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Introducción a la Espectroscopía de Absorción
Molecular Ultravioleta, Visible e Infrarrojo Cercano
Ing. Carlos Brunatti Lic. Ana María Martín
Introducción
Desde hace muchos años se ha usado el color como ayuda para reconocer las sustancias químicas; al reemplazar el ojo humano por otros detectores de radiación se puede estudiar la absorción de sustancias, no solamente en la zona del espectro visible, sino también en ultravioleta e infrarrojo. Se denomina espectrofotometría a la medición de la cantidad de energía radiante que absorbe un sistema químico en función de la longitud de onda de la radiación, y a las mediciones a una determinada longitud de onda. La teoría ondulatoria de la luz propone la idea de que un haz de luz es un flujo de cuantos de energía llamados fotones; la luz de una cierta longitud de onda está asociada con los fotones, cada uno de los cuales posee una cantidad definida de energía.
Transmitancia
La figura muestra un haz de radiación paralela antes y después de que ha pasado a través de una capa de solución que tiene un espesor de b cm y una concentración c de una especie absorbente. Como consecuencia de interacciones entre los fotones y las partículas absorbentes, la potencia del haz es atenuada. La transmitancia T de la solución es entonces la fracción de la radiación incidente transmitida por la solución:
I 0
I
T =
La transmitancia se expresa a menudo como porcentaje:
I
I
%T
0
= ×
Absorbancia
La absorbancia A de una solución se define mediante la ecuación:
I
I
A =−logT =log^0
La mayor parte de los trabajos analíticos se realizan con soluciones de manera que vamos a desarrollarla relación que existe entre la concentración de la solución y su capacidad de absorber radiación.
Medición de Transmitancia y Absorbancia
La transmitancia y la absorbancia se miden en un instrumento llamado espectrofotómetro, la solución del analito se debe contener en algún recipiente transparente, tubo o celda.
Pérdidas por dispersión en la solución
Haz incidente Haz emergente
Pérdidas por reflexión en interfases
Como se ve en la representación, ocurre reflexión en las interfases: aire-pared, tanto como en la pared-solución. La atenuación del haz resultante es sustancial. Además, la atenuación de un haz puede ocurrir por dispersión de las moléculas grandes y a veces por absorción de las paredes del recipiente. Para compensar estos efectos, la potencia del haz transmitido por la solución del analito es comparada comúnmente con la potencia del haz transmitido por una celda idéntica que contiene solamente solvente. Una absorbancia experimental que se aproxima mucho a la absorbancia verdadera se obtiene con la ecuación.
solución
solvente I
I
A =log
Los espectrofotómetros, están a menudo, equipados con un dispositivo que tiene una escala lineal que se extiende de 0 a 100%. De manera de hacer tal instrumento de lectura directa en porcentaje de transmitancia, se efectúan dos ajustes preliminares, llamados 0%T y 100%T. El ajuste del 0%T se lleva a cabo mediante un cierre mecánico del detector. El ajuste de 100%T se hace con el cierre abierto y el solvente en el camino de la luz. Normalmente el solvente está contenido en una celda que es casi idéntica a las que contienen las muestras.
2,303 S
α n I
I
log 0 ⋅
Siendo n el número total de partículas dentro del bloque. La sección transversal S se puede expresar en términos del volumen del bloque en cm^3 y su longitud b en cm, entonces S = V/ b Sustituyendo en la ecuación anterior, da:
2,303 V
α n I
I
log 0 ⋅
b
Se nota que n/V tienes las unidades de concentración (esto es número de partículas por cm^3 ), se puede convertir a moles por litro. El número de moles es
6,02 10 partículas/mol
n partículas ×^23
y c expresado en mol/l:
V[cm ]
1000 cm/l mol 6,02 10
n 3
3 c = × 23 ×
Combinando:
6,02 10 α I
I
log
23 0 ⋅
× ⋅ ⋅ ⋅
b c
Finalmente, las constantes de esta ecuación se pueden reunir en una única constante: ε
ε A I
I
log 0 = ⋅ b ⋅ c =
Absortividad y Absortividad Molar
La absorbancia es directamente proporcional a la longitud del camino b a través de la solución y la concentración c de la especie absorbente. Estas relaciones se dan como:
A = a·b·c Siendo a una constante de proporcionalidad llamada absortividad. La magnitud de a dependerá de las unidades empleadas para b y c. A menudo b es dada en términos de cm y c en gramos por litro, entonces la absortividad tiene unidades de l·g–1^ ·cm–^. Cuando la concentración se expresa en moles por litro y la longitud de la celda en centímetros, la absortividad se llama absortividad molar, se designa como ε y tiene unidades de l·mol –1^ ·cm–1^ , entonces la absorbancia es: A = ε ·b·c
Curva de Calibración
Denominamos espectro de una sustancia a la representación de absorbancia (A) en función de longitud de onda (λ),este gráfico presenta ondulaciones con máximos y mínimos. Para hacer las determinaciones cuantitativas se elige, en general, la longitud de onda correspondiente a un máximo, pues el error de medición es mínimo y la sensibilidad máxima. Para verificar el cumplimiento de la ley de Beer, se debe realizar la curva de calibración; absorbancia (A) en función de concentración ( c ), para lo cual se preparan soluciones de la sustancia de concentraciones conocidas y se mide la absorbancia a la longitud de onda elegida.
Si es válida la ley de Beer, para esa sustancia a esas concentraciones, la relación debe ser una recta, que pase por el origen de los ejes cartesianos; a menudo se observan desviaciones debidas a diversos factores.
Aplicaciones de la Ley de Beer a Mezclas
La ley de Beer también se aplica a una solución que contiene más de una clase de sustancia absorbente. Siempre que no haya interacción entre las varias especies, la absorbancia total para un sistema multicomponente está dada por:
A = A 1 + A 2 + A 3 + ........... + An = ε 1 b c 1 + ε 2 b c 2 + ε 3 b c 3 + ......... + εn b c n
Indicando los subíndices 1,2, .. n, las especies absorbentes.
Limitaciones a la Aplicabilidad de la Ley de Beer
Se encuentran pocas excepciones a la generalización que la absorbancia está relacionada linealmente a la longitud del camino óptico. En cambio, las desviaciones de la proporcionalidad directa entre la absorbancia medida y la concentración, para b constante, son más frecuentes. Estas desviaciones son fundamentales y representan limitaciones reales de la ley. Algunas ocurren como una consecuencia de la manera en que las mediciones de absorbancia se hacen, o como un resultado de cambios químicos asociados con cambios en la concentración. Otras ocurren a veces como desviaciones instrumentales.
Limitaciones Propias de la Ley de Beer
La ley de Beer es exitosa en describir el comportamiento de absorción de soluciones diluidas solamente; a concentraciones altas (generalmente mayores que 0,01 M), la distancia promedio entre las especies responsables de la absorción está disminuida hasta el punto que cada una afecta la distribución de cargas de sus vecinas. Esta interacción, a su vez, puede alterar la habilidad de las
especies para absorber en una longitud de onda de radiación. Debido a que la extensión de la interacción depende de la concentración, la ocurrencia de este fenómeno provoca desviaciones de la relación lineal entre absorbancia y concentración. Un efecto similar se encuentra a veces en soluciones que contienen altas concentraciones de otras especies, particularmente electrolitos. La proximidad de iones a la especie absorbente altera la absortividad molar de la última por atracciones electrostáticas, este efecto se disminuye por dilución. Se encuentran algunas excepciones entre ciertos iones o moléculas orgánicas grandes, que presentan interacciones significativas a concentraciones debajo de 0,01 M. Desviaciones de la ley de Beer también surgen porque ε es dependiente del índice de refracción de la solución; entonces, si cambios de concentración provocan alteraciones en el índice de refracción de la solución, se observan desviaciones de la ley.
Desviaciones Químicas Aparentes
Surgen cuando un analito se disocia, se asocia, o reacciona con el solvente para producir un producto teniendo un espectro de absorción diferente del analito. Por ejemplo CrO 4 2-^ en función del pH va a absorber diferente.
Desviaciones Instrumentales Aparentes con Radiación Policromática
Se observa una adhesión estricta a la ley de Beer solamente cuando la radiación es monocromática verdadera; esta observación es otra información del carácter limitante de la ley. El uso de radiación que está restringida a una longitud de onda simple es raro porque los elementos que aislan porciones de la salida de una fuente continua producen una banda mas o menos simétrica de longitudes de onda alrededor de la deseada. La derivación siguiente muestra el efecto de la radiación policromática de la ley de Beer. Consideremos un haz que consiste de dos longitudes de onda λ’ y λ’’. Suponiendo que la ley de Beer se aplica estrictamente para cada una de estas individuales, se puede escribir para λ’
ε b c I
I
A log^0 = ′ ′
′ = o 0 10 ε bc I
I ′
→ I ′=I 0 ′ 10 ε′ bc
Igualmente para λ’’
ε b c I
I
A log^0 = ′′ ′′
′′ (^) = o 0 10 ε bc I
I ′′
→ I ′′=I′ 0 ′ 10 ε′′ bc
Cuando una medida de absorbancia se realiza con una radiación compuesta por ambas longitudes de onda, la intensidad del haz emergente de la solución viene dada por (I’ + I’’) y la del haz procedente del solvente por (I 0 ’ + I 0 ’’). Por lo tanto, la absorbancia medida Am de la muestra es:
log(I I )-log(I 10 I 10 ) (I 10 I 10 )
(I I )
log (I I)
(I I )
A log ε 0 0 0 ε 0 ε 0
ε 0
0 0 0 0 m
bc b c bc bc
′ ′′ ′ ′^ + ′′ ′′ = ′+ ′′ ′ + ′′
De manera que la absorbancia medida es un rango (error de medición instrumental). Es conveniente hacer las mediciones en un máximo del espectro, para tener mayor sensibilidad y menor error.
Bibliografía Química Analítica Cuantitativa, Day and Underwood. Química Analítica, Skoog and West. Análisis Instrumental, Douglas R. Skoog and Donald M. West.
