fbc ai u4 metodos opticos

8/18/2019 FBC AI U4 Metodos Opticos

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Análisis InstrumentalUnidad IV

Métodos Ópticos de

Análisis

Instrumental

Prof. Dr. Eliel R. Romero GarcíaM.C.Q. Fernando Bedolla Cázares


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2.1 Métodos ópticos de análisis

instrumental

a. Espectroscopia Atómica:

•

Espectroscopia atómica de absorción

•

Espectroscopia atómica de emisión

b. Espectroscopia Molecular:

•Turbidimetría

•

Nefelometría•

Espectroscopia UV

-

Vis

•

Espectroscopia IR


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• La región del espectro de absorción “UV-Vis” engloba las radiacionesperceptibles por el ojo humano y han sido muy útiles especialmenteen el campo del análisis cuantitativo, está constituida por tres zonasdel espectro EM:

1. UV-Cercano 185-400 nm2. Visible 400-700 nm3. IR-Cercano 700-1100 nm

Métodos de ópticos basados en la Absorción de

radiación UV

-

Vis


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• La mayoría de los espectrómetros comerciales cubren en el rango 185-

900 nm.• El rango inferior dependerá de la naturaleza de los materiales ópticos yla presencia de gases (v.g. O2, vapor de agua).• Algunos equipos alcanzan hasta 150 nm con muestras en estado gaseosoen la región UV-vacío.

Espectrometría de absorción UV

-

Vis


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Matices absorbidos y transmitidos


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From left to right: cobalt(II) nitrate, Co(NO3)2 (red); potassium dichromate,K2Cr2O7 (orange); potassium chromate, K2CrO4 (yellow); nickel(II) chloride,NiCl2 (green); copper(II) sulfate, CuSO4 (blue); potassium permanganate,KMnO4 (violet).

VerdeAmarillo

NaranjaAzul

AzulverdosoVerde

azul

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Coloured-transition-metal-solutions.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Coloured-transition-metal-solutions.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Coloured-transition-metal-solutions.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Coloured-transition-metal-solutions.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Coloured-transition-metal-solutions.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Coloured-transition-metal-solutions.jpghttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Coloured-transition-metal-solutions.jpg


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O

O

OH

HO

OH

CH3

OH

CO2H

ácido carmínico

NH

HN

O

O

índigo

O

H

O

O H

O

crocetina

Todas las sustancias coloreadas tienen un

sistema de enlaces

conjugados.

La zona de longitudes de onda que se registra en un

espectro UV- Vis es entre 200 y 800 nm.

En esta zona no absorben dobles ni triples enlaces aislados

Solo van a absorber enlaces π conjugados y heteroátomos

con pares de electrones no compartidos O, N)


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• La absorción luminosa se da por interacción de los fotones incidentes

con las especies de la muestra.

•Cuando una molécula aislada absorbe un fotón de la región UV-Vis, la

energía de uno o varios electrones de valencia aumenta, perturbación quecausa una serie de transiciones resultado de la suma de la energíasrotacional “ERot”, vibracional “EVib”, y electrónica “EElec”:

ElecVibRottot EEEE

Espectrometría de absorción UV-Vis

En donde: EElec>EVib>ERot


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Los que participan directamente en la formación del enlace entre átomosy que están asociados a más de un átomo

Los electrones no enlazantes o externos que no participan y estánlocalizados alrededor de átomos como O, S, N, halógenos

Enlaces sencillos: orbitales σ

Doble enlace: 2 tipos de orbitales, σ (par e- enlazantes), π (el otro par)

Tipos de electrones absorbentes


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– Hay tres tipos de transiciones electrónicas que implican:

– Electrones , y n

– Electrones d, f: Iones de los metales de transición, lantánidos y

actínidos

– Electrones transferencia carga: Complejos inorgánicos

Transiciones electrónicas

La absorción de radiación UV/VIS se restringe a un número limitado de

grupos funcionales “cromoforos” que contienen los electrones devalencia con energías de excitación relativamente bajas.


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• La absorción UV-Vis esta limitada a los grupos “cromóforos”, que songrupos funcionales que contienen electrones de valencia con energíasde excitación relativamente bajas.

• Los espectros de los cromóforos orgánicos son complejos debida a lasuperposición de las transiciones vibracionales y las electrónicas,dando una banda de absorción ancha y en ocasiones continua.


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1. Transiciones

,

y n

• Tipos de electrones absorbentes en las moléculas orgánicas:

1. Los electrones de enlace entre los átomos y que se asocian con más de unátomo.

2. Los electrones antienlazantes (* ó *) y los pares no enlazados (n) de laúltima capa de valencia, como en el O, N, S y halógenos.

• Los tipos de enlacesmoleculares en elformaldehído:


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•Son cuatro tipos de

transiciones posibles:

1 → *

2.n → *

3.n → *

4

→

*

1. Transiciones , y n

Niveles de energía electrónicos de

los orbitales moleculares


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Comparación de las transiciones más frecuentes encontradas encompuestos orgánicos simples


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Transición →

*

• Un e- del orbital enlazante de la molécula se excita al correspondiente* por absorción de la radiación, por lo que la molécula se encuentra enestado excitado ,*.

• Para la transición se requiere un alto nivel de energía, por lo que se loque se localiza en el rango del UV-vacío.

• El metano, por ejemplo, que sólo contiene enlaces sencillos C—H y quesólo puede sufrir transiciones

→

* presenta un máximo de absorción a125 nm

• Como la fuerza del enlace C—C es menor que la del enlace C—H, serequiere menos energía para la excitación; por ello, el pico de absorciónaparece a mayor longitud de onda


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Transición: n

→

s*

• Fenómeno característico de los compuestos saturados que contienenpares de e- no compartidos (no enlazantes).

• Requieren menos energía que las

→

* y se producen en la región 150 a250 nm y cuyos picos de absorción aparecen la mayoría por debajo delos 200 nm.

• Depende del tipo de enlace y en menor medida de la estructura de lamolécula.

• Son de absortividad molar media a baja de 100 y 3000 L cm-1 mol-1.• Muestran batocromia en presencia de solventes polares.• Son pocas las moléculas orgánicas detectables en este rango de UV.


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Ejemplo: Transición n→

*

de una amina primaria.

La absorción correspondiente a esta transición desaparece al añadir unequivalente de un ácido protónico HX, seguido de la formación de una salde amonio que moviliza el par libre del átomo de N necesario para estatransición (fórmula entre corchetes).


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Algunos ejemplos de absorciónpara transiciones n→ *


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Transiciones n→* y →*

• La mayoría de los métodos de espectroscopia de absorción de loscompuestos orgánicos se basan en estas transiciones puesto que los picosde absorción se encuentran en una región experimentalmente accesible(200-700 nm).

• Se requieren de grupos funcionales no saturados (electrones ) y dichoscentros absorbentes son denominados cromóforos; las moléculas deesqueleto carbonado conteniendo uno más grupos cromóforos sedenominan “cromógenos”.

• El solvente ejerce efecto sobre la l de los picos


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Absorción de algunos cromóforos → *


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TransiciónRegión del espectro

electromagnético

Ejemplo,

l max. absorción

s s* U.V. de vacíoCH4 (Vapor)(125 nm)

n s* U.V. lejanoAcetona(190 nm)

p p* U.V. cercanoBenceno

(203 y 250 nm)

n p* VisibleNitrobenceno(665 nm)

E


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• Los picos de absorción correlacionan con los tipos de enlaces en lasespecies en cuestión, por lo que la absorción puede ser útil para “identificarlos grupos funcionales“ presentes en una molécula, pero de mayoraplicación es la determinación cuantitativa de las especies que contienenlos grupos absorbentes.


Es común que los compuestos orgánicos muestren dos o más picosmáximos de absorción en la región UV.

La absorción de radiación UV-VIS es debida a los Cromóforos más que a lamolécula en su conjunto (IDENTIFICACIÓN DE GRUPOS FUNCIONALES en base a sul y e).


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•Los datos se registran anotando la longitud de onda yel solvente utilizando, además se indica el logaritmo delcoeficiente de extinción molar en la l en la que seencuentra el máximo de UV.

)18.4(log232etanol e l nmmáx


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•La energía transmitida a compuestos orgánicos como elb-caroteno, es suficiente para permitir la ocurrencia de ungran número de diferentes transiciones electrónicas entrelos múltiples niveles de energía vibratorios y rotacionales.

•Los valores de E son tan cercanos que la resolucióncompleta en una solución es imposible, obteniéndose unabanda amplia de absorción, conteniendo todas las

transiciones superpuestas.


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• Cromóforos aislados:

Para una serie de moléculas con un mismo cromóforo, la posición eintensidad de las bandas de absorción serán constantes. Cuando haycromóforos separados por al menos dos enlaces simples, se observa lasuperposición de los efectos individuales.

• Cromóforos conjugados:

Cuando los cromóforos se encuentran muy cercanos entre sí, el espectrode absorción se desplaza hacia mayores longitudes de onda (efecto

batocrómico) y con un aumento en la intensidad de la absorción (efectohipercrómico).


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Efecto de los dobles enlaces conjugados sobre la posición del máximo deabsorción de la transición * para algunos polienos conjugados


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Auxócromos

•Es un sustituyente generalmente saturado) que altera la l y elcoeficiente de extinción molar del máximo de absorción cuandose une a un cromóforo

•Causa el efecto batocrómico y/o el efecto hipercrómico


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•Para las n → * las l son cortas y tienden al azul (efecto hipsocrómico)conforme aumenta la polaridad del solvente, o sea, es el desplazamiento a

longitudes de onda más cortas como resultado de una sustitución o cambiodel solvente.

Desplazamiento hipsocrómico

Absorption spectra of 2-(4'-hydroxystyryl)-N-methyl-quinolinium-betaine in chloroform (1), water (2)


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Absorption spectra of 4-(4'-hydroxystyryl)-N-methyl-pyridinium-iodidein n-butanol (1), n-propanol (2), methanol (3), water (4)

Desplazamiento hipsocrómico


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•El desplazamiento del máximo de absorción a longitudes de ondamás largas causado por cualquier sustitución en el cromóforo porauxócromo) o un cambio en un disolvente.

•Para las ,* la tendencia es hacia el rojo batocrómico), en dondelas fuerzas de polarización atractivas entre el disolvente y el

absorbente tienden a disminuir los niveles de energía de los estadosexcitado o no excitado, efecto que también se presenta en lastransiciones n,*

Desplazamiento batocrómico


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hipsochromic shift

batochromic shift

Desplazamiento batocrómico e hipsocrómico


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Efecto hipercrómico

Aumento en el coeficiente de extinción molar “e”; se observa comoun incremento de la intensidad de la banda espectral debida a lasinteracciones con los componentes de la matríz molecular; disminuyela transmitancia e incrementa la absorbencia

Efecto hipocrómico

Reducción en el coeficiente de extinción molar “e”


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Espectros UV de algunos compuestos orgánicos representativos

Espectros UV de la 1,2,4-tetrazina


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Características de absorción de algunos compuestos

aromáticos


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2. Transiciones de Electrones d y f

•Observada en la mayoría de los metales en transición absorben en elUV o visible.


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•Para los elementos de la primera ysegunda serie de los metales entransición son los e- de 3d y 4d (v.g. Cu,Ti, Cr, V, Mn, Fe, Hg, Co, etc.).

•Para los lantánidos y actínidos (v.g.Holmio, Erbio, Protactinio, Samario, etc.)

son el resultado de transicioneselectrónicas de los e- de 4f y 5f .


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3. Electrones de transferencia de carga

•Son de emax muy alta (>10 000).

•Muchos complejos inorgánicos presentan este fenómeno (complejos detransferencia de carga ).

•Son de elevada sensibilidad para la detección y determinación de

especies absorbentes.


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•Ejemplos: complejos fenólicos, tiocianato con Fe(III), o-fenantrolinacon Fe(II), el complejo de yoduro de yoduro de molecular, el complejoferrocianuro del azul de prusia.

• Uno de los componentes debe ser dador y otro donador de e-, por loque la absorción implica la transferencia de e- del dador hasta unorbital del acceptor.• El estado excitado es resultado de un proceso de oxido-reduccióninterno


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Aplicaciones de la espectrometría UV-Vis

1.Análisis cuantitativo

2.Titulaciones Fotométricas

3.Análisis cualitativo


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Análisis Cuantitativo

• Aplicaciones amplias para compuestosorgánicos e inorgánicos.

• De amplia selectividad• Sencilla adquisición de datos.

Espectroscopia UV-Vis

- Determinación de azúcares reductores y totales(prueba del fenolsulfúrico), determinación de

proteínas (prueba del ác. Bicincónico “BCA”,Bradford, Biuret).- Turbidimetría y densidad óptica (cinéticas decrecimiento celular, biomasa).


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Titulaciones Fotométricas

Una curva de titulaciónfotométrica es un gráfico deabsorbancia, corregida porcambios de volumen, como una

función del volumen del titulante.

A b s o r b a n c i a

Reactivo en volumen

Punto deequivalencia

A b s o r b a n c i a

Reactivo en volumen

Punto deequivalencia

a) Absorbancia de los tituladores b) Absorbancia de los productos

Algunos factores que influyen

en los resultados de lavaloración fotométrica son elpH de la solución, la naturaleza

del disolvente y temperatura.

Las mediciones fotométricas oespectrofotométricas se pueden emplear

para localizar el punto de equivalencia deuna titulación, siempre que el analito, elreactivo o el producto de la titulación

absorban radiación.



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• Son mejores que las titulaciones porpotenciometría o conductimetría, pero se requierentituladores automáticos programables.



Ventajas:

1. Se mide directamente la absorbencia de la concentración.2. Alto grado de sensibilidad.3. No hay contacto directo con la muestra.4.Como resultado de la dependencia lineal y la sensibilidad es útil en titulacionesexactas en sistemas acuosos diluídos y los que contienen electrolitos débiles así como en sistemas no acuosos.



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-OHBr -

p-bromofenol

H2O+ NaOH -ONaBr -

p-bromofenolato de

sodio

+ H2O

Volumen de NaOH 0.12 N (mL)

1.2 2.4 3.6

A b s o r b

a n c i a

l

3 2 5 n m )

0.32


(Amarillo)(Azul)

Absorbe el amarillo (570-600 nm),molécula más soluble

Absorbe el azul (440-475 nm),molécula menos soluble

Efectobatocrómico


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- Se utiliza para valorar vitaminas ( A, C y D),- Determinar la presencia de ácido ascórbico yporfirinas en muestras de suero y orina.

- En casos de intoxicación por CO, la técnica es

ampliamente usada para detectar la formaciónde carboxihemoglobina en sangre.



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La espectroscopia proporciona suficientes datospara:

- La identificación de sustancias puras y ayudar enla caracterización estructural (ya que la curva deabsorción completa de una sustancia pura es únicay permite ser distinguida de todas las demás).

- Puede establecerse el tipo general y, en algunos

casos, la identidad de los constituyentes demezclas simples.

Análisis Cualitativo



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Análisis de mezclas

Espectros no superpuestos

Medidas a λ1 para M y λ2 para N


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Espectros superpuestos parcialmente

La elección de la λ es función de grado de superposición



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Espectros completamente superpuestos



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Determinación de mezclas

Se basa en que, a una determinada longitud de onda la absorbanciaobservada es igual a la suma de las absorbancias de cada componente

Para que la exactitud y precisión de los

resultados sean buenas es necesarioseleccionar ambas longitudes de ondade forma que aAAS < aCAF a una de laslongitudes de onda y lo inverso a laotra longitud de onda .


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Determinación de mezclas, ejemplo

a 550 nm : 0,183 = 9970 CFe + 34 CCua 396 nm : 0,109 = 84 CFe + 856 CCu

Despejamos CCu en la primera ecuación:

=0.183 9970

34

Y sustituimos en la segunda:

0.109 = 84 + 856(0.183 9970

34 )

0.109 = 84 + (4.607 251009.41)

250925.41 = 4.498

=4.498

250925.41

= 1.79210−M

= 1.27510−M


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Aplicaciones Químicas

A) Sustancias inorgánicas

• Se produce una absorción selectiva cuando un nivelenergético electrónico incompleto se halla cubierto osobrepuesto por un nivel de energía completo normalmente

formado por valencias de coordinación con otros átomos.

• P.ej. El Cu2+ forma complejos de coordinación en sol. acuosacon cualquier molécula o ion disponibles que tengan paresde electrones sin compartir, como el H2O, NH3, CN-, Cl-, etc.


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Aplicaciones Químicas

B) Moléculas Orgánicas:

•La absorción selectiva entre las moléculas orgánicas se relaciona conla localización de los electrones en la molécula.

•Las moléculas con dobles enlaces conjugados producen absorción a lmayores, y entre más extenso sea el sistema conjugado mayor será la l

a la que se observe la absorción.

•Si el sistema se extiende demasiado la absorción penetrará en laregión visible y tendrá color, v.g. el b-caroteno tiene 11 dobles enlacesconjugados y absorbe en l de entre 420-480 nm por lo tanto aparece

de color amarillo-verde.


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Los picos de absorción correlacionan con lostipos de enlaces en las especies en cuestión,por lo que la absorción puede ser útil para“identificar los grupos funcionales“ presentes en

una molécula, pero de mayor aplicación es ladeterminación cuantitativa de las especies quecontienen los grupos absorbentes.

O

O

OH

HO

OH

CH3

OH

CO2H

ácido carmínico

NH

HN

O

O

índigo



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•El análisis estructural a partir de espectros electrónicos es muy impreciso.

•Sin embargo, desde 1940 hasta finales del siglo pasado se han desarrolladoespectros de un elevado número de moléculas que han permitido correlacionar laestructura con los picos máximos de absorción.

•Las correlaciones más populares fueron las de Woodward, Fieser y Scott para loscompuestos orgánicos insaturados, dienos y esteroides.

•Por medio de tablas se colectaron incrementos, diversos factores yparticularidades estructurales para la

predicción de la banda de absorción

Reglas de Woodward-Fieser: la correlación del espectro UV

y la estructura

•

La concordancia de los datos

experimentales


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con los calculados es muy elevada:


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Aplicación de las Reglas de Woodward-Fieser


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Reglas de Fieser-Kuhn


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Para sistemas poliénicos conjugados de más de cuatro dobles enlaces

lmax = 114 + 5M + n 48.0 - 1.7n) - 16.5 Rendo-10 Rexo

emax = 1.74 x 104)n

n

: nº dobles enlaces conjugados.

M

: sustituyentes alquilo (o similares) unidos al sistema conjugado.

R

endo

: nº anillos con dobles enlaces endocíclicos en el sistema conjugado.

Rexo: nº anillos con dobles enlaces exocíclicos en el sistema conjugado.


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Reglas de Fieser-Kuhn


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Valores calculados:

lmax = 114 + 5(8) + 11[48.0 - 1.7(11)] - 0 -0 = 476 nm

emax = (1.74 x 10 4) 11 = 19.1 x 104

Licopeno

Valores experimentales (hexano):

lmax = 474 nmemax = 18.6 x 104

βReglas de Fieser-Kuhn


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Valores calculados:

lmax = 114 + 5(10) + 11[48.0 - 1.7(11)] - 16.5(2) -10(0) = 453.3 nm

emax = (1.74 x 10 4) 11 = 19.1 x 104

Valores experimentales (hexano):

lmax = 452 nmemax = 15.2 x 104

β-caroteno

INSTRUMENTACIÓN DE USO PARA LA ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN


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MOLECULAR UV/VIS

• Los espectrómetros están conformados por tres partes básicas:1. Fuente de luz2. El sistema dispersivo (monocromador)3. El detector

Fuente Monocromador

Muestra

DetectorDetector

Diseño de un espectrómetro de tipo secuencial de óptica normal

Fuente

Muestra

DetectorDetector defila de diodos

Sistema disperso

Espectrómetros de tipo simultáneo de óptica inversa


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INSTRUMENTACIÓN DE USO PARA LA ESPECTROSCOPÍA DEABSORCIÓN MOLECULAR UV/VIS


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ABSORCIÓN MOLECULAR UV/VIS

Representación gráfica de un espectrofotómetro de óptica dispersiva

i l


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convencional

Colorímetro

Spectronic

20


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La disposición instrumental para medir las propiedades detransmisión de la luz de soluciones del Spectronic 20


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transmisión de la luz de soluciones del Spectronic 20

PERKIN ELMER LAMBDA 2


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87/90

UV/Visible Life Science Spectrophotometer


88/90

Representación gráfica de un Espectrofotómetro dearreglo en serie de diodos


89/90

arreglo en serie de diodos

Diagrama de un Espectrofotómetro de arreglo en serie dediodos


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diodos

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