aos se ha usado el color como ayuda para reconocer las sustancias qumicas; al reemplazar el ojo humano por otros detectores de radiacin se puede estudiar la absorcin de sustancias, no solamente en la zona del espectro visible, sino tambin en ultravioleta e infrarrojo.El anlisis de la luz emitida o absorbida por los tomos de un gas nos informa sobre su composicin, temperatura y la densidad del gas. El anlisis de la luz en sus diferentes longitudes de onda constituye el dominio de la espectroscopia.La teora ondulatoria de la luz propone la idea de que un haz de luz es un flujo de cuantos de energa llamados fotones; la luz de una cierta longitud de onda est asociada con los fotones, cada uno de los cuales posee una cantidad definida de energa. [1]La espectroscopia visible es una de las tcnicas frecuentemente empleadas en el anlisis qumico. Para que una substancia sea activa en el visible debe ser colorida: absorbe ciertas frecuencias o longitudes de onda del espectro visible y transmite otras. Por ejemplo: una solucin es amarilla debido a que dentro de la regin visible absorbe radiacin en el rango de 435 a 480 nm. En este rango de longitud de onda se encuentra el color azul del visible, por lo que este compuesto absorbe el color azul y transmite los colores complementarios que dan origen al color amarillo de la solucin mencionada.El rango visible se considera de los 380 a los 750 nm. El rango del Ultravioleta cercano es de 190 a 380 nm. La base de la espectroscopia Visible y Ultravioleta consiste en medir la intensidad del color (o de la radiacin absorbida en UV) a una longitud de onda especfica comparndola con otras soluciones de concentracin conocida (soluciones estndar) que contengan la misma especie absorbente. Para obtener esta relacin se emplea la Ley de Beer, que establece que para una misma especie absorbente en una celda de espesor constante, la absorbancia es directamente proporcional a la concentracin.La coloracin de la solucin se debe a la especie absorbente y esta coloracin puede ser natural o inducida. La coloracin natural puede ser la base de la cuantificacin de una especie, como por ejemplo: la clorofila en ciertas plantas, los complejos metlicos que se encuentran presentes en solucin acuosa, como son los iones de Cobre (II), Manganeso (VII), Cobalto (III), etc. [2]
2. ObjetivosObjetivo general: Determinacin de la longitud de onda ptima para el anlisis cuantitativo.Objetivos especificos: Conocer las partes que conforman un espectrofotmetro de absorcin ultravioleta visible. Determinar el espectro de absorcin UV-Vis de diferentes compuestos. Aprender a seleccionar la longitud de onda ms adecuada para efectuar anlisis cuantitativo.
3. Tratamiento de los datosSegn los resultados experimentales que se obtuvieron de la prctica:Tabla 1.0 Datos experimentales de absorbancia versus longitud de onda y el respectivo porcentaje de transmitancia calculado para las sustancias analizadas.NARANJA DE METILOAZUL DE METILENO
nmA%TnmA%T
296-0.80702.2412300-0.35401.4248
297-0.62901.8757301-0.30701.3593
298-0.50601.6586302-0.27001.3100
299-0.41901.5204303-0.23801.2687
300-0.35401.4248304-0.20801.2312
301-0.30701.3593305-0.18801.2068
302-0.27001.3100306-0.16801.1829
303-0.23801.2687307-0.15101.1630
304-0.20801.2312308-0.13901.1491
305-0.18801.2068309-0.13001.1388
306-0.16801.1829310-0.11801.1252
307-0.15101.1630311-0.11201.1185
308-0.13901.1491312-0.10401.1096
309-0.13001.1388313-0.09501.0997
310-0.11801.1252314-0.09001.0942
311-0.11201.1185315-0.08401.0876
312-0.10401.1096316-0.07801.0811
313-0.09501.0997317-0.07401.0768
314-0.09001.0942318-0.07001.0725
315-0.08401.0876319-0.06201.0640
316-0.07801.0811320-0.06101.0629
317-0.07401.0768321-0.05801.0597
318-0.07001.0725322-0.05601.0576
319-0.06201.0640323-0.05501.0565
320-0.06101.0629324-0.05101.0523
321-0.05801.0597325-0.05301.0544
322-0.05601.0576326-0.05301.0544
323-0.05501.0565327-0.04901.0502
324-0.05101.0523328-0.04701.0481
325-0.05301.0544329-0.04901.0502
326-0.05301.0544330-0.04801.0492
327-0.04901.0502331-0.04401.0450
328-0.04701.0481332-0.04301.0439
329-0.04901.0502333-0.04001.0408
330-0.04801.0492334-0.04101.0419
331-0.04401.0450335-0.04001.0408
332-0.04301.0439336-0.03801.0387
333-0.04001.0408337-0.03801.0387
334-0.04101.0419338-0.03301.0336
335-0.04001.0408339-0.03001.0305
336-0.03801.0387340-0.02501.0253
337-0.03801.0387341-0.02301.0233
338-0.03301.0336342-0.01701.0171
339-0.03001.0305343-0.01701.0171
340-0.02501.0253344-0.01101.0111
341-0.02301.0233345-0.00801.0080
342-0.01701.0171346-0.00401.0040
343-0.01701.01713470.00100.9990
344-0.01101.01113480.01000.9900
345-0.00801.00803490.01300.9871
346-0.00401.00403500.01900.9812
3470.00100.99903510.02600.9743
3480.01000.99003520.03200.9685
3490.01300.98713530.03700.9637
3500.01900.98123540.04600.9550
3510.02600.97433550.05000.9512
3520.03200.96853560.05800.9436
3530.03700.96373570.06700.9352
3540.04600.95503580.07200.9305
3550.05000.95123590.07900.9240
3560.05800.94363600.08900.9148
3570.06700.93523610.09500.9094
3580.07200.93053620.10200.9030
3590.07900.92403630.11600.8905
3600.08900.91483640.12000.8869
3610.09500.90943650.12900.8790
3620.10200.90303660.14000.8694
3630.11600.89053670.14900.8616
3640.12000.88693680.15700.8547
3650.12900.87903690.16700.8462
3660.14000.86943700.17600.8386
3670.14900.86163710.18500.8311
3680.15700.85473720.19400.8237
3690.16700.84623730.20500.8146
3700.17600.83863740.21600.8057
3710.18500.83113750.22700.7969
3720.19400.82373760.23900.7874
3730.20500.81463770.24900.7796
3740.21600.80573780.25800.7726
3750.22700.79693790.26800.7649
3760.23900.78743800.27900.7565
3770.24900.77963810.29300.7460
3780.25800.77263820.30100.7401
3790.26800.76493830.31400.7305
3800.27900.75653840.32400.7233
3810.29300.74603850.33400.7161
3820.30100.74013860.34500.7082
3830.31400.73053870.35400.7019
3840.32400.72333880.36700.6928
3850.33400.71613890.37700.6859
3860.34500.70823900.38800.6784
3870.35400.70193910.40000.6703
3880.36700.69283920.40800.6650
3890.37700.68593930.42200.6557
3900.38800.67843940.42900.6512
3910.40000.67033950.43700.6460
3920.40800.66503960.45000.6376
3930.42200.65573970.46100.6307
3940.42900.65123980.47100.6244
3950.43700.64603990.48300.6169
3960.45000.63764000.49200.6114
3970.46100.63074010.50100.6059
3980.47100.62444020.51100.5999
3990.48300.61694030.51700.5963
4000.49200.61144040.52800.5898
4010.50100.60594050.53800.5839
4020.51100.59994060.54800.5781
4030.51700.59634070.55300.5752
4040.52800.58984080.56500.5684
4050.53800.58394090.57200.5644
4060.54800.57814100.58000.5599
4070.55300.57524110.58900.5549
4080.56500.56844120.59700.5505
4090.57200.56444130.60700.5450
4100.58000.55994140.61400.5412
4110.58900.55494150.62100.5374
4120.59700.55054160.62800.5337
4130.60700.54504170.63600.5294
4140.61400.54124180.64600.5241
4150.62100.53744190.65300.5205
4160.62800.53374200.66000.5169
4170.63600.52944210.66700.5132
4180.64600.52414220.67400.5097
4190.65300.52054230.68200.5056
4200.66000.51694240.68900.5021
4210.66700.51324250.69500.4991
4220.67400.50974260.70400.4946
4230.68200.50564270.71600.4887
4240.68900.50214280.71500.4892
4250.69500.49914290.72400.4848
4260.70400.49464300.73000.4819
4270.71600.48874310.73700.4785
4280.71500.48924320.74400.4752
4290.72400.48484330.75400.4705
4300.73000.48194340.75800.4686
4310.73700.47854350.76300.4663
4320.74400.47524360.77200.4621
4330.75400.47054370.77600.4602
4340.75800.46864380.78000.4584
4350.76300.46634390.78900.4543
4360.77200.46214400.79400.4520
4370.77600.46024410.80100.4489
4380.78000.45844420.80500.4471
4390.78900.45434430.81200.4440
4400.79400.45204440.82100.4400
4410.80100.44894450.82500.4382
4420.80500.44714460.83000.4360
4430.81200.44404470.83900.4321
4440.82100.44004480.84000.4317
4450.82500.43824490.84500.4296
4460.83000.43604500.85400.4257
4470.83900.43214510.85800.4240
4480.84000.43174520.86300.4219
4490.84500.42964530.86600.4206
4500.85400.42574540.87200.4181
4510.85800.42404550.87500.4169
4520.86300.42194560.87700.4160
4530.86600.42064570.88200.4140
4540.87200.41814580.88500.4127
4550.87500.41694590.88600.4123
4560.87700.41604600.88900.4111
4570.88200.41404610.89100.4102
4580.88500.41274620.89500.4086
4590.88600.41234630.89400.4090
4600.88900.41114640.89500.4086
4610.89100.41024650.89400.4090
4620.89500.40864660.89200.4098
4630.89400.40904670.89000.4107
4640.89500.40864680.88900.4111
4650.89400.40904690.88800.4115
4660.89200.40984700.88800.4115
4670.89000.41074710.88200.4140
4680.88900.41114720.87800.4156
4690.88800.41154730.87500.4169
4700.88800.41154740.87000.4190
4710.88200.41404750.86300.4219
4720.87800.41564760.85600.4249
4730.87500.41694770.85200.4266
4740.87000.41904780.84700.4287
4750.86300.42194790.83700.4330
4760.85600.42494800.83100.4356
4770.85200.42664810.82400.4387
4780.84700.42874820.81300.4435
4790.83700.43304830.80200.4484
4800.83100.43564840.79300.4525
4810.82400.43874850.78200.4575
4820.81300.44354860.77100.4626
4830.80200.44844870.76100.4672
4840.79300.45254880.74900.4728
4850.78200.45754890.73700.4785
4860.77100.46264900.72600.4838
4870.76100.46724910.71100.4912
4880.74900.47284920.69900.4971
4890.73700.47854930.68500.5041
4900.72600.48384940.67100.5112
4910.71100.49124950.65800.5179
4920.69900.49714960.64300.5257
4930.68500.50414970.62600.5347
4940.67100.51124980.61100.5428
4950.65800.51794990.59600.5510
4960.64300.52575000.58300.5582
4970.62600.53475010.56700.5672
4980.61100.54285020.55000.5769
4990.59600.55105030.53400.5863
5000.58300.55825040.51800.5957
5010.56700.56725050.50400.6041
5020.55000.57695060.49000.6126
5030.53400.58635070.47500.6219
5040.51800.59575080.45600.6338
5050.50400.60415090.44200.6427
5060.49000.61265100.42600.6531
5070.47500.62195110.40900.6643
5080.45600.63385120.39500.6737
5090.44200.64275130.37900.6845
5100.42600.65315140.36700.6928
5110.40900.66435150.35100.7040
5120.39500.67375160.33500.7153
5130.37900.68455170.32200.7247
5140.36700.69285180.30800.7349
5150.35100.70405190.29200.7468
5160.33500.71535200.28000.7558
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749-0.00901.0090753-0.00801.0080
750-0.00901.0090754-0.01201.0121
751-0.01001.0101755-0.00701.0070
752-0.00901.0090756-0.00901.0090
753-0.00801.0080757-0.01101.0111
754-0.01201.0121758-0.01001.0101
755-0.00701.0070759-0.00801.0080
756-0.00901.0090760-0.00901.0090
757-0.01101.0111761-0.00901.0090
758-0.01001.0101762-0.00801.0080
759-0.00801.0080763-0.00501.0050
760-0.00901.0090764-0.00901.0090
761-0.00901.0090765-0.00801.0080
762-0.00801.0080766-0.00801.0080
763-0.00501.0050767-0.00801.0080
764-0.00901.0090768-0.01001.0101
765-0.00801.0080769-0.00801.0080
766-0.00801.0080770-0.00701.0070
767-0.00801.0080771-0.00701.0070
768-0.01001.0101772-0.00701.0070
769-0.00801.0080773-0.00801.0080
770-0.00701.0070774-0.01001.0101
771-0.00701.0070775-0.00601.0060
772-0.00701.0070776-0.01001.0101
773-0.00801.0080777-0.00801.0080
774-0.01001.0101778-0.01001.0101
775-0.00601.0060779-0.00801.0080
776-0.01001.0101780-0.00901.0090
777-0.00801.0080781-0.00801.0080
778-0.01001.0101782-0.00901.0090
779-0.00801.0080783-0.00601.0060
780-0.00901.0090784-0.00801.0080
781-0.00801.0080785-0.00901.0090
782-0.00901.0090786-0.00601.0060
783-0.00601.0060787-0.01001.0101
784-0.00801.0080788-0.01001.0101
785-0.00901.0090789-0.00801.0080
786-0.00601.0060790-0.00801.0080
787-0.01001.0101791-0.00501.0050
788-0.01001.0101792-0.00901.0090
789-0.00801.0080793-0.01001.0101
790-0.00801.0080794-0.00701.0070
791-0.00501.0050795-0.00601.0060
792-0.00901.0090796-0.00801.0080
793-0.01001.0101797-0.00901.0090
794-0.00701.0070798-0.01001.0101
795-0.00601.0060799-0.01101.0111
796-0.00801.0080800-0.00601.0060
797-0.00901.0090
798-0.01001.0101
799-0.01101.0111
800-0.00601.0060
7980.00001.0000
7990.00001.0000
8000.00400.9960
Segn los valores tabulados en la tabla 1.0 se realizaron las siguientes graficas de absorbancia versus longitud de onda para las dos sustancias que se analizaron, las cuales fueron naranja de metilo y azul de metileno.
Grafica 1.0 Absorbancia versus longitud de onda del naranja de metilo
Grafica 1.1 Porcentaje de transmitancia versus longitud de onda del naranja de metilo
Tomando en cuenta la relacin entre absorbancia y transmitancia:
Se realizaron las siguientes graficas de porcentaje de transmitancia versus longitud de onda para cada una de las sustancias analizadas:
Grafica 2.0 Absorbancia versus longitud de onda del azul de metileno
Grafica 2.1 Porcentaje de transmitancia versus longitud de onda del azul de metileno
4. Respuesta a las preguntas Defina absorbancia y transmitancia. [2]La transmitancia se define como la cantidad de energa que atraviesa un cuerpo; resulta como consecuencia de la interaccin entre los fotones y los tomos o las molculas absorbentes, la potencia del rayo se atena desde Po a P. Se define como:
Y con frecuencia de la siguiente manera:
Laabsorbancia es la cantidad de intensidad de luz que absorbe una muestra. Est definida como:
Cuando no se absorbe luz P=Po, y como consecuencia A=0, y la transmitancia es del 100% indicando que la muestra no absorbe a una determinada longitud de onda. Qu relacin existe entre la absorcin de luz y la concentracin de un compuesto colorido?[3]
LEY DE BEER-LAMBERT: Cuando se pasa un rayo de luz monocromtica de intensidad inicial I0 a travs de una solucin en un recipiente transparente, parte de la luz es absorbida de manera que la intensidad de la luz transmitida I es mayor que I0. Ocurre alguna disminucin en la intensidad de la luz por la dispersin de las partculas o reflexin en las interfases, pero principalmente por la absorcin de la solucin. La relacin entre I e I0 depende de la longitud del medio absorbente I, y de la concentracin de la solucin absorbente, c. Estos factores se hallan relacionados en la Ley de Lambert y Beer.Ley de Lambert: Cuando un rayo de luz monocromtica pasa a travs de un medio absorbente, su intensidad disminuye exponencialmente a medida que la longitud del medio absorbente aumenta.
Ley de Beer: Cuando un rayo de luz monocromtica pasa a travs de un medio absorbente, su intensidad disminuye exponencialmente a medida que la concentracin del medio absorbente aumenta.
Estas dos leyes se combinan en la ley de Beer-Lambert:
Figura 1.0. Absorcin de la luz por una solucin.
El cociente de las intensidades se conoce como la transmitancia y se expresa como un porcentaje:
Sacando logaritmos:
La expresin se conoce como la extincin E, o la absorbancia. Por lo tanto:E=kclSi se sigue la Ley de Beer-Lambert y l se mantiene constante, un grfico de la extincin en funcin de la concentracin de una lnea recta que pasa por el origen; en tanto que un grfico del porcentaje de transmitancia en funcin de la concentracin da una curva negativa exponencial.Algunos colormetros y espectrofotmetros tienen dos escalas, una lineal de porcentaje de transmitancia y otra logartmica de extincin. Esta ltima escala es la que est linealmente relacionada con la concentracin y se usa en las curvas patrones de concentracin de una muestra problema conociendo su extincin.
Figura 2.0. Relacin entre la absorcin de la luz y la concentracin de una solucin absorbente.
Qu consideraciones se deben tomar en cuenta para elegir un disolvente en la espectroscopia UV? [4]
Las consideraciones que se tienen que hacer al elegir un disolvente no solo con respecto a su transparencia, sino tambin respecto a sus posibles efectos sobre el sistema absorbente. Normalmente, los disolventes polares tales como el agua, alcoholes, steres y cetonas tienden a eliminar la estructura fina del espectro como resultado de los efectos vibracionales. Se observan ms fcilmente en disolventes no polares como los hidrocarburos. Adems, las posiciones de los mximos de absorbancia estn afectados por la naturaleza del disolvente. Entre los disolventes comunes para espectroscopia UV se incluyen el agua, el etanol del 95%, el ciclohexano y el 1,4 dioxano.El disolvente no debe absorber radiacin en las bandas de estudio, de ah la importancia de conocer las transiciones electrnicas de un disolvente.
Sobre el espectro de absorcin del naranja de metilo, bosqueje los espectros que se obtendran si se trabajara con soluciones de mayor y de menor concentracin a la trabajada en esta prctica. [2]Segn la ley de Beer (A=bc) la absorbancia de una sustancia es directamente proporcional a la concentracin de la misma. De esta manera, si se tiene una mayor concentracin de Naranja de metilo en la muestra se obtendr un espectro con una absorbancia mayor ya que habr mayor cantidad de electrones que absorban dicha radiacin, mientras que si se trabaja con una concentracin menor se tendr una absorbancia menor. Lo anterior ocurrir para todas las longitudes de onda trabajadas, por lo cual la curva de la concentracin menor estar por debajo de la curva de la concentracin trabajada, mientras que la curva de la concentracin mayor estar por encima de la curva de concentracin trabajada en la prctica. Si por ejemplo la concentracin mayor es 1.3 veces la concentracin trabajada, como b= cte y para cada longitud de onda c=cte, entonces la absorbancia para cada longitud de onda ser 1.3 veces mayor que la absorbancia obtenida originalmente. Algo similar ocurre a menores concentraciones. Cabe aclarar que estas variaciones de la concentracin deben hacerse en un nivel razonable, de tal manera que la linealidad predicha por la ley de Beer se cumpla en la realidad, es decir, que la absorbancia es proporcional a la concentracin, con constante para un determinado, y as la pendiente (b) es constante, por lo cual se tendra una lnea recta para un especfico , lo cual es vlido slo en cierto rango. Las desviaciones a la ley de Beer ocurren sobre todo para concentraciones altas. Como se est trabajando con partes por milln (ppm), este no es el caso. La situacin explicada se ilustra con la siguiente grfica:
Figura 3.0. Curva de absorbancia en funcin de la longitud de onda para diferentes concentraciones de naranja de metilo.
Las sustancias analizadas en la presente prctica absorben igualmente todas las longitudes de onda? Explique.
No, prueba de ello es que las vemos de diferente color. Los colores que son caractersticos se explican porque las sustancias absorben ciertas longitudes de onda de la luz que incide sobre ellas, y slo vemos aquellas longitudes de onda que no fueron absorbidas, y obviamente estas longitudes de onda transmitidas son diferentes para cada sustancia trabajada en la prctica. Ya que tienen colores muy distintos. Esto es debido a la distribucin electrnica de cada uno de las sustancias evaluadas en esta prctica (Naranja de metilo y Azul de metileno), la cual caracteriza las transiciones electrnicas de la radiacin electromagntica captada por los electrones, que requieren de una cantidad de energa para absorber dicha radiacin y esta vara segn los tipos de enlace que posee cada molcula.
5. ConclusionesConstruir curvas de absorbancia versus longitud de onda para una sustancia en particular permite encontrar la longitud de onda ms apropiada para un anlisis espectroscpico, que generalmente es aquella longitud de onda a la cual se presenta la mayor absorbancia, siempre y cuando en dicha longitud no hayan seales ruidosas ni haya interferencias por parte de otros solutos, entre otras condiciones.A travs de la tcnica de la espectroscopa UV visible es posible caracterizar diferentes sustancias de acuerdo a la radiacin que absorben a ciertas longitudes de onda. Lo anterior nos muestra que puede ser posible identificar sustancias presentes en una muestra a travs de esta tcnica, pero mucho ms til que esto es saber que es factible determinar la concentracin de un soluto en una muestra problema conociendo una curva de calibracin de absorbancia vs concentracin para la longitud de onda ms adecuada en el caso del soluto de inters. Mientras ms alta sea la concentracin de un soluto, ms alta ser la absorbancia de la solucin problema a la longitud de onda apropiada. Esta simple relacin es la base del mtodo espectroscpico en UV visible.Los valores negativos observados en las grficas de absorbancia se pensara que son anormales, pero dichos valores se presentan por la referencia (blanco) tomado, la referencia es tomado como un cero, as que cualquier absorbancia por debajo de la absorbancia referencia es tomado como un valor negativo. La misma explicacin aplica para las grficas de transmitancia, donde se observan valores anormales por encima de 1. Estas anomalas tambin pueden deberse a otras causas como celdas desajustadas o sucias, desviaciones instrumentales, ruidos instrumentales, entre otros.Fue posible comprobar en el laboratorio que el naranja de metilo presenta una longitud de absorbancia ptima muy diferente de la del azul de metilo, corroborndose los valores sugeridos en la gua de la prctica.
6. Bibliografa[1] Consultada: 4 de Mayo de 2013[2] Notas del curso Analisis intrumental. Profesor: Biviana Llano. Gua de laboratorio 2013.[3] Plummer David T. INTRODUCCIN A LA BIOQUMICA PRCTICA. Capitulo 4. Consultado en: < http://www.bioquimica.dogsleep.net/Laboratorio/Plummer/> Mayo 04 de 2013
[4] SKOOG, D.A.; Leary J.J., Holler F. James; PRINCIPIOS DE ANLISIS INSTRUMENTAL, 5ed.; Ed. McGraw-Hill (1998), pgs. 353-367.