Los modelos explicativos de la estructura de la materia que tienen
como fundamento las características ondulatorias de las partículas que la
constituyen proporcionan un marco de referencia conveniente para describir las
interacciones entre la radiación electromagnética y la materia.
La energía radiante se encuentra constituida por fotones cada uno de
los cuales tiene como característica una longitud de onda. Toda la radiación
electromagnética se mueve a la misma velocidad en el vacío y esa velocidad de
desplazamiento en el vacío es la máxima observada en el universo. En algún medio
material la interacción entre los campos eléctricos y magnéticos que existen en
la materia y los correspondientes de la radiación pueden llegara a reducir esa
velocidad de propagación; por esta razón es solamente en el vacío en donde se
observa esa velocidad máxima.
Si asignamos como ya se dijo una longitud de onda característica a
cada tipo de radiación, la propagación de esa onda se hará con una frecuencia
tal que al multiplicarala por su longitud debe darnos la velocidad de
propagación. Esto es:
la letra griega lambda minúscula representa la longitud de onda y la
letra griega nu minúscula representa la frecuencia de esa onda. c=
2,99792458×108 m·s-1 es la velocidad de la luz en el
vacío. La energía asociada con cada una de las ondas, se obtiene mediante la
ecuación de Planck:
Una descripción simplificada de la estructura de la materia permite
explicar los enlaces entre los átomos para formar moléculas en términos de la
localización de ciertas partículas subatómicas, los electrones, entre esos
átomos. Esas “partículas” evidencian sus características ondulatorias ya que
interactúan con la radiación electromagnética. Si se logra hacer incidir sobre
esa molécula un fotón de radiación electromagnética con la energía apropiada, la
molécula incrementa su contenido energético absorbiendo ese fotón. Se dice
entonces que la molécula paso a un estado excitado. La molécula energizada se
encuentra en un estado que no es estable en las condiciones ambientales
corrientes; por lo tanto tiende a regresar a la condición estable y para logralo
emite un fotón con la energía que logró excitarla antes.
La materia absorbe radiación de diversas regiones del espectro
electromagnético originadas, esas absorciones, en diferentes tipos de
interacciones entre la materia y la radiación electromagnética. Dependiendo del
tipo de interacción se pueden analizar las transiciones electrónicas que se
pueden causar con la radiación ultravioleta o visible. La radiación infrarroja
interactúa con los estados rotacionales y vibracionales de las moléculas. Si el
fotón que llega a afectar a una molécula tiene un alto contenido de energía, por
ejemplo de la región de rayos X o de los rayos gamma, no se produce absorción
que se pueda emitir luego, sino que se modifica la estructura de la sustancia.
La ley de Beer se verifica muy bien si C es menor o igual que 0.01 M. Falla en
soluciones con concentraciones más altas, y la gráfica de absorbancia en función
de la concentración deja de ser una línea recta.
El coeficiente de absorción molar es la propiedad característica de
las sustancias que indica cuánta luz se absorbe a una longitud de onda dada. De
hecho, tanto los valores de la absorbancia como los del coeficiente de absorción
molar dependen de la longitud de onda de la luz. El funcionamiento del
espectrofotómetro es el que sigue: la luz de una fuente continua pasa a través
de un monocromador, que selecciona una banda estrecha de longitudes de onda del
haz incidente.
Esta luz “monocromática” atraviesa una muestra de espesor b, y se
mide la potencia radiante de la luz que sale. Es necesario calibrar el
espectrofotómetro con un blanco antes de medir las absorbancias de la disolución
problema. Esta celda o cubeta de referencia sirve para compensar los efectos de
reflexión, dispersión o absorción de luz de la celda con el disolvente.
Cuando emerge poca luz de la muestra (absorbancia alta), la
intensidad es difícil de medir. Cuando emerge mucha luz de la muestra
(absorbancia baja), es difícil detectar la diferencia de absorbancia entre las
celdas de muestra y de referencia.
Varios fabricantes ofrecen en la actualidad instrumentos de haz sencillo sin registrador que pueden utilizarse para medidas en la región UV-VIS.
Varios fabricantes ofrecen en la actualidad instrumentos de haz sencillo sin registrador que pueden utilizarse para medidas en la región UV-VIS.
El extremo inferior de
longitudes de onda de estos instrumentos varía de 190 a 210 nm, y el superior de
800 a 1000 nm. Todos ellos están equipados con lámparas de wolframio y de
hidrógeno o deuterio intercambiables. La mayoría utilizan tubos
fotomultiplicadores como detectores y redes como elementos dispersantes. Algunos
están provistos de dispositivos de salida digitales; otros utilizan medidores de
gran tamaño. Las anchuras de banda suelen variar de 2 a 8 nm y se han descrito
exactitudes en la longitud de onda de ±0.5 a ±2.0 nm.
Suele ser recomendable utilizar un espectrofotómetro de doble haz, en
el cual la luz pasa alternadamente por las celdas de muestra y de referencia.
Esto se realiza mediante un motor que hace girar un espejo dentro y fuera de la
trayectoria de la luz. Cuando el espejo obturador intermitente (entrecortador)
no desvía el haz, la luz pasa a través de la muestra, y el detector mide la
potencia radiante Ps. Cuando dicho espejo desvía el haz de luz a través de la
celda de referencia, el detector mide Pr. De esta forma, la luz es desviada
varias veces por segundo, y el circuito compara automáticamente Pr y Ps para
obtener la absorbancia (A = log Pr/Ps). Este procedimiento mejora las
prestaciones de un equipo de haz simple, donde el haz de luz sigue un camino
único a través de una sola muestra. Ello causa inexactitud, porque tanto la
intensidad de la fuente como la respuesta del detector fluctúan en el transcurso
del tiempo. Si hay un cambio en alguna de ellas entre la medición de una cubeta
y otra, la absorbancia aparente tendrá error. Un instrumento de haz simple es
poco apropiado para mediciones continuas de absorbancia.
La
ley de Bourguer-Lambert-Beer o ley general de la
espectrofotometría que permite hallar la concentración de una especie química a
partir de la medida de la intensidad de luz absorbida por la muestra.
Esta
ley se puede expresar en términos de potencia de luz o de intensidad de luz,
asumiendo luz monocromática, como:
It / I0 = 10 -E
bc
Donde
It es la intensidad de luz transmitida por la muestra,
I0 la intensidad de luz que incide sobre la muestra y que
proviene de la fuente, E el coeficiente de absortividad molar en unidades
de M-1cm-1,, b es la longitud de la trayectoria del haz de
luz a través de la muestra o el espesor de la celda en centímetros o lo que se
conoce como paso óptico.
La
ley de Bourguer-Lambert-Beer
se puede entonces escribir de las siguientes formas:
It / I0 = 10 -Ebc , - log T = E b C
, -log T = A = E b C
siendo
C la concentración del soluto en moles / litro de solución, E una
constante denominada coeficiente de absortividad molar cuyas
unidades son: cm -1 litro / mol y b en cm, se llega,
entoncés, a que la absorbancia es adimensional..
El
coeficiente de absortividad molar E es función de la longitud de onda, del
índice de refracción de la solución y es característico de cada sistema
soluto-solvente. Es una propiedad intensiva, que no depende de la concentración
de la sustancia y representa la absorción de luz por parte de un mol de soluto
para una longitud de onda dada. Si no se conoce el peso molecular de la
sustancia la ley de Beer se puede expresar como A = a b C , donde
a se denomina coeficiente de absortividad y sus unidades dependen
de las unidades de concentración utilizadas, que pueden estar en g/L o
g/100mL.
Los
principios
de la colorimetría o fotometría visual están basados en el hecho de que nuestros
ojos son capaces de distinguir la intensidad de dos haces de luz con una
exactitud cercana al 1%.
PARÁMETROS DE MEDICIÓN
La
Transmitancia
(T) es la relación entre la intensidad de radiación transmitido por una
muestra (I) y la intensidad de radiación que incide sobre la muestra
(I0),
medidos ambos en la misma posición del espectro y con la misma rendija, T = I
/ I0
Se
supone que el haz es de radiación paralela y que incide sobre las superficies
planas yparalelas de la muestra, formando ángulos rectos.
La
Absorbancia
(A) es el logaritmo en base diez del recíproco de la transmitancia
(T), en el que el disolvente puro es el material de referencia; esto es,
A = log10
1/T
= - log10
T.
Las interacciones electromagnéticas con la materia provocan la absorbancia o
emisión de energía EMR a través de la transición de los electrones entre niveles
cuánticos o discretos de energía, vibraciones de enlaces, rotaciones moleculares
y transición de electrones entre orbitales de átomos y moléculas.
La espectrofotometría de absorción de
infrarrojos es adecuada para análisis orgánicos, pues los enlaces en alquenos,
ésteres, alcoholes y otros grupos funcionales tienen fuerzas muy diferentes y
absorben la radiación de infrarrojos en una gran variedad de frecuencias o
energías. Esta absorción se refleja en el espectrógrafo en forma de picos. No se
deben tomar medidas de absorbancias muy bajas o muy altas puesto que disminuye
la exactitud del método. La absorbancia es adimensional y generalmente se
presenta con mínimo tres decimales, algunos instrumentos permiten
obtenerla con cuatro decimales.
Longitud
de onda,
distancia entre dos puntos consecutivos de una onda que tienen el mismo estado
de vibración. La longitud de onda representa un concepto fundamental en la
resolución de cualquier tipo de movimiento ondulatorio, y puede variar de
valores muy grandes por ejemplo, cientos de metros para radio ondas largas a
valores muy pequeños por ejemplo, de millonésimas de millón (10-12)
para los rayos gamma. Las crestas y los valles son aquellos lugares en los que
el movimiento transversal es máximo. La longitud de onda es la distancia entre
dos compresiones o enrarecimientos consecutivos.
Las longitudes de onda más cortas del
espectro visible corresponden a la luz violeta y las más largas a la luz roja y
entre estos extremos se encuentran todos los colores del arco iris.
Longitud de onda: Se escoge mediante el registro y/o la
observación de la curva espectral o espectro de la sustancia que indicará si es
adecuado tomar la longitud de onda de máxima absorción u otra banda
característica de la sustancia como longitud de onda para realizar las medidas,
la longitud de onda escogida se conoce como longitud de onda analítica.
Índice
de Absorbancia: es
el cociente de dividir la absorbancia (A) entre el producto de la concentración
de la sustancia (c), expresada en gramos por litro, y la longitud de la
trayectoria de la energía luminosa (b) expresada en centímetros. No debe
confundirse con los términos extinción específica o con el coeficiente de
extinción.
En
otro medio distinto al vacío la velocidad de propagación es menor y la relación
de la velocidad de propagación en el vacío a la velocidad en cualquier otro
medio, vi , es lo que se conoce como índice de
refracción: hi =
c/vi
CURVA ESPECTRAL
Curva
espectral de una sustancia química indica las características de absorción de
dicha sustancia con relación a la longitud de onda. En muchas ocasiones la curva
espectral se presenta como Absorbancia vs longitud de onda y el espectro se
denomina espectro de absorción, o en función de la transmitancia, denominándose
el espectro, espectro de transmisión.
Resulta de la retención de cantidades discretas de energía radiante
por la capa de material interpuesta en la trayectoria de la radiación, aunque la
energía absorbida corresponde a una misma longitud de onda se observa una
banda de absorción y no líneas, así la curva del espectro esta
constituida por las lecturas que realiza el aparato para reproducir un gráfico
en función de una longitud de onda especifica, con el fin de apreciar los trazos
que capta el espectrofotómetro. Así La determinación cuantitativa de una
especie, con base en observaciones que dependan de la cantidad de radiación
absorbida dependen de la comparación entre el valor de la absorción de un patrón
de referencia y la absorción de la muestra.
Los espectrofotómetros deben permitir efectuar la comparación entre
la señal obtenida por una mezcla que no contiene el analito y otra que si lo
tiene para poder tener la señal de esa diferencia. Así el registro de la variación
del coeficiente de absortividad molar, de la absorbancia A, o de la
transmitancia T, en función de la longitud de onda origina el "espectro" o curva espectral de
una sustancia química que indica las
características de absorción de
dicha sustancia con relación a la longitud de onda. Generalmente la curva
espectral se presenta como “Absorbancia vs longitud de onda” y el espectro se
denomina espectro de absorción, o en función de la transmitancia, denominándose
espectro
de transmisión.
ESPECTROFOTÓMETRO
El
funcionamiento del espectrofotómetro es el que sigue: la luz de una fuente
continua pasa a través de un monocromador, que selecciona una banda estrecha de
longitudes de onda del haz incidente. Esta luz “monocromática” atraviesa una
muestra de espesor b, y se mide la potencia radiante de la luz que sale. Es
necesario calibrar el espectrofotómetro con un blanco antes de medir las
absorbancias de la disolución problema. Esta celda o cubeta de referencia sirve
para compensar los efectos de reflexión, dispersión o absorción de luz de la
celda con el disolvente.
.La
función de cada parte es la siguiente:
Indicador
digital. El
indicador digital despliega el número de longitud de onda y los datos leídos.
Los cuatro focos indicadores a un lado de las etiquetas Transmitancia,
Absorbancia, Concentración y Factor indican el modo actualmente activo.
Control
de longitud de Onda. El
control de longitud de onda selecciona la longitud de onda analítica deseada del
instrumento. La longitud de onda seleccionada es indicada en la parte izquierda
del indicador digital.
Interruptor
de encendido / Control de cero. El
interruptor de encendido y apagado es operado por la perilla de control de cero.
El control de cero establece en el indicador una transmitancia de 0 % cuando el
compartimento de la celda está vacío y la cubierta
cerrada.
Control
de Transmitancia / Absorbancia.
Este control establece en el indicador un 100 % de transmitancia (0.0 de
absorbancia) con una blanco de referencia. Se tiene que establecer cuando se
hace un cambio en la longitud de onda. Cuando se opera a unalongitud de onda
fija por un periodo prolongado, es necesario checar y reajustar al 100% de
transmitancia.
Selector
de modo. Este
control selecciona el modo de Transmitancia, Absorbancia,
Concentración
o Factor.
Controles
de ajuste del factor. Estos
botones etiquetados Incremento y Decremento
son
usados en los modos de concentración y factor. Para establecer una baja
concentración o valor del factor, presionar y sostener
presionado el botón de decremento hasta que se llegue al valor deseado. Para
establecer un alto valor, presionar y sostener presionado el botón de incremento
hasta que se llegue al valor deseado.
Lente Colectora del Detector L2: Está
montada sobre el detector. Su función es focalizar el haz de luz (cuya altura
está definida por el Slit) sobre los diminutos elementos que componen el
detector. Esto mejora notablemente la eficiencia de la colección de la luz
incidente. Es opcional.
Filtros
Instalados: Este
es un opcional a requerimiento del usuario, para filtrar el haz de luz entrante,
y permitir el paso de solo una porción del mismo o atenuar su intensidad.
Obteniendo una longitud de onda dada.
Ranura
de Entrada (Slit): Tal
cual lo indica su nombre, es la abertura por la cual la luz entra dentro del
espectrofotómetro. Su tamaño está directamente relacionado con la cantidad de
energía entrante de la luz, y afecta directamente a la Resolución Espectral del
instrumento.
Conector
SMA: Es
un conector universal estandarizado para la conexión de la fibra óptica. Esta es
la encargada de conducir el haz de luz hacia el espectrofotómetro. Este haz de
luz ha pasado previamente por la muestra, con cuya materia ha interactuado de
alguna manera. Por lo tanto el haz de luz que llega al instrumento, contiene la
información esencial que identifica alguna característica especial de la
misma.
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