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Métodos basados en la interacción de la radiación con la materia
Aquí se agrupan las técnicas cuyo fundamento sobrelleva la interrelación entre la energía electromagnética y la materia.
En general se asigna también a estos métodos el nombre global de espectroscopia o métodos ópticos
Debemos repasar
¿Que es la radiación electromagnética?¿Qué es el espectro electromagnético?
Dualidad de la radiación electromagnética
velocidad, amplitud, frecuencia o longitud de onda.fotones
¿Que es la radiación electromagnética?
La radiación electromagnética es una forma de propagación de energía a través del espacio sin soporte material y emitida por una sustancia en estado excitado.
Espectro electromagnético
Se denomina espectro electromagnético a la distribución de energía del conjunto de las ondas electromagnéticas
Dualidad de la radiación electromagnética
Tiene naturaleza ondulatoria en su movimiento, definida por parámetros como velocidad, amplitud, frecuencia o longitud de onda.Es un flujo de partículas de energía
llamadas fotones. La energía de un fotón es proporcional a la frecuencia de radiación.
Parámetros ondulatorios
la longitud de onda (λ) se define como la longitud de un ciclo, o bien como la distancia entre dos máximos o mínimos sucesivos.
Parámetros ondulatorios
la frecuencia (v)es el número de ciclos por segundola frecuencia es la única característica constante en una radiación, ya que la longitud de onda y la velocidad dependen de la naturaleza del medio de propagación.
La radiación como partícula
Por otra parte la radiación electromagnética como transportadora de energía fue definida por Planck(1900) considerando que la energía de las partículas está cuantificada, sólo están permitidos ciertos niveles de energía
La radiación como partícula
Cuando una partícula pasa de un nivel de menor energía a uno de mayor energía sólo absorbe un cuanto de energía, que está relacionado con la frecuencia de la radiación absorbida
E= hυ=h×c/λ
Los efectos que provoca la radiación sobre la materia son de varios tipos:puede provocar la absorción de la radiación
Los efectos que provoca la radiación sobre la materia son de varios tipos:
Puede desviar el desviar la radiación electromagnética
Los efectos que provoca la radiación sobre la materia son de varios tipos:
Dispersar la radiación
Los métodos ópticos se pueden clasificar en:
No espectroscópicosEspectroscópicos
No espectroscópicosSe basan en la medición del cambio en la dirección o en las propiedades físicas de la radiación electromagnética.
Ejemplos:refracción, dispersión, interferencia.Los métodos son:refractometría, turbidimetría, nefelometría, interferometría, etc.
Métodos espectroscópicos
Se basan en la medida de: Intensidad de la energía radiantelongitud de onda de la energía radianteTienen en común:Medida de un espectroPueden ser de absorción o emisión
Métodos espectroscópicos
Es frecuente dividir las técnicas ópticas de acuerdo con la región espectral que interacciona con la materia. Así, es frecuente denominar a la espectroscopia como:
de rayos X,ultravioleta lejano, ultravioleta cercano y visibleinfrarrojo cercano y medio, infrarrojo lejanomicroondas y radiofrecuencia
Región ultravioleta y visible
La más empleada por su sencillez y el bajo costo de los equipos más sencillos capaces de llevarla a cabo: los colorímetros
Esta técnica es especialmente cuantitativa
Región ultravioleta y visibleSe fundamenta en la disminución de intensidad que sufre un rayo de luz monocromática al atravesar una disolución que contenga un constituyente que absorba parte de la radiación.aplicaciones tanto sustancias orgánicas como inorgánicasTambién se utiliza como indicadora del punto final de una titulación.
Región ultravioleta y visible
Aplicaciones
Detección de sustancias orgánicasDetección de sustancias inorgánicasIndicadora del punto final de una valoración.
Orbitales atómicos
Orbitales moleculares del hidrógeno
¿Qué es el espectro?
Se define como una representación gráfica o fotográfica de la distribución de intensidades de la radiación electromagnética emitida o absorbida por la materia, en función de la longitud de onda de dicha radiación. Los espectros son debidos a transiciones entre estados de energía característicos de la materia.
Espectros de absorción
Región del infrarrojo
emplea con fines cualitativos en química orgánica, pues permite el análisis sencillo de los grupos funcionales de una molécula.Ello es debido a que la radiación infrarroja interacciona con los estados de energía vibracional de los enlaces y éstos son característicos de los átomos que los forman.
Espectro infrarrojo de la lactosa
Espectroscopia de absorción molecular
Ley de Lambert BeerMedida cuantitativa de la
radiación
Ley de Lambert BeerLa potencia radiante de una línea o banda depende del número de átomos o moléculas excitadas, entonces es directamente proporcional a la concentración
P = k×C
donde k es una constante de proporcionalidad
A consecuencia de las interacciones entre los fotones y las partículas absorbentes, la potencia del haz se atenúa de P0 a P1.
Por lo tanto podemos definir:
la transmitancia T de la soluciónComo la fracción de radiación incidente transmitida(o no absorbida) por la solución según:
T =P1/P0
%T = 100× P1/P0
Absorbancia
Una magnitud física más útil que la transmitancia, es la absorbancia, que se define como:
TPPA loglog 0
10 −=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
Relación entre la absorbancia y el espesor
La ley de Lambert relaciona el espesor de la muestra de análisis con la relación entre la potencia incidente sobre la muestra y la potencia transmitida por la muestra. Si todos los factores que intervienen en la medición se dejan constantes y se varía el espesor de la muestra tenemos que:
al aumentar el espesor, la potencia de la luz transmitida disminuirá, aumentando la absorbancia.
Entonces:A = es directamente proporcional al espesor o
camino ópticoA = k× b
Relación entre la absorbancia y la concentración
La Ley de Beer relaciona la concentración de la especie absorbente con la relación de la potencia del haz transmitido por el medio absorbente y la potencia del haz incidente.
Todo aumento en la concentración de la especie absorbente habrá de aumentar el número de fotones absorbidos
Entonces:A = es directamente proporcional a la
concentraciónA = k× C
La ley de Lambert-Beer
A= ε×b×C (ε es la absortividad molar)
A=a×b×C (a es la absortividad específica)
La absorbancia, A, es adimensional.
La concentración de la muestra, C, se suele expresar en moles/litro (M) o en g/litro
La longitud del camino óptico, b, se expresa en cm.
La cantidad ε se llama absortividad molar y sus unidades son litro/mol ×cm.
Cuando la concentración es expresada en g/l, debe hablarse de la absortividad a , y sus unidades son litro/g×cm.
Medida experimental de la absorbancia
la solución en estudio debe estar dentro de un recipiente. La interacción de la radiación con las paredes del mismo es inevitable,por lo tanto se producirán pérdidas de potencia en cada interfase como resultado de las reflexiones y las absorciones.Las pérdidas por reflexión pueden llegar a ser del orden de 8%. Deben sumarse las pérdidas por dispersión dentro de la solución debido a la presencia de moléculas grandes o a inhomogeneidades del disolvente.
Medida experimental de la absorbancia
Medida experimental
CbPP
PPA
solución
solvente ××=== )(loglog)( 0 λελ
Expresión experimental
Representación de la ley de Lambert -Beer
Limitaciones de la ley de Lambert Beer
La relación lineal entre la absorbancia y la longitud de camino óptico para una concentración fija de sustancia absorbente es una generalización de la que no se conocen excepciones.
La ley de Lambert – Beer establece que la absorbancia es proporcional a la concentración de las especies absorbentes.
Esto se verifica estrictamente para luz monocromática y muy bien en el caso de soluciones diluidas (≤ 0,01M) de la mayoría de las sustancias.
Limitaciones RealesA concentraciones altas (> 0.01M)Las distancias medias entre las partículas disminuyen hasta tal punto que cada partícula afecta la distribución de carga de los vecinos.Estas interacciones alteran la capacidad absorbente de las partículas respecto a una radiación de determinada longitud de onda.
Causa desviaciones de a relación lineal
Limitaciones realesA concentraciones muy diluidas (con muy baja concentracón del absorbente)
La presencia de electrolitos (o el solvente)se aproximan mucho a las especies absorbentes alterando la absortividadmolar debido a interacciones electrostáticas
Causa desviaciones de a relación lineal
Desviaciones químicas
Se presentan desviaciones de la ley de Lambert-Beer cuandoel analito experimenta asociacióndisocición
reacción con el solvente
para dar productos con propiedades diferentes a las del propio analito
Desviaciones químicas
Presencia de otras sustancias (interferencias) que absorben luz a a misma longitud de onda (o muy cercana) que el analito
Desviaciones instrumentales
La ley de Lambert-Beer es una ley límite en el sentido de que se aplica sólo cuando la absorbancia se mide con una radiación monocromática.Los instrumentos de rutina no emplean fuentes monocromáticas sino fuentes continuas
Desviaciones instrumentales
Las desviaciones de la ley de Lambert-Beer que resultan del uso de un haz policromático no son apreciables, siempre que la radiación usada abarque un tramo espectral dentro del cual el absorbente no presenta grandes cambios en función de la longitud de onda
Selección de la longitud de onda de trabajo
COMPONENTES BASICOS DE UN ESPECTROMETRO Vis-UV
3 41 2
1 FUENTE DE RADIACIÓN o LÁMPARA
SISTEMA ÓPTICOa) Sistema para dirigir la radiaciónb) Sistema de aislamiento de la longitud de onda
2
3 RECIPIENTE PARA LA MUESTRA (GENERALMENTE LÍQUIDA)
4 SISTEMA DE DETECCIÓN (TRANSDUCTOR DE LA RADIACIÓN)
a) b)
Fuentes de radiación
Requisitos:Intensidad de radiación elevada.Emitir en un amplio rango de λ (emisión continua).Intensidad constante con el tiempo.
Fuentes de radiación -visibleLámpara de Wolframio(lámpara de inscandescencia).
Se basa en la incasdencencia, emite luz en el visible e IR cercano desde 350-2500 nmregida por las leyes de emisión del cuerpo negro. La radiación emitida depende de la temperatura.
Filamento de Wo W+I2
Fuentes de radiación -UV
Lámpara de Arco de Xenón(lámpara de descarga)
Se basa en la descarga entre dos electrodos en un bulbo de cuarzo con Xe a alta presión, la excitación de Xe produce la emisión de luz contínua entre 250 y 600 nm.
Selector de longitudes de onda
Monocromador con red
Selector de longitudes de onda
Monocromador con prisma
Selector de longitudes de onda
Los filtros trabajan absorbiendo todas las radiaciones excepto una banda estrecha de radiación procedente de la fuente continua. A un filtro se lo caracteriza por o general por una longitud de onda nominal, un porcentaje máximo de transmitancia y un ancho de banda efectivo.
Recipientes para la muestraLos recipientes que contienen la muestra normalmente se llaman celdas o cubetas y deben estar fabricados de un material transparente en la región espectral de interés.
Detectores
LOS DETECTORES DE FOTONES SON DISPOSITIVOS QUE TRANSFORMAN LA ENERGIA RADIANTE EN UNA SEÑAL ELÉCTRICA
Detectores: Requisitosresponder rápidamente a bajos niveles de energía radiante en un amplio rango de longitudes de ondadebe producir una señal eléctrica que se amplifique fácilmentetener un nivel de ruido relativamente bajola señal eléctrica producida debe ser directamente proporcional a la potencia del haz.G = kP + k´Siendo:G = es la respuesta (en unidades de corriente, resistencia o potencial)k = cte que mide la sensibilidad del detectork´= respuesta constante, conocida como corriente oscura, aún cuando no llegue radiación al detector.
Detectores
Fototubo: La radiación causa una emisión de electrones de una superficie sólidafotosensible.
Basado en elefecto fotoelectrico.
•Son muy sensibles a la radiación VIS y UV.•Tienen tiempos de respuesta muy rápidos.•Solo pueden medir radiación de baja potencia.•Su sensibilidad viene limitada por la corriente oscura debida a la amplificación.
Fototubo UV
Otros equipos de espectroscopia UV-visible
Otros equipos de espectroscopia UV-visible
Spectronic 20
Espectroscopia
de emisión y absorción atómica
Mientras que la mayoría de las técnicas espectroscópicas se utilizan para el estudio y caracterización de moléculas o iones en su entorno cristalino, la espectroscopía de emisión y absorción atómica se usa casi exclusivamente para el análisis de átomos.
La técnica resulta casi insuperable como método de análisis elemental de metales.
La espectroscopía de emisión puede utilizarse para la identificación y para la determinación cuantitativa de todos los elementos de la tabla periódica.
Pueden identificarse tres clases diferentes de procesos de emisión que difieren en cómo la sustancia alcanza el estado excitado previo a la emisión.
a) Emisión a partir de una excitación electromagnética. b) Emisión a partir de excitación térmica. c) Emisión a partir de excitación eléctrica.
Los tipos más importantes de espectros de emisión se basan en la utilización de energía no electromagnética para llevar a un átomo o a una molécula al estado excitado, a partir del cual se miden las emisiones de radiación. El proceso puede describirse según:
X + energía térmica o eléctrica → X* (excitado)
X* → X + hν (emisión)
El estudio espectroscópico de átomos (iones o moléculas) se hace en fase gaseosa.
Primer paso es la atomización de la muestra y con ello se determina la sensibilidad, precisión y exactitud del método.
Clasificación de los métodos espectrales atómicosmétodo de atomización
temperatura típica de atomización (ºC)
Base del método nombre común y abreviatura del método
Absorción Espectroscopía de absorción AASEmisión Espectroscopía de emisión atómica AESLlama 1750-3150
Fluorescencia Espectroscopía de fluorescencia atómica AFS
Absorción Espectroscopía de absorción atómica electrotérmica
Electrotérmico 1200-3000Fluorescencia Espectroscopía de fluorescencia atómica
electrotérmicaPlasma de Aracolado por inducción
6000-8000 Emisión Espectroscopía de plasma acoplado por inducción ICP
Plasma de Ar de corriente continua 6000-10000 Emisión Espectroscopía de plasma de corriente
continua DCChispa eléctrica o
arco 40000 Emisión Espectroscopía de emisión de chispa
Equipos
emisión
absorción
Aplicaciones
Señal = k × C
análisis de rutina de los metales alcalinos, alcalino-térreos, (son los más fácilmente excitables y cuya determinación por otros métodos es por lo general complicada, ejemplo sodio en aguas)
Dificultad: controlarlas distintas variables:temperatura de la llamapresión de los gasesAltura de la llama
La correlación entre la intensidad de la señal y la concentración del elemento emisor en una solución permita la utilización de este fenómeno con fines cuantitativos.
Señal = k × C
Fuentes de errorFactores instrumentales
dependen del instrumento:tipo y forma de mecherotamaño de la llamapresión del comburente -combustible, etc.
Interferencias:
dependen de la composición de la solución y de la presencia de otras especies diferentes del analito. causan aumento o depresión de la señal
InterferenciasDisminución de la señal por disminución del grado de disociación de la sal del analito
Aumento de la señal debido a la presencia de otro metal fácilmente ionizable
Aumento de la señal debido a la presencia de elementos que emiten a longitudes de onda muy cercanas a la del analito y el equipo empleado no puede separarlas
Fluorescencia y Fosforescencia
FluorescenciaEs una técnica de emisión de radiación
se produce después de la absorción de un fotón por parte del constituyente, seguida por la pérdida de la energía adquirida por un mecanismo de intercambio de calor (choques moleculares) y por emisión de un nuevo fotón.
Las sustancias orgánicas de moléculas grandes y rígidas son las que presentan esta importante cualidad analítica cuantitativa. La fluorimetría utiliza en general la radiación ultravioleta como agente de excitación y la radiación emitida cae frecuentemente en la zona visible.
Fosforescencia
Se diferencia de la fluorescencia en que la molécula excitada queda después de los choques en un estado metaestable y no emite el fotón inmediatamente, sino lo que retiene un cierto tiempo. Se aplica a sustancias orgánicas con dobles enlaces conjugados y en general se debe hacer a bajas temperaturas.
Diagrama de niveles de energía
Salto electrónico
Diagrama de niveles electrónicos
Espectro de absorción y fluorescencia
Instrumental
Medida
Requiere curva de calibraciónPreparación de soluciones patrón
La señal es directamenteproporcional a la concentración
S = kC
Curva de calibración
Aplicaciones
Sin duda alguna las aplicaciones más importantes en la fluorométria son:en análisis de alimentosde productos naturales
AplicacionesCompuestos Orgánicos:
adenina, ácido antranílico, cisteína, hidrocarburos aromáticos policíclicos, indol, naftol, proteínas, ácido salicílico, escatol, triptófano, ácido úrico, adrenalina, alquilmorfina, LSD, penicilina, fenobarbital, procaína, reserpina, clorofila, alcaloides, flavonoides, esteroides, ácido ascórbico, ácido fólico, nicotinamida, piridoxal, corticoesteroides, estrógenos, progesterona, andrógenos, ácidos biliares, colesterol, triglicéridos, creatinina, deshidrogenasas, transaminasas, fosfatasas, perioxidasas, ATP, luciferina, luciferasa, vitaminas: A, B1, B2, B6, C y la E, etc.
Aplicaciones
Compuestos Inorgánicos: cianuro, fluoruro, sulfatos, fosfatos, aluminio, arsénico, berilio, boro, calcio, magnesio, tierras raras, selenio, uranio, etc.
Ventajas frente a otras técnicas espectroscópicas
Alta sensibilidadLímites de detección del orden de las partes por billóngran intervalo de linealidadAlta selectividad
Técnicas no espectroscópicas
Turbidimetría y Nefelometría
Turbidimetría y Nefelometría
Se aplica a soluciones turbias o sea cuando debemos analizar una suspensión de partículas sólidas en un líquidoSe basan en la dispersión de la luz
¿Qué fenómeno ocurre?Cuando una solución turbia se interpone en la trayectoria de la luz:la potencia radiante que llega al detector es menor que la que llegaría si se tratara de un líquido transparente (no absorbente).Esta reducción es el resultado de la dispersión causada por reflexión y refracción en las partículas suspendidas.La luz se dispersa en todas direcciones y por consiguiente el poder de radiación del haz que llega al detector disminuye de modo considerable.
De que dependeLa concentración: Mayor sea el número de partículas, mayor es la dispersión.Tamaño de la partícula: Factores como el pH, la velocidad y orden de la mezcla, concentración de los reactivos, duración del estado de reposo y la fuerza iónica.Longitud de onda: Generalmente las muestras se iluminan con luz blanca, pero si están coloreadas, se debe escoger una porción del espectro electromagnético en la que la absorción del medio se reduzca al mínimo.
¿Qué medimos?
La luz que lega al detectorIgual que en espectrofotometría de absorción
Podemos usar el mismo equipamiento que en absorción
Turbidímetro de campo Turbidímetro de laboratorio
Turbidímetros
Aplicaciones
concentración bacterianasulfato en aguas
NefelometríaSe basa en la dispersión de la radiación que atraviesan las partículas de materia. Cuando la luz atraviesa un medio transparente en el que existe una suspensión de partículas sólidas, se dispersa en todas direcciones y como consecuencia se observa turbia. La intensidad depende de: el número de partículas suspendidas, su tamaño, su forma, los índices refractivos de la partícula y del medio dispersante, y la longitud de onda de la radiación dispersada
InstrumentoUn nefelómetro. Los componentes principales son muy similares a los del instrumental empleado en las mediciones especpectrofluorimétricas. El detector generalmente forma un ángulo de 90° con el haz incidente.
Instrumento
Ventajas
Diferencia con la turbidimetríaLa elección entre uno de ambos métodos reside en la dispersión de luz, si es extensa, es apropiado aplicar la turbidimetría, en cambio si es mínima es apropiada la nefelometría. De la nefelometría se obtienen mejores resultados, porque determina concentraciones de pocas partes por millón (ppm), con una precisión de 1 al 5%.