Introducción a la espectrometría de absorción molecular ultravioleta/visible

Es espectroscopia de absorcion de la radiación en la región de 160 nm a 780 nm.

Se basa en la medida de transmitancia (T) o absorbancia (A) de disoluciones colocadas en cubetas transparentes con un camino óptico de b centímetros.

La concentración c de un analito absorbente está relacionado linealmente con la absorbancia:

Espectroscopia de absorcion UV / Visible

Cuando un haz de radiacion incide sobre la cubeta ocurren reflexiones en las interfases ( un 8.5 % del haz se pierde por reflexion).Tambien, ocurre dispersion y absorcion de la radiacion.

Para compensar estos efectos, la potencia del haz transmitido por la disolucion analizada se compara con la potencia del haz transmitido por una cubeta igual que contiene solo disolvente.

Así se obtienen la transmitancia y absorbancia experimentales

Ley de Beer

Limitaciones:Es una ley limite (describe correctamente la absorcion de disoluciones de baja concentracion, < 0.01 M)A concentraciones > 0.01 M, la relacion entre absorbancia y concentracion ya no es lineal.ε depende del indice de refraccion del medio, en ocasiones esto genera desviaciones de la ley de Beer

Desviaciones Instrumentales debidas a Radiacion Policromatica

La ley de Beer se cumple solo cuando la radiacion es monocromatica.

En practica es imposible obtener radiacion monocromatica, lo comun es tener un banda de longitudes de onda simetrica en torno a la deseada.

Idealizacion

Efecto de la ranura del monocromador en las medidas de absorbancia

La ranura que enfoca el haz de radiacion en el monocromador (selector de λ) afecta la resolucion del espectro obtenido:

Ranuras angostas producen espectros bien resueltos.

Ranuras anchas producen perdida de resolucion del espectro

Anchuras grandes de ranura producen picos mas anchos y bajos.

Precaucion: ranuras demasiado angostas producen una reduccion de la energia radiante y producen perdidas de detalles por el aumento de la relacion señal/ruido.

Efecto de la anchura de la ranura en la altura de los picos. La muestra es una disolucion de cloruro de praseodimio

Anchura = 1 nm Anchura = 0.5 nm Anchura = 0.1 nm

INSTRUMENTACION

Existen mas de 100 modelos de instrumentos UV/Visible. El costo de un espectrofotometro UV/Visible varia de unos cientos de dolares a 30000 dolares.

Componentes

1) Fuente2) Selector de longitud de onda3) Recipiente para la muestra4) Detectores de radiacion5) Procesadores de señal y dispositivos de lectura

FUENTES

Requisito: fuente continua cuya potencia sea estable en un intervalo grande de λ

1. Lámparas de Deuterio e Hidrógeno:

Excitacion electrica del H2 o D2 produce un espectro continuo en la región UV.

Actualmente se prefiere la de D2 (proporciona una esfera de radiación mas grande e intensa que la de H2)

Ambas producen un espectro continuo útil de 160 – 375 nm.

Señal de salida de la lámpara de Deuterio

Importante: Las lámparas de Deuterio e Hidrógeno requiere celdas de cuarzo porque el vidrio absorbe fuertemente a λ < 350 nm

2. Lámpara de filamento de Wolframio (envoltura de vidrio)

Sirve para la región visible

La temperatura del filamento de wolframio es 2870 K

Emite radiación entre 350 y 2500 nm

Para que la señal sea estable la fuente requiere transformadores de potencial constante o reguladores de potencial.

Alternativa: lámpara de wolframio/halógeno. Mas duración , requieren una envoltura de cuarzo porque funciona a mayor temperatura (3500 K)

3. Lámpara de arco de xenónSe pasa corriente a traves de gas xenón, produce radiacion intensa entre 200 y 1000 nm.

Recipientes para la Muestra

Celdas o cubetas de material que permita el paso de la radiacion.

Depende de la region donde se desea trabajar:

< 350 nm cuarzo o silice fundida 350 – 2000 nm vidrio

silicatadoAncho mas común: 1 cm

Importante: el mantenimiento de la cubeta es crucial en los resultados. Es indispensable limpiarlas escrupulosamente antes y despues de usarla.

TIPOS DE INSTRUMENTOS

1. De haz simple2. De doble haz espacial3. De doble haz temporal4. Multicanal

HAZ SIMPLE

HAZ DOBLE SEPARADO ESPACIALMENTE

HAZ DOBLE SEPARADO TEMPORALMENTE

ESQUEMA DE HAZ SIMPLE

ESQUEMA DE DOBLE HAZ ESPACIAL

ALGUNOS INSTRUMENTOS CARACTERISTICOS

1. Fotómetros

Sencillos y baratos

Faciles de mantener

Alto rendimiento energético

Produce analisis cuantitativos de similar calidad que los obtenidos con equipos mas sofisticados

Poseen varios filtros para transmitir en diferentes zonas del espectro visible.

En general, el filtro mas apropiado es aquel con color complementario al de la disolución analizada.

EspectrofotómetrosGran variedad de estos instrumentos.

Algunos sirven solo para la region visible, otros para la region UV/Visible y otros incluso llegan al infrarrojo cercano.

1. Espectrofotómetros para region visible

Trabajan en la region de 380 a 800 nm

De un solo haz, baratos y sencillos

Costo 1000 – 3000 USD

Resistentes y transportables

El mas popular es el Spectronic 20:

Fuente de wolframio, cubeta y detector, lector de escala metrica (14 cm de largo) graduado en absorbancia y transmitancia

Espectrofotometros de haz simple para UV/Visible

Trabajan entre 200 y 1000 nm

Fuente: lamparas de wolframio y deuterio intercambiables

Detector: fotomultiplicador

Elemento dispersante: rejilla de difraccion

Lector digital

Precio: 2000 – 8000 USD

Anchuras de banda del haz: 2- 8 nm

Espectrofotometros de doble haz para UV/Visible

Gran variedad de modelos.

Más caros: 4000 – 15000 USD (sin registrador)

Trabajan entre 195 – 850 nm

Especialmente apropiados para análisis cuantitativo

Introducción a la Espectrometría Infrarroja

La región IR del espectro: 12800 a 10 cm-1

0.78 a 1000 μmSe divide en IR cercano, IR medio e IR lejano

La región del IR medio es tradicionalmente las más utilizada:

IR medio: 2.5 a 50 μm o 4000 a 200 cm-1

Fotones con λ en el rango IR medio tienen energías bajas: 1 – 15 kcal/molNo provocan transiciones electrónicas, pero inducen vibraciones de los enlaces covalentes.Enlaces covalentes = resortes flexibles que pueden ser estirados o doblados.Las moléculas orgánicas absorben radiación IR y sufren una amplia variedad de movimientos vibratoriosLos espectrómetros IR registran el espectro de absorción de un compuesto, distintivo de su estructura molecular.

Ejemplo:Espectro IR de la Vainillina

La escala usada en abcisas es dada en centímetros recíprocos (cm-1), una magnitud asociada directamente a la frecuenciaLos espectros IR pueden obtenerse de muestras en cualquier fase (líquidos, sólidos y gaseosos). Los líquidos se registran como una película fina atrapada entre 2 ventanas de NaCl (el vidrio absorbe radiación IR)Se deben usar solventes que no disuelvan las ventanas (CHCl3 y CCl4)Los sólidos pueden(a) incorporar en una fina pastilla de KBr preparada a presión o(b) mezclarse con un líquido no volátil y molerlo hasta formar una pasta

Ventana de NaCl

Ensamble de la celda IR

Una molécula compuesta de n átomos tiene 3n grados de libertad:6 son traslaciones y rotaciones Entonces hay 3n – 6 grados de libertad vibratoriosLos modos vibratorios son estiramiento, deformación, movimiento de tijera, balanceo y torsionEjemplo: La molécula de formaldehído H2C=O tiene 6 modos vibratorios que se traducen en 6 absorciones en su espectro IR