Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Prepara tus exámenes
Prepara tus exámenes y mejora tus resultados gracias a la gran cantidad de recursos disponibles en Docsity
Prepara tus exámenes con los documentos que comparten otros estudiantes como tú en Docsity
Encuentra los documentos específicos para los exámenes de tu universidad
Estudia con lecciones y exámenes resueltos basados en los programas académicos de las mejores universidades
Responde a preguntas de exámenes reales y pon a prueba tu preparación
Consigue puntos base para descargar
Gana puntos ayudando a otros estudiantes o consíguelos activando un Plan Premium
Comunidad
Pide ayuda a la comunidad y resuelve tus dudas de estudio
Ebooks gratuitos
Descarga nuestras guías gratuitas sobre técnicas de estudio, métodos para controlar la ansiedad y consejos para la tesis preparadas por los tutores de Docsity
leyes fotometricas ing quimicaa
Tipo: Apuntes
1 / 34
Esta página no es visible en la vista previa
¡No te pierdas las partes importantes!
función es diferente dependiendo de que el ojo se encuentre adaptado a condiciones de buena iluminación (visión fotópica) o de mala (visión escotópica). Así, en condiciones fotópicas, la curva alcanza su pico para 555 nm, mientras que en condiciones escotópicas lo hace para 507 nm. 2.- FOTOMETRÍA La fotometría es la ciencia que estudia la medición de la respuesta visual humana a la luz. Debido a que el ojo es un órgano muy complejo, esto no es en absoluto una tarea sencilla. Se trata de la reunión de muchas disciplinas: la psicología, la fisiología y la física entre ellos. Otro concepto de la fotometría es que es la parte de la óptica que se ocupa del estudio de las características de los focos luminosos, así como de las iluminaciones que producen. Todos los focos luminosos emiten energía, y en la mayor parte de los casos lo son a causa de su elevada temperatura, gracias a la cual tiene lugar en ellos una emisión térmica de energía cuya longitud de onda corresponde precisamente a la zona visible del espectro. 2.1.- FUENTES LUMINOSAS Fuentes luminosas naturales. Son fuentes luminosas naturales las estrellas, el fuego, algunos animales como las luciérnagas, los cocuyos, etc. Ilustración 1 : FOCOS LUMINOSOS
Fuentes luminosas artificiales. Son fuentes luminosas artificiales los focos y los tubos fluorescentes. 3.- ANÁLISIS FOTOMÉTRICO Es el conjunto de métodos de análisis químico cuantitativo en base a la relación entre la concentración de una sustancia en una solución o gas y la absorción de radiación. Para la radiación monocromática, se expresa esta relación (dentro de un rango específico de concentraciones) por la ley de Bouguer-Lambert-Beer. El análisis fotométrico incluye mediciones en el visible, ultravioleta, y las regiones infrarrojas del espectro. Por lo general, implica la comparación de la intensidad de la radiación que pasa a través de una muestra del material que se analiza con la intensidad inicial o la intensidad de una muestra de referencia. El método de análisis fotométrico que utiliza la luz visible se llama colorimetría. El análisis fotométrico en el que se escanean las intensidades de las componentes monocromáticas de radiación transmitida se llama espectrofotometría. Los métodos similares al análisis fotométrico incluyen el análisis de absorción atómica, análisis turbidimétrico, y el análisis nefelométrico. Uno de los métodos ópticos del análisis es la espectroscopia UV-Vis que se basa en la capacidad de la especie química de absorber radiación electromagnética en el diapasón óptico, es decir en el rango de la luz visible. Ilustración 2 : RADIACION ELECTROMAGNETICA
Relaciona las absorbancias con las concentraciones. Consideremos un bloque de materia absorbente (sólido, líquido o gas). Un haz de radiación monocromática paralelo con intensidad Io llega al bloque perpendicular a la superficie; luego pasa a través de la longitud b del material, que contiene n partículas absorbentes (átomos, iones o moléculas), la intensidad del haz disminuye a I como resultado de la absorción. Consideremos ahora una sección transversal del bloque que tiene un área S (X x Y) y un espesor infinitesimal dx. Dentro de esta sección hay dn partículas absorbentes; asociada a cada partícula podemos imaginar una superficie en que ocurrirá la captura del fotón. Esto es, si un fotón alcanza una de esas áreas por casualidad, ocurrirá inmediatamente la absorción. El área total de esas superficies de captura dentro de la sección se designa ds; la relación del área de captura al área total es ds/S. En un promedio estadístico, esta relación representa la probabilidad para la captura de fotones dentro de la sección. La intensidad del haz que entra en la sección, Ix es proporcional al número de fotones por cm2 y por segundo, y dIx representa la cantidad removida por segundo dentro de la sección, la fracción absorbida es entonces -dIx/Ix y esta relación también es la probabilidad promedio por captura. El término tiene signo negativo para indicar que la intensidad del haz disminuye. La intensidad de un haz de luz monocromática disminuye exponencialmente al aumentar aritméticamente la concentración de la sustancia absorbente, cuando este haz pasa a través de un medio homogéneo Ilustración 4 : EL FUNCIONAMIENTO DE UN FOTOMETRO
A = a b c = - log T = -log P1 / Po = Po / P1= log 1 / T La relación matemática que da cuenta de esta ley se muestra a continuación: Dónde: Po : Intensidad de la luz incidente P : Intensidad de la luz transmitida c : Concentración de la solución k : Constante, cuyo valor depende de la naturaleza del soluto, de la longitud de onda de la luz incidente, de la concentración de la solución, y frecuentemente, de la naturaleza del medio. 5.2.- LEY DE LAMBERT Un cuerpo que radia obedece a la ley de Lambert si su luminancia espectral energética es la misma para un elemento cualquiera de su superficie, y no depende de la dirección de emisión. La ley de Lambert trata sobre la iluminancia de una superficie situada a una cierta distancia de una fuente de luz. Determina que la iluminación producida por una fuente luminosa sobre una superficie es directamente proporcional a la intensidad de la fuente y al coseno del ángulo que forma la normal a la superficie con la dirección de los rayos de luz y es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a dicha fuente. La ley de Lambert muestra que un mismo flujo de energía emitido por una fuente de luz se distribuye sobre una superficie cada vez mayor al aumentar la distancia entre la superficie y la fuente. Esto significa que si para una unidad de distancia r el área que intercepta la radiación es 1 m ^2,
La ley de BOUGUER-LAMBERT-BEER también se conoce como ley de Beer-Lambert- Bouguer y fue descubierta de formas diferentes e independientes en primer lugar por el matemático y astrónomo francés Pierre Bouguer en 1729´Luego por el filósofo y matemático alemán, Johann Heinrich Lambert en 1760 y por último el físico y matemático también alemán, August Beer en el año 1852. Se puede decir que esta ley se trata de un medio o método matemático, el cual es utilizado para expresar de qué modo la materia absorbe la luz. En óptica (Rama de la física que se encarga del estudio de la luz) La ley de Beer afirma que la totalidad de luz que emana de una muestra puede disminuir debido a tres fenómenos de la física, que serían los siguientes: El número de materiales de absorción en su trayectoria, lo cual se denomina concentración Las distancias que la luz debe atravesar a través de las muestra. Denominamos a este fenómeno, distancia del trayecto óptico Las probabilidades que hay de que el fotón de esa amplitud particular de onda pueda absorberse por el material. Esto es la absorbencia o también coeficiente de extinción. La relación anterior puede ser expresada de la siguiente manera: Dónde: A = Absorbencia ε = Coeficiente molar de extinción d = Recorrido (en cm) c = Concentración molar A medida que la luz atraviesa un medio que la absorbe, la cantidad de luz absorbida en cualquier volumen corresponde a la intensidad de luz que incide, luego se multiplica por el
coeficiente de la absorción. Frecuentemente la intensidad de un haz de luz incidente declina significativamente a medida que pasa a través del medio absorbente. Cuando esta relación se expresa como Ley de BOUGUERLAMBERT-BEER, tenemos que: Dónde: T = Transmitancia ε = Coeficiente molar de extinción c = Concentración molar del absorbente d = Recorrido en cm La transmitancia se puede expresar como la intensidad de la radiación incidente, Io. Esto puede dividir a la luz que emerge de la muestra, I. Se refiere a la relación I/Io como transmitancia o como T. La transmitancia se puede trazar con relación a la concentración, pero esta relación no sería Lineal. Aunque el logaritmo negativo en base 10 de la transmitancia sí es lineal con la concentración. De esta forma, la absorción es medida como: 5.4.- DESVIACIONES DE LA LEY DE LAMBERT-BEER Experimentalmente se comprueba que la ley de Lambert-Beer se cumple particularmente cuando la solución es diluida. No obstante, son comunes las desviaciones debidas a factores de orden físico, químico o instrumental. La principal causa física de desviación es que la absortividad varía con el índice de refracción de la solución, lo que se pone en evidencia a concentraciones elevadas. Como factor de orden químico se puede citar la variación de algunas estructuras en función de la concentración; como por ejemplo al diluir una solución de dicromato se verifica el siguiente equilibrio:
desviaciones; aquí una pequeña variación en λ produce una marcada variación en la absorbancia. Ilustración 6 : DIFERENCIA DE LA ABSORTIVIDAD El hecho que una solución cumpla la ley de Lambert - Beer implica que debemos conocer su ámbito de validez, para poder aplicarla. La ley de Lambert - Beer no sólo se utiliza para sustancias coloreadas (con absorción en el visible) sino también para sustancias que absorban en el UV y son a nuestros ojos “incoloras”. 5.5.- LIMITACIONES INSTRUMENTALES Las variaciones instrumentales que causan una aparente desviación de la ley de Beer son:
Ilustración 7 : LONGITUD DE ONDA DE TRABAJO Si se selecciona 1 para determinar absorbancia contra concentración se obtiene una línea recta y la ley de Beer se sigue durante un cierto rango de concentración. Cuando se efectúa la misma operación a 2 ocurre una desviación de la ley de Beer a concentraciones relativamente altas. 5.6.- SELECCIÓN DE LONGITUD DE ONDA DE TRABAJO. La longitud de onda de trabajo corresponde, generalmente, a la longitud de onda en la cual la absorbancia del analito (sustancia a analizar) es máxima, y recibe la denominación de Lambda máximo (λmax). Para seleccionar el λmax., se hace un espectro de absorción o curva espectral, y que consiste en una gráfica de la absorbancia de una solución de la sustancia absorbente de concentración adecuada, medida a distintas longitudes de onda y en ella se determina el λmax En este caso: λmaxmax = λmax 1 Las mediciones de absorbancia se hacen en la zona de longitudes de onda donde se espera que absorba la sustancia problema. Si se trata de sustancias coloreadas, las mediciones se
Esta radiación puede caracterizarse por los siguientes parámetros: longitud de onda (), frecuencia de la radiación (), numero de onda (V) y la energía correspondiente (E). 7.-FLUJO ENERGÉTICO Y FLUJO LUMINOSO Un foco luminoso da lugar a un flujo energético que representa la energía que pasa por segundo a través de la superficie cerrada que lo contiene. Su potencia se expresa en vatios. En la medida del flujo energético se utilizan órganos sensibles a la energía radiante y, en general, la sensibilidad de los receptores está limitada a cierta región del espectro. Dos focos luminosos que emiten el mismo flujo energético, F, generalmente no producen la misma sensación luminosa, porque la sensibilidad del ojo varía con la longitud de onda de la radiación, siendo nula para todas las longitudes de onda fuera de los límites del espectro visible (~380-740 nm). Cada valor del rendimiento luminoso Vl se obtiene como el cociente entre el flujo energético para una longitud de onda l y el flujo energético para la longitud de onda de 555 nm, de modo que ambos flujos energéticos produzcan en el ojo humano igual sensación de claridad. Un determinado flujo luminoso puede ser producido por distintos flujos energéticos. El flujo luminoso se mide en lúmenes (lm). Para la radiación de l = 555 nm un flujo energético de 1 W produce una luminosidad o sensación de claridad equivalente a un flujo de 680 lm: Número que se denomina equivalente mecánico del lumen para la mencionada radiación. Una fuente que emite un flujo energético de 1 W de luz de 555 nm tiene un flujo luminoso Ilustración 8 : RADIACION ELECTROMAGNETICA
de 680 lm. Con esta definición una cierta cantidad de lúmenes de cualquier color producirá la misma sensación de claridad al ojo. El flujo luminoso total se obtiene mediante: Donde para el ojo realmente los límites de integración quedan reducidos al intervalo 380- 740 nm. 7.1.- INTENSIDAD LUMINOSA DE UN FOCO PUNTUAL Para un foco O cuyas dimensiones son lo suficientemente pequeñas para poder considerarlo puntual, se define la intensidad I del foco O en una dirección OO', como el flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido W: En el SI su unidad es la candela (cd) que es la intensidad luminosa en la dirección perpendicular de una superficie de 1/600000 m2 de un cuerpo negro a la temperatura de fusión del platino bajo la presión de 1.013 x 105 Nm-2. La unidad de flujo luminoso (lumen, lm), es el flujo emitido por un foco puntual de 1 cd en un ángulo sólido de 1sr: 7.2.- ILUMINANCIA Y PRIMERA LEY DE LAMBERT La iluminancia E es el concepto fotométrico más importante desde el punto de vista práctico, pues representa el flujo luminoso recibido por unidad de superficie: La unidad es el lux o lumen por metro cuadrado (1 lux = 1 lm/m2). Si el foco que produce la iluminación puede considerarse puntual existe una relación sencilla entre la iluminación que origina y la intensidad de dicho foco. En efecto, el flujo luminoso dF recibido por la superficie elemental dS, situada a la distancia r del foco puntual O, es:
máximos de una curva pintada en un papel. Como es lógico, para poder representar esta curva, necesitamos conocer la velocidad a la que avanza la onda. Las ondas electromagnéticas que llamamos "luz visible" pasan de un máximo de su campo eléctrico a un mínimo y otra vez a un máximo varios billones de veces por segundo. A pesar de que la onda va a una velocidad de casi 300 000 km/s, la distancia que puede recorrer la onda entre dos máximos consecutivos de su campo eléctrico es pequeñísima (nanómetros). En cambio, las ondas electromagnéticas que llamamos "ondas de radio" tienen la propiedad de que su campo eléctrico se hace máximo y mínimo a un ritmo muchísimo menor que el de la luz visible. Por ello, las ondas de radio pueden avanzar centímetros, metros e incluso kilómetros en el transcurso de dos máximos consecutivos de su campo eléctrico. Es por ello que la longitud de onda y la frecuencia (número de veces que su campo eléctrico se hace máximo por segundo) son parámetros que necesariamente están relacionados. Ilustración 9 : EJEMPLO DE LONGITUD DE ONDA 9.- ANÁLISIS DE ABSORCIÓN ATÓMICA Es un método de química analítica cuantificable que está basado en la atomización del analito en matriz líquida y que utiliza comúnmente un nebulizador pre quemador (o cámara de nebulización) para crear una niebla de la muestra y un quemador con forma de ranura que da una llama con una longitud de trayecto más larga, en caso de que la transmisión de energía inicial al analito sea por el método "de llama". La niebla atómica queda desolvatada y expuesta a una energía a una determinada longitud de onda emitida ya sea por la llama susodicha, o por una lámpara de cátodo hueco (Hollow Cathode Lamp o HCL) construida con el mismo analito a determinar o una Lámpara de Descarga sin Electrodo (Electrodeless Discharge Lamp o EDL). Normalmente las curvas de calibración no cumplen la ley de Beer-Lambert en su estricto rigor.
La temperatura de la llama es lo bastante alta como para que no mueran los átomos de la muestra de su estado fundamental. El nebulizador y la llama se usan para desolvatar y atomizar la muestra, pero la excitación de los átomos del analito se consigue con el uso de lámparas que brillan a través de la llama a diversas longitudes de onda para cada tipo de analito. El método del horno de grafito también puede analizar algunas muestras sólidas o semisólidas. Debido a su buena sensibilidad y selectividad, sigue siendo un método de análisis comúnmente usado para ciertos elementos traza en muestras acuosas (y otros líquidos). Otro método alternativo de atomización es el generador de hidruros. 10.- ILUMINANCIA La iluminancia es una medida de la cantidad de luz visible que incide sobre una superficie prescrita. En unidades inglesas, un lumen de flujo que cae sobre un pie cuadrado se denomina una bujía-pie. El equivalente métrico, un lumen por metro cuadrado, se denomina lux (10,76 lux = 1 pie-bujía). Por supuesto, los detectores no tienen superficies tan grandes. Así que el área del detector se multiplica proporcionalmente. Especial atención se debe cuando el detector no está suficientemente lleno o usado detrás óptica correctiva, ya que el área del sensor ya no se define la superficie que está siendo iluminado. Por ejemplo, las mediciones de iluminancia son particularmente susceptibles a los errores introducidos por la luz fuera del eje. Así difusores coseno de corrección se utilizan con el cabezal detector. Dado que el difusor de coseno se forma la imagen esencialmente en el sensor, el área del difusor, no el sensor de, representa la superficie de medición. 11.- ENERGÍA LUMINOSA En fotometría la energía lumínica es la fracción percibida de la energía transportada por la luz y que se manifiesta sobre la materia de distintas maneras, una de ellas es arrancar los electrones de los metales, puede comportarse como una onda o como si fuera materia, pero lo más normal es que se desplace como una onda e interactúe con la materia de forma material o física. La energía lumínica es de hecho una forma de energía electromagnética. La energía luminosa no debe confundirse con la energía radiante ya que no todas las
