Espectroscopia de Absorción Molecular UV-Visible/ Aplicaciones Profesora: Yosmery Vitta. Universidad Central de Venezuela Facultad de Ciencias Escuela.

Presentación del tema: "Espectroscopia de Absorción Molecular UV-Visible/ Aplicaciones Profesora: Yosmery Vitta. Universidad Central de Venezuela Facultad de Ciencias Escuela."— Transcripción de la presentación:

1 Espectroscopia de Absorción Molecular UV-Visible/ Aplicaciones Profesora: Yosmery Vitta. Universidad Central de Venezuela Facultad de Ciencias Escuela de Química

2 Fundamento Especies Absorbentes. Excitación Electrónica: Relajación Electrónica:

3 Fundamento Especies Absorbentes. Transiciones Electrónicas y Especies Absorbentes:

4 Fundamento Cromóforos:

5 Fundamento Orbital Molecular: Dos Orbitales Atómicos Orbital Molecular Enlazante (baja energía) Orbital Molecular Anti-enlazante (alta energía)

6 Fundamento Orbital es Moleculares Orbitales  Electrones  Enlaces sencillos Electrones  Orbitales  Orbitales  Dobles Enlaces Electrones  Electrones no enlazantesn Identificación de Orbitales Moleculares en el formaldehido

7 Fundamento Orbital es Moleculares Distribución Electrónica de los Orbitales Moleculares  y  Niveles de Energía electrónicos de los Orbitales Moleculares  * n  * n  *  *

8 Fundamento Transición  *  Un electrón de un orbital  enlazante de una molécula se excita al correspondiente orbital anti- enlazante, mediante la absorción de radiación.  La frecuencia de radiación de esta transición corresponde a la región del UV de vacío.  El etano presenta un máximo de absorción a 125 nm. Transición n  *  Esta transición se da en compuestos saturados con pares de electrones no-compartidos.  Se observa en la región espectral entre 150 y 250 nm.  Las absortividades molares se encuentran entre 100 y 3000 L cm -1 mol -1.  Los máximos de absorción para estas transiciones se desplazan hacia longitudes de ondas más cortas en presencia de disolventes polares como agua o etanol.

9 Fundamento Transición n  * Absorción de Algunos compuestos debido a la transición n  *.

10 Fundamento Transiciones n  * y  *  Se observan en la región espectral del visible desde 200 a 700 nm.  Estas transiciones requieren de la presencia de grupos funcionales insaturados, que aportan los electrones .  Las absortividades molares se encuentran entre 10 y 100 L cm -1 mol -1, para la transición n  *. Mientras que para las transiciones  * los valores están entre 1000 y 10.000 L cm -1 mol -1. Efecto del disolvente: Para la transición n  *, ocurre desplazamiento hipsocrómico, hacia el azul Polaridad del Solvente Para la transición  *, ocurre desplazamiento batocrómico, hacia el rojo

11 Fundamento

12  Los electrones  están des-localizados por conjugación, por tanto incluye cuatro o más centros atómicos.  Descenso del nivel de energía del orbital  *, como consecuencia los máximos de absorción se desplazan hacia longitudes de ondas más largas.  La absorción de los multi-cromoforos en una molécula orgánica sencilla es aproximadamente aditiva. Hay conjugación de los dobles enlaces del oxígeno de los aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos con el doble enlace olefinico. Aumentan el número de dobles enlaces conjugados, en una molécula olefinica. Se observa efecto batocrómico sí: Hay conjugación de dos grupos carbonilos o carboxilatos entre sí. En los aldehídos y cetonas  y  insaturados. Efectos de Conjugación del Cromóforo

13 Fundamento  A medida que aumenta la conjugación, el sistema absorbe a longitudes de onda más altas. Efectos de Conjugación del Cromóforo

14 Fundamento

15 Los espectros ultravioletas de los hidrocarburos aromáticos, se caracterizan por tres grupos de bandas cuyo origen son las transiciones  *. Los espectros obtenidos en disolventes, suelen ser una banda más continua; disminuyendo el solapamiento que se observa en fase vapor. Ocurre superposición de las transiciones vibracionales sobre las transiciones electrónicas básicas. Espectros de Absorción UV para la 1,2,4,5 tetrazina (a) vapor, (b) Disuelto en hexano y (c) disolución acuosa.

16 Fundamento Lantánidos Y Actínidos Absorben debido a las transiciones electrónicas de los electrones 4f y 5f. Los Lantánidos involucran transiciones de los distinto niveles de energía de los electrones 4f. Presentan picos de absorción característicos, bien definidos y estrechos. Los Actínidos involucran transiciones de los distinto niveles de energía de los electrones 5f. No hay influencia del disolvente ni de especies unidas a los electrones externos. Espectros de Absorción característicos de Iones lantánidos

17 Fundamento Elementos de la primera y segunda serie de los metales de transición Absorben debido a las transiciones electrónicas de los electrones d, los 3d en la primera serie y los 4d en la segunda. Las bandas de absorción son anchas y dependen fuertemente del entorno químico. Los colores de los metales de transición y la influencia de su entorno químico, se explican por la teoría del Campo Cristalino y del Orbital Molecular. Absorben radiación visible en varios de sus estados de oxidación

18 Fundamento Teoría de Campo Cristalino En ausencia de campo magnético o eléctrico (estado gaseosos diluido), los orbitales “d” poseen la misma energía y los electrones se desplazan libremente de un orbital a otro. La formación de un complejo con un ión de un metal de transición, produce el desdoblamiento de la energía de los orbitales “d”, esto debido a las fuerzas de repulsión entre los electrones del ligando y los electrones “d” de los distintos orbitales d. La absorción de radiación visible, implica la transición electrónica desde un orbital “d” de menor energía a otro de mayor energía.

19 dz2dz2 d xz d xy d yz d x 2 y 2 Fundamento Teoría de Campo Cristalino Distribución de la densidad electrónica en los cinco orbitales “d” Tienen una densidad máxima en la diagonal entre los ejes. (d xy,d xz,dy z ) Tienen una densidad máxima a lo largo de los ejes. (d x 2 y 2 y d z 2 ).

20 Fundamento Teoría de Campo Cristalino Efecto del campo ligando en la energía de los orbitales “d” La energía de todos los orbitales “d” aumenta en presencia de un campo ligando. Los orbitales “d” se desdoblan en niveles que difieren un ∆ de energía. El valor de ∆ de energía, depende de la carga del ión metálico, posición del elemento en el sistema periódico y la fuerza del campo ligando.

21 Fundamento Teoría de Campo Cristalino La fuerza de campo ligando en orden creciente Este orden se aplica a los iones de los metales de transición y permite realizar predicciones cualitativas sobre la posición de los picos de absorción para los diversos complejos de un ión metálico dado. I -  Cl -  F -  OH -  C 2 O 4 -2 H 2 O SCN -  NH 3  etilendiamina  o-fenantrolina  NO 2 -  CN - El Δ aumenta, al aumentar la fuerza del campo ligando, por lo que la longitud de onda del máximo de absorción disminuye.

22 Fundamento Teoría de Campo Cristalino La fuerza de campo ligando, es una medida de la intensidad con la que un grupo complejante desdoblara la energía de los orbitales “d”. Un agente acomplejante con una fuerza ligando alta, provocará un ∆ grande. Efecto de los ligando sobre los máximos de absorción, asociados a transiciones d d

23 Fundamento Espectros de Absorción de algunos iones de los metales de Transición.

24 Fundamento Absorción por Transferencia de Carga Muchos complejos inorgánicos son complejos de transferencia de Carga. Presentan absortividades molares muy altas  10.000 Fe (SCN) 3 Orto-fenantrolina de hierro (II) Tiocianato de hierro (III) Fe 4 3+  Fe(CN) 6  3 4- Complejo de hierro (II)/Ferricianuro

25 Fundamento Absorción por Transferencia de Carga El otro elemento tendrá características de aceptor de electrones. Un elemento debe tener característica de dador de electrones La absorción de Radiación implica:  La transferencia de un electrón desde el dador hasta un orbital que esta muy asociado con el aceptor.  Como consecuencia, el estado excitado es el resultado de un proceso tipo oxidación/reducción interno.  En el complejo hierro(III)/tiocianato. La absorción de un fotón da lugar a la transferencia de un electrón del ion tiocianato a un orbital asociado con el hierro(III). El producto es, por tanto, una especie excitada formada predominantemente por el ion hierro(II) y el radical neutro tiocianato SCN

26 Fundamento Absorción por Transferencia de Carga  Como en otros tipos de excitación electrónica, el electrón, bajo condiciones normales, tras un breve período, vuelve a su estado original  Sin embargo, ocasionalmente, puede tener lugar la disociación del complejo excitado, originando productos de oxidación/reducción fotoquímica  En la mayoría de los complejos de transferencia de carga que incluyen un ion metálico, el metal actúa como aceptor de electrones  Una excepción es el complejo de ortofenantrolina con el hierro(II) o el cobre(I), donde el ligando es el aceptor y el ion metálico es el dador.

27 Fundamento Análisis Cualitativo Porcentaje de Transmitancia. Los espectros de absorción molecular, suelen representarse en: Absorbancia. Logaritmo de Absorbancia ( Absortividad Molar). Vs Longitud de onda (nm) Modalidades de Registro de datos Espectrales C KMnO 4 (ppm)

28 Fundamento Análisis Cualitativo Los disolventes polares, alteran la estructura fina del espectro que resulta de los cambios vibracionales.. Disolventes: En disolventes no-polares, se obtiene un espectro similar al obtenido en fase gaseosa. Efecto del disolvente sobre el espectro de absorción del acetaldehído La posición de los máximos de absorción se ven afectados por la naturaleza del disolvente.

29 Fundamento Análisis Cualitativo Disolventes: Disolventes Utilizados en la Región UV/Visible Los disolventes más habituales para utilizar en el UV son: agua, etanol 95%ciclohexano y 1,4 dioxano. El mínimo aproximado de transparencia, se refiere a la longitud de onda por debajo de la cual el disolvente absorbe. Para la región visible, cualquier disolvente incoloro se puede utilizar.

30 Fundamento Análisis Cualitativo Detección de Grupos funcionales: Una banda próxima a 260 nm, con estructura fina vibracional en el espectro indica la presencia de un anillo aromático. Una banda de absorción débil de 280-290 nm, que se desplaza hacia longitudes de onda más cortas, indica la presencia del grupo carbonilo.

31 Fundamento Análisis Cuantitativo Sensibilidades características de 10 -4 a 10 -5 M, alcanzando incluso de 10 -6 a 10 -7 M. Gran aplicabilidad tanto para sistemas orgánicos principalmente en los cromóforos y en compuestos inorgánicos como los metales de transición, los iones nitrito, nitrato y cromato, entre otros. Selectividad de moderada a alta. Buena precisión, con incertidumbres relativas del 1 al 3% Adquisición de datos fácil y adecuada. También se aplica en compuestos no absorbentes, que pueden reaccionar selectivamente con determinados reactivos, formando productos que poseen fuerte absorción en el UV-Visible.

32 Fundamento Análisis Cuantitativo /Etapas 3.Limpieza y manipulación de las cubetas para las muestras. Limpiar con un papel para lentes con metanol de calidad espectrométrica. 1.Selección de la Longitud de Onda 4.Determinación de la Relación entre la absorbancia y la concentración. 2.Controlar las variables que influyen en la absorbancia: pH, naturaleza del disolvente, concentración de los electrólitos, presencia de sustancias interferentes.

33 Fundamento Análisis Cuantitativo /Etapas 3.Limpieza y manipulación de las cubetas para las muestras. Limpiar con un papel para lentes con metanol de calidad espectrométrica. 1.Selección de la Longitud de Onda 4.Determinación de la Relación entre la absorbancia y la concentración. 2.Controlar las variables que influyen en la absorbancia: pH, naturaleza del disolvente, concentración de los electrólitos, presencia de sustancias interferentes.

34 Fundamento Análisis Cuantitativo /Mezclas absorbentes Suponga que tiene una mezcla de dos especies absorbentes, M y N, que absorben a ’ y ’’, la absorbancia viene dada por: Longitud de Onda ’ ’’ Absorbancia Son válidas sólo si se cumple la Ley de Beer La mayor exactitud se alcanza con  altas

35 Fundamento Análisis Cuantitativo /Mezclas absorbentes Luego se resuelve el sistema de ecuaciones y se puede determinar la Concentración de cada componente. Se pueden hacer análisis multi-componentes pero con resolución de algebra matricial, mediante espectrofotómetros que sean capaces de obtener un gran número de datos.

36 Fundamento Análisis Cuantitativo /Espectrofotometría Derivada Los espectros se obtienen por representación gráfica de la primera derivada o de mayor orden, de la absorbancia o la transmitancia en función de la longitud de onda. Normalmente se obtienen detalles espectrales que se pierden en un espectro ordinario. Se pueden realizar las medidas de concentración, en presencia de un interferente. Las limitantes de este método, es la reducción de la relación señal ruido en algunas zonas del espectro y la necesidad de equipos más costosos.

37 Fundamento Análisis Cuantitativo /Dispositivos de Modulación de Longitud de Onda Se hace un barrido de un intervalo de longitudes de onda de forma rápida y repetitiva, mientras que se hace un barrido del espectro de forma usual. El barrido repetitivo, se obtiene por la oscilación o vibración de un espejo, una rendija o un elemento dispersante del monocromador. La amplitud de la senal de la corriente alterna resultante en el detector, es una buena aproxiamación de la derivada del espectro respecto a la longitud de onda.

38 Fundamento Análisis Cuantitativo /Dispositivos de Modulación de Longitud de Onda Espectrofotometro de Longitud de Onda Dual Se utiliza un sistema dispersante doble, donde dos haces de longitudes de onda diferentes inciden alternativamente en la muestra y el detector.

39 Fundamento Comparación de un espectro derivado con respecto a un espectro de transmitancia convencional La gráfica derivada revela los detalles de un espectro formado por tres picos de absorción solapados Identificación Cualitativa de Especies

40 Fundamento Espectros de Absorción de albúmina bovina: a)espectro regular, b) primera derivada del espectro y c) segunda derivada del espectro Obtención de Espectros UV-Visible de analitos presentes en disoluciones turbias Los aminoacidos: triptofano, tirosina y fenilalanina presentan picos agudas en la zona de 240 a 300 nm Estos picos no se observan en el espectro regular (a), debido a la dispersión de las moléculas grandes. La estructura fina aromática se observa en los espectros de la primera y segunda derivada (b) y (c)

41 Fundamento Las medidas fotométricas o espectro fotométricas, se utilizan para localizar el punto de equivalencia de una valoración, siempre que el analito, el reactivo o el producto y de la valoración absorban radiación. Análisis Cuantitativo / Valoraciones Fotométricas Una valoración fotométrica es una representación gráfica de la absorbancia, corregida por los cambios de volumenes,en función del volumen del valorador. En general, la curva de valoración, constara de dos regiones lineales con diferentes pendientes, una al inicio de la valoración y otra en la zona más allá del punto de equivalencia, la intersección de las dos porciones lineales extrapoladas se toma como el punto final.

42 Fundamento Curva de Valoraciones Fotométricas Características. Las absortividades molares de las sustancia a valorar, el producto y el valorador se indican como  s,  p y  t Análisis Cuantitativo / Valoraciones Fotométricas Los sistemas absorbentes deben cumplir la Ley de Beer. La absorbancia debe ser corregida con la ecuación: (V + v )/V.Donde V: volumen original de la disolución y v: volumen añadido. Se pueden realizar con un fotómetro o Espectrofotómetro..

43 Fundamento Análisis Cuantitativo / Valoraciones Fotométricas Las valoraciones fotométricas proporcionan resultados más exactos, que el análisis directo. Se pueden utilizar en valoración de sustancias levemente diluidas, en todo tipo de reacción y no requiere de constantes de equilibrio elevadas. La detección del Punto final se realiza en regiones alejadas del punto de equivalencia. Son poco sensibles a la presencia de otros interferentes, dado que se miden cambios de absorbancia. El punto final fotométrico se ha utilizado en valoraciones de precipitación, en estas el producto sólido obtenido disminuye la potencia radiante por dispersión y la valoración se lleva a cabo hasta obtener una turbidez constante.

44 Fundamento Análisis Cuantitativo / Valoraciones Fotométricas A 745 nm, no hay absorción de los iones ni del EDTA y tampoco del complejo más estable del Bismuto. Curva de valoración fotométrica de 100 mL de una disolución 2x10-3 M de Bi 3+ y Cu 2+ a una longitud de onda de 745 nm La disolución no presenta absorbancia hasta que todo el Bismuto de ha valorado. Cuando se empieza a formar el complejo de Cobre, se observa un aumento continuo en la absorbancia, hasta alcanzar el punto de equivalencia del Cu. Se obtienen dos puntos finales bien definidos.