Espectrofotometria__Uv___Visible2012 - Alfredo Solari

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Espectrofotometria Uv – Visible: 
 
Aplicaciones en el analisis químico 
Curso: Quimica Analítica II 
2012 
Profesor: Juan Carlos Sturm 
 emisor LED 
525nm 
Muestra 
Fotodiodo 
detector 
Microprocesador Display 
LCD 
¿No faltan algunos componentes en este instrumento? 
¿Fotómetro o espectrofotómetro ? 
Fuentes de radiacion electromagnetica para 
espectroscopia 
Fuente region λ usos 
Lamp. H2 – D2 continua, 160-380 nm absorción molecular UV 
L. Tungsteno, continua 320 -2400 nm absorción molecular visible 
L. Arco de Xe continua 200 – 1000 nm e. molecular fluorescente 
Alambre de nicron continua 0,75 – 20 µm e. absorción IR 
L. Cátodo hueco líneas Uv-Vis. E Absorción atómica 
Laser línea , UV-Vis Abs atómica , molecular, fluoresc. 
L. vapor de Hg líneas fluorescencia molecular 
 diodo línea -vis Abs. Molec vis. 
 
 
 Fuente 
continua 
Fuente 
de 
lineas 
Detector clase rango λ señal 
fototubo foton 200-1000 nm corriente 
Fotomultiplicador foton 110 – 1000nm corriente 
Fotodiodo de Si foton 250 – 1100 nm corriente 
Fotoconductor foton 750 – 6000 nm carga- resistencia 
celda fotovoltaica foton 400- 5000 nm voltaje o corriente 
 termocupla termico 0.8- 40 µm voltaje 
Termistor termico 0.8- 40 µm variacion resistencia 
 
 
 
Transductores para espectroscopia optica 
• Filtros ópticos 
• Prismas 
• Rejillas de difracción 
Monocromador 
Ancho de 
banda : 
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 
 
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 
 
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 ) 
A
bs
or
ba
ci
a 
λ ( nm ) 
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 
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
Ab
so
rb
an
ci
a
Concentración
0 2 4 6 8 10
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
rango lineal 
intercepto
Ab
so
rb
an
ci
a
Concentracion
Pendiente = sensibilidad 
• 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 
Métodos de cuantificación 
• Curva de calibración con estándares externos 
 
• Método de adición estándar: 
- a volumen final constante 
- a volumen variable 
 
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 
Curva de calibración 
Concentracion 
mg/L 
Absorbancia 
0 0,010 
2 0,100 
4 0,200 
6 0,300 
8 0,405 
10 0,500 
12 0,590 
muestra 0,340 
0 2 4 6 8 10 12
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
r = 0,9997
A = 0,0066 +0,0490*CAb
so
rb
an
ci
a 
(A
)
Concentración ( mg/L)Cx = 6,80 mg/L 
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 
TT
T V
VstCstba
V
VxCxbaA ∗∗∗+∗∗∗=
Graficar A vs Vst : 
recta con pendiente β e 
intercepto α 
α β 
• Entonces: A T = α + β Vst 
 
• Dividiendo 
 
 
Despejando 
Cstba
Vt
Vt
VxCxba
∗∗
∗
∗
∗∗=
β
α
Vx
CstCx
∗
∗
=
β
α
TT
T V
VstCstba
V
VxCxbaA ∗∗∗+∗∗∗=
Método de adición de estándar: 
a volumen final variable y una adición 






+
+
=
VstVx
VstCstVxCxabA2
)(
)(
2
1
VstCstVxCxab
VstVxabCx
A
A
+
+
=
Vx Vx + Vst 
A1 A2 
abCxA =1
VstCstVxCx
CxVstCxVx
A
A
+
+
=
2
1
VstCstAVxCxACxVstACxVxA 1122 +=+
VstCstAVxCxACxVstACxVxA 1122 =−+
factorizando [ ] VstCstAVstAVxAACx 1212 )( =+−
VstAVxAA
VstCstACx
212
1
)( +−
=
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 
Cxba
Cstba
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
410·3
396,0
672,0 −
=
• 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 
 
 
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) 
1004895,0
97,0 XmgMn
=
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 ?) 
Ejercicio 2 
El hierro forma un complejo con 1,10 fenantrolina el cual 
presenta un máximo de absorcióna 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 ) 
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: 
Vx
CstCx
∗
∗
=
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
---------------
Ab
so
rb
an
ci
a 
 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. 
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) 
VstVx
CstVstCxVxbaA
CxbaA
+
+
=
=
··
··
2
1
CstVstCxVx
VstVxCx
A
A
+
+
=
)(
2
1
Tarea : verifique el 
resultado usando la 
formula deducida 
anteriormente 
MxCx
CxCx
Cx
Cx
3101,2
00062,031,0612,0
1·01,05·
6·
102,0
062,0
−=
+=
+
=
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 ) 
−+ +⇔ InHHIn
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 
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 
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 
* 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 . 
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 
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 
%100x
x
xxrelativoerror
t
t−=
El error relativo en la concentración para una medida 
espectrofotométrica esta dada por la siguiente expresión : 
TT
T
C
C
log
434,0 ∆
=
∆ ∆T = error fotométrico 
(incertidumbre absoluta para la 
transmitancia) 
Por ejemplo 0,005 = 0,5%T 
100x
C
C∆
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
749,0log749,0
01,0·4343,0
−==
∆
C
C
368,0log368,0
01,0·4343,0
=
∆
C
C
0,125 = 74,9 %T 
0,434 = 36,8 %T 
0,900 = 12,5%T 
 = 4,6% 
125,0log125,0
01,0·4343,0
=
∆
C
C
= -0,027 ; = 2,7% 
= -0,038 ; = 3,8% 
A 
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) 
TT
T
C
C
log
434,0 ∆
=
∆
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 
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. 
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 absortividadesmolares 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 ? 
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
9970183,0 Fe
Cu
CC −=
y sustituimos en la segunda 
Fe
Fe
Fe
Cx
CC
)·10251(607,4
34
·9970183,0856·84109,0
5−=



 −+=
Despejando : CFe = 1,80 x 10 -5M 
 C Cu = 1,26 x 10-4 M 
Ref: D:Harvey, Química Analítica Moderna , pag. 281 
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) 
http://en.wikipedia.org/wiki/Beer%E2%80%93Lambert_law 
	Espectrofotometria Uv – Visible:��Aplicaciones 	 en el analisis químico 
	Slide Number 2
	Slide Number 3
	Slide Number 4
	Slide Number 5
	Características de la espectroscopia molecular
	Aplicaciones 
	Espectros de absorción molecular
	Análisis Cuantitativo, procedimiento: 
	Slide Number 10
	Slide Number 11
	Métodos de cuantificación
	Curva de calibración con estándares externos 
	Curva de calibración
	Método de adición de estándar:�a volumen final constante y varias adiciones
	Slide Number 16
	Método de adición de estándar:�a volumen final variable y una adición
	Slide Number 18
	Ejercicio 1
	Slide Number 20
	Slide Number 21
	Slide Number 22
	Slide Number 23
	Slide Number 24
	Slide Number 25
	Slide Number 26
	Slide Number 27
	Slide Number 28
	Slide Number 29
	Slide Number 30
	Slide Number 31
	Slide Number 32
	Slide Number 33
	Slide Number 34
	Determinación de mezclas
	Slide Number 36
	Slide Number 37
	Slide Number 38
	Otras aplicaciones 
	Slide Number 40
	http://en.wikipedia.org/wiki/Beer%E2%80%93Lambert_law