Practica 1 espectroscopia molecular y atómica, espectrofotometro UV VIS PDF

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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA EINDUSTRIAS EXTRACTIVASINGENIERÍA QUIMICA INDUSTRIALACADEMIA DE QUÍMICA ANALÍTICAASIGNATURA OPTATIVA IIESPECTROSCOPÍA MOLECULAR Y ATÓMICALABORATORIO DE ANÁLISIS INSTRUMENTALREPORTE PRÁCTICA 1“RUTINAS DE DIAGNÓSTICO”ALUMNOS:MARTÍNEZ SULVARAN IAN DANIELMEJÍA PARE...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

INGENIERÍA QUIMICA INDUSTRIAL ACADEMIA DE QUÍMICA ANALÍTICA ASIGNATURA OPTATIVA II ESPECTROSCOPÍA MOLECULAR Y ATÓMICA LABORATORIO DE ANÁLISIS INSTRUMENTAL REPORTE PRÁCTICA 1

“RUTINAS DE DIAGNÓSTICO” ALUMNOS: MARTÍNEZ SULVARAN IAN DANIEL MEJÍA PAREDES DAVID ALEJANDRO GRUPO: 3IV67 EQUIPO: 4 PROFESORA: KARLA JENNY LOZANO ROJAS FECHA DE ENTREGA: 05 DE MARZO DE 2021

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS ÍNDICE 1.1

OBJETIVOS ....................................................................................................................... 4

1.2

CONSIDERACIONES TEÓRICAS ................................................................................... 4

1.2.1

Material de referencia y patrón de referencia. ............................................................. 4

1.2.2

Material de referencia en la práctica ........................................................................... 5

1.2.2.1

Filtro de óxido de holmio ........................................................................................ 5

1.2.2.2

Vapor de benceno .................................................................................................... 5

1.2.3 1.2.3.1 1.2.4

Patrones en la práctica ................................................................................................. 6 Soluciones de Dicromato de Potasio (K2Cr2O7) ...................................................... 6 Rutina de diagnóstico para UV-Vis............................................................................. 6

1.2.4.1

Calibración .............................................................................................................. 6

1.2.4.2

Exactitud de longitud de onda (espectral). .............................................................. 6

1.2.4.3

Exactitud fotométrica. ............................................................................................. 7

1.2.4.4

Linealidad fotométrica. ........................................................................................... 7

1.2.5

Espectro de UV-Vis del Filtro de óxido de Holmio, de Benceno y de K2Cr2O7 ......... 8

1.3

CUESTIONARIO 1 .......................................................................................................... 10

1.4

PREPARACIÓN DE SOLUCIONES ............................................................................... 16

1.5 MANUAL DE ENCENDIDO Y OPERACIÓN DEL ESPECTROFOTÓMETRO UVVIS LAMBDA 2-S ....................................................................................................................... 18 1.5.1 1.6

PARTES DE UN ESPECTROFOTÓMETRO UV VIS ........................................... 20

DESARROLLO EXPERIMENTAL ................................................................................. 21

1.6.1 Procedimiento experimental para el estudio de exactitud fotométrica con el filtro de óxido de holmio......................................................................................................................... 21 1.6.2 Procedimiento experimental para el estudio de exactitud fotométrica con vapor de benceno…………….................................................................................................................. 22 1.6.3 c) Procedimiento experimental para el estudio de linealidad fotométrica con estándares de dicromato de potasio ........................................................................................... 23 1.7

CÁLCULOS Y RESULTADOS ....................................................................................... 24

1.7.1

Resultados y análisis para el filtro de óxido de holmio ............................................. 24

1.7.2

Resultados y análisis para el vapor de benceno......................................................... 26

1.7.3

Estudio de linealidad fotométrica del espectrofotómetro UV VIS lambda 2s .......... 28

1.8

OBSERVACIONES .......................................................................................................... 33

1.9

CONCLUSIONES ............................................................................................................ 34 EQUIPO 4, GRUPO 3IV67. ESPECTROSCOPIA MOLECULAR Y ATOMICA

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1.10

REFERENCIAS ................................................................................................................ 35

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Comparación de datos teóricos y experimentales del filtro de óxido de Holmio .............. 24 Tabla 1.2 Comparación de datos teóricos y experimentales del vapor de benceno .......................... 26 Tabla 1.3 Linealidad fotométrica para los 3 estándares de dicromato de potasio ............................. 28 Tabla 1.4 Datos y cálculos para regresión lineal y coeficiente de determinación de la primera curva de calibración .................................................................................................................................... 29 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Espectro de absorción UV-Vis del filtro del óxido de Holmio (Martínez & Pérez, 2009) 8 Figura 1.2 Espectro de absorción UV-Vis del benceno en ciclohexano con λmax = 254.75 nm (PhotochemCAD, 2004-2018) ............................................................................................................ 8 Figura 1.3 Espectro de absorción UV-Vis del dicromato de potasio en ácido perclórico 0.001 M con λmax = 350 nm (Burke & Mavrodineanu, 1976) ................................................................................ 9 Figura 1.4 Espectro de absorción UV-Vis de la cafeína en cloroformo............................................ 11 Figura 1.5 Espectro de absorción UV-Vis de la anilina en ciclohexano ........................................... 12 Figura 1.6 Espectro de absorción UV-Vis del Naranja II en PBS..................................................... 12 Figura 1.7 Espectro de absorción UV-Vis de la fenolftaleína en solución con NaOH 0.1N ............ 13 Figura 1.8 Espectrofotómetro UV Vis Marca Perkin Elmer modelo Lambda 2S ............................. 20 Figura 1.9 Espectro de absorción UV-Vis experimental del filtro de óxido de Holmio (b=1cm) .... 24 Figura 1.10 Espectro de absorción UV-Vis experimental del vapor de benceno (b=1cm) ............... 26 Figura 1.11 Espectro de absorción UV-Vis de estándares de dicromato de potasio (b=1cm) a λmax=350nm ....................................................................................................................................... 28 Figura 1.12 Curva de calibración para los 3 estándares de K2Cr2O7 ................................................. 29 Figura 1.13 Curva de calibración para los 3 estándares de K2Cr2O7 y concentración igual a cero. .. 31

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PRÁCTICA No.1 “Rutinas de Diagnóstico”

1.1 OBJETIVOS Conocer las partes principales el manejo de un espectrofotómetro UV-Visible y verificar las condiciones actuales del equipo.

1.2 CONSIDERACIONES TEÓRICAS 1.2.1 Material de referencia y patrón de referencia. Los materiales de referencia son definidos por la Guía ISO 30 como “Material en el cual uno o más valores de sus propiedades son suficientemente homogéneos y bien definidos, Para ser utilizadas para la calibración de aparatos, la evaluación de un método de medición o para asignar valores a los materiales.” (ISO 30, 1992) De acuerdo con el Vocabulario Internacional de Metrología (VIM 2008), hay dos conceptos importantes para los materiales de referencia: Material de Referencia: Material suficientemente homogéneo y estable con respecto a propiedades especificadas, establecido como apto para su uso previsto en una medición o en un examen de propiedades cualitativas. Material de Referencia Certificado: Material de referencia acompañado por la documentación emitida por un organismo autorizado, que proporciona uno o varios valores de propiedades especificadas, con incertidumbres y trazabilidades asociadas, empleando procedimientos válidos. Los materiales de referencia certificados se utilizan para: • Calibrar y/o verificar patrones y equipos de medición, • Validar métodos analíticos, • Comprobar la exactitud de los resultados, • Comprobar el desempeño de un laboratorio o un analista, • Asignar valores e incertidumbres de medición de magnitudes del mismo tipo, a otros materiales. (CENAM, 2021) Patrón: medida materializada, instrumento de medida, material de referencia o sistema de medida destinado a definir, realizar, conservar o reproducir una unidad o uno o varios valores de una magnitud para que sirvan de referencia. Tipos de patrones: Patrón primario: patrón que es designado o ampliamente reconocido como poseedor de las más altas cualidades metrológicas y cuyo valor se acepta sin referirse a otros patrones de la misma magnitud. EQUIPO 4, GRUPO 3IV67. ESPECTROSCOPIA MOLECULAR Y ATOMICA

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Patrón secundario: patrón cuyo valor se establece por comparación con un patrón primario de la misma magnitud. La mayor parte de los materiales de referencia certificados se encuentran dentro de esta categoría puesto que la certificación de los valores de la propiedad está usualmente realizada por un procedimiento que es trazable a patrones primarios. Patrón de referencia: patrón, en general de la más alta calidad metrológica disponible en un lugar o en una organización determinada, del cual se derivan las mediciones realizadas en dicho lugar. (Martí, 2008)

1.2.2 Material de referencia en la práctica 1.2.2.1

Filtro de óxido de holmio

Este filtro ha sido ampliamente utilizado para la calibración y verificación de la escala de longitud de onda de los espectrofotómetros UV-Vis. En general, para un ancho de banda espectral de 1 nm el óxido de holmio presenta entre 14 y 16 bandas de absorción en el intervalo de 240 nm a 640 nm, dependiendo de su presentación. El filtro se coloca en un soporte anodizado cuadrado de 1 cm y viene junto a un soporte plástico protector que cubre al filtro cuando no está en uso. Comercialmente, este patrón de medición se puede conseguir como solución en ácido perclórico o como una película de óxido de holmio sobre vidrio. Es importante mencionar que, dependiendo de la presentación, las bandas de absorción varían. El Holmio es un elemento químico, símbolo Ho, número atómico 67, peso atómico 164.930; es un elemento metálico colocado en el grupo de las tierras raras que tiene un color blanco plateado y es maleable. Reacciona con el oxígeno para formar óxido de Holmio. Las soluciones de óxido de Holmio se preparan diluyendo este compuesto en ácido perclórico. Esta solución tiene bandas de absorción perfectamente definidas, y se ha encontrado que este material tiene una estabilidad de hasta treinta años El Instituto de Estándares y Tecnología (N.I.S.T.) usa una solución de óxido de Holmio dentro de celdas de silicio como material estándar de referencia (SRM 2034). (HANNA, 2020) 1.2.2.2

Vapor de benceno

El espectro de absorción del benceno consta de tres bandas a 184, 204 y 256 nm, que suelen denominarse α, p y β. Las bandas α, p también se conocen como primarias y la β banda secundaria. La banda secundaria es amplia debido a su estructura vibracional y es la banda de estudio en esta práctica.

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1.2.3 Patrones en la práctica 1.2.3.1

Soluciones de Dicromato de Potasio (K2Cr2O7)

El Dicromato de Potasio se emplea para medir la exactitud de la longitud de onda (350 nm) así como la capacidad de respuesta de los espectrofotómetros (linealidad). Se prepara una solución madre de dicromato de potasio con una pureza mínima de 99,95% y a partir de esta se preparan una serie de soluciones patrón de dicromato de potasio de diferente concentración, requeridas para los controles, a partir de la solución madre aforada a un volumen final con ácido sulfúrico de 0,005 M. (Azcarate, Kloster, Ostinelli, & Carreira)

1.2.4 Rutina de diagnóstico para UV-Vis 1.2.4.1

Calibración

Operación que bajo condiciones especificadas establece una relación entre los valores y sus incertidumbres de medición asociadas obtenidas a partir de los patrones de medición, y las correspondientes indicaciones con sus incertidumbres asociadas. La calibración de un espectrofotómetro UV-Vis, comprende un conjunto de pruebas realizadas con el fin de conocer los errores inherentes que puede presentar el instrumento cuando realiza una medición. Los valores obtenidos en estas mediciones, a condiciones determinadas, se comparan con los valores de los materiales de referencia certificados, utilizados como patrones de medición y finalmente, se estima la incertidumbre asociada a la calibración. (INM, 2019) Existen varias pruebas para calibrar un espectrofotómetro ultravioleta visible, estas incluyen la exactitud, reproducibilidad de la longitud de onda, y la exactitud y la reproducibilidad fotométrica. 1.2.4.2

Exactitud de longitud de onda (espectral).

Es definida como la desviación de la longitud de onda leída a una banda de absorción o emisión de una banda de longitud de onda conocida. Esta desviación puede ser causas de errores significantes en las medidas de los análisis cualitativos y cuantitativos. Hace referencia a la escala de absorbancia o transmitancia del espectrofotómetro, para la calibración de la misma es necesario contar con patrones que permitan establecer el error fotométrico del instrumento. Se debe tener en cuenta que los espectrofotómetros UV-Vis trabajan tanto en el espectro ultravioleta como en el visible, y por lo tanto cada espectro debe calibrarse. La exactitud de longitud de onda es determinada por comparación entre las medidas obtenidas de un material de referencia y el valor estándar establecido en el certificado del EQUIPO 4, GRUPO 3IV67. ESPECTROSCOPIA MOLECULAR Y ATOMICA

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material de referencia. El patrón de medición ideal debe cumplir con las siguientes condiciones: • El material debe ser transparente y estar libre de interferentes en el intervalo de interés del espectro UV-Vis. • La transmitancia no debe variar significativamente con la temperatura ni con la longitud de onda (ópticamente neutro). • Debe tener baja reflectancia. • El patrón de medición no puede ser fluorescente. • Debe ser estable, homogéneo y libre de esfuerzos residuales. 1.2.4.3

Exactitud fotométrica.

La exactitud fotométrica es el grado de concordancia entre la absorbancia real y la absorbancia medida. El error cometido al leer una absorbancia respecto de una de referencia se denomina entonces “inexactitud fotométrica”. El estudio de la exactitud fotométrica consiste en la medición de absorbancias de soluciones certificadas y en la comparación de los valores hallados con los de referencia. (Duymovich, Acheme, Sesini, & Mazziotta, 2005) Las soluciones comúnmente usadas como estándares de absorbancia son: • 340 nm: soluciones de dicromato de potasio en HClO4 0,001N con absorbancia certificada • 405 nm: soluciones de p-nitrofenol en NaOH 0,1N con absorbancia certificada o soluciones de sales de Ni(H2O)6+2 con absorbancia certificada. • 505 nm: soluciones de sales de Co(H2O)6+2 en SO4H2 0,47N con absorbancia certificada • 540 nm: soluciones de cianmetahemoglobina con absorbancia certificada 1.2.4.4

Linealidad fotométrica.

El estudio de la linealidad fotométrica permite establecer el rango de absorbancia en el que el instrumento tiene respuesta proporcional a los cambios de concentración. Para ello se determina la respuesta del espectrofotómetro a diferentes concentraciones de una sustancia que cumpla con la ley de Lambert-Beer. Se evalúa la linealidad fotométrica realizando lecturas de absorbancia de la serie de soluciones de dicromato de potasio a diferentes concentraciones, utilizando la solución de ácido sulfúrico 0,005 mol L-1 para realizar la prueba de la linealidad del equipo. Las longitudes de onda a que se realizan las lecturas serán: 235, 257, 313 y 350 nm. Se grafican las absorbancias a las diferentes longitudes de onda contra las concentraciones de las soluciones y se calcula el coeficiente de correlación.

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1.2.5

Espectro de UV-Vis del Filtro de óxido de Holmio, de Benceno y de K2Cr2O7

Longitud de onda (nm) Figura 1.1 Espectro de absorción UV-Vis del filtro del óxido de Holmio (Martínez &

Pérez, 2009)

A B S O R B A N C I A

Longitud de onda (nm)

Figura 1.2 Espectro de absorción UV-Vis del benceno en ciclohexano con λmax = 254.75 nm (PhotochemCAD, 2004-2018) EQUIPO 4, GRUPO 3IV67. ESPECTROSCOPIA MOLECULAR Y ATOMICA

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A B S O R B A N C I A

Longitud de onda (nm)

Figura 1.3 Espectro de absorción UV-Vis del dicromato de potasio en ácido perclórico 0.001 M con λmax = 350 nm (Burke & Mavrodineanu, 1976)

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1.3

CUESTIONARIO

1.- ¿Cuál es el fundamento de los métodos espectrofotométricos? “La espectroscopia es el estudio de las interacciones entre la materia y la radiación electromagnética. Históricamente, la espectroscopia se originó a través del estudio de la luz visible dispersada por un prisma en función de su longitud de onda.” (Agilent, 2021). La espectrofotometría UV -Vis se encarga del estudio de la interacción de la materia con la radiación electromagnética de la región desde el visible hasta el UV lejano, a nivel electrónico, debido a las transiciones electrónicas que permiten la identificación de grupos cromóforos o absorbentes de luz. 2. ¿Qué se entiende por transición electrónica? Las moléculas orgánicas distribuyen sus electrones en diferentes niveles electrónicos llamados orbitales moleculares. Los orbitales moleculares de menor energía son los σ, a continuación, siguen los orbitales π. Cuando en la molécula existen átomos con pares electrónicos libres (oxígeno, azufre, nitrógeno, halógenos) tendremos niveles no enlazantes n. Estos niveles electrónicos se disponen en la región enlazante del diagrama. En la región anti enlazante nos encontramos con los orbitales moleculares π∗ y σ∗. Una molécula en su estado fundamental tiene ocupados los orbitales enlazantes y no enlazantes y desocupados los anti enlazantes. De lo comentado anteriormente se deduce que las transiciones electrónicas deben partir de los orbitales enlazantes y no enlazantes terminando en los anti enlazantes. La transición electrón...