Info Lab 2 Atmosferica

Informe de Laboratorio de Química Atmosférica 2013

UNIVERSIDAD DE CHILE Facultad de Ciencias Escuela de Pregrado

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QUÍMICA ATMOSFÉRICA Ier Semestre del 2013

Sensores fotoquímicos de Radiación Ultravioleta “Actinometría de o-nitrobenzaldehído”. Francisca Álvarez Vergara, Claudia Cárcamo Tenorio, Erica Torres Yevenes [email protected], [email protected], [email protected] Resumen— La actinometría es parte de la física que estudia la intensidad y acción química de las radiaciones visibles, especialmente la solar. Se expuso una solución de o-nitrobenzaldehído a la radiación solar por intervalos de 60 segundos 6 veces, y 360 segundos 1 vez, completando así 12 minutos, procedimos en esos intervalos a medir la absorbancia y máximos de radiación UV-A Y UV-B. Nuestros principales resultados, fue que en el transcurso del tiempo disminuía la concentración de ácido o-nitrosobenzoico y al mismo tiempo aumentaba la concentración de o-nitrobenzoico la reacción irá formando mayor concentración de ONBA, consumiendo así la concentración de ONB presente.

1. Introducción Un actinómetro químico (fluido, gas sólido o un ambiente micro – heterogéneo) es aquel que experimenta una reacción inducida por la luz a una determinada longitud de onda, para la cual el rendimiento cuántico es bien conocido. Medir la velocidad de reacción nos permite conocer la velocidad de absorción de fotones. La determinación de la conversión de los productos produce el número total de fotones absorbidos por el líquido o el volumen de gas o la superficie del sólido, la cual puede tener cualquier forma o geometría. La actinometría química ha sido empleada en fotoquímica como un método simple y preciso para medir radiación. En resumen un actinómetro es un sistema químico o dispositivo físico, el cual determina el número de fotones en la totalidad de un rayo o por unidad de tiempo. Este término es comúnmente utilizado para dispositivos utilizados en el rango de longitudes de onda UV y Visible. Utilizando este método podremos determinar, la degradación fotoquímica que ocurre al exponer una solución de o-nitrobenzaldehído a la luz solar, lo cual se resume en la siguiente reacción:

Procedemos a calcular la irradiancia solar correspondiente por actinometría, para ello necesitamos los datos de cambio de concentración, para estimar el número de fotones que ha recibido la solución., tomando en cuenta el tiempo y superficie de exposición. Objetivos: - Utilizar actinometría para medir radiación solar. - Calcular irradiancia solar de una solución de o-nitrobenzaldehido.

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2. Materiales y Métodos Materiales Método 2.1. Tablas y Figuras Intervalo Tiempo (s) 0 60 120 180 240 300 360 720

Absorvancia UV-A (watt/m2) UV-B (watt/m2) UV-A + UV-B (watt/m2)

0,114 0,223 0,342 0,425 0,497 0,557 0,605 0,771

29,6 1,259 29,8 1,381 29,9 1,476 29,9 1,620 29,9 1,710 29,9 1,893 29,9 1,945 Tabla 1. Medición UV directo al sol

30,859 31,181 31,376 31,52 31,61 31,793 31,845

Figura 1. Espectro de absorción de O-Nitro benzaldehído no expuesta a la luz.


Figura 2. Grafico de la Medición de Absorvancia (λ = 320 nm) en función del tiempo.

Figura 3. Grafico de la Medición UV directa en función del tiempo.

3

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Figura 4. Espectro de la absorvancia en función de la longitud de onda antes y después de la exposición solar.


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Figura 5.

2.2. Ecuaciones 

Ley de Beer: /Ec.1/ Donde:



A: Absorbancia C: concentración l: ancho celda

Ley de Beer aplicada a mezclas: /Ec.2/ /Ec.3/ /Ec.4/ Donde:

Ia: irradiancia absorbida Ca: concentración ácido : Rendimiento cuántico σ: Coeficiente de atenuacion

/Ec.5/

Donde:

a: área celda t: tiempo(s)

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

Irradiancia incidente (I0): /Ec.6/ /Ec.7/ Donde

A: absorbancia

/Ec.8/ Donde:

IT: irradiancia transmitida

3. Resultados y Discusión a. Compare los espectros al inicio y al término de la exposición solar. b. Realice el grafico de la absorbancia en función del tiempo.

c. Determine la irradiancia UV-solar y compare sus resultados con los obtenidos con los radiométricos de rango UV-A y UV-B Primero se calcula las concentraciones de o-Nitro benzaldehido (ONB) y Ácido o-Nitroso benzoico (ONBA), esto se logra de acuerdo a la Ley de Beer. Luego se reemplaza la ecuación 1 en la ecuación 2 obteniéndose: /Ec.9/ Al despejar la concentración de ONB de la ecuación 9 y reemplazándola en la ecuación 3, se tiene que: /Ec.10/ Para obtener la concentración total (CT), se utiliza la Ley de Beer, utilizando la solución que aun no estaba expuesta a la radiación solar, donde la concentración de ONB es corresponde a la concentración total. CONB = CT El coeficiente de extinción molar (ε), se obtiene de la Figura 5. Donde: εONB ≈ 0,65×103 (L/molcm) Para la concentración total según la tabla 1 es 0,114. Reemplazando en la ecuación 1 (Ec.1) se tiene:

CT= 1,75×10-4M


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Ahora para determinar las Concentración del de o-Nitrobenzaldehido y ácido o-Nitrosobenzoico a los distintos tiempos se tiene que: εONBA ≈ 4,4×103 (L/molcm) Y reemplazando en la ecuación 10 para obtener las concentraciones del ácido o-Nitrosobenzoico y despejando la concentración o-Nitrobenzaldehido de la ecuación 3 se tiene:

Tabla Nº2: Concentraciones de o-Nitrobenzaldehido y acido o-Nitrosobenzoico a diferentes tiempos de exposición a la radiación solar.

Tiempo (s) 0 60 120 180 240 300 360 720

ONB (mol/L) 1,75×10-4 1,46×10-4 1,14×10-4 9,21×10-5 7,30×10-5 5,70×10-5 4,40×10-5 0

ONBA (mol/L) 0 2,91×10-5 6,08×10-5 8,29×10-5 1,02×10-4 1,18×10-4 1,31×10-4 1,75×10-4

Se puede observar que a medida que transcurre el tiempo de exposición a la radiación solar, la concentración de o-nitrobenzaldehido va disminuyendo y la concentración de ácido onitrosobenzoico aumenta, esto se debe a que mientras más tiempo se encuentre expuesta, la reacción irá formando mayor concentración de ONBA, consumiendo así la concentración de ONB presente. Para calcular la irradiancia absorbida, se reemplazara la ecuación 3 en la ecuación 4 obteniendose: /Ec.11/ Donde: Volumen de la celda: 4,0×10-3 L Área: 4,2 cm2

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t: variable Reemplazando en la ecuación 11 y tomando como ejemplo el tiempo a 60 s se tiene que: [

⁄ ]

⁄

[

⁄

]

⁄ Ahora con la ecuación (5) calcularemos la Irradiancia incidente (I0): I0 = Ia * f(a,)-1 Para 60 seg, donde: F(A,) F(A,)-1 = 1,41

= 1 – 10-0,536()

=0,71

Io = 1,32*1015 (fotones*cm-2*seg-1) * 1,41 = 1,86*1015 (fotones*cm-2*seg-1) Luego Ia - IT =I0 (fotones*cm-2*seg-1). Tabla N°3: Valores de absorbida, incidente y transmitida obtenidos con respecto al tiempo Ia(fotones/cm2s-1)

I0(fotones/cm2s-1)

IT(fotonescm2s-1)

60

1,32*1015

1,85*1015

5,41*1014

120

2,34*1015

2,87*1015

5,39*1014

180

3,15*1015

3,63*1015

4,79*1014

240

3,79*1015

4,21*1015

4,22*1014

300

4,39*1015

4,75*1015

3,68*1014

360

4,90*1015

5,22*1015

3,24*1014

540

6,83*1015

7,02*1015

1,89*1014

Tiempo (s)

Tabla N° 4: Medición radiométrica de la radiación solar UV-A y UV-B


Tiempo (s)

60

Radiación promedio (W/m2) 28,7

120

29,3

1,688

30,988

29,2

1,724

30,924

240

29,9

1,849

31,749

300

30,7

1,902

32,602

31,6

2,00

33,6

31,6

2,02

33,62

180

360

UV-A

9

Radiación UV-B promedio (W/m2) 1,648

UV-A + UV-B promedio (W/m2) 30,348

540

Se observa que la radiación medida varia con el tiempo en los dos tipos UV-A y UV-B mostrando una disminución de esta con respecto avanza el tiempo Para que sea posible realizar una comparación entre la actinometría y la radiometría, es necesario que se encuentren en las mismas unidades, para esto transformamos los resultados de la radiometría que se encentran en W/m2 a fotones/cm2s-1 de acuerdo a la siguiente conversión: A 60 s: 30,348 W * 1 J * 1 fotón m2 s 6,62*10-34 = 4,89*1015 fotones/ cm2*s

* 320 *10-9 m * 3*108

1 m2 1*104 cm2

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Figura n°3: Gráfico rendimiento de las sondas del Radiómetro de bandas.

Tabla Nº5: Comparación entre los resultados obtenidos por actinometría y radiometría en fotones/cm2*s Tiempo (s) Actinometría Radiometría (fotones/cm2*s) (fotones/cm2*s) 14 60 5,41*10 4,89*1015 120 5,39*1014 4,99*1015 180 4,79*1014 4,98*1015 14 240 4,22*10 5,12*1015 300 3,68*1014 5,25*1015 14 360 3,24*10 5,41*1015 540 1,89*1014 5,42*1015 14 Promedio 4,09*10 5,15*1015 Si observamos los resultados obtenidos por los dos métodos, actinometría y radiometría observamos una diferencia de 4,741*1015 aunque el valor es muy pequeño esta diferencia podría deberse a que la radiometría actúa en un rango de valores de longitud de onda, en cambio la actinometría actúa en un solo valor de λ.

4. Conclusiones 5. Bibliografía 1. Lissi, E y E.Sanhueza, 1996: Radiación solar y fotoprocesos atmosféricos. Editorial Universidad de Santiago, páginas 61-68,80-100, Santiago de Chile

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