Espectrofotometria Uv – Visible

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 (