Baixe Relatorio Espectroscopia atomica e molecular3 e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity!
Introdução
Historicamente o termo espectrocopia referenciava o ramo da ciencia em que a luz (radiação visivel) era decomposta em comprimentos de onda para produzir o espectro, que teve um papel importante no desenvolvimento da teoria atomica moderna. Com a passagem do tempo, o nosso conhecimento em relação a espectroscopia foi aumentando e desenvolvendo esta técnica de analise. Foi introduzido os outros comprimentos de onda, além do visível, como na regiao do raio- X, do infravermelho, do utravioleta, das microondas e das ondas de radio. A espectroscopia molecular é baseada em incidir radiação eletromagnética, com um certo comprimento de onda, em uma amostra e observar sua absorvancia atraves do comprimento de onda que o composto emite quando lhe é incidada radiação e da intesidade da parte a qual ele nao absorveu. A absorvacia é definida como o logaritmo da razão entre a intensidade de radiação incidente I 0 e a intensidade transmitida I 1. A espectroscopia de absorção é voltada para os picos de absorção registrados quando um composto absorve o máximo possível da radiação a ele destinada. Estes picos variam de composto para composto podendo assim ser um ponto na diferenciação de amostras de compostos diferentes. Este tipo de espectroscopia também é usado para determinação da estrutura de um composto, seja ele organico ou inirganico. A absorção de radiação por uma amostra está relacionada com a transição entre niveis de enregia dos elétrons de valencia ou de duplas conjugadas; e segue a teoria da particula na caixa (problema unidimencional), portanto podemos calcular o comprimento de onda absorvido por um certo composto conhecendo sua estrutura eletronica e utilizando as seguintes formulas:
E n = h^2 n 2
8mL 2
E = (hc)/F 06 C
Onde, na Eq. 01, En é a energia do nível, n é o níve de energia, h é a contante de Planck, m é a massa do elétron e L é o comprimento da “caixa”. E na Eq. 02 E é a energia do nível, h é a contante de Planck, c é velocidade da luz eF 0 6 Cé o comprimento de onda. No caso de duplas conjugadas, são os elétronsF 0 7 0que participam da caixa, e por isso temos que adequar nossa equação 01 aos nossos propósitos. Para tanto, sabemos que pelo principio da exclusao de Pauling temos que cada nivel energético suporta dois elétrons; logo, em uma cadeia insturada com N elétrons teremos N/ níveis de energia preenchidos. Estes elétrons ao receber a radiação irao “pular” para o nível seguinte (N/2 + 1) e deste modo absorver a radiação. Com isso nossa equação 01 se torna, tomando a transição de níveis, ou seja, a variação de energia entre um nível e outro:
F 0
4 4 E =^ h^
2 [ (N/2 + 1) 2 – (N/2) 2 ]
8NmL 2
Agora já temos uma equação que relaciona energia e numeros de elétrons na caixa, nos resta colocar na equação o comprimento de onda e o tamanho da caixa. Para introduzirmos o comprimento de onda basta substituirmosF 0 4 4E por hc/F 0 6 C, de acordo
co a equação 02. Já para relacionarmos a Eq. 03 com o comprimento da caixa em termos do tamanho da cadeia insturada temos que o tamanho da caixa é o numero de ligações contidas na cadeia com duplas conjugadas mutiplicado pelo tamanho da ligação, ou seja, L = l.p onde l é o comprimento da ligação e p é o numero de átomos da cadeia insturada. Adequando agora a Eq. 03 temos:
F 0 6 C= 8mcl 2 p^2 h(p+1)
F 0 6 C= 8mcl 2 (p+2) 2 h(p+4)
- A Eq. 04 serve para cadeias carbonicas incluindo também grupos carbonila e oxianions.
- A Eq. 05 serve para cadeias com heteroátomos nas extremidades participando da conjugação.
O objetivo desta prática consiste em estudar a absorção de quatro compostos orgânicos com cadeias insaturadas (vermelho de fenol em solução basica e ácida; a rodamina B; oF 0 6 2-caroteno e o licopeno). Este estudo envolve a medição da absorção dos compostos no espectrômetro e a aplicação do modelo da partícula na caixa unidimensional para explicar estes espectros. Dos composto analizados, o vermelho de fenol é um indicador que fica vermelho em base e amarelo em ácido; a rodamina B é uma substância de cor rosa muito intensa; oF 0 6 2-caroteno é laranja e é o responsável pela cor alaranjada da cenoura e por fim, o licopeno é vermelho e é o responsável pela cor vermelhada do tomate.
Procedimento experimental
• Foi preparada uma solução de 10ml de Rodamina contendo, como solvente,
metanol e 5 gotas de Rodamina concentrada;
• Fez-se a extração dos pigmentos deF 0 6 2-caroteno de uma cenoura e de licopeno
de um tomate, cortando-os em pequenos pequenos pedaços e postos em béqueres com acetona; triturando-os em seguida.
• Em dois béqueres contendo 25ml de água e um com ácido cloridrico e outro
com hidróxido de sódio. Seus pH’s são 2 e 12 respectivamente.
• Foram adicionadas 3 gotas de vermelho de fenol a cada um dos béqueres.
• Foram preparadas tres cubetas: uma com água (branco) e outras duas com as
soluções de ácido e base.
• Mais tres cubetas foram preparadas: uma com acetona (branco) e outras duas
com as soluções de licopeno eF 0 6 2-caroteno.
• Outras duas cubetas continham: uma metanol (branco) e a outra a solução de
Rodamina.
• Mediu-se, entao, a absorbância de cada solução preparada. Os espectros de
absorção foram medidos na região do visível (400 – 700) com intervalo de 10nm;
Gráfico 02: Absorvancia do Vermelho de Fenol em solução ácida.
Gráfico 04: Absovancia da Rodamina B em solução metanóica.
Gráfico 05: Absorvancia doF 0 6 2-caroteno em solução de acetona
Gráfico 06: Absorvancia do licopeno em acetona.
O gráfico e os dados para o vermelho de fenol em solução básica não são mostrados, pois, por falta de tempo não coletamos os dados. Mas o valor teórico de F 0 6 Cmáx para o mesmo foi calculado, de acordo com a equação 05, e teve valor igual à 599,5 nm, pois suas hidroxilas estão desprotonadas por causa do alto pH e portanto p = 10. Já para a soluçaõ ácida o valor foi igual à 469 nm, pois com o pH muito baixo as hidroxilas não são desprotonadas fazendo com que os carbonos a elas ligados nao participem da conjugação reduzindo o valor de “p” para 8. O valor experimental para esta solução ficou em 510 nm, a diferença entre os valores pode ser explicado com relação ao pH, pois, a aferição do mesmo foi feita grosseiramente e de modo não muito preciso, podendo assim ter interferido de modo razoável no resultado do experimento. Na rodamina B, a conjugação é composta por nove átomos de carbono. O cálculo doF 0 6 Cmax é feito pela Eq.04, onde p=9 eF 0 6 Cmax =613,84nm. O valor experimental medido foi de 540nm (cor vermelha na região do visível). O valor experimental confere com o valor teórico, considerando os erros experimentais (mau funcionamento do espectrômetro, marcas na cubeta) e as aproximações teóricas (valor da distância, modelo da partícula na caixa unidimensional). Analisando a estrutura da rodamina B, pode-se refutar sobre quais regiões da molécula apresentam delocalização de elétrons, pois há dois caminhos provaveis de serem seguidos. Sendo assim, a diferença do valor experimental para o valor teórico seria explicada, além dos erros experimentais e de aproximação teórica.
OF 0 6 2-caroteno, possui uma cadeia polimérica de 22 átomos de carbono conjugados. Se oF 0 6 Cmax for calculado usando a Eq.03, onde p=22, o valor deF 0 6 Cmax será de 1387,81nm, o que discorda completamente do valor experimental (F 0 6 C=446nm). Na literatura consta que o b-caroteno tem a absorção máxima em 497nm (cor azul-verde), bem dentro da região do visível. Podemos explicar esta discrepância pelas aproximações:
- O calculo da partícula na caixa foi feito no modelo unidimencional ao invés de usarmos o modelo tridimencional.;
- Foi considerado apenas um elétro percorrendo a conjugação quando sabemos que há vários fazendo este caminho.
- Foi considerado nulo o potencial nas “bordas da caixa”.
O licopeno, também possui uma cadeia polimérica composta por 22 átomos de carbono conjugados. Se oF 0 6 Cmax for calculado usando a Eq.03, onde p=22, o valor de F 0 6 Cmax será o mesmo doF 0 6 2-caroteno, ou seja, de 1387,81nm. Valor este que também difere do valor encontrado na literatura, onde o licopeno tem absorção máxima e muito intensa em 505nm.
Podemos explicar esta diferença pelos mesmos motivos doF 0 6 2- caroteno. Baseado neste dois últimos resultados, conclui-se que a aproximação teórica para moléculas com conjugação longa, nesta prática, é ineficiente e inconclusiva, já que estas possuem absorção máxima com uma diferença de energia muito pequena, tendo, assim, umF 0 6 Cmax muito pequeno. A molécula do licopeno difere da doF 0 6 2-caroteno apenas no fato de que os anéis das extremidades são abertos. Esta diferença da estrutura molecular é suficiente para deslocar a absorção máxima em 20nm. Provavelmente, o fato dos anéis serem abertos nas extremidades do licopeno faz com que crie um potencial eletrostático menor nestes pontos, fazendo com que os elétronsF 0 7 0delocalizados tenham mais liberdade. Esta liberdade, no modelo aqui estudado se traduz em uma caixa mais extensa, sendo assim, em umF 0 6 Cmax maior.
A tabela abaixo mostra os comprimentos de onda, calculados teoricamente e os medidos experimentalmente, no qual a absorção foi máxima.
Composto F 0 6 C max Esperimental (nm) F 0 6 C max Teórico (nm) Vermelho de Fenol (base) ----- 599, Vermelho de Fenol (ácido) 510,00 468, Rodamina B 540,00 613,
F 0 6 2-caroteno 446,00 1387,
Licopeno ---- 1387,
Por esta tabela percebemos que para a o vermelho de fenol ácido, e provavelmente o básico também, e para a rodamina B o modelo estudado é uma boa aproximação, já para oF 0 6 2-caroteno, e provavelmente o licopeno também, não. Conclui- se disto que para moléculas com conjugações extensas, o modelo da partícula na caixa não é eficaz;
Conclusão
Ao final da prática concluimos que para moléculas orgânicas, a espectrocopia, é uma ferramenta importante para explicarmos certos comportamentos da molécula. Mas também vimos que para grandes conjugações não obtemos resultados precisos, com as aproximações feitas nesta prática.
Bibliografia
Skoog, Douglas A. ; West, Donald M. ; Holler, F. James – Fundamentals of Analytical Chemistry. 5th edition.
Mahan, B.M. Química: Um Curso Universitário.
