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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGIA E INGENIERÍA PROGRAMA DE QUÍMICA PURA 401539 - ESPECTROSCOPÍA Nelson Jair Castellanos Márquez (Director Nacional) Javier Eduardo Villamizar Rojas Acreditador Bucaramanga Septiembre de 2012 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO El presente módulo fue diseñado en el año 2012 por el profesor Nelson Castellanos, docente de la UNAD, y ubicado en el CEAD de Bucaramanga. El Dr. Castellanos es Químico de profesión, hizo sus respectivos estudios doctorales en Química y ha sido catedrático de diversas universidades en Santander, vinculándose como tutor de la UNAD a partir del año 2011. Este documento se puede copiar, distribuir y comunicar públicamente bajo las condiciones siguientes: • Reconocimiento. Debe reconocer los créditos de la obra de la manera especificada por el autor o el licenciador (pero no de una manera que sugiera que tiene su apoyo o apoyan el uso que hace de su obra). • No comercial: No puede utilizar esta obra para fines comerciales. • Sin obras derivadas: No se puede alterar, transformar o generar una obra derivada a partir de esta obra. • Al reutilizar o distribuir la obra, tiene que dejar bien claro los términos de la licencia de esta obra. • Alguna de estas condiciones puede no aplicarse si se obtiene el permiso del titular de los derechos de autor • Nada en esta menoscaba o restringe los derechos morales del autor. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía INTRODUCCIÓN El curso académico de Métodos Espectroscópicos de Análisis proporciona los fundamentos básicos y esenciales para el análisis y elucidación de compuestos químicos, utilizando diferentes técnicas analíticas basadas en la interacción entre la materia y la radiación electromagnética. Este curso académico tiene una valoración equivalente a 3 (tres) créditos académicos y se inscribe en el campo de formación disciplinar. Es básico para la formación en el área de la química analítica, ya que debe proporcionar los fundamentos conceptuales y prácticos de la disciplina, para la comprensión de sus leyes y sus métodos, a partir de su aplicación en diferentes procesos tecnológicos y la descripción de fenómenos naturales. El contenido del curso busca proveer al estudiante de química de los fundamentos conceptuales y prácticos de las principales técnicas de análisis, para la comprensión de sus principios y sus herramientas, que faciliten su aplicación en investigación y desarrollo tecnológico. El dominio del tema se hace necesario y fundamental en todo profesional en el área de la química, por su implicación directa en el diario vivir y desarrollo de esta disciplina de la ciencia. Los métodos espectroscópicos basados en la absorción de energía, como son el de absorción Ultravioleta-visible, absorción Infrarroja o absorción Atómica representan la herramienta inicial y de más fácil acceso para la identificación inicial de un compuesto. Por otra parte, los métodos basados en la emisión de energía, tecnológicamente más novedosos son igualmente importantes y complementarios. Adicionalmente, se destacan la Resonancia Magnética Nuclear RMN o el análisis por espectrometría de masas, métodos que ningún profesional en la química podría dejar de conocer o aplicar cuando de identificación estructural se trata. Así mismo, el curso pretende propiciar en los estudiantes el desarrollo de habilidades de pensamiento creativo y destrezas instrumentales en el área analítica, que a futuro conlleven a plantear nuevas propuestas tecnológicas. Con base en estas necesidades, la estructura del curso se rige por tres unidades didácticas: Unidad 1, denominada Métodos espectroscópicos basados en la absorción de energía, Unidad 2, Métodos espectroscópicos basados en la emisión de energía y Unidad 3, denominada Otros métodos espectroscópicos de aplicación. La metodología de evaluación para este curso consiste en el reconocimiento de los principios teóricos, que permitan la solución de problemas que se plantean en el material didáctico. Igualmente, que la solución que el estudiante plantee en cada problema se discutan en las horas de acompañamiento y en las horas de UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía práctica permitiendo al estudiante sacar conclusiones claras y acordes a la técnica utilizada. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía INDICE DE CONTENIDO 1. UNIDAD 1. MÉTODOS BASADOS EN LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA 31 CAPITULO 1: ESPECTROFOTOMETRÍA DE ABSORCIÓN MOLECULAR ULTRAVIOLETA-VISIBLE 33 Lección 1: Radiación electromagnética y su interacción con la materia. 34 1.1.1 Descripción Ondulatoria de la Luz. 35 Lección 2: Teoría de la absorción molecular UV-VIS 40 1.2.1 Origen y características del espectro de absorción UV-VIS 40 1.2.1.1 Absorción de especies moleculares 42 1.2.1.2 Moléculas con solo enlaces σ 43 1.2.1.3 Moléculas con electrones no enlazantes n 43 1.2.1.4. Moléculas con enlaces π 44 1.2.1.5 Compuestos orgánicos cromóforos 45 1.2.1.6 Absorción de grupos inorgánicos. 47 Lección 3: Transmitancia y Absorbancia 48 1.3.1 Ley de Lambert-Beer 48 1.3.2 Desviaciones de la ley de Lambert-Beer 50 1.3.2.1 Presencia de electrolitos 51 1.3.2.2 Concentración de iones de hidrógeno 52 1.3.2.3 Asociación y disociación de complejos 53 1.3.2.4 Radiación no monocromática 53 1.3.2.5 Concentración del analito 54 Lección 4: Aplicación de la espectrometría de absorción Molecular UV-Visible 55 1.4.1 Análisis cualitativo 55 1.4.2 Análisis cuantitativo 56 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 1.4.2.1 Formación de una especie de absorción. 57 1.4.2.2 Selección de la longitud de onda de medición. 57 1.4.2.3 Factores que influyen en el control de la absorbancia. 58 1.4.2.4 Validación de la ley de Lambert-Beer. 58 1.4.2.5 Métodos de cuantificación 59 Lección 5: Instrumentación de la espectrofotometría UV-VIS 63 1.5.1 Fuentes de radiación 63 1.5.2 Compartimientos de muestras 64 1.5.3 1.5.4 1.5.5 1.5.2.1 Muestras líquidas 64 1.5.2.2 Muestras gaseosas 65 1.5.2.3 Muestras sólidas 65 1.5.2.4 Cuidado de las celdas 66 Selectores de longitud de onda 66 1.5.3.1 Los filtros de absorción 67 1.5.3.2 Monocromadores 69 Detectores 71 1.5.4.1 Fototubo 72 1.5.4.2 Tubo fotomultiplicador (PM) 72 1.5.4.3 Detector arreglo de diodos 73 Adquisición y procesamiento de datos 73 CAPITULO 2: ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN INFRARROJA (IR). 76 Lección 6. Modelo mecánico de las vibraciones de tensiones en moléculas 77 2.6.1 Moléculas diatómicas 77 2.6.2 El oscilador armónico 78 Lección 7. Teoría de la absorción en el IR 2.7.1 Origen del espectro de infrarrojo 81 81 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 2.7.1.1 Acoplamiento vibracional Lección 8: Instrumentación: fuentes y detectores 2.8.1 Fuentes. 85 86 86 2.8.1.1 La fuente globar 87 2.8.1.2 El emisor de Nernst 87 2.8.1.3 Filamento incandescente 87 2.8.1.4 El arco de mercurio 88 2.8.1.5 Lámpara de tungsteno 88 2.8.1.6 Fuente de LASER de dióxido de carbono 88 2.8.2 Monocromadores. 88 2.8.3 Detectores 89 2.8.3.1 Detectores térmicos 89 2.8.3.2 Detectores fotoconductores 91 Lección 9: Aplicación de la Espectrometría en el Infrarrojo 2.9.1 2.9.2 Tratamiento de las muestras 92 93 2.9.1.1 Muestras de gases 93 2.9.1.2 Muestras liquidas 93 2.9.1.3 Muestras solidas 94 Análisis cualitativo 2.9.2.1 Procedimientos rápidos para el análisis de infrarrojos Lección 10: Análisis de espectros de la región del IR 2.10.1 Absorciones en hidrocarburos 95 99 101 101 2.10.1.1 Alcanos 101 2.10.1.2 Alquenos 103 2.10.1.3 Alquinos 105 2.10.1.4 Aromáticos 106 2.10.1.5 Alcoholes 108 2.10.1.6 Aminas 109 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 2.10.1.7 Aldehídos y cetonas 109 2.10.1.8 Ácidos carboxílicos y ésteres 111 CAPITULO 3: ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA (AA) 116 Lección 11: Bases Teóricas de la Espectroscopia de Absorción Atómica 118 3.11.1 Ventajas 120 3.11.2 Desventajas 120 3.11.3 Ensanchamiento de las líneas espectrales 121 3.11.3.1 Anchura de línea efectiva 121 3.11.3.2 Ensanchamiento de presión 123 3.11.3.3 Ensanchamiento producido por campos eléctricos y magnéticos Lección 12: Métodos de Introducción de las muestras 3.12.1 Proceso de atomización 123 124 124 3.12.1.1 Transporte de la muestra 125 3.12.1.2 Nebulización 125 3.12.1.3 Transporte del aerosol 126 3.12.2 Características de la llama 126 3.12.2.1 La región interna 126 3.12.2.2 La zona intermedia 127 3.12.2.3 La zona externa 127 3.12.3 Temperaturas de algunas llamas 128 3.12.3.1 Desolvatación 129 3.12.3.2 Vaporización 130 3.12.4 Equilibrios entre especies vaporizadas 3.12.4.1 Formación de especies moleculares Lección 13: Instrumentación en AA 3.13.1 Instrumentos de un solo haz 130 130 133 133 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 3.13.2 Instrumentos de doble haz 134 3.13.3 Fuentes de radiación 135 3.13.3.1 Lámparas de cátodo hueco 135 3.13.3.2 Lámparas de descarga sin electrodos 136 3.13.4 Sistemas de atomización 136 3.13.5 Monocromadores 137 3.13.6 Detectores 137 Lección 14: Interferencias en AAS 3.14.1 Interferencias espectrales 138 138 3.14.1.1 Traslapamiento de líneas atómicas. 138 3.14.1.2 Interferencia por dispersión por partículas 138 3.14.1.3 Interferencia por traslapamiento de bandas moleculares 138 3.14.2 Interferencias no espectrales 139 3.14.2.1 Interferencia por ionización 139 3.14.2.2 Interferencia por propiedades físicas de las soluciones 139 3.14.2.3 Interferencias por volatilización de soluto Lección 15: Detalles prácticos al realizar un Análisis por AA 140 141 3.15.1 Selección de las condiciones de operación 141 3.15.2 Preparación y disolución de las muestras 142 3.15.2 Análisis cuantitativo 142 3.15.2.1 Técnica de adición de estándar 142 3.15.2.2 Métodos directos 143 3.15.2.3 Métodos indirectos 145 Ejercicios (Unidad 1 – Capítulo 3) 147 2. 150 UNIDAD 2. MÉTODOS BASADOS EN LA EMISIÓN DE ENERGÍA CAPITULO 4: ESPECTROSCOPÍA DE EMISIÓN ATÓMICA 151 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 16: La radiación electromagnética 151 Lección 17: Principios básicos de la espectroscopia de emisión atómica (E.E.A). 153 4.17.1 Ventajas 155 4.17.2 Desventajas 156 4.17.3 Fuentes de energía. 156 4.17.3.1 Energía de excitación 157 Lección 18: Instrumentación de la E.E.A. 158 4.18.1 Fuentes de excitación 158 4.18.1.1 La llama 158 4.18.1.2 El arco eléctrico con corriente directa 159 4.18.1.3 El arco eléctrico con corriente alterna de alto voltaje. 159 4.18.1.4 La chispa eléctrica con corriente alterna 159 4.18.1.5 La microsonda láser 161 4.18.2 Monocromadores. 161 4.18.3 Detectores. 162 Lección 19: Espectrometría de emisión atómica con fuente de plasma 165 4.19.1 Introducción de la muestra 168 4.19.2 Características del plasma de acoplamiento inductivo (ICP) 169 4.19.3 Aplicaciones de la ICP 170 Lección 20: Espectroscopia de emisión con fuentes de arco y chispa 4.20.1 Tipos de muestra y manipulación de la muestra 172 172 4.20.2 Instrumentos para la espectroscopia con fuentes de arco o de chispa 173 4.20.3 Espectroscopia de emisión con fuente de arco 173 4.20.3.1 Características de las fuentes de arco 174 4.20.3.2 Bandas espectrales debido al cianógeno 174 4.20.3.3 Velocidad de emisión 174 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 4.20.3.4 Aplicaciones de la fuente de arco 174 4.20.4 Fuentes de chispa y espectros de chispa. 175 4.20.4.1 Aplicaciones de la espectroscopia con fuente de chispa 175 Ejercicios (Unidad 2 – Capítulo 4) 177 CAPÍTULO 5: ESPECTROSCOPIA DE FLUORESCENCIA 179 Lección 21: Teoría de la fluorescencia molecular 180 5.21.1 Fenómeno de relajación vibracional 180 5.21.2 Variables que afectan la fluorescencia 182 5.21.2.1 Rendimiento cuántico 182 5.21.2.2 Estructura 182 5.21.2.3 Rigidez estructural 184 5.21.2.4 Temperatura y disolvente 184 5.21.2.5 Efecto del pH 184 5.21.2.6 Efecto de la concentración 185 Lección 22: Instrumentación 186 5.22.1 Los prismas 187 5.22.2 Las cubetas 187 5.22.3 Los detectores 187 Lección 23: Relación entre intensidad de fluorescencia y concentración 188 5.23.1 Autoatenuación. 190 5.23.2 Autoabsorción. 190 Lección 24: Aplicaciones de los métodos de fluorescencia 5.24.1 Sustancias inorgánicas 192 192 5.24.1.1 Análisis directo 192 5.24.1.2 Formación de quelatos fluorescentes. 192 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 5.24.1.3 Determinaciones indirectas. 193 5.24.2 Sustancias orgánicas 194 5.24.3 Química clínica 196 5.24.4 Fármacos y drogas 198 5.24.5 Química Agroalimentaria 199 5.24.6 Contaminación ambiental 199 Ejercicios (Unidad 2 – Capítulo 5) 204 CAPÍTULO 6: ANÁLISIS DE SUPERFICIES POR MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS 207 Lección 25: Espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) 208 6.25.1 Descripción de la técnica 208 6.25.2 Interacción de la radiación X sobre la materia. 209 6.25.3 Energía de enlace y ajuste químico 211 6.25.3.1 Energía de enlace de referencia 213 6.25.4 Características de los espectros 214 6.25.5 Instrumentación 216 6.25.6 Aplicaciones de la espectroscopia fotoelectrónica de rayos X 217 Lección 26: Microscopia Electrónica de Barrido (SEM) 6.26.1 Antecedentes 6.26.2 Funcionamiento Lección 27: Instrumentación y aplicaciones de la microscopía SEM 221 222 222 224 6.27.1 Formación de la imagen 225 6.27.2 Geología 225 6.27.3 Estudio de materiales 225 6.27.4 Metalurgia 226 6.27.5 Odontología 226 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 6.27.6 Control de Calidad Lección 28: Microscopia Electrónica de Transmisión (TEM) 6.28.1 Instrumentación 227 228 230 6.28.1.1 Cañón electrónico 230 6.28.1.2 Condensadores 231 6.28.1.3 Plataforma para la colocación de la muestra 231 6.28.1.4 Objetivo 231 6.28.1.5 Lente intermedia 231 6.28.1.6 Lente de proyección 231 6.28.1.7 Cámara de observación 232 6.28.1.8 Cámara fotográfica 232 6.28.2 Modos de formación de la imagen Lección 29: Aplicaciones de la Microscopia Electrónica de Transmisión 6.29.1 Aplicaciones del TEM en Biología 232 234 234 Ejercicios (Unidad 2 – Capítulo 6) 236 3. UNIDAD 3. OTROS MÉTODOS INSTRUMENTALES 238 CAPITULO 7: ESPECTROMETRÍA DE MASAS 239 Lección 30: Aspectos generales de la espectrometría de masas (MS) 241 7.30.1 Proceso de Ionización electrónica 241 7.30.2 Medición de la masa atómica 242 Lección 31: Instrumentación 7.31.1 Introducción de la muestra 244 244 7.31.1.1 Introducción indirecta 244 7.31.1.2 245 Introducción directa UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 7.31.1.3 Introducción a partir de un cromatógrafo de gases 7.31.2 Ionización de la muestra 245 246 7.31.2.1 Fuentes De Fase Gaseosa 247 7.31.2.2 249 Fuentes De Desorción 7.31.3 Analizadores de masa 252 7.31.3.1 Analizadores de sector magnético 253 7.31.3.2 Analizador de masa de Cuadrupolo. 253 7.31.3.3 Analizador de trampa de iones (IT-MS, ion-trap MS o ITD, ion trap detector) 255 7.31.3.4 Analizadores de tiempo de vuelo 255 7.31.4 Detectores 257 7.31.4.1 Electromultiplicadores 257 7.31.4.2 Detector (colector) iónico compuesto 258 7.31.5 Acoplamiento con otras técnicas instrumentales 7.31.5.1 259 Acoplamiento cromatografía-espectrometría de masas. 260 7.31.5.2 Cromatografía líquida-espectrometría de masas (CL/EM) 261 7.31.6 Espectrometría de masas en tándem Lección 32: Indicadores de la eficiencia de un espectrómetro de masas 262 266 7.32.1 Límite de masas superior o alcance de masas 266 7.32.2 Poder de resolución. 266 7.32.3 Transmisión 268 7.32.4 Sensibilidad 268 7.32.5 Límite de detección 269 Lección 33: Aplicaciones de la espectrometría de masas 7.33.1 Aplicaciones cualitativas 270 270 7.33.1.1 Determinación de la formula molecular. 7.33.1.2 Identificación de compuestos por su fragmentación patrón271 7.33.1.3 Identificación de productos de reacción o de productos metabólicos 271 271 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 7.33.1.4 Caracterización y análisis de polímeros 271 7.33.1.5 Análisis de sangre 272 7.33.1.6 Análisis proteómico 272 7.33.1.6 Estudiar la abundancia de isótopos 272 7.33.2 Aplicaciones cuantitativas. 274 7.33.2.1 Determinación cuantitativa de especies moleculares o tipos de especies moleculares en muestras orgánicas, biológicas y ocasionalmente inorgánicas 274 7.33.2.2 Determinación de la concentración de elementos en muestras inorgánicas y, en menor medida, de muestras orgánicas y biológicas: 274 Lección 34: Espectros de masas moleculares 275 7.34.1 Reglas de Fragmentación 280 7.34.2 Ruptura alquílica 281 7.34.3 281 Ruptura olefínica 7.34.4 Ruptura alílica 282 7.34.5 Ruptura bencílica 282 7.34.6 Ruptura en α con formación de ión onio 282 7.34.6 Ruptura heterolítica inducida por heteroátomos 283 7.34.7 Ruptura de retro-Diels Alder (RDA) 284 7.34.8 Reordenamiento de hidrógeno en posición γ inducido por dobles enlaces y heteroátomos (Reordenamiento de McLafferty) 284 7.34.9 Transposición radicálica (ciclohexanona) 285 7.34.10 Transposición de hidrógeno a través de un estado de transición de 4 miembros 286 7.34.11 Retroadición 1,4 (Efecto orto) Ejercicios (Unidad 3 – Capítulo 7) 286 300 CAPITULO 8: ESPECTROSCOPÍA DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR 303 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 35: Teoría de la Resonancia magnética nuclear 305 8.35.1 Señales de núcleos vibratorios 305 8.35.2 Los experimentos de I. I. Rabi 306 8.35.3 Un tipo diferente de resonancia 308 8.35.4 Cronología 310 Lección 36: Resonancia magnética nuclear de protones 312 8.36.1 Teoría básica de la resonancia magnética nuclear de protones ( 1HNMR) 312 8.36.2 El espín y el fenómeno de la resonancia magnética nuclear Lección 37: Descripción general de un equipo de RMN 313 318 8.37.1 Magneto o imán 318 8.37.2 Emisor de radiofrecuencias 318 8.37.3 Detector de radiofrecuencias 318 8.37.4 Sistema de barrido 319 8.37.5 Sistema portador de la muestra 319 Lección 38: Interpretación de los espectros de primer orden en RMN 1H 320 8.38.1 El desplazamiento químico. 320 8.38.2 El efecto diamagnético 321 8.38.3 Otros mecanismos de desplazamiento químico. 323 8.38.3.1 Efecto paramagnético: 323 8.38.3.2 Efecto anisotrópico magnético 325 8.38.3.3 Equivalencia entre protones 329 8.38.4 Equivalencia en los alquenos 337 8.38.4.1 Alquenos monosustituidos 337 8.384.2 Alquenos disustituidos 337 8.38.5 ¿En qué orden y como aparecen las absorciones de los distintos protones? 338 8.38.6 Los patrones de referencia en resonancia magnética de protones 340 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 8.38.7 Tablas de desplazamiento químico. 344 8.38.10 346 Multiplicidad en resonancia magnética nuclear de protones. 8.38.10.1 Cómo aparecen las multiplicidades. 348 8.38.10.2 Los diagramas de árbol. 349 8.38.10.3 El triángulo de pascal. 355 8.38.11 Integración de las señales 8.38.12 Espectroscopia de resonancia magnética nuclear de 358 13 C Lección 39: Aplicaciones de la espectroscopia de RMN 359 362 8.39.1 RMN de compuestos paramagnéticos 363 8.39.2 RMN Cuantitativa 363 8.39.3 Imagenología por RMN (MRI, Magnetic Resonante Imaging). 363 Ejercicios (Unidad 3 – Capítulo 8) 364 CAPITULO 9: ESPECTROSCOPÍA RAMAN 366 Lección 40: Teoría de la Espectroscopía Raman 367 9.40.1 Dispersión. 367 9.40.2 Dispersión Raman. 368 9.40.2.1 Líneas Stokes y anti-Stokes. 369 9.40.2.2 Independencia de la luz incidente. 371 9.40.2.3 Intensidad de las líneas Stokes y anti-Stokes. 371 Lección 41: Modelo clásico de la dispersión de Raman 372 Lección 42: Instrumentación 374 9.42.1 Fuentes 374 9.42.2 Sistema de Iluminación de las muestras 376 9.42.2.1 Muestras líquidas 376 9.42.2.2 Muestras sólidas 377 9.42.3 Espectrógrafo 377 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 9.42.4 Detector 378 9.42.5 Espectroscopía Raman con transformada de Fourier (FT-Raman) 378 9.42.5.1 Principio de la espectroscopía FT-Raman 378 9.42.5.2 Preparación y montaje de las muestras. 380 9.42.5.3 Dispositivo de detección. 380 9.42.5.4 El problema de la fluorescencia. 382 Lección 43: Aplicaciones de la espectroscopía Raman 383 9.43.1 Aplicación a la identificación de materiales pictóricos 383 9.43.2 384 Industria petroquímica 9.43.3 Aplicaciones biomédicas 384 9.43.4 Industria alimentaria 384 9.43.5 Medio ambiente 384 Lección 44: Espectros de IR y Raman 9.44.1 Estiramientos del grupo X-H (X = O, S, P, N, SI, B) Ejercicios (Unidad 3 – Capítulo 9) 385 385 387 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía LISTADO DE TABLAS Tabla 1. Carta de colores complementarios 68 Tabla 2. Grupos orgánicos funcionales con sus respectivas vibraciones más comunes. 97 Tabla 3. Flexión C-H fuera del plano en la región 690-900 cm-1 para aromáticos. 107 Tabla 4. Temperaturas de algunas llamas. 128 Tabla 5. Efecto de la sustitución en la fluorescencia del benceno 183 Tabla 6. Determinación fluorimétrica de especies inorgánicas. 193 Tabla 7. Determinación fluorimétrica de vitaminas 195 Tabla 8. Determinación fluorimétrica de fármacos y drogas 198 Tabla 9. Desplazamientos químicos. 345 Tabla 10. Desplazamientos químicos para algunas especies químicas. 361 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS Figura 1. Componentes magnético y eléctrico sinusoidales perpendiculares entre sí respecto a la dirección de propagación, los cuales representan un haz de luz polarizada en el plano. 34 Figura 2. Representación bidimensional del vector eléctrico de un haz de luz monocromático. 35 Figura 3. Porción de la representación gráfica del espectro electromagnético de la región del UV hasta la región del microondas. 40 Figura 4. Espectros de absorción (A) fase gaseosa; (B) fase solución 41 Figura 5. (1) Lámpara o fuente de luz, (2) rendija 1, (3) monocromador, (4) rendija 2, (5) cubeta con muestra, (6) rendija 3, (7) detector y transductor, (8) registro de señal. 42 Figura 6. Esquema de la molécula de metano. 43 Figura 7. Esquema de la molécula de amoniaco 44 Figura 8. Espectro de absorción UV-VIS y esquema de la molécula de etanol. 45 Figura 9. Esquema de las posibles transiciones que se presentan en UV-VIS. 46 Figura 10. Esquema del paso de la radiación a través de una celda espectrofométrica. 49 Figura 11. Fenómenos ópticos que suceden en el interior de una celda 50 Figura 12. Tipos de desviaciones que presentan en una curva de calibración 51 Figura 13. Punto isosbestico en un espectro de absorción UV-VIS. 53 Figura 14. Espectros UV-VIS de colorante azoico (azul) y permanganato (rojo). 56 Figura 15. Ejemplo de una gráfica de una curva de calibración externa. 60 Figura 16. Ejemplos de fuentes de radiación. (a) Lámpara de deuterio para el rango UV. (b) Lámpara de tungsteno para el rango visible. 64 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 17. Cubetas o celdas comúnmente empleadas en espectrofotometría UVVIS. 65 Figura 18. Filtro usado en espectrofotometría para medir absorbancia. 67 Figura 19. Dispersión de la luz por un prisma. 69 Figura 20. Esquema de un prisma monocromador 70 Figura 21. Difracción de la radiación hecha por una rejilla. 70 Figura 22. Diagrama de una rejilla monocromática. 71 Figura 23. Detectores fotomultiplicador. de radiación UV-VIS; a) Fototubo y b) Tubo 72 Figura 24. Modelo de molécula diatómica. 78 Figura 25. Modelo de vibración para una molécula diatómica. 78 Figura 26. Potencial y niveles de energía del oscilador armónico 79 Figura 27. Tipos de vibraciones moleculares. NOTA: (+) indica un movimiento del plano de la página hacia el observador; (-) indica un movimiento del plano de la página alejándose del observador. 83 Figura 28. Espectro de absorción IR del CH3OH. 84 Figura 29. Esquema de un espectrofotómetro de doble haz de radiación IR. 86 Figura 30. Vibraciones de tensión más importantes en grupos C-H 102 Figura 31. Espectro del heptano mostrando las vibraciones de tensión. 102 Figura 33. Espectro de 1-octeno. 104 Figura 34. Espectro IR del 1-hexeno 104 Figura 35. Espectros IR del 1-hexino (arriba) y del 1-decino (abajo). 105 Figura 36. Correlaciones espectro-estructura de las sustituciones del anillo bencénico en la región de 2000 a 1667 cm-1. 106 Figura 37. Espectro IR del tolueno 107 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 38. Espectro IR del alcohol sec-butilico. 108 Figura 39. Espectro IR de la sec-butilamina. 109 Figura 40. Espectro IR del n-butiraldehido. 110 Figura 41. Espectro IR de la 2-butanona. 110 Figura 42. Espectro IR del ácido propiónico. 111 Figura 43. Espectro IR del acetato de metilo. 111 Figura 44. Transiciones de absorción electrónica para el sodio y el potasio. 118 Figura 45. Espectro de absorción atómica para la cuantificación de cadmio en agua de mar empleando el método de adición de estándar interno. 119 Figura 46. Espectro de absorción atómica para una matriz que contenía los metales Fe, Ni y Cr. 120 Figura 47. Esquema de una línea de absorción atómica. 122 Figura 48. Esquema de las etapas del proceso de atomización. 124 Figura 49. Esquema de la cámara de nebulización empleada en absorción atómica. 126 Figura 50. Zonas que se presentan en un llama típica. 127 Figura 51. Partes principales de un espectrómetro de absorción atómica de un solo haz. 133 Figura 52. Sistema de doble haz de un espectrómetro de absorción atómica 134 Figura 53. Lámpara de cátodo hueco. 135 Figura 54. Esquema de la emisión de radiación en el cátodo. 136 Figura 55. Ondas electromagnéticas 151 Figura 56. A. Explicación de las transiciones electrónicas; B. Espectro de emisión del hierro. 153 Figura 57. Circuito para una fuente de chispa. 160 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 58. Microsonda láser 161 Figura 59. Curva característica H y D para una emulsión fotográfica a dos longitudes de onda. 163 Figura 60. Espectrómetro de emisión con plasma de acoplamiento inductivo 165 Figura 61. Típica fuente de plasma de acoplamiento inductivo 166 Figura 62. Representación esquemática de la formación del plasma. 167 Figura 63. Plasma acoplado inductivamente 168 Figura 64. Nebulizador concéntrico 168 Figura 65. Algunas formas características de los electrodos de grafito. 173 Figura 66. Diagrama parcial de energía para un sistema fotoluminiscente 180 Figura 67. Componentes básicos de un fluorímetro 186 Figura 68. Relación entre la intensidad de fluorescencia y la concentración 189 Figura 69. Determinación fluorimétrica del cianuro. 194 Figura 70. Estructura química de la vitamina A. 195 Figura 71. (I) Ninhidrina reactivo empleado en la detección de huellas; (II) producto obtenido de la reacción con ninhidrina. 197 Figura 72. Producto fluorescente obtenido en la reacción realizada en la detección de huellas. 198 Figura 73. Método fluorimétrico para la determinación de hidrocarburos aromáticos polinucleares. 200 Figura 74. Equipo de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X 208 Figura 75. (Izquierda) Superficie irradiada con una fuente de fotones de alta energía que provoca la emisión de electrones. (Derecha) El fotón imparte su energía a un electrón de un nivel electrónico interior, y este es emitido 210 Figura 76. (a) Ajuste químico para el orbital 1s del S vs estado de oxidación en especies inorgánicas. (b) Energía de enlace del orbital 2p del S vs carga calculada en especies inorgánicas y orgánicas de azufre. 212 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 77. Espectro XPS del poliuretano. 216 Figura 78. Diagrama esquemático de un espectrómetro XPS. 218 Figura 79. XPS (nivel 2p) de Ni y NiO. 219 Figura 80. Perfil de composición atómica de un contacto Au/Cr/Si en función del tiempo de bombardeo de Ar+. 220 Figura 81. Bacterias vistas por un SEM. 221 Figura 82. Instrumentación de la Microscopía electrónica de barrido electrónico 224 Figura 83. Imagen de la rotura de una varilla de acero obtenida mediante un Microscopio Electrónico de Barrido. 226 Figura 84. Microscopio electrónico de transmisión 228 Figura 85. Esquema instrumental de un TEM. Cañón y lentes electromagnéticas de condensador, objetivo y proyector. 229 Figura 86. Formación de la imagen. 232 Figura 87. Proceso de formación del diagrama de difracción 233 Figura 88. Pasos principales en la espectrometría de masas 241 Figura 89. Fragmentaciones posibles de una molécula en espectrometría de masas. 242 Figura 90. Espectro de masas del alcohol terpénico geraniol. 243 Figura 91. Ionización por impacto de electrones (EI) 248 Figura 92. Desorción por láser asistida por matriz (MALDI). 250 Figura 93. Ionización por electronebulización 251 Figura 94. Analizador de masas de sector magnético 253 Figura 95. Analizador de masas cuadripolar. 254 Figura 96. Esquema de funcionamiento del detector electromultiplicador. 258 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 97. Esquema del acoplamiento Cromatografía-MS. 261 Figura 98. Esquema del acoplamiento CL/EM por interfase de flujo de partículas. 262 Figura 99. Espectrometría de masas en tándem. 264 Figura 100. Esquema de sistema tándem para mezclas. 265 Figura 101. Esquema de la definición para la Resolución. FWHM (full width at half máximum) ancho total a la mitad del máximo. 266 Figura 102. Espectros de masas IE de aire residual (a) en R = 1000 y (b) en R = 7000. Las intensidades relativas no están afectadas por la diferente resolución. Los dígitos decimales de las etiquetas de comunicación indican precisiones alcanzables en masa en las condiciones respectivas. 268 Figura 103. Espectro de masas y fragmentación del CO2. 276 Figura 104. Espectro de masas y fragmentación del propano 277 Figura 105. Espectro de masas y fragmentación del ciclopropano 278 Figura 106. Espectro de masas y fragmentación del 4-metil-3-penten-2-ona. 279 Figura 107. Espectro de masas y fragmentación de N,N-dietilmetilamina. 280 Figura 108. Fragmentación por ruptura alquílica en el 3,3-dimetilpentano. 281 Figura 109. Fragmentación por ruptura oleofínica en hidrocarburos alquílicos. 281 Figura 110. Fragmentación por ruptura alílica en hidrocarburos alquílicos insaturados. 282 Figura 111. Fragmentación por ruptura bencílica. 282 Figura 112. Fragmentación por ruptura α. 282 Figura 113. Fragmentación por ruptura α en cetonas. 283 Figura 114. Fragmentación por ruptura heterolítica. 283 Figura 115. Fragmentación por ruptura retro Diels Alder. 284 Figura 116. Fragmentación por reordenamiento de McLafferty 285 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 117. Fragmentación por transposición radicálica. 285 Figura 118. Fragmentación por transposición de hidrógeno. 286 Figura 119. Fragmentación por efecto orto. 286 Figura 120. Espectro de masas del n-octadecano. Aparecen señalados los picos de la serie saturada y los primeros miembros de la serie insaturada 287 Figura 121. Espectro de masas del 2-metil-3-etilpentano. 288 Figura 122. Fragmentación típica del ciclohexano. 288 Figura 123. Espectro de masas IE del ciclohexano. 289 Figura 124. Esquema de fragmentación de ruptura bencílica. 290 Figura 125. Fragmentación del ion tropilio 290 Figura 126. Esquema de la ruptura de radicales alquílicos del benceno. 291 Figura 127. Esquema del reordenamiento de hidrógeno en moléculas aromáticas. 291 Figura 128. Esquema de fragmentación por doble transposición de hidrógeno. 291 Figura 129. Esquema de rupturas por reordenamiento de Mc Lafferty. 292 Figura 130. Espectro de masas IE de 1-fenilhexano. 292 Figura 131. Esquema de la fragmentación típica de un alcohol terciario 293 Figura 132. Esquema de fragmentación de un alcohol primario para explicar la formación de los iones M-1, M-2, M-3. 294 Figura 133. Esquema de fragmentación de un alcohol primario para explicar la formación de los iones M-8 294 Figura 134. Esquema de la fragmentación de un alcohol cíclico. 294 Figura 135. Esquema de la fragmentación de un alcohol cíclico donde se explica la formación del ion M-46 295 Figura 136. Espectro de masas IE de n-butanol. 295 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 137. Espectro de masas IE del terc-butanol. 296 Figura 138. Reordenamiento tipo McLafferty en los grupos carbonilos. 297 Figura 139. Esquema de la ruptura homolítica en aldehídos para producir el ion M-1. 297 Figura 140. Esquema de la formación del pico de base M-29 en aldehidos. 297 Figura 141. Esquema del reordenamiento tipo McLafferty producido en aldehidos. 298 Figura 142. Espectro de masas IE del 3-fenil-2-metil-2-Propenal. 298 Figura 143. Fenómeno de precesión 307 Figura 144. Dibujo imaginario de un núcleo de hidrógeno girando en torno a un eje 313 Figura 145. Separación de niveles de energía cuánticos para protones en un campo magnético de intensidad H0 314 Figura 146. Orientación de espines, momentos magnéticos nucleares y distancia entre niveles de energía de los núcleos al variar la magnitud del campo magnético H0. 315 Figura 147. 4a. Trompo bailando en un campo gravitacional G 0; 4b. Protón girando en un campo electromagnético H 0 315 Figura 148. Representación simplificada de la transferencia de energía entre un protón y el instrumento 317 Figura 149. Diagrama de un aparato de resonancia magnética de frecuencia fija V(0) e imán de intensidad de flujo magnético variable H 0. 319 Figura 150. El efecto de las electronegatividades en la posición de las líneas de absorción en la molécula hipotética. 322 Figura 151. Espectro RMN del benceno 323 Figura 152. Dibujo del anillo orientado respecto a la dirección del campo magnético principal H0 del instrumento. 324 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 153. Espectro del tolueno, que muestra el efecto paramagnético de las corrientes electrónicas del anillo sobre los protones del metilo. 324 Figura 154. Espectro RMN del p-metilanisol. Efecto diamagnético del oxígeno y el efecto paramagnético del anillo sobre los protones de ambos grupos metilo. 325 Figura 155. Espectro RMN del acetaldehído. 325 Figura 156. Efecto anisotrópico magnético sobre el protón del grupo funcional de un aldehído 326 Figura 157. Anisotropía magnética en protones de moléculas de etileno y acetileno 326 Figura 158. Espectros RMN de diclorometano (arriba), y de cloroformo (abajo). 327 Figura 159. Espectros RMN de yoduro de metilo (arriba), de bromuro de metilo (medio) y de cloruro de metilo (abajo). 328 Figura 160. HRMN de diclorometilmetileter. 329 Figura 161. Esquema de la reacción de sustitución de un hidrógeno por cloro en la molécula de metano. 330 Figura 162. Espectro RMN de la acetona. 331 Figura 163. Espectro RMN del butano. 332 Figura 164. Estructuras moleculares de (A) 2-clorobutano; (B) 1-clorobutano. 332 Figura 165. Espectros de: (A) 2-Cl-butano, donde pueden verse claramente los diferentes tipos de protones que aparecen por efecto de la asimetría introducida por el átomo de Cl; (B) 1-Cl-butano, se muestra claramente los cuatro tipos diferente de protones que, al igual al del 2-Cl-butano es la manifestación de la presencia de un elemento, como el cloro. 333 Figura 166. Espectro RMN de la 3-pentanona. 334 Figura 167. Espectro RMN de 1-cloro-3-pentanona. 334 Figura 168. Espectro RMN de 2-cloro-3-pentanona. 335 Figura 169. Espectros RMN de: (arriba) dietiléter; (medio) 2-cloro-1-etoxietano; (abajo) 1-cloro-1-etoxietano. 336 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 170. Reacción de cloración del 1-buteno. 337 Figura 171. Espectro RMN del 1-buteno. 337 Figura 172. El barrido del campo magnético, es de aproximadamente 1000 cps, lo que cubre la mayor parte de los valores de frecuencias de precesión en los protones de las moléculas orgánicas. 339 Figura 173. Apariencia del espectro hipotético de nuestra molécula hipotética. 340 Figura 174. La molécula de tetrametilsilano. Si(CH2)4 y su espectro 1H-RMN. 341 Figura 175. Espectro del dioxano. Este compuesto puede ser usado como patrón de referencia en RMN de protones. C4H8O2. 342 Figura 176. Espectro de un hidrocarburo clorado obtenido en un instrumento de 60 MHz. Está expresado en Hz y la separación entre los dos tipos de protones es 100.8 ciclos por segundo. La constante de acoplamiento J corresponde a 6 Hz o cps. 343 Figura 177. Espectro del mismo compuesto, sólo que esta vez hecho en un aparato de 100 MHz. La separación entre los dos tipos de protones es de 170 cps. El valor de J no ha variado (6 cps). 343 Figura 178. Espectro del etanol hecho con muy baja resolución que muestra las absorciones de los diferentes protones como bandas anchas y redondeadas. 346 Figura 179. Espectro RMN del etanol. 347 Figura 180. Espectro en el que se puede observar una sola banda que acusa la ausencia de protones vecinos. 348 Figura 181. A manera de ejemplo, este es el espectro de una sustancia que posee un protón H(a) con un solo tipo de protón vecino H(b). 350 Figura 182. En este espectro se puede observar que ambos protones H(a) y H(b) son equivalentes y absorben en la misma posición del espectro. 351 Figura 183. Esquema que muestra un triplete originado por la interacción entre el protón (a) y dos protones vecinos equivalentes H(b). 352 Figura 184. Diagrama del árbol. El caso del protón (a) con dos protones vecinos H(b) equivalentes. 352 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 185. Diagrama del árbol. El caso del protón (a) con tres protones vecinos H(b) equivalentes. 354 Figura 186. Estructura del espectro del protón H(a) vecino al metílo. (tres protones H(b) equivalentes). 354 Figura 187. El triángulo de Pascal es útil para asignar teóricamente la intensidad en las absorciones de los multipletes en espectros simples. 355 Figura 188. Espectro RMN del bromuro de etilo. 356 Figura 189. Espectro de un grupo isopropilo, con una zona ampliada que permite ver el septuplete completo. 356 Figura 190. Espectro que muestra el trazo de la integración sobre cada tipo de protón. 359 Figura 191. Fenómeno de dispersión Raman. La molécula alcanza, momentáneamente, un nivel de energía más alto (estado virtual), pero nunca llega a un estado electrónico excitado. 369 Figura 192. Cambio de polarizabilidad en la molécula de CO 2. 370 Figura 193. Bandas Rayleigh, bandas Raman-Stokes y bandas RamanantiStokes. 370 Figura 194. Partes principales de un espectrómetro Raman. 374 Figura 195. Fuente de láser He/ne (A); fuente de láser ión argón (B). 375 Figura 196. Comparación de tres fuentes de láseres utilizados para hallar el espectro Raman de una molécula. 376 Figura 197. Disposición de un espectrógrafo tipo Czerny-Turner. 377 Figura 198. Ilustración del funcionamiento de la espectroscopía Raman por transformada de Fourier. 379 Figura 199. Diagrama óptico de un espectrómetro por transformada de Fourier. 381 Figura 200. Espectros IR y Raman de las bandas seleccionadas de estiramiento XH, donde X = oxígeno, azufre, fósforo, nitrógeno, o silicio. 386 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 1. UNIDAD 1. MÉTODOS BASADOS EN LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA Nombre de la Unidad Introducción Justificación Métodos Basados En La Absorción De Energía Los métodos espectroscópicos basados en la absorción de energía, como son el de absorción Ultravioleta-visible, absorción Infrarroja o absorción Atómica representan la herramienta inicial y de más fácil acceso para la identificación inicial de un compuesto. Los ingenieros y los científicos disponen de una serie impresionante de poderosas y selectivas herramientas en el campo de la Biología y de la Física, para obtener información cualitativa y cuantitativa acerca de la composición de la estructura de la materia. Los métodos espectroscópicos modernos, en las diferentes regiones del espectro electromagnético, han suministrado al químico valiosas herramientas para el análisis y la investigación de la estructura. Estos métodos incluyen la Espectroscopia electrónica (visible y ultravioleta), infraroja, Raman y de resonancia magnética nuclear, entre otras. La elección del tipo de espectroscopia a emplear, en un problema específico, depende, entre otros factores, de la estructura y propiedades del espécimen, así como del conocimiento adicional de que se dispone. En este sentido, la correcta elección y el buen uso de los instrumentos analíticos modernos requieren la comprensión de los principios fundamentales en los que se basan estos sistemas de medida. Solo así se puede elegir de forma adecuada entre las distintas alternativas para resolver un problema analítico y valorar las dificultas y limitaciones de las medidas instrumentales. Es por esto, que se hace necesario que los estudiantes de Ciencias Básicas desarrollen un conocimiento de dichas herramientas y de cómo han de utilizarse para la resolución de los problemas analíticos en su desarrollo profesional. Intencionalidades Formativas Comprender los principios que orientan los métodos espectroscópicos basados en la absorción de energía, como son el de absorción Ultravioletavisible, absorción Infrarroja o absorción Atómica atómica moderna. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Identificar los principales equipos utilizados en este tipo de técnicas instrumentales Identificar las principales aplicaciones y alcances de las técnicas mencionadas. Capítulo 1. Espectrofotometría de absorción molecular Ultravioleta/Visible Denominación de los capítulos Capítulo 2. Espectroscopía de Absorción Infrarroja (IR). Capítulo 3. Espectroscopía de Absorción Atómica (AA). UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía CAPITULO 1: ESPECTROFOTOMETRÍA DE ABSORCIÓN MOLECULAR ULTRAVIOLETA-VISIBLE Introducción La medición de la absorción y emisión de luz de los materiales se llama espectrofotometría, y se abrevia como espectrometría. Los términos absorción y emisión tienen el mismo significado que en su uso cotidiano: la absorción significa tomar algo, y la emisión significa desprenderlo. La espectrometría de absorción consiste en medir la fracción de luz de una determinada longitud de onda que atraviesa por la muestra. Las bandas de absorción en las regiones visible y ultravioleta tienen coeficientes de extinción altos, permitiendo no solo la identificación de cantidades ínfimas de material, sino también una forma de especificar y controlar la pureza de las sustancias. La identificación de compuestos químicos por sus espectros de absorción es un procedimiento de rutina, consagrado en los últimos años para proponer la estructura o relacionarlo con las propiedades físicas de un compuesto. Al igual que cualquier otra propiedad física, por ejemplo, punto de fusión, índice de refracción, etc. La espectroscopia electrónica de absorción se utiliza para confirmar la identidad de un compuesto por comparación con otro conocido. Se intenta en este capítulo presentar los conceptos básicos de la espectroscopía electrónica de absorción molecular Ultravioleta-Visible y revisar sus aplicaciones analíticas y estructurales en las diferentes ramas de la Química. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 1: Radiación electromagnética y su interacción con la materia. La radiación electromagnética se define como un tipo de energía que se transmita a través del espacio a grandes velocidades y que puede expresarse de muy distintas formas como son luz, calor, rayos X, o microondas, entre otras, y que a diferencia de fenómenos ondulatorios, como el sonido, no necesita medio material para su propagación. Muchas de las propiedades de la radiación electromagnética se explican adecuadamente con un modelo clásico de la onda sinusoidal, que utiliza parámetros como la longitud de onda, la frecuencia y la amplitud. La radiación electromagnética tiene una componente eléctrica y una componente magnética, sin embargo, sólo la componente eléctrica se activa al interaccionar con la materia, por lo que únicamente ésta será considerada en el fenómeno de absorción de la radiación. El vector eléctrico y el vector magnético de la radiación están representados en la Figura 1. Figura 1. Componentes magnético y eléctrico sinusoidales perpendiculares entre sí respecto a la dirección de propagación, los cuales representan un haz de luz polarizada en el plano. El modelo ondulatorio falla al intentar explicar fenómenos asociados a la absorción o emisión de energía radiante. Para comprender estos procesos, hay que acudir a un modelo corpuscular en el que la radiación electromagnética se contempla como un flujo de partículas discretas, o paquetes ondulatorios de energía denominados fotones, en los que la energía de un fotón, es proporcional a la frecuencia de la radiación. Este doble punto de vista de la radiación como partícula y como onda no es mutuamente excluyente, sino complementario. De hecho, la dualidad ondacorpúsculo se aplica al comportamiento de haces de electrones, protones y de UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía otras partículas elementales, y se racionaliza completamente por medio de la mecánica ondulatoria. 1.1.1 Descripción Ondulatoria de la Luz. La descripción ondulatoria de la luz es uno de los conceptos más importantes de interacciones del mundo físico. En análisis químico se aplica el concepto de ondas electromagnéticas, por ejemplo ondas de radio, ondas luminosas y rayos X. La forma de la onda suele representarse por una gráfica de su altura (para una onda de agua), o de la fuerza del campo eléctrico (para ondas luminosas), o de la presión (para ondas de sonido) contra el tiempo o contra la distancia. En la figura 2 se muestra la representación gráfica de una onda sinusoidal general. Figura 2. Representación bidimensional del vector eléctrico de un haz de luz monocromático. Gran parte del comportamiento de la luz puede explicarse mediante las propiedades de ondas sinusoidales. Una onda sinusoidal se describe matemáticamente por la ecuación 1.1. Ecuación 1.1 Donde A es la amplitud en cualquier punto Ao es la amplitud del pico, y es una variable continua, que corresponde al ángulo expresado en radianes. La amplitud del pico suele llamarse simplemente “Amplitud de onda”. La distancia entre picos adyacentes (o valles adyacentes) de la onda se llama longitud de onda. En términos de la variable , la longitud de onda es 2. Una onda sinusoidal simple y estática se caracteriza por su Amplitud Ao y su longitud de onda. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Por definición, las propiedades de los senos y las ondas sinusoidales dependen de los factores , por lo que es conveniente asociar una onda sinusoidal con las propiedades de los ángulos. Recuerde que un cambio de 360° = 2 radianes, lo que equivale a una rotación completa de un plano. Empleando notación angular para la ecuación 1.1, = un ángulo; 2 = un ciclo. Cuando un ángulo está en función lineal del tiempo, se puede escribir: = t, donde = velocidad angular (radianes/unidad de tiempo), que es una constante. Cuando se expresa como t, se obtiene la forma algebraica para una onda sinusoidal dependiente del tiempo, Ecuación 1.2 La velocidad angular se relaciona con la frecuencia de la radiación por medio de la ecuación, Ecuación 1.3 El tiempo en el que se verifica un ciclo completo es, Ecuación 1.4 Por lo tanto, la frecuencia de oscilación es, Ecuación 1.5 Es importante observar de la figura, que las propiedades de las ondas sinusoidales simples permiten explicar las propiedades de las ondas electromagnéticas más complejas. Para ello se elige una onda que describa el campo oscilante tipo eléctrico o magnético que se desplaza por el espacio. Es por ello que para cualquier onda que se desplace a velocidad constante, la frecuencia , la longitud de onda y la velocidad V están mutuamente relacionadas como se indica a continuación: Para la radiación electromagnética, las unidades utilizadas son: Ecuación 1.6 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía V en [m/s]; en Hertz [Hz] (1Hz s-1); en [m]. Adicionalmente, se ha determinado con precisión la velocidad de la luz en el vacío, existiendo una relación simple entre su velocidad c, su longitud de onda λ y su frecuencia; representada así: Velocidad de la luz en el vacío = ; Ecuación 1.7 Cuando la luz pasa por cualquier material, la velocidad se hace más lenta; por tanto la velocidad será: Velocidad de la luz = ; en general Ecuación 1.8 La velocidad de la luz es casi igual en el aire que en el vacío y se supondrá que . Es necesario indicar que la verdadera característica de la radiación es la frecuencia, ya que la velocidad y la longitud de onda dependen del medio en el cual se propaga la onda. Otra forma de describir la radiación electromagnética es el número de onda ṽ, que se define como el inverso de la longitud de onda en centímetros. La unidad de ṽ es cm-1 y se define así: Ecuación 1.9 donde la constante de proporcionalidad propagué. depende del medio en el que se Hasta ahora se ha considerado la radiación desde el punto de vista ondulatorio. Sin embargo, para describir cuantitativamente determinadas interacciones con la materia se hace necesario considerarla como un flujo de partículas, llamados fotones. La energía del fotón es proporcional a la frecuencia de la radiación (relación de Einstein–Planck): Ecuación 1.10 donde h es la constante de Planck [6.63x10-34J.s]; y se expresa en joule [J]. La energía del fotón también se puede relacionar con la longitud de onda de la luz, según la ecuación 1.7, describiéndose así: Sí despejamos la frecuencia de la ecuación 1.7; Ecuación 1.11 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía y remplazamos en la ecuación 1.10, tenemos: Ecuación 1.12 Otra forma de expresar la energía del fotón es con el inverso de la longitud de onda o número de onda ṽ, se dice que es el producto de por el número de onda, es decir; Ecuación 1.13 Otro tipo de energía conocida es la temperatura, la cual mide la energía cinética promedio de un objeto y puede expresarse como la energía por átomo; Ecuación 1.14 donde = constante de Boltzman ( . ) ó ( Ejemplo 1.1 Escriba la ecuación de una onda armónica que se propaga en sentido positivo del eje X con una velocidad de 5 m/s, amplitud de 10 cm y una frecuencia de 50 Hz. Solución: La ecuación de una onda armónica que se desplaza en el eje positivo de las x es: Por lo tanto debemos hallar los valores para ω (Ecuación 1.3) y k, de la siguiente manera: UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Reemplazando en la ecuación de la onda armónica, tenemos: ( ) Simplificando encontramos que la ecuación final es: Ejemplo 1.2 a). Calcular la longitud de onda que emite una emisora de radio si su frecuencia de emisión es 2 MHz. b). Hallar la energía que lleva la onda. Solución: a). Despejamos λ de la Ecuación 1.11 y obtenemos su valor: b). Hallamos la energía de la onda a partir de la Ecuación 1.10: UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 2: Teoría de la absorción molecular UV-VIS Como se pudo ver en la lección anterior, la interacción de la radiación electromagnética con la materia produce transiciones entre un estado energético cuantizado y otro estado. De esta interacción nace una manifestación física, que en algunos casos dependiendo del tipo de radiación se puede percibir a través de los órganos de los sentidos. Por ejemplo, al someter un vaso de agua a la radiación de microondas se siente un aumento en la temperatura del mismo. De igual forma sucede cuando podemos observar una sustancia coloreada, debido a la interacción entre la luz (llámese luz a cualquier radiación electromagnética) visible y las moléculas, iones o átomos que conforman esa sustancia. En esta lección nos ocuparemos de cómo y para qué hacemos interactuar la luz ultravioleta (UV) y visible (VIS) con la materia. 1.2.1 Origen y características del espectro de absorción UV-VIS La región UV está definida en el rango de longitudes de onda de 195 a 400 nm. Es una región de energía muy alta, por lo que provoca daño al ojo humano, así como quemaduras comunes en la piel y en algunos casos puede producir cáncer. En la región VIS, la cual se encuentra comprendida entre 400 y 700 nm, apreciamos el color visible de una solución y que corresponde a las longitudes de onda de luz que transmite, no que absorbe. El color que absorbe es el complementario del color que transmite. Por tanto, para realizar mediciones de absorción es necesario utilizar la longitud de onda en la que absorbe luz la solución coloreada. Cuando la materia absorbe energía de la región UV-VIS se producen transiciones de tipo electrónico (ver Figura 3). Figura 3. Porción de la representación gráfica del espectro electromagnético de la región del UV hasta la región del microondas. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía La absorción molecular de la radiación en la región UV-VIS del espectro electromagnético, depende de la estructura electrónica de la especie absorbente, como por ejemplo átomos, moléculas, iones o complejos. Esta se da cuando se hace incidir un haz de luz ultravioleta o visible sobre la molécula absorbente aumentando su energía hasta la energía (hν) del fotón incidente, lo cual produce una transición electrónica desde un estado energéticamente menor a otro mayor. Luego de esto, emite un fotón con la misma cantidad de energía absorbida. La unión de todas las transiciones se representa por medio de un conjunto de bandas llamado espectro de absorción molecular. Figura 4. Espectros de absorción (A) fase gaseosa; (B) fase solución Cuando la sustancia absorbente se trata de una muestra en fase gaseosa o de vapor, el espectro se compone de un número de líneas muy próximas entre sí, como se puede ver en la Figura 4 (A). Sin embargo, si la sustancia se encuentra en fase de solución el espectro adquiere la forma de un pico de absorción suave y continua. Esto se debe a que las moléculas de la especie absorbente están rodeadas por las moléculas del disolvente, produciéndose colisiones constantes entre ellas. Estas colisiones junto con las interacciones entre las especies que absorben y las moléculas del disolvente hacen que las energías delos estados cuánticos se extiendan. Como consecuencia, la muestra absorbe fotones repartidas en un rango de longitudes de onda. Un típico espectro UV-VIS en la fase de solución se representa en la Figura 4 (B). La espectrofotometría o espectrometría UV-visible utiliza el principio de absorción para determinar la concentración de un compuesto en solución. Se basa en que las moléculas absorben las radiaciones electromagnéticas y a su vez que la UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía cantidad de luz absorbida depende de forma lineal de la concentración. Para hacer este tipo de medidas se emplea un espectrofotómetro, en el que se puede seleccionar la longitud de onda de la luz que pasa por una solución y medir la cantidad de luz absorbida o transmitida por la misma. En la Figura 5 se ilustra las partes básicas de un espectrofotómetro. Figura 5. (1) Lámpara o fuente de luz, (2) rendija 1, (3) monocromador, (4) rendija 2, (5) cubeta con muestra, (6) rendija 3, (7) detector y transductor, (8) registro de señal. Para obtener un espectro UV-VIS de una muestra en solución se irradia en un rango de longitudes de onda. Empleando una radiación monocromática a la vez, es decir, una radiación de una sola longitud de onda. Este proceso se denomina de exploración. La cantidad de la radiación absorbida en cada longitud de onda se mide y se traza frente a la longitud de onda para obtener el espectro. Así, un espectro UV-Vis típico es un gráfico de longitud de onda o la frecuencia frente a la intensidad de la absorción. 1.2.1.1 Absorción de especies moleculares Cuando un haz incidente de radiación que tiene una longitud de onda adecuada golpea una molécula, se lleva a cabo la absorción de un fotón y la molécula se excita. Cuando las moléculas se excitan estas perderán la energía de excitación en forma de calor o emitiendo fotones (luminiscencia). La absorción de la radiación UV-Vis es capaz de afectar a la excitación de los electrones de enlace y otros electrones de valencia. Por lo tanto, la excitación de los electrones en los enlaces químicos (π y sigma) o electrones no apareados (n) es el resultado de la absorción de una longitud de onda adecuada de radiación UV-Vis. La absorción por lo tanto será dependiente de la disponibilidad de enlaces π y sigma o electrones n que puedan absorber la radiación incidente. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 1.2.1.2 Moléculas con solo enlaces σ Comencemos con una molécula de CH4 (ver Figura 6) y a continuación expandiremos nuestra discusión a moléculas más complejas: Todos los enlaces en el metano son enlaces σ y sólo es posible la transición σ-σ*. Sin embargo, la transición σ-σ* requiere de muy alta energía que se produce en la radiación UV de vacío. No es prudente pensar en hacer mediciones de radiación ultravioleta en especies moleculares en la región UV de vacío (125-185 nm), por cinco razones importantes: Figura 6. Esquema de la molécula de metano. a. La alta energía que se requiere puede causar ruptura de enlaces sigma y desglose de la molécula. b. Componentes del aire absorben los rayos UV de vacío lo que limita la aplicación del método. c. Trabajar en el UV de vacío requiere una formación especial y de precauciones que limitan una amplia aplicación del método. d. Se deben utilizar fuentes y detectores especiales distintos de los que comúnmente se emplean en espectrofotometría. e. Todos los disolventes contienen enlaces σ. Por lo tanto, si el compuesto en estudio tiene solamente enlaces σ, UV-Vis no será la técnica adecuada para el análisis químico. 1.2.1.3 Moléculas con electrones no enlazantes n Los electrones que se encuentran en la capa de valencia que no se utilizan en los enlaces químicos se conocen como electrones no enlazantes (electrones n). Considere la posibilidad de una molécula como el amoníaco (ver Figura 7): UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Los puntos encima del nitrógeno es el símbolo de dos electrones no apareados. Ahora, el tipo de transiciones observadas en esta molécula se pueden enumerar como: a) Sigma a sigma antienlazante (σ-σ*) y b) electrones no apareados a sigma antienlazante (n-σ*). Figura 7. Esquema de la molécula de amoniaco Hemos visto anteriormente que la transición σ-σ* no es útil en la práctica de la espectroscopia UV-Vis, pero la transición de otros (n-σ*) es de menor energía y se debe discutir más. La longitud de onda de absorción para una transición n-σ* se produce alrededor de 185 nm donde, por desgracia, la mayoría de los disolventes pueden absorber. Por ejemplo, el disolvente más importante es, sin duda, el agua que tiene dos pares de electrones no apareados que fuertemente absorben como resultado de las transiciones n-σ*; que impiden el uso de esta transición para estudios de soluciones donde el solvente es agua u otro con electrones no apareados. En resumen, es también poco práctico pensar en utilizar la espectroscopia de absorción de radiación UV-Vis para determinar analitos sobre la base de una transición de n-σ *. 1.2.1.4. Moléculas con enlaces π La absorción de la radiación hecha por un alqueno, el cual que contiene un doble enlace, pueden resultar las siguientes transiciones σ-σ* o π-π*. Hemos visto que una transición σ-σ* no es útil, pero por otro lado, la transición π-π* si resulta ser muy útil, ya que requiere de energía razonable y tiene buena capacidad de absorción. Una molécula que tiene electrones σ, π, y n puede mostrar todos los tipos de transiciones posibles en la espectroscopia UV-Vis. Por ejemplo, una molécula de aldehído (ver Figura 8) muestra todas estas transiciones, ya que contiene σ, π y dos pares de electrones n. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 8. Espectro de absorción UV-VIS y esquema de la molécula de etanol. Dos transiciones son posibles para los electrones n: a). n-σ* y b). n-π*. Hemos visto que a n-σ* no es muy útil debido a la absorción de disolventes y otros aditivos frecuentemente utilizados que tienen electrones n. La transición n-π* requiere muy poca energía y parece ser potencialmente útil. Sin embargo, por desgracia, la capacidad de absorción de esta transición es muy pequeña, lo que impide su uso para un análisis cuantitativo sensible. En la Figura 8 se puede observar el espectro de absorción UV-Vis para el acetaldehído. En esta gráfica la mayor absorbancia es debida a la transición π-π*, lo cual da como resultado una banda bastante ancha. 1.2.1.5 Compuestos orgánicos cromóforos Las absorciones moleculares en la región UV-VIS dependerán de la estructura electrónica de la molécula. La longitud de onda de la radiación absorbida por una molécula orgánica se determina por la diferencia de energía entre el estado fundamental y los diversos estados excitados electrónicos de la molécula. Recordemos que los átomos que forma una molécula orgánica están unidos a través de enlaces σ y π. Además, estos tienen electrones no apareados en átomos como N, O, S y halógenos etc. Hay un número de posibles transiciones que implican enlaces y electrones no apareados (n). En la Figura 9. Se observa las posibles transiciones para compuestos orgánicos. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 9. Esquema de las posibles transiciones que se presentan en UV-VIS. Como regla general, las transiciones se producen a partir de orbital molecular más alto ocupado (HOMO) al más bajo orbital molecular desocupado (LUMO) en una molécula. En la mayoría de los compuestos orgánicos los orbitales enlazantes y a veces los orbitales no enlazantes se llenan y los orbitales antienlazantes están vacíos. De las seis posibles transiciones indicadas en la Figura 9, sólo las dos de más baja energía (n-π* y π-π*) se puede lograr por las energías disponibles en la región de 200 a 800nm. Las moléculas que tienen enlaces insaturados libres o electrones no apareados que pueden absorber radiación de energía relativamente baja son llamados cromóforos (longitudes de onda de la región del visible). Dentro de los ejemplos tenemos alquenos, alquinos, cetonas, aldehídos, especies aromáticas fenólicas y otras. A medida que se incrementa la conjugación en una molécula, más deslocalización (estabilidad) de los electrones se presentará. El efecto de esta deslocalización es disminuir el orbital molecular π*. El resultado es una disminución en la energía de transición de π-π* y por lo tanto un desplazamiento hacia el rojo o batocrómico. La absortividad molar aumentará en este caso y se obtendrá un mejor análisis cuantitativo. En los casos de introducción de más dobles enlaces no conjugados, la absortividad molar aumentará también en función del número de dobles enlaces. Por ejemplo, a 185 nm, el 1-hexeno tiene una absortividad molar de aproximadamente 10.000 L.mol-1.cm-1, pero el hexa-1,4-dieno tiene una absortividad molar dos veces más que la del 1-hexeno. Sin embargo, cuando los dobles enlaces están conjugados como en el hexa-1,3-dieno la absortividad molar UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía es de aproximadamente 21.000 L.mol-1.cm-1. Por otro lado, la aromaticidad arroja un grado extraordinariamente alto de deslocalización de electrones y por tanto se presenta estabilización de π*. Si asumimos una absortividad molar de alrededor de 10.000 L.mol-1.cm-1, para cada doble enlace, se espera que la suma de los tres dobles enlaces del benceno esté justo por encima de 30.000 L.mol-1.cm-1(a 185 nm), pero en realidad el valor es de unos 60.000 L.mol-1.cm-1, debido al incremento de la deslocalización como consecuencia de la aromaticidad. Es por esta razón que es ventajoso usar la espectroscopia de absorción UV-Vis para la determinación de compuestos que tienen carácter aromático. 1.2.1.6 Absorción de grupos inorgánicos. Los grupos inorgánicos que contienen dobles enlaces absorben en la región UVVis. La mayoría de las transiciones son un resultado de transiciones n-π*¸ como en el nitrato (313 nm), en el carbonato (217 nm), en el nitrito (280 y 360 nm) y en la azida (230 nm).Un gran número de sales inorgánicas que contienen átomos con electrones en los orbitales d dan bandas de absorción débiles en el espectro visible. Los iones y los complejos de los elementos de las dos primeras series de transición pertenecen a este grupo y son coloreados. El color de estas especies se debe a las transiciones entre los orbitales d. La formación de complejos de estos iones con las moléculas del disolvente o con otros ligandos aumenta la degeneración de los cinco orbitales d. Como consecuencia, éstos se dividieron en grupos que poseen diferentes energías. Las transiciones electrónicas de los orbitales d de baja energía a orbitales d de alta energía son las responsables del color que se observa en estos compuestos. Estas transiciones se llaman transiciones d-d. Para ver experimentos virtuales y simuladores de espectrofotómetros de UV-VIS puede dirigirse a los siguientes links: http://www.chm.davidson.edu/vce/Spectrophotometry/index.htmlhttp://phet.colorad o.edu/en/simulation/molecules-and-light. http://www.uhu.es/quimiorg/uv2.htmlhttp://biomodel.uah.es/lab/abs/inicio.htm UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 3: Transmitancia y Absorbancia La cantidad de luz transmitida a través de una solución se conoce como la transmitancia (T). Esta se define como la relación entre la energía de la luz transmitida a través de una solución problema (I) y la energía transmitida a través de una solución de referencia (I0), también llamada Blanco de referencia, que generalmente es el solvente utilizado en la solución problema. Dado que el compuesto a ensayar no está presente en el blanco de referencia, la transmitancia de la pieza de referencia se define como el100 % de T. Se puede escribir de dos maneras diferentes. La primera se escribe así: Ecuación 1.15 La segunda se pude expresar en términos de porcentaje Ecuación 1.16 Cuando se halla el logaritmo negativo de la T se obtiene un nuevo término llamado Absorbancia (A) y se escribe como sigue: Ecuación 1.17 1.3.1 Ley de Lambert-Beer Al realizar una medición de absorción espectral típica por medio de luz monocromática, la muestra que se desea analizar se introduce dentro de un contenedor adecuado llamado cubeta de muestra, de tal manera que una parte de la radiación es reflejada, una parte es absorbida, y una parte se transmite. Por lo tanto, la intensidad de la radiación original (Po) es igual a la suma de las intensidades de radiación reflejada (Pr), absorbida (Pa) y transmitida (Pt), como se expresa en la siguiente ecuación: Ecuación 1.18 En este proceso el fenómeno de reflexión es despreciable con respecto al fenómeno de absorción y transmitancia, por lo cual la Ecuación 2.1 la podemos expresar de la siguiente forma: Ecuación 1.19 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía La intensidad de la luz transmitida medida (Pt) depende del espesor del medio absorbente y la concentración de la sustancia cromófora (que absorbe), además de la intensidad de la radiación incidente (Po) (ver Figura 10). Esta dependencia constituye la base de determinaciones por espectrometría y se da en términos de dos leyes fundamentales. Una es la ley de Lambert, que expresa la relación entre la capacidad de absorción de la luz de la muestra y el espesor del medio absorbente y la otra es la ley de Beer, que expresa la relación entre la capacidad de absorción de la luz de la muestra y su concentración. Las dos leyes se combinan para darla ley de Beer-Lambert. Figura 10. Esquema del paso de la radiación a través de una celda espectrofométrica. La ley de Lambert-Beer describe la correlación entre el comportamiento de absorción de una sustancia, así como la concentración y el espesor de la capa de esta sustancia en la solución. Esta relación se expresa de la siguiente manera: Ecuación 1.20 Donde el término ε se llama coeficiente de extinción molar o absortividad molar, el cual presenta unidades de L mol -1 cm-1 y depende de la longitud de onda de medición, por tanto su valor se escribe ε(λ, nm), por ejemplo el coeficiente de absortividad medido a 235 nm se escribe ε235. El siguiente término L es la longitud de la trayectoria que realiza la luz medida en cm y c es la concentración del analito en mol L-1.La ley de Lambert-Beer se cumple solamente para soluciones diluidas, ya que para valores de concentración altos, el coeficiente ε varía, debido a fenómenos de dispersión de la luz, agregación de moléculas, cambios del medio, etc. (Ver Figura 11). UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 11. Fenómenos ópticos que suceden en el interior de una celda Ejemplo 1.3 La absortividad molar de una sustancia es de 2,0 × 10 4 cm-1 mol-1 dm3. Calcular la transmitancia a través de una cubeta de 5,0 cm longitud que contiene una solución de concentración 2,0 x 10-6mol dm-3. Solución: De acuerdo con la ley de Lambert Beer, hallamos la Absorbancia: Luego despejamos T de la Ecuación 2.3 y reemplazamos el valor de A: El valor de la transmitancia es de 0,63. 1.3.2 Desviaciones de la ley de Lambert-Beer De acuerdo con la ley de Lambert-Beer, existe una proporcionalidad directa entre la absorbancia y la concentración. Teóricamente al hacer un gráfico de la absorbancia Vs la concentración se espera que dicho gráfico sea una línea recta UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía que pasa a través de origen. Sin embargo, esto no siempre ocurre, debido a que se presentan ciertas limitaciones. La ley no se cumple para todas las especies bajo cualquier condición. Muchas veces en lugar de una línea recta, se puede observar una curvatura en cierta parte de la recta como se muestra en la Figura 12. La curvatura hacia arriba curva, (A), se conoce como desviación positiva y la curvatura hacia abajo, la curva (C), como desviación negativa. Figura 12. Tipos de desviaciones que presentan en una curva de calibración Algunos de los factores responsables de la desviación de la ley de Beer son los siguientes: 1.3.2.1 Presencia de electrolitos Se acepta como regla que la presencia de pequeñas cantidades de electrolitos incoloros que no reaccionan químicamente con los componentes de color no afecta en la absorción de luz. Sin embargo, grandes cantidades de electrólitos pueden afectar el espectro de absorción tanto cualitativa como cuantitativamente. Esto es debido a la interacción física entre los iones del electrolito y los iones o moléculas absorbentes. Esta interacción causa un cambio en su propiedad de absorción de luz. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 1.3.2.2 Concentración de iones de hidrógeno Hay un número de sustancias cuyo estado iónico en solución está muy influenciado por la presencia de iones de hidrógeno. Por ejemplo, una solución acuosa de dicromato de potasio implica el equilibrio entre los iones cromato e iones dicromato tal como se muestra a continuación: ⏟ → ⏟ El ion cromato tiene una sola λmáx. a 375 nm, mientras que el ion dicromato tiene dos picos en el espectro; λmáx a 350 y 450 nm. La posición de equilibrio depende del pH de la solución y el color amarillo de la solución cambia a naranja cuando hay un aumento en la concentración de iones hidrógeno. Por tal motivo, los resultados de la determinación de la concentración de iones cromato ( ) dependerá del pH. Por lo anterior, es imperativa que las sustancias cuyo color esté influenciado por el cambio en la concentración de iones hidrógeno, deben ser estudiadas bajo la misma condición de pH. En algunos casos, dos especies absorbentes están en equilibrio y tienen un valor común de absortividad en una cierta longitud de onda. Por ejemplo, en el caso del azul de bromotimol los espectros de absorción a diferentes valores de pH son diferentes. Sin embargo, a la longitud de onda de 501 nm, se ve que todas las especies tienen la misma absortividad molar (ver Figura 13). Por lo cual, no importa que tanto una especie cambiar a otra, ya que no hay cambio en la absorción total. Tal longitud de onda se conoce como punto isosbéstico. En esta longitud de onda la ley de Beer se mantiene, aunque las mediciones tienen una baja sensibilidad. Sin embargo, esas longitudes de onda se deben evitar para el trabajo cuantitativo. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 13. Punto isosbestico en un espectro de absorción UV-VIS. 1.3.2.3 Asociación y disociación de complejos Algunas sales tienen la tendencia a formar complejos cuyos colores son diferentes de las de los compuestos simples. Por ejemplo, el cambio de color del cloruro de cobalto de rosa a azul es debido a la formación del siguiente complejo: ⏟ →⏟[ ] El grado de formación de complejos se incrementa con el aumento de la concentración. Por tal motivo, la ley de Beer no se mantiene a altas concentraciones. Discrepancias similares se encuentran cuando el soluto absorbente se disocia o se asocia en la solución porque la naturaleza de las especies en solución depende de la concentración. 1.3.2.4 Radiación no monocromática Para que la ley de Beer pueda sostenerse, es necesario que se utilice luz monocromática. Sin embargo, la mayoría de espectrofotómetros y todos los fotómetros de filtro, emplean un grupo finito de frecuencias. Cuanto mayor sea el UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía ancho de banda de la radiación que pasa por los dispositivos de filtro u otros dispersantes, mayor será la desviación. 1.3.2.5 Concentración del analito De acuerdo con la ley de Beer, la gráfica de absorbancia versus la concentración de la sustancia que absorbe debe ser una línea recta cuando ε y L son constantes. La longitud del camino que recorre la radiación siempre se puede mantener constante, pero hay algunos factores que afectan a ε y se encontró que en una concentración elevada, ε no es constante. Por lo tanto, a mayores concentraciones (> 10-3 mol dm-3) existe una desviación de la ley. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 4: Aplicación de la espectrometría de absorción Molecular UVVisible La espectrometría UV-Vis es una técnica eficaz para identificar o asignar una estructura a los compuestos químicos (orgánicos o inorgánicos) y medir sus concentraciones, ya sean en sistemas de uno o más componentes absorbentes. La principal ventaja de esta técnica es que incluso se puede determinar trazas de sustancias de una manera sencilla, que no es posible hacerlo con los métodos clásicos de análisis como son los procedimientos gravimétricos y volumétricos. Además, la espectrometría UV-Vis. En esta lección discutiremos algunas de las aplicaciones cualitativas y cuantitativas de la espectrometría UV-Vis. 1.4.1 Análisis cualitativo Al momento de realizar un análisis cualitativo a un analito, la espectrometría UVVis se usa como técnica analítica secundaria en la identificación y la determinación de detalles estructurales. La información obtenida necesita ser completada por otras técnicas de análisis como son espectroscopia de absorción de radiación IR, RMN y espectrometría de masas. Esto es debido a la naturaleza simple y general de los espectros. No obstante, todavía puede proporcionar información acerca de la presencia o ausencia y naturaleza de agentes cromóforos en la molécula. Por ejemplo, la presencia de una o más señales en la región 200-400 nm del espectro es una indicación clara de la presencia de insaturación en la molécula. La identificación de un analito puede lograrse mediante la comparación del espectro de absorción de la sustancia desconocida con gráficos o tablas de los espectros de las sustancias conocidas. En algunos casos, pueden ser reconocidos dos o más analitos. Un espectro UV-visible no permite la identificación inequívoca de una molécula, sin embargo, a veces, el espectro puede ser muy útil para distinguir dos moléculas que tienen un color similar. Por ejemplo, en la Figura 14 se muestran los espectros visibles de dos especies de color púrpura de estructuras muy diferentes. Uno de los espectros pasa a ser de un colorante azoico y el otro es de una solución de permanganato. La diferencia en la forma de cada curva ayuda a la distinción de los compuestos; la curva suave con un solo máximo es para el tinte. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 14. Espectros UV-VIS de colorante azoico (azul) y permanganato (rojo). Los cambios en los espectros debido a cambios de pH en la solución o el disolvente pueden proporcionar información útil acerca de la naturaleza del analito. El cambio en la polaridad del disolvente altera las energías de los orbitales. Esto conduce a cambios en los máximos de absorción. Al aumentar la polaridad del disolvente, las transiciones n-π* se desplaza a longitudes de onda inferiores, mientras que las transiciones π-π* se desplazan a longitudes de onda mayores. Esto ayuda en la identificación y distinción de dos moléculas estrechamente asociadas. 1.4.2 Análisis cuantitativo La espectrometría UV-VIS es probablemente la herramienta más útil para las determinaciones cuantitativas en diversas áreas. Esto es debido a su versatilidad, precisión y sensibilidad. Se puede utilizar para la determinación directa de un gran número de especies orgánicas, inorgánicas y bioquímicas con precisión en concentraciones bastante bajas; es decir, de 10 -4 a 10-5 incluso inferior. Sumado a esto, la conveniencia de realizar una determinación y su razonable selectividad hacen que sea un método de elección para determinaciones cuantitativas. Otra característica importante de esta técnica, es que puede ser utilizado para la determinación cuantitativa de analitos que no absorben en la región UV-VIS. Esto se logra haciendo reaccionar el compuesto con un reactivo que da un producto que absorbe en la región UV-VIS. Por lo tanto, las mediciones de absorbancia en visible o en la región ultravioleta, se utilizan en diversas áreas. Algunos de los más UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía comunes están relacionados con los siguientes aspectos cuantitativos de la química en disolución. a. Determinación analítica de metales y no metales. b. Determinación analítica de compuestos orgánicos. c. Determinación de las constantes de disociación de ácidos orgánicos y tintes. d. Determinación de las constantes de formación de metal-ligando. e. Determinación de la estabilidad cinética de los complejos. La metodología seguida para las determinaciones cuantitativas tiene ciertos pasos esenciales. Estas son: 1.4.2.1 Formación de una especie de absorción. Hay sólo unos pocos analitos que tienen una fuerte absorción en la región UV o visible y pueden ser sometidos a determinaciones directas. Sin embargo, la mayoría de los analitos tienen que formar una especie absorbente haciéndolos reaccionar con un reactivo adecuado. En cualquier caso, la absorbancia de la solución debe ser estable y no debe cambiar con pequeñas variaciones de pH, temperatura y fuerza iónica de la solución. Además, el reactivo debe ser selectivo hacia el analito y su reacción con el analito debe ser cuantitativa, es decir 100%. 1.4.2.2 Selección de la longitud de onda de medición. En ausencia de sustancias que interfieren, las mediciones se realizan a la longitud de onda máxima (λmax) del pico más grande en el espectro de absorción. En esta longitud de onda la absorbancia es más sensible a la concentración. Además, en muchos casos el pico de absorción se ensancha en un intervalo de longitudes de onda cercanas al máximo (λmax), por lo cual no hay ningún cambio apreciable en el valor de la absorbancia, es decir, la medición no es muy sensible a la longitud de onda. Esto es muy ventajoso porque incluso si el espectrofotómetro no resuelve λmax, la determinación no se ve afectada. Sin embargo, en sistemas donde el reactivo, el metal y todos los productos absorben luz, puede ocurrir que a la λmax no haya mucha diferencia en el valor de la absorbancia del reactivo puro y del complejo metálico. En estos casos tenemos que identificar una longitud de onda en la que existe una gran diferencia en los valores de absorbancia para el reactivo puro y para el complejo. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 1.4.2.3 Factores que influyen en el control de la absorbancia. Un número de factores pueden afectar el espectro de absorción del analito. Estos incluyen polaridad del disolvente, pH, temperatura, fuerza iónica y las interferencias de otras especies absorbentes. Es por lo tanto esencial para una fiable determinación cuantitativa, que las condiciones de la medición se elijan de manera que haya un efecto mínimo de estos factores. 1.4.2.4 Validación de la ley de Lambert-Beer. Para calcular la concentración de un analito conocido se mide su absorbancia a una o más longitudes de onda y posteriormente se emplea su coeficiente de absortividad (ε) junto con la ley de Lambert-Beer. Sin embargo, generalmente el valor de ε no se conoce con precisión para las especies que se determinan en las condiciones de la medición. Por lo tanto, en la mayoría de los métodos este parámetro se puede obviar, al construir una función analítica o curva de calibración analítica. Esta última se obtiene graficando la absorbancia medida a una longitud de onda fija, de diferentes soluciones de referencia (también llamadas soluciones estándar o soluciones patrón) del analito en cuestión, contra sus concentraciones conocidas. Si la ley de Lambert-Beer se aplica al graficar la absorbancia vs. la concentración se produce una línea recta que pasa por el origen. A veces, puede ocurrir que todos los constituyentes en la muestra pueden no ser conocidos, de tal modo, que no se puede preparar una solución estándar con la misma composición química. En tal caso, se utiliza un procedimiento llamado método de adición estándar, el cual elimina cualquier error resultante de las absortividades molares (ε), siendo diferentes tanto en la solución estándar como en la solución de muestra. En este método cantidades conocidas del estándar se añaden a alícuotas idénticas de la muestra y se mide la absorbancia. La primera lectura es la absorbancia de la muestra sola y la segunda lectura es la absorbancia de la muestra del analito a la cual se le adicionó una cantidad conocida del mismo analito y así sucesivamente. Las lecturas obtenidas de este modo se trazan para obtener la curva de calibración. Si la ley de Beer se cumple, es decir, se obtiene una línea recta; entonces puede obtenerse la concentración desconocida de la solución, a través de la extrapolación de la curva de calibración. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 1.4.2.5 Métodos de cuantificación 1.4.2.5.1 Método de adición de estándar interno: Se utiliza en muestras complejas donde los efectos de matriz son importantes. Implica añadir uno o más incrementos de una solución estándar a una alícuota de muestra. El valor del volumen en la intersección de la línea recta con el eje-x es el volumen del reactivo estándar equivalente a la cantidad de analito en la muestra. El método de adición de estándar interno se emplea con mayor frecuencia en los análisis de cuantificación fotométricos y espectrofotométricos. Con el fin de ahorrar tiempo y cantidad de muestra, se puede aplicar el método utilizando solo dos volúmenes de muestra. Para esta situación, se hace una única adición de volumen (mL) del estándar o patrón a una de las dos muestras. Esto se basa de acuerdo con la siguiente ecuación: Ecuación 1.21 Dónde: A1 = Es la absorbancia de la muestra sin adición del estándar. A2 = Es la absorbancia de la muestra con adición del estándar. cs = Es la concentración del estándar. cx = Es la concentración de la muestra sin estándar. Vs = Es el volumen del estándar adicionado. Vx = Es el volumen de la muestra sin estándar. Ejemplo 1.4 Se pipetean dos alicuotas de 10 mL de una muestra de agua residual en matraces aforados de 50,00 mL. A una se le adicionan exactamente 5,00 mL de una disolución patrón que contiene 12,00 ppm de Cu 2+ seguido de un exceso de hidróxido de amonio concentrado para la formación delcomplejo de cobre amoniacal que es de un color azul intenso y ambas se aforan hasta 50,00 mL. Las señales de fotómetro para la disolución sin estándar fue 0,35 ycon estándar 0,63. a). ¿Qué concentración de Cu2+ hay en la muestra? UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Solución: En este problema, cs= 12,0 ppm, Vx = 10,00 mL y Vs = 5,00 mL y reemplazar en la Ecuación 1.20 : La concentración de iones de en la muestra de agua residual es de 7,5 ppm. 1.4.2.5.2 Curva de calibración externa: Se realiza con estándares que contienen el analito para establecer una relación entre las características físicoquímicas del analito y las señales del instrumento. En un proceso analítico se relaciona la señal y características del analito, de modo que la calibración se realiza al obtener la señal derespuesta como función de la concentración conocida del analito. Serepresentan los datos obtenidos y se obtiene la gráfica de la señalcorregida frente a la concentración del analito.Lo normal es que la gráfica tienda a una línea recta, donde a medidaque aumenta la concentración, la señal de respuesta es mayor(pendiente positiva). En el modelo de curva de calibración lineal, lapendiente vendrá dada por la ecuación matemática: Ecuación 1.22 Siendo m la pendiente, x la concentración,y la señal de respuesta y b el intercepto con el eje y.La sensibilidad de calibración es la pendiente de la curva de calibrado.Por tanto, en una curva de calibrado lineal la sensibilidad es siempre lamisma y no va a depender de la concentración, ya que para que secumpla y = mx + b, las concentraciones deben tener una incertidumbreinsignificante. Figura 15. Ejemplo de una gráfica de una curva de calibración externa. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Ejemplo 1.5 Tras las diluciones oportunas de una disolución patrón, se obtuvieron disoluciones de hierro cuyas concentraciones se muestran a continuación. Posteriormente se obtuvo el complejo de hierro(II)/1,10-fenantrolina en alicuotas de 25,0 mL de estas disoluciones, a continuación cada una de ellas se diluyó hasta 50,0 mL. Se leyeron las siguientes absorbancias a 510 nm: Concentraciones de FE(II) en las disoluciones originales, ppm 2,00 5,00 8,00 12,00 16,00 20,00 Absorbancia, A (cubetas de 1,00 cm) 0,164 0,425 0,628 0,951 1,260 1,582 a) Construya una curva de calibrado con los datos anteriores y obtenga la ecuación de la recta en la que relacione la absorbancia con la concentración de Fe(II). b) Determinar las concentraciones de unas muestras de aguas superficiales cuyas absorbancias fueron 0,107; 0,721; 1.538. Solución: a). Se construyó la gráfica con los datos consignados en la tabla anterior como se muestra a continuación: 1.8 A b s o r b a n c i a 20, 1.582 1.6 16, 1.26 1.4 1.2 12, 0.951 1 0.8 8, 0.628 0.6 5, 0.425 0.4 2, 0.164 0.2 0 0 5 10 15 Concentración de Fe(II), ppm 20 25 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Posteriormente de la gráfica se obtuvo la siguiente ecuación: [ ] Arreglando la ecuación para obtener la concentración de [ muestra a partir de su absorbancia medida tenemos: [ ] de cualquier ] b). De acuerdo con la ecuación anterior se halló la concentración de las tres muestras cuyas absorbancias fueron: 0,107; 0,721; 1,538. [ ] [ ] [ ] UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 5: Instrumentación de la espectrofotometría UV-VIS Hoy en día una amplia gama de instrumentos están disponibles para realizar mediciones de absorción molecular en el intervalo UV-visible. Estos varían desde máquinas simples y poco onerosas para el trabajo de rutina, a los dispositivos altamente sofisticados que pueden ser utilizados para el trabajo especializado, y por supuesto, los trabajos de rutina también. Sin embargo, los componentes básicos de estos instrumentos siguen siendo los mismos. Los cinco componentes esenciales de la radiación UV-VIS instrumentos son los siguientes Una fuente de radiación estable. Selector de longitud de onda. Portamuestras. Detector o transductor de la radiación. Procesamiento de señales y dispositivo de salida. 1.5.1 Fuentes de radiación Una fuente de radiación espectrofotométrica (ver Figura 16) debe proporcionar una salida estable de alta energía en un amplio intervalo de longitudes de onda. No hay una fuente barata disponible que puede proporcionar una salida estable durante toda la gama de UV-visible (190 nm a 780 nm). Se utilizan normalmente fuentes continuas para las mediciones de absorción molecular, mientras que las fuentes spectral-line se emplean para la calibración de longitud de onda de un espectrómetro. Algunos ejemplos de fuentes continuas comúnmente utilizados están: Las lámparas halógenas de tungsteno, que tienen una temperatura radiante T de 3000 K y por lo tanto tienen un espectro radiante máximo a una longitud de onda de aproximadamente 1,2 µm; son ampliamente utilizados en el visible y cerca de la región espectral ultravioleta (por encima de los 330 nm). Las lámparas de deuterio (lámparas de descarga de gas) que emiten fuertemente en la región UV por debajo de los 330 nm, el espectro continuo de deuterio tiene líneas de emisión atómica en superposición. Las lámparas de arco de xenón que le dan un continuo que va desde menos de 190 nm y por encima de 1000 nm. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 16. Ejemplos de fuentes de radiación. (a) Lámpara de deuterio para el rango UV. (b) Lámpara de tungsteno para el rango visible. Ejemplos de fuentes de radiación son: Lámparas de baja presión de descarga de mercurio, que a veces se utilizan para medir la absorbancia a longitudes de onda fija. Tales lámparas son también útiles para la calibración de longitud de onda. Los láseres sintonizables con y sin duplicación de frecuencia y/o desplazamiento Raman, son fuentes de alta intensidad con estrechos anchos de banda espectrales. 1.5.2 Compartimientos de muestras 1.5.2.1 Muestras líquidas Las muestras líquidas están usualmente contenidas en celdas fotométricas (ver Figura 17) y estas se ubican en compartimientos o contenedores especiales. Los contenedores pueden ser calentados o enfriados con el fin de controlar la temperatura del líquido en la celda de muestra. Las características importantes de las celdas son: La forma de la celda puede ser rectangular o cilíndrica. El camino de la longitud de absorción, b, que se define como la longitud de la trayectoria de radiación a través del medio absorbente, es igual a la longitud del camino de la celda, l. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Son también importantes el volumen y la sección transversal, el material de la ventana (espesor de la ventana y el grado de desviación del paralelismo de la ventanas). Figura 17. Cubetas o celdas comúnmente empleadas en espectrofotometría UVVIS. Un par de celdas con propiedades ópticas muy similares se conocen como celdas emparejadas. Una celda es la celda de la muestra, mientras que la otra, es la de referencia (o blanco), que contiene el disolvente o una solución de referencia. En espectrómetros de doble haz, la radiación atraviesa de forma simultánea o alternativamente a través de las dos celdas. En los instrumentos de un solo haz las celdas se mueven secuencialmente en el haz de radiación. 1.5.2.2 Muestras gaseosas Los gases y vapores se miden en celdas para gases similares a los utilizados para líquidos. Generalmente, el paso de luz a través de la celda es mucho mayor. Los gases a cualquier presión se encuentran en celdas cerradas para su medición. 1.5.2.3 Muestras sólidas Las muestras sólidas se mantienen en compartimientos especiales. Cuando se miden sus absorbancias, se experimentan dificultades, por ejemplo en la adecuación de la muestra y la longitud de los caminos de referencia. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 1.5.2.4 Cuidado de las celdas Las celdas espectrofotométricas deben ser manejadas adecuadamente, si se desean resultados confiables. Algunas reglas útiles se enumeran a continuación: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 1.5.3 Inspeccione si hay arañazos en las ventanas. Nunca toque las superficies ópticas de las celdas con sus dedos. Utilizar una única celda para toda una serie de mediciones, o asegurar que todas las celdas que se utilizan tienen la misma longitud de camino, b, para transmitancias similares. Al llenar las celdas, enjuáguelos a fondo con la solución a medir, y luego rellenar, asegurando que no haya burbujas de aire que se adhieran a las ventanas. Secar el exterior de la celda con etanol. Nunca use una toalla de papel. Coloque las celdas dentro del instrumento con cuidado, asegurando que estén bien sentados en el compartimiento. Utilice la misma orientación de la celda cada vez que realice la medida. Si se utiliza un disolvente volátil, colocar una tapa sobre la celda para reducir la evaporación. Nunca almacene soluciones en las celdas. Enjuagar a fondo cuando haya terminado y dejar secar en un lugar libre de polvo. Las soluciones básicas corroen y dejan grabados en las celdas si no se limpian correctamente. Siempre mantenga las celdas en soportes o cajas para cubetas cuando no están dentro del instrumento. Selectores de longitud de onda En las mediciones espectrofotométricas tenemos que usar una banda estrecha de longitudes de onda de la luz. Esto mejora la selectividad y la sensibilidad del instrumento. Instrumentos menos costosos usan un filtro para aislar la energía radiante y proporcionar una amplia banda de longitudes de onda. En muchas aplicaciones es necesario variar continuamente la longitud de onda en un rango definido. Esto puede lograrse mediante el uso de monocromadores. La mayoría de instrumentos modernos utilizan monocromadores que emplean un prisma o rejilla de difracción como el medio dispersante. La selección y uso de rellenos y monocromadores se describe a continuación. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 1.5.3.1 Los filtros de absorción En los instrumentos de bajo costo que atienden a las mediciones en el rango visible, los filtros de vidrio de color se utilizan para cortar longitudes de onda no deseadas. Un filtro típico es una pieza de vidrio de color, que absorbe la luz de cierta longitud de onda y permite que otra pueda pasar a través. Sabemos que la luz blanca se compone de siete colores diferentes, el acrónimo es VIBGYOR para el violeta, índigo, azul, verde, amarillo, naranja y rojo. Estos siete colores se suman para dar una luz blanca. Cuando la luz blanca cae sobre un objeto, una parte de ella es absorbida y el resto se transmite. Estos componentes de transmisión se suman para dar el color observado del objeto. El componente de absorción y el color que se observa, una vez más, se suman para dar la luz blanca. Estos son complementarios entre sí. Un objeto de un color particular muestra su color porque este color se transmite y su color complementario es absorbido. Con el fin de seleccionar un filtro adecuado para una medición de la absorbancia de una solución, es necesario tener una comprensión de los colores complementarios. El color del filtro debe ser complementario al color de la solución a medir. Si aparece una solución naranja, esto implica que la luz naranja no está siendo absorbida, pero que el complemento de naranja es decir, azul está siendo absorbido. Por lo tanto, para medir la absorbancia de una solución de color naranja se emplea un filtro azul. El uso de dicho filtro se ilustra en la Figura 18. Figura 18. Filtro usado en espectrofotometría para medir absorbancia. Dado que estos filtros funcionan absorbiendo parte de la radiación incidente sobre ellos, por lo cual no proporcionan luz monocromática. Con el fin de conseguir una estrecha banda de longitudes de onda se puede utilizar ciertos filtros que en realidad contienen dos filtros de vidrio; un filtro absorbe fuertemente por encima de una cierta longitud de onda, mientras que el segundo absorber fuertemente por debajo de una cierta longitud de onda. Con el fin de encontrar el color del filtro que UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía se utilizará se puede consultar una tabla de colores complementarios (ver Tabla 1). Con el fin de medir una solución de color rojo, se escoge su complementario, es decir, se debe utilizar un filtro de color verde. Tabla 1. Carta de colores complementarios Región de longitud de onda elimina por absorción (nm) Color absorbido Color complementario de la luz residual (según lo visto por el ojo) 400-450 Violeta yellow-green 450-480 Azul yellow 480-490 Verde-azul orange 490-500 Azul-verde red 500-560 Verde Púrpura 560-580 Amarillo-verde Violeta 580-600 Amarillo Azul 600-650 Naranja Verde-azul 650-750 Rojo Azul-verde Yellow=amarillo; red=rojo; orange: naranja Los filtros de absorción son simples y totalmente adecuados para muchas aplicaciones en el rango visible. Sin embargo, para rangos amplios se necesitan filtros de interferencia. Los filtros de interferencia cubren un rango más amplio que los filtros de absorción. Los filtros de interferencia se componen esencialmente de dos películas transparentes paralelas de plata, que están tan cerca como para producir efectos de interferencia. Estos filtros de interferencia están disponibles para la región del ultravioleta, visible e infrarrojo cercano. Las características de rendimiento de estos filtros son significativamente superiores a los filtros de absorción (coloreados). El ancho de banda eficaz de estos filtros son más estrechos que los filtros de absorción UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 1.5.3.2 Monocromadores Como se mencionó anteriormente, los monocromadores son dispositivos que pueden proporcionar selectivamente la radiación de una longitud de onda deseada fuera del rango de longitudes de onda emitidas por la fuente. El prisma y los monocromadores de rejilla son dos tipos de monocromadores. Estos se describen en los párrafos siguientes. 1.5.3.2.1 El Prisma: Un prisma dispersa la luz solar en siete colores diferentes. Esto ocurre debido a la refracción de la luz cuando pasa a través del prisma. Las radiaciones de diferentes colores tienen diferentes longitudes de onda que se refractan a diferentes medidas, debido a la diferencia en el índice de refracción del vidrio para diferentes longitudes de onda. Longitudes de onda cortas se refractan más que longitudes de onda mayores como se muestra en la Figura 19. Figura 19. Dispersión de la luz por un prisma. Si un prisma se hace girar, diferentes longitudes de onda que salen de él se pueden hacer pasar a través de la rendija de salida. En un monocromador de prisma, como se muestra en la Figura 18, se obtiene un fino haz de luz de la fuente cuando se hace pasar a través de una rendija de entrada. Este es entonces colimado en el prisma con la ayuda de una lente. Los rayos refractados se enfocan en una rendija de salida. El prisma se gira entonces en una forma predeterminada para proporcionar la longitud de onda deseada de la rendija de salida. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 20. Esquema de un prisma monocromador 1.5.3.2.2 Rejillas monocromadoras: Una rejilla se hace cortando o grabando una serie de ranuras paralelas espaciadas estrechamente sobre la superficie lisa reflectante de un material sólido. La superficie se hace reflectante mediante una capa delgada de aluminio en él y el ataque químico se realiza con la ayuda de una herramienta de diamante de forma adecuada. La intensidad de la radiación reflejada por una rejilla varía con la longitud de onda; la longitud de onda de máxima intensidad es dependiente del ángulo del cual la radiación se refleja de la superficie de la línea de la rejilla como se muestra en la Figura 21. Figura 21. Difracción de la radiación hecha por una rejilla. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía En la rejilla monocromadora (ver Figura 22), un fino haz de la luz de la fuente cae sobre un espejo cóncavo a través de una rendija de entrada. Esto se refleja entonces en la rejilla la cual lo dispersa. La radiación dispersa se dirige entonces a una rendija de salida. La gama de longitudes de onda aisladas por el monocromador se determina por el grado de dispersión de la rejilla y la anchura de la rendija de salida. La rotación de la rejilla de una manera predeterminada puede ser utilizada para obtener la longitud de onda deseada de la rendija de salida. Figura 22. Diagrama de una rejilla monocromática. 1.5.4 Detectores Los detectores se utilizan para convertir una señal luminosa a una señal eléctrica que puede ser adecuadamente medida y transformada en una salida. Los detectores usados en la mayoría de los instrumentos generan una señal, que es lineal en la transmitancia, es decir, que responden linealmente a la potencia radiante que incide sobre ellos. Los valores de transmitancia se pueden cambiar logarítmicamente en unidades de absorbancia por una disposición eléctrica o mecánica en la señal de lectura del dispositivo. Hay tres tipos de detectores que se utilizan en espectrofotómetros modernos. Estos se describen en los párrafos siguientes. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 1.5.4.1 Fototubo Una célula fotoeléctrica consta de un cátodo fotoemisor y un ánodo en un tubo de vacío con una ventana de cuarzo, como se muestra en la Figura 22 (a). Estos dos electrodos están sometidos a una alta diferencia de voltaje (alrededor de 100 V). Cuando un fotón entra en el tubo y golpea el cátodo, un electrón es expulsado y es atraído hacia el ánodo, lo que resulta en un flujo de corriente que puede ser amplificado y medido. La respuesta del material fotoemisor es dependiente de la longitud de onda y fototubos diferentes están disponibles para las diferentes regiones del espectro. Figura 23. Detectores fotomultiplicador. 1.5.4.2 de radiación UV-VIS; a) Fototubo y b) Tubo Tubo fotomultiplicador (PM) Un tubo fotomultiplicador (ver Figura 22 (b)) se compone de una serie de electrodos llamados dínodos. El voltaje de los electrodos sucesivos se mantiene 50 a 90 voltios más positivo que el anterior. Cuando una radiación cae sobre el cátodo un electrón se emite a partir de ella. Esto se acelera hacia el siguiente electrodo fotoemisor por la diferencia de potencial entre los dos. Aquí, libera muchos más electrones secundarios. Estas a su vez son acelerados hacia el electrodo de al lado donde cada electrón secundario libera más electrones. El proceso continua hasta aproximadamente 10 etapas de amplificación. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía La salida final del tubo fotomultiplicador da una señal mucho mayor que la fotocelda. 1.5.4.3 Detector arreglo de diodos Estos detectores emplean un gran número de diodos de silicio dispuestos lado a lado en un solo chip. Cuando una radiación UV-VIS cae en el diodo, su conductividad aumenta significativamente. Este aumento de la conductividad es proporcional a la intensidad de la radiación y se puede medir fácilmente. Dado que un gran número de diodos pueden ser organizados juntos, la intensidad en un número de longitudes de onda se puede medir de forma simultánea. Aunque el arreglo de fotodiodos no es tan sensible como el tubo fotomultiplicador, la posibilidad de ser capaz de medir un gran número de longitudes de onda hace que sea un detector de elección en los instrumentos rápidos modernos. 1.5.5 Adquisición y procesamiento de datos La señal eléctrica procedente del transductor está convenientemente amplificada o procesada antes de ser enviada a la grabadora para dar una salida. La resta del espectro del disolvente del espectro de la solución se hace electrónicamente. La gráfica de salida entre la longitud de onda y la intensidad de absorción es la resultante del proceso de sustracción y es característico de la especie absorbente. Ejercicios (Unidad 1 – Capítulo 1) 1. La ecuación de una onda cuya amplitud de onda es de 1 m, su pulsación es de 10 rad s-1 y su nº de onda es 3 m-1 es: a. b. c. d. y = cos(10t – 3x) y = sen(3t – 10x) y = sen(10t - 3x) y = cos(3t – 10x) UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 2. La frecuencia en hertzios de un haz de rayos X con longitud de onda de 2,97 y de la línea que produce a 632,8 nm un láser de He-Ne respectivamente son: a. b. c. d. 3. Las siguientes absorbancias 0,0350; 0,310 y 0,494 en porcentaje de transmitancia respectivamente son: a. b. c. d. 4. 85,3 %, 54,6 %, 33,2 % 58,3 %, 56,4 %, 32,3 % 92,3 %, 49,0 %, 32,1 % 93,2 %, 50,1 %, 33,2 % A 580 nm (longitud de onda de absorción máxima) el complejo FeSCN 2+ presenta una absortividad molar de 7,00 x 103 L cm-1 mol-1. La absorbancia de dicha solución que presenta una concentración de 3,75 x 10 -5 M en una celda de 1,00 cm es: a. b. c. d. 5. 1,01 x 1018 Hz y 4,809 x 1014 Hz 2,01 x 1018 Hz y 5,703 x 1014 Hz 0,89 x 1018 Hz y 3,621 x 1014 Hz 1,50 x 1018 Hz y 4,280 x 1014 Hz 0,362 0,623 0,426 0,262 Una forma habitual de determinar el fósforo en la orina es tratar la muestra con molibdeno(VI) después de separar las proteínas y luego reducir el 12molibdofosfato resultante con ácido ascórbico para obtener una especie de color azul intenso, llamado azul de molibdeno. La absorbancia puede medirse a 650 nm. Un paciente produce 1122 mL de orina en 24 horas.Se trató una alícuota de 1,00 mL de una muestra con molibdeno(VI) y se diluyó hasta 50,00 mL. Se preparó una curva de calibración al tratar alícuotas de 1,00 mL de soluciones patrón de fosfato de la misma manera que la muestra de orina. Las absorbancias de los patrones y la muestra de orina se determinaron a 650 nm y se obtuvieron los siguientes resultados: UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Solución Absorbancia 1,00 ppm de P 0,230 2,00 ppm de P 0,436 3,00 ppm de P 0,638 4,00 ppm de P 0,848 Muestra de orina 0,518 La concentración del P en la muestra de orina y la masa en gramos de fósforo que elimina diariamente el paciente son respectivamente: a. b. c. d. 4,86 ppm y 26,3 % 2,40 ppm y 33,6 % 1,16 ppm y 28,6 % 3,56 ppm y 35,4 % UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía CAPITULO 2: ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN INFRARROJA (IR). Introducción La espectroscopía de absorción infrarroja (IR) estudia la interacción de la materia con la luz infrarroja del espectro electromagnético. Esta región está comprendida entre los 780 nm hasta 1x106 nm y se divide en tres regiones IR cercano (780 – 2500 nm), IR medio (2500 – 50x103 nm) y el IR lejano (50x103 - 1x106 nm), cada una de las tres regiones se utilizan de manera diferente. Los espectrofotómetros que se construyen para trabajar en la región del IR cercano son similares a los equipos diseñados para la absorción en la región del ultravioleta visible, en cuanto a diseño y componentes. Esta interacción produce una serie de vibraciones a escala molecular, desde el estado basal vibracional hasta estados excitados vibracionales. Las moléculas siempre presentaran vibraciones e incluso a temperaturas cercanas a los 0 K, por lo cual su energía vibratoria nunca llegará a ser nula, a diferencia de la energía electrónica del estado basal cuya energía si puede tomar el valor de cero. El espectro de vibración de una molécula se considera como una característica física única y es característica de cada molécula. Como tal, el espectro infrarrojo se puede utilizar como una huella digital para su identificación, por comparación del espectro de una sustancia desconocida con espectros de referencia previamente almacenados en una base de datos de un ordenador. En ausencia de una base de datos de referencia adecuada, es posible efectuar una interpretación básica del espectro de los primeros principios, que conduzcan a la caracterización y una posible eventual identificación de una muestra desconocida. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 6. Modelo mecánico de las vibraciones de tensiones en moléculas Para describir una vibración de tensión en una molécula diatómica usaremos la ley de Hooke. Esta se puede describir a partir de dos masas conectadas por un resorte, las cuales experimentan una fuerza restauradora dada por: Ecuación 1.23 Donde F es la fuerza de recuperación, q = r – re la coordenada de la vibración y k = mω2 la constante de fuerza, la cual es la medida de la fuerza de la unión entre átomos y es el dato teórico más importante en las aplicaciones de la espectroscopia vibracional. La vibración causada por esta perturbación de la masa que se conoce como movimiento armónico simple (MAS). Cuando la aceleración de una partícula varía con el tiempo, el movimiento armónico simple se puede encontrar en esta relación cuando se combina la segunda ley de Newton y la ley de Hooke, Ecuación 1.24 Donde m y a son la masa y la aceleración respectivamente Linealmente el oscilador armónico simple indica que F es proporcional a la x. La frecuencia angular ω del MAS está relacionada con la constante del resorte k y la masa del objeto, la ω se convierte en: √ Ecuación 1.25 Finalmente la frecuencia del oscilador armónico se puede expresar así: √ Donde 2.6.1 Ecuación1.26 se conoce como Frecuencia natural. Moléculas diatómicas En un sistema consistente de dos masas m1 y m2 (ver figura 24) conectadas por un resorte, su comportamiento puede ser descrito sólo mediante la sustitución de la masa reducida μ para la masa m: UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Ecuación 1.27 Figura 24. Modelo de molécula diatómica. La frecuencia natural definida en la Ecuación 1.26 para una masa oscilante, nos sirve para definir la frecuencia natural para una molécula diatómica así: √ Ecuación 1.27 La k es la constante de fuerza para el enlace químico, la cual es una medida de su rigidez. 2.6.2 El oscilador armónico Una molécula diatómica puede ser representada por un modelo macroscópico así: Figura 25. Modelo de vibración para una molécula diatómica. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Un simple modelo para la vibración de una molécula diatómica se puede observar en la Figura 25. Un oscilador que obedece a la ley de Hooke, se dice que es un oscilador armónico, supongamos que el enlace entre los dos núcleos se comporta como un resorte: La energía potencial está dada por: Ecuación 1.28 El movimiento vibracional y V tienden a ser armónicos debido ya que la fuerza es linealmente proporcional al desplazamiento y por lo tanto tiene una forma parabólica. Desde el tratamiento de la mecánica cuántica para el oscilador armónico, los niveles de energía vibracionales están caracterizados por el número cuántico : ( ) Ecuación 1.29 puede tener valores 0,1,2,3,….En el estado más bajo vibracional ( =0), la molécula todavía tiene la energía de punto cero Cuando = 1 describe el primer estado excitado, la energía de la molécula en este estado es así sucesivamente. Figura 26. Potencial y niveles de energía del oscilador armónico y UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Ejemplo 1.6 Calcular la longitud de onda y el número de onda aproximado del pico de absorción fundamental correspondiente a la vibración de tensión de un grupo carbonilo C=O. Solución La masa del átomo de carbono en kilogramos viene dada por: ⁄ ⁄ De manera análoga para el oxígeno: ⁄ ⁄ la masa reducida µ viene dada por: La constante de fuerza para el doble enlace típico es de aproximadamente 1x103N/m. Sustituyendo este valor y el de en la Ecuación 1.30 se obtiene: ̅ √ ⁄ ̅ Ecuación 1.30 √ ⁄ ̅ La banda de tensión del carbonilo se encuentra experimentalmente en la región de 1600 a 1800 cm-1 (de 6,3 a 5,6 µm). UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 7. Teoría de la absorción en el IR De las tres zonas del espectro infrarrojo, la región del IR medio es la utilizada en química orgánica para el estudio estructural de las moléculas. El espectro infrarrojo se forma como consecuencia de la absorción de radiación electromagnética en las frecuencias que se correlacionan con la vibración de conjuntos específicos de enlaces químicos dentro de una molécula. En primer lugar, es importante mostrar la distribución de energía que posee una molécula en un momento dado, la cual está definida así: Ecuación 1.31 La energía de traslación se refiere al desplazamiento de las moléculas en el espacio como una función de los movimientos térmicos normales de la materia. La energía de rotación, da lugar a su propia forma de espectroscopia, la cual se observa como el movimiento de giro alrededor de un eje propio de cada molécula y es el resultado de la absorción de energía dentro de la región de las microondas. El componente de energía vibratoria es un término de energía más alto y corresponde a la absorción de energía hecho por una molécula en la que los átomos que la componen vibran alrededor del centro medio de sus enlaces químicos. El componente electrónico está relacionado con las transiciones de energía de los electrones a medida que se distribuyen en toda la molécula, ya sea localizada dentro de enlaces específicos, o deslocalizados sobre estructuras, tales como un anillo aromático. Con el fin de observar tales transiciones electrónicas, es necesario aplicar energía en forma de radiación visible y ultravioleta. El requisito fundamental para la absorción de radiación infrarroja, es que debe haber un cambio neto en el momento dipolar durante la vibración de la molécula o del grupo funcional en estudio. La principal utilidad de la espectroscopía de infrarrojo deriva del hecho de que los grupos funcionales mantienen cierta individualidad dentro de las moléculas, afectando sus vibraciones fundamentalmente al enlace considerado. Es esta Lección aprenderemos el sentido de utilizar la absorción molecular en el infrarrojo para el análisis químico e ilustraremos la naturaleza de estas transiciones. 2.7.1 Origen del espectro de infrarrojo La principal utilidad de la espectroscopía de infrarrojo deriva del hecho de que los grupos funcionales mantienen cierta individualidad dentro de las moléculas, afectando sus vibraciones fundamentalmente al enlace considerado. Según el UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía modelo clásico del oscilador armónico, la frecuencia vibracional de dos átomos unidos por un enlace viene dada por la expresión ̃ √ Ecuación 1.32 donde K es la constante de fuerza del enlace y μ la masa reducida del sistema. Como resultado, se encuentra que los diferentes grupos funcionales se caracterizan por diferentes frecuencias vibracionales, que naturalmente van asociadas a bandas distintas en el espectro de infrarrojo. Los átomos de las moléculas vibran de acuerdo con sus frecuencias normales de vibración. Estas frecuencias son del mismo orden de los fotones de la radiación IR. Cuando una molécula se irradia con estos fotones, absorbe solo aquellos cuyas frecuencias coinciden exactamente con las de los modos de vibración de esa molécula concreta. Los fotones producidos en el IR poseen poca energía como para producir transiciones eléctricas pero pueden provocar que los enlaces se estiren, se encojan y se doblen, es decir pueden causar vibración en las moléculas, en las cuales los átomos cambian su posición relativa, ésta es la base de la espectroscopia en el infrarrojo. Las posiciones relativas de los átomos en una molécula no están exactamente fijas o rígidas sino que fluctúan continuamente como consecuencia de multitud de diferentes tipos de vibración. Para una molécula simple diatómica o triatómica es fácil definir el número y la naturaleza de tales vibraciones, y relacionarlas con las energías de absorción. Habiendo definido las bases de la vibración simple de un enlace atómico, es necesario mirar a la molécula como un todo. Es muy fácil imaginar que hay un número infinito de vibraciones, lo que en realidad podría conducir a un modelo totalmente desorganizado para la interpretación de espectros. En su lugar, se describe el modelo en términos de un conjunto mínimo de vibraciones fundamentales, basado en un conjunto de tres ejes de coordenadas, que son conocidos como los modos normales de vibración. Todas las variantes posibles de los movimientos de vibración de la molécula pueden ser reducidas a este conjunto mínimo por proyección sobre los tres ejes. Se puede demostrar que el número de modos normales de vibración para una molécula dada se determinan a partir de las ecuaciones escritas a continuación: Ecuación 1.33 Ecuación 1.34 donde N es el número de átomos que componen la molécula. En la práctica, aparte de los compuestos más simple, la mayoría de las moléculas no tienen UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía estructuras lineales, excepto donde un grupo funcional específico o grupos funcionales generen una disposición predominante lineal. Si se calcula el número de modos para un hidrocarburo simple, como el metano (estructura no lineal, tetraédrica), se obtendrá un valor de nueve. Esto implicaría que nueve conjuntos de frecuencias de absorción se observaran en el espectro del gas metano. En realidad, el número observado es mucho menor, correspondiendo al estiramiento asimétrico y simétrico, y la flexión de los enlaces del C-H sobre el átomo de carbono central. La razón de un número mucho menor que el esperado, es que varias de las vibraciones son redundantes o degeneradas, es decir, la misma cantidad de energía se requiere para estas vibraciones. Nótese que aunque un pequeño número de modos de vibración se predice, y de hecho se observan, la apariencia del espectro de metano a primera vista es mucho más compleja de lo esperada, especialmente a altas resoluciones espectrales (< 1 cm-1). A resoluciones relativamente altas, una estructura fina se superpone, procedente de bandas de rotación, lo que implica significativamente transiciones de energía más bajas. En compuestos gaseosos de bajo peso molecular se manifiesta esta estructura superpuesta para cada uno de los conjuntos de absorciones de vibración-rotación, el metano es un buen ejemplo. Figura 27. Tipos de vibraciones moleculares. NOTA: (+) indica un movimiento del plano de la página hacia el observador; (-) indica un movimiento del plano de la página alejándose del observador. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Sin embargo con moléculas poliatómicas hacer un análisis de esta clase se hace difícil, no solo a causa del gran número de centros vibratorios, sino que también porque ocurren interacciones entre varios centros que deben tomarse en consideración. En la Figura 27 pueden distinguirse dos tipos básicos de vibraciones: a. De tensión: Simétrico y antisimétrico. b. De flexión: balanceo, aleteo, tijereteo y torsión. Los factores que determinan la energía de un fotón para que produzca vibración en una molécula son: a. b. c. d. La masa de los átomos. La geometría de la molécula. La rigidez de los enlaces químicos. Los períodos de las vibraciones atómicas. Un ejemplo de un espectro es el del metanol, que se muestra en la Figura 28. Figura 28. Espectro de absorción IR del CH3OH. Generalmente, en la ordenada se representa una escala lineal de la transmitancia y en la abscisa una escala lineal del número de onda (cm-1). En la espectroscopía de absorción IR se prefiere que la abscisa esté representada por una escala del número de onda, debido a la proporcionalidad directa que hay entre esta magnitud y la energía o la frecuencia. En raras ocasiones se utiliza la UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía frecuencia de absorción como abscisa ya que las unidades presentan tamaños poco adecuados. Para ver sobre los modos vibracionales de las moléculas absorbentes y ver la simulación de vibración de algunas sustancias orgánicas con sus respectivos espectros IR visite el siguiente link: http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/Spectrpy/InfraRed/infrare d.htm Para observar una simulación del comportamiento del oscilador armónico puede ir a los siguientes links: http://www.edumedia-sciences.com/es/a266-osciladorarmonicohttp://www.uco.es/hbarra/index.php/fc/appletsfc 2.7.1.1 Acoplamiento vibracional La energía de una vibración puede verse afectada por otros factores oscilatorios de la molécula. Algunos factores pueden ser: a. Solo se producen acoplamientos fuertes entre vibraciones de tensión cuando hay un átomo común en las dos vibraciones. b. Para que haya interacción entre vibraciones de flexión se requiere de un enlace común entre los grupos vibratorios. c. Un acoplamiento entre una vibración de tensión y una de flexión se produce si el enlace que sufre la tensión forma uno de los lados del ángulo que varía en la vibración de flexión. d. Se presenta mayor interacción cuando las energías individuales de los grupos acoplados se aproximan entre sí. e. No existe interacción entre grupos que se encuentran separados por dos o más enlaces. f. Para que haya acoplamiento se requiere que las vibraciones pertenezcan al mismo grupo de simetría. Estos acoplamientos vibracionales son frecuentes, por lo cual no se puede predecir la frecuencia de absorción resultante por lo tanto no se utilizan para la identificación cualitativa de los grupos funcionales participantes. Por ejemplo, en los etilenos sustituidos se presenta una frecuencia para el enlace C=C a 1620 cm 1 . Dicha transición está compuesta por un 60% de vibración de tensión del C=C y un 35% de la vibración de flexión C-H. Cuando se sustituye H por D, la frecuencia de vibración para dicho enlace termina desplazándose unos 1520 cm-1. Existen interacciones similares entre la vibración de flexión del C-O-H y la tensión del C-O en los alcoholes, entre la flexión del C-N-H y al tensión del C-N en amidas. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 8: Instrumentación: fuentes y detectores La instrumentación empleada en la espectroscopía de absorción en el IR requiere fuentes de radiación en el infrarrojo continuo y detectores a sensibles a ese tipo de radiación. En esta lección se describen las fuentes y los detectores que componen un equipo actual de trabajo en el infrarrojo. En la figura 29 se muestra un esquema de un espectrofotómetro de IR. Figura 29. Esquema de un espectrofotómetro de doble haz de radiación IR. 2.8.1 Fuentes. Las fuentes comúnmente utilizadas en el infrarrojo se componen de un sólido no reaccionante, el cual es calentado eléctricamente a temperaturas entre 1500 y 2000 K, al pasar a través de él una corriente eléctrica determinada. El sólido produce radiación continua que se aproxima a la de un cuerpo negro. La máxima intensidad radiante se produce a 1.7 a 2.0 (de 5000 a 6000 cm-1)a las temperaturas arriba descritas. Por lo cual, la máxima emisión está contenida en el infrarrojo próximo o cercano. Si se aumenta la temperatura se incrementa mucho UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía más la radiación de longitud de onda corta que la radiación de longitud de onda larga que es la que generalmente se usa. Una fracción de la radiación de longitud de onda corta encontrará su camino a través del monocromador como luz dispersa, ya que relativamente es más intensa. Por tal motivo, los haces de luz son cortados a una frecuencia baja (de 10 a 26 veces por segundo). Un compartimiento separado guarda la unidad de la fuente. La luz procedente de la fuente, cae sobre un espejo cóncavo que condensa la radiación en un punto centrado y dirigido hacia la rejilla de entrada del monocromador. Generalmente se usa una rejilla múltiple (4000-2000 cm-1, 2000-1600 cm-1, 1600 –500 cm-1, 500-200 cm-1). En los equipos instrumentales comercial es que se especializan en el IR se presentan tres tipos de fuentes: 1. Fuente Globar; 2. Emisor de Nernst y 3. Fuente de filamento incandescente. 2.8.1.1 La fuente globar Una fuente globar es una varilla de carburo de silicio, que por lo general tiene unos 50 mm de longitud y 5 mm de diámetro. Se calienta eléctricamente entre 1300 y 1500 K y tiene la ventaja de poseer un coeficiente de resistencia positivo. Por otro lado, es necesario enfriar los contactos eléctricos. Las energías espectrales del Globar y del emisor de Nernst son semejantes, excepto en la región inferior a 5 mm donde el Globar se distingue por tener mayor energía. 2.8.1.2 El emisor de Nernst Está constituida por óxidos de los lantánidos. Poseen forma cilíndrica con un diámetro de 1 a 2 mm y una longitud de unos 20 mm. Los extremos del cilindro están unidos a unos conductores de platino que permiten el paso de la electricidad, lo que permite alcanzar temperaturas comprendidas entre 1200 y 2200 K. Debe calentarse externamente hasta el rojo obscuro para que la corriente sea suficiente como para mantener la temperatura deseada. Debido a que la resistencia disminuye con el aumento de temperatura, el circuito de la fuente se ha diseñado para limitar la corriente, si no fuera así, la lámpara se calentaría tanto que se destruiría. 2.8.1.3 Filamento incandescente Es una fuente de intensidad algo menor que las dos anteriores, pero con una vida útil más larga. Es un alambre de níquel-cromo que se calienta por el paso de una UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía corriente eléctrica. Existen alambres de rodio en el interior de cilindros de cerámica que producen emisiones similares. 2.8.1.4 El arco de mercurio Se utiliza un arco de mercurio a alta presión para la región espectral del IR lejano (λ>50μm) ya que las fuentes descritas no proporcionan la energía suficiente en este rango del espectro. Consiste en vapor de Hg en un tubo de cuarzo a presiones superiores a 1 atm que al hacerle pasar una corriente eléctrica se origina una fuente de plasma que emite radiación en el IR lejano. 2.8.1.5 Lámpara de tungsteno Una lámpara con filamento de tungsteno ordinaria es una fuente adecuada para la región del IR cercano de 4000 a 12800 cm-1 (2,5 a0,78 μm). 2.8.1.6 Fuente de LASER de dióxido de carbono Para controlar ciertos contaminantes atmosféricos y para determinar especies absorbentes en disoluciones acuosas se puede usar como fuente de IR un LASER sintonizable de dióxido de carbono. Este LASER produce una banda de radiación en el intervalo de 900 a 1100 cm-1 que está constituida por unas 100 líneas discretas y poco espaciadas. El intervalo de longitudes de onda es estrecho, pero sin embargo, es muy útil ya que es particularmente rico en bandas de absorción. Permite la determinación de compuestos como el amoníaco, benceno, etanol, dióxido de nitrógeno y tricloroetileno. Es importante mencionar que la energía producida por el LASER es muy superior a la producida por las fuentes de cuerpo negro. 2.8.2 Monocromadores. Un monocromador infrarrojo consiste de un sistema variable de ranuras de entrada y salida, uno o más elementos dispersantes y varios espejos para reflejar y enfocar el haz de radiación. No se emplea lentes a causa de los problemas con aberraciones cromáticas. El sistema de ranuras de un espectrofotómetro de IR realiza la misma función que en sus análogos UV-Visible, y debe hacerse el mismo compromiso al recoger el ancho de ranura que se emplea. Ranuras estrechas proporcionan menores anchos de banda y mayor ausencia de radiación UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía dispersa; ranuras más anchas producen mayor energía radiante que llega al detector, y menor definición del espectro de absorción. Se emplean prismas y rejillas para dispersar la radiación infrarroja; el uso general de éstas últimas es relativamente nuevo se han usado varios materiales para la construcción de prismas. Se emplea cuarzo para la región próxima al IR, lo único es que no posee las características ideales de dispersión en esta región, absorbe fuertemente más allá de 4 mm. El material más común de que se construyen los prismas es de cloruro de sodio cristalino. Su dispersión es alta en la región comprendida entre 5 y 15 mm y es adecuada para 2.5 mm. Más allá de 20 mm el NaCl absorbe muy fuertemente y no puede ser usado. Los materiales de los prismas usados más allá del IR son de bromuro de potasio y bromuro de cesio cristalinos (de 675 a 250 cm-1) mientras que el fluoruro de litio es utilizado en la región próxima al infrarrojo (de 1000 a 2000 cm-1). Este tipo de materiales es necesario protegerlos de la humedad con desecantes de calor ya que son solubles en agua y además se rayan muy fácilmente, exceptuando los conformados por cuarzo. 2.8.3 Detectores La medición de radiación infrarroja es difícil debido a la baja intensidad de las fuentes disponibles y a la poca energía del fotón infrarrojo. Como consecuencia de estas propiedades, la señal eléctrica de un detector infrarrojo es pequeña y su medición requiere grandes factores de amplificación. Generalmente, el sistema detector en un espectrofotómetro IR es el que limita la sensibilidad y la precisión. Los detectores utilizados en infrarrojo son: detectores térmicos y detección basada en fotoconducción. 2.8.3.1 Detectores térmicos Tienen respuestas uniformes para todas las frecuencias medidas en términos de señal del detector por Watt de poder incidente, como ya mencionamos, las señales son débiles por la baja intensidad de las fuentes, de tal manera que se coloca un preamplificador tan próximo como sea posible al detector. Con estos dispositivos se mide el incremento de temperatura que resulta cuando un pequeño cuerpo negro absorbe la radiación. Entre los detectores térmicos se encuentran los termopares, bolómetros y celda de Golay. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 2.8.3.1.1 Termopares: Este tipo de detector consiste de un par de uniones que se forman soldando los extremos de dos piezas de un metal como el bismuto, a otro metal distinto como el antimonio. Entre las dos uniones se genera un potencial que varía en función de su diferencia de temperatura. Contiene una cámara de vacío con una ventana transparente a la radiación infrarroja. Para aumentar la sensibilidad se pueden unir varios termopares en serie para originar lo que se llama una Termopila. Un detector de termopar bien diseñado, es capaz de responder a diferencias de temperatura de 10-6 K, considerando que la potencia radiante del haz de un espectrofotómetro de infrarrojo es muy baja, por lo que la capacidad calorífica del elemento absorbente debe ser lo más pequeña posible para producir un cambio de temperatura detectable. Un amplificador operacional seguidor de voltaje, también se puede emplear como preamplificador en los circuitos del detector de termopar. 2.3.3.1.2 Bolómetros: Un bolómetro es un tipo de termómetro de resistencia construido con bandas de metal como platino o níquel o de un semiconductor, en este último caso se denomina termistor. Estos materiales presentan un cambio de resistencia relativamente grande con la temperatura. El elemento sensible suele ser pequeño y está pintado de color negro para absorber el color radiante. 2.3.3.1.3 Detectores piroeléctricos: Los detectores piroeléctricos se construyen con láminas cristalinas de materiales piroeléctricos que son aislantes con propiedades térmicas y eléctricas especiales. En IR el material piroeléctrico más usado es el sulfato de triglicina (NH2CH2COOH)3.H2SO4 (normalmente deuterado o con parte de la glicina sustituida por la alanina). En las sustancias piroelélectricas cuando se le aplica un campo eléctrico, ocurre una polarización eléctrica cuya magnitud es función de la constante dieléctrica del material y que se mantiene, aún después de eliminar el campo. Con otros materiales al eliminar el campo, la polarización inducida baja a cero. Así, al colocar un cristal piroeléctrico entre dos electrodos (uno transparente al IR) se produce una capacitancia que depende de la temperatura. La radiación IR incide sobre el detector y cambia la temperatura lo que altera la distribución de carga en el cristal y se detecta como una corriente en un circuito eléctrico externo conectado a las dos caras del condensador. La magnitud de esta corriente es proporcional al área de superficie del cristal y a la velocidad del cambio de polarización con la temperatura. Los detectores piroeléctricos tienen una respuesta lo suficientemente rápida como para seguir las variaciones en un interferómetro (FTIR). UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 2.8.3.2 Detectores fotoconductores En este caso se utilizan teluro de cadmio y mercurio en una delgada película de un material semiconductor, como sulfuro de plomo, teluro de cadmio y mercurio fotoconductor o antimoniuro de indio depositado sobre una superficie no conductora y sellada en una cámara al vacío para protegerlo de la atmósfera. En estos materiales la absorción de radiación disminuye su resistencia eléctrica. En general se coloca en serie un fotoconductor, una fuente de voltaje y una resistencia y la caída de voltaje a través de la resistencia es una medida de la potencia del haz de radiación. Los detectores de sulfuro de Pb son muy usados en la región espectral del IR cercano de 10.000 a 333 cm-1. Pueden funcionar a temperatura ambiente. Los de teluro de cadmio y mercurio se usan para el IR medio y lejano y se deben enfriar con nitrógeno líquido (77 K). Este último detector ofrece una respuesta superior a los piroeléctricos y se usan en los equipos FTIR. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 9: Aplicación de la Espectrometría en el Infrarrojo La espectrometría infrarroja se utiliza ampliamente tanto en la industria como en la investigación científica, porque es una técnica rápida y fiable para medidas, control de calidad y análisis dinámicos. Los instrumentos actuales son pequeños y pueden ser transportados, incluso para tomar medidas de campo. Con los avances en tecnología de filtrado computacional y la manipulación de los resultados, se pueden medir con precisión las muestras en una solución (el agua produce una banda larga de absorbancia en el rango de interés, lo que daría un espectro ilegible sin dicho tratamiento computacional). Algunas máquinas incluso dicen automáticamente qué sustancia está siendo analizada a través de miles de espectros de referencia almacenados en la memoria. Haciendo medidas a una frecuencia específica a través del tiempo, se pueden seguir los cambios en la naturaleza o la cantidad de un enlace en particular, lo que es especialmente útil para medir el grado de polimerización en la fabricación de polímeros. Las máquinas modernas pueden medir en el rango de interés con gran frecuencia, como 32 veces por segundo. Esto se puede hacer mientras se toman medidas simultáneas con otras técnicas. Así las observaciones de reacciones químicas son procesadas con mayor rapidez, y de forma más precisa y exacta. Las posibles aplicaciones de esta técnica son por tanto innumerables. Sin embargo, a continuación se citan algunas de las aplicaciones más importantes: Caracterización e identificación de materiales: Polímeros y plásticos, sólidos inorgánicos (minerales, catalizadores, materiales compuestos). Análisis de productos farmacéuticos y de síntesis. Análisis de contaminantes. Ciencia Forense (identificación). Biomedicina (análisis de tejidos). Conservación artística (análisis de pigmentos, materiales utilizados). Industria del reciclaje (identificación de materiales poliméricos). Agricultura y alimentación (IR cercano). Seguimiento de procesos químicos: Polimerizaciones, curado, reticulaciones, Reacciones catalíticas: UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 2.9.1 Tratamiento de las muestras 2.9.1.1 Muestras de gases Se pueden obtener espectros de un líquido de bajo punto de ebullición o gas permitiendo que la muestra se expanda en una celda especial y adecuada. Este tipo de celdas puede variar desde centímetros hasta metros en la longitud de la trayectoria de la luz. Las mayores longitudes de trayectoria se obtienen en celdas compactas proporcionando superficies reflectoras internas de modo que el haz hace numerosas pasadas por la muestra antes de salir de la celda. Por lo general las celdas son de 10 cm de longitud. La celda se vacía y se llena a través de una válvula de aguja. 2.9.1.2 Muestras liquidas Al trabajar con soluciones diluidas en el infrarrojo ofrece ventajas como la reproductividad de los datos, además, eligiendo bien la concentración y la longitud de la celda puede hacerse clara y evidente la forma y estructura de las bandas que aparecen en el espectro de absorción y que son de mayor importancia. A pesar de estas ventajas es difícil y a veces imposible encontrar un solvente que no absorba fuertemente en la región espectral de interés. Además puede ser que haya alguna reacción entre la muestra y el disolvente, por lo que es obvio evitar esta técnica. Entre los disolventes usados se encuentran: acetona, acetonitrilo, benceno, ciclohexano, cloroformo, disulfuro de carbono, tetracloruro de carbono, estos dos últimos son volátiles, tóxicos y deben ser usados con precaución. Cuando se hace necesario usar disolventes polares, los cuales afectarían las celdas de sal por que las disuelven, se usan celdas de Irtran. Los disolventes usados en el infrarrojo deben ser previamente desecados para evitar las bandas de absorción del agua y prevenir el ataque a las ventanas de la celda. Las celdas infrarrojas suelen ser de 0.015 a 1 mm y son un poco más estrechas que las usadas en la región del UV -Visible. La trayectoria de la luz en esta gama normalmente requiere concentraciones de muestras de 0.1 a 10%. Generalmente las celdas son desmontables con espaciadores para permitir variación en la longitud de la trayectoria. Celdas de longitud fija de trayectoria son llenadas o vaciadas con una jeringa hipodérmica. Generalmente las celdas son de cloruro de sodio; estas finalmente se velan debido a la absorción de humedad (Guardarlas en el desecador). Cuando la cantidad de muestra es pequeña o cuando se dispone del disolvente apropiado es común correr el espectro de líquido puro. La manera de llevar a cabo UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía el experimento es comprimir una gota de líquido puro entre dos placas de sal de roca de 0.015 mm de espesor o menos. Las dos placas unidas por capilaridad se montan en la trayectoria de la luz, este proceso nos da datos de transmitancia muy reproducibles, pero es satisfactoria para investigaciones cualitativas. Los líquidos puros o volátiles los podemos trabajar en las celdas desmontables. Para ello se dispone de espaciadores de teflón con grosores de0.015 a 1 mm. 2.9.1.3 Muestras solidas Cuando los sólidos no pueden disolverse en disolventes trasparentes en el IR pueden ser suspendidos en un medio trasparente apropiado formando una mezcla de dos fases. Una característica importante es que el tamaño de partícula del sólido suspendido debe ser menor que la longitud de onda de la radiación ya que si no se cumple esta condición se pierde parte de la radiación por dispersión. Las técnicas comunes son dos: 2.9.1.3.1 Técnica Amasado: Consiste en triturar finamente de 2 a 5 mg de la muestra en estudio (tamaño de partícula menor de 2m), colocar en un portaobjetos una cantidad mínima de estos cristales y agregar de 1 o 2 gotas de aceite pesado de hidrocarburo (Nujol). Si interfieren las bandas de hidrocarburos, puede usarse fluoroluble o perfluorkeroseno, y con la esquina del portaobjetos o con una espátula se hace una “masa”. Se toma una pequeña cantidad de la muestra y se pone en la ventana de NaCl. Lo que hace el aceite es bloquear la refracción de los cristales de la muestra. 2.9.1.3.2 Técnica de pastillaje: Un miligramo de la muestra finamente triturada se mezcla íntimamente con aproximadamente 50 mg de KBr previamente desecado. La mezcla puede hacerse en un mortero de ágata. Después se vierte con una espátula y con mucho cuidado la cantidad suficiente de muestra para cubrir la matriz; para uniformar la superficie cubierta se le pueden dar golpecitos. Después se cubre con el émbolo y se le lleva a un prensa hidráulica a 240Kg/cm 2 para obtener un disco trasparente, al llegar a esa presión se deja unos 2 minutos y se descomprime lentamente para evitar la ruptura de la pastilla. Se saca la matriz de la prensa y se desliza delicadamente el émbolo, para separar la pastilla y pasarla cuidadosamente al portamuestras. Se obtienen mejores resultados si se forma el disco en el vacío para eliminar el aire ocluído. Después el portamuestras que contiene la pastilla se coloca en el paso del haz del instrumento colocando el UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía atenuador al 80% de transmitancia se corre el espectrograma y se obtiene el espectro de absorción. 2.4.1.3.3 Película: Se recorta una cartulina de 4.9 cm de ancho por 7.6 cm de largo. A 2 cm de uno delos extremos se dibuja una ranura exactamente centrada de 0.9 cm de ancho por 2 cm de largo y se recorta. Sobre esta base se monta el polímero: poliestireno, celofán, etc. Se pone frente al haz del aparato colocando el atenuador de tal manera que el graficador quede al 80% de transmitancia y se corre el espectrograma. Se puede determinar el grosor de la película, si se calcula el número de ondas ( ) entre doslongitudes de onda determinadas λ1 y λ2 y se sustituye en la ecuación: Ecuación 1.35 2.9.2 Análisis cualitativo Esta sección incluye datos tabulados (ver Tabla 2) en relación con los grupos de frecuencias más significativos para los grupos funcionales más comunes que se encuentran en los compuestos orgánicos. Para ayudar a obtener un entendimiento de la interpretación de un espectro infrarrojo, es bueno iniciar en la raíz de la mayoría de los compuestos orgánicos, es decir, en la columna vertebral fundamental o la estructura principal, el hidrocarburo alifático simple. Los hidrocarburos alifáticos existen en simples cadenas lineales, cadenas ramificadas y en estructuras cíclicas. Cualquier molécula puede existir con una o más de estas estructuras componentes. El espectro infrarrojo puede proporcionar información sobre la existencia de la mayoría de estas estructuras, ya sea directamente o por inferencia. La introducción de insaturación en la forma de un doble o triple enlace tiene un profundo impacto en la química de la molécula y también tiene una influencia significativa en el espectro infrarrojo. De manera similar, lo mismo se observa cuando una estructura aromática está presente dentro de una molécula. La espectroscopía infrarroja es una herramienta poderosa para identificar la presencia de estas funcionalidades. Se proporciona información específica para el grupo en sí mismo y también en la interacción del grupo con otras partes de la molécula y en las propiedades espaciales del grupo. Ejemplos de estos incluyen la conjugación entre un doble enlace y otro centro insaturado, un anillo aromático o un grupo carbonilo (C=O) y la orientación o la ubicación del doble enlace en la molécula, tal como cis o trans y medio o terminal. Cabe señalar que las relaciones UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía cis/trans no son específicas de hidrocarburos insaturados y la terminología se hace referencia a otros lugares, como con las estructuras secundarias de amidas. Una vez más, los cambios asociados en la disposición espacial de los grupos involucrados, se refleja en el espectro infrarrojo como bandas adicionales y complejidad añadida. A medida que avanzamos a compuestos orgánicos simples, donde uno o más grupos funcionales o heteroátomos se añaden a la molécula, podemos ver muchos cambios que se producen en el espectro. Estos resultan de los enlaces asociados con el grupo funcional y también a las perturbaciones locales en el espectro del esqueleto básico que se refieren de nuevo a los cambios espaciales, a su vez a los efectos electrónicos locales y vecinos. Ejemplos de tales funcionalidades son halógenos, especies simples de oxígeno, tales como grupos hidroxilo y éter, y compuestos amino. Los compuestos carbonílicos donde el grupo funcional adicional incluye el vínculo C=O, también ofrecen aportes muy profundos en el espectro; debido a la gran diversidad de estos compuestos se tratan mejor como una clase separada. Una gran característica de este grupo de compuestos, desde un punto de vista espectral, son los múltiples enlaces de compuestos de nitrógeno, tales como cianuros y cianatos. Estos suelen tener absorciones muy características, que son fáciles de asignar, y están libres de interferencias espectrales. Lo mismo puede decirse de algunos de los hidruros de heteroátomos, tales como sulfuros (tioles), silanos, y fosfinas. Por último, hay otros grupos funcionales, que contienen oxígeno, que se encuentran en compuestos como los óxidos de nitrógeno (NOx), de fósforo (POX), de silicio (SiOx), y de azufre (SOx). Estos son a veces más difíciles de identificar a partir de los primeros principios, de tal manera que un conocimiento de la presencia del heteroátomo es útil. Los espectros son característicos, pero muchas de las absorciones del grupo oxi ocurren dentro de una región poblada y muy solapada del espectro, sobre todo entre los 1350 y los 950 cm-1. Además, muchas de estas características de los compuestos con enlace C-O, es común en otras funciones frecuentes, tales como éteres y ésteres. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Tabla 2. Grupos orgánicos funcionales con sus respectivas vibraciones más comunes. Vibraciones de tensión Clase funcional Alcanos Alquenos Rango -1 (cm ) 2850-3000 Intensidad Fuerte Asignación CH3, CH2 y CH 2 o 3 bandas 3020-3100 Media =C-H & =CH2 (usualmente marcado) 1630-1680 Variable C=C (La simetría reduce la intensidad) 1900-2000 Fuerte C=C Tensión asimétrica 3300 Fuerte C-H (usualmente marcado) Alquinos 2100-2250 Variable C≡C (La simetría reduce la intensidad) 3030 Variable C-H (Pueden ser varias bandas) Arenos 1600 y 1500 Media-débil C=C (en anillo) (2 bandas, (3 si se conjugan) Vibraciones de flexión Rango -1 (cm ) Intensidad Asignación 1350-1470 Media, media CH2 y CH3 deformación 1370-1390 Media CH3 deformación 720-725 Débil CH2 balanceo 880-995 Fuerte =C-H & =CH2 780-850, 675730 Media, media cis-RCH=CHR (Flexión fuera del plano) 600-700 Fuerte C-H deformación 690-900 Fuerte-medio C-H flexionando y frunciendo el anillo UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 3580-3650 Alcoholes y fenoles Aminas Aldehídos y cetonas 3200-3550 Variable O-H (Libre), usualmente marcado Fuerte O-H (Henlazado), generalmente ancha 970-1250 Fuerte C-O 3400-3500 (dil. soln.) Débil N-H (amina, 1ria), 2 bandas 3300-3400 (dil. soln.) Débil N-H (amina, 2ria) 1000-1250 Media C-N 2690-2840 (2 bandas) Media C-H (aldehído C-H) 1720-1740 Fuerte C=O (aldehído saturado) 1710-1720 Fuerte C=O (cetona saturada) 1690 Fuerte aril cetona 1675 Fuerte α, βinsaturación 1745 Fuerte Ciclopentanona 1780 Fuerte Ciclobutanona 1330-1430 Medio O-H flexión en el plano) 650-770 Variable-débil O-H Flexión (Fuera del plano) 1550-1650 Media-fuerte NH2 Tijera (amina, 1ria) 660-900 Variable NH2& N-H meneando, (cambios en el Henlace) 1350-1360 Fuerte α-CH3 flexión 1400-1450 Fuerte α-CH2 flexión 1100 Media C-C-C flexión UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 2500-3300 (ácidos) C-H solapado Fuerte O-H (muy amplia) 1705-1720 (ácidos) Fuerte C=O (Henlazado) 1210-1320 (ácidos) Media-fuerte O-C (algunas veces 2-picos) 1785-1815 (haluros de acilo) Fuerte C=O Fuerte C=O (2bandas) 1040-1100 Fuerte O-C 1735-1750 (ésteres) Fuerte C=O 1000-1300 Fuerte O-C (2-bandas) 1630-1695 (amidas) Fuerte C=O (amida I banda) 2240-2260 Media C≡N (fuerte) Media N=C=O, N=C=S, N=C=N, N3, C=C=O Ácidos carboxílicos y 1750 & 1820 derivados (anhídridos) Nitrilos Isocianatos, isotiocianatos , Diimidas, azidas y cetenas 2100-2270 2.9.2.1 1395-1440 Media 1590-1650 Media 1500-1560 Media C-O-H Flexión N-H (amida 1ria) banda N-H (amida 2ria) II banda Procedimientos rápidos para el análisis de infrarrojos Es importante recordar que la ausencia de una banda de absorción a menudo puede proporcionar más información sobre la estructura de un compuesto que la presencia de una banda. Tenga cuidado de evitar centrarse en las bandas de absorción y otros seleccionados con vistas. Utilice los ejemplos vinculados a la tabla para ver el perfil y la intensidad de las bandas. Recuerde que la ausencia de II UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía una banda puede proporcionar más información que la presencia de una banda de absorción. Busque las bandas de absorción en orden decreciente de importancia: 1. La absorción de C-H (s) entre 3100 y 2850 cm-1. Una absorción por encima de 3000 cm-1 indica C = C, ya sea alqueno o aromático. Confirmar el anillo aromático por encontrar picos a 1600 y 1500 cm-1 y CH fuera del plano de flexión para dar patrones de sustitución por debajo de 900 cm-1. Confirme alquenos con una absorción a 1640-1680 cm-1. Absorción CH entre 3000 y 2850 cm-1 es debido a hidrógenos alifáticos. 2. El carbonilo (C = O) de absorción entre 1690-1760 cm-1; esta banda fuerte indica ya sea un aldehído, cetona, ácido carboxílico, éster, amida, anhídrido o haluro de acilo. El aldehído se puede confirmar con la absorción de CH 2840 a 2720 cm-1. 3. La absorción de OH o NH entre 3200 y 3600 cm-1. Esto indica o bien un alcohol, NH contiene amina o amida, o ácido carboxílico. Por-NH2 un doblete será observado. 4. La absorción de C-S entre 1080 y 1300 cm-1. Estos picos son normalmente redondeadas como el pico de OH y NH3, y son prominentes. Ácidos carboxílicos, ésteres, éteres, alcoholes y anhídridos que contienen todo este pico. 5. Las absorciones C-C y N-C triple enlace en 2100-2260 cm-1 son pequeñas pero están expuestos. 6. Un grupo metilo se pueden identificar con la absorción de CH a 1380 cm-1. Esta banda se divide en un doblete para el isopropílico (piedra-dimetil) grupos. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 7. Estructura de los compuestos aromáticos también se puede confirmar a partir del patrón de la sobretono débil y bandas de combinación de tono encontrados 2000 a 1600 cm-1. Lección 10: Análisis de espectros de la región del IR 2.10.1 Absorciones en hidrocarburos La absorción por estiramiento (stretching) carbono-hidrógeno (C-H), está relacionada con la hibridación del carbono. Csp3 _______ H (-CH, alcanos): 2800-3000 cm-1 Csp2 _______ H (=CH, alquenos): 3000-3300 cm-1 Csp2 _______ H (=CH, aromático): 3030 cm-1 Csp_______ H (=CH, alquinos): 3300 cm-1 2.10.1.1 Alcanos C-H Vibración de estiramiento 3000 cm-1(3.33μ) a. En alcanos la absorción ocurre a la derecha de 3000 cm-1. b. Si un compuesto tiene hidrógenos vinílicos, aromáticos o acetilénicos, la absorción del -CH es a la izquierda de 3000 cm-1. CH2 Los metilenos tienen una absorción característica de 1450-1485 cm-1(flexión) La banda de 720 cm-1se presenta cuando hay más de 4 metilenos juntos. CH3 Los metilos tienen una absorción característica de 1375-1380 cm-1. La banda de 1380 cm-1, característica de metilos se dobletea cuando hay isopropilos o terc-butilos, apareciendo también las siguientes señales: 1380 doble 1170 cm-11145 cm-1 1380 doble 1255 cm-1 1210 cm-1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 30. Vibraciones de tensión más importantes en grupos C-H Figura 31. Espectro del heptano mostrando las vibraciones de tensión. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 32. Espectro IR del n-Hexano. 2.10.1.2 Alquenos =C-H Vibración de estiramiento (stretching), ocurre a 3000-3300 cm-1. C=C Vibración de estiramiento (stretching), en la región de 1600-1675 cm-1, a menudo son bandas débiles. =C-H Vibración de flexión (bending) fuera del plano en la región de 1000-650 cm-1 (10 a 15μ) UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 32. Espectro de 1-octeno. Figura 33. Espectro IR del 1-hexeno UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 2.10.1.3 Alquinos ≡C-H Vibración de estiramiento ocurre a 3300 cm-1. C≡C Vibración de estiramiento cerca de 2150 cm-1. La conjugación desplaza el alargamiento C-C a la derecha. Figura 34. Espectros IR del 1-hexino (arriba) y del 1-decino (abajo). UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 2.10.1.4 Aromáticos =C-H La absorción por estiramiento es a la izquierda de 3000 cm-1, (3.33μ). C-H Flexión fuera del plano en la región de 690-900 cm-1 (11.0 - 14.5), este tipo de absorción permite determinar el tipo de sustitución en el anillo. Ver tabla. C=C Existen absorciones que ocurren en pares a 1600 cm-1 y 1450 cm-1 y son características del anillo aromático. Figura 35. Correlaciones espectro-estructura de las sustituciones del anillo bencénico en la región de 2000 a 1667 cm-1. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Tabla 3. Flexión C-H fuera del plano en la región 690-900 cm-1 para aromáticos. Monosustitución 1,2-Disustitución 1,3-Disustitución 1,4-Disustitución 1,2,3-Trisustitución 770-730 710-690 770-735 810-750 710-690 840-810 780-760 745-705 1,3,5-Trisustitución 1,2,3,4-Tetrasustitución 1,2,4,5-Tetrasustitución 1,2,3,5-Tetrasustitución 840 825-805 885-870 810-800 870-855 850-840 Pentasustitución 870 1,2,4-Trisustitución Figura 36. Espectro IR del tolueno UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 2.10.1.5 Alcoholes -OH Vibración de estiramiento. Para un alcohol asociado la característica es una banda intensa y ancha en la región de 3000-3700 cm-1. Un alcohol monomérico da una banda aguda en 3610-3640 cm-1. C-O Vibración de estiramiento localizada en 1000-1200 cm-1 C-OH Flexión en el plano en 1200-1500 cm-1. C-OH Flexión fuera del plano en 250-650 cm-1 Figura 37. Espectro IR del alcohol sec-butilico. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 2.10.1.6 Aminas N-H Bandas de estiramiento en la zona de 3300-3500 cm-1. Las aminas primarias tienen dos bandas. Las aminas secundarias tienen una banda, a menudo débil. Las aminas terciarias no tienen banda de estiramiento N-H. C-N La banda de alargamiento es débil y se observa en la zona de 1000-1350 cm-1. N-H Banda de flexión (tijera) se observa en la zona de 1640-1560 cm-1, banda ancha. N-H Banda de flexión fuera del plano, que se observa en la zona de 650-900 cm-1. Figura 38. Espectro IR de la sec-butilamina. 2.10.1.7 Aldehídos y cetonas Los aldehídos, las cetonas, los ácidos carboxílicos y sus derivados, dan la banda del carbonilo, este grupo es uno de los que absorben con una alta intensidad en la región del infrarrojo en la zona de 1850-1650 cm-1. Vibraciones de estiramiento de compuestos carbonílicos. Posición de la absorción Tipo de compuesto cm-1 μm Aldehído, RCHO 1720-1740 5.75-5.80 Cetona, RCOR 1705-1750 5.70-5.87 Ácido Carboxílico, RCOOH 1700-1725 5.80-5.88 Éster, RCOOR 1735-1750 5.71-5.76 R= grupo saturado y alifático UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía En aldehidos: C=O Banda de estiramiento en 1725 cm-1. La conjugación con dobles enlaces mueve la absorción a la derecha. C-H Banda de estiramiento del hidrógeno aldehídico en 2750 cm-1y 2850 cm-1. Figura 39. Espectro IR del n-butiraldehido. En cetonas: C=O Banda de alargamiento aproximadamente a 1715 cm-1 .La conjugación mueve la absorción a la derecha. Figura 40. Espectro IR de la 2-butanona. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 2.10.1.8 Ácidos carboxílicos y ésteres En los ácidos: O-H Banda de estiramiento, generalmente muy ancha (debido a la asociación por puente de hidrógeno) en la zona de 3000- 2500 cm-1, a menudo interfiere con la absorción del C-H. C=O Banda de estiramiento, ancha, en la zona de 1730-1700 cm-1. C-O Banda de estiramiento, fuerte, en la zona de 1320-1210 cm-1. Figura 41. Espectro IR del ácido propiónico. En los ésteres: C=O Banda de estiramiento cercana a 1735 cm-1. C-O Banda de estiramiento, aparecen 2 bandas o más, una más fuerte que las otras, en la zona de 1300-1000 cm-1. Figura 42. Espectro IR del acetato de metilo. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía En los siguientes links se pueden observar ejemplos guiados de interpretación de espectros IR. www.colby.edu/chemistry/JCAMP/IRHelperNS.html www.chem.csustan.edu/Tutorials/INFRARED.HTM Ejercicios (Unidad 1 – Capítulo 2) 1. El HCl gaseoso presenta un pico en el infrarrojo a 2890 cm-1 debido a la vibración de tensión hidrógeno/cloro. Por lo tanto la constante de fuerza del enlace es: a. 4,81 x 102 N/m b. 2,91 x 103 N/m c. 0,91 x 102N/m d. 3,91 x 103 N/m 2. La longitud de onda de la vibración de tensión fundamental O-H es aproximadamente 1,4 µm. El número de onda aproximados del primer sobretono para la tensión O-H es: a. 1,0 x 104cm-1 b. 2,4 x 104cm-1 c. 1,2 x 104cm-1 d. 1,4 x 104cm-1 3. ¿Cuál de los siguientes enlaces, representados en rojo, no se espera que tenga frecuencias de tensión activas en el IR? 4. Los compuestos carbonílicos que se muestran a continuación muestran bandas νBC=OB en 1780, 1745, 1725, 1695 y un par en 1825/1758. Haga corresponder estas bandas con las estructuras UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 5. A continuación se muestran los espectros IR (como líquidos puros o en pastillas de KBr). Determine sus estructuras y asigne las bandas características. A. _______________________________________________________ B. _______________________________________________________ C. _______________________________________________________ UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía D. ______________________________________________________ UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía E. ______________________________________________________ UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía CAPITULO 3: ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA (AA) Introducción En este capítulo se estudiará la espectroscopía de absorción atómica (AAS) ya que es una técnica analítica que sirve para la determinación cuantitativa de los elementos químicos que emplean la absorción de la radiación óptica (luz) por átomos libres en el estado gaseoso. Por lo tanto es una técnica eficaz para la determinación de ciertos metales como: antimonio, cadmio, calcio, cesio, cromo, cobalto, oro, plomo, níquel entre otros. Se la ha empleado en el análisis de aguas, análisis de suelos, bioquímica, toxicología, medicina, industria farmacéutica, industria alimenticia y la industria petroquímica. Isaac Newton, quien a principios de 1600observó y estudió el comportamiento de la luz solar cuando esta atraviesa por un prisma, fue uno de los primeros en realizar estudios espectroscópicos. En 1831, J.F. Herschel demostró, que las sales de diferentes metales producen distintas coloraciones a la llama cuando las sales disueltas o en forma directa son puestas en contacto con ésta. Estas observaciones fueron corroboradas posteriormente por otros investigadores sugiriendo que de esta forma podría identificarse el metal formador de la sal en un compuesto químico específico. Kirschoff y Bunsen en 1859 ampliaron el conocimiento de la naturaleza de este fenómeno, cuando la luz colorida producida por el metal en la flama la hicieron incidir en un depósito óptico que separa la radiación emitida por el metal, de la luz solar. En éste instrumento que fue llamado espectroscopio (espectroscopio= observación del espectro) se observa que cada metal que emite radiación de diferente color, presenta líneas que aparecen en diferentes posiciones en la pantalla o campo de observación, y esto es independientemente de las condiciones en que se realiza el experimento así como de la naturaleza de la sal metálica y únicamente depende del metal. Adicionalmente, la intensidad de la línea está directamente relacionada a la concentración del elemento en solución. De esta manera se tiene una forma inequívoca de identificar el elemento (Por la posición de sus líneas), así como una manera de identificar éste (por la intensidad de las líneas producidas). A principios del siglo XX no se conocían todos los elementos de la tabla periódica y frecuentemente se incurría en errores, al dar por descubiertos elementos nuevos cuando en realidad eran elementos ya conocidos. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Gracias al desarrollo de la espectroscopia cuando se daba la noticia de haber encontrado algún elemento nuevo, se observaba su espectro. Si este ya coincidía con los elementos ya conocidos se descartaba la novedad del elemento, si por el contrario no coincidía con ninguno de los espectros de elementos ya conocidos la prueba era inobjetable y se consideraba uno más de la lista de elementos químicos. Aunque las aplicaciones de la espectroscopia en el análisis cualitativo fueron casi inmediatas, su utilidad en el aspecto cuantitativo tuvo que esperar muchos años, ya que el desarrollo científico y tecnológico de ese momento era insuficiente. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 11: Bases Teóricas de la Espectroscopia de Absorción Atómica La espectroscopia de absorción atómica (AAS), tiene como fundamento la absorción de radiación de una longitud de onda determinada. Esta radiación es absorbida selectivamente por átomos que tengan niveles energéticos cuya diferencia en energía corresponda en valor a la energía de los fotones incidentes. Figura 43. Transiciones de absorción electrónica para el sodio y el potasio. La absorción de radiación por átomos libres involucra una transición de estos átomos desde el altamente poblado estado basal hasta un estado electrónico excitado. Por ejemplo, los átomos de sodio (ver Figura 44 ) en estado gaseoso son capaces de absorber radiaciones de longitudes de onda correspondientes a las transiciones desde el estado 3s a estados más elevados. Así, se observan experimentalmente picos de absorción muy nítidos a 589,0; 589,6 y 330,2 nm. La absorción correspondiente a transiciones desde el nivel 3p no se detectan porque el número de átomos de sodio en el estado 3p es generalmente muy pequeño a la temperatura de la llama. La cantidad de fotones absorbidos, está determinada por la ley de Beer, que relaciona ésta pérdida de poder radiante, con la concentración dela especie absorbente y con el espesor de la celda o recipiente que contiene los átomos absorbedores (ver Ecuación 1.20). La cantidad de radiación absorbida aumenta al incrementar el número de átomos del elemento presentes en el “camino óptico”, UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía esto permite utilizar a la absorción atómica con fines cuantitativos. Este método puede detectar cantidades tan bajas como10-14 gramos del analíto. Los espectros de absorción atómica están constituidos por picos estrechos y bien definidos que se originan por transiciones entre los diferentes niveles de energía electrónica, estas líneas de resonancia tienen origen en el estado basal y un destino en diferentes estados excitados. Sin embargo la muestra no es irradiada directamente por luz UV-VIS para su absorción, antes de ello, la muestra se tiene que convertir en diferentes especies atómicas. La especie atómica se logra por atomización de la muestra, siendo los distintos procedimientos utilizados para llegar al estado fundamental del átomo lo que diferencia las técnicas y accesorios utilizados. La técnica de atomización más usada es la de absorción atómica con llama, que nebuliza la muestra y luego la disemina en forma de aerosol dentro de una llama de aire acetileno u óxido nitroso-acetileno. Las muestras se vaporizan a 20006000 K, por tal motivo la muestra es aspirada hasta la llama que tiene una temperatura de 2000-3000 K. Figura 44. Espectro de absorción atómica para la cuantificación de cadmio en agua de mar empleando el método de adición de estándar interno. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 45. Espectro de absorción atómica para una matriz que contenía los metales Fe, Ni y Cr. 3.11.1 Ventajas Debido a que se trabaja con líneas que tienen origen en átomos libres, la técnica es muy selectiva y precisa. Los fluidos biológicos, sangre y orina, frecuentemente son introducidos directamente en la llama después de una simple dilución. Puede utilizarse un horno de grafito para obtener una vaporización más efectiva reduciendo la cantidad de muestra utilizada. 3.11.2 Desventajas Útil prácticamente sólo para metales o metaloides. Ampliar la variedad de elementos que pueden estudiarse resulta muy costoso. Si se usa una llama como vaporizador, se desperdicia aproximadamente el 90% de la muestra. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía En la siguiente sección se describirán con más detalle los métodos habituales de atomizar la muestra en la espectrometría de absorción atómica. 3.11.3 Ensanchamiento de las líneas espectrales El diagrama de niveles de energía de la Figura 44 sugiere que una línea atómica contiene una longitud de onda. Sin embargo, existen distintos fenómenos por los que las líneas atómicas tienen en realidad anchuras finitas, tal como se indica en la Figura 47. 3.11.3.1 Anchura de línea efectiva Se denota como ⁄ , es la anchura en unidades de longitud de onda cuando se mide a la mitad de la señal máxima. El ensanchamiento de las líneas espectrales se debe a las siguientes causas: 3.11.3.1.1 Ensanchamiento natural: Se produce como consecuencia del Principio de incertidumbre de Heisenberg, debido a que el tiempo de vida de un electrón en un estado excitado es limitado, del orden de 10 -8 segundos. Se demuestra que el ensanchamiento natural puede explicarse por la ecuación: Ecuación 1.36 Donde es el denominado factor de probabilidad o coeficiente de probabilidad de absorción de Einstein desde el estado fundamental hasta el estado excitado . Este factor, a su vez, está relacionado con el tiempo de vida del estado excitado. Los ensanchamientos de línea por este proceso son del orden de 10 -5 nm bastante inferiores a los debidos a otros factores. 3.1.3.1.2 Ensanchamiento Doppler: Se origina como consecuencia de los movimientos de los átomos del analito en el interior de la llama. De forma análoga a como sucede con las ondas de sonido, la frecuencia de la radiación emitida o absorbida por un átomo que se mueve rápidamente aumenta si el movimiento es hacia el detector y disminuye si se aleja del mismo. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 46. Esquema de una línea de absorción atómica. El ensanchamiento de una línea atómica por este efecto viene dado por la expresión: √ Donde es la frecuencia del fotón absorbido, Ecuación 1.37 la temperatura de las especies absorbentes, el peso atómico, la constante de los gases y c es la velocidad de la luz. De la expresión anterior se deduce que este efecto es más intenso cuanto mayor es la temperatura y más ligero el elemento en cuestión. Como en el interior de las llamas, los átomos individuales presentan una distribución estadística de velocidades de Maxwell. Boltzmann, las frecuencias que llegan al detector muestran una distribución aproximadamente simétrica, con un máximo que corresponde a un desplazamiento Doppler de cero. En las llamas más comunes, estos ensanchamientos son de 5x10 -4 a 5x10-3 nm. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 3.11.3.2 Ensanchamiento de presión Es el resultado de las colisiones entre las especies que absorben o emiten con otros átomos o iones presentes en el medio o incluso con átomo del mismo elemento. Estas colisiones provocan pequeños cambios en los niveles energéticos atómicos, y en consecuencia se origina una dispersión de las longitudes de onda emitidas o absorbidas. El ensanchamiento debido a este efecto es del mismo orden de magnitud que el producido por efecto Doppler. 3.11.3.3 Ensanchamiento producido por campos eléctricos y magnéticos La presencia de campos magnéticos o eléctricos origina ciertas perturbaciones en las líneas, si bien, únicamente se ponen de manifiesto al operar en presencia de campos muy intensos o cuando el medio está muy ionizado, como en un plasma. En absorción atómica presenta un cierto interés en cuanto que se han desarrollado algunos sistemas para corregir el fondo basado en ello. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 12: Métodos de Introducción de las muestras 3.12.1 Proceso de atomización El proceso de atomización cumple con varias etapas que deben seguir los átomos del analito desde la disolución inicial hasta llegar a transformarse en vapor atómico son comunes para todos los métodos que utilizan llama. Figura 47. Esquema de las etapas del proceso de atomización. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 3.12.1.1 Transporte de la muestra El transporte de la muestra, que debe estar en disolución, hasta la cámara de nebulización suele hacerse a través de un pequeño tubo plástico. El movimiento de la disolución se produce generalmente por aspiración debido al efecto Venturi, si bien, pueden utilizarse bombas peristálticas, o incluso jeringas que inyecten la muestra en el nebulizador. El todos los casos, se debe trabajar en condiciones de velocidad idénticas en la muestra y en los patrones. Cuando el transporte se realiza aspirando la muestra, la reproducibilidad se consigue controlando rigurosamente el flujo de oxidante. Así mismo, las características físicas de la muestra y de los patrones, tales como viscosidad, tensión superficial, etc, deben ser idénticas, por lo cual en ambos hay que utilizar el mismo disolvente. Por otra parte, partículas de polvo y disoluciones turbias dificultan la reproducibilidad en el transporte. 3.12.1.2 Nebulización Consiste en la conversión de la disolución en una niebla muy fina o aerosol. Un tipo muy común de nebulizador se muestra en la Figura 46, donde la muestra se aspira a través de un tubo capilar por efecto Venturi. Debido a la gran velocidad del gas en el extremo del capilar, el líquido se dispersa en gotitas muy finas. Casi siempre, el gas que se utiliza para este proceso es el oxidante, y a continuación el aerosol formado se mezcla con el combustible. Este tipo de nebulizadores neumáticos produce un aerosol constituido por gotitas cuyo diámetro oscila entre 1 y 25 µm. sin embargo, únicamente resultan adecuadas para ser introducidas en la llama las gotitas de diámetro inferior a 10µm, que constituyen sólo un total de muestra nebulizada. (Las gotitas mayores no son adecuadas porque se vaporizan de forma incompleta, reducen la temperatura de la llama e incrementan el ruido del fondo.) La relativamente baja eficacia de los nebulizadores es la mayor limitación de los sistemas de absorción atómica que utilizan llama, ya que solo se utiliza del orden del 10 % de la muestra. Este ha sido uno de los motivos que han impulsado el desarrollo de métodos electrotérmicos para la atomización. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 48. Esquema de la cámara de nebulización empleada en absorción atómica. 3.12.1.3 Transporte del aerosol Esta etapa tiene como finalidad asegurar que solamente lleguen hasta la llama las gotitas de tamaño adecuado. Esto se consigue mediante bolas de impacto, tabiques deflectores, etc, con los que se pretende eliminar las gotitas de mayor tamaño producidas en la nebulización. Antes de pasar a describir los procesos que tienen lugar en el interior de la llama es necesario considerar algunas de sus propiedades más importantes. 3.12.2 Características de la llama Una llama es el resultado de una reacción exotérmica entre un gas combustible y un agente oxidante gaseoso. En la Figura 47 se representa una llama típica, donde pueden distinguirse tres partes: una zona interna, una región intermedia y un cono externo. 3.12.2.1 La región interna En esta región la combustión es incompleta; suele presentar color azul, como consecuencia de la emisión producida por C2, CH y otros radicales, y casi nunca se utiliza en trabajos analíticos. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 49. Zonas que se presentan en un llama típica. 3.12.2.2 La zona intermedia También llamada región interconal es la parte más caliente de la llama en ella tiene lugar la combustión completa y prácticamente se alcanza un equilibrio termodinámico. Es la parte de la llama más utilizada en espectroscopía analítica. 3.12.2.3 La zona externa Es una zona en la que productos parcialmente oxidados en las regiones más internas pueden completar su combustión. Esta zona se enfría por el aire circundante y no se utiliza demasiado. El parámetro que se utiliza normalmente para caracterizar una llama es la temperatura de la región intermedia, si bien es difícil de medir exactamente, por depender de las velocidades relativas de combustible y oxidante. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 3.12.3 Temperaturas de algunas llamas La llama formada a partir de aire y gas natural fue la primera utilizada en absorción atómica, si bien, su temperatura es demasiado baja para originar la atomización de muchos elementos. La llama aire-acetileno resulta apropiada para la atomización efectiva de un grupo numeroso de elementos. Esta llama es prácticamente transparente en una amplia zona espectral, y puede operarse en condiciones estequiométricas o débilmente oxidantes. Sin embargo, su temperatura no es lo suficiente alta para disociar óxidos metálicos refractarios, para los cuales se hace necesario utilizar llamas más caloríficas, oxígenoacetileno. Esta llama proporciona unos 1000 °C más que cuando se utiliza aire como combustible, lo cual se debe, por una parte a que la combustión es más rápida, y por otra, a que con aire, parte de la energía calorífica producida en la combustión se utiliza para calentar el nitrógeno presente. Tabla 4. Temperaturas de algunas llamas. OXIDANTE COMBUSTIBLE TEMPERATURA °C Aire Gas natural 1700-1900 Aire Acetileno 2100-2400 Aire Hidrógeno 2000-2100 Óxido nitroso Acetileno 2600-2800 Oxígeno Acetileno 3050-3150 Oxígeno Hidrógeno 2550-2700 Oxígeno Cianógeno 4400-4600 Con las llamas que utilizan óxido nitroso se alcanzan temperaturas intermedias entre las que se usan aire y las que emplean oxígeno, debido a que el N 2O se descompone en la llama dando doble cantidad de nitrógeno que de oxígeno. El empleo de llamas de óxido nitroso-acetileno a partir del año 1965 representó un gran avance en los trabajos con llama, pues su temperatura relativamente alta hizo posible la atomización de muchos elementos, incluyendo aquellos que forman óxidos refractarios. Además, la velocidad de combustión es relativamente baja, con lo que el peligro de implosiones se minimiza. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía La llama aire-hidrógeno se ha utilizado para el análisis de metales alcalinos por fotometría de llama (emisión) debido a su pequeña emisión de fondo, si bien, presenta problemas relacionados con la velocidad de combustión y mayor peligro de explosiones. Finalmente, con la mezcla cianógeno-oxígeno se alcanzan temperaturas muy elevadas, con la ventaja que ello supone en cuanto a la sensibilidad para la determinación de algunos elementos. Sin embargo, su uso no está demasiado extendido, debido a la alta toxicidad del cianógeno y al peligro de explosiones que representa el trabajar con las mencionadas mezclas. Una vez que el aerosol, conteniendo la muestra, llega a la llama, tienen lugar los siguientes procesos: 3.12.3.1 Desolvatación Lo primero que ocurre cuando el aerosol se pone en contacto con la llama es la desolvatación, esto es, la eliminación del agua y otros solventes para formar pequeñas partículas de sal seca. La velocidad de evaporación depende de la velocidad de transferencia de calor desde el ambiente de la llama hasta la gotita de aerosol, y, considerando que esta transferencia de calor tiene lugar por conducción, puede expresarse por al ecuación * + Ecuación 1.38 Donde r es el radio de la gotita, l la conductividad térmica media del ambiente gaseoso de la llama, Cp la capacidad calorífica del disolvente a presión constante, T la temperatura de la llama, Tb el punto de ebullición del disolvente y L el calor de vaporización del disolvente. Es evidente, que la velocidad de vaporización depende del tamaño de las gotitas, de las características del disolvente y de la temperatura de la llama. Por ello, si las gotitas son demasiado grandes, la desolvatación se produce de forma incompleta, lo que constituye un problema. En otro sentido, cuando se trabaja con disolventes orgánicos la velocidad de evaporación es más elevada, debido al menor calor de vaporización y a la liberación de calor por la combustión del propio disolvente. Además, la pequeña tensión superficial y viscosidad de muchos disolventes orgánicos aumentan la velocidad de flujo y favorecen la nebulización, incrementando, en consecuencia, la concentración de átomos en la llama. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 3.12.3.2 Vaporización Esta etapa consiste en la transformación de partículas sólidas o fundidas en vapor. Es una etapa bastante críticas en los métodos que utilizan llama y depende de la composición química del analito, del tamaño de las partículas y de la temperatura de la llama. Las sales que son sublimables o con bajo punto de ebullición se vaporizan fácilmente, mientras que aquellas que se descomponen en la llama para dar óxidos estables, tales como magnesio, aluminio, calcio no se vaporizan completamente a las temperaturas de las llamas ordinarias. Por lo que respecta a la temperatura y composición de los gases de la llama, puede indicarse lo siguiente: la formación de óxidos metálicos no volátiles se favorece al trabajar con llamas estequiométricas o cuando se opera con exceso de oxidante. Las llamas reductoras facilitan la reducción de las partículas de óxido hasta átomos libres o especies más volátiles. En resumen, la velocidad del proceso de vaporización puede aumentarse por: a. b. c. d. e. f. 3.12.4 Disminución de la concentración (del analito o de la matriz). Formación de derivados volátiles del analito. Formación de un aerosol constituido por partículas muy pequeñas. Disminución de la velocidad de aspiración. Empleo de llamas con altas temperaturas. Utilización de llamas reductoras. Equilibrios entre especies vaporizadas El vapor originado en la etapa comentada anteriormente puede estar constituido por las siguientes especies: moléculas, átomos libres o iones, tanto en estado fundamental como, como en estado excitado. Parece probable que al menos entre algunas de estas especies, se establezcan los correspondientes equilibrios. 3.12.4.1 Formación de especies moleculares La formación de estas especies, , es un proceso reversible en el cual, las concentraciones de dichas especies están relacionadas con las de las correspondientes especies atómicas a través de la constante de equilibrio. Cuanto mayor sea la temperatura y mayor el valor de , tanto más disociada estará la molécula . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía [ ][ ] [ Ecuación 1.39 ] En muchas ocasiones, la especie representada anteriormente por son óxidos metálicos. En estos casos, el empleo de una llama reductora, con bajo contenido de oxígeno, desplaza el equilibrio hacia la formación de átomos libres: [ ] [ ][ ] [ ] Ecuación 1.40 En la práctica la concentración de átomos suele incrementarse al hacerlo el flujo de gas combustible, sobre todo si se trata de acetileno no de hidrógeno. Además, en llamas de acetileno fuertemente reductoras se forman radicales CN, NH, CH y C2, de vida relativamente larga, los cuales colaboran de forma importante a la reducción de óxidos metálicos. En absorción atómica interesa que la población de átomos neutros en estado fundamental sea lo más alta posible. Afortunadamente a las temperaturas ordinarias de las llamas, la cantidad de átomos en estado fundamental suele ser elevado, o lo que es lo mismo, la fracción de átomos excitados es suficientemente baja. Esta fracción puede calcularse a partir de la distribución de Boltzmann: Ecuación 1.41 El hecho de que la fracción de átomos en estado fundamental sea muy elevada es importante, ya que ello hace innecesario tener que controlar cuidadosamente la temperatura de la llama pues pequeñas fluctuaciones en ella no son decisivas en absorción atómica, lo cual constituye una ventaja considerable. Cómo prácticamente todos átomos en la fase de vapor están en estado fundamental, podría esperarse que la absorción atómica fuese siempre más sensible que la emisión atómica; sin embargo, esto no siempre es así, ya que a bajas concentraciones de analito es mucho más fácil medir de forma precisa una pequeña diferencia entre dos señales grandes, como se hace en absorción atómica Como regla general, con métodos de llama, los elementos con sus principales líneas de resonancia a longitudes de onda inferiores a 300 nm se determinan con mayor sensibilidad por absorción atómica mientras que la emisión atómica es más sensible para elementos con líneas de resonancia a longitudes de onda superiores a 350 nm. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía En las llamas que utilizan aire como oxidante, la ionización del analito es prácticamente despreciable. Sin embargo, si la temperatura de la llama es más elevada, como cuando se emplea óxido nitroso u oxígeno como oxidante, los átomos neutros del analito pueden originar iones sencillos y electrones libres durante la vaporización térmica, según el proceso: [ ][ [ ] ] Ecuación 1.42 Los elementos alcalinos presentan una fuerte tendencia a formar iones en la llama, observándose que esta tendencia aumenta desde el litio ( hasta el cesio . Por su parte, los alcalinotérreos tienen menos tendencia a ionizarse, si bien, pueden formarse iones moleculares del tipo MOH + . En general, cuanto mayor sea la temperatura y menor la energía de ionización, tanto mayor será el número de iones producidos, por lo que la fracción de átomos en el estado fundamental se reduce y el límite de detección se hace favorable. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 13: Instrumentación en AA 3.13.1 Instrumentos de un solo haz Un instrumento típico de haz sencillo consiste de una lámpara de cátodo hueco, una lámpara de deuterio para corrección por absorción no atómica, un modulador (chopper), un atomizador, un monocromador y un transductor (ver Figura 52). Figura 50. Partes principales de un espectrómetro de absorción atómica de un solo haz. Este instrumento es utilizado y está basado en los mismos principios teóricos que un espectrofotómetro convencional. Primero se aspira el blanco y se ajusta la lectura a 100%de Transmitancia; posteriormente se aspira la muestra problema y se hace la lectura de absorbancia o transmitancia. La radiación de la lámpara de deuterio pasa en forma alterna con la radiación de la lámpara de cátodo hueco, para que el detector perciba alternadamente las dos señales. El chopper o cortador, consiste de cuadrantes huecos y cuadrantes con espejos, y es el mecanismo a través del cual es posible que el detector reciba en forma alterna la señal de la lámpara de cátodo hueco y la de la lámpara de deuterio, con respecto al tiempo y compara las dos absorbancias. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 3.13.2 Instrumentos de doble haz En un instrumento de doble haz, la radiación emitida por la fuente es dividida por un modulador con espejos. Este consiste de una pieza circular con secciones alternadas de espejo y partes huecas; esta pieza está girando, de manera que el haz de la fuente pasa alternadamente por el hueco del modulador y llega a la llama o choca con una sección de espejo del mismo y es reflejado. Estos dos haces son recombinados en un espejo especial (half-silvered mirror) pasan a través de un monocromador y finalmente la señal es enviada por medio de un fotomultiplicador. Esta señal recibida por el sistema de lectura es la relación entre la señal de referencia y la señal de la muestra misma. Aún y cuando no se encuentre la lámpara de deuterio para corrección por absorción no atómica, el instrumento de doble haz la puede contener como accesorio opcional. La Figura 53 es representativa de un instrumento de doble haz. Figura 51. Sistema de doble haz de un espectrómetro de absorción atómica Como se dijo anteriormente los componentes básicos de un espectrómetro de absorción atómica son: a. Una fuente de radiación que emita la línea espectral del elemento de interés. b. Un sistema de atomización, que suministre energía suficiente para la disociación del analito y la formación de átomos libres. c. Un monocromador para aislar la línea espectral medida. d. Un detector acoplado con un sistema medidor o de registro de los datos obtenidos. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 3.13.3 Fuentes de radiación La parte más crítica de un instrumento de absorción atómica es la fuente, ya que es muy difícil medir con buena exactitud líneas de absorción tan estrechas como las que presentan los átomos. El problema se ha resuelto aplicando el principio de que cada especie química es capaz en condiciones adecuadas, de absorber sus propias radiaciones. Bajo esta premisa se han desarrollado las lámparas de cátodo hueco y las lámparas de descarga sin electrodos. 3.13.3.1 Lámparas de cátodo hueco Consiste en un tubo de vidrio conteniendo argón o neón a baja presión (1-5 torr) y dos electrodos. El ánodo suele ser tungsteno, y el cátodo, de forma cilíndrica, está construido con el metal que se desea determinar (ver Figura 54). Figura 52. Lámpara de cátodo hueco. Cuando se aplica una diferencia de potencial suficiente entre los dos electrodos tiene lugar la ionización del gas y los cationes gaseosos son acelerados hacia el cátodo, adquiriendo la suficiente energía cinética para arrancar algunos átomos metálicos del material catódico. Algunos de estos átomos metálicos son excitado al chocar con los iones gaseosos, y al retornar a su estado fundamental emiten radiación característica (ver Figura 55). Al apagar la lámpara, los átomos metálicos vaporizados tienden a depositarse sobre las paredes del cátodo o sobre las paredes de vidrio del tubo, siendo mínima la posibilidad, por el diseño cilíndrico del cátodo. El hecho de que los diferentes elementos tengan que ser determinados de uno en uno hace que la absorción atómica sea una técnica de análisis cuantitativo nos siendo efectiva para la identificación de los elementos presentes en una muestra. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Figura 53. Esquema de la emisión de radiación en el cátodo. Ordinariamente, para cada elemento se utiliza una lámpara, si bien se han comercializado lámparas de cátodo hueco multielementales. Estas lámparas se construyen con aleaciones de diferentes metales procurando que tengan similares puntos de fusión y volatilidad, como por ejemplo, Ca/Mg, Ag/Au, Cu/Pb/Zn, Co/Cr/Cu/Fe/Mn/Ni. 3.13.3.2 Lámparas de descarga sin electrodos Consisten en un tubo de cuarzo herméticamente cerrado conteniendo unos pocos miligramos del elemento de interés y un gas inerte a baja presión. La activación se lleva a cabo mediante un intenso campo de radiofrecuencias (100 kHz – 100 MHz) o radiación de microondas (>100 MHz). Cuando opera, el gas noble se ioniza, y los iones producidos son acelerados por el campo de radiofrecuencia hasta que adquieren la energía suficiente para excitar a los átomos del metal. 3.13.4 Sistemas de atomización Históricamente la llama ha desempeñado un papel importante en absorción atómica para la generación de vapor atómico a partir de disoluciones, o incluso de muestras sólidas. Actualmente, y a pesar de sus limitaciones, todavía se utiliza muy extensamente, debido a su sencillez, bajo coste del equipo y su versatilidad para varios elementos de diferente naturaleza. En cuanto al quemador el más utilizado es el de pre-mezcla, que opera en régimen laminar y que esquemáticamente se ha representado en la Figura 53. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 3.13.5 Monocromadores La única finalidad del monocromador es aislar la línea de resonancia del elemento de interés. Para la mayor parte de los elementos, el problema suele ser sencillo, pues las diferentes líneas suelen estar bastante separadas. Ello hace que no sea necesario un monocromador de alta resolución, y en consecuencia, no demasiado costoso, siendo este uno de los factores que han contribuido a que la técnica sea muy utilizada en la práctica ordinaria del análisis. Las anchuras de rendija juegan un papel importante, al determinar la fracción del espectro que incide en el detector. La rendija deberá ser lo más estrecha posible, con objeto de reducir la cantidad de radiación emitida por la llama que llega al detector. Algunos instrumentos comerciales están provistos de dos tipos de rendijas, para usarlas con llama o con atomización electrotérmica respectivamente. 3.13.6 Detectores El detector universalmente usado en absorción atómica es el tubo fotomultiplicador, ya que ningún otro sistema ofrece la misma sensibilidad en el margen de longitudes de onda utilizado en esta técnica. Para ver una animación de todo el proceso de la espectrometría de absorción atómica y las partes principales del espectrómetro de absorción atómica diríjase al siguiente link: http://ocw.upc.edu/sites/default/files/materials/15014297/46338-4424.swf UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 14: Interferencias en AAS 3.14.1 Interferencias espectrales Las interferencias espectrales son originadas, por señales alteradas de la longitud de onda de radiación electromagnética seleccionada. Esta alteración tiene diferentes orígenes y son los siguientes. 3.14.1.1 Traslapamiento de líneas atómicas. En AAS se hace incidir radiación de longitud de onda que corresponde exactamente a la longitud de onda requerida para efectuar una transición específica en los átomos de la especie absorbente. Aunque en teoría existe la posibilidad de que otra especie atómica que no es la que se está analizando absorba la radiación incidente, esta posibilidad es sumamente difícil de que se llegue a presentar debido a que las líneas de absorción de los átomos son sumamente agudas, además de que se tiene bien documentada toda la información de las líneas espectrales de los diferentes elementos, por lo cual casi siempre se sabe de antemano cuando pudiese llegar a ocurrir esta eventualidad. 3.14.1.2 Interferencia por dispersión por partículas Cuando la solución aspirada hacia el quemador tiene un gran número de sólidos disueltos, es probable que se tenga interferencia por dispersión por partículas. Este tipo de interferencia se debe a que si el número de partículas sólidas que llegan al quemador es demasiado grande es posible que no ocurra en forma completa todos los pasos que producen la descomposición de las partículas que se encuentran en solución. 3.14.1.3 Interferencia por traslapamiento de bandas moleculares Por matriz de la muestra se entiende todo lo que acompaña al analito; el entorno en que se encuentra éste. Por ejemplo: en una muestra de agua, la matriz es el agua y todos los demás sólidos disueltos y en suspensión que se encuentran en la misma. El analito, es el elemento que se va a cuantificar. Se dice que la matriz es muy compleja ya que tiene gran cantidad de componentes químicos y de sólidos disueltos y/o en suspensión. La interferencia por bandas moleculares ocurre UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía cuando la matriz tiene en cantidades grandes, compuestos moleculares sumamente complejos; por ejemplo: una muestra de orina o de sangre. Al quemarse la muestra en la flama, los componentes orgánicos que se encuentran en la matriz de la muestra producen compuestos y radicales que son potenciales absorbedores de radiación electromagnética. Si las bandas de absorción de estos compuestos caen dentro del rango de la línea de absorción del elemento a determinar, se tendrá una interferencia de tipo espectral, ya que se registrará una falsa absorbancia. 3.14.2 Interferencias no espectrales Las interferencias no espectrales son aquellas que causan errores y que pueden dar origen a lecturas mayores o menores a los valores normales. Las interferencias de este tipo son las que se detallan a continuación: 3.14.2.1 Interferencia por ionización Como ya se ha mencionado con anterioridad, en la llama ocurren una serie de eventos que conducen a la formación de átomos a partir de compuestos en solución, sin embargo, cuando la temperatura de la llama es muy alta y/o el elemento pierde fácilmente uno o más de sus electrones más exteriores ocurre la ionización. La ionización es indeseable debido al error que causa en las lecturas del analito. Considérese el caso del sodio atómico y del sodio ionizado; en este último caso el sodio ha perdido su electrón más externo y se encuentra cargado positivamente. Espectroscópicamente las dos formas de sodio son completamente diferentes por lo que al hacer incidir radiación de longitud de onda específica esta será absorbida por sodio atómico más no por el sodio ionizado, ya que los niveles energéticos de este son diferentes. Obviamente esto conlleva a una subestimación en la lectura del analito. La ionización se presenta en los alcalinos, alcalinotérreos, lantánidos y algunos otros elementos de bajos potenciales de ionización. 3.14.2.2 Interferencia por propiedades físicas de las soluciones Para que dos soluciones de la misma concentración den iguales lecturas de absorbancia deben tener la misma velocidad de aspiración hacia la flama y la proporción de líquido aspirado que finalmente llega al quemador debe ser UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía constante. Considérese por ejemplo que se va a determinar contenido de calcio en una miel. Lógicamente la muestra sin diluir no puede ser aspirada directamente, ya que no puede ser succionada a través del capilar del nebulizador. Si esta se diluye se puede lograr que la muestra sea aspirada, pero al emplearse estándares de calcio preparados con alguna sal de calcio y agua destilada, la proporción de solución aspirada que llega al quemador es diferente en muestras y estándares. Para corregir por este efecto se emplea la técnica de adición de estándar con la finalidad de homogenizar las propiedades físicas de estándares y muestras. 3.14.2.3 Interferencias por volatilización de soluto El solvente que acompaña al analito y de más sales, es evaporado en la cámara de nebulización o inmediatamente después de que ha alcanzado la llama, por lo que ocurre en la parte más baja del quemador la formación de partículas sólidas que posteriormente se descompone hasta la formación de átomos y entidades más simples. Posteriormente a la solvatación y formación de partículas sólidas, ocurre la descomposición de las sales y la formación de átomos. Esto no siempre ocurre así, cuando la sales formadas son de carácter refractario, esto es, resisten la descomposición a átomos y entidades más simples, si la temperatura no es lo suficientemente alta. La formación de entidades químicas de resistencia a la volatilización en llamas comunes originan interferencias, ya que no permiten que el analito sea atomizado eficientemente. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía Lección 15: Detalles prácticos al realizar un Análisis por AA La absorción atómica es un excelente método para la determinación de elementos a nivel de trazas. El método está basado en la absorción de radiación electromagnética, cumpliéndose la Ley de Beer. Sin embargo, como en los métodos de absorción molecular, puede ser arriesgado llevar a cabo una determinación sin comprobar experimentalmente la linealidad entre la absorbancia y la concentración. Por ello, las determinaciones se llevan a cabo mediante la correspondiente curva de calibrado, si bien, en ocasiones, resulta ventajoso el método de adición estándar. Para caracterizar las medidas de absorción atómica suelen utilizarse los dos parámetros siguientes: sensibilidad y límite de detección. La sensibilidad se define como la concentración en solución del elemento a determinar que origina una absorbancia de 0.00444 (1 % de absorción) unidades a la longitud de onda usada, respecto al disolvente. También puede considerarse como la pendiente del calibrado en su región lineal. Así, la sensibilidad es una medida del tamaño de la señal de absorción. Por su parte, el límite de detección suele tomarse como la concentración de elemento que produce una señal dos o tres veces la raíz cuadrada del valor medio del ruido de fondo. En otros términos, es la más baja concentración que estadísticamente puede distinguirse del cero (blanco). 3.15.1 Selección de las condiciones de operación Es importante elegir unas condiciones adecuadas para el análisis elemental para así obtener datos confiables, exactos y precisos. A continuación se citan una serie de pasos a tener en cuenta en la optimización del proceso analítico: a. La selección del tipo y condiciones de la llama (relación oxidante/combustible). b. La región de observación en la llama. c. El paso de banda espectral del monocromador empleado para la selección de la longitud de onda. d. La velocidad de aspiración de la solución. e. Los parámetros del sistema de detección y lectura y en el caso de absorción atómica. f. La intensidad de corriente de la lámpara de cátodo hueco. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 3.15.2 Preparación y disolución de las muestras Aunque se han descrito métodos para la atomización de muestras sólidas o de suspensiones, prácticamente todas las determinaciones por absorción atómica exigen la muestra en disolución. Para la descomposición y disolución de muestras sólidas se siguen los procedimientos habituales, que incluyen tratamiento con ácidos minerales en caliente, oxidación con reactivos líquidos (HNO3, HClO4, etc.), combustión en bomba de oxígeno, disgregaciones a alta temperatura (Na2CO3, Na2O2, etc) etc. Es necesario tener en cuenta que a veces, los reactivos utilizados para disolver la muestra pueden originar algún tipo de interferencia, así como contener el propio analito como impureza, lo cual es importante en análisis de trazas. En cualquier caso, es necesario que el contenido de sales en la disolución final no sea superior al 2 %. Cuando se trata de sustancias orgánicas, puede llevarse a cabo una mineralización, con la posterior disolución del residuo en ácidos minerales. Asimismo, en ocasiones, es posible la disolución en disolventes orgánicos, si bien, la utilización de estos disolventes presenta una problemática particular, que se tratará más adelante. 3.15.2 Análisis cuantitativo El análisis cuantitativo en espectroscopia de absorción atómica es semejante al realizado en espectroscopia UV y Vis. Para esto se prepara una serie de estándares y se hace una curva de calibración con base a esta gráfica se determina la concentración de las soluciones problema. 3.15.2.1 Técnica de adición de estándar Como se mencionó con anterioridad, las propiedades físicas de la solución que se aspira al quemador deberán ser similares entre muestras problemas y soluciones estándar, ya que de lo contrario la eficiencia en atomización de la solución será diferente y esto conducirá a resultados erróneos. Para corregir por este posible efecto se utiliza la técnica de adición de estándar. Esta técnica consiste en agregar volúmenes iguales de solución problema a muestras estándar de conocida pero diferente concentración del elemento a determinar. Otra técnica diferente consiste en agregar a volúmenes iguales de muestra, cantidades variables de estándar de una misma concentración. Existe UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía aún más variaciones, pero todas ellas están encaminadas a homogenizar las propiedades físicas de las soluciones que se aspiran al quemador. 3.15.2.2 Métodos directos Se han desarrollado métodos directos para la determinación de más de 60 elementos en las más variadas muestras: rocas, suelos, aguas, vegetales, muestras biológicas, productos petrolíferos, metales y aleaciones, combustibles nucleares, productos farmacéuticos, vinos, etc.. La técnica es particularmente apropiada para la determinación de trazas de metales en muestras biológicas y medioambientales. También es de utilidad cuando la muestra contiene un nivel elevado del elemento metálico, pero solo se cuenta con una cantidad de muestra muy pequeña para realizar el análisis, como, por ejemplo, en las metal-proteínas. Los fluidos biológicos, sangre y orina, pueden, con frecuencia, ser introducidos directamente en la llama después de una simple dilución. Para el análisis de sangre suele utilizarse suero o plasma (suero con anticoagulante, como heparina u oxalato), ya que en esta fracción están contenidos los elementos metálicos en concentraciones significativas desde el punto de vista clínico*. En ocasiones, el metal puede estar más concentrado en los glóbulos rojos, pero los cambios de concentración en el suero o plasma tienen mayor significación clínica. Tal es el caso del potasio, cinc, magnesio, hierro. En estos casos es fundamental que la muestra de sangre no sufra hemólisis (rotura de los glóbulos rojos) antes de que se complete la separación del suero o plasma. Cuando se requiere la destrucción de la materia orgánica, ésta puede llevarse a cabo por calcinación en seco, o por vía húmeda. La calcinación en seco puede originar pérdidas por volatilización, por lo que suele preferirse la digestión por vía húmeda. Una mezcla muy eficaz para muestras biológicas es la formada por HNO3:H2SO4:HClO4 en la proporción 3:1:1 en volumen, usando 1 mililitro por gramo de muestra. Las muestras metálicas y las aleaciones suelen disolverse en ácidos minerales, mientras que las muestras biológicas o materiales orgánicos requieren fusión ácida o alcalina. En cualquier caso, es importante, como ya se ha mencionado, que la matriz de los patrones se aproxime a la de la muestra, o si no, diluir la muestra para minimizar los efectos de matriz. Un tipo especial de determinaciones directas son las basadas en la volatilización del elemento o algún derivado. Ello implica la separación del analito por volatilización a temperatura ambiente o a temperatura elevada, en forma de átomos libres o algún compuesto volátil. Por esta técnica es posible medir concentraciones muy bajas, pues las especies volatilizadas pueden recogerse a UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía partir de un gran volumen de disolución, en la que queda la matriz y las sustancias interferentes. Dentro de este tipo de determinaciones, las más utilizadas son la técnica del vapor frío para el mercurio y la técnica de generación de hidruros. 3.5.2.2.1 Técnica de vapor frío para el mercurio: El mercurio tiene la inusual propiedad (para ser un metal) de que no se oxida fácilmente por el aire y, además, tiene una apreciable presión de vapor a temperatura ambiente. Por ello, la determinación de mercurio combinado consiste en originar iones Hg2+, lo cual, cuando se trata de compuestos orgánicos, se consigue por tratamiento con un oxidante (MnO4–) y posterior reducción a Hg0 con una sal de Sn2+ (después de haber eliminado el exceso de oxidante) → → El mercurio metálico originado es arrastrado por un gas portador hacia el camino óptico del aparato de absorción atómica, midiendo la absorbancia a 263.7 nm, sin necesidad de llama ni atomización electrotérmica. Se consiguen límites de detección de 0.002 ng/ml, habiéndose diseñado sistemas automáticos para llevar a cabo esta determinación. 3.5.2.2.2 Generación de hidruros metálicos: La técnica se utiliza para aquellos elementos que pueden formar hidruros covalentes volátiles: As, Se, Sb, Sn, Te, Bi, Pb. En principio, estos elementos, en disolución, se reducen con cinc, magnesio, aluminio o borohidruro, para formar los correspondientes hidruros, los cuales se hacen pasar al atomizador, donde se disocian en átomos libres, midiendo su absorbancia a las longitudes de onda de sus líneas de resonancia. La sensibilidad del método es incluso mayor a la obtenida con atomización electrotérmica, y prácticamente está libre de interferencias, ya que implica la separación de los elementos en forma gaseosa. En relación con cuestiones medioambientales, es importante conocer las concentraciones de metales pesados en aguas potables, debido a su toxicidad. Además, incluso la utilización prolongada de un agua que contenga concentraciones muy bajas puede resultar peligrosa, pues en muchos casos el efecto es acumulativo. En este sentido, resultan especialmente indeseables los elementos plomo, cadmio y mercurio, cuyas concentraciones máximas permitidas por la CEE son 0.05, 0.005 y 0.001 mg/mL respectivamente. La determinación de estos elementos a esos niveles de concentración es difícil de llevar a cabo. El plomo puede determinarse por absorción atómica empleando la técnica de UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía generación de hidruros, mientras que el mercurio puede cuantificarse utilizando la técnica del vapor frío. 3.15.2.3 Métodos indirectos Se ha indicado anteriormente que la espectrometría de absorción atómica se utiliza para la determinación directa de unos sesenta elementos metálicos. Sin embargo, existen elementos como Th o Ce para los cuales resulta extremadamente difícil formar y mantener una población atómica dentro de la llama, por lo que los métodos directos no resultan adecuados. Tampoco resultan convenientes estos métodos cuando las determinaciones no pueden llevarse a cabo con la suficiente sensibilidad, tal como sucede con uranio, volframio, niobio, tántalo, circonio, etc. Por otra parte, los elementos no metálicos presentan sus líneas de resonancia en la región espectral correspondiente al ultravioleta de vacío, y por lo tanto, no es posible su determinación directa mediante la utilización de instrumentos convencionales. Posiblemente, la técnica más adecuada para determinar metales pesados en aguas de forma rápida, simple y directa, sea la voltamperometría de redisolución anódica. Con objeto de poder llevar a cabo la determinación de estas y de otras especies, tales como sustancias orgánicas, se han desarrollado métodos indirectos de análisis, en muchos de los cuales la etapa que controla el proceso es una reacción química. Seguidamente se mencionan algunos. 3.15.2.3.1 Métodos basados en aumento o disminución de la absorbancia: Algunos aniones, cationes o compuestos orgánicos producen aumento o disminución en la absorción atómica de algún metal en particular. Estos efectos se deben fundamentalmente a que dificultan o facilitan la formación de especies disociadas en el proceso de atomización. Los fosfatos, sulfatos y silicatos ejercen un gran efecto depresivo sobre la absorbancia atómica del calcio. Esto hace posible la determinación indirecta de aquellos aniones midiendo la absorbancia del calcio mediante la utilización del correspondiente calibrado (que tendrá pendiente negativa). De forma análoga, los fluoruros reducen la absorbancia del magnesio, o la glucosa la absorbancia del mismo calcio. Por otra parte, muchos compuestos nitrogenados (amoniaco, aminas, aminoácidos, etc.) aumentan la absorción del circonio en llama de óxido nitroso/acetileno. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 3.15.2.3.2 Precipitación del analito: con un ión metálico cuya absorción pueda medirse. Así, por ejemplo, puede determinarse sulfato precipitando con exceso de Ba2+, y midiendo por absorción atómica el exceso de este elemento. También existe la posibilidad de filtrar el precipitado de BaSO4, disolver en AEDT y medir la absorbancia atómica del bario. Análogamente, el oxalato puede determinarse previa precipitación con Ca2+. 3.15.2.3.3 Formación de hetero-poliácidos: seguida de la extracción y medida del metal correspondiente. Así, por ejemplo, puede determinarse silicio por reacción con molibdato amónico, formándose el hetero-poliácido . La formación de este compuesto permite la determinación de cantidades muy pequeñas de silicio, ya que, si bien la relación de combinación en moles es de 1 a 12, en peso es de 1 a 41. Si a esto se le añade la variación del volumen en el proceso de extracción, el incremento de la sensibilidad es aún mayor. 3.15.2.3.4 Solubilización de iones metálicos a partir de metales puros: Es posible la determinación de cianuro o de nitrocompuestos por su reacción con plata o cadmio metálicos respectivamente, al liberar la cantidad equivalente de Ag+ y Cd2+, cuya absorbancia se mide. 3.15.2.3.5 Formación de compuestos de asociación iónica con quelatos metálicos: seguida de la extracción y medida de la absorbancia atómica del metal. Esto permite la determinación, tanto del ligando, como del agente formador del par iónico. Así, por ejemplo, el fármaco psicotrópico bromazepam se ha determinado por absorción atómica mediante la formación del compuesto de asociación iónica entre el anión perclorato y su quelato con Ni 2+. 3.15.2.3.6 Procesos redox: seguidos de la extracción selectiva de alguna especie. El yoduro puede determinarse por reacción con Cr(VI), seguida de la extracción del exceso de Cr(VI) en MIBK. Por su parte, es posible determinar yodato por oxidación de Fe(II) seguida de extracción del Fe(III) con éter y medida del Fe(II) que permanece en la fase acuosa. UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 3.15.2.3.7 Desplazamiento de iones metálicos de alguno de sus complejos: Así, por ejemplo, el fluoruro puede determinarse por desplazamiento del hierro(III) del correspondiente complejo con tiocianato, seguida de extracción y medida del exceso de complejo Fe(III)-SCN. Ejercicios (Unidad 1 – Capítulo 3) 1. Para una optimización del proceso analítico en la absorción atómica se debe tener en consideración: a. La selección de la relación oxidante/combustible, la región de observación en la llama, selección de la longitud de onda, velocidad de aspiración de la solución y parámetros del sistema de detección y lectura. b. Selección del tipo de muestra, tipo del color de la llama, selección de la rejilla de difracción, disolución de la muestra, línea de transferencia entre el monocromador y el detector. c. Selección de la cantidad de oxígeno en la producción de la llama, temperatura de la llama, resolución de la rendija de salida del monocromador, velocidad de dispersión de la muestra. d. Selección del tipo y condición de la llama, la entrada al atomizador, velocidad de combustión y oxidación en el quemador de la llama, cambio de lámpara de deuterio por lámpara de cátodo hueco y aspersión de la muestra por el efecto Venturi. 2. Una ventaja y una desventaja de la espectroscopia de absorción atómica son respectivamente: a. Es una técnica precisa y solo se pueden analizar inorgánicas. b. Útil prácticamente sólo para iones metálicos negativos y una técnica muy costosa. c. Es una técnica muy selectiva y es útil solo para metaloides. d. Se puede recuperar el 90% de la muestra y las líneas de son anchas y con poca resolución. sustancias por eso es metales o resonancia UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía 3. Si el número de partículas sólidas que llegan al quemador es demasiado grande es posible que no ocurra en forma completa todos los pasos que producen la descomposición de las partículas que se encuentran en solución, produciendo una interferencia de tipo: a. b. c. d. Interferencia por propiedades físicas de las soluciones Interferencia por dispersión por partículas Traslapamiento de líneas atómicas Interferencias por volatilización de soluto 4. Para determinar el contenido en plomo en una muestra de leche contaminada, se toma 1.0 mL de la leche y se diluye a un volumen final de 5.0 mL, se realiza la medida por espectroscopia de absorción atómica y se obtiene una señal de absorbancia de 0.293 a 283.3 nm. Una segunda muestra de leche de 1.0 mL es fortificada con 1.00 μL de un estándar de plomo de 1860 ppb y diluido posteriormente a un volumen final de 5.0 mL. Se realiza la medida de esta nueva muestra y se obtiene una señal de absorbancia de 0.436 a la misma longitud de onda. Determinar la concentración de plomo en la muestra original de leche. Solución: 3.81 ppb a. b. c. d. 3,64 ppb. 3,54 ppb. 3,92 ppb. 3,81 ppb. 5. Para la determinación de cobre en cervezas mediante espectroscopia de absorción atómica, se utiliza el método de adiciones estándar. Para ello, se toma una muestra de cerveza desgasificada y se preparan 5 estándares por adición sucesiva de diversas cantidades de cobre sobre un volumen final de 25 mL de cerveza, de forma que se tienen las disoluciones consignadas en tabla en la siguiente página. Considerando las señales de absorbancia obtenidas por absorción atómica, La concentración de cobre en la muestra de cerveza es: UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDACTICO DEL CURSO: 401539 –Espectroscopía a. b. c. d. 0,25 ppm. 0,18 ppm. 0,41 ppm. 0.14 ppm. Muestras Muestras Absorbancia Muestra 0.0070 Muestra + 0.2 ppm Cu 0.0177 Muestra + 0.4 ppm Cu 0.0275 Muestra + 0.6 ppm Cu 0.0376 Muestra + 0.8 ppm Cu 0.0481
