Espectrometra Lectura N 5

FACULTAD DE CIENCIAS QUMICAS

Espectrometra

Objeto de Estudio N 3

LECTURA N 5

ANLISIS CUANTITATIVO DE LAABSORCIN DE RADIACIN

ELECTROMAGNTICA

Bibliografa: SKOOG, D.A.; Leary J.J.; ANLISIS INSTRUMENTAL, 4 ed.; Ed. McGraw-Hill(1994), pgs. 142-155.

F.C.Q.

Espectrometra Lectura N 5

Facultad de Ciencias Qumicas

ANLISIS CUANTITATIVO DE LA ABSORCIN DE RADIACINELECTROMAGNTICA

INTRODUCCIN

En estudios cuantitativos de absorcin de la radiacin se mide la cantidad de energa quees absorbida por una muestra que contiene una especie absorbente, comparndola conla cantidad de energa absorbida por otra muestra de concentracin conocida, y tomandocomo referencia una solucin la cual no contiene la sustancia que absorbe radiacin.

La dispersin y la reflexin de la radiacin, disminuyen el poder de la radiacin incidente,sin embargo para la mayora de los sistemas stas prdidas son mnimas y pueden serparcialmente compensadas.

Leyes cuantitativas: Considrese los cambios que ocurre cuando la radiacinmonocromtica pasa a travs de la celda de absorcin mostrada en la Figura 1. Primerose pone la celda con el blanco el cual consiste del solvente, ms otros constituyentes aparte de las principales especies absorbentes. El haz trasmitido por el blanco representala radiacin incidente menos las prdidas por dispersin, reflexin, etc.

Figura 1: Proceso de absorcin de radiacin electromagntica en una celda que contiene una oms especies absorbente.

El poder radiante que se obtiene a la salida de la celda con el blanco se le llama Iorepresenta al haz incidente cuando el blanco es reemplazado por la muestra.

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Considrese la Figura 1, al pasar la radiacin a travs de un segmento de seccintransversal A en la muestra que contiene la muestra absorbente. -dI representa la prdidade poder radiante al atravesar el haz una capa de espesor infinitesimal db; esto es, -dI esla cantidad de radiacin que ha sido absorbida por sta capa. Dado que la absorcin de laenerga requiere de la interaccin entre un fotn y la especie absorbente, el nmero deposibles colisiones que ocurren en la capa db es directamente proporcional a el nmerode especies absorbentes que se encuentran en sta, y al nmero de fotones que laatraviesan. COEFICIENTE DE ABSORTIVIDAD MOLAR.- El trmino es llamado coeficiente deabsortividad molar, cuando la concentracin de la solucin de lectura se expresa esmoles/lto. Si la concentracin de la especie absorbente se expresa en: ppm, mgrs/lto,grs/lto, grs/ml., o cualesquier otro sistema de unidades de concentracin, al coeficientese le llama coeficiente de absortividad especfica y se representa por la letra a, en cuyocaso A=abC.

Por lo tanto, la concentracin de la solucin no necesariamente debe estar expresada enmoles/lto. para que la Ley de Beer sea vlida, y puede utilizarse cualesquier otro sistemade unidades pero siempre debern especificarse las unidades del coeficiente deabsortividad. La relacin It/Io se define como transmitancia y se representa por la letra T. Esto es:

-log (It/Io)= -log T = bC -log T = bC

Es muy til definir el trmino absorbancia A, el cual es definido como igual a logaritmodecimal inverso de la transmitancia:

-log T = A = Absorbancia A=bC

El valor de (o a, segn sea el caso), es caracterstico del ion o molcula en un solventeespecfico a una determinada longitud de onda. Este valor de es independiente de laconcentracin C de la solucin y del espesor de la celda.

LEY DE BEER

La ecuacin A=bC A=abC se conoce generalmente como la Ley de Beer. Esta leyasume lo siguiente:

La radiacin incidente es monocromtica.- En teora la radiacin policromtica al serdispersada en un monocromador sale por el slit o ranura de salida en forma de radiacinmonocromtica o de una sola longitud de onda. Esto no ocurre debido a que para lograresto se tendra que tener el slit de salida sumamente cerrado, lo cual no permitira el pasode un haz de radiacin suficientemente grande para que pueda ser detectado yprocesado con buena precisin.

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A pesar de que en la prctica no se tiene radiacin monocromtica, si se selecciona unpico en la banda de absorcin del compuesto a estudiar, es posible tener una relacinlineal aceptable entre absorbancia y concentracin.

Las especies absorbentes actan independientemente una de otra: si las molculas de laespecie absorbente son demasiado grandes y estereoqumicamente complejas, y ademsse encuentran muy cercanas entre s (lo cual ocurre a altas concentraciones del analito),se originan atracciones y repulsiones moleculares que causan distorsiones en la forma deabsorcin de la radiacin.

Tambin, si la matriz en donde se encuentra el analito tiene un alto contenido de salesdisueltas (ejemplo: agua de mar, salmueras, fluidos biolgicos, etc.) se puede presentartendencia a este tipo de interacciones.

La absorcin ocurre en un volumen de seccin transversal uniforme: Si se observaal microscopio las celdas espectroscpicas, seran evidentes algunas distorsiones ydeformaciones de las paredes de la celda. A mayor calidad de celdas mejor calidadptica.

Tambin, las celdas cuadradas tienen mejores cualidades pticas que las celdascilndricas.

Para compensar por este efecto, y si es necesario tener resultados de alta sensibilidad yprecisin, es necesario emplear celdas de la mejor calidad, y lo ms importante, alefectuar la lectura siempre deber colocarse la celda en la misma posicin.

La degradacin de la energa es rpida. Si las especies absorbentes son fluorescenteso fosforescentes, la energa emitida durante el proceso luminiscente es percibida por eldetector, la cual se suma a la seal de radiacin transmitida por la celda que contiene elanalito. Esto, obviamente causa una distorsin e la relacin absorbancia/ concentracin.

El ndice de refraccin de la solucin es independiente de la concentracin.- Si ladiferencia en concentracin entre una solucin y otra no es demasiado grande, el ndicede refraccin prcticamente es el mismo en dichas soluciones, sin embargo, si ladiferencia en concentraciones entre estas soluciones es demasiado grande, su ndice derefraccin vara en la misma proporcin y en estas condiciones la ley de Beer ya no esvlida.

Este efecto, conjuntamente con las atracciones intermoleculares, son la razn de que laley de Beer se siga estrictamente en un rango muy restringido de bajas concentracionesde analito.

La Figura 2 muestra la diferencia entre absorbancia y transmitancia. Obsrvese en laFigura 2 que la grfica de transmitancia contra concentracin es logartmica, mientrasque la de absorbancia contra concentracin es lineal. En la Figura 2 es evidente queexiste una relacin inversa entre absorbancia y transmitancia, cuando aumenta una laotra disminuye.

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Figura 2: (a) Absorbancia y Transmitancia contra concentracin a una determinada longitud deonda y espesor de celda (b) Absorbancia y Transmitancia contra longitud de onda para una especiede concentracin especfica.

Esto es lgico, ya que transmitancia indica la cantidad de radiacin que no es absorbida.Si la transmitancia es alta, la absorbancia es baja, en virtud de que la especie absorbenteno tiene afinidad por ese tipo especfico de radiacin lo inverso es exactamente lo queocurre cuando la especie absorbente si demuestra capacidad de absorber dicharadiacin, en cuyo caso la absorbancia tiene un valor alto y la transmitancia es pequea.

En los instrumentos de espectroscopa la escala de absorbancia es de cero o infinito,mientras que la transmitancia se expresa comnmente como porcentaje en una escalade 0 a 100%.

SISTEMAS DE MULTICOMPONENTES

Cuando el sistema contiene ms de una especies absorbente, se asume que las especiesactan independientemente una de otra y que sus absorbancias son aditivas. La Figura 3representa el espectro de absorcin de las especies I,II y de una solucin que contieneuna mezcla de ambas especies.

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Figura 3: Espectro de soluciones con los componentes I, II y una mezcla de I y II.

DESVIACIONES DE LA LEY DE BEER

Muchos sistemas absorbentes diluidos sigue la ley de Beer. En la siguiente figura semuestra como ocurren desviaciones de la ley de Beer y se observa que a mayorconcentracin mayor es el grado de desviacin de la linealidad.

Si no es posible hacer que el sistema cumpla con la ley de Beer, esto es, si no es posibleobtener una lnea recta se hace una intercepcin de la absorbancia con la curvaobtenida y se lee la concentracin de la solucin problema. Es deseable hacer caer elvalor de la lectura de absorbancia dentro de la porcin lineal de la grfica, para de estamanera minimizar el error de la lectura.

Para obtener una curva de calibracin se preparan soluciones de concentracin conocidadel elemento a determinar y que estn dentro del rango en el cual se sepa que se cumplala ley Beer, o las muestras problemas se preparan procurando que la absorbancia destas se encuentren dentro del rango de la curva de calibracin.

Las desviaciones reales de la ley de Beer ocurren nicamente en soluciones de altaconcentracin que el ndice de refraccin cambia con la concentracin. El lmite mximo para que no ocurran desviaciones en la ley de Beer es aproximadamentede 10-2M , mientras que el mnimo de deteccin es de alrededor de 10-7M

LIMITACIONES INSTRUMENTALES.- Las variaciones instrumentales que causan unaaparente desviacin de la ley de Beer son:

1. Radiacin extraa que alcanza al detector 2. Cambios en la sensibilidad del detector

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3. Fluctuaciones en el poder de la fuente de radiacin y en el sistema de amplificacindel detector .

Estos factores pueden ser parcialmente cancelados si se utiliza un sistema de doble haz.Otro de los factores inevitables, es que realmente no se trabaja con un hazmonocromtico, sino con una banda restringida de radiacin de varias longitudes deonda.

Si se selecciona 1 para determinar absorbancia contra concentracin se obtiene unalnea recta y la ley de Beer se sigue durante un cierto rango de concentracin. Cuando seefecta la misma operacin a 2 ocurre una desviacin de la ley de Beer aconcentraciones relativamente altas.

EFECTO DEL RUIDO INSTRUMENTAL EN LA PRECISIN DE LOS ANLISISESPECTROSCOPICOS

La exactitud y precisin de los anlisis espectrocpicos frecuentemente estn limitadospor la incertidumbre o ruido asociado al instrumento. Las mediciones en espectoscopiaimplican; un ajuste a 100% T (o su contraparte en Absorbancia) y finalmente el medir latransmitancia o Absorbancia de la solucin.

El ruido generado en cada uno de esos procesos da finalmente un valor total deincertidumbre en la medicin. (Error Fotomtrico).

Figura 4: Grfica de absorbancia contra factor de concentracin a dos diferentes longitudes deonda. A1 la grfica es lineal. A2 hay desviacin de la ley de Beer.

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ERROR FOTOMTRICO

Como consecuencia de lo anteriormente mencionado la precisin en la lectura deabsorbancia, esta limitada por altos y bajos valores de sta.

Otra forma de interpretar el hecho de que a bajos y altos valores de absorbancia otransmitancia el grado de incertidumbre sea grande es considerando que a bajasabsorbancias la intensidad del haz incidente y transmitido es prcticamente igual y eldetector incurre en un error grande al percibir la intensidad de dos haces muysemejantes. A altos valores de absorbancia la energa transmitida es tan pequea que noes posible medirla con precisin . La Mayor precisin es obtenida en un rango de 15 % detransmitancia ( A= 0.8 ) a 65% de la misma ( A=0.20 ), por lo que si se desea obtenerresultados de alta precisin, es conveniente diluir o concentrar la muestra hasta que suabsorbancia o transmitancia est dentro de este rango.

INCERTIDUMBRE EN LA POSICIN DE LA CELDA

Todas las celdas tienen imperfecciones menores que frecuentemente no pueden serdetectadas a simple vista, y como consecuencia las prdidas por reflexin y dispersin deradiacin no son las mismas en diferentes secciones de la celda. Para celdas de buenacalidad en su manufactura y materiales, estas imperfecciones son mnimas, sin embargolas rayaduras, manchas de grasa, desgaste, entre otras que son consecuencia normal deluso hacen que la posicin sea factor determinante en la calidad de los resultados. Si setrabaja en el rango adecuado de Absorbancia ( 0.2 a 0.8 ), la limitacin ms importante enla precisin de los resultados es la incertidumbre en la posicin de la celda.

De los argumentos presentados es evidente que el cuidado que se tenga con las celdastanto en su manejo como en su limpieza es determinante en la calidad de los resultadosobtenidos.