Universidad Nacional Andrés Bello Laboratorio Química Analítica e Instrumental QUI-141 Profesora: Karina González
LABORATORIO 12:
Espectrofotometría Espectrofotometría de Absorción Molecular Visible
“
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Integrante: Eduardo Valderrama
Sección 03 Curso: QUI141 – Sección Fecha de entrega: sábado 30 de Noviembre del 2013
Introducción La Espectrofotometría es uno de los métodos de análisis instrumental más comunes, en especial el de UVVisible, que consiste en convertir las sustancias en derivados coloreados p ara poder ser analizados. Generalmente se utilizan aparatos que miden absorción de luz monocromática, de una longitud de onda conocida, llamados espectrofotómetros. La cantidad de luz absorbida está relacionada con la concentración de la sustancia en estudio según la ley de Beer: A = ε x C x b
ecuación 1
Siendo A la absorbancia o densidad óptica, medida por el aparato, C la concentración de la sustancia en estudio, b el espesor de disolución atravesada por la luz o paso óptico, y ε es la absortividad o absortividad molar si se usa la concentración en molaridad, la cual es característica de cada sustancia medible colorimétricamente. El paso óptico de las cubetas usualmente de 1 cm. Las cubetas suelen ser de plástico o vidrio óptico para las mediciones en el espectro visible, y de cuarzo para las que se llevan a cabo en la región ultravioleta (por debajo de 360 nm). De acuerdo con la formula 1, para una sustancia determinada, medida en condiciones similares (igual cubeta e igual longitud de onda) se cumple: A =c A* c* Por lo tanto, existe una proporcionalidad entre la absorbancia y la concentración. La ley de Beer dice que la absorbancia total de una mezcla a determinada longitud de onda, será igual a la suma de las absorbancias individuales de las especies q ue absorben. En el análisis químico podemos construir una curva de calibrado de patrón externo, que consistente en medir cantidades conocidas de analito (patrones o estándares) y luego puede utilizarse para interpretar la respuesta a la cantidad de una muestra desconocida. Así a partir de una gráfica se puede determinar la concentración de una muestra problema, ocupando la absorbancia medida vs la concentración de analito:
Las disoluciones blanco, contienen todos los disolventes y reactivos pero sin el analito, y por lo tanto pueden utilizarse para medir las respuesta a impurezas o especies interferentes y utilizarlas como un en la medición de la absorbancia. ‘‘cero’’ También puede realizarse otro método al hacer uso de adición-patrón y construir una curva de calibración de patrón interno, donde añadimos cantidades conocidas de analito a la muestra problema. Así a partir del aumento de la absorbancia se analiza cuanto analito hay en la muestra problema.
Los objetivos del práctico son el análisis del contenido de fósforo en una muestra real mediante espectrofotometría UV – Visible y la Aplicación de métodos de cuantificación haciendo uso de curvas de calibración y de adición estándar. La transmitancia (T) se define como la radiación incidente transmitida por la solución. La relación entre la absorbancia y la transmitancia es la siguiente: A = - log T.
Objetivos Conocer y aprender sobre el uso de un espectrofotómetro. Obtener, interpretar y calcular el rango de concentraciones de trabajo en un espectro. Utilizar métodos de cuantificación por curva de calibración y de adición estándar.
Parte experimental 1. Materiales y reactivos:
Equipo espectrofotómetro de doble haz UV-Visible. Matraces aforados de 50 mL Bureta de 10 mL Cubeta de 1 cm de paso óptico Matraces aforados de 100 mL Propipeta
NH3 2,6 M CuSO4 patrón 5,0 g/L (0.079 M) Agua destilada Vaso precipitado de 250 mL Muestra problema
2. Métodos y Condiciones Experimentales: 2+ A. Espectros de absorci ón de una solución Complejo Cu -Amoniacal, Cu(N H ) 3 4 : 2+
Se comenzó preparando una solución de complejo amoniacal de Cu de 0.5 g/L por dilución de una solución de Cu2+ de 5,0 g/L (tomando 10 ml) y mediante la adición de 10 ml de amoniaco 2,6 M, para obtener una concentración final de 0.26 mol/L.
Se Realizó un barrido automático de longitudes de onda entre 400-800 nm para el complejo. Y el espectro obtenido se observó para establecer la longitud de máxima absorción y también la Absorbancia de la solución de 0.5 g/L.
B. L ey de Beer : Cur va de calibr ación: Con los datos obtenidos de A para la solución de 0.5 g/L se calcularon los rangos de concentración para preparar una curva de calibración en la zona de menor de 20, 30, 50,60 y 70 %, por lo que se preparó un esquema de dilución para preparar los 5 puntos de la curva, y se ocuparon los diferentes volúmenes para preparar las soluciones, de los cuales hablaremos mas adelante. La muestra problema se preparó agregando 2,5 ml a un matraz aforado de 50 mL, 10 ml de amoniaco y luego aforando con agua. Con las soluciones ya preparadas se realizaron las siguientes acciones: - Se ajustó el cero de absorbancia colocando solución blanco en el haz de medición. - Se midió la A (%T) para cada una de las soluciones preparadas anteriormente. - Se registraron los datos de A vs C en una tabla confeccionada en un cuaderno. - Se graficó y calculó la ecuación de la recta por ajuste de mínimos cuadrados. Se determinó el coeficiente de correlación. - Se preparó la muestra problema en forma similar a las soluciones estándares. - Se midió la A de la muestra problema en forma inmediata, 3 veces y luego concentración.
se interpoló su
- Finalmente se calculó la concentración de la muestra recibida, considerando la dilución efectuada. C. M é todo de adi ci ón estándar:
Se preparó una batería de 4 matraces aforados y a cada uno de ellos se agregó 5,0 mL de solución de la muestra problema. El primer matraz se aforó directamente luego de agregar 5 ml de amoniaco. 2+
A los otros matraces aforados se agregó un volumen creciente de la solución estándar de Cu (1, 2,3 mL) y después se agregó amoniaco y finalmente se enrasaron con agua destilada. Se midieron las absorbancias a cada una de las soluciones, y con estos valores obtenidos se calculo la ecuación lineal entre la absorbancia vs Volumen (Ml) de estándar agregado.
3. Descripción de la técnica: La técnica ocupada hace uso de un instrumento comúnmente utilizado en la espectrometría ultravioletavisible llamado espectrofotómetro UV-Vis, que mide la intensidad de luz que pasa a través de una muestra, y la compara con la intensidad de luz antes de pasar a través de la muestra. Los componentes básicos son: una fuente de radiación, un sistema que permita seleccionar una banda estrecha de longitudes de onda, una cubeta o recipiente que contenga la muestra, un detector, y un sistema de tratamiento y lectura de la señal.
Resultados : 1. Esquema de dil ución usado para pr eparar 5 puntos para l a cur va de calibr ación % Transmitancia
Absorbancia
Concentración (g/L)
20 30 39,60 50 60 70
0,699 0,523 0,402 0,301 0,222 0,155
0,869 0,650 0,5 0,374 0,276 0,193
(En rojo los datos experimentales utilizados para calcular los otros datos de la tabla.)
2.
Tabl a de datos obtenidos para la cur va de cali bración:
Concentración 0,869 0,650 0,374 0,276 0,193 Muestra Problema
Absorbancia 0,806 0,610 0,396 0,300 0,199 0,259 0,261 0,259
Volumen de estándar 2+ Cu (5 g/L) ocupado en soluciones de matraces de 50 ml 8,7 6,5 3,7 2,8 1,9
3.
Cur va de calibr ación y calcul o de la concentr ación de la mu estr a probl ema: 0.9 0.8 0.7 a i 0.6 c n a 0.5 b o 0.4 r s b 0.3 A 0.2 0.1 0
y = 0.871x + 0.0507 R² = 0.9962
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Concentración
(x1, x2 y x3 = Concentraciones) -
0,259 = 0,871x1 + 0,0507
x1 = 0,239 g/L, y tomamos en cuenta las diluciones: 0,239 g/L están en 50 mL, y la alícuota ocupada de muestra problema fue de 2,5 ml por lo tanto la concentración es: 4,78 g/L.
-
0,261 = 0,871x1 + 0,0507
0,261 = 0,871x1 + 0,0507 x1 = 0,241 g/L están en 50 mL, y la alícuota ocupada de muestra problema fue de 2,5 ml por lo tanto la concentración es: 4,82 g/L. -
0,259 = 0,871x1 + 0,0507
x3 = 0,239 g/L y por la dilución la concentración es: 4,78 g/L. Promedio de las concentraciones: 4,79 g/L Desviación Estándar: Coeficiente de variación de la muestra:
ndar : 4. Curva de Adi ción Está Volumen añadido de estándar 0 mL 1 mL 2 mL 3 mL
Absorbancia 0,123 0,166 0,188 0,212
0.25 0.2 a i c n 0.15 a b r s o 0.1 b A
y = 0.0289x + 0.1289 R² = 0.9728
0.05 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
Volumen
5. Calcul o de la concentr ación de la muestr a problema:
3
3.5
Discusión Al comienzo se encontró la longitud de onda de máxima para el complejo el cual es un paso muy importante; en el siguiente esquema se explica como al elegir la longitud de onda de máxima absorción para medir la absorbancias, se obtengan las de mayores valores y que al construir el respectivo grafico la curva que se forme siga la ley de Beer y no presente desviaciones con respecto a la linealidad de esta.
Según el grafico la banda A presenta una pequeña desviación debido a que la absortividad varía poco a lo largo de la misma, en cambio en la banda B presenta una apreciable desviación por el cambio significativo que sufre la absortividad molar en esta región. 2
En la determinación de calibrado de patrón externo, se obtuvo un grafico lineal con un r = 0,9962, por lo que sabemos que a la concentraciones trabajadas y el complejo de cobre utilizado y analizado cumple la ley de Beer, además de que la longitud de onda de máxima absorción fue la correcta 2
El r de la curva de calibración de patrón externo además demuestra una buena precisión en el preparado de las soluciones, por lo que la concentración de fósforo calculada, la cual es de 4,79 g/L es confiable, además de que la desviación estándar y el coeficiente de variación de la muestra así los demuestran, como la medición se hizo tres veces se observa una pequeña variación de las absorbancias. En esta determinación se hizo el uso de un blanco que al contener todo los solventes y reactivos sin el analito, que sirvió para descartar las interferencias en la medición y ocuparla como un punto cero en la medición de absorbancia. En la determinación de calibrado de patrón interno (adición de patrón) se obtuvo un gráfico lineal con 2 un r = 0,9728, lo cual indica que la curva presenta una buena confiabilidad de la concentración 2 2 calculada (4,46 g/L). Aunque el r obtenido es inferior al r obtenido con el calibrado de patrón interno. Por esto creemos que la concentración obtenida la cual fue de 4,79 g/L puede estar mas cercana a la concentración real de complejo en la muestra problema que el valor obtenido en el calibrado de patrón interno.
La matriz es todo lo que hay en la muestra problema y el efecto que produce es el cambio que experimenta la absorbancia con todo lo que hay en la muestra además del analito. Es por esto que la matriz afecta a la absorbancia medida. Puede que la matriz tenga componentes desconocidos que sean imposibles de incluir en las disoluciones de patrón al construir la curva de calibrado. Así cuando se agrega un volumen pequeño de solución del patrón a la muestra desconocida, no varía significativamente la absorbancia medida (que se traduce en la concentración calculada) y se debe a que la matriz ejerce el mismo efecto sobre el mismo analito añadido sobre el que hay en la muestra problema. Cabe destacar que el efecto matriz es un efecto indeterminado de las especies que rodean a la muestra que afectan a la sensibilidad, cuando el efecto de una especie es determinado (y aditivo) se habla de interferencia. El uso de la adición de patrón es especialmente útil cuando la composición de la muestra es desconocida y afecta a la señal analítica. Pero la desventaja es que este método está basado en la extrapolación por lo tanto no es tan preciso y se puede cometer un error. En cambio el método utilizando la determinación por patrón externo se basa en la interpolación y por lo tanto la absorbancia medida para la muestra problema cae dentro de la proporcionalidad de la absorbancia con la concentración, el cual es bastante preciso y fácil de visualizar. En este caso no podemos estar seguro de si ocurre o no un efecto de matriz sin tener una forma de comparar ambos métodos utilizados. Pero estamos seguros de que la concentración real de la muestra problema debe de estar en el rango de las concentraciones obtenidas en ambos métodos porque la espectroscopia UV-Visible es un método bastante preciso, a pesar de esto no tenemos el valor real de la concentración de la muestra problema para saber la exactitud.
Conclusión Se hizo cumplimiento de los objetivos en razón de que se pudo cuantificar, mediante espectrofotometría de absorción molecular, el contenido de complejo de cobre en una muestra real gracias a las absorbancias obtenidas experimentalmente, al realizar las correspondientes curvas de calibración. Pero no estamos seguros de cual concentración obtenida de ambos métodos, 4,79 o 2,46 g/L, está mas cercana a la concentración real de la muestra problema. A pesar de esto el práctico se considera como exitoso porque se aprendió sobre el uso del espectrofotómetro y se pudo interpretar y calcular correctamente un rango de concentraciones de trabajo en el espectro de absorción.
Bibliografía
F. Pino Pérez. D. Pérez Bendito, Análisis de elementos-traza por espectrofotometría de absorción molecular Ultravioleta-visible, Capitulo 6, espectrofotometría UVvisible, instrumentación. Universidad de Sevilla (1983). Pp. 123 -124. K. Danzer, L. A. Currie. Guidelines for calibration in analytical chemistry. Part 1. Fundamentals and single component calibration. Pure Appl. Chem. 70 (1998) pp. 993-1014 K. Danzer, M. Otto, L. A. Currie. Guidelines for calibration in analytical chemistry. Part 2: Multicomponent calibration (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. 76 (2004) pp. 1215-1225
