Primera Prueba de Evaluación (plazo de entrega hasta el día 30 de diciembre, en aLF)

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INSTRUCCIONES – Química Analítica instrumental (Grado en Químicas)

No se puede utilizar ningún tipo de material excepto papel milimetrado y calculadora no programable (puede tener funciones estadísticas: LR, regresión)

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1. PREGUNTAS DE DESARROLLO (70%) ( espacio limitado ) (10 p)

1. Describa las características generales de los compuestos orgánicos que emiten fluorescencia.

En primer lugar definiremos lo que es fluorescencia para, posteriormente relacionar esta feonomeno con las diferentes propiedades de las moléculas organicas.

La fluorescencia es un tipo de método óptico relacionado con otros dos, fosforescencia molecular y quimioluminiscencia conocidos como procedimientos luminiscentes moleculares,la excitación se consigue mediante la absorción de fotones. La fluorescencia se diferencia de la fosforescencia en que las transiciones electrónicas responsables de la fluorescencia no conllevan un cambio en el espín del electrón. Como consecuencia, la fluorescencia presenta una vida corta cesando la luminiscencia casi inmediatamente (10-5S).En la mayoría de los casos, la emisión fotoluminiscente es de mayor longitud de onda que la radiación utilizada para su excitación.

La fluorescencia rara vez es consecuencia de la absorción de radiación ultravioleta de longitud de onda menor de 250 nm, ya que tal radiación es suficientemente energética como para producir la desactivación de los estados excitados por predisociación o disociación.Como consecuencia, rara vez se observa fluorescencia debida a transiciones * , en cambio, este tipo de emisión está asociada a los procesos menos energéticos * y * n.

Partiendo de estos principios se puede clasificar en características:

1. Estructurales: la mayoría de compuestos organicos fluorescentes son aromáticos, con transiciones * de baja energía. Un incremento de la conjugación da lugar a la absorcion de mayores longitudes de onda.

La mayoría de los hidrocarburos aromáticos no sustituidos son fluorescentes en disolución, la eficacia cuántica normalmente aumenta con el número de anillos y con su grado de condensación.

En ciclos con heterociclos en los que el heteroatomos forma parte de la conjugación se cree que la transición electrónica de más baja energía implica a un sistema n * que rápidamente se transforma en un estado triplete e impide la fluorescencia

2. Atomo Pesado: La fluorescencia de una molécula se reduce en presencia de disolventes que contienen átomos pesados o de solutos con dichos átomos en su estructura; como por ejemplo, el tetrabromuro de carbono y el yoduro de etilo. El efecto es similar al observado cuando se introducen, por sustitución, átomos pesados en compuestos fluorescentes; las interacciones espín-orbital desembocan en un aumento en la velocidad de formación del triplete y en la correspondiente disminución de la fluorescencia.

3. Presencia O sensible a la oxidación: La presencia de oxígeno disuelto suele reducirla intensidad de fluorescencia de una disolución. Este efecto puede ser el resultado de una oxidación de las especies fluorescentes inducida fotoquímicamente.Sin embargo, con más frecuencia la amortiguación (quenehing) tiene lugar como consecuencia de las propiedades paramagnéticas del oxígeno molecular, que favorecen el cruce entre sistemas y la conversión de las moléculas excitadas al

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estado triplete. Otras especies paramagnéticas también tienden a amortiguar la fluorescencia.

4. Rigidez Estructural: Empiricamente se observa que la fluorescencia se ve favorecida al contener la molecula estructuras rigdas.

5. Carácter electrónico de sustituyentes: La presencia de pares de electrones libres hace que entren en conjugación con el sistema π y la fluorescencia se ve favorecida. Por el contrario los electrodadores no entran en conjugación y la fluorescencia disminuye.

6. Carácter acido o básico de sustituyentes: Esto toma relevancia en las formas ionizadas, ya que tanto la longitud de onda como la intensafda de la misma no son iguales para ambas formas.

2. Explique cómo se excita la muestra en las siguientes técnicas: espectroscopia atómica, espectroscopia de absorción y espectroscopia de emisión.

Espectrometría de fluorescencia atómica. Este método usa un quemador con una salida de incineración redonda. La llama se usa para solvatar y atomizar la muestra, y una lámpara emite luz a una longitud de onda específica en la llama para excitar los átomos de analito. Los átomos de ciertos elementos pueden entonces fluorescer, emitiendo luz en diferentes direcciones. La intensidad de esta luz fluorescente sirve para cuantificar la cantidad del elemento analizado en la muestra. También puede usarse un horno de grafito para la espectrometría de fluorescencia atómica. Este método no es tan común como el de absorción atómica o el de emisión de plasma

espectroscopia de absorción: Este método usa un nebulizador pre-quemador (o cámara de nebulización) para crear una niebla de la muestra, y un quemador en forma de ranura que da una llama de longitud de ruta más larga. La temperatura de la llama es lo bastante baja como para no excitar los átomos de la muestra de su estado basal. El nebulizador y la llama se usan para desolvatar y atomizar la muestra, pero la excitación de los átomos de analito se realiza mediante lámparas que brillan a través de la llama en varias longitudes de onda para cada tipo de analito. En la absorción atómica, la cantidad de luz absorbida después de pasar por la llama determina la cantidad de analito en la muestra. Suele usarse un horno de grafito para calentar, desolvatar y atomizar la muestra con el fin de obtener una mayor sensibilidad. El método del horno de grafito también puede analizar algún sólido o muestras mezcladas

espectroscopia de emisión: Este método usa la excitación de la llama; los átomos son excitados por el calor de la llama para emitir luz. Este método

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suele usar un quemador de consumo total con una salida de incineración redonda. Se utiliza una llama de temperatura más alta que la usada en la espectrometría de absorción atómica para producir la excitación de átomos de analito. Ya que los átomos de analito están excitados por el calor de la llama, no es necesaria ninguna lámpara elemental especial.

3. Indique cuáles son los factores que hacen que la ley de Beer se desvíe de la linealidad.

Las desviaciones a la Ley de Beer se clasifican en dos categorías: instrumentales y químicas. Dichas desviaciones pueden ser positivas , si la absorbancia medida es mayor que la real  o negativas, si la absorbancia medida es menor que la real y llevan a que no se obtengan relaciones lineales entre la absorbancia y la concentración

Las desviaciones instrumentales provienen, en primer lugar de la utilización de luz no monocromática, ya que la pureza espectral del haz de radiación proveniente de la fuente, depende del ancho de banda espectral del monocromador. La deducción de la ley de Beer supone radiación monocromática y los monocromadores en realidad proporcionan una banda de longitudes de onda.

Cuando se hace una medida de transmitancia con luz de varias longitudes de onda, l' ,l'' ... la intensidad del haz que emerge de la solución de muestra será ( Il' + Il'' ...) y la intensidad del haz que emerge de la celda de referencia será ( I0l' + I0l '' ...) por lo que la transmitancia leída será :

T = ( Il' + Il'' ...) / ( I0l ' + I0l'' ...) = ( Il' + Il '' ...) / ( I0l '10-e'bc + I0l ''10-e''bc...)

Entonces, la ley de Beer puede cumplirse con pequeños intervalos de error, si la variación de la absortividad con la longitud de onda es constante en el intervalo de longitudes de onda que el selector del instrumento deja pasar, siempre que el ajuste de la longitud de onda nominal sea muy reproducible.

En el máximo de la curva del espectro de absorción, el coeficiente de absortividad cambia más lentamente que en el resto de la banda, igualmente la sensibilidad a la concentración es mayor en el máximo de la banda de absorción, porque la absortividad tiene el valor máximo en ese punto. Es por esto, que normalmente se selecciona la longitud de onda en el máximo de la banda para realizar las medidas espectrofotométricas cuantitativas.

Se presentan también desviaciones instrumentales por luz desviada, entendiendo por esta, la luz de otras longitudes de onda que se superponen a la banda de luz utilizada . Cuando en los instrumentos se fija una longitud de onda nominal ,lx, el ancho de banda espectral del monocromador condiciona la banda de luz que pasa, que corresponderá a la región lx ± D l llamada región de la luz útil. La intensidad de esta banda de luz disminuirá cuando ocurra la absorción de luz por parte de la

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muestra, al igual que puede disminuir la intensidad de la luz desviada, sobretodo para  230 nm.

La luz que proviene de la celda de referencia induce una corriente fotoeléctrica en el detector al igual que la luz que proviene de la muestra pero la luz desviada también induce una corriente adicional en el detector, lo que lleva a una transmitancia falsa, T'' , que tiene el valor:

T'' = ( I + If ) / ( I0 + If ) donde If es la intensidad de la luz desviada.

Las desviaciones químicas a la ley de Beer también se llaman desviaciones aparentes porque dependen de la naturaleza química del sistema en estudio y si se trabaja bajo ciertas condiciones ( pH, concentración de reactivos, etc. ) es posible hacer que el sistema cumpla dicha ley. Las desviaciones son causadas, generalmente, por equilibrios en solución que involucran a la especie absorbente y alteran su concentración originando desviaciones positivas o negativas.

Si alguna reacción química que ocurra en el sistema origina un producto que absorba más fuertemente que la sustancia ensayada, a la longitud de onda a la cual se hace la medida o longitud de onda analítica, se producirá una desviación positiva. Si, al contrario, se origina un producto que no absorbe a la longitud de onda analítica, la concentración de la sustancia se verá disminuida y se originará una desviación negativa.

Entre los tipos de reacciones químicas que llevan a desviaciones de la ley de Beer están: reacciones de asociación-disociación, reacciones ácido-base, reacciones de polimerización, reacciones deformación de complejos y reacciones con el solvente

4. Definir los siguientes términos:

a. Estado fundamental de la molécula : Cada átomo o molécula en su estado natural, tiene una estructura específica de sus niveles de energía. El nivel de más baja energía es llamado estado fundamental, que es el estado de energía preferido naturalmente . Mientras no se le comunique energía al átomo, el electrón permanecerá en el estado fundamental.

b. Estado triplete: Estado de la molecula en la que la función de spin esta triplemente degenerado, puesto que la fucion de onda es antisimetrica puede utilizarse cualquier de las tres posibles funciones de spin simétricas.

c. Radiación parásita: Desviaciones instrumentales El cumplimiento estricto de la ley de Beer sólo se observa con una radiación verdaderamente monocromática. Por desgracia, rara

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vez se puede usar de forma práctica una radiación que se limite a una sola longitud de onda, ya que los dispositivos que aíslan partes de la señal de salida de una fuente continua, originan en torno al valor deseado una banda más o menos simétrica delongitudes de onda. La radiación que sale de un monocromador suele estar contaminada con pequeñas cantidades de radiación dispersada o parásita, la cual llega a la rendija de salida debido a la dispersión y a las reflexiones en las diversas superficiesinteriores. A menudo, la radiación parásita difiere bastante en longitud de onda respecto a la radiación principal y, además, puede no haber atravesado la muestra

d. Absortividad: La absortividad de una solución es la cantidad de luz que ésta es capaz de absorber. Es la relación entre su absorbancia y la concentración de la solución por la longitud de la celda en la cual se halla dicha solución, ya que ésta es la trayectoria que la luz debe atravesar.La absortividad es directamente proporcional a la conductividad del soluto presente en la solución absorbente.

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2. PROBLEMA (30%) (si lo considera puede utilizar papel milimetrado) (10 p)

La cafeína, C8H10O2N4·H2O (Mm = 212,1), posee una absorbancia de 0,510 a 272 nm en disoluciones cuya concentración es de 1 mg / 100 mL. Una muestra de 2,500 g de café soluble se diluyó con agua a 500 mL. Después de homogeneizada la suspensión, se toma una alícuota de 250 mL, se pasó a un matraz que contenía 25 mL de H2SO4 0,1 N con el fin de ser clarificada, diluyéndose seguidamente a 500 mL en un matraz aforado. Esta disolución muestra una absorbancia de 0,415 a 272 nm.

a. Calcule la absortividad molar de la cafeína en estas condiciones, expresándola en las unidades correspondientes.

b. Calcule los gramos de cafeína por kilo de café soluble.En todos los casos se han utilizado cubetas de 1 cm de espesor.

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