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Fundamentos Fisicoquímicos de las Técnicas Instrumentales. Curso 2010-11

TEMA 4. ESPECTROSCOPÍA MOLECULAR (II): espectroscopía UV-Visible 1.- Dos 1.- Dos sustancias de importancia biológica, el NAD + y el NADH, tienen coeficientes de absorción molar iguales de 1.8 10 4 dm 3 mol -1 cm-1, a 260 nm (la longitud de onda a la cual los coeficientes de absorción son iguales se conoce como punto isosbéstico). A 340 nm, el NAD+ no absorbe, pero el NADH tiene un coeficiente de absorción molar de 6.22 103 dm3 mol-1 cm-1. Una disolución que contiene ambas sustancias presenta una absorbancia de 0.215 a 340 nm y de 0.850 a 260 nm. Calcule la concentración de cada sustancia. R.: NADH 3.46 10-5 mol/L; NAD+ 1.26 10-5 mol/L.

2.- Se obtuvieron los siguientes datos de transmitancia para disoluciones acuosas de oxihemoglobina (66500 g/mol) a pH=7 en una cubeta de 1 cm de paso de luz: C/(g/100 mL)

0.030

0.050

0,071

0.102

%T

53.5

35.1

22.5

12.3

Comprobar si se cumple la ley de Beer y, en su caso, determinar el coeficiente de absorción molar de la oxihemoglobina y la transmitancia de una disolución de concentración 0,15 g/L. R.: 59019 M-1 cm-1; 73.6 %.

3.- Se ioniza un ácido HA en disolución acuosa dando iones H + y A-. A una longitud de onda de 430 nm HA no absorbe luz, pero A - presenta un coeficiente de absorción molar de 458 dm3 cm-1 mol-1. Se observa que una disolución del ácido a concentración 0.1 M tiene una transmitancia de 1.47% a 430 nm con una trayectoria lumínica de 1 cm y temperatura de 25 °C. Calcule la constante de disociación del ácido HA a 25 °C y Gº para el proceso de disociación. R.: 1.668 10-4; 21.6 kJ mol -1

4.- Dos especies no coloreadas A y B reaccionan para formar un complejo coloreado AB que absorbe a 550 nm con un coeficiente de absorción molar de 450 L mol -1cm-1. La constante de disociación para este complejo es 4 10 -3 ¿Cuál sería el valor de la absorbancia de una disolución que se prepara mezclando volúmenes iguales de disoluciones 0.01 M de A y B? R.: R.: 0.945

Tema 4. Espectroscopía Molecular (II)


5.- Determínese la K d de un ácido débil HB a partir de los datos siguientes obtenidos al disolver 0.3251 g de dicho ácido en 250 mL de agua y diluyendo muestra de 1 mL hasta 100 mL con disolución tampón. pH

4

5

6

7

8

9

10

11

A

0.0

0.0

0.11

0.61

1.14

1.24

1.25

1.25

Determínese también su coeficiente de absortividad molar sabiendo que las medidas se hicieron en celdas de 1 cm. La masa molecular es 160 g/mol. R.: a) 9.52 10-8 M; b) 15380 L mol-1cm-1

6.- Una disolución es analizada para determinar su contenido en Ga 3+, para lo que se añade un reactivo orgánico que forma un complejo fuertemente coloreado con el Ga 3+, a 50 mL de la disolución. La absorbancia medida fue de 0.656. Posteriormente se añadieron sucesivamente 5 alícuotas de 10 mL de una disolución estándar 10 -4 M en Ga3+ y se midieron sus absorbancias, siendo éstas las indicadas en la tabla. Determinar la concentración de Ga 3+ en la disolución problema. V añadido /mL

10

20

30

40

50

Absorbancias

0.591 0.544 0.509 0.481 0.459

R.: 2.5 10-4

7.- Se pipetean varias alícuotas de 10 mL de una muestra de un agua mineral en matraces aforados en 50 mL. A cada uno se adicionan exactamente 0.00, 5.00, 10.0, 15.0 y 20.0 mL de una disolución patrón que contiene 11.1 ppm de Fe 3+ seguido de un exceso de ion tiocianato para dar el complejo rojo Fe(SCN) 2+ y se enrasan hasta 50 mL. Las señales del fotómetro para las cinco disoluciones fueron: 0.240, 0.437, 0.621, 0.809 y 1.009, respectivamente. ¿Qué concentración de Fe 3+ hay en la muestra de agua?. R.: 7.01 ppm

8.- Para valorar unos inyectables de aspirina, se tomaron 2 mL de uno de ellos y se diluyeron a 100 mL con etanol. La absorbancia a la máxima de absorción fue 0.350. La disolución patrón se preparó triturando 2.618 mg de una tableta de aspirina al 20 % y disolviéndolos en 100 mL con etanol. La absorbancia de esta disolución resultó ser de 0.543. Calcular la concentración de ácido acetil salicílico en el inyectable, suponiendo que en estas condiciones se cumple la ley de Beer y que b = 1 cm. R.: 0.16 g/L. Tema 4. Espectroscopía Molecular (II)


9.- Una serie de disoluciones de cafeína C 8H10O2N4.H2O ( M : 212.1 g/mol) en medio ácido, dan las siguientes medidas de absorbancia a 272 nm en cubeta de 1 cm de paso óptico: C ( mg/ 100mL) 0.200 0.500 0.600 0.900 1.00 A 272nm

1.20 1.50

2.00

0.100 0.250 0.310 0.465 0.510 0.625 0.760 1.05

Una muestra de 2.50 g de un café soluble comercial de determinada marca, se disolvió en 500 mL de agua. Una parte alícuota de 25 mL se transfirió a un matraz que contenía 25 mL de ácido sulfúrico 0.1 M, se sometió a un proceso de clarificación y posteriormente se enrasó hasta un volumen de 500 mL. Una parte de esta disolución mostró una absorbancia de 0.415 a 272 nm. a) Determinar la absortividad molar de la cafeína en estas condiciones. b) Determinar la cantidad de cafeína presente en el café soluble, expresada en gramos de cafeína por cada kg de producto. .c) Si para una taza de café se utilizan 2 gramos de café soluble, determinar la cantidad de cafeína que contiene, expresada en mg. R.: a)1.10 104 L mol-1 cm-1 b) 32 g c) 64 mg 10.- Para determinar la concentración de un derivado de eritromicina en un inyectable se procedió de la siguiente manera; a cinco porciones de la muestra de 25 mL cada una de ellas, se les añadió distintas cantidades del compuesto puro en estado sólido, midiéndose a continuación las absorbancias de cada disolución. Las lecturas, realizadas a 233 nm fueron: Absorbancia 0.224 0.314 0.405 0.476 0.614 mg añadidos 0 1.1 2.0 2.9 4.2 Calcular la concentración del compuesto en el inyectable. R.: 0.09 g/L 11.- El fósforo en orina puede ser determinado por tratamiento con molibdeno y reduciendo a continuación el complejo fosfomolíbdico con ácido aminonaftolsulfónico para dar el azul de molibdeno. Este absorbe a 660 nm. Un paciente excretó 1270 mL de orina en 24 horas. Una alícuota de 1 mL de orina fue tratada con reactivo de molibdato y ácido aminonaftolsulfónico y diluida a un volumen de 50 mL. Una serie de estándares de fósforo fueron tratados de la misma forma, y las absorbancias de las disoluciones a 660 nm, fueron las siguientes: Conc.de fósforo (ppm) Absorbancia

1 2 3 4 Muestra de orina 0.205 0.425 0.610 0.830 0.625

Calcular el número de gramos de fósforo excretados por día y su concentración en la muestra en mmoles/L. Peso atómico del fósforo 31 g/mol. R.: 0.194 g; 4.92 mmoles/L.



12.- Un preparado farmacéutico contiene dos principios activos ( A y B ) y un excipiente inerte. Los dos principios activos absorben en radiación visible, mientras que el excipiente sólo absorbe radiación UV. Se disuelven 0.7 g del preparado en 250 mL de disolución etanólica ácida. De esta disolución se toman 3 mL y se diluyen hasta 500 mL con el mismo disolvente. A una alícuota de 1 mL de esta última disolución se le miden las absorbancias a 450 nm (A=0.233) y 580 nm (A=0.166). Sabiendo que una disolución de 1 mg de A en 250 mL de la disolución etanólica ácida absorbe 0.860 a 450 nm y 0.068 a 580 nm, y que una disolución de 1 mg de B en 250 mL del mismo disolvente absorbe 0.028 a 450 nm y 0.156 a 580 nm, calcule el número de gramos de A y de B por cada 10 g del preparado original. Se han utilizado cubetas con 1 cm de paso luminoso. R.: 0.57 de A; 2.3 g de B 13.- Con objeto de determinar las concentraciones de Co(II) y Cr(III) en una mezcla, se realizaron medidas de absorbancias de disoluciones estándares de ambos compuestos a 510 nm y 408 nm, obteniéndose los siguientes resultados: Cr(III)/mol l-1 0.01 0.04 0.06 0.08 0.1 A510 0.049 0.180 0.300 0.420 0.510 408 A 0.151 0.603 0.910 1.196 1.500 Co(II)/mol-1 0.02 0.04 0.07 0.09 0.11 A510 0.099 0.199 0.352 0.455 0.553 408 A 0.010 0.021 0.036 0.046 0.057 Calcúlese la concentración de Cr(III) y Co(II) en la mezcla, sabiendo que una alícuota de 3 mL de la muestra, diluida a 10 mL con agua dio lugar a las siguientes absorbancias: 0.535 (a 510 nm) y 1.07 (a 408 nm). R.: 0.23 M, 0.12 M 14.- Para analizar una muestra débilmente ácida, se realizó la siguiente curva de calibración con disoluciones patrones de dicha sustancia a pH = 8 y una longitud de onda de 400 nm Cx103 (g/l) A

1 2 3 4 5 6 0.050 0.095 0.150 0.205 0.250 0.301

0.664 g de la muestra se diluyeron hasta 1 litro con agua y se tomaron de esta disolución porciones de 1 mL diluyéndolas hasta 100 mL con disoluciones tampón de distintos pH; dichas disoluciones dieron a 400 nm los siguientes valores de absorbancias: pH A

1 0.016

2 3 4 5 6 78 0.016 0.028 0.099 0.224 0.261 0.266 0.266

Suponiendo que la forma ácida no absorbe, y la cubeta usada es de 1 cm, calcular: (a) Absortividad específica de la sustancia. R: 50.7 l g-1cm-1



(b) Porcentaje de pureza de la muestra. R: 74.2%. (c) La constante de acidez de la sustancia. R: 5x10-5 15.- La forma reducida del dinucleótido de adenina y nicotinamida (NADH) es una importante coenzima y altamente fluorescente. Tiene un máximo de absorción a 340 nm y un máximo de emisión a 465 nm. Unas disoluciones patrón de NADH dieron las siguientes intensidades de fluorescencia: [NADH]/ mol L-1 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 Intensidad

2.24

4.74

6.59

8.98

10.93 14.01 15.49 18.02

Una disolución problema presenta una fluorescencia de 12.16. Calcular la concentración de NADH. R.: 0.541 mol / L

16.- Los siguientes volúmenes de una disolución que contenía 1.10 ppm de Zn 2+ se pipetearon en embudos de decantación que contenían, cada uno, 5.0 mL de una disolución de Zn 2+ desconocida: 0.0; 5.0; 10.0 y 15.0 mL. Cada uno de ellos fueron extraídos con tres alícuotas de 5 mL de CCl 4 que contenía un exceso de 8-hidroxiquinolina. Los extractos se diluyeron a 25.0 mL y se midió su fluorescencia con un fluorímetro. Los resultados fueron: Volumen de Zn2+/mL

0.0

5.0

10.0

15.0

Lectura del fluorímetro

6.08

11.24

15.47

20.84

Calcular la concentración de Zn 2+ en la muestra. R.: 1.39 ppm

17.- Se propone un método para determinar la concentración de quinina en una bebida comercial por fluorimetría. La longitud de onda de excitación es de 350 nm y la longitud de onda de medida de 450 nm. A partir de una disolución A de quinina de 0.1 mg/L se hacen una serie de cinco disoluciones patrón para establecer una curva de calibrado: Disolución

Volumen de A/mL

H2SO4 (0.05 M)

Fluorescencia

Patrón 1

20

0

182.0

Patrón 2

16

4

138.8

Patrón 3

12

8

109.2



Patrón 4

8

12

75.8

Patrón 5

4

16

39.5

Blanco analítico

0

20

0.0

A continuación se toma 0.1 mL de la bebida a determinar y se diluye a 100 mL con H2SO4 0.05 M. La señal obtenida para esta disolución es 113. Calcular la concentración de quinina, expresada en ppm . R.: 62.5 ppm.

18.- El oxígeno molecular es un eficaz amortiguador de fluorescencia. La intensidad de fluorescencia de una disolución acuosa de un fluoróforo es de 825 antes de desoxigenar y 1026 una vez desoxigenada. Calcular la constante de amortiguación sabiendo que la solubilidad del oxígeno en agua es 1.275 10 -3 M. El tiempo de vida del fluoróforo es de 4.3 ns. El oxígeno es cinco veces más soluble en etanol que en agua. ¿En que porcentaje se reduciría la fluorescencia de este fluoróforo en etanol? Suponga que los valores de la constante de amortiguación y el tiempo de vida del fluoróforo en etanol son los mismos que en agua. R.: 4.4 1010 M-1 s-1; 55%

19.-En la siguiente tabla se recogen los datos de la intensidad de fluorescencia de un fluoróforo F en presencia de un amortiguador Q a 20 y 40 °C. 103 Q/M

0

1

2

4

8

10

I (20ºC)

1826

1815

1803

1782

1738

1719

I (40ºC)

1796

1788

1780

1762

1732

1716

Calcule las constantes de amortiguación a dichas temperaturas. R.: 6.26 M-1 y 4.66 M-1.



PROBLEMAS AVANZADOS A.1.- El quelato CuA 22- presenta un máximo de absorción a 480 nm. Cuando el reactivo quelante está presente en un exceso de al menos 10 veces el ion metálico, la absorbancia depende solo de la concentración analítica del Cu(II) y se cumple la ley de Beer en un amplio intervalo de concentraciones. Una disolución en la que la concentración analítica de Cu 2+ es de 2.30 10-4 M y la de A 2- es 8.60 10-3 M tiene una absorbancia de 0.690 cuando se mide en una cubeta de 1 cm a 480 nm. Una disolución en la que las concentraciones analíticas de Cu 2+ y A2- son 2.30 10-4 M y 5.00 10-4 M, respectivamente, tiene una absorbancia de 0.540 cuando se mide en las mismas condiciones. Utilizando esta información, calcular la constante de formación del proceso: Cu2+ + 2A2- CuA22R.: 1.8 108

A.2.- Dada la siguiente tabla, calcular los datos que faltan sabiendo que 300 nm es un punto isosbéstico y el compuesto A no absorbe a 400 nm. Disoluciones

1

2

3

[A]

--

2.5 10-4 M

--

[B]

2 10-4 M

7.4 10-5 M

--

A300

0.937

0.481

0.820

A400

0.814

--

0.550

A.3.- De una disolución 8 10 -5 M de una base débil, se tomaron tres porciones de 25 mL, a las cuales se le agregaron 10 mL de NaOH 1 M, 10 mL de HCl 1 M y 20 mL de una disolución tampón de pH = 8, respectivamente. Una vez enrasadas a 50 mL, se midió la absorbancia a 680 nm, con los siguientes resultados: Disolución

Absorbancia

Ácido fuerte

0.028

Base fuerte

0.596

pH = 8

0.396

Calcular: a) La constante de ionización de la base; b) El pH de una disolución de la base cuya absorbancia a 680 nm es de 0.420 en las mismas condiciones. R.: a) 5.44 10-7; b) 8.08



A.4.- El antineoplásico mercaptopurina (M= 152.19 g/mol) presenta carácter ácidobase en disolución acuosa. La absorbancia de una disolución de concentración 5 g/mL a 323 nm, en cubeta de paso óptico de 1 cm, es de 0.550 en medio HCl 0.1 M, de 0.020 en medio 0.1 M de Na OH y de 0.196 en disolución tampón de pH = 8. Determinar: a) los coeficientes de extinción molar de ambas especies b) el pK a del fármaco c) la absorbancia de la disolución a pH = 6.5. R.: a) 16768 M-1cm-1 610 M-1cm-1; b) 7.70; c) 0.540

A.5.- En una síntesis orgánica de un determinado principio activo se detectó la presencia de un ácido débil monoprótico de M = 200 g/mol. Para el estudio espectrofotométrico en cubetas de 1 cm de longitud, se disolvieron 10 mg de ácido en 100 mL de HCl (pH=1). Sus absorbancias a 515 y 590 nm resultaron ser 0.50 y 0.10 respectivamente. A continuación se disolvieron 20 mg del mismo ácido en 50 mL de una disolución de NaOH (pH = 13), y sus absorbancias a las mismas longitudes de onda fueron 0.30 y 1.60 respectivamente. Por otro lado se tomaron 16 mg del ácido y se disolvieron en 100 mL de una disolución tampón de pH = 5.53, mostrando esta disolución absorbancias de 0.60 y 0.30 a 515 y 590 nm respectivamente. Calcular: a) Las concentraciones de las formas ácidas y su base conjugada en la última disolución. b) La constante de disociación del ácido. R.: a) 0.565 mM; b) 1.22 10-6

A.6.- 397.4 mg de una sustancia que contiene un 63% de una amina y un 37% de otro compuesto X, que no posee carácter ácido ni básico, se disuelven en 100 mL de agua. Con esta disolución se preparan otras ocho, diluyendo alícuotas de 10 mL a 50 mL en disoluciones tampón de diversos pH. Dichas mezclas dieron los siguientes valores de absorbancia a 590 nm al medirse en cubetas de 1 cm: pH

3

4

5

6

7

8

9

10

A

0.231 0.231 0.277 0.534 1.157 1.405 1.450 1.450

Si la forma protonada de la amina es incolora, calcular: a) La constante K b de la amina; b) Las absortividades específicas para la amina y el compuesto X. R.: a) 3.16 10-8; b) 2.43 L g -1 cm-1; 0.786 L g-1 cm-1


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