UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA INGENIERIA EN QUIMICA LABORATORIO ANALISIS INSTRUMENTAL. INFORME N°1: ESPECTROFOTOMETRÍA UV−VISIBLE INTRODUCCION En este laboratorio utilizaremos el método de la espectrofotometría con la cual analizaremos la concentración de analito de una muestra mediante una serie de pasos. Esta serie de pasos son muy importantes para el análisis de analito. Una de las técnicas que vamos a conocer para el previo análisis es la colorimetría (se formara el complejo del hierro (III) con el tiociananto); y el barrido espectral del complejo para la determinación de un max para un posterior calculo de tarnsmitancia de las muestras de concentraciones conocidas y el de una muestra problema con quien trabajaremos para encontrar su concentración. El calculo de concentración desconocida lo haremos a través del método de los mínimos cuadrados. PARTE TEORICA La espectrometría de absorción molecular se basa en la medida de la transmitancia T o de la absorbancia A de disoluciones que se encuentran en cubetas transparentes que tiene un camino óptico de b cm. Normalmente, la concentración C de un analito absorbente esta relacionada linealmente con la absorbancia. Un espectrómetro es empleado para medir la cantidad de luz que una muestra absorve. El instrumento opera por el paso de un haz de luz a través de la muestra y mide la atenuación de su intensidad al alcanzar al detector. Este haz de luz se compone de fotones. Cuando el fotón se encuentra con el analito , existe la posibilidad que el fotón sea absorbido por el analito. Esto significa una disminución en el numero de fotones en el haz de luz, así se reduce la intensidad de la radiación Electromagnética inherente. La absorción lumínica depende de la longitud de onda . Es por eso que la espectrofotometría usa luz monocromática. La luz monocromática es la luz en la cual todos los fotones tienen igual longitud de onda. Para analizar una muestra se debe determinar la absorbancia. El espectro de absorbancia muestra como la absorbancia de luz depende de la longitud de onda de la luz. El espectro es un gráfico de transmitancia versus longitud de onda y es caracterizada por la longitud de onda (max) a la cual la transmitancia se minimiza. Es posible también medir una espectro usando absorvancia, donde la (max) corresponde a la maximización de la absorbancia. Espectrofotometría: Se refiere a la medida de cantidades relativas de luz absorbida por una muestra, en función de la longitud de onda. Las ventajas de la espectrofotometría sobre otros métodos analíticos de laboratorio son varias: es rápida, precisa, versátil, fácil de usar y eficiente en costo. Los espectrofotómetros se han mejorado en precisión y versatilidad en los últimos años con los avances de tecnología, y hoy se consideran indispensables en un laboratorio de química analítica. Transmitancia: es la fracción de radiación incidente transmitida por el medio. Se representa con frecuencia 1

como porcentaje. T = P/P0 Donde P, P0 es la potencia radiante. Absorbancia: la absorbancia A de una medio se define por la ecuación A = −log T = −log (P/P0) = bc La absorbancia de un medio aumenta cuando la atenuación del haz de luz se hace mayor. Ley de Beer: la absorvancia es directamente proporcional al camino óptico b a través del medio y ala concentración c de la especie absorbente. Estas relaciones vienen dadas por: A = abc a: absortividad. Cuando la concentración se expresa en moles por litro y la longitud de la cubeta en centímetros, la absortividad se denomina absortividad molar y se representa por el símbolo . A = bc Curva de calibrado: es la relación grafica entre la señal analítica versus concentración. Barrido espectral: es la variación de la longitud de onda., necesario para la búsqueda de una max donde el analito absorve más luz. Sensibilidad analítica: este parámetro incluye la precisión en la medicion y se define por: = m/ : desviación estándar. Limite de detección: se define como la concentración del analito que da una señal significativamente diferente de la señal del blanco, SAm− SAbl = 3bl. Objetivos. • Aprender el uso de la técnica colorimétrica. • Determinar el espectro de absorbancia de la muestra (max). • Aprender la construcción de una curva de calibración. • Determinar la concentración de una muestra problema a través de uan curva de calibración. Parte experimental. Materiales Reactivos Tubos de ensayo Solución de tiocianato 1M Gradillas de tubos Solución de hierro(III) 5,0 *10−4 2

Espectrofotómetro UV−vis Agua destilada Matraces aforados de 50 mL Ácido clorhídrico concentrado Pipetas volumétricas Cubetas para e espectrofotómetro. Procedimiento experimental. • Se preparó 1L de una solución de Fe+3 de 5.0*10−4 M. • Se preparó 2L de HCl al 1%. • Se preparó 1L de una solución de SCN− de 1M • Curva de Calibración Se tiene que preparar a partir de la solución Fe+3 de 5.0*10−4 M (solucion stock; ss), las siguientes soluciones todas aforadas con HCl 1%. Solución A: 1 mL de ss, aforar a 50mL Solución B: 2 mL de ss, aforar a 50mL Solución C: 5 mL de ss, aforar a 50mL Solucion D: 10 mL de ss, aforar a 50mL Solución E: 15 mL de ss, aforar a 50mL Solución F: 20 mL de ss, aforar a 50mL Para sacar la concentración de cada solución ocupamos la formula: C1V1 = C2V2 C1 = C2V2 V1 Solución A: C = 5*10−4 M x 1 mL C= 1*10−5 M 50 mL Solución B: C = 5*10−4 M x 2 mL C= 2*10−5 M 50 mL Solución C:

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C = 5*10−4 M x 5 mL C= 5*10−5 M 50 mL Solución D: C = 5*10−4 M x 10 mL C= 1*10−4 M 50 mL Solución E: C = 5*10−4 M x 15 mL C= 1.5*10−4 M 50 mL Solución F: C = 5*10−4 M x 20 mL C= 2*10−4 M 50 mL (A cada concentración mediremos el % de transmitancia donde sacaremos la transmitancia, absorbancia y luego lo graficaremos, todos estos detalles se encontraran en las próximas hojas) 2) Barrido de espectro. Se tomaron tres tubos de ensayos: Al 1° tubo se le agregó 5 ml de H2O + 5 ml SCN− Al 2° tubo se le agregó 5 ml de Fe+3 + 5 ml SCN− Al 3° tubo se le agregó 5 ml de H2O+ 5 ml SCN− Luego se le midió el % de Transmitancia a cada tubo con ditintas longitudes de ondas partiendo de 400 nm hasta 600 nm, de 10 en 10 como se ve a continuación: TUBO Nº1: 5 ml de H2O + 5 ml SCN− Transmitancia: T = %Transmitancia 100 Absorbancia. A = −Log T Longitud de onda 400 410 420 430

% Transmitancia 99.600 98.400 99.200 94.800

Transmitancia 0.9960 0.9840 0.9920 0.9480

Absorbancia 0.001741 0.007005 0.003488 0.02319 4

440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600

97.200 96.200 98.200 92.800 95.800 95.000 96.600 97.600 100.000 98.400 98.200 94.600 97.600 99.400 92.400 99.200 100.000

0.9720 0.9620 0.9820 0.9280 0.9580 0.9500 0.9660 0.9760 1.000 0.9840 0.9820 0.9460 0.9760 0.9940 0.9240 0.9920 1.000

0.01233 0.01682 0.007889 0.03245 0.01863 0.02228 0.01502 0.01055 0 0.007005 0.007889 0.02411 0.01055 0.002614 0.03433 0.003488 0

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TUBO Nº2: 5 ml de Fe+3 + 5 ml SCN− Transmitancia: T = %Transmitancia 100 Absorbancia. A = −Log T Longitud de onda 400.00000 410.00000 420.00000 430.00000 440.00000 450.00000

% Transmitancia 53.000 49.800 45.600 41.200 37.600 35.200

Transmitancia 0.5300 0.4980 0.4560 0.4120 0.3760 0.3520

Absorbancia 0.2757 0.3028 0.3410 0.3851 0.4248 0.4535

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460.00000 470.00000 480.00000 490.00000 500.00000 510.00000 520.00000 530.00000 540.00000 550.00000 560.00000 570.00000 580.00000 590.00000 600.00000

33.200 30.600 31.800 33.000 34.200 36.800 40.200 44.200 47.800 52.000 57.600 64.000 67.000 74.800 79.200

0.3320 0.3060 0.3180 0.3300 0.3420 0.3680 0.4020 0.4420 0.4780 0.5200 0.5760 0.6400 0.6700 0.7480 0.7920

0.4789 0.5143 0.4976 0.4815 0.4660 0.4342 0.3958 0.3546 0.3206 0.2840 0.2396 0.1938 0.1739 0.1261 0.1013

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TUBO Nº3: 5 ml de Fe+3 + 5 ml H2o Transmitancia: T = %Transmitancia 100 Absorbancia. A = −Log T Longitud de onda 400.00000 410.00000 420.00000 430.00000 440.00000 450.00000

% Transmitancia 97.000 91.200 97.600 93.000 94.400 96.800

Transmitancia 0.9700 0.9120 0.9760 0.9300 0.9440 0.9680

Absorbancia 0.01323 0.04001 0.01055 0.03152 0.02503 0.01412

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460.00000 470.00000 480.00000 490.00000 500.00000 510.00000 520.00000 530.00000 540.00000 550.00000 560.00000 570.00000 580.00000 590.00000 600.00000

97.600 94.600 95.000 94.400 94.200 94.400 96.000 98.200 96.400 92.200 97.800 96.200 94.600 95.800 99.400

0.9760 0.9460 0.9500 0.9440 0.9420 0.9440 0.9600 0.9820 0.9640 0.9220 0.9780 0.9620 0.9460 0.9580 0.9940

0.01055 0.02411 0.02228 0.02503 0.02595 0.02503 0.01773 0.007889 0.01592 0.03527 0.009661 0.01682 0.02411 0.01863 0.002614

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Ocupamos la longitud de onda igual a 470 nm para medir el % de Transmitancia, en el espectrofotómetro, a distintas concentraciones ya calculadas en el punto 1), como se observa en la tabla y posteriormente lo graficamos. Concentración 0.00001 0.00002 0.00005 0.00010 0.00015 0.00020

% Transmitancia 90.200 80.000 57.600 32.200 17.400 10.400

Transmitancia 0.9020 0.8000 0.5760 0.3220 0.1740 0.1040

Absorbancia 0.04479 0.09691 0.2396 0.4921 0.7595 0.9830

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Medimos la transmitancia de la muestra problema Nº 3, dando un % de Transmitancia igual a 18. Por lo tanto la transmitancia es 0.18 y la absorbancia es 0.745 TABLA DE MINIMOS CUADRADOS Solución (n) 1 2 3 4 5 6 N=6

[ ] (Xi)

A (Yi)

Xi2

Yi2

Xi*Yi

0.00001 0.00002 0.00005 0.00010 0.00015 0.00020 Xi= 0.00053

0.04479 0.09691 0.2396 0.4921 0.7595 0.9830 Yi= 2.6159

1*10−10 4*10−10 2.5*10−9 1*10−8 2.25*10−8 4*10−8 Xi2 = 7.55*10−8

2.006*10−3 9.392*10−3 0.057 0.242 0.577 0.966 Yi2= 1.854

4.479*10−7 1.938*10−6 1.198*10−5 4.921*10−5 1.139*10−4 1.966*10−4 Xi*Yi=

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3.741*10−4 Sensibilidad: Xi*Yi − Xi*Yi =N Xi2− (Xi)2 N 3.741*10−4 − 0.00053*2.6159 =6 7.55*10−8 − (0.00053)2 6 1.43*10−4 = 2.868*10−8 = 4986.05 Y= mX+b b= Y−mX b= Yi − mXi NN b= 2.6159 − 4986.05*0.00053 •6 b= −4.45*10−3 Determinar C si A= 0.745 0.745=4986.05*C −4.45*10−3 C= 1.49*10−4 La concentración del muestra problema Nº 3 es 1.49*10−4 M Coeficiente de correlación (r): entrega el nivel de asociación lineal existente entre estas dos variables

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Xi*Yi − Xi*Yi r=N Xi2− (Xi)2 * Yi2− (Yi)2 NN 1.43*10−4 r= ( 2.868*10−8 * 0.7135 )1/2 r = 0.9996 r es aproximadamente igual a 1, eso significa que existe una asociación lineal perfecta. INTERPOLANDO

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Cuestionario 1) Grafique transmitancia vs longitud de onda y absorbancia vs longitud de onda

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2) Indique la finalidad del barrido de los espectros entre 400 y 600 nm El barrido de espectro entre los 400 y los 600 nm es debido que en ese rango de longitud de onda la luz es visible, su finalidad es encontrar el más adecuado para obtener un margen de error mínimo, es el valor en el cual la transmitancia presenta su punto mas bajo, por ende, en la absorbancia el punto mas alto. • Indique y justifique ¿Qué longitud de onda elegiría en determinaciones cuantitativas posteriores de hierro (III) usando este método? Se eligió la longitud de onda para el Fe+3 de 470 nm porque se obtuvo (experimentalmente). Se obtuvo la longitud mínima en el caso de transmitancia y la longitud máxima en el caso de la absorbancia, como se ve en los gráficos anteriores. 4) Grafique absorción vs concentración

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5) Indique y justifique si se cumple la ley de Beer en los rangos de concentración dados en el práctico. La ley de Beer describe de forma correcta el comportamiento de absorción del medio que tiene esta concentraciones de analito, debido a que son concentraciones relativamente bajas, en este sentido, es una ley limite. Cuando nos encontramos con medio que contienen concentraciones de absorbente bajas, pero concentraciones altas de otras especies (electrolitos), ocurre que se altera la absortividad molar del absorbente por interacciones electrostática, este efecto se reduce mediante dilución. 6) Calcule el coeficiente de absortividad molar . El se calcula con el método de los mínimos cuadrados. La absortividad ya fue calculada anteriormente y su valor es: = 4986.05

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7) Grafique vs concentración

8.− Proponga el procedimiento a seguir para determinar el porcentaje de hierro en una muestra por este método. Primero: debemos encontrar le longitud de onda máxima a través de un barrido de espectro. Segundo: realizar la curva de calibración entre la señal analítica y las concentraciones conocidas de muestras. Tercero: determinar la concentración de la muestra problema (desconocido Fe+3). 9.− indique como podria determinar el % de hierro en una muestra por un metodo visual? Una técnica es la colorimetría que colorea al analito para hacerlo visible

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frente a la luz UV−visible. Con ella podemos determinar la concentración de hierro con la espectrofotometria. Visualmente, un método práctico es la volumetría , con la cual determinamos, con el cambio de color, un cambio de pH y a la vez de concentración. BIBLIOGRAFÍA Principios de Análisis Instrumental, Skoog−Holler−Nieman. Quinta edición. Editorial Mc Graw Hill. Página web: www.frlp.utn.ar/materias/qcasis/mostarcion2.html

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