Lección 4: Aplicación de la espectrometría de absorción Molecular UV-Visible

 

La espectrometría UV-Vis es una técnica eficaz para identificar o asignar una estructura a los compuestos químicos (orgánicos o inorgánicos) y medir sus concentraciones, ya sean en sistemas de uno o más componentes absorbentes. La principal ventaja de esta técnica es que incluso se puede determinar trazas de sustancias de una manera sencilla, que no es posible hacerlo con los métodos clásicos de análisis como son los procedimientos gravimétricos y volumétricos. Además, la espectrometría UV-Vis. En esta lección discutiremos algunas de las aplicaciones cualitativas y cuantitativas de la espectrometría UV-Vis.

 

1.4.1 Análisis cualitativo

Al momento de realizar un análisis cualitativo a un analito, la espectrometría UV-Vis se usa como técnica analítica secundaria en la identificación y la determinación de detalles estructurales. La información obtenida necesita ser completada por otras técnicas de análisis como son espectroscopia de absorción de radiación IR, RMN y espectrometría de masas. Esto es debido a la naturaleza simple y general de los espectros. No obstante, todavía puede proporcionar información acerca de la presencia o ausencia y naturaleza de agentes cromóforos en la molécula.

 

Por ejemplo, la presencia de una o más señales en la región 200-400 nm del espectro es una indicación clara de la presencia de insaturación en la molécula. La identificación de un analito puede lograrse mediante la comparación del espectro de absorción de la sustancia desconocida con gráficos o tablas de los espectros de las sustancias conocidas. En algunos casos, pueden ser reconocidos dos o más analitos.

 

Un espectro UV-visible no permite la identificación inequívoca de una molécula, sin embargo, a veces, el espectro puede ser muy útil para distinguir dos moléculas que tienen un color similar.

 

Por ejemplo, en la Figura 14 se muestran los espectros visibles de dos especies de color púrpura de estructuras muy diferentes. Uno de los espectros pasa a ser de un colorante azoico y el otro es de una solución de permanganato. La diferencia en la forma de cada curva ayuda a la distinción de los compuestos; la curva suave con un solo máximo es para el tinte.

 

 

Figura 14. Espectros UV-VIS de colorante azoico (azul) y permanganato (rojo).

 

Los cambios en los espectros debido a cambios de pH en la solución o el disolvente pueden proporcionar información útil acerca de la naturaleza del analito. El cambio en la polaridad del disolvente altera las energías de los orbitales. Esto conduce a cambios en los máximos de absorción. Al aumentar la polaridad del disolvente, las transiciones n-π* se desplaza a longitudes de onda inferiores, mientras que las transiciones π-π* se desplazan a longitudes de onda mayores. Esto ayuda en la identificación y distinción de dos moléculas estrechamente asociadas.

 

1.4.2 Análisis cuantitativo

La espectrometría UV-VIS es probablemente la herramienta más útil para las determinaciones cuantitativas en diversas áreas. Esto es debido a su versatilidad, precisión y sensibilidad. Se puede utilizar para la determinación directa de un gran número de especies orgánicas, inorgánicas y bioquímicas con precisión en concentraciones bastante bajas; es decir, de 10-4 a 10-5 incluso inferior. Sumado a esto, la conveniencia de realizar una determinación y su razonable selectividad hacen que sea un método de elección para determinaciones cuantitativas.

 

Otra característica importante de esta técnica, es que puede ser utilizado para la determinación cuantitativa de analitos que no absorben en la región UV-VIS.

Esto se logra haciendo reaccionar el compuesto con un reactivo que da un producto que absorbe en la región UV-VIS. Por lo tanto, las mediciones de absorbancia en visible o en la región ultravioleta, se utilizan en diversas áreas. Algunos de los más comunes están relacionados con los siguientes aspectos cuantitativos de la química en disolución.

a. Determinación analítica de metales y no metales.

b. Determinación analítica de compuestos orgánicos.

c. Determinación de las constantes de disociación de ácidos orgánicos y tintes.

d. Determinación de las constantes de formación de metal-ligando.

e. Determinación de la estabilidad cinética de los complejos.

La metodología seguida para las determinaciones cuantitativas tiene ciertos pasos esenciales. Estas son:

 

1.4.2.1 Formación de una especie de absorción.

Hay sólo unos pocos analitos que tienen una fuerte absorción en la región UV o visible y pueden ser sometidos a determinaciones directas. Sin embargo, la mayoría de los analitos tienen que formar una especie absorbente haciéndolos reaccionar con un reactivo adecuado. En cualquier caso, la absorbancia de la solución debe ser estable y no debe cambiar con pequeñas variaciones de pH, temperatura y fuerza iónica de la solución. Además, el reactivo debe ser selectivo hacia el analito y su reacción con el analito debe ser cuantitativa, es decir 100%.

 

1.4.2.2 Selección de la longitud de onda de medición.

En ausencia de sustancias que interfieren, las mediciones se realizan a la longitud de onda máxima (λmax) del pico más grande en el espectro de absorción. En esta longitud de onda la absorbancia es más sensible a la concentración. Además, en muchos casos el pico de absorción se ensancha en un intervalo de longitudes de onda cercanas al máximo (λmax), por lo cual no hay ningún cambio apreciable en el valor de la absorbancia, es decir, la medición no es muy sensible a la longitud de onda. Esto es muy ventajoso porque incluso si el espectrofotómetro no resuelve λmax, la determinación no se ve afectada. Sin embargo, en sistemas donde el reactivo, el metal y todos los productos absorben luz, puede ocurrir que a la λmax no haya mucha diferencia en el valor de la absorbancia del reactivo puro y del complejo metálico. En estos casos tenemos que identificar una longitud de onda en la que existe una gran diferencia en los valores de absorbancia para el reactivo puro y para el complejo.

 

1.4.2.3 Factores que influyen en el control de la absorbancia.

Un número de factores pueden afectar el espectro de absorción del analito. Estos incluyen polaridad del disolvente, pH, temperatura, fuerza iónica y las interferencias de otras especies absorbentes. Es por lo tanto esencial para una fiable determinación cuantitativa, que las condiciones de la medición se elijan de manera que haya un efecto mínimo de estos factores.

 

1.4.2.4 Validación de la ley de Lambert-Beer.

Para calcular la concentración de un analito conocido se mide su absorbancia a una o más longitudes de onda y posteriormente se emplea su coeficiente de absortividad (ε) junto con la ley de Lambert-Beer. Sin embargo, generalmente el valor de ε no se conoce con precisión para las especies que se determinan en las condiciones de la medición.

 

Por lo tanto, en la mayoría de los métodos este parámetro se puede obviar, al construir una función analítica o curva de calibración analítica. Esta última se obtiene graficando la absorbancia medida a una longitud de onda fija, de diferentes soluciones de referencia (también llamadas soluciones estándar o soluciones patrón) del analito en cuestión, contra sus concentraciones conocidas. Si la ley de Lambert-Beer se aplica al graficar la absorbancia vs. la concentración se produce una línea recta que pasa por el origen.

 

A veces, puede ocurrir que todos los constituyentes en la muestra pueden no ser conocidos, de tal modo, que no se puede preparar una solución estándar con la misma composición química. En tal caso, se utiliza un procedimiento llamado método de adición estándar, el cual elimina cualquier error resultante de las absortividades molares (ε), siendo diferentes tanto en la solución estándar como en la solución de muestra. En este método cantidades conocidas del estándar se añaden a alícuotas idénticas de la muestra y se mide la absorbancia.

 

La primera lectura es la absorbancia de la muestra sola y la segunda lectura es la absorbancia de la muestra del analito a la cual se le adicionó una cantidad conocida del mismo analito y así sucesivamente. Las lecturas obtenidas de este modo se trazan para obtener la curva de calibración. Si la ley de Beer se cumple, es decir, se obtiene una línea recta; entonces puede obtenerse la concentración desconocida de la solución, a través de la extrapolación de la curva de calibración.

 

1.4.2.5 Métodos de cuantificación

1.4.2.5.1 Método de adición de estándar interno: Se utiliza en muestras complejas donde los efectos de matriz son importantes. Implica añadir uno o más incrementos de una solución estándar a una alícuota de muestra. El valor del volumen en la intersección de la línea recta con el eje-x es el volumen del reactivo estándar equivalente a la cantidad de analito en la muestra. El método de adición de estándar interno se emplea con mayor frecuencia en los análisis de cuantificación fotométricos y espectrofotométricos. Con el fin de ahorrar tiempo y cantidad de muestra, se puede aplicar el método utilizando solo dos volúmenes de muestra. Para esta situación, se hace una única adición de volumen (mL) del estándar o patrón a una de las dos muestras. Esto se basa de acuerdo con la siguiente ecuación:

                                                                                                                     cx = (A_1 c_s V_s) / ((A_2 - A_1 ) V_x )                                                     Ecuación 1.21

Dónde:

A1 = Es la absorbancia de la muestra sin adición del estándar.

A2 = Es la absorbancia de la muestra con adición del estándar.

cs = Es la concentración del estándar.

cx = Es la concentración de la muestra sin estándar.

Vs = Es el volumen del estándar adicionado.

Vx = Es el volumen de la muestra sin estándar.

 

Ejemplo 1.4

Se pipetean dos alicuotas de 10 mL de una muestra de agua residual en matraces aforados de 50,00 mL. A una se le adicionan exactamente 5,00 mL de una disolución patrón que contiene 12,00 ppm de Cu2+ seguido de un exceso de hidróxido de amonio concentrado para la formación delcomplejo de cobre amoniacal que es de un color azul intenso y ambas se aforan hasta 50,00 mL. Las señales de fotómetro para la disolución sin estándar fue 0,35 ycon estándar 0,63.

a). ¿Qué concentración de Cu2+ hay en la muestra?

Solución:

En este problema, cs= 12,0 ppm, Vx = 10,00 mL y Vs = 5,00 mL y reemplazar en la Ecuación 1.20 :

 

cx = (0,35 x12,0 x5,00) / ((0,63 - 0,35)10,00) =7,50 ppm de Cu2+

La concentración de iones de en la muestra de agua residual es de 7,5 ppm.  

1.4.2.5.2 Curva de calibración externa: Se realiza con estándares que contienen el analito para establecer una relación entre las características físicoquímicas del analito y las señales del instrumento. En un proceso analítico se relaciona la señal y características del analito, de modo que la calibración se realiza al obtener la señal derespuesta como función de la concentración conocida del analito. Serepresentan los datos obtenidos y se obtiene la gráfica de la señalcorregida frente a la concentración del analito.Lo normal es que la gráfica tienda a una línea recta, donde a medidaque aumenta la concentración, la señal de respuesta es mayor(pendiente positiva). En el modelo de curva de calibración lineal, lapendiente vendrá dada por la ecuación matemática:

                                                                                                                                                    y=mx+b                                                                                                                                     Ecuación 1.22

Siendo m la pendiente, x la concentración,y la señal de respuesta y b el intercepto con el eje y.La sensibilidad de calibración es la pendiente de la curva de calibrado.Por tanto, en una curva de calibrado lineal la sensibilidad es siempre lamisma y no va a depender de la concentración, ya que para que se cumpla y = mx + b, las concentraciones deben tener una incertidumbre insignificante.

 

Figura 15. Ejemplo de una gráfica de una curva de calibración externa.

 

Ejemplo 1.5

Tras las diluciones oportunas de una disolución patrón, se obtuvieron disoluciones de hierro cuyas concentraciones se muestran a continuación. Posteriormente se obtuvo el complejo de hierro(II)/1,10-fenantrolina en alicuotas de 25,0 mL de estas disoluciones, a continuación cada una de ellas se diluyó hasta 50,0 mL. Se leyeron las siguientes absorbancias a 510 nm:

Concentraciones de FE(II) en las disoluciones originales, ppm

Absorbancia, A (cubetas de 1,00 cm)

2,00 0,164 5,00 0,425 8,00 0,628

12,00 0,951 16,00 1,260 20,00 1,582

a) Construya una curva de calibrado con los datos anteriores y obtenga la ecuación de la recta en la que relacione la absorbancia con la concentración de Fe(II).

    b) Determinar las concentraciones de unas muestras de aguas superficiales cuyas absorbancias fueron 0,107; 0,721; 1.538.  

Solución:

a). Se construyó la gráfica con los datos consignados en la tabla anterior como se muestra a continuación:

  

Posteriormente de la gráfica se obtuvo la siguiente ecuación:

A=0,0781 [Fe(II)] + 0,0148

Arreglando la ecuación para obtener la concentración de [Fe(II)] de cualquier muestra a partir de su absorbancia medida tenemos:  

[Fe(II)]=12,8041A-0,01895  

b).De acuerdo con la ecuación anterior se halló la concentración de las tres muestras cuyas absorbancias fueron: 0,107; 0,721; 1,538.

[Fe(II)]=12,8041 .(0,107)-0,01895 = 1,35 ppm

 

[Fe(II)]=12,8041 .(0,721)-0,01895 = 9,21 ppm

 

[Fe(II)]=12,8041 .(1,538)-0,01895 = 19,67 ppm