Lei da Cerveja

Absorbância e Fluorescência

Quando a luz atinge uma substância, ela é absorvida, transmitida ou refletida. Normalmente, uma substância interage com uma faixa de comprimentos de onda de luz, cada um interagindo com as moléculas ou átomos de maneira diferente. Uma substância pode absorver uma faixa específica de comprimentos de onda, refletir outra faixa de comprimentos de onda e transmitir os outros comprimentos de onda da luz.

Quando uma molécula absorve luz, a energia é usada de quatro maneiras diferentes: (1) translação, que faz com que a molécula mude sua velocidade molecular; (2) vibração, que faz com que a distância entre as moléculas mude rapidamente; (3) rotação, que faz com que os átomos girem em torno das ligações em uma molécula; e (4) excitação de elétrons, que faz com que os elétrons façam a transição para níveis de energia mais altos.

Níveis de energia

Em 1913, Niels Bohr propôs um modelo para o átomo de hidrogênio no qual os elétrons viajam ao redor do núcleo em órbitas fixas e circulares, chamadas de estados estacionários. A energia associada a cada órbita, ou estado estacionário, existe apenas em energias fixas e discretas. Somente quando um elétron se move para outra órbita é que a energia é absorvida ou emitida. O elétron nunca está entre estados. Essa mudança só ocorre se a energia absorvida ou emitida for igual à diferença entre os dois estados de energia.

No modelo de Bohr, o número quântico n representa a energia do elétron. Quando um elétron ocupa o estado de energia mais baixo possível, diz-se que ocupa o estado fundamental, que é n = 1. Quando um elétron absorve um fóton, cuja energia é igual à diferença entre o primeiro e o segundo estados, o elétron fica excitado e faz a transição do estado fundamental para o estado excitado, onde n = 2. Se a energia do fóton for igual à diferença entre o primeiro e o terceiro estados, o elétron faz a transição para o terceiro estado, ou n = 3, e assim por diante.

Os elétrons podem retornar espontaneamente ao estado fundamental ou a qualquer outro estado excitado inferior. Quando isso acontece, o excesso de energia obtido com a excitação é liberado na forma de um fóton emitido. A energia do fóton é igual à diferença entre os dois estados de energia e corresponde a diferentes comprimentos de onda da luz.

Espectros de Absorção e Emissão

Embora a maioria das substâncias absorva ou emita a quantidade máxima de luz em um comprimento de onda, elas também tendem a absorver ou emitir luz em uma variedade de comprimentos de onda. Essa faixa de comprimentos de onda é chamada de espectro. A energia da luz absorvida é quantificada e visualizada usando um espectro de absorção, enquanto a energia da luz emitida é quantificada e visualizada usando um espectro de emissão.

Os espectros de absorção e emissão são medidos usando um espectrofotômetro, que é um dispositivo que transmite luz através de uma amostra e, em seguida, mede o comprimento de onda e a intensidade da luz que passa por ela. Dentro do espectrofotômetro há uma grade de difração ou um prisma, que separa a luz recebida em seus comprimentos de onda componentes. Os diferentes comprimentos de onda são então transmitidos através da amostra e a intensidade é registrada em um detector de dispositivo de carga acoplada linear (CCD). O CCD é um circuito integrado gravado em uma superfície de silício que forma elementos sensíveis à luz chamados pixels. O CCD coleta e classifica a luz difratada e a lê de volta em um comprimento de onda de absorção.

Ao medir a absorbância de uma amostra, o soluto é geralmente dissolvido em um solvente e colocado em um recipiente conhecido como cubeta. Em seguida, a amostra é colocada dentro do espectrofotômetro e a intensidade da luz transmitida é medida junto com os comprimentos de onda da luz para obter um espectro de absorbância. Como esperado, a intensidade da luz transmitida é menor do que quando não há amostra presente dentro do espectrofotômetro.

Isso ocorre porque a luz transmitida é absorvida pela amostra, pela cubeta e pelo solvente. Antes de medir as amostras, o espectrofotómetro deve ser calibrado com um «branco». Um branco é uma cubeta que contém apenas o solvente usado para dissolver o soluto. O espectrofotômetro é calibrado de modo que a absorbância total devida à cubeta e ao solvente seja subtraída da absorbância medida da amostra. Isso nos permite registrar a absorbância que é atribuída apenas às espécies de interesse.

A absorbância é frequentemente medida em um comprimento de onda, o comprimento de onda máximo de absorbância. No entanto, a absorção também pode ser medida em uma faixa de comprimentos de onda para adquirir o espectro de absorção. Para isso, a amostra é exposta a uma faixa de comprimentos de onda de luz incidente, e a absorção é registrada em cada comprimento de onda. Se a amostra emitir luz, o espectro de emissão é medido de forma semelhante, exceto que o comprimento de onda incidente é fixado no comprimento de onda de absorbância máxima. O instrumento então mede a intensidade da luz emitida em uma faixa de comprimentos de onda.

Lei Beer-Lambert

A absorbância de uma amostra no comprimento de onda de absorbância máxima fornece informações sobre a amostra, ou seja, sua concentração. A Lei de Beer-Lambert é uma equação que relaciona a transmitância com a concentração da amostra. A transmitância, ou intensidade da luz transmitida, é a fração da luz original que passa pela amostra, I, dividida pela intensidade da luz incidente, I₀.

A Lei de Beer-Lambert afirma que a absorbância óptica, A, de uma espécie em solução está relacionada ao log negativo da transmitância.

Uma versão alternativa da Lei de Beer-Lambert afirma que a absorbância óptica, A, de uma espécie em solução é linearmente proporcional à concentração, c, dessa espécie quando o comprimento de onda, λ, e o comprimento do caminho, l, são mantidos constantes.

O coeficiente de atenuação molar, ε, é uma medida de quão fortemente uma espécie absorve luz em um determinado comprimento de onda. Quanto maior o coeficiente de atenuação molar, maior a absorbância. O comprimento do caminho, l, é a distância que a luz percorre através da amostra, que é a largura da cubeta. As cubetas padrão têm um comprimento de caminho de 1 cm.

Essa relação linear entre absorbância e concentração é uma ferramenta poderosa usada para determinar a concentração de uma amostra desconhecida com base em sua absorbância. Para fazer isso, uma curva padrão é gerada usando um gradiente de concentrações conhecidas do soluto. A absorbância no comprimento de onda de absorbância de pico, λ_max, é medida para cada concentração.

Ao plotar concentração versus absorbância, observa-se uma relação linear que corresponde à equação de Beer-Lambert. A inclinação desta linha é igual ao produto do comprimento do caminho e do coeficiente de atenuação molar. Usando esta função linear calculada, se a absorbância da amostra desconhecida for conhecida, a concentração pode ser facilmente determinada.

Se a amostra que está sendo analisada for uma reação em equilíbrio, a Lei de Beer pode ser usada para determinar a concentração de equilíbrio de um produto ou reagente se a absorbância for medida em λ_max específico para esse produto ou reagente. Uma vez que a concentração é conhecida, você pode determinar as concentrações de equilíbrio dos reagentes e produtos restantes e, em seguida, resolver a constante de equilíbrio K_eq.

Referências

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Química e Reatividade Química. Belmont, CA: Brooks / Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). Química: A Natureza Molecular da Matéria e da Mudança. Boston, MA: McGraw Hill, Boston.
3. Harris, D.C. (2015). Análise Química Quantitativa. Nova York, NY: W.H. Freeman and Company.