Tema 4. Espectrofotometría de absorción molecular UV-VIS PDF

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Tema-4.pdf Rpm985 Análisis Instrumental I 2º Grado en Química Facultad de Ciencias Experimentales Universidad de Almería Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  Tema 4. Espectrofotometría de absorcion molecular UV-VIS 1. Introducción La espectroscopia UV-vis fue una de las primeras técnicas aplicadas al análisis cuantitativo y la determinación estructural. En la actualidad está siendo sustituida por técnicas más sensible y selectivas (aunque aún se utiliza), además existen técnicas más idóneas para la determinación estructural (IR, RMN y MS). Actualmente la espectroscopia UV-vis se utiliza como una técnica auxiliar. El espectro electromagnético en el UV-vis se divide en tres regiones: - 10 – 200 nm: UV lejano o UV de vacío, se llama así porque el oxígeno absorbe en esta zona y por ello es necesario eliminarlo. Para eliminar el oxígeno podemos hacerlo de dos formas: Sí trabajamos entre 150 a 200 nm vasta con pasar una corriente de nitrógeno. Sí trabajamos entre 10 a 150 nm además de la corriente hay que trabajar en el vacío. - 200 – 400 nm: UV próximo - 400 – 800 nm: visible, es aquella zona donde el ojo humano es capaz de percibir la radiación. RAQUEL PICAZO MERINO 1 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  2. Teoría de la absorción 2.1. Espectros de absorción molecular En una disolución absorbente existen un gran número de moléculas en estado electrónico fundamental (n=1) que pueden encontrarse en estados vibracionales y rotacionales excitados, y por tanto pueden producirse un gran número de transiciones distintas pero de parecida energía (E), estas transiciones dan lugar a los espectros de absorción en UV-vis que presentan bandas anchas correspondientes a esas Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. transiciones. Se pueden diferenciar varios casos. - Moléculas con escasa interacción (fase gaseosa): en este caso se obtienen espectros con estructura vibracional (líneas estrechas correspondientes a transiciones entre niveles vibracionales). - Cuando aumenta la interacción entre moléculas o entre moléculas y disolvente (en disolución): las transiciones vibracionales están más limitadas y desaparece la estructura vibracional, obteniéndose bandas anchas. La estructura vibracional fina generalmente no se observa en UV-vis. RAQUEL PICAZO MERINO 2 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Elimina la publicidad de este documento con 1 coin Análisis Instrumental I Banco de apuntes de la  3. Tipos de bandas de absorción Para la interpretación de los espectros de absorción es necesario el conocimiento de las transiciones entre niveles de energía que tienen lugar cuando se absorbe radiación UV-vis. Las bandas de absorción pueden ser debidas a: Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. - Transiciones electrónicas Π Π* n Π* σ σ* n σ* - Transiciones de transferencia de carga - Transiciones de campo ligando Hay que tener presente que la intensidad de la absorción depende de ε (la molécula), en procesos de absorción fuertes ε = 103 – 105, sin embargo en procesos de absorción débiles ε < 103 RAQUEL PICAZO MERINO 3 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Elimina la publicidad de este documento con 1 coin  3.1. Transiciones Π Π* y n Π* Moléculas con enlaces múltiples (C=C, C=N, C≡C) poseen electrones Π y pueden sufrir transiciones Π Π*, las cuales tienen lugar en el UV lejano y en el UV próximo, y dan lugar a bandas con intensidades elevadas. Las moléculas con átomos situados a la derecha del Carbono (C) en el sistema periódico (N, O, S, X) presentan electrones n que pueden sufrir transiciones n Π*, están transiciones tienen lugar en UV Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. próximo y en el visible y dan lugar a bandas no muy intensas. Poe ejemplo una molécula con dobles enlaces y heteroátomos pueden sufrir ambas transiciones (C=O) Efectos de diferentes variables ✓ Efecto de la conjugación: en general al aumentar la conjugación se produce un desplazamiento del máximo de absorción hacia longitudes de onda mayores (menos energéticas, esto se debe a que se aumenta la deslocalización de los electrones y se necesita menos energía para las transiciones) y el aumento en ε. RAQUEL PICAZO MERINO 4 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Elimina la publicidad de este documento con 1 coin  ✓ Efecto del disolvente: las transiciones Π Π* y n Π* se pueden diferenciar cambiando la polaridad del disolvente. El aumento en la polaridad del disolvente en las transiciones Π Π* produce un desplazamiento del máximo hacia longitudes de onda mayores (efecto batocrómico), mientras que en las transiciones n Π* se produce un desplazamiento del máximo hacia longitudes de onda menores (efecto hipsocrómico). Al aumentar la polaridad del disolvente disminuye la energía del estado fundamental y del estado excitado. La disminución en el estado fundamental es menor que la del estado excitado, por ello se produce una disminución en la energía de transición y el máximo se desplaza hacia λ mayores (menos energéticas). Al aumentar la polaridad del disolvente disminuye la energía del estado fundamental y del estado excitado. La disminución en el estado fundamental es mayor que en el estado excitado, por ello se produce un aumento en la energía de transición y el máximo se desplaza hacia λ menores (más energéticas). Transición n Π* RAQUEL PICAZO MERINO 5 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  ✓ Cromóforos: los Cromóforos son grupos de átomos responsables de bandas de absorción en el UV-vis. Los sistemas con electrones Π y n son cromóforos en el UV cercano y visibles, mientras que los sistemas con electrones σ son cromóforos en el UV lejano (o UV vacío). ✓ Efecto de los sustituyentes: los auxócromos son grupos saturados que unidos a cromóforos desplazan sus bandas de absorción hacia λ mayores (menos energéticas) y aumentan la intensidad del pico, unos ejemplos de estos grupos son el grupo amino (-NH2), grupo Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. hidroxilo (-OH), grupo sulfhidrilo y derivados (-SH), halógenos (-X). Estos grupos poseen electrones n (no enlazantes) que pueden sufrir transiciones n Π*. Ejemplo 3.2. Transiciones de transferencia de carga La absorción por transferencia de carga es el proceso responsable de bandas de absorción intensas en UV (a veces en vis) con ε > 1000 para numerosos compuestos orgánicos e inorgánicos. En este proceso tiene lugar la transferencia de 1 electrón de una parte a otra del sistema, por ello se llama transferencia de carga. En este proceso podemos diferenciar dos componentes: - Dador (D) - Aceptor (A) La molécula dadora (D) absorbe energía, esto provoca la transferencia de un electrón a la molécula aceptora (A) y se obtiene un estado excitado, finalmente se obtiene un producto de un proceso redox interno. Este proceso suele tener lugar en complejos: En la mayoría de los procesos de transferencia de carga que implican un ión metálico este ión se comporta como aceptor, aunque una excepción es el complejo o-fenantrolina con Fe2+. Este proceso también es responsable de la absorción en UV-vis de muchos iones inorgánicos hidratados. RAQUEL PICAZO MERINO 6 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Elimina la publicidad de este documento con 1 coin  3.3. Transiciones de campo ligando Estas transiciones dan lugar a bandas débiles con ε = 10-1 – 102, suelen ser bandas anchas y aparecen en el visible, UV próximo e IR próximo. Este proceso es el responsable de generar los colores característicos de iones y compuestos de los metales de transición. El término campo ligando se aplica porque en los complejos de los metales de transición el ligando genera un campo electrostático que desdobla en subniveles de diferente energía a los orbitales d degenerados Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. (igual energía) de los metales de transición, en esta situación tiene lugar la absorción de REM de λ adecuada y se producen las transiciones electrónicas entre subniveles d incompletos que son las responsables de las bandas débiles. Ejemplo: En disolución acuosa lo cual de manera que produce una Esta diferencia de energía provoca un desdoblamiento RAQUEL PICAZO MERINO 7 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Elimina la publicidad de este documento con 1 coin  Los diferentes ligandos se pueden ordenar en función de Δ creciente, esto se conoce como serie espectroquímica: Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Ejemplo: RAQUEL PICAZO MERINO 8 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Elimina la publicidad de este documento con 1 coin  4. Instrumentación Para medir la absorbancia se utilizan 2 instrumentos: - Fotómetros (medidas discretas): son instrumentos senillos previstos de filtros (seleccionan la λ) y fotocélulas (miden la REM). - Espectrofotómetros: son instrumentos más sofisticados provistos de monocromadores (seleccionan la λ) y fototubos o PMTs (miden la REM). Ambos instrumentos (fotómetros y espectrofotómetros) van provistos de tres componentes básicos: - Fuente de energía radiante (genera la REM) - Filtro o monocromador: selecciona un haz de radiación paralelo y lo dirige al detector, haciéndolo pasar a través de la muestra. - Detector: mide la energía radiante transmitida a través de la muestra, lleva asociado un sistema de lectura que traduce su respuesta. 4.1. Fuentes de radiación Una fuente de radiación ideal debe cumplir 3 condiciones: - Tener una emisión continua en una amplia zona del espectro - Una intensidad elevada - La intensidad no debe ser función de la longitud de onda, esto generalmente no se cumple. Las fuentes de radiación puedes ser: - Fuentes térmicas. La radiación es debida al calentamiento de un filamento metálico, al pasar una corriente eléctrica través de él. La fuente térmica más conocida es la de Wolframio, la cual emite un pequeño % de radiación en el UV y en el visible y el mayor % de la radiación es emitido en el infrarrojo. RAQUEL PICAZO MERINO 9 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  - Fuentes de descarga eléctrica. La radiación es debida al paso de una corriente eléctrica a través de un gas, se utiliza en UV, existen 3 tipos de lámparas: Lámpara de H o de Deuterio La lámpara de H posee una emisión continua entre 165 – 300 nm, la lámpara de deuterio posee un rango similar pero una intensidad 3-5 veces mayor. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Lámpara de descarga de Xe (alta presión) Se consigue una intensa radiación al pasar una corriente eléctrica a través de una atmosfera de Xe y se consigue un espectro continuo entre 250 – 600 nm. Lámpara de arco de Hg (baja presión) Se consigue una intensa radiación al pasar una corriente eléctrica a través de una atmosfera de Hg y se obtiene un espectro de líneas superpuestas a un fondo continuo, no es adecuada para estudios espectrales continuos. 4.2. Filtros y monocromadores Son los encargados de seleccionar una banda estrecha de λ alrededor de la λ nominal (λ de trabajo) - Filtros. Podemos distinguir varios tipos: Filtros de absorción: están basados en la absorción selectiva a las λ que no son de interés. Constan simplemente de un vidrio al cual se le incorpora un pigmento adecuado, de esta manera el pigmento absorbe la λ que no es de interés y deja pasar la λ nominal; el rango de λ que deja pasar es amplio entre 35 – 50 nm (anchura de la banda). Filtros de interferencia: están basados en el fenómeno físico de interferencia. Mediante reflexiones de la radiación en un dielétrico transparente recubierto en ambas caras por un material reflectante, se refuerzan unas longitudes de onda mientras que las otras sufren interferencias destructivas. RAQUEL PICAZO MERINO 10 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Elimina la publicidad de este documento con 1 coin  - Monocromadores. Son dispositivos capaces de seleccionar un haz de radiación de gran pureza espectral, esto implica una anchura de banda reducida. Son capaces de seleccionar las λ que inciden sobre la muestra y generar un espectro. Un monocromador consta de los siguientes elementos: Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. Rendija de entrada: determina el haz de radiación policromática entrante Lente colimadora o espejo colimador: genera un haz paralelo de radiación Elemento dispersante (prisma o red de reflexión): Dispersa la luz policromática en las λ que la componen Elemento focalizador: recombina las λ iguales y las dirige a la rendija de salida Rendija de salida: selecciona la λ de interés (λ nominal) junto a una banda estrecha de λ a ambos lados. 4.3. Detectores Los detectores son dispositivos que transforman la REM en un flujo de electrones, los detectores ideales deben cumplir los siguientes requisitos: - Elevada sensibilidad - Elevada relación S/R - Respuesta constante - Tiempo de respuesta rápido - Mínima corriente oscura (la corriente oscura es una señal de salida en ausencia de iluminación) Podemos diferenciar varios tipos de detectores: - Células fotovoltaicas. Son los detectores más básicos, la REM genera una corriente en la interfase (la interfase está formada por una capa semiconductora y un metal). Su máxima sensibilidad es a 550 nm, entre 350 – 750 nm su sensibilidad se reduce a un 10% (igual al ojo humano). Se utiliza para la detección y medida de la REM en el visible. RAQUEL PICAZO MERINO 11 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Elimina la publicidad de este documento con 1 coin  - Fototubos. Se basan en el siguiente fundamento: el cátodo fotosensible (el cátodo puede ser una superficie cóncava fotosensible o estar recubierto por un material fotoemisor que emita electrones al ser irradiado) genera un haz de electrones al ser irradiado con REM, los electrones emitidos son dirigidos hacia el ánodo y a través de un circuito externo vuelven al cátodo, en el circuito externo se introduce una resistencia que genera una caída de potencial. Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. - Tubos fotomultiplicadores. Son ventajosos para medidas de intensidades pequeñas. Cuando el fotocátodo (cátodo fotosensible a REM) es irradiado con REM genera un haz de electrones primarios que son dirigidos hacia un dinodo (sensible a electrones), este diado genera de 4 – 5 electrones secundarios por cada electrón primario y los dirige hacia otro dinodo (el incremento de voltaje entre cada dinodo es de 75 – 100 v), este proceso se repite tantas veces como dinodos tenga, al final la corriente producida se recoge en el ánodo, se amplifica electrónicamente y se mide. Los tubos fotomultiplicadores (PTMs) constan de 10 dinodos, el único problema que presentan es que su respuesta depende de la λ (respuesta óptima entre 300 – 600 nm). RAQUEL PICAZO MERINO 12 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Elimina la publicidad de este documento con 1 coin  4.4. Cubetas Están formadas por un material transparente en la región espectral de interés. El compartimento de cubetas es fácil de termostatizar, existen dispositivos para elevar las cubetas cuando se dispone de poco volumen de muestra. Existen cubetas de diferente espesor, para pequeños volumenes y cubetas de flujo. 5. Tipos de instrumentos para mediciones de absorción molecular 5.1. Instrumentos de haz simple Contiene un único compartimento de cubeta. Para calibrar el instrumento encendemos el obturador (shutter on), de esta manera no llega radiación al detector y la absorbancia obtenida es el 100%, a continuación se introduce una cubeta con el blando y la absorbancia obtenida es el 0% (shutter off). A continuación introducimos nuestra muestra en el compartimento y medimos su absorbancia. 5.2. Instrumentos de haz doble Consta de dos compartimentos para cubetas: una para la referencia y otra para la muestra. Para calibrar el instrumento se introduce en ambos compartimentos el blanco y la absorbancia medida se corresponde al 0%, a continuación se quita la cubeta de la muestra y se enciende el obturador (shutter on) y la absorbancia medida se corresponde al 100%. A continuación en un compartimento se introduce la muestra y en el otro el blanco utilizado anteriormente para calibrar el instrumento, la absorbancia medida corresponde a la muestra de la cubeta. RAQUEL PICAZO MERINO 13 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad.  Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. 5.3. Instrumentos multicanal Con una fuente de energía se irradia la cubeta (con la referencia o la muestra) y esta transmite parte de la radiación, la cual va dirigida a una red de reflexión que separa el haz de radiación en las λ que lo componen y van a parar al detector el cual está formado por 316 diodos en fila y registran simultáneamente la señal procedente de la muestra, uno a cada longitud de onda. Estos instrumentos poseen una reproducibilidad elevada. Un barrido entre 200 – 800 nm tarda 0.1 s pero los espectros se barren durante 1s para mejorar la relación S/R (mediante el promediado conjunto). Para eliminar las interferencias de la matriz u otros componentes se elabora un espectro de la referencia y se le resta al espectro de la muestra, de esta manera obtenemos el espectro de la muestra sin interferencias. RAQUEL PICAZO MERINO 14 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Elimina la publicidad de este documento con 1 coin  6. Aplicaciones Es la herramienta más ampliamente utilizada en análisis cuantitativo, se caracteriza por: - Amplia aplicabilidad para sistemas orgánicos e inorgánicos - Sensibilidad desde 10-4 – 10-5 M hasta 10-6 – 10-7 M (sensibilidad alta) - Selectividad moderada - Precisión elevada Reservados todos los derechos. No se permite la explotación económica ni la transformación de esta obra. Queda permitida la impresión en su totalidad. - Fácil adquisición de datos Es una técnica muy versátil que permite la determinación directa de especies absorbentes como la determinación de cualquier compuesto orgánico que contenga 1 o más grupos cromóforos. Los grupos cromóforos más comunes de carácter orgánico son (alquenos, alquinos, carbonilo,…). De manera directa se pueden determinar especies inorgánicas que se solvatan como los iones de los metales de transición (NO2-, NO3-, CrO4-,…). Otro campo de aplicación es la determinación de especies no absorbentes o con absorción débil, para ello se lleva a cabo una reacción entre: - Reactivos y una especie no absorbente, obteniéndose productos fuertemente absorbente en UV-vis (complejos) - Reactivos y una especie poco absorbentes (iones de metales de transición), obteniéndose productos más absorbentes que las especies no combinadas. También se utilizan agentes complejantes para la determinación de especies inorgánicas, que puedes ser de origen orgánico e inorgánico: RAQUEL PICAZO MERINO 15 a64b0469ff35958ef4ab887a898bd50bdfbbe91a-3371763 Elimina la publicidad de este documento con 1 coin