Espectroscopia UV-Vis de Corantes

Absorvância

Quando a luz interage com uma substância, uma parte da luz é absorvida enquanto o restante é refletido ou transmitido através dela. Substâncias que percebemos como tendo uma cor refletem a luz na faixa visível. A cor da substância que podemos ver depende de qual comprimento de onda da luz é refletido. Uma substância que percebemos como azul reflete a luz na faixa azul (430 – 480 nm) do espectro visível. De acordo com a roda de cores, a mesma substância absorve luz complementar à luz refletida. Assim, a substância azul absorve luz na região laranja (590 – 630 nm) do espectro visível. Nem todos os compostos são absorvidos na região visível e, como resultado, parecem incolores ao olho humano.

A luz é definida por sua energia, E, e seu comprimento de onda, λ. Aqui, h é a constante de Planck e c é a velocidade da luz.

O comprimento de onda da luz é inversamente proporcional à sua energia. Portanto, a luz de energia mais alta tem um comprimento de onda mais curto.

Corantes

Diferentes corantes coloridos variam no comprimento de onda da luz que absorvem. A maioria dos corantes são compostos conjugados com ligações duplas e simples alternadas e normalmente absorvem a luz na região visível.

A parte conjugada da molécula de corante pode ser muito curta, o que significa que há um baixo grau de conjugação e poucas ligações duplas e simples alternadas, ou longa, o que significa que há um alto grau de conjugação com muitas ligações duplas e simples alternadas. Essas ligações duplas alternadas não precisam necessariamente estar apenas entre dois carbonos. Essas ligações conjugadas podem incluir os grupos carbonila e as ligações duplas entre carbono e oxigênio. O grau de conjugação determina o comprimento de onda da luz que o composto absorve. Por exemplo, compostos com alto grau de conjugação absorvem um comprimento de onda mais longo do que compostos com menor grau de conjugação.

Com base na teoria dos orbitais moleculares, os elétrons deslocalizados ocupam orbitais moleculares. O orbital molecular ocupado mais alto, ou HOMO, é o orbital de energia mais alta com um elétron. O orbital molecular desocupado mais baixo, ou LUMO, é o orbital de menor energia sem elétrons. Moléculas com pouca ou nenhuma conjugação normalmente têm uma grande lacuna de energia entre o HOMO e o LUMO. No entanto, as moléculas conjugadas têm uma lacuna de energia menor entre o HOMO e o LUMO.

Para excitar um elétron de um nível de energia mais baixo para um nível de energia mais alto, ou do HOMO para o LUMO, a molécula deve absorver luz com energia igual à lacuna de energia entre os dois orbitais. Por esse motivo, moléculas com uma grande lacuna de energia requerem luz de energia mais alta, como a luz ultravioleta, para excitar um elétron. Os corantes, no entanto, têm uma lacuna de energia menor e requerem luz de menor energia, como a luz visível, para excitar um elétron.

Por esse motivo, moléculas com uma grande lacuna de energia requerem luz de energia mais alta, como a luz ultravioleta, para excitar um elétron. Os corantes, no entanto, têm uma lacuna de energia menor e requerem luz de menor energia, como a luz visível, para excitar um elétron.

Lembre-se de que a energia da luz é inversamente proporcional ao comprimento de onda. Portanto, a luz de energia mais alta tem comprimentos de onda mais curtos do que a luz de energia mais baixa que tem comprimentos de onda mais longos.

espectrofotômetro

Experimentalmente, a absorbância de luz é medida usando um espectrofotômetro UV-Visível (UV-Vis). Este instrumento utiliza uma fonte de luz que é transformada por um monocromador em comprimentos de onda específicos de luz que passarão por uma amostra e por um detector na outra extremidade. As amostras devem estar em um líquido, portanto, um solvente é necessário se o composto orgânico for sólido. Esta solução é mantida em um porta-amostras conhecido como cubeta. Dependendo da amostra, a cubeta pode ser feita de cristal de quartzo, vidro ou plástico e tem um comprimento de caminho específico. Esse comprimento de caminho é a distância que a luz deve percorrer através da amostra. Como o solvente também absorve luz, é necessária uma amostra em branco apenas do solvente. Portanto, quando o instrumento captura o espectro de absorbância do composto da amostra, ele pode subtrair o espectro de fundo do solvente para exibir a absorbância causada apenas pela amostra. A transmitância, T, é a fração da luz original que passa pela amostra.

Aqui, P₀ é a irradiância, ou a energia por segundo por unidade de área, do feixe de luz antes de atingir a amostra. P é a irradiância do feixe de luz que atinge o detector. P é tipicamente menor que P₀, pois parte da luz é absorvida pela amostra.

A absorbância, A, é definida como o log negativo da transmitância.

A absorbância tem uma faixa de valores entre 0 (sem absorção) e 2 (99% de absorção). Quando nenhuma luz é absorvida, P₀ é igual a P e a transmitância é igual a um. Assim, a absorbância é zero. Se 90% da luz for absorvida, então 10% é transmitido e T é igual a 0,1. Isso resulta em uma absorbância igual a 1. Se 99% da luz for absorvida, então 1% é transmitido (T = 0,01) e a absorbância é igual a 2.

O espectro obtido é um gráfico da absorbância versus o comprimento de onda. Para um espectrofotómetro UV-Vis, este intervalo situa-se entre 200 e 800 nm.

Lei Beer-Lambert

A transmitância e a absorbância de um determinado composto estão relacionadas à concentração do composto em solução. Essa relação é descrita pela lei de Beer-Lambert.

A absorbância da amostra é igual ao produto da concentração do composto, do comprimento do caminho e do coeficiente de atenuação molar. Este coeficiente é único para cada composto e varia de acordo com o comprimento de onda. No entanto, se o comprimento de onda for mantido constante, o coeficiente de atenuação molar será o mesmo, independentemente das mudanças na concentração. O comprimento de onda que corresponde à maior absorbância da amostra, conhecido como λ_max, também terá o maior coeficiente de atenuação molar.

Referências

1. Silberberg, M.S. (2012). Química: A Natureza Molecular da Matéria e da Mudança. Boston, MA: Colina McGraw.
2. Harris, D.C. (2015). Análise Química Quantitativa. Nova York, NY: W.H. Freeman and Company.