Apuntes espectrofotometría, Apuntes de Electromagnetismo

¡Descarga Apuntes espectrofotometría y más Apuntes en PDF de Electromagnetismo solo en Docsity! Espectrofotometria. Fonaments Químics. Univ. Girona 1. Apuntes de espectrofotometría. (ver. maig02) (por Florencio de la Torre) Indice Introducción. 2 El espectro electromagnético. 2 Las moléculas absorben radiación electromagnética. 5 Cuantificación. 7 Ley de Beer. 7 Errores de medida. Desviaciones de la ley de Beer. 8 Calibración. 9 Parámetros de Calidad. 9 El espectrofotómetro. 10 Tipos de espectrofotometrías. 13 Espectrofotometria de absorción molecular VIS-UV. 13 Espectrofotometria de absorción molecular IR. 15 Espectrofotometria de absorción y de emisión atómica. 16 Espectrofotometría con atomizadores electrotérmicos. 18 Espectrofotometria de emisión con plasma. 19 Espectrofotometria de fluorescencia molecular. 19 Otros métodos. 20 Resonancia Magnética Nuclear (RMN). 20 Espectroscopia de masas (MS). 20 Bibliografia. Fundamentos de química analítica. D.A. Skoog. 4ª ed. Ed. Reverté. 1996 Química analítica . Gary D. Christian. 2ª ed. Ed. Limusa. 1981 Análisis químico cuantitativo. Daniel C. Harris. 2ª ed. Ed. Reverté. 2001 Espectrofotometria. Fonaments Químics. Univ. Girona 2. Introducción. Si observamos una disolución acuosa de Cu2+ al trasluz percibimos un color azulado. Esta coloración se debe a la interacción de los iones cobre con la radiación lumínica que atraviesa la disolución. Más concretamente, se debe a la absorción de algunas radiaciones lumínicas que corresponden al “color complementario” (en este caso el amarillo) Las radiaciones no absorbidas son las que atraviesan la disolución sin obstáculo alguno y llegan a nuestro ojo. Estas radiaciones “transmitidas” corresponden al color azul. Además, si comparamos el color de dos disoluciones de Cu2+ con diferente concentración, observamos que a mayor concentración corresponde una mayor intensidad del color azul de la disolución. Por lo tanto podemos adivinar la sustancia que hay en una disolución, según el color de esta, y aún más podemos saber la cantidad de esa sustancia, según la intensidad de ese color. Esta propiedad de interacción de la luz con una gran cantidad de especies químicas nos permitirá identificar y cuantificar analitos, dando lugar a una rama de la Química Analítica denominada espectrofotometría. Espectrofotometría significa “medida del espectro de la luz” y se refiere a la medida del tipo y cantidad de luz que se obtiene de una disolución. A continuación explicamos que es el espectro de la luz y como se produce la interacción con la materia. El espectro electromagnético. La luz se puede explicar como un conjunto de radiaciones que se mueven por todo el espacio. Aquellas detectables por nuestro ojo corresponden a la luz visible, pero la mayoría son invisibles para nosotros. Estas radiaciones se pueden describir como partículas y como ondas. La descripción como onda se basa en que la luz son campos eléctricos y magnéticos que oscilan perpendicularmente a la dirección de traslación por el espacio dando lugar a ondas transversales. Una radiación electromagnética (cualquier fenómeno ondulatorio) se define generalmente mediante dos parámetros: Longitud de onda (λ): distancia recorrida por un ciclo completo. De cresta a cresta de la onda. Frecuencia (ν): número de oscilaciones completas que realiza la onda por segundo. Espectrofotometria. Fonaments Químics. Univ. Girona 5. Las radiaciones más importantes con aplicación al análisis químico son: Rayos X 0,1-10 nm fluorescencia Ultravioleta (UV) 10-380 nm absorción/emisión Visible (VIS) 380-780 absorción/emisión/colorimetrías Infrarrojo (IR) 780 nm- 300 µm infrarrojos Microondas 300 µm – 0,01 m Radio 0,01 – 10 m resonancia electrónica /nuclear Las moléculas absorben radiación electromagnética. Cuando una molécula absorbe un fotón su energía interna aumenta y pasa a un estado inestable, por lo que rápidamente vuelve a liberar esa energía “sobrante” y vuelve al estado inicial que es más estable. El estado inicial se denomina estado fundamental y el estado más energético se llama estado excitado. La absorción de radiación produce un paso del estado fundamental al excitado (excitación) y en el proceso contrario (llamado relajación) hay una liberación de energía. Esta energía liberada en la relajación puede ser en forma de calor o en forma de radiación electromagnética otra vez. Este último proceso de desprendimiento de radiación se llama emisión. Estos procesos se pueden representar como una reacción química y en un diagrama de energía *M h M emisión absorción ← → ⋅+ ν ¿Que le pasa a la molécula al absorber una radiación electromagnética? El aumento del nivel energético interno de la molécula produce unos cambios en los enlaces intramoleculares y/o en el movimiento de los electrones alrededor del átomo. Estos cambios se llaman transiciones y se clasifican en tres tipos: e n e rg í a absorción emisión estados excitados estado fundamental Espectrofotometria. Fonaments Químics. Univ. Girona 6. transiciones electrónicas átomos transiciones vibracionales moléculas o iones transiciones rotacionales moléculas o iones energía requerida Así, las radiaciones más energéticas (VIS, UV y mayores) comunican suficiente energía como para alterar el movimiento orbital de los electrones, tanto alrededor de un átomo sólo como de los orbitales de enlace entre dos átomos. Las radiaciones menos energéticas (IR) producen cambios en los movimientos de vibración y rotación de la molécula. Estas últimas son muy específicas de cada enlace y por lo tanto de cada molécula por lo que se utilizan como técnica de identificación. Para realizar una identificación generalmente se hace incidir sobre la sustancia estudiada radiaciones electromagnéticas de diferente energía. Normalmente se estudia un rango de radiaciones y se va aumentando (o disminuyendo) la longitud de onda de las radiaciones incidentes desde un extremo del rango hasta el extremo opuesto. Así se obtiene un espectro de absorción de la sustancia, que se puede representar gráficamente como se muestra en la figura. Cada uno de los picos del espectrograma corresponde aproximadamente a una transición energética de un enlace molecular, por lo tanto el espectro es único de cada molécula. Es como una huella digital de esa molécula donde quedan registrados todos los enlaces y sus transiciones correspondientes. Entonces, si tenemos el espectro de absorción de una molécula podemos identificarla con bastante exactitud. Figura 3. Espectro de infrarojos del agua pura. Espectrofotometria. Fonaments Químics. Univ. Girona 7. T c T b Cuantificación. Ley de Beer. La cantidad de radiación electromagnética absorbida por un analito se puede relacionar cuantitativamente con la concentración de dicha sustancia en disolución. Se define la transmitancia (T) como la fracción de radiación incidente transmitida por la disolución. Si la potencia radiante que incide sobre la disolución es Po i P la potencia radiante que sale, entonces oP P T = Además se observa que la potencia de la energía transmitida disminuye geométricamente (exponencialmente) con la concentración c y con la distancia b recorrida a través de la disolución. c-k10 T ⋅= b-k'10 T ⋅= donde k y k’ son ctes de proporcionalidad, y combinando ambas y aplicando logaritmos cb-a10 T ⋅⋅= A cba T log =⋅⋅=− que es la expresión matemática de la Ley de Beer y que indica la relación directa entre la absorbancia de un analito y su concentración en disolución. a es la absortividad. Es una constante e indica la absorción de cada analito por unidad de concentración y unidad de distancia recorrida por el haz. Cuando se usan unidades molares se llama absortividad molar (ε) y se expresa en L/mol.cm Po P b c Espectrofotometria. Fonaments Químics. Univ. Girona 10. Sensibilidad: Es la concentración requerida para dar un 1% de absorbancia (99% de transmitancia o lo que es lo mismo 0,0044 unidades de absorbancia. A medida que esta concentracion es menor, la sensibilidad de la tècnica es mayor porque es necesaria menos concentración para producir una señal en el detector. Límite de detección: Es la mínima concentración que se puede medir con la técnica y con un elevado nivel de certidumbre. Está relacionado con el ruido de fondo del aparato, es decir la señal que mide el aparato cuando se introduce un blanco. Una manera de calcularlo es multiplicar por tres la señal correspondiente al ruido de fondo. Rango de linealidad: Es el intervalo de concentraciones dentro del cual podemos medir una muestra problema con un elevado nivel de certidumbre. Generalmente a partir del valor máximo de este rango, la señal (absorbancia) deja de tener una relación lineal con la concentración y la curva se hace horizontal, tendiendo a un valor máximo de absorbancia. Las muestras o patrones que estan fuera de este rango no se pueden medir con seguridad con la técnica empleada. El espectrofotómetro. Es el nombre genérico de todos los aparatos basados en esta técnica. A este término se le añaden los adjetivos adecuados a la subtécnica adecuada, ej. “espectrofotómetro de absorción atómica”. El espectrofotómetro tiene un generador de radiación lúmínica (policrómica), un separador para obtener la radiación adecuada y luego mide la potencia radiante obtenida. Los componentes fundamentales que tienen todos los espectrómetros son: Fuente: es el dispositivo emisor de radiación electromágnetica. Generalmente emite una banda muy amplia de radiaciones contínuas alrededor de la λ deseada. Según la zona del espectro que emite hay tres tipos: Visible: Lámparas de filamento de Tungsteno incandescente o de Wolframio (halógeno). Son similares a las bombillas comunes. Ultravioleta: Tubo de hidrógeno o de descarga de deuterio. A veces están refrigerados con agua para disipar el elevado calor que producen. fuent e monocromador muestra detector (transductor) registrador Espectrofotometria. Fonaments Químics. Univ. Girona 11. Infrarojos: Fuentes especiales de óxidos de tierras raras (disprosio, holmio, erbio…) o carburos (de silicio). Estos emiten radiación en IR (1,5 a 2,0 µm) a elevadas temperaturas (1000-2000ºC). Monocromador o selector de λ: tiene como objetivo controlar la pureza de la radiación emitida consiguiendo el menor ancho de banda de longitud de onda posible. Consta de un conjunto de lentes, espejos y rendijas para dispersar y separar, enfocar y restringir la radiación no deseada. Los componentes de los monocromadores son: PRISMAS: producen la refracción de la luz, siendo el ángulo de refracción mayor cuanto menor es la λ de la radiación. Después del prisma hay una rendija por donde se hace pasar la radiación deseada. Según el tipo de radiaciones se usan prismas de vidrio (VIS), cuarzo o sílice (UV) y cristales de NaCl para IR. REDES DE DIFRACCION: Es una lámina metálica (Al) altamente pulida sobre la que se han hecho una gran cantidad de estrías (líneas paralelas). Estas estrías actuan como centros de dispersión de todas las radiaciones incidentes. Hay una dispersión lineal de las λ de una determinada banda cromática, por lo tanto se puede usar en todas las regiones del espectro. Funciona mejor que el prisma en el IR. Celdas para la muestra: recipientes donde se coloca la muestra a analizar. Varian mucho según la técnica a ulilizar, pero como característica comun deben ser transparentes en la región de λ que se va a medir. VIS y UV – cubetas cuadradas de vidrio, cuarzo de 1 cm de lado. IR – cubetas de NaCl, AgCl. Detector (transductor): Produce una señal eléctrica cuando recibe un fotón. Esta señal eléctrica luego es convertida en unidades de potencia radiante transmitida o absorbida. Los detectores también dependen de la región de λ en la que se trabaja: FOTOTUBO. Para la zona del VIS y UV. Con el mismo principio de funcionamiento que la célula fotoeléctrica. Al golpear un fotón en el cátodo, este emite un electrón hacia el ánodo, lo cual provoca un flujo de corriente eléctrica que es medida por un voltímetro. La respuesta policromat. rojo viole t PRISMA Espectrofotometria. Fonaments Químics. Univ. Girona 12. del material fotoemisivo depende de la λ, por tanto se usan diferentes tipos de fototubos según la λ en la que se trabaja. Cuando se utilizan radiaciones de baja intensidad la señal eléctrica es muy débil y sujeta a un gran error. En este caso se utiliza el “TUBO FOTOMULTIPLICADOR”, que incluye varios fototubos en serie. En este caso, el choque de un fotón forma una cascada de electrones que dan una señal más intensa. FOTODIODO ARRAY: Sobre un semiconductor se fabrican diodos en serie paralelos, de manera que al incidir sobre él una radiación difractada, se puede tener una señal instantánea para un amplio rango de λ. INFRAROJOS. Los detectores de infrarojos se basan en la propiedad térmica de estas radiaciones y traducen el calor asociado a la radiación transmitida en una señal eléctrica. Los más utilizados son los TERMOPARES y BOLOMETROS, formados por metales cuya resistencia eléctrica cambia con la temperatura. Registrador: En los instrumentos más antiguos la señal se mostraba en un medidor de aguja que tenia una escala en unidades de transmitancia y de absorbancia. Los instrumentos más modernos tienen un display digital, en el que aparece el valor númerico de absorbancia o el valor de concentración cuando puede realizar automáticamente los cálculos de calibración. En el caso de obtener el espectro de absorción (en un intérvalo de λ) de una sustancia, el registrador nos muestra un gráfico con el valor de λ en abcisas y la absorbancia en ordenadas. Espectrofotometria. Fonaments Químics. Univ. Girona 15. Especies químicas determinadas: P, B mediante formación de complejos aguas, suelos, fertilizantes nitritos, nitratos directamente, o con complejos aguas Fe, Co, Mo con SCN- suelos Ti, Va, Cr con H2O2 contaminantes Bi, Pd, Te con I- contaminantes Cu, Pb, Ni , Fe con complejos suelos Ventajas y aplicaciones. - gran aplicabilidad, ya que hay muchas especies absorbentes y posibilidades de formar complejos con las que no lo son - elevada sensibilidad, se pueden determinar conc hasta 10-5 M - selectividad media, interacciones cuando hay grupos que absorben a la misma λ - permite automatización del proceso, se usa en sistemas de análisis en contínuo - sistema no destructivo en medidas directas Como principal desventaja de la técnica las interacciones por partículas que interfieran el paso de luz. Las disoluciones han de ser exentas de sólidos en suspensión. Espectrofotometria de absorción molecular IR. La absorción molecular de radiaciones de esta zona del espectro produce transiciones vibracionales y rotacionales. Por lo tanto, todas las moléculas absorben en IR, excepto algunas diatómicas (O2, N2, Cl2) de elevada simetría. Las bandas de absorción son muy estrechas y corresponden a enlaces muy específicos, y a menudo dependen de los atomos más próximos. Un espectro de IR es como una “huella dactilar” de la molécula y esto implica que es una técnica idónea para identificar compuestos orgánicos o inorgánicos puros, pero no es tan adecuada para cuantificar. Los instrumentos más utilizados son: Espectrofotométros IR. Similares al VIS-UV, pero con componentes diferentes. Hacen un barrido de λ y recogen el espectro. Los más utilizados son los llamados NIR (near infrared) que trabajan con zonas del espectro en el infrarojo cercano. Espectrometros de transformada de Fourier. Recoge datos de una zona del espectro simultáneamente y en varias pasadas, posteriormente por un proceso matemático muy complejo se resuelven los picos del espectro con una gran sensibilidad. Son los más usados actualmente. Espectrofotometria. Fonaments Químics. Univ. Girona 16. Fotómetros de filtro. Con un filtro adecuado se selecciona una λ deseada. Sirven para monitorizar la concentración de una especie química en un punto fijo. Se usan mucho para contaminantes atmosféricos: CO, nitrobenceno, cloruro de vinilo, HCN, piridina,etc. En algunos instrumentos se usan para determinar CO2, SO2, etc. Aplicaciones. Se usa en la identificación de compuestos en investigación de medicamentos, bioquímica, biología, fisiología. En la industria farmaceutica, pesticidas, alimentación, contaminantes, etc. Espectrofotometria de absorción y de emisión atómica. Permite la determinación (cuantificación) de unos 70 elementos químicos en concentraciones que oscilan entre ppb a ppm. La medida de los elementos químicos se hace en estado atómico mediante una atomización de la muestra en estado gaseoso. Estos átomos experimentan absorción, emisión o fluorescencia de radiaciones VIS, UV o rayos X, debidas a transiciones electrónicas entre orbitales atómicos. Esta técnica no da información sobre enlaces moleculares en absoluto y nos da información específica sobre un elemento químico. La principal diferencia con las otras espectrometrias es la atomización, proceso por el cual la muestra se introduce en un mechero, junto con el combustible, y se quema a elevada temperatura. Las moléculas del analito se rompen totalmente liberando los elementos químicos en estado atómico, y estos pueden experimentar fenómenos de absorción, emisión o fluorescencia. En la figura siguiente se muestra un esquema de estas posibilidades. Según el sistema de atomización, y la temperatura a la que se produce, se tienen los siguientes métodos de espectrofotometría atómica: llama, electrotérmico, plasma, arco voltaico y chispa eléctrica. Espectrofotometría de absorción atómica con llama. Es el método más utilizado de la espectrofotometria atómica. Muy adecuado para la determinación de ppm de Fe, Cd, Au, Pb, Zn, Cu, Mn en disoluciones acuosas de aguas, fertilizantes, suelos, extractos vegetales, etc. Los átomos en la llama absorben radiación de determinadas λ (VIS y UV) según su naturaleza, por lo que es una técnica muy específica para cada elemento. La absorción en la llama sigue la ley de Beer, pero en la práctica es necesario hacer un Espectrofotometria. Fonaments Químics. Univ. Girona 17. calibrado con disoluciones patrón de las que se obtienen valores de absorbancia y que permiten calcular la recta de calibrado. El instrumento se denomina Espectrofotómetro de Absorción Atómica (EAA). En inglés: Flame Atomic Absorption Spectrophotometer (F)AAS. Como fuente de radiación se usa una lampara de catodo hueco que contiene el mismo metal que se va a analizar y que emite una radiación con una banda de λ entorno a la que se va a absorber. En lugar de una cubeta o recipiente para poner la muestra lleva un mechero donde se produce la llama con la que se atomiza la muestra. Esta llama suele ser de propano, acetileno o hidrógeno y oxígeno o óxido nitroso (N2O). Las temperaturas que alcanza varian entre 1500 y 3000ºC. monocromado monocromado monocromado detector detector detector átomo en la llama emisión absorción fluorescencia laser lámpara llama e n e rg ía transición absorción atómica transición emisión atómica estados excitados estado fundamental transición fluorescencia atómica transición no radiante