Este documento presenta información sobre la espectrofotometría UV-Visible y sus aplicaciones en el análisis químico. Describe los componentes básicos de un espectrofotómetro, las fuentes de radiación electromagnética utilizadas, los detectores y transductores ópticos. También explica conceptos como la ley de Beer, métodos de cuantificación como curvas de calibración y adición de estándar, y aplicaciones como la determinación de iones metálicos y compuestos orgánicos.
5. • Filtros ópticos
• Prismas
• Rejillas de difracción
Monocromador
Ancho de
banda :
6. Características de la espectroscopia
molecular
• Aplicación en sistemas orgánicos e inorgánicos
• Límites de detección bajos ( 10-4 a 10-5 M)
• Selectividad moderada a alta
• Buena exactitud ( incertidumbres relativas < 2% )
• Medición y adquisición de datos simple
7. Aplicaciones
• Determinación de iones metálicos y complejos de
elementos de transición ( Ni+2, Cu+2, Co+2, Cr2O7
-2 )
• Complejos de transferencia de carga
ej: Fe(II –1,10 Fenantrolina , Fe(III)– tiocianato
•Compuestos orgánicos con enlaces conjugados,
heterociclos
• Campos: industrial, clínico, forense, medio
ambiente
8. Espectros de absorción molecular
La concentración de la solución no modifica la forma del espectro
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
200 220 240 260 280 300 320 340 360
a) AAS = 25 mg/l
b) AAS = 12,5 mg/l
Espectro de absorción de ácido acetil salicílico en HCl 0,05 M
b)
a)
Absorbacia
λ( nm )
9. Análisis Cuantitativo, procedimiento:
• Selección del rango de concentraciones para la medición con
menor error
• Selección de la longitud de onda
de medición: ( si se
desea la mas alta sensibilidad se elige una
longitud de onda correspondiente a un
pico máximo)
• Verificar cumplimiento de la ley de
Beer
A = a b C
T = P/P0 -log T = a b C
existen variables que influyen en la
absorbancia como: tipo de disolvente, pH de la
solución , temperatura , sustancias interferentes
10. Ley de Beer - ideal : A = abC ,
Señal = constante * conc. de analito
Ley de Beer - real : A = abC + n
n= intercepto señal de fondo (blanco)
Ambas ecuaciones
representan rectas
A vs C
0 2 4 6 8 10
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Absorbancia
Concentración
0 2 4 6 8 10
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
rango lineal
intercepto
Absorbancia
Concentracion
Pendiente = sensibilidad
11. • Nefelometría scattering
• Turbidimetría
• Refractometría refracción
• Difraccion difracción de rayos x
• Dispersión dispersión óptica rotatoria
Otras técnicas espectroscópicas sin intercambio de
energía
Ver tambien : Modern Analytical Chemistry
D. Harvey , Mc Graw Hill , cap 10
12. Métodos de cuantificación
• Curva de calibración con estándares externos
• Método de adición estándar:
- a volumen final constante
- a volumen variable
13. Curva de calibración con estándares externos
blanco
muestra
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 Ax
Los estándares de calibración deben aproximarse en lo
posible a la composición general de las muestras
15. Método de adición de estándar:
a volumen final constante y varias adiciones
Las dificultades de contar con un patron con una composición general que se
asemeje a la de las muestras hace recomendable este método. Requisito: se
cumple la ley de Beer
blanco
Ajuste 0 Vx Vx Vx Vx Vx
Vst1 Vst2 Vst3 Vst4
A TOTAL = Ax + Ast
T
T
T
V
Vst
Cst
b
a
V
Vx
Cx
b
a
A
∗
∗
∗
+
∗
∗
∗
=
Graficar A vs Vst :
recta con pendiente β e
intercepto α
α β
16. • Entonces: A T = α + β Vst
• Dividiendo
Despejando
Cst
b
a
Vt
Vt
Vx
Cx
b
a
∗
∗
∗
∗
∗
∗
=
β
α
Vx
Cst
Cx
∗
∗
=
β
α
T
T
T
V
Vst
Cst
b
a
V
Vx
Cx
b
a
A
∗
∗
∗
+
∗
∗
∗
=
17. Método de adición de estándar:
a volumen final variable y una adición
+
+
=
Vst
Vx
VstCst
VxCx
ab
A2
)
(
)
(
2
1
VstCst
VxCx
ab
Vst
Vx
abCx
A
A
+
+
=
Vx Vx + Vst
A1
A2
abCx
A =
1
19. Ejercicio 1
• Se desea determinar el manganeso en un acero. Se disolvió una muestra de acero
de 0,4895 g , el manganeso se oxidó a MnO4
-
y la solución se diluyó a 100 ml en
un matraz aforado. La absorbancia a 525 nm en una celda de 1 cm fue 0,396 .
Una solución de MnO4
-
de 3x 10-4 M presenta una absorbancia de 0,672
Cx
b
a
Cst
b
a
Ax
Ast
·
·
·
·
=
Ast = a· b ·Cst 0,672= a·1 ·3x10-4 a = 2240
Ax = a· b· Cx 0,396 = 2240·1·Cx Cx = 1,77 x 10-4M
Otra forma de cálculo:
Cx
4
10
·
3
396
,
0
672
,
0 −
=
20. • Ejercicio 2: Ver en versión internet
• Curva de calibracion con patrones independientes
• Interpolacion de una muestra tratada de la misma
forma que los patrones
• Ejercicio 3 : Ver en versión internet
• Cálculo de concentración mediante adición estándar y
volumen constante
Cálculo del porcentaje de Mn en acero :
ver en versión internet
•Ejercicio 4: Ver en version internet
•Adición de estándar con un punto e incremento de volumen
21. Calcular el porcentaje de Mn en el acero
En el matraz de 100 ml encontramos una concentración 1,77· 10 -4
M de MnO4
-
.
Calculemos los mg de Mn en 100ml
El PA Mn = 54,94; 1,77·10-4 · 54,94 = 9,7· 10-3 g/L Mn
9,7 mg/1000mL Mn
0,97 mg /100 ml Mn
Calculemos los mg de Mn por 100 g de muestra ( porcentaje)
100
4895
,
0
97
,
0 X
mgMn
=
X = 198,2 mg Mn / 100g muestra
% = 0,2 g Mn /100g muestra
X = 0,2 %
En los 100ml se disolvieron 0,4895 g de acero y hay 0,97 mg
de Mn. ¿ Cuantos mg de Mn hay en 100g de acero ?)
22. Ejercicio 2
El hierro forma un complejo con 1,10 fenantrolina el cual
presenta un máximo de absorción a 510 nm.
A partir de una solución patrón de 1000 mg/l de hierro se
preparó una curva de calibración , obteniéndose los siguientes
datos:
conc
( mg/L)
A
2 0.160
4 0.313
6 0.460
8 0.619
muestra 0,203
25,0 ml de una muestra de agua subterránea se
colocaron en un matraz de 50,0 ml después de ser
tratada para formar el complejo coloreado , al igual
que la curva de calibración , fue aforada. La
absorbancia fue de 0,203 .
Calcular la concentración de Fe de la muestra de
agua en mg/L
La ecuación de la recta es : A = 0,007 + 0,0762·Cx
r = 0,9998
Interpolando el valor de A de la muestra :Cx = 2,57 mg/L (conc en el matraz de 50)
Conc. real de la muestra : 2 x 2,57 = 5,14 mg/L ( por la dilución de 25 ml a 50ml )
23. Ejercicio 3
Basado en el ejercicio anterior plantearemos la siguiente metodología :
25,0 ml de una muestra de agua subterránea se colocaron en un matraz de
50,0 ml después de ser tratada para formar el complejo coloreado Fe/1-10
fenantrolina , fue aforada. La absorbancia fue de 0,203 .
En otros matraces iguales fueron colocados 25 ml de la muestra , el reactivo
complejante y respectivamente : 0, 1 ; 0,2 y 0,3 ml de solución patrón de Fe de
una concentración de 1000 mg/L. Calcule la concentración de Fe en la muestra
Estamos aquí frente a un método de adición estándar con volumen final fijo :
0 0.203
0.1 0.363
0.2 0.516
0.3 0.663
DATOS:
24. Vx
Cst
Cx
∗
∗
=
β
α
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
-----------------
A 0,2063
B 1,533
-----------------
R
---------------
0,99982
---------------
Absorbancia
ml de estandar agregado
Cst = 1000 mg/L
Vx = 25 ml
α= 0.2063
β= 1,533
30
.
5
32
.
38
3
.
206
25
*
533
.
1
1000
*
2063
.
0
=
=
=
Cx
A = 0,2063 + 1,533 Vst
Concentración de la muestra = 5,30 mg/L; Ojo : no hay factor de dilución
ya que tanto muestra como Patrones se sometieron a la misma dilución.
25. Ejercicio 4
Una solución ácida de ión cúprico tiene una absorbancia de 0,062 a la
longitud de onda de máxima absorción.
A 5,0 ml de esta solución se le agregó 1,0 ml de solución 0,01 M de ión
cúprico y se determinó que la absorbancia fue de 0,102 a la misma
longitud de onda : ¿ Cual es la concentración de la muestra ?
R: La muestra con un volumen de 5 ml fue enriquecida con patrón aumentando
el volumen a 6 ml ( adición std. con un punto y con incremento de volumen)
Vst
Vx
CstVst
CxVx
b
a
A
Cx
b
a
A
+
+
=
=
·
·
·
·
2
1
CstVst
CxVx
Vst
Vx
Cx
A
A
+
+
=
)
(
2
1
Tarea : verifique el
resultado usando la
formula deducida
anteriormente
M
x
Cx
Cx
Cx
Cx
Cx
3
10
1
,
2
00062
,
0
31
,
0
612
,
0
1
·
01
,
0
5
·
6
·
102
,
0
062
,
0
−
=
+
=
+
=
26. Limitaciones de la ley de Beer
·Solo es aplicable a soluciones diluídas (<10-2M)
(Interacciones entre iones o moléculas afectan la absorción de
radiación, variación del índice de refracción)
•Desviaciones químicas debido a la asociación o
disociación del analito ( se forman productos con características
absorbentes distintas al analito. Ej : indicadores acido base)( desv.
positiva o negativa )
•Desviaciones por radiación policromática y radiación
parásita ( limitaciónes instrumentales ) (desviacion negativa )
Fluorescencia y Turbidez ( disminución de absorbancia por
radiación emitida o aumento de absorbancia por partículas en
suspensión )
27. −
+
+
⇔ In
H
HIn
Cuando un analito se disocia , se asocia o reacciona con el disolvente
para dar un producto con espectro de absorción diferente al del
analito se producen desviaciones de la ley de Beer.
Color 1 Color 2
Ka = 1,34 x 10-5
La siguiente tabla * muestra el desplazamiento del equilibrio motivado
por la dilución ( solucion no tamponada)
HIn, M [HIn]
X 105
[In-]
X 105
%
disociado
A 430 A570
2,00 x 10-5
4,00 x 10-5
8,00 x 10-5
12,00 x 10-5
16,00 x 10-5
0.88
2.22
5.27
8.52
11.9
1.12
1.78
2.73
3.48
4.11
56 %
44.5%
43.1%
29 %
25.7 %
0.236
0.381
0.596
0.771
0.922
0.073
0.175
0.401
0.640
0.887
* Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 407-408
Desviaciones químicas
28. Desviaciones quimicas
A medida que la concentración
aumenta la disociación es
menor dando una curvatura
positiva a 570 nm
Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 407-408
29. Desviaciones instrumentales por radiación policromática
En el espectro (grafico superior) la
absortividad del analito es casi
constante en la banda A.
En la grafica de la ley de Beer, al
usar la banda A hay una relación
lineal.
En el espectro la banda B muestra
cambios notables de la absortividad
resultando en una marcada
desviación de la ley de Beer
Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 409
30. * Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 410
Cuando la medición de
absorbancia se efectúa con
radiación compuesta por
diversas longitudes de onda , la
absorbancia es una combinación
dada por las absortividades
diferentes a cada longitud de
onda .
31. Desviación aparente de la ley de Beer por diversas
cantidades de radiación parásita ( o difusa)
La radiación parásita limita la
absorbancia máxima de
respuesta lineal ya que cuando
la absorbancia es alta la
potencia radiante que llega al
detector se vuelve pequeña,
similar o menor al nivel de luz
parásita.
Radiación parásita o difusa:
Cualquier radiación que llega
al detector pero que no
sigue la vía óptica entre la
fuente y el detector
Skoog, West, Holler, QUIMICA ANALITICA, VI Ed. Pag 411
32. Error instrumental en función de la transmitancia
Se ha visto que la incertidumbre en la medida
espectrofotométrica de la concentración varía en forma
no lineal con la magnitud de la transmitancia
%
100
x
x
x
x
relativo
error
t
t
−
=
El error relativo en la concentración para una medida
espectrofotométrica esta dada por la siguiente expresión :
T
T
T
C
C
log
434
,
0 ∆
=
∆ ∆T = error fotométrico
(incertidumbre absoluta para la
transmitancia)
Por ejemplo 0,005 = 0,5%T
100
x
C
C
∆
33. Ejercicio
Calcular el error relativo en concentración porcentual para
mediciones con absorbacias de ; 0,125 ; 0,434 y 0,900
suponiendo que existe una incertidumbre fotométrica instrumental
de un 1 %
046
,
0
749
,
0
log
749
,
0
01
,
0
·
4343
,
0
−
=
=
∆
C
C
368
,
0
log
368
,
0
01
,
0
·
4343
,
0
=
∆
C
C
0,125 = 74,9 %T
0,434 = 36,8 %T
0,900 = 12,5%T
= 4,6%
125
,
0
log
125
,
0
01
,
0
·
4343
,
0
=
∆
C
C
= -0,027 ; = 2,7%
= -0,038 ; = 3,8%
A
34. Conclusión: se eligirá un rango de concentraciones de trabajo tal que la
transmitancia se mantenga en el rango 20%T – 70%T (0,7A -0,15A)
T
T
T
C
C
log
434
,
0 ∆
=
∆
35. Determinación de mezclas
Se basa en que, a una determinada longitud de onda la absorbancia
observada es igual a la suma de las absorbancias de cada
componente
200 220 240 260 280 300 320
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
AAS 25 ppm
CAF 10 ppm
Mezcla
A
λ/nm
λ1
λ2
36. ATOTAL λ1= aAAS,λ1·b·CAAS + aCAFλ1·b·CCAF
ATOTAL λ2= aAAS,λ2·b·CAAS + aCAFλ2·b·CCAF
Resolver este sistema de ecuaciones simultáneas para las
incógnitas CAAS y CCAF
Para que la exactitud y precisión de los resultados sean buenas es necesario
seleccionar ambas longitudes de onda de forma que aAAS < aCAF a una de las
longitudes de onda y lo inverso a la otra longitud de onda . La precisión
optima se logra cuando la diferencia de absortividades sea lo mas grande
posible . Se deben fijar las condiciones de pH para evitar la presencia de
especies en equilibrio variable.
37. Ejercicio
Se pueden determinar las concentraciones de una mezcla de Fe+3
y Cu +2 formando el complejo con hexacianorutenato (II) ,
Ru(CN)6
-4
, que forma un complejo de color azul- violáceo con el
Fe+3 ( λmax = 550 nm) y un complejo gris pálido con el Cobre
(λmax = 396 nm) Las absortividades molares de los complejos de
metal se resumen en la tabla siguiente:
ε 550 ε 396
Fe +3 9970 84
Cu+2 34 856
Cuando una muestra que contiene
Fe+3 y Cu+2 se analiza en una cubeta
de 1 cm de paso óptico la
absorbancia a 550 nm fue de 0,183 y
la absorbancia a 396 nm fue de
0,109. ¿Cuál es la concentración molar
de Fe +3 y Cu+2 en la muestra ?
38. a 550 nm : 0,183 = 9970 CFe + 34 CCu
a 396 nm : 0,109 = 84 CFe + 856 CCu
Despejamos C Cu en la primera ecuación
34
9970
183
,
0 Fe
Cu
C
C
−
=
y sustituimos en la segunda
Fe
Fe
Fe
C
x
C
C
)·
10
251
(
607
,
4
34
·
9970
183
,
0
856
·
84
109
,
0
5
−
=
−
+
=
Despejando : CFe = 1,80 x 10 -5M
C Cu = 1,26 x 10-4 M
Ref: D:Harvey, Química Analítica Moderna , pag. 281
39. Otras aplicaciones
· Determinación de constantes de equilibrio
( p.ej. La constante de acidez de un indicador acido-
base)
· Caracterización de la estequiometría de un
complejo metal-ligando
( p. ej. ML; ML2, ML3 etc.)
. Titulaciones espectrofotométricas
(usa graficas de absorbancia vs volumen de titulante,
formación de un producto absorbente o decoloración
de un reactivo titulante coloreado)
