Determinación simultánea de orto y para-Nitrofenol

Universidad de Chile Facultad de Ciencias Departamento de Química Licenciatura Ciencias mención Química

Informe de Laboratorio “Espectrofotometría “Espectrofotometría de absorción” Determinación simultánea de orto y paraNitrofenol

Autores:

Álvaro Etcheverry Valeria Hermosilla Noelia Ayala Fecha de entrega: 27/01/2012 e-Mail: [email protected] [email protected]

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RESUMEN En este laboratorio se empleará un espectrofotómetro de barrido Shimadzu UV1700, 170 0, para para realiza realizarr estudi estudios os espec espectral trales es a fin de obtene obtenerr las con conce centra ntracio ciones nes de dos compuestos absorbentes presentes en una muestra problema. Para esto se trabajó con paranitrofenol y orto-nitrofenol, utilizando soluciones patrones y una muestra problema (N°6), que consistía en una mezcla desconocida de ambas soluciones. Los aspectos físicos de este experimento se basan en la aplicación de la Ley de Beer, así como de dos métodos distintos para la resolución de los espectros, uno mediante un sistema de ecuaciones y otro mediante la derivación de los espectros obtenidos. Utilizando un software especializado se obtuvo que las concentraciones para el p-NF y o-NF son de 1.47 ∙ 10 -5 M y 1.25 ∙ 10-4 M, respectivamente con un error de 3.86% utilizando el método del sistema de ecuaciones; y, 1.40 ∙ 10-5 M y 1.24 ∙ 10 -4 M, respectivamente con un error de 2.21% utilizando el método de la derivación de espectros.

INTRODUCCIÓN Como se vio en el laboratorio anterior, la espectrofotometría UV-Vis, se basa en los principios físicos de la espectroscopía de absorción, resumidos en la Ley de Beer por la que establece que la absorbancia, A, de una solución es proporcional al espesor de la capa de solución y a la concentración de la especie absorbente. A bc A = ε ⋅ l ⋅ c ∝

(1)

Donde Ɛ correspond Donde correspondee a la consta constante nte de proporciona proporcionalidad, lidad, llamada llamada absortividad molar , ℓ corresponde al espesor de la capa de solución, también denominado paso óptico, y c que corresponde a la concentración de la especie absorbente. Cabe destacar que la Ley de Beer sólo sólo es válid válidaa para para solu solucio cione ness de conc concen entra tracio cione ness menor menores es a 10 -2 M, a mayo mayore ress concentraciones se observan desviaciones en el comportamiento lineal debido a diversas razones, principalmente: que que Ɛ varía con el índice índice de refracción de la solución, solución, se pueden prod produc ucir ir inte intera racc ccio ione ness entre entre las las espe especi cies es abso absorb rben ente tes, s, o que que exist existen en espe especie ciess con con comp compor orta tamie mient ntoo ácid ácido/b o/bas asee cuan cuando do se utili utiliza zann solu soluci cion ones es que que no se encu encuen entra trann tamponadas. Gracia Graciass a la ecuac ecuación ión (1), (1), es posible posible conocer conocer la con conce centra ntració ciónn de la espec especie ie absorbente en una solución si conocemos la absortividad molar y la absorbancia. La absorbancia es posible conocer mediante el uso de un espectrofotómetro y la absortividad molar molar se pue puede de conoc conocer er confe confecci cciona onando ndo una curva curva de calibra calibració ciónn con solucio soluciones nes de concentración conocida y midiendo sus absorbancias a una longitud de onda específica. Como se mencionó anteriormente, la espectrofotometría puede ser utilizada como







mues muestra tra.. Para Para esto esto,, se pued pueden en utili utiliza zarr dos dos méto método doss que que se dife difere renc ncia iann tanto tanto en la sensibilidad que poseen, como en la precisión con la que arrojan resultados. El primer método consiste en aprovechar el hecho de que la absorbancia total de una solución a una longitud de onda es la suma de cada uno de los componentes individuales, como se muestra en la ecuación (2) y (3). Atotal

A1 + A2 + ... + An

=

A total = ε 1 ⋅ 1c⋅ l + ε 2 ⋅ 2c ⋅ l + ... + ε n ⋅ nc ⋅ l

(2) (3)

Así, para una mezcla de dos componentes, M y N, a dos longitudes de onda distintas, la absorbancia de la mezcla se puede expresar como un sistema de ecuaciones de la siguiente forma: A= ε 1M ⋅ M c ⋅l

1

2

A= ε M ⋅ cM ⋅ l 2

+ε

N⋅

cN ⋅ l

a λ

2

cN ⋅ l

a λ

1

+ε

N⋅

1

(4)

2

Las cuatro absortividades molares se calculan confeccionando curvas de calibración individuales para M y N a las longitudes de onda λ 1 y λ2. El segundo método consiste en la derivación de los espectros (espectroscopía de derivadas). Esto consiste en el cálculo de la primera, segunda o derivadas de orden mayor de las absorbancias con respecto a la longitud de onda. A

=

∂ A

ε ⋅ l ⋅ c

∂ε

⋅l ⋅c ∂λ A ' = ε '⋅ l ⋅ c ∂λ

=

(5)

Cuando Cuando con conoce ocemos mos los compue compuesto stoss que con conform forman an la mezcla mezcla,, calcul calculamo amoss la derivada de los espectros de las soluciones patrón, y hallamos la longitud de onda en que la derivada se hace cero, a fin de que en el espectro de la muestra problema sepamos que uno de los dos compuestos no está aportando a A'. Una vez que conocemos las longitudes de onda a las que cada A' de los compuestos se hace cero, es posible confeccionar curvas de calibra calibració ciónn con solucion soluciones es de con concen centra tració ciónn con conoci ocida da para hallar hallar Ɛ'. De esta forma, forma, conociendo las A' de la muestra problema y las Ɛ' a las las longitudes de onda en que cada uno uno de los compuestos se hace cero, podemos hallar las concentraciones de cada compuesto en la mezcla problema. 1

A '1 = ε ' M ⋅ cM ⋅ l 2

A2 = ε ' N ⋅ cN ⋅ l

a λ 1 a λ 2

(6)

Para este laboratorio se utilizó un espectrofot espectrofotómetro ómetro de barrido marca Shimadzu Shimadzu UV-1700 (Figura N°1). Este tipo de espectrofotómetros consiste en un sistema monocanal,







Figura N°1: Espectrofotómetro de barrido Shimadzu UV-1700 1. Las especies absorbentes que se utilizaron en este laboratorio son para-nitrofenol y orto-nitrofenol (Figuras N° 2 y 3). Estos compuestos son utilizados para medir la presencia de residuos de pesticidas en plantas, frutas y otros alimentos 2. Ambos compuestos poseen espectros de absorción que cubren la región de 200 nm a 500 nm. OH OH NO2

NO2

Figura N°2: orto-nitrofenol.

PARTE EXPERIMENTAL 1

http://www.advmex.com/espectrofotometro_uv.htm

Figura N°3: para-nitrofenol.







1. Da Dato toss bru bruto toss obt obten enido idos: s: En primer lugar, se analizaron los espectros obtenidos de las muestras de pnitrofenol y o-nitrofenol para ver a que longitudes de onda existe la máxima absorción.

Gráfico N°1: Absorbancia del p-nitrofenol a distintas longitudes de onda. Se observa que a 400 nm existe un máximo de absorbancia, lo que fue comprobado al ver los datos obtenidos del espectro.







Gráfico N°2: Absorbancia del o-nitrofenol a distintas longitudes de onda. Se observa que existen 2 puntos de máxima absorbancia, se escoge utilizar el que se encuentra cercano a los 280 nm. De los datos obtenidos para la muestra problema (N°6), se confeccionó el siguiente gráfico:

Gráfico N°3: Absorbancias de la muestra problema a distintas longitudes de onda. 2. Trat Tratam amie iento nto de dato datos: s: En primer lugar se toman las absorciones a las longitudes de onda escogidas (280 y 400 nm), para confeccionar las curvas de calibración. Para esto se utilizaron los datos correspondientes de las alícuotas usadas. Las soluciones patrón fueron realizadas con 2.49 mg de p-NF y 8.74 mg de o-NF, cada una diluida en 250 mL de agua destilada.

1 2 3 4 5 6

Vol. alícuota (mL) 2.6 5.3 7.9 10.1 12.5 14 8

Vol. total (mL) 20.1 20.1 20.2 20.1 20 20 1

Concentración Absorbancia Absorbancia (mol/L) a 280 nm a 400 nm 9.26E-06 0.014 0.174 1.88E-05 0.025 0.352 2.80E-05 0.03 0.478 3.59E-05 0.041 0.661 4.47E-05 0.053 0.829 5 27E-05 0 06 0 969









Gráfico N°4: Curva de calibración a 280 nm para el p-nitrofenol.







ε 280 = 1084.8 ε 40 0

1 2 3 4 5 6 7

; ∆ε = 1843 18432.6 2.6 ; ∆ε

28 0

=

4 00

41.9 = 506.2 506.2

Vol. alícuota Vol. total Concentración Absorbancia Absorbancia (mL) (mL) (mol/L) a 280 nm a 400 nm 2.8 19.9 3.53E-05 0.18 0.182 5.4 19.9 6.81E-05 0.357 0.367 7.8 20.1 9.75E-05 0.504 0.519 10.1 20.2 1.26E-04 0.652 0.671 12 20 1.51E-04 0.784 0.807 13.9 19.9 1.76E-04 0.905 0.931 15.6 20 1.96E-04 1.015 1.044 Tabla N°2: Concentraciones y absorbancias a 280 y 400 nm para el o-NF.

Gráfico N°6: Curva de calibración a 280 nm para el o-nitrofenol.







Gráfico N°7: Curva de calibración a 400 nm para el o-nitrofenol. Del ajuste realizado con OriginPro 8.5, se encontraron los siguientes valores para la absortividad molar del o-NF a 280 nm y 400 nm. ε 280 = 5176.5

; ∆ε = 22.9 ε = 5338 5338.9 .9 ; ∆ε = 28.9 En base a los datos obtenidos, se procede a calcular la concentración de las dos especies presentes en la muestra problema, utilizando las absortividades calculadas, para lo que se pueden utilizar dos métodos: 40 0

280

400

Un método directo es el que aprovecha el hecho de que la absorbancia de la muestra problema es la suma de las absorbancias de cada compuesto a distintas longitudes de onda, de esta forma, si tenemos un sistema con dos componentes (p-NF y o-NF), para dos longitudes de onda dadas (280 y 400 nm), tenemos el siguiente sistema de ecuaciones: A

280nm

= 1084, 8 ⋅ C

p NF⋅ l

−

+ 5176, 5 ⋅ C

o NF⋅ l

−







C p

NF

= 1,47 ⋅10

Co

NF

= 1,25 ⋅10

−

−

5

−

4

−

M M

El segund segundoo métod métodoo con consis siste te en aplica aplicarr método métodoss deriva derivativo tivoss para para obtene obtenerr las concentraciones, para esto primero se calcula la derivada de los espectros tomados (p-NF y o-NF) y se ubica en que puntos cada derivada se hace cero de tal manera que exista una diferencia apreciable entre ambas curvas (a fin de que se logre mayor sensibilidad).

Gráfico N°8: Curvas correspondientes a la 1 ra derivada de los espectros del p-NF y o-NF. Los puntos donde el espectro del p-NF se hace cero corresponde a los 300 nm, mientras que para el o-NF se toma el punto correspondiente a los 416 nm. Con estos puntos se confecciona una curva de calibración de A' versus la concentración utilizando los mismos espectros que se utilizaron para las curvas de calibración anteriores.







7

1.96E-04 -0.02937 6.12163E-05 -0.01946 Tabla N°3: Concentraciones versus A' para el p-NF y o-NF.

Con los datos obtenidos de la Tabla N°3, se confeccionan las nuevas curvas de calibración para obtener Ɛ' a 300 y 416 nm.

Gráfico N°9: Curva de calibración a 300 nm para la concentración de o-NF.









Usando un ajuste lineal para ambos gráficos, podemos obtener la pendiente, que corresponde a Ɛ'. De De esta forma, tenemos lo siguiente: ' = −149, 94 ; ∆ε ' = 1,17 = −320, 14 ; ∆ε ' = 7, 08 ε' Luego Luego,, si conoc conocem emos os la A' de la muestra problema a las longitudes de onda escogidas escogidas y utilizamos utilizamos las Ɛ' respectivas, respectivas, es posible posible conocer conocer las concentra concentracione cioness de las especies presentes. ε

30 0

3 00

416

41 6







Cp-NF Co-NF

Sistema de ecuaciones Espectros derivados Concentración (mol/L) Concentración (mol/L) 1.47E-5 1.40E-5 1.25E-4 1.24E-4 Tabla N°4: Concentraciones obtenidas para ambos métodos.

DISCUSIÓN Como se pued Como puedee ver, ver, para para ambo amboss méto método doss util utiliz izad ados os para para encon ncontr trar ar las las concentraciones de los compuestos en la muestra problema dieron como resultado valores similares, sin embargo, los valores obtenidos usando el método de los espectros derivados poseen un menor margen de error. Esto se basa en el cálculo del error asociado a las absort absortivid ividade adess encontr encontrada adas. s. Para el método método del sistema sistema de ecuacio ecuaciones nes la relaci relación ón Δ Ɛ/ Ɛ alca alcanz nzaa un valo valorr máxi máximo mo de 3.86 3.86%, %, mien mientra trass que que para para el méto método do de los los espe espectr ctros os deriv derivad ados os,, la rel relac ación ión ΔƐ'/Ɛ' alcan alcanza za un un valo valorr de 2.2 2.21% 1%.. Es posible observar la enorme influencia que ejerce la concentración en la forma del espectro, los valores obtenidos muestran que la concentración de o-NF es casi 10 veces mayor que la concentración de p-NF, lo que se ve reflejado en el hecho de que el espectro de la muestra problema es muy similar al espectro del o-NF. En este experimento no se observaron desviaciones químicas de la Ley de Beer (es posible posible descartar descartar las desviacio desviaciones nes instrumentales instrumentales y reales reales debido debido a los criterios criterios utilizados utilizados para las mediciones y a que se utilizaron soluciones con concentraciones menores a 0.01 mol/L), por lo que se asume que los compuestos absorbentes no interactúan entre sí y a que su comp compor orta tami mien ento to ácid ácido/ o/ba base se ha sido sido cont contro rola lado do uti utili liza zand ndoo solu soluci cion ones es a pH pH 12. 12.







-

SKOO SKOOG, G, Do Doug ugla lass A. y West West,, Do Dona nald ld M. An Anál ális isis is Inst Instru rume ment ntal al,, 2da 2da Edic Edició ión. n. México, McGraw-Hill, 1992.

Determinación simultánea de orto y para-Nitrofenol

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