Transmitância: o que é, diagrama de energia molecular e exercício

A transmitância óptica é a razão entre a intensidade da luz emergente e a intensidade da luz incidente sobre uma amostra de solução translúcida que foi iluminado com luz monocromática.

O processo físico de passagem da luz através de uma amostra é chamado transmissão de luz e a transmitância é uma medida da transmissão de luz.A transmitância é um valor importante para determinar a concentração de uma amostra que geralmente é dissolvida em um solvente como água ou álcool, entre outros.

Transmitância: o que é, diagrama de energia molecular e exercício 1

Figura 1. Montagem para medição de transmitância. Fonte: F. Zapata.

Um eletro-fotômetro mede uma corrente proporcional à intensidade da luz que afeta sua superfície.Para calcular a transmitância, o sinal de intensidade correspondente apenas ao solvente é geralmente medido primeiro e esse resultado é registrado como Io .

A amostra dissolvida é então colocada no solvente com as mesmas condições de iluminação e o sinal medido pelo eletro-fotômetro é indicado como I ; a transmitância é calculada de acordo com a seguinte fórmula:

T = I / I ou

Deve-se notar que a transmitância é uma quantidade adimensional, porque é uma medida da intensidade da luz de uma amostra em relação à intensidade de transmissão do solvente.

O que é transmitância?

Absorção da luz em um meio

Quando a luz passa através de uma amostra, parte da energia da luz é absorvida pelas moléculas. A transmitância é a medida macroscópica de um fenômeno que ocorre no nível molecular ou atômico.

A luz é uma onda eletromagnética, a energia que ela carrega está no campo elétrico e magnético da onda. Esses campos oscilantes interagem com as moléculas de uma substância.

A energia que carrega a onda depende de sua frequência. A luz monocromática tem apenas uma frequência, enquanto a luz branca tem uma faixa de frequência ou espectro.

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Todas as frequências de uma onda eletromagnética viajam no vácuo na mesma velocidade de 300.000 km / s. Se denotamos por c a velocidade da luz no vácuo, a relação entre a frequência f e o comprimento de onda λ é:

c = λ⋅f

Como c é uma constante em cada frequência corresponde ao seu respectivo comprimento de onda.

Para medir a transmitância de uma substância, são utilizadas as regiões do espectro eletromagnético visível (380 nm a 780 nm), a região ultravioleta (180 a 380 nm) e a região infravermelha (780 nm a 5600 nm).

A velocidade de propagação da luz em um meio material depende da frequência e é menor que c . Isso explica a dispersão em um prisma com o qual as frequências que compõem a luz branca podem ser separadas.

Teoria molecular da absorção molecular

Átomos e moléculas têm níveis de energia quantificados. À temperatura ambiente, as moléculas estão em seus níveis mais baixos de energia.

O fóton é a partícula quântica associada à onda eletromagnética. A energia do fóton também é quantizada, ou seja, um fóton de frequência f possui energia dada por:

E = h⋅f

onde h é a constante de Planck cujo valor é 6,62 × 10 ^ -34 J⋅s.

A luz monocromática é um feixe de fótons de uma dada frequência e energia.

As moléculas absorvem fótons quando sua energia coincide com a diferença necessária para levar a molécula a um nível de energia mais alto.

As transições de energia pela absorção de fótons nas moléculas podem ser de vários tipos:

1- Transições eletrônicas, quando os elétrons dos orbitais moleculares passam para os orbitais de maior energia. Essas transições geralmente ocorrem na faixa visível e ultravioleta e são as mais importantes.

2- Transições vibracionais, as energias das ligações moleculares também são quantizadas e quando um fóton é absorvido da região infravermelha, a molécula passa para um estado de energia vibracional mais alto.

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3- Transições rotacionais, quando a absorção de um fóton leva a molécula a um estado rotacional de maior energia.

Diagrama de energia molecular

Essas transições são melhor compreendidas com um diagrama de energia molecular mostrado na Figura 2:

Transmitância: o que é, diagrama de energia molecular e exercício 2

Figura 2. Diagrama de energia molecular. Fonte: F. Zapata.

No diagrama, as linhas horizontais representam diferentes níveis de energia molecular. A linha E 0 é um nível de energia fundamental ou mais baixo. Os níveis E1 e E2 são níveis excitados de energia mais alta. Os níveis E0, E1, E2 correspondem aos estados eletrônicos da molécula.

Os subníveis 1, 2, 3, 4 dentro de cada nível eletrônico correspondem aos diferentes estados vibracionais correspondentes a cada nível eletrônico. Cada um desses níveis possui subdivisões mais refinadas que não são mostradas e correspondem aos estados de rotação associados a cada nível vibracional.

O diagrama mostra setas verticais que representam a energia dos fótons na faixa de infravermelho, visível e ultravioleta. Como pode ser visto, os fótons infravermelhos não possuem energia suficiente para promover transições eletrônicas, enquanto a radiação visível e a radiação ultravioleta.

Quando os fótons incidentes de um feixe monocromático coincidem em energia (ou frequência) com a diferença de energia entre os estados de energia molecular, ocorre a absorção de fótons.

Fatores dos quais a transmitância depende

De acordo com o que foi dito na seção anterior, a transmitância dependerá de vários fatores entre os quais podemos citar:

1- A frequência com que a amostra é iluminada.

2- O tipo de molécula que você deseja analisar.

3- A concentração da solução.

4- O comprimento do caminho percorrido pelo feixe de luz.

Dados experimentais indicam que a transmitância T diminui exponencialmente com a concentração C e com o comprimento L do caminho óptico:

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T = 10 -a⋅C⋅L

Na expressão acima, a é uma constante que depende da frequência e do tipo de substância.

Exercício resolvido

Exercício 1

Uma amostra padrão de uma determinada substância tem uma concentração de 150 micromoles por litro (μM). Quando sua transmitância é medida com luz de 525 nm, é obtida uma transmitância de 0,4.

Outra amostra da mesma substância, mas de concentração desconhecida, tem uma transmitância de 0,5, quando medida na mesma frequência e com a mesma espessura óptica.

Calcule a concentração da segunda amostra.

Resposta

A transmitância T decai exponencialmente com a concentração C:

T = 10 -b⋅L

Se o logaritmo da igualdade anterior for adotado, ele permanecerá:

log T = -b⋅C

Dividir membro para membro a igualdade anterior aplicada a cada amostra e limpar a concentração desconhecida é:

C2 = C1⋅ (log T2 / log T1)

C2 = 150μM⋅ (log 0,5 / log 0,4) = 150μM⋅ (-0,3010 / -0,3979) = 113,5μM

Referências

  1. Atkins, P. 1999. Physical Chemistry. Edições Omega. 460-462.
  2. A guia. Transmitância e absorbância. Recuperado de: chemistry.laguia2000.com
  3. Toxicologia Ambiental Transmitância, absorvância e lei de Lambert. Recuperado de: repositorio.innovacionumh.es
  4. Aventura física Absorvância e transmitância. Recuperado de: rpfisica.blogspot.com
  5. Espectofotometria Recuperado de: chem.libretexts.org
  6. Toxicologia Ambiental Transmitância, absorvância e lei de Lambert. Recuperado de: repositorio.innovacionumh.es
  7. Wikipedia Transmitância Recuperado de: wikipedia.com
  8. Wikipedia Espectrofotometria Recuperado de: wikipedia.com

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