Introdução Aos Métodos Espectroquímicos

1 INTRODUÇÃO AOS MÉTODOS ESPECTROQUÍMICOS

As medidas baseadas na luz ou outras formas de radiação eletromagnética são amplamente empregadas em química analítica. As interações da radiação com a matéria são o objeto de estudo da ciência da espectroscopia. Os métodos espectroscópicos são baseados na medida e interpretação da quantidade de radiação produzida ou absorvida pelas moléculas, íons ou espécie de interesse.

São classificados de acordo com a região do espectro eletromagnético usada, raios ƴ, os raios X, ultravioleta (UV), visível (Vis), infravermelha (IV), microondas e radio frequência (RF). Os métodos espectroscópicos ópticos envolvem a radiação UV, visível ou infravermelha.

1.1 PROPRIEDADES DA RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

A radiação eletromagnética é uma forma de energia que é transmitida através do espaço a velocidades enormes. Denominamos a radiação eletromagnética nas regiões do UV/visível e algumas vezes no infravermelho (IV) luz, embora estritamente falando, o termo deveria se referir somente à radiação visível. A radiação eletromagnética pode ser descrita como uma onda com propriedades como comprimento de onda, frequência, velocidade e amplitude.

1.1.1 Propriedades das ondas

A radiação eletromagnética é uma oscilação, em fase, dos campos elétricos e magnéticos. Na Figura 1a as oscilações são perpendiculares entre si e são perpendiculares à direção do movimento da onda.

O campo elétrico para uma dada frequência oscila de forma senoidal no espaço e no tempo. Este é representado como um vetor cujo comprimento é proporcional à intensidade do campo. Na Figura 1 b, a amplitude da onda senoidal é apresentada, e o comprimento de onda é definido.

(a) (b

1.1.2 Características das Ondas

A frequência da onda de luz é determinada pela fonte que a emite e permanece constante independente do meio que esta atravessa. Em contraste a velocidade da frente de onda que atravessa depende de ambos os meios e a frequência.

A multiplicação da frequência pelo comprimento de onda fornece a velocidade da onda, em distância por unidade de tempo (cm s_1 ou m s_1). Observe que ambos, a velocidade e o comprimento de onda, dependem do meio.

1.1.3 Velocidade da Luz

No vácuo, a luz move-se com sua velocidade máxima. Em um meio contendo matéria, a luz se move com velocidades menores.

Uma vez que a frequência da radiação é constante, o comprimento de onda deve diminuir quando a luz passa do vácuo para um meio contendo matéria. Assim para o vácuo ou para o ar a equação abaixo fornece convenientemente a velocidade da luz.

v = f.λ (Para o ar ou para o vácuo)

1.1.4 Intensidade e Potência Radiantes

A intensidade é a potência radiante por unidade de ângulo sólido. Ambas as quantidades são proporcionais ao quadrado da amplitude do campo elétrico (ver Figura 1b).

1.2 A NATUREZA DE PARTICULAS DA LUZ: FÓTONS

Observe que o número de onda e a freqüência, em contraste com o comprimento de onda, são diretamente proporcionais à energia do fóton. O comprimento de onda é inversamente proporcional à energia. A potência radiante de um feixe de radiação é diretamente proporcional ao número de fótons por segundo.

2 INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA

Os tipos de interação mais importantes em espectroscopia envolvem transições entre diferentes níveis energéticos quantizados das espécies químicas. Os tipos específicos de interações que observamos dependem fortemente da energia da radiação empregada e o modo de detecção. Os tipos de radiação como os raios ƴ ou ondas de rádio diferem da luz visível somente com relação à energia (frequência) dos seus fótons.

2.1 O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO

O espectro eletromagnético cobre uma faixa enorme de energias (freqüências) e, portanto, de comprimentos de onda. As frequências úteis variam de 1019 Hz (raios g) a 103 Hz (ondas de rádio). As divisões principais do espectro são mostradas em cores, e os tipos de radiação como os raios ƴ ou ondas de rádio diferem da luz visível somente com relação à energia (frequência) dos seus fótons.

2.2 MEDIDAS ESPECTROSCÓPICAS

Muitos elementos químicos foram descobertos por meio da espectroscopia. Obtemos informações sobre o analito medindo-se a radiação eletromagnética emitida quando este retorna ao estado fundamental ou a quantidade de radiação eletromagnética absorvida decorrente da excitação. Os resultados dessas medidas são frequentemente expressos por meio do espectro, que se refere a um gráfico da radiação emitida em função da frequência ou do comprimento de onda.

A amostra é geralmente estimulada aplicando se energia na forma de calor, energia elétrica, luz ou partículas. A intensidade da radiação absorvida ou emitida é (sob certas condições) proporcional a concentração do analito na amostra. Na espectroscopia de emissão, medimos a quantidade de luz (fótons) que é emitida após a excitação do analito. Processos de emissão ou de quimiluminescência. Em (a), a amostra é excitada pela aplicação de energia térmica, elétrica ou química. Esses processos não envolvem energia radiante, e portanto, são chamados de processos não radioativos. No diagrama de níveis energéticos (b), as linhas pontilhadas com setas apontadas para cima simbolizam estes processos de excitação não radioativos, enquanto as linhas sólidas com seta apontadas para baixo indicam que o analito perde sua energia pela emissão de um fóton. Em (c), o espectro resultante é mostrado como uma medida da potência radiante emitida PE em função do comprimento de onda.

Na espectroscopia de absorção, medimos a quantidade de luz absorvida em função de um comprimento de onda.

3 ABSORÇÃO DA RADIAÇÃO

Cada espécie é capaz de absorver suas próprias frequências, esse processo transfere energia para a molécula e resulta em um decréscimo da intensidade da radiação.

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