Espectroscopia UV-Vis de Corantes

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Quando a luz atinge uma substância, uma parte é absorvida por ela, enquanto o resto é refletido ou transmitido através dela. A cor da substância, como a percebemos, depende de quais comprimentos de onda ela provavelmente refletirá. Por exemplo, um pedaço de tecido que vemos como azul contém um corante que reflete fortemente a luz azul e absorve fortemente a luz laranja e vermelha.

Os corantes são tipicamente compostos conjugados, o que significa que eles têm ligações duplas e simples alternadas. Os elétrons podem se mover livremente dentro do sistema conjugado. Corantes de cores diferentes devem variar nos comprimentos de onda da luz que absorvem. Quando olhamos para alguns exemplos, vemos que o comprimento de onda absorvido aumenta com a quantidade de conjugação.

Então, como o comprimento de onda está relacionado ao grau de conjugação? Vamos considerar os níveis de energia molecular. Podemos pensar em elétrons deslocalizados como orbitais moleculares ocupantes, ou MOs. Uma molécula absorve luz com a energia exata necessária para excitar um elétron para um orbital molecular de energia mais alta. A transição mais provável é do orbital molecular ocupado mais alto, chamado HOMO, para o orbital molecular desocupado mais baixo, ou LUMO. Portanto, esperamos que o comprimento de onda mais absorvido corresponda à lacuna de energia HOMO - LUMO.

Moléculas com pouca ou nenhuma conjugação normalmente têm uma grande lacuna HOMO - LUMO. Eles absorvem a luz ultravioleta e refletem toda a luz visível, de modo que parecem brancos ou incolores. As ligações conjugadas estabilizam as moléculas diminuindo seus níveis de energia, principalmente em altas energias. Quanto maior o grau de conjugação, menor a lacuna HOMO - LUMO e maior o comprimento de onda absorvido. Metais e substituições também afetam a lacuna.

Vejamos um exemplo. O retinol tem um pequeno sistema conjugado, enquanto a clorofila a tem um grande sistema com nitrogênio e magnésio. O retinol é absorvido a 325 nm, enquanto a clorofila a é absorvida a 430 e 662 nm. Como esperado, a lacuna de energia do retinol é maior.

Podemos estudar a absorção usando um espectrofotômetro UV e luz visível, ou UV-Vis. Um espectrofotômetro consiste em uma fonte de luz, uma maneira de controlar os comprimentos de onda que a amostra recebe e um detector de luz. A amostra é normalmente uma solução transparente. A absorbância pode ser medida em um comprimento de onda específico ou em uma faixa de comprimento de onda, uma vez que os compostos geralmente absorvem em mais de um comprimento de onda. Além disso, vemos uma faixa de comprimentos de onda para cada transição porque as moléculas estão em diferentes orientações e estados vibracionais.

Durante a medição, a luz é absorvida, passa sem entrar em contato com nenhuma molécula ou reflete em um solvente ou molécula composta. Ignoramos a pequena quantidade de luz que reflete para trás. Às vezes, a luz que poderia ser absorvida por uma molécula é refletida nela. Descrevemos o quão bem uma substância transmite um comprimento de onda específico com um coeficiente de atenuação molar único. Enquanto a absorbância muda com a concentração, o coeficiente de atenuação molar não.

Após a medição, o espectrofotômetro compara a luz recebida e a original em uma proporção chamada transmitância. A absorbância é o logaritmo negativo de base 10 da transmitância. Se o espectrofotômetro tiver a absorbância do solvente, ele a subtrai para mostrar apenas o composto. Os resultados são geralmente exibidos como absorbância versus comprimento de onda. O comprimento de onda no qual o composto absorve mais é chamado de lambda max. Se calculássemos o coeficiente de atenuação molar para cada comprimento de onda, seria mais alto em lambda max.

O coeficiente de atenuação molar, a absorbância, a concentração da amostra e o comprimento do caminho, que é a distância que a luz percorreu através da amostra, estão relacionados pela lei de Beer-Lambert. Se conhecermos quaisquer três variáveis, podemos calcular a quarta.

Neste laboratório, você analisará as características de absorção de fluoresceína, betacaroteno e corante índigo usando um espectrofotômetro UV-Vis. Em seguida, você usará a lei de Beer-Lambert para criar uma curva de calibração de β-caroteno e, em seguida, determinar a concentração da solução de β-caroteno.

Overview

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$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

$Equação de energia \(E = \frac{hc}{\lambda}\), fórmula, comprimento de onda, cálculo da energia do fóton$

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.

Equação de lacuna de energia ΔE(HOMO-LUMO) = hc/λ; espectroscopia molecular, química quântica.

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.

Fórmula da equação de transmitância T=P/P₀, chave na análise espectroscópica e estudos ópticos.

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.

Fórmula de absorbância: A = log (P ₀ / P) = -logT; princípios ópticos em análise de espectroscopia.

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.

Equação da lei de Beer-Lambert; A = εcl; diagrama para absorção em espectroscopia; estudo óptico.

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

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

Procedure

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$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Quando a luz atinge uma substância, uma parte é absorvida por ela, enquanto o resto é refletido ou transmitido através dela. A cor da substância, como a percebemos, depende de quais comprimentos de onda ela provavelmente refletirá. Por exemplo, um pedaço de tecido que vemos como azul contém um corante que reflete fortemente a luz azul e absorve fortemente a luz laranja e vermelha.

Os corantes são tipicamente compostos conjugados, o que significa que eles têm ligações duplas e simples alternadas. Os elétrons podem se mover livremente dentro do sistema conjugado. Corantes de cores diferentes devem variar nos comprimentos de onda da luz que absorvem. Quando olhamos para alguns exemplos, vemos que o comprimento de onda absorvido aumenta com a quantidade de conjugação.

Então, como o comprimento de onda está relacionado ao grau de conjugação? Vamos considerar os níveis de energia molecular. Podemos pensar em elétrons deslocalizados como orbitais moleculares ocupantes, ou MOs. Uma molécula absorve luz com a energia exata necessária para excitar um elétron para um orbital molecular de energia mais alta. A transição mais provável é do orbital molecular ocupado mais alto, chamado HOMO, para o orbital molecular desocupado mais baixo, ou LUMO. Portanto, esperamos que o comprimento de onda mais absorvido corresponda à lacuna de energia HOMO - LUMO.

Moléculas com pouca ou nenhuma conjugação normalmente têm uma grande lacuna HOMO - LUMO. Eles absorvem a luz ultravioleta e refletem toda a luz visível, de modo que parecem brancos ou incolores. As ligações conjugadas estabilizam as moléculas diminuindo seus níveis de energia, principalmente em altas energias. Quanto maior o grau de conjugação, menor a lacuna HOMO - LUMO e maior o comprimento de onda absorvido. Metais e substituições também afetam a lacuna.

Vejamos um exemplo. O retinol tem um pequeno sistema conjugado, enquanto a clorofila a tem um grande sistema com nitrogênio e magnésio. O retinol é absorvido a 325 nm, enquanto a clorofila a é absorvida a 430 e 662 nm. Como esperado, a lacuna de energia do retinol é maior.

Podemos estudar a absorção usando um espectrofotômetro UV e luz visível, ou UV-Vis. Um espectrofotômetro consiste em uma fonte de luz, uma maneira de controlar os comprimentos de onda que a amostra recebe e um detector de luz. A amostra é normalmente uma solução transparente. A absorbância pode ser medida em um comprimento de onda específico ou em uma faixa de comprimento de onda, uma vez que os compostos geralmente absorvem em mais de um comprimento de onda. Além disso, vemos uma faixa de comprimentos de onda para cada transição porque as moléculas estão em diferentes orientações e estados vibracionais.

Durante a medição, a luz é absorvida, passa sem entrar em contato com nenhuma molécula ou reflete em um solvente ou molécula composta. Ignoramos a pequena quantidade de luz que reflete para trás. Às vezes, a luz que poderia ser absorvida por uma molécula é refletida nela. Descrevemos o quão bem uma substância transmite um comprimento de onda específico com um coeficiente de atenuação molar único. Enquanto a absorbância muda com a concentração, o coeficiente de atenuação molar não.

Após a medição, o espectrofotômetro compara a luz recebida e a original em uma proporção chamada transmitância. A absorbância é o logaritmo negativo de base 10 da transmitância. Se o espectrofotômetro tiver a absorbância do solvente, ele a subtrai para mostrar apenas o composto. Os resultados são geralmente exibidos como absorbância versus comprimento de onda. O comprimento de onda no qual o composto absorve mais é chamado de lambda max. Se calculássemos o coeficiente de atenuação molar para cada comprimento de onda, seria mais alto em lambda max.

O coeficiente de atenuação molar, a absorbância, a concentração da amostra e o comprimento do caminho, que é a distância que a luz percorreu através da amostra, estão relacionados pela lei de Beer-Lambert. Se conhecermos quaisquer três variáveis, podemos calcular a quarta.

Neste laboratório, você analisará as características de absorção de fluoresceína, betacaroteno e corante índigo usando um espectrofotômetro UV-Vis. Em seguida, você usará a lei de Beer-Lambert para criar uma curva de calibração de β-caroteno e, em seguida, determinar a concentração da solução de β-caroteno.

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Quando a luz atinge uma substância, uma parte é absorvida por ela, enquanto o resto é refletido ou transmitido através dela. A cor da substância, como a percebemos, depende de quais comprimentos de onda ela provavelmente refletirá. Por exemplo, um pedaço de tecido que vemos como azul contém um corante que reflete fortemente a luz azul e absorve fortemente a luz laranja e vermelha.

Os corantes são tipicamente compostos conjugados, o que significa que eles têm ligações duplas e simples alternadas. Os elétrons podem se mover livremente dentro do sistema conjugado. Corantes de cores diferentes devem variar nos comprimentos de onda da luz que absorvem. Quando olhamos para alguns exemplos, vemos que o comprimento de onda absorvido aumenta com a quantidade de conjugação.

Então, como o comprimento de onda está relacionado ao grau de conjugação? Vamos considerar os níveis de energia molecular. Podemos pensar em elétrons deslocalizados como orbitais moleculares ocupantes, ou MOs. Uma molécula absorve luz com a energia exata necessária para excitar um elétron para um orbital molecular de energia mais alta. A transição mais provável é do orbital molecular ocupado mais alto, chamado HOMO, para o orbital molecular desocupado mais baixo, ou LUMO. Portanto, esperamos que o comprimento de onda mais absorvido corresponda à lacuna de energia HOMO - LUMO.

Moléculas com pouca ou nenhuma conjugação normalmente têm uma grande lacuna HOMO - LUMO. Eles absorvem a luz ultravioleta e refletem toda a luz visível, de modo que parecem brancos ou incolores. As ligações conjugadas estabilizam as moléculas diminuindo seus níveis de energia, principalmente em altas energias. Quanto maior o grau de conjugação, menor a lacuna HOMO - LUMO e maior o comprimento de onda absorvido. Metais e substituições também afetam a lacuna.

Vejamos um exemplo. O retinol tem um pequeno sistema conjugado, enquanto a clorofila a tem um grande sistema com nitrogênio e magnésio. O retinol é absorvido a 325 nm, enquanto a clorofila a é absorvida a 430 e 662 nm. Como esperado, a lacuna de energia do retinol é maior.

Podemos estudar a absorção usando um espectrofotômetro UV e luz visível, ou UV-Vis. Um espectrofotômetro consiste em uma fonte de luz, uma maneira de controlar os comprimentos de onda que a amostra recebe e um detector de luz. A amostra é normalmente uma solução transparente. A absorbância pode ser medida em um comprimento de onda específico ou em uma faixa de comprimento de onda, uma vez que os compostos geralmente absorvem em mais de um comprimento de onda. Além disso, vemos uma faixa de comprimentos de onda para cada transição porque as moléculas estão em diferentes orientações e estados vibracionais.

Durante a medição, a luz é absorvida, passa sem entrar em contato com nenhuma molécula ou reflete em um solvente ou molécula composta. Ignoramos a pequena quantidade de luz que reflete para trás. Às vezes, a luz que poderia ser absorvida por uma molécula é refletida nela. Descrevemos o quão bem uma substância transmite um comprimento de onda específico com um coeficiente de atenuação molar único. Enquanto a absorbância muda com a concentração, o coeficiente de atenuação molar não.

Após a medição, o espectrofotômetro compara a luz recebida e a original em uma proporção chamada transmitância. A absorbância é o logaritmo negativo de base 10 da transmitância. Se o espectrofotômetro tiver a absorbância do solvente, ele a subtrai para mostrar apenas o composto. Os resultados são geralmente exibidos como absorbância versus comprimento de onda. O comprimento de onda no qual o composto absorve mais é chamado de lambda max. Se calculássemos o coeficiente de atenuação molar para cada comprimento de onda, seria mais alto em lambda max.

O coeficiente de atenuação molar, a absorbância, a concentração da amostra e o comprimento do caminho, que é a distância que a luz percorreu através da amostra, estão relacionados pela lei de Beer-Lambert. Se conhecermos quaisquer três variáveis, podemos calcular a quarta.

Neste laboratório, você analisará as características de absorção de fluoresceína, betacaroteno e corante índigo usando um espectrofotômetro UV-Vis. Em seguida, você usará a lei de Beer-Lambert para criar uma curva de calibração de β-caroteno e, em seguida, determinar a concentração da solução de β-caroteno.

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