RADIACION ELECTROMAGNETICA - SEMANA 123.ppt

MÉTODOS MÉTODOS INSTRUMENTALES INSTRUMENTALES

DE ANÁLISISDE ANÁLISIS

ANÁLISIS INSTRUMENTALUAGRMUAGRM

Análisis : proceso que proporciona información física o química acerca de los componentes de una muestra o de la propia muestra

Analitos : Componentes que interesan de una muestra.

Matriz: Todos los componentes de una muestra que no son analitos

Determinación : Análisis de una muestra para identificar la identidad, concentración o propiedades del analito.

Medida : Determinación experimental de las propiedades químicas o físicas de una analito

TERMINOLOGIA

Técnica : Principio físico o químico que puede emplearse para analizar una muestra.

Método : Medio para analizar una muestra a fin de hallar un analito dado en una matriz específica

Procedimiento : Instrucciones escritas que señalan la forma de analizar una muestra.

Protocolo: conjunto de instrucciones escritas especificadas por un organismo para analizar una muestra

Clasificación de los métodos Clasificación de los métodos analíticosanalíticos

Los métodos analíticos producen información químicaLos métodos analíticos producen información química

INFORMACION ANALITICA: Declaración relacionada con cualquier propiedadpropiedad química, física, o biológica denominada propiedad analíticapropiedad analítica, producida en conexión con la información químicainformación química del material analizado

Punto de vista históricométodos clásicos e instrumentales

Métodos clásicosMétodos clásicos

Métodos instrumentales

GravimetríaVolumetría

EspectroscópicosTérmicosElectrométricosSeparación

Elección de un método analíticoElección de un método analítico

1. ¿Qué exactitud se requiere?2. ¿Cuántas muestras se tiene?3. ¿Cuál es el intervalo de concentración

del analito?4. ¿Qué componentes de la muestra

podrían causar interferencia?5. ¿Cuáles son las propiedades físicas y

químicas de la matriz de la muestra?6. ¿Cuántas muestras se analizarán?

Calibración de métodos Calibración de métodos instrumentalesinstrumentales

• Comparación con estándares• Calibración de un estándar

externo• Métodos de adición estándar• Método del patrón interno

PROPIEDADES DE LA PROPIEDADES DE LA RADIACION RADIACION

ELECTROMAGNETICAELECTROMAGNETICA

• Onda Electromagnética• Radiación electromagnética• Espectro electromagnético • Espectroscopia

Onda electromagnéticaOnda electromagnética

¿Qué es una onda?

Es una perturbación de alguna propiedad de un medio, que se propaga a través del espacio transportando energía

El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal o el vacío¿Qué parámetros definen una onda?

¿Qué parámetros definen una onda?LONGITUD DE ONDA ()

Distancia entre dos puntos cuyo estado de movimiento es idéntico, como por ejemplo crestas o valles adyacentes.

AMPLITUD (A)Es el valor máximo que adquiere una variable en un fenómeno oscilatorio

FRECUENCIA ()Número de repeticiones de cualquier fenómeno o suceso periódico en una unidad de tiempo

PERIODO (T)Es el tiempo empleado por cada partícula en una oscilación completa. Entonces: 1 / T

RADIACION ELECTROMAGNETICA COMO

ONDASUna onda, es un fenómeno ondulatorio, corresponde a la propagación en el espacio y en el tiempo de una perturbación oscilatoria, es decir, un fenómeno regularmente repetido.

Una perturbación ondulatoria (una onda) se propaga a una cierta velocidad (v) y se modela satisfaciendo la llamada ecuación de ondas, escalar o vectorial, dependiendo de la naturaleza de la perturbación.

Una amplitud (A), que mide el valor extremo (máximo o mínimo) respecto de una situación de equilibrio de la perturbación, y una fase

Las ondas normalmente se representan gráficamente por una función de tipo sinusoide en la que podemos definir algunos parámetros generales que la definen.

CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS

La R.E se representa como un campo eléctrico y otro magnético oscilantes, que están en fase con oscilaciones sinusoidales en ángulo recto de uno respecto al otro a la dirección de propagación.

Radiación electromagnética polarizada.

La R.E puede interaccionar consigo y con la materia, dando lugar a fenómenos como la reflexión, refracción, dispersión y polarización de la luz.

¿Cómo se clasifican las ondas?

Según el medio en

que se propagan

Ondas mecánicas: Necesitan medio de propagación

Ondas electromagnéticas: No necesitan medio de propagación

Según la dirección de la perturbación

Ondas longitudinales: Movimiento de las partículas producido por la perturbación es paralelo a la dirección de propagación de la ondaOndas transversales: Las partículas se mueven perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

Fotón = Paquete de energíaUna radiación electromagnética de frecuencia determinada () no puede adquirir ni ceder la energía que transporta más que en cantidades discontinuas, que son múltiplos de una cantidad elemental E (cuanto o fotón). Se cumple que: E = h . (h = 4,1356.10-15 eV.s)

Un fotón es un “paquete” de energía equivalente a una partícula de energía cinética h..

Radiaciones electromagnéticas

• Son una forma de propagación de energía a través del espacio sin necesidad de un medio material.

• Abarcan un espectro muy amplio de tipo de

onda, desde las microondas hasta los rayos X y , pasando por la luz visible.

• Los rayos X son radiaciones electromagnéticas de alta frecuencia (energías mayores a 1 keV).

I.1 MODELOS PARA EXPLICAR LA R.E

a)Modelo Clásico de onda sinusoidalb)Modelo Ondulatorio: Modelo corpuscular

a)Modelo Clásico de onda sinusoidalUna onda electromagnética consiste en la oscilación de un campo eléctrico y otro magnético en direcciones perpendiculares, en si y estos a su vez son perpendiculares a la dirección de propagación.Se propaga fácilmente en el vacio.Utiliza parámetros como longitud de onda, frecuencia, velocidad, amplitud.

El campo eléctrico es perpendicular al campo magnético

b) Modelo corpuscular:

La R.E se contempla como un flujo de partículas discretas o paquetes ondulatorios de energía denominado FOTONES, en los que la energía de un foton es proporcional a la frecuencia de radiación.

Así cuando el átomo absorbe (o emite) una radiación el electrón pasa a una orbita de mayor o menor energía y la diferencia entre ambas orbitas se compondrá con una línea del espectro atómico de absorción ( o de emisión).

Espectro electromagnético

MIL MILLONES

UN BILLON

103 km m cm

100 keV

10 MeV

1.000 MeV

ESPECTRO ELECTROMAGNETICOEs la distribución energética del conjunto de ondas electromagnéticas.

Es el intervalo de radiaciones electromagnéticas que se extiende desde los rayos gamma (radiación mas energética) hasta las ondas de radio (radiación menos eléctrica).

El espectro electromagnético se divide en varias regiones con función principal de los métodos que se precisan para generar y detectar las diversas clases de radiación.

Longitud de Onda

Energía

Ultravioleta Visible InfrarrojoVacio

ultravioleta

200-380nm 385-750nm 10-2000Å 0.75-200m

Espectro electromagnéticoEspectro electromagnético

Longitud de Onda

Energía

Infrarrojo

0.75-200m

IRC : 0.75 – 2.5 m (13333-4000 cm-1)

IRM : 2.5 – 50 m (4000-200 cm-1)

IRL : 50 – 1000 m (200-10 cm-1)

Espectro electromagnéticoEspectro electromagnético

I.2 TIPOS DE R.E

1.Ondas de radio2.Microondas3.Infrarrojo4.Luz Visible5.Ultravioleta6.Rayos X7.Rayos Gamma8.Ondas y sonido

Propiedades de las radiaciones electromagnéticas

• No tienen masa

• No tienen carga eléctrica

• Viajan a la velocidad de la luz

• Tienen energías diferentes y mensurables (frecuencias y longitud de onda)

PROPIEDADES DE LA RADIACION ELECTROMAGNETICA PROPIEDADES DE LA RADIACION ELECTROMAGNETICA Muchas de las propiedades de la radiación electromagnética se explican Muchas de las propiedades de la radiación electromagnética se explican

adecuadamente con un adecuadamente con un MODELO CLÁSICO DE ONDA SINUSOIDALMODELO CLÁSICO DE ONDA SINUSOIDAL, que , que utiliza parámetros como la longitud de onda, la frecuencia, la velocidad o la utiliza parámetros como la longitud de onda, la frecuencia, la velocidad o la amplitud. amplitud.

A diferencia de otros fenómenos ondulatorios, como el sonido, la radiación A diferencia de otros fenómenos ondulatorios, como el sonido, la radiación electromagnética no necesita de un medio de apoyo para transmitirse y, por tanto, electromagnética no necesita de un medio de apoyo para transmitirse y, por tanto, se propaga fácilmente a través del vacío. se propaga fácilmente a través del vacío.

Pero el modelo de onda falla al intentar explicar fenómenos asociados con la Pero el modelo de onda falla al intentar explicar fenómenos asociados con la absorción o la emisión de energía radiante. absorción o la emisión de energía radiante.

TEMA 2.- INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS ÓPTICOSTEMA 2.- INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS ÓPTICOS

PARA ENTENDER Y EXPLICAR LOS MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS SE PARA ENTENDER Y EXPLICAR LOS MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS SE SIGUE EL MODELO CORPUSCULARSIGUE EL MODELO CORPUSCULAR

I. 4 ESPECTROSCOPIA

28/04/23Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 58

La espectroscopia es la rama de la física y la química que estudia la interacción entre la materia y la luz o cualquier radiación electromagnética, como las ondas de radio.

Interacción de la radiación con la materia

DIFRACCION DE LA RADIACION ELECTROMAGNETICALa difracción es una propiedad ondulatoria que puede observarse no solo para la radiación electromagnética si no también para ondas mecánicas o acústicas.

Se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija.

Transmisión de radiación – Índice de Refracción

La velocidad con que se propaga la radiación a través de cualquier sustancia va a ser menor que la velocidad con la que se propaga en el vacío.

Cuando atraviesa un medio, las frecuencias emergentes e incidentes son iguales, y como la frecuencia y la energía se relacionan a través de la formula, podemos afirmar que la energía de una onda cuando atraviesa un medio no varía.

Es decir no se produce trasferencia permanente de energía.

La refracción es la desviación que experimentan los rayos luminosos al pasar de un medio transparente de DENSIDAD determinada a otro cuya densidad es distinta de la del anterior.

Se define el índice de refracción como la relación existente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la onda en el medio.

PROPIEDADES MECANICO CUANTICAS DE LA RADIACION

1.El efecto fotoeléctrico2.Absorción de radiación (AM y AA)3.Emisión de radiación4.Principio de Incertidumbre

1. Efecto fotoeléctrico:

Se conoce como efecto fotoeléctrico a a la emisión de electrones por un metal al ser irradiado con radiación electromagnética (luz UV en general).

Al pasar R.E. por una capa transparente de un sólido, líquido o gas, pueden eliminarse selectivamente ciertas frecuencias como consecuencia del proceso llamado absorción.

La E.R. se transfiere a los átomos o moléculas que constituyen la muestra, como resultado de ello estas partículas pasan del estado de menor energía a estados de mayor energía o estados excitados.

2. Absorción de Radiación:

Absorción AtómicaEl átomo consiste de un núcleo y de un número determinado de electrones que llenan ciertos niveles cuánticos. La configuración electrónica más estable de un átomo corresponde a la de menor contenido energético conocido como “estado fundamental”.

Si un átomo que se encuentra en un estado fundamental absorbe una determinada energía, éste experimenta una transición hacia un estado particular de mayor energía. Como este estado es inestable, el átomo regresa a su configuración inicial, emitiendo una radiación de una determinada frecuencia.

La frecuencia de la energía radiante emitida corresponde a la diferencia de energía entre el estado excitado (E1) y el estado fundamental (Eo) como se encuentra descrito en la ecuación de Planck.

Según la teoría atómica, el átomo puede alcanzar diferentes estados (E1, E2, E3, …) y de cada uno de ellos emitir una radiación (λ1, λ2, λ3, …) característica, obteniéndose así un espectro atómico, caracterizado por presentar un gran número de líneas discretas.

En absorción atómica es relevante solamente aquella longitud de onda correspondiente a una transición entre el estado fundamental de un átomo y el primer estado excitado y se conoce como longitud de onda de resonancia.

De la ecuación de Planck, se tiene que un átomo podrá absorber solamente radiación de una longitud de onda (frecuencia) específica. En absorción atómica interesa medir la absorción de esta radiación de resonancia al hacerla pasar a través de una población de átomos libres en estado fundamental. Estos absorberán parte de la radiación en forma proporcional a su concentración atómica.

La relación entre absorción y concentración se encuentra definida en la Ley de Lambert-Beer.

Como la trayectoria de la radiación permanece constante y el coeficiente de absorción es característico para cada elemento, la absorbancia es directamente proporcional a la concentración de las especies absorbentes.

Absorción Molecular:La espectroscopia de absorción molecular se fundamenta en las interacciones entre la metería y la energía.

La absorción de dicha energía como herramienta para detectar y cuantificar la presencia de ciertos analitos en una muestra en estudio.

Esta técnica está basada en la medición de absorción de radiación U.V. o visible por determinadas moléculas. La radiación correspondiente a estas regiones del espectro electromagnético provocan transiciones electrónicas a longitudes de ondas características de la estructura molecular de un compuesto.

3. Emisión de radiación

La radiación se refiere a la emisión continua de energía de la superficie de todos los cuerpos. Los portadores de esta energía son las ondas electromagnéticas producidas por las vibraciones de las partículas cargadas que forman parte de los átomos y moléculas de la materia.

Radiación Térmica

La radiación electromagnética que se produce a causa del movimiento térmico de los átomos y moléculas de la sustancia se denomina radiación térmica o de temperatura. La radiación térmica se origina a costa de la energía interna del cuerpo. Si el cuerpo no recibe energía del exterior se produce su enfriamiento.

El espectro de la radiación térmica es continuo y contiene longitudes de onda que pueden variar desde la longitud de onda de los rayos X hasta la longitud de onda que se capta por los radios comunes. La distribución de energía en el espectro de radiación térmica depende de la temperatura del cuerpo que la emite. A temperaturas bajas (alrededor de 300°C) predomina la radiación infrarroja de longitudes de onda entre 800 y 4000nm aproximadamente que es invisible para el ojo humano

A temperaturas altas (más de 800°C) en el espectro aparecen longitudes de onda más cortas (400 ÷ 800nm) que corresponden a la parte visible y ultravioleta del espectro. A la temperatura de 800°C el cuerpo emite suficiente energía y parece rojo. Y la de 3000°C la energía radiante contiene bastante ondas de longitud de onda más corta y el cuerpo parece prácticamente blanco.

Emisión de radiación de rayos X:

Fluorescencia y fosforecenciaLa Fosforescencia es el fenómeno en el cual ciertas sustancias tienen la propiedad de absorber energía y almacenarla, para emitirla posteriormente en forma de radiación.Fluorescencia es la propiedad que tienen algunas sustancias de absorber energía y luego emitir parte de esa energía en forma de luz.

ESPECTROSCOPIA DE

ABSORCION MOLECULAR

ULTRAVIOLETA VISIBLE

Términos empleados en la espectroscopia de absorción.

1. TRANSMITANCIA:La cantidad de luz transmitida a través de una solución se conoce como la transmitancia (T).

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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.

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INSTRUMENTOS PARA

MEDICIONES DE ABSORCION

DE LAS REGIONES ULTRAVIOLETA

VIS Y DEL INFRARROJO

CERCANO

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Los instrumentos que miden la absorción selectiva de la radiación en las soluciones son:ColorímetrosFotómetros y Espectrofotómetros.

1. COLORIMETROHerramienta que identifica el color y el matiz para una medida más objetiva del color.

El colorímetro también es un instrumento que permite la ABSORBANCIA de una solución en una específica FRECUENCIA de LUZ a ser determinada. Es por eso, que hacen posible descubrir la concentración de un SOLUTO conocido que sea proporcional a la absorbancia.

Los colorímetros se basan en el principio de que la absorbancia de una sustancia es proporcional a su concentración, y es por eso que las sustancias más concentradas muestran una lectura más elevada de absorbancia.

2. FOTOMETROS

3. ESPECTROFOTOMETROUn espectrofotómetro es un instrumento para analizar ópticamente un material. La espectrofotometría es el método de análisis óptico más usado en los laboratorios de química y bioquímica.

Es importante diferenciar los instrumentos según su sistema de detección:

Detectores simples (convencional) o Detectores multicanal (arreglo de diodo).

COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS:

1.FUENTES2.SELECTORES DE LONGITUD DE

ONDA3.RECIPIENTES DE MUESTRAS4.DETECTORES DE RADIACION5.SISTEMA DE PROCESAMIENTO

Y DISPOSITIVO DE LECTURA DE LAS SEñALES.

Algunos de los diseños básicos de los instrumentos usados en la medición de la absorción de Energía Radiante se ilustra en el siguiente esquema:

1. FUENTES:

Lámpara de Deuterio e hidrogeno

a) Fuente de energía radianteDebe producir un haz de radiación cuya potencia sea suficiente para facilitar la detección y medida; debe ser estable. Ej.:Lámpara de hidrógenoLámpara de deuterio.Ambas lámparas producen un espectro continuo entre 160–375 nm y deben emplearse ventanas de cuarzo en los tubos: ya que el vidrio absorbe fuertemente en esta región del espectro electromagnético.Lámpara de filamento de tungstenoEs la fuente más común para la zona del visible e infrarrojo. Esta lámpara es útil para la región entre 320 – 2,500 nm.

Lámpara de filamento de tungsteno

b) Sistema selector de la longitud de onda de trabajo(i) Fotómetro (colorímetro): este tipo de instrumentos utiliza filtros que permiten obtener bandas de radiación que abarcan un intervalo limitado de longitudes de onda (con un fotómetro no es posible obtener una banda de absorción variable en forma continua).

Región λ (nm Color filtro Color solución380–435 Azul Amarillo480–490 Verde azuloso Rojo500–560 Verde amarillento Violeta580–595 Anaranjado Azul verdoso595–650 Rojo Verde azuloso

(ii) Espectrofotómetro: utilizan un complejo sistema óptico de selección de longitud de onda (sistema monocromador). el cual consta de variados componentes tales como:prisma o rejilla; lentes; espejos; ranuras de entrada y salida.

Estos instrumentos pueden seleccionar longitud de onda en forma continua y en algunos casos con precisión de décimas de nm. Por lo tanto, es posible obtener en forma continua el espectro de absorción de una molécula.

RECIPIENTES PARA MUESTRA:

Región U.V. = Celdas de cuarzo (200–2,000 nm)

Región VIS = Celdas de vidrio (350–2,000 nm)

Algún tipo de plástico.

c) Recipientes para la muestraLa mayor parte de las aplicaciones espectrofotométricas utiliza las muestras en solución líquida, por esta razón se requieren recipientes para colocar la muestra (celdas). La celda debe transmitir el 100% de la energía radiante en la zona espectral de trabajo.La longitud más común para el trabajo en las regiones UV-VIS es 1 cm (otras son: 2, 5 y 10 cm).

c) Recipientes para la muestraLa mayor parte de las aplicaciones espectrofotométricas utiliza las muestras en solución líquida, por esta razón se requieren recipientes para colocar la muestra (celdas). La celda debe transmitir el 100% de la energía radiante en la zona espectral de trabajo.

La longitud más común para el trabajo en las regiones UV-VIS es 1 cm (otras son: 2, 5 y 10 cm).

Requisitos:

• Responder a la E.R. en un amplio intervalo de λ. • Poseer elevada sensibilidad.

• Respuesta lineal. • Tiempo de respuesta rápido, etc…

Detectores de fotones:

• Celdas fotovoltaicas. • Tubos fotomultiplicadores.

• Fototubos.

d) Detección de la radiaciónDispositivo electrónico llamado transductor que convierten la energía radiante en una señal eléctrica.

e) Procesadores de señales e instrumento de lecturaDispositivo electrónico que amplifica la señal eléctrica generada en un detector. En este sentido existe una amplia gama de alternativas, desde galvanómetros hasta avanzadas computadoras.

TIPOS GENERALES DE INSTRUMENTOS PARA

MEDICIONES DE ABSORCION MOLECULAR

Los sistemas ópticos de dos tipos de instrumentos para medidas de absorción ultravioleta/visible.

1.Instrumento de un solo haz2.Instrumento de doble haz

ALGUNOS INSTRUMENTOS CARACTERISTICOS:

1.FOTOMETROS2.ESPECTROFOTOMETROS

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