Práctica 2, laboratorio de espectroscopia molecular y atomica PDF

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONALEscuela Superior de Ingenieria Quimica e Industrias ExtractivasIngenieria Quimica IndustrialEspectroscopia Molecular y AtomicaPractica: ANÁLISIS CUANTITATIVO DE UN SOLO COMPONENTEDETERMINACIÓN DE CAFEÍNA EN REFRESCOS DE COLAGrupo: 3IV66.Alumnos:Gil Fuentes SergioLopez A...

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingenieria Quimica e Industrias Extractivas

Ingenieria Quimica Industrial Espectroscopia Molecular y Atomica

Practica: ANÁLISIS CUANTITATIVO DE UN SOLO COMPONENTE DETERMINACIÓN DE CAFEÍNA EN REFRESCOS DE COLA

Grupo: 3IV66.

Alumnos: Gil Fuentes Sergio Lopez Arteaga Cecilia Jovana

Profesora: Marcela Nora Gomez Fernandez Fecha: 29 de marzo del 2021

ANÁLISIS CUANTITATIVO DE UN SOLO COMPONENTE DETERMINACIÓN DE CAFEÍNA EN REFRESCOS DE COLA

Objetivos Determinar la concentración de sustancias orgánicas en muestras problema por medio de una curva de calibración, aplicando la Ley de Beer

Introducción Cafeína La cafeína es una droga que se produce naturalmente en las hojas y las semillas de muchas plantas. También se fabrica de forma artificial y se añade a ciertos alimentos. La cafeína se considera una droga porque estimula el sistema nervioso central, aumentando el nivel de alerta. A la mayoría de la gente, la cafeína le produce una "inyección" de energía y una mejora del estado de ánimo, ambos de carácter temporal. La cafeína se encuentra en el té, el café, muchos refrescos, los analgésicos (medicamentos para aliviar el dolor) y otros fármacos de venta sin receta médica. En su forma natural, la cafeína tiene un sabor muy amargo. Pero la mayoría de las bebidas que la contienen están suficientemente procesadas como para camuflar o disimular su sabor amargo. Los adolescentes suelen obtener la mayor parte de la cafeína que ingieren de los refrescos y de las bebidas energizantes. (Aparte de cafeína, estas bebidas también pueden contener azúcar añadido y aromas artificiales). La cafeína no se almacena en el cuerpo, pero puedes sentir sus efectos durante un máximo de seis horas. Muchas personas tienen la sensación de que la cafeína les aumenta el nivel de alerta mental. Dosis altas de cafeína pueden provocar ansiedad, mareo, dolores de cabeza y nerviosismo. La cafeína también puede interferir con la pauta normal de sueño. La sensibilidad a la cafeína (la cantidad de cafeína que produce efectos en quien la toma) varía de una persona a otra. Como promedio, cuanto menor sea el tamaño de la persona, menor será la cantidad de cafeína necesaria para producir efectos secundarios. La sensibilidad a la cafeína se ve afectada en gran medida por la cantidad de esta sustancia que ingiere una persona cada día. La gente que ingiere mucha cafeína de forma regular desarrolla enseguida una menor sensibilidad a esta sustancia. Esto significa que puede necesitar una cantidad mayor de cafeína para lograr los mismos efectos. La cafeína es un diurético suave, lo significa hace orinar más. Beber una cantidad moderada de cafeína es poco probable que cause deshidratación, pero lo

mejor es no consumir demasiada cafeína en los días calurosos, durante el entrenamiento o en otras situaciones en que se puede sudar mucho. La cafeína también puede hacer que el cuerpo pierda calcio, lo que puede conllevar una pérdida de masa ósea con el tiempo. El consumo de refrescos que contienen cafeína y de café, en vez de leche, puede tener un impacto incluso mayor en la densidad ósea y el riesgo de desarrollar osteoporosis. La cafeína puede agravar ciertos problemas del corazón. También puede interactuar con algunos medicamentos o suplementos. Si estás estresado o ansioso, la cafeína puede empeorar esos estados emocionales. Aunque la cafeína se utiliza a veces para tratar la jaqueca (o migraña), puede empeorar el dolor de cabeza en algunas personas. Espectroscopía UV-Vis La espectroscopia ultravioleta-visible o espectrofotometría ultravioleta-visible (UV/VIS) es una espectroscopia de emisión de fotones y una espectrofotometría. Utiliza radiación electromagnética (luz) de las regiones visible, ultravioleta cercana (UV) e infrarroja cercana (NIR) del espectro electromagnético, es decir, una longitud de onda entre 380nm y 780nm. La radiación absorbida por las moléculas desde esta región del espectro provoca transiciones electrónicas que pueden ser cuantificadas. La espectroscopia UV-visible se utiliza para identificar algunos grupos funcionales de moléculas, y además, para determinar el contenido y fuerza de una sustancia. Se utiliza de manera general en la determinación cuantitativa de los componentes de soluciones de iones de metales de transición y compuestos orgánicos altamente conjugados. Se utiliza extensivamente en laboratorios de química y bioquímica para determinar pequeñas cantidades de cierta sustancia, como las trazas de metales en aleaciones o la concentración de cierto medicamento que puede llegar a ciertas partes del cuerpo. Entre las características más importantes del método figuran las siguientes: 1. Gran campo de aplicación: Numerosas especies inorgánicas y orgánicas absorben en la región UV-VIS, y son, por tanto, susceptibles de ser determinadas cuantitativamente. Además muchas especies no absorbentes, mediante un tratamiento químico adecuado se las puede transformar en absorbentes. 2. Elevada sensibilidad: Las altas  comprendidas entre 5.000 y 40.000, particularmente en complejos de transferencia de carga, permiten límites de detección en el intervalo 10-4 a 10-5M. 3. Selectividad entre moderada y alta: El paso previo de separación se hace innecesario si se logra encontrar una región de longitudes de onda en la que el analito sea la única especie absorbente en la muestra. 4. Buena exactitud: El error relativo en una medida espectrofotométrica típica es del orden del 1 al 3%.

5.

Facilidad y comodidad: Las medidas espectrofotométricas con los modernos equipos son rápidas y cómodas. Además los métodos se prestan frecuentemente a la automatización.

Ley de Bouguer-Lambert-Beer La ley de BOUGUER-LAMBERT-BEER también se conoce como ley de BeerLambert-Bouguer y fue descubierta de formas diferentes e independientes en primer lugar por el matemático y astrónomo francés Pierre Bouguer en 1729´Luego por el filósofo y matemático alemán, Johann Heinrich Lambert en 1760 y por último el físico y matemático también alemán, August Beer en el año 1852. Se puede decir que esta ley se trata de un medio o método matemático, el cual es utilizado para expresar de que modo la materia absorbe la luz. En óptica (Rama de la física que se encarga del estudio de la luz) La ley de Beer afirma que la totalidad de luz que emana de una muestra puede disminuir debido a tres fenómenos de la física, que serían los siguientes: 1. El número de materiales de absorción en su trayectoria, lo cual se denomina concentración 2. Las distancias que la luz debe atravesar a través de las muestra. Denominamos a este fenómeno, distancia del trayecto óptico 3. Las probabilidades que hay de que el fotón de esa amplitud particular de onda pueda absorberse por el material. Esto es la absorbencia o también coeficiente de extinción. La relación anterior puede ser expresada de la siguiente manera:

A=-cd Donde, A = Absorbancia ε = Coeficiente molar de extinción d = Recorrido (en cm) c = Concentración molar A medida que la luz atraviesa un medio que la absorbe, la cantidad de luz absorbida en cualquier volumen corresponde a la intensidad de luz que incide, luego se multiplica por el coeficiente de la absorción. Frecuentemente la intensidad de un haz de luz incidente declina significativamente a medida que pasa a través del medio absorbente. Cuando esta relación se expresa como Ley de BOUGUERLAMBERT-BEER, tenemos que:

T=10-cd

Donde, T = Transmitancia ε = Coeficiente molar de extinción c = Concentración molar del absorbente d = Recorrido en cm La transmitancia se puede expresar como la intensidad de la radiación incidente, Io. Esto puede dividir a la luz que emerge de la muestra, I. Se refiere a la relación I/Io como transmitancia o como T. La transmitancia se puede trazar con relación a la concentración, pero esta relación no sería Lineal. Aunque el logaritmo negativo en base 10 de la transmitancia sí es lineal con la concentración. De esta forma, la absorción es medida como:

A=-log(I/I0)=-log(T)

Metodología Material de cuarzo de 1cm Matraces volumétricos de 1L y 10 mL 1 Probeta 1L 1 Probeta de 50 mL Pipetas volumétricas de 1, 2 y 5mL 5 Vasos de precipitados de 50mL Reactivos   



 

Cafeína grado Q.P. Etanol grado Q.P. Solución patrón de cafeína de 1 mg/mL. Disolver exactamente 100 mg de cafeína en EtOH al 10% y llevar a un volumen de 1000 mL con el mismo solvente. Bebida adicionada con cafeína, a los productos elaborados por la disolución en agua para uso y consumo humano, de azúcares, ingredientes opcionales, adicionados o no de aditivos que pueden estar o no carbonatadas y con un contenido mayor de 20 mg de cafeína por 100 ml de producto. No incluye al café, sucedáneos del café, té e infusiones de hierbas. Disposiciones sanitarias. Las bebidas adicionadas con cafeína no deben contener mas de 33 mg de cafeína/100 mL de producto. Lista de ingredientes: ver NORMA Oficial Mexicana NOM-218-1-2011

Equipo Balanza analítica con una precisión de 0.1 mg Espectrofotómetro UV/Vis de doble haz modelo Lambda 2S UV/Vis Spectrometer y Software; Lambda 25-WinLab. Ambos Marca Perkin Elmer  Celda de cuarzo, paso óptico 1cm x 1cm Instrumentación Los instrumentos que miden la absorbancia o la transmitancia de una disolución se componen de cinco elementos básicos: 1. Fuente estable de energía radiante. 2. Monocromador (para aislar una determinada región de longitudes de onda de la fuente) 3. Celda contenedora de la muestra 4. Detector de radiaciones o transductor para convertir la energía radiante en eléctrica. 5. Dispositivo de lectura.  

Figura 1. Perkin Elmer Lambda 2S UV/VIS Spectrometer

La naturaleza y complejidad de un equipo de absorción depende de la región del espectro implicada y de cuál va a ser el uso principal del instrumento, sí para medidas cualitativas o bien cuantitativas. Sin embargo, la función de cada componente es siempre la misma. La primera etapa que debe realizarse siempre antes de cualquier medida de absorbancia es el ajuste del medidor de señal. En primer lugar, se ajusta el cero de transmitancia bloqueando la radiación antes del detector con un obturador o introduciendo una cubeta opaca (ajuste del 0 % de T). A continuación se ajusta el indicador al 100% de T (o cero de absorbancia), este ajuste se realiza con el disolvente o blanco en la trayectoria del haz incidente. Para ello, se varía la intensidad de la fuente o bien se altera la amplificación de señal del detector. Finalmente, la absorbancia o el %T se puede obtener directamente sustituyendo el disolvente por la disolución que contiene en analito. Fotómetros y espectrofotómetros. Los componentes descritos anteriormente se pueden combinar de distintas maneras para fabricar docenas de instrumentos para realizar medidas de absorción. El diseño de estos equipos varía desde los más sencillos a los más sofisticados, existiendo notables diferencias en su precio. La selección de un instrumento se debe hacer según el tipo de trabajo para el que va a ser destinado. Fotómetros: Un fotómetro es un instrumento sencillo y relativamente barato para el análisis de absorción. Poseen generalmente una alta resistencia y es fácil de mantener. Se utiliza principalmente cuando el análisis no requiere una alta pureza espectral.

fig.2 Diagrama esquemático de un fotómetro En la figura se muestra un diagrama esquemático de un fotómetro de un solo haz y lectura directa. El equipo utiliza una lámpara de filamento de volframio, lentes para proporcionar un haz paralelo de radiación, un obturador, un filtro, un atenuador de haz en forma de cuña y un detector. El atenuador se mueve hacia dentro o hacia fuera del haz para variar su intensidad cuando se hace el ajuste del 100%T. Una causa importante de inestabilidad en la medida son las fluctuaciones en la intensidad de fuente (error instrumental). Por esta razón, la mayoría de los equipos de haz simple requieren algún tipo de estabilizador de corriente.

Los instrumentos de un solo haz son particularmente adecuados para medidas cuantitativas de absorción a una única longitud de onda (medidas puntuales). Las cubetas que contienen la cubeta y el blanco se sitúan alternativamente en la trayectoria del haz. Los fotómetros se suministran con diversos filtros, cada uno de los cuales transmite en una zona del espectro. La selección del filtro adecuado determina en gran parte la sensibilidad de las medidas de absorbancia. Por ejemplo, una disolución de color rojo absorbe radiación verde. (La intensidad de la radiación verde absorbida será función de la concentración) por tanto debemos seleccionar un filtro verde (o sea que emita verde que es el que absorbe el rojo ¡olé!). En general, el filtro más adecuado para un método fotométrico será el del color complementario a la disolución a analizar. Espectrofotómetros: Los espectrofotómetros están equipados con un monocromador de prisma o red, que permite la selección de cualquier longitud de onda dentro de la capacidad del instrumento. Un diagrama esquemático de un espectrofotómetro de haz simple sería igual al del fotómetro de filtro de la figura anterior siendo la diferencia principal la sustitución del filtro por el monocromador. Fig. 3. Espectrofotómetro UV-Vis de doble haz, lambda 25, Marca Perkin Elmer La luz procedente del monocromador se divide mecánicamente con un interruptor giratorio ("chopper"), que dirige alternativamente el haz a través de la muestra y del blanco. El detector por tanto recibe una señal intermitente que se convierte en una señal eléctrica que es fácilmente amplificada. Se ha de hacer todo lo necesario para asegurar que la trayectoria recorrida por la luz a través de las dos cubetas sea idéntica. Dado que esta comparación se realiza simultáneamente o casi simultáneamente, un aparato de doble haz compensa la mayoría de las fluctuaciones transitorias, así como el funcionamiento irregular de la fuente, detector y transductor.

Experimentación

MANUAL DE OPERACIÓN DEL ESPECTROFOTÓMETRO UV-VIS DE DOBLE HAZ, MODELO: LAMBDA 2S, MARCA: PERKIN ELMER INSTRUMENTES Y SOFTWARE LAMBDA 2S EN UV WINLAB. 1. Verificar que estén encendidos los equipos: Regulador al enchufe de luz, espectrofotómetro a computadora y regulador y computadora al regulador. 2. Encender el espectrofotómetro 3. Ejecutar el programa del software Lambda 2S en UV winLab 4. Aparece una pantalla con tres pestañas en la parte inferior: SCAN, INSTRUMENT Y SAMPLE 5. Dar click en la pestaña SCAN Start wavelength: 300 nm End wavelength: 200 nm Data interval: 1.0 run Number of cycle:

1

Autosave: Autoprint: Autolist:

OFF OFF OFF

Ordenate max: Ordenate inf: Display:

1.500 0.000 Overlay

OUTPUT

End Return Data Col when Application: 6. Dar click en la pestaña INSTRUMENT Ordenate mode: Abs Lamp UV: ON Lamp Vis: ON Slit: 2.00 Scan speed: Smooth:

120 nm/min 2 nm

7. Dar click en la pestaña SAMPLE Result file name: 26 Calculation factor: Factor Number of samples: 7 N o 1

Sample Identify 5

2

10

3

15

4

20

5

Coca cola

6

RedBull

7

VIVE100

Factor

Sample Info

1.000 0 1.000 0 1.000 0 1.000 0 1.000 0 1.000 0 1.000 0

8. Dar click en START, Ícono en la parte superior izquierda. Da inicio del análisis. 9. Colocar el blanco de reactivos en ambas celdas. Solvente utilizado en las diluciones de las muestras 10. Posteriormente, colocar cada una de las muestras, debe estar resalta la pestaña SAMPLE, presionar en el recuadro START, aparece la 1ª gráfica. 11. A continuación aparece un recuadro que nos indica que coloquemos la siguiente muestra y dar click en Aceptar y así sucesivamente con todas las muestras a trabajar. 12. Seleccionar el gráfico y formatearlo.

Datos expermientales Tabla 1. Datos de la preparación de la curva de estandarización de cafeína, a partir de una solución madre de cafeína de 100 mg/L en EtOH al 10%, en concentraciones de 5, 10, 15 y 20 mg/mL. En un espectrofotómetro UV-Vis de doble haz, modelo Lambda UV-Vis Spectrometer 25. Marca Perkin Elmer y Software Lambda 25-WinLab. Con celda de cuarzo de paso óptico 1cm x 1cm. No. de matra z 1 2 3 4 5

mL de solución “madre” de cafeína 0.00 0.5 1.0 1.5 2.0

Blanco 5 10 15 20

Tabla 2. Que muestra los valores de absorbancia, obtenidos experimentalmente, de las soluciones estándar de cafeína de concentraciones 5, 10, 15 y 20 mg/L, a partir de una solución “madre” de cafeína en EtOH al 10% a una concentración de 100 mg/L, y a una ʎmáx teór 272 nm y ʎmáx exp 276.5nm, en un Espectrofotómetro UV-Vis de doble haz; Modelo Lambda 2S; Marca: Perkin Elmer Instrumentes y Software Lambda 2S en UV WinLab. No. de serie 1 2 3 4

Concentració n [mg/L] 5 10 15 20

Absorbanci a ʎteór272 nm 0.275 0.530 0.805 -------

Absorbanci a ʎexp276.5nm 0.29115 05591 0.8560 1.1626

Tabla 3. Que muestra los valores de absorbancia de las muestras problemas en las diluciones 1:10 para el Red BULL y Coca Cola y 1:10 y a partir de ahí se realizó otra dilución: 0-5:10 para Vive 100. Utilizando un Espectrofotómetro UVVis de doble haz, marca Lambda 2S, Marca: Perkin Elmer Instrumentes y software Lambda 2S en UV WinLab. Muestra Red Bull Coca Cola Vive 100

pH 4. 5 4. 2 3. 9

Absorbanci a ʎteór272 nm 1.599

Absorbanci a ʎexp276.5nm 1.6419

1.280

1.3166

0.290

0.2559

Cálculos A partir de la ecuación de la línea recta obtenida.

y = mx + b donde: y = Absorbancia obtenida en la muestra ya procesada. m = Pendiente (coeficiente de absortividad). x = mg cafeína/100 mL en la muestra. b = Ordenada al origen.

Despejar “x” y obtener directamente los mg de cafeína/100 mL de bebida. mg cafeína/100 mL = mg de cafeína/100 mL obtenidos de la curva X 100 X F.D. 10 donde:

F.D. = Factor de dilución.

Expresión de resultados. Ecuación de la recta de regresión A = -0.01025 + 0.0582*C C=17.1821*(A+0.01025) CredBull=17.1821*(1.599+0.01025)=285.1 mg/100mL Ccocacola=17.1821*(1.280+0.01025)=230.3 mg/100mL Cvive100=17.1821*(0.290+0.01025)=984.24 mg/100mL Tabla 4. Que muestra los resultados de la [Cafeína] de las diferentes bebidas comerciales, utilizando ʎteór272 nm como valor de referencia. Muestra Red Bull Coca Cola Vive 100

pH 4. 5 4. 2 3. 9

Absorbanci a ʎteór272 nm 1.599

[cafeína] [mg/100mL ] 285.1

[cafeína ] [mg/L] 2851

1.280

230.3

2303

0.290

984.24

9842.4

Calcular el %error de la determinación de la concentración de las muestras utilizando los valores de Absorbancias a una ʎteór272 nm y las absorbancias a ʎexp276.5nm.y con la curva de calibración. %Error = %Errorredbull = %Errorcocacola = =2.86% %ErrorVive100 = =11.75%

Si empleamos la ley empírica de Lambert & Beer, tenemos: AαbC Para eliminar el factor de proporcionalidad, introducimos una constante, la cual determinamos experimentalmente a partir de la curva de estandarización: A = kbC donde:

k (otras veces “a”) = absortividad o coeficiente de extinción.

En el caso de emplear concentraciones molares. [mol/L] la ley sería: A = ƐbC donde:

Ɛ = coeficiente de extinción molar ó absortividad molar.

Modelo matemático para el cálculo de la absortividad o coeficiente de extinción: k1 = a1 = [] aprom = Cálculo de la concentración de las muestras a partir del Método de la Absortividad promedio: C = [mg/L] C = Demasiada variación

Observaciones Los errores experimentales son de 2.68%, 2.86% y 11.75, siendo los primeros dos, errores aceptables; para el caso del vive 100, el error es considerable, es por ello que debemos hacer un análisis de para detectar la causa de un err...