INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS DE … · (espectroscopia de masas), de electrones...

Curso de Análisis Químico - Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales -UNLP

Espectroscopía 128

INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS DE ANALISIS Objetivos Entender las nociones básicas del espectro electromagnético. Comprender los conceptos relativos a la interacción entre la radiación electromagnética

y la materia. Enunciar la ley de Lambert – Beer, comprender el significado de las magnitudes que

intervienen en ella e interpretar la naturaleza de las desviaciones de esa ley. Describir los componentes básicos de los instrumentos para mediciones de absorción de

radiación ultravioleta- visible, espectrofotómetros. Conocer las aplicaciones de los métodos espectrofotométricos en las regiones visible y

ultravioleta. 1.- Introducción Históricamente el término espectroscopia se refería sólo a la región visible del espectro, donde la luz se descomponía en sus longitudes de onda originándose espectros que se usaban para estudiar la estructura de la materia o para análisis cualitativos o cuantitativos. Con el paso del tiempo, se amplió el significado para incluir todo el espectro de radiaciones electromagnéticas. Sin embargo en la actualidad, el significado de espectroscopia es más amplio aún, ya que incluye otros tipos de radiación como por ejemplo con iones (espectroscopia de masas), de electrones (espectroscopia de electrones) y ondas de sonido (espectroscopia acústica). Cuando la radiación electromagnética pasa desde el vacio a la superficie de una porción de materia, interactúa con los átomos y/o moléculas del medio. La naturaleza de esta interacción depende de las propiedades de la materia y puede dar lugar a la desviación, transmisión, absorción y emisión de la radiación. Cuando el fenómeno involucra una desviación del haz de luz los métodos se conocen con el nombre de No espectroscópicos, mientras que en todas las otras interacciones se puede obtener un espectro y se conocen con el nombre de métodos Espectroscópicos. Abordaremos primero los métodos espectroscópicos de absorción 2. Métodos espectroscópicos de Absorción

Al pasar la radiación electromagnética por una capa transparente de un sólido, líquido o gas, pueden eliminarse selectivamente ciertas frecuencias como consecuencia del proceso llamado absorción. En este caso la radiación electromagnética se transfiere a los átomos o moléculas que constituyen la muestra, como resultado de ello estas partículas pasan del estado de menor energía o fundamental a estados de mayor energía o estados excitados absorbiendo un fotón.

3.- Introducción a la radiación electromagnética La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. Muchas de las

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propiedades de la radiación electromagnética se explican convenientemente mediante la teoría ondulatoria clásica con parámetros como velocidad, frecuencia, longitud de onda y amplitud. La teoría ondulatoria para la radiación electromagnética no explica completamente los fenómenos asociados con la absorción o la emisión de energía radiante, para estos procesos es necesario considerar la energía radiante como un flujo de partículas discretas de energía llamados fotones o cuantos. Estos dos conceptos se complementan muy bien (dualidad, onda partícula) y se aplican tanto al flujo de electrones como al de otras partículas elementales. 3.1- Propiedades de las ondas La radiación electromagnética se representa adecuadamente como un campo eléctrico y otro magnético que están en fase, con oscilaciones sinusoidales en ángulos recto de uno respecto a otro y respecto a la dirección de propagción. La figura 1 es una representación de este tipo para un rayo individual de una radiación electromagnética polarizada en el plano. Polarizada en el plano significa que todos los osciladores tanto para el campo eléctrico como para el campo magnético están en un solo plano. En la figura 2, puede verse la representación bidimensional de la componente eléctrica del rayo de la figura 1. La abscisa de esta gráfica puede ser el tiempo, cuando la radiación atraviesa un punto fijo del espacio o la distancia cuando el tiempo se mantiene constante. A lo largo de esta explicación, sólo se considerá la componente eléctrica de la radiación, ya que el campo eléctrico es el responsable de la mayoría de los fenómenos que nos intereran, como la transmisión, reflexión, refracción y absorción. Sin embargo debemos señalar que la componente magnética de la radiación electromagnética es la responsable de la absorción de las ondas de radiofrecuencias en la espectroscopía de resonancia magnética nuclear.

Figura 1 Figura 2

3.1.2- Parámetros ondulatorios Como ya hemos visto, la radiación electromagnética puede ser descrita como una onda. Los parámetros que la definen son: Período (p): tiempo necesario para que dos máximos sucesivos de una onda pasen por un punto.


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Longitud de onda (λ ) es la distancia lineal entre dos máximos consecutivos de la onda. Se mide en unidades de distancia: por ejemplo, metros (m) o cualquiera de sus submúltiplos, como el ángstrom (1 Å = 10-10 m) o los nanometros nm (1 nm = 10-9m). La frecuencia (ν ) se define como el número de de oscilaciones del campo eléctrico por segundo y es igual 1/p (1 ciclo por segundo = 1 Hertz, Hz). La frecuencia es una magnitud invariable que está determinada por la fuente de radiación La amplitud (A) se define como la longitud del vector eléctrico en el máximo de la onda. Debido a que la velocidad de la luz es constante e igual a c (2,99792×1010 cm/s), existe una relación directa entre la frecuencia y la longitud de onda, ya que dada una longitud de onda determinada, si sabemos que la onda se desplaza a velocidad c, para saber el número de veces que pasa un máximo por un punto, sólo hace falta dividir la velocidad de la luz por la longitud de onda. Tenemos, por tanto, que:

λν c=

Otra forma de describir la radiación electromagnética es a través del número de onda (υ ), que está definido como el inverso de la longitud de onda en centímetros. La unidad de υ es cm-1, que es el número de ondas de una frecuencia dada en el trayecto de 1 cm. 3.2- Características de partícula Para comprender muchas de las interacciones entre la radiación y la materia se necesita postular que la radiación electromagnética está constituída por paquetes de energía llamdos fotones (o cuantos). La energía de la radiación electromagnética está directamente relacionada con la frecuencia de la radiación: donde h es la constante de Plank (6,63 × 10-34 J.s). Si utilizamos la relación entre la frecuencia y la longitud de onda y/o el número de onda, podemos escribir esta relación como sigue: Esta expresión nos expresa que las ondas con una frecuencia alta serán muy energéticas, mientras que aquellas cuyas frecuencias sean bajas (y, por tanto, su longitud de onda grande) transportarán menos energía. 3.3 Espectro electromagnético El espectro electromagnético comprende un intervalo enorme de longitudes de onda y energías. De todas esas energías, la luz visibleno es más que radiación electromagnética en un rango de frecuencias a las que el ojo humano (y el de la mayoría de las especies dotadas de visión) es sensible que abarca desde alrededor de 300 nm hasta 800 nm. El hecho de que estemos dotados para la visión en el rango visible, nos permite aprovechar el máximo de emisión del Sol que se produce en este rango. Probablemente, si nuestro Sol tuviese su máximo en el infrarrojo, nuestros ojos estarían dotados para ese tipo de visión. Pero el espectro electromagnético no tiene una frecuencia máxima o mínima, sino que se extiende indefinidamente, más allá de los estrechos límites de sensibilidad del ojo humano. En orden creciente de frecuencias (y por tanto, de energía) el espectro está compuesto por las ondas de radio, el infrarrojo, la luz visible, el ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma.

υ×= hE

υλ

××=×= chchE


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Puede observarse en la figura que que la radiación visible, comúnmente llamada luz, sólo representa una fracción pequeña del espectro electromagnético.

En el espectro electromagnético suelen diferenciarse las siguientes zonas: 1. Ondas de radio: son las ondas electromagnéticas que se utilizan en telecomunicaciones.

Incluye las ondas de radio y de televisión. Su rango de frecuencia comprende desde unos pocos hercios hasta 1×109 Hz, distinguiéndose en esta zona diferentes bandas.

2. Microondas: se utilizan en sistemas de comunicaciones como el radar o la banda UHFde

televisión y también en los hornos de microondas. Su rango de frecuencias comprende desde 1×109 Hz hasta 1×1011Hz.

3. Infrarrojos: son las ondas electromagnéticas que emiten los cuerpos calientes. Tienen

diferentes aplicaciones en industria, medicina, etc. Comprenden la zona incluida entre 1×1011Hz y 4×1014Hz.

4. Luz visible: incluye una estrecha franja entre 4×1014Hz y 8×1014Hz. Corresponde a esta

banda las frecuencias que asociadas a cada color. 5. Ultravioleta: esta banda comprende el rango de frecuencias que va de 8×1014Hz hasta

1×1017Hz. Estas ondas electromagnéticas son producidas por los electrones que se encuentran en los átomos y moléculas excitados.

6. Rayos X: comprende una gama de frecuencias que incluye desde 1×1017Hz hasta

1×1019Hz. Son producidos por los electrones que están más fuertemente ligados al átomo. 7. Rayos gamma: estas ondas electromagnéticas comprenden las frecuencias incluidas a partir

de 1×1019Hz. Su origen reside en el núcleo del átomo. Son producidos por numerosas sustancias radioactivas. Su manipulación requiere protecciones muy especiales.

4. Absorción de la radiación


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¿Qué pasa cuando un átomo, ión o molécula, absorbe radiación electromagnética?

Cuando la radiación pasa a través de una capa de un sólido, un líquido o un gas, ciertas frecuencias pueden eliminarse selectivamente por absorción, un proceso en el que la energía electromagnética se transfiere a los átomos, iones o moléculas constitutivas de la

muestra. La absorción promueve a estas partículas desde su estado normal a temperatura ambiente, o estado fundamental o basal, a uno o varios estados excitados de una energía más elevada. Según la teoría cuántica, los átomos, moléculas o iones sólo tienen un número limitado de niveles de energía discretos y, por lo tanto, para que se produzca la absorción de la radiación, la energía de los fotones excitados debe coincidir exactamente con la diferencia de energía entre el estado fundamental y uno de los estados excitados de la especie absorbente. υ×=− hEE basalestadoexitadoestado . La excitación de una especie M a su estado excitado M* se puede representar por la ecuación:

*MhM →+ υ , después de un período corto de aproximadamente 10-8s la especie excitada se relaja (vuelve al estado fundamental) transfiriendo el exceso de energía a los otros átomos, moléculas o iones. Durante este proceso se produce un aumento de la temperatura del medio y se puede representar:

calorMM +→* Ya que estas diferencias de energía son particulares para cada especie, el estudio de las frecuencias de radiación absorbidas proporciona un medio de caracterizar a los constituyentes de una muestra. Con este fin se representa la absorbancia en función de la longitud de onda, a esta representación se la llama espectro de absorción. En general la naturaleza de un espectro viene influida por varibles como: la complejidad de los niveles energéticos, el estado físico y entorno de las especcies absorbentes. Sin embargo, las diferencias entre los espectros de absorción de átomos y moléculas es más profunda. 4.1 Absorción atómica

El paso de la radiación ultravioleta o visible a través de un medio constituido por partículas monoatómicas, como por ejemplo, mercurio o sodio gaseosos, produce la absorción de unas pocas frecuencias, bien definidas. La

relativa simplicidad de tales espectros se debe al pequeño número de posibles estados energéticos de las

partículas absorbentes. Por lo tanto sus espectros sólo presentan unas pocas líneas.


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La exitación sólo puede producirse mediante un proceso electrónico en el que uno o varios de los electrones del átomo se promocionan a un nivel de energía más alto. Por ejemplo el espectro de vapor de sodio mostrado en la figura muestra los dos picos agudos de absorción en la región amarilla del espectro visible que son consecuencia de la exitación del electrón 3s a los dos estados 3p que difieren muy poco en energía 4.2 Absorción molecular Los espectros de absorción de las moléculas poliatómicas y en particular en estado líquido, son bastante más complejos que los espectros atómicos, porque el número de estados de excitados disponibles es en general muy grande si se los compara con el número de estados disponibles en los átomos aislados. La energía (E) asociada a una molécula está dada por tres componentes: E = Eelectrónica + Evibracional + Erotacional La energía electrónica representa la energía que proviene de los estados energéticos de los electrones de enlaceLa energía vibracional está asociada con los movimientos de

estiramiento y flexión de los enlaces moleculares. Los niveles vibracionales son mucho más numerosos que los electrónicos y menos energéticos. La energía rotacional es la energía asociada los movimientos rotacionales dentro de una molécula. Los niveles rotaciones son más numerosos que los vibracionales. Así, para cada estado electrónico de una molécula existen varios estados vibracionales posibles y, a su vez, para cada uno de éstos son posibles numerosos estados rotacionales. Por lo tanto, los espectros moleculares

de la región ultravioleta-visible, se caracterizan por bandas de absorción (como se muestra en la figura) que a menudo abarcan un intervalo considerable de longitudes de onda. El motivo por el cual las bandas de absorción suelen ser muy anchas es que muchos niveles vibracionales y rotacionales distintos se encuentran disponibles en niveles energéticos cercanos. Por lo tanto, una molécula podría absorber fotones en un amplio intervalo de energías y ser aún promovida del estado electrónico fundamental a un estado electrónico excitado particular. En la siguiente tabla se indican las regiones del espectro que se utilizan en la química analítica, las transiciones atómicas o moleculares responsables de la absorción o emisión de radiación en cada región.

588,5 589,0 589,5 590,0

0

5

10

15

20

25

Espectro de vapor de sodio

abso

rbanc

ial it d d d ( )


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Regiones del

espectro electromagnético

Intervalo de longitudes de onda Tipo de transición

Rayos gamma (Rγ) 0,005 - 1,4 Å Cambio de las configuraciones nucleares Rayos X (RX), ultravioleta (UV), visible

0,1 - 1800 Å Cambio de las configuraciones electrónicas

Infrarrojo (IR) 0,780 - 300μm Cambio en las configuraciones rotacionales y vibracionales Microondas 0,75 - 3,75 mm Cambio en el entorno molecular 5. Procesos de relajación ¿Qué ocurre con la energía absorbida? El tiempo en que un ión o molécula permanece en el estado excitado es corto. Existen varios mecanismos por los cuales pueden devolver el exceso de energía y pasar nuevamente al estado fundamental, estos procesos se conocen con el nombre de relajación.

1) Los mecanismos de relajación sin emisión de radiación: El exceso de energía se transfiere mediante colisiones a otras moléculas, tanto del soluto como el solvente y el efecto resultante es la conversión de la energía en exceso en calor que se distribuye en todo el medio. 2) Los mecanismos de relajación que involucran emisión de radiación las moléculas retornan al estado fundamental emitiendo un fotón. Estos

procesos son:

a) fluorescencia (F) b) fosforescencia (P)

En la figura se representan los mecanismos mencionados. Con flechas onduladas se representan los mecanismos de relajación sin emisión de radiación. 6. Leyes de la absorción molecular en la región ultravioleta - visible Cuando la radiación electromagnética interctúa con la materia, se produce la absorción si la frecuencia de la radiación se corresponde precisamente con la energía requerida para elevar al sistema a un nivel permitido de energía superior. Por lo tanto, cuando un haz de luz de


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una determinada longitud de onda de intensidad I0 incide perpendicularmente sobre una solución de un compuesto químico que absorbe luz o cromóforo, el compuesto absorberá una parte de la radiación incidente (P0) y dejará pasar el resto (P). 6.1 Transmitancia Cuando un haz de potencia radiante P0, incide sobre una muestra de espesor b, debido a la interacción entre los fotones y las partículas absorbentes, la potencia radiante del haz emergente disminuye (P). En la figura se representa un haz de luz pararlelo antes y después de haber atravesado una solución de una especie absorbente de concentración c y de espesor b. Se llama transmitancia, T de la solución a la relación entre la cantidad de la radiación transmitida por la solución que lllega al detector una vez que ha atravezado la muestra y la cantidad de luz que incidió sobre ella y se representa normalmente según la siguiente ecuación:

0PPT =

A menudo, la transmitancia se expresa como el porcentaje de la luz transmitido (transmitancia porcentual)

100100%0

×=×= TPPT

La transmitancia nos da una medida física de la relación de potencia incidente y transmitida al pasar por la muestra. La relación entre %T y la concentración no es lineal, pero asume una relación logarítmica inversa. Nota: La potencia radiante P se define como la energía por segundo por unidad de área del haz de luz. 6.2 Absorbancia La absorbancia (A) es un concepto más relacionado con la muestra puesto que nos indica la cantidad de luz absorbida por la misma, y se define como el logaritmo de 1/T, en consecuencia: A = log 1/T = -log T = -log P/ Po. Cuando la potencia incidente y transmitida son iguales (Po = P), la transmitancia es del 100% e indica que la muestra no absorbe a una determinada longitud de onda, y A vale log 1 = 0. La cantidad de luz absorbida dependerá de la distancia que atraviesa la luz a través de la solución del cromóforo y de la concentración de éste. Observar que a diferencia de la transmitancia, la absorbancia de una solución aumenta cuando mayor es la atenuación del haz emergente. La importancia de la absorbancia estriba en que es directamente proporcional a la concentración de la especie absorbente en la muestra. 6.3 Ley de Lambert Beer La ley de Lambert beer establece que la absorbancia de una solución es directamente proporcional a su concentración –a mayor número de moléculas mayor interacción de la luz con ellas-; y también depende de la distancia que recorre la luz por la solución –a igual


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concentración, cuanto mayor distancia recorre la luz por la muestra más moléculas se encontrará-; y por último, depende de ε, una constante de proporcionalidad -denominada absortividad molar- que es específica de cada cromóforo.

CbaCbA ××=××= ε La ecuación anterior es fundamental para aplicar la espectroscopía en química analítica y se denomina la ley de Lambert – Beer o simplemente ley de Beer.

o La absorbancia, A, es adimensional. o La concentración de la muestra, C, se suele expresar en moles/litro (M) o en g/litro o La longitud del camino óptico, b, se expresa en cm. o La cantidad ε se llama absortividad molar y sus unidades son litro/mol ×cm. Cuando

la concentración es expresada en g/l, debe hablarse de la absortividad a , y sus unidades son litro/g×cm.

La absortividad o absortividad molar es la propiedad característica de las sustancias que indica cuánta luz se absorbe a una longitud de onda dada. Los valores de A y ε dependen de la longitud de onda. Por lo tanto es conveniente escribir la ley de Lambert – Beer como una función de la longitud de onda.

CbaCbA ××=××= )()()( λλελ

Cuando representamos la medida de la absorbancia de una especie en función de la longitud de onda, lo que obtenemos es un espectro de absorción. Dicha gráfica indica en qué forma A (o ε/a) depende de la longitud de onda. En la figura se muestran los espectros de absorción de algunas sustancias. La parte de la molécula a la que se debe la absorción de la luz se llama cromóforo. La sustancia absorbe ciertas longitudes de onda de la luz blanca y el ojo humano detecta las longitudes de onda no absorbidas. El color de una solución es el complemento del color de la luz que absorbe.


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6.4 Medida experimental de la absorbancia y transmitancia La absorbancia y la transmitancia, tal como se define en la ley de Lambert – Beer, no pueden ser medidas en el laboratorio, porque la solución en estudio debe estar contenida dentro de un recipiente. La interacción entre la radiación y las paredes del recipiente es inevitable, produciéndose pérdidas de potencia en cada interfase como resultado de reflexiones y posiblemente de absorción. Las pérdidas por absorción son importantes. Además de las pérdidas por reflexión, puede

darse la dispersión de la potencia del haz al atravesar la solución, debido a moléculas grandes o a las heterogeneidades del solvente. Para compensar esos efectos, la potencia del haz transmitida a través de la celda que contiene la solución absorbente, por lo general, se compara con la de un haz que pasa a través de una celda idéntica que contiene sólo solvente. La absorbancia medida experimentalmente se define, pues por la ecuación:

PP

PPA

solución

solvente 0loglog ==

La absorbancia experimental obedece la ley de Lambert-Beer. En adelante, cuando nos refiramos al término absorbancia, entenderemos el cociente definido por la ecuación anterior, siendo P0 la potencia de la radiación después de atravesar una celda que contiene el solvente y P la potencia después de atravesar una celda idéntica con la solución del analito. 7. Limitaciones de la aplicabilidad de la Ley de Lambert-Beer La relación lineal entre la absorbancia y la longitud de camino óptico para una concentración fija de sustancia absorbente es una generalización de la que no se conocen excepciones. Sin embargo, se presentan desviaciones de la proporcionalidad directa entre la absorbancia y la concentración cuando b es constante. La ley de Lambert – Beer establece que la absorbancia es proporcional a la concentración de las especies absorbentes. Esto se verifica estrictamente para luz monocromática y muy bien en el caso de soluciones diluidas de la mayoría de las sustancias. La ley de Lambert-Beer se justifica considerando las propiedades absorbentes de las soluciones diluidas, y en ese sentido es una ley límite. A concentraciones altas (> 0.01M) las distancias medias entre las partículas disminuyen hasta tal punto que cada partícula afecta la distribución de carga de los vecinos. Estas interacciones pueden alterar la capacidad absorbente de las partículas respecto a una radiación de determinada longitud de onda. Dado que el grado de interacción depende de la concentración, la existencia de este fenómeno causa desviaciones de la relación lineal entre la absorbancia y la concentración. A concentraciones muy diluidas (con muy baja concentracón del absorbente), pero con concentraciones elevadas de otras especies, en especial electrolitos, la gran proximidad de estos iones a las especies absorbentes altera la absortividad molar debido a interacciones electrostáticas que conducen a desviaciones de la ley de Lambert-beer.


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7.1 Desviaciones químicas Se presentan desviaciones de la ley de Lambert-Beer cuando el analito experimenta asociación, disocición o reacción con el solvente para dar produtos con propiedades diferentes a las del propio analito. Ejemplo: debidas a reacciones del absorbente con el disolvente, como en el caso del dicromato en disoluciones no amortiguadas.

Cr2O

7

2- + H

2O ⇔ 2H

+ + 2CrO

4

2-

Para cualquier longitud de onda la absortividad molar del ion dicromato y del cromato son diferentes. 7.2 Desviaciones instrumentales La ley de Lambert-Beer es una ley límite en el sentido de que se aplica sólo cuando la absorbancia se mide con una radiación monocromática. Sin embargo, en instrumentos analíticos de rutina no son prácticas las fuentes verdaderamente monocromáticas, como los láseres. En lugar de ellas, se emplean fuentes continuas policromáticas junto con una red o filtro, que proporcionan una banda de longitudes de onda simétrica y estrecha en torno a la deseada. Es un hecho experimental que las desviaciones de la ley de Lambert-Beer que resultan del uso de un haz policromático no son apreciables, siempre que la radiación usada abarque un tramo espectral dentro del cual el absorbente no presenta grandes cambios en función de la longitud de onda, como se muestra en la figura. La banda A no muestra desviación, ya que la absorbancia no varía mucho a lo largo de la banda. La banda B muestra una desviación marcada ya que la absorbancia experimenta una variación significativa en esta región.


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8. Componentes instrumentales La mayoría de los instrumentos espectroscópicos constan de cinco componentes: 1. Una fuente estable de energía radiante 2. Un selector de longitudes de onda que permite el aislamiento de una región reducida de

longitudes de onda 3. Uno o más recipientes con la muestra 4. Un detector de la radiación o transductor que convierte la energía radiante en una señal

medible (normalmente eléctrica) 5. Un procesador y lector de la señal

8.1 Fuentes Se requiere una fuente de radiación externa de potencia constante y suficientemente intensa y estable para facilitar la detección y la medida. Las distintas fuentes continuas que pueden emplearse en los equipos de absorción, según la región del espectro se listan en la tabla:

Fuente Región del espectro (nm)

lámpara de H2 y D2 160-380 Absorción molecular UV lámpara de W/halógeno 240-2500

Absorción molecular UV/visibles/IR cercano

lámpara de W 320-2500 Absorción molecular visibles/IR cercano La fuente más común de radiación en la región del visible e infrarrojo cercano es la lámpara de tungsteno que se muestra en la figura. El filamento de tungsteno típico funciona a una temperatura de 3000K y produce una radiación útil en el intervalo 320-2500 nm. Esto comprende toda la región visible y parte de las regiones de ultravioleta y de infrarrojo. El límite inferior lo impone la absorción del bulbo de vidrio que absorbe las energías que corresponden al ultravioleta.


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8.2 Selectores de longitudes de onda Se dice que la luz de una sola longitud de onda es monocromática. Sin embargo, hay que aclarar que ningún selector es capaz de producir radiación monocromática, sino que la salida de todos los dispositivos es una franja de longitudes de onda contiguas, llamada banda. Estas longitudes se distribuyen simétricamente en torno a una longitud de onda central, llamada nominal. Para conseguir bandas estrechas de radiación se usan dos tipos generales de selectores de longitudes de onda: filtros y monocromadores. Los monocromadores tienen la ventaja de que se puede escoger de forma continua la longitud de onda de salida dentro de un intervalo espectral considerable. 8.2.1 Filtros Los filtros trabajan absorbiendo todas las radiaciones excepto una banda estrecha de radiación procedente de la fuente continua. A un filtro se lo caracteriza por o general por una longitud de onda nominal, un porcentaje máximo de transmitancia y un ancho de banda efectivo.

Filtro Región del espectro (nm)

Características

Interferencia 20-14000 Se emplea en el UV-visible, están construídos por una lámina de CaF2 o MgF2 recubiertos por una película de metal delgada

Absorción 380-750 Se emplea en el visible, construídos por una lámina de vidrio coloreado que elimina parte de la radiación incidente por absorción.

8.2.2 Monocromadores La figura presenta el esquema de un monocromador de red de difracción típico. La radiación policromática que pasa por la rendija de entrada se colima un haz de rayos paralelo medinate un espejo cócavo. Estos rayos inciden sobre la red de difracción, donde las diferentes longitudes de onda son difractadas en diferentes ángulos. La luz llega a un segundo espejo cóncavo, el cual enfoca cada longitud de onda en diferentes puntos sobre el plano


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focal. La orientación de la red de difracción sólo dirige una banda estrecha de longitudes de onda hacia la ranura de salida del monocromador. Haciendo girar la red de difracción se permite el paso de diferentes longitudes de onda a través de la ranura de salida. Las ranuras o rendijas desempeñan un papel importante en la determinaciónde la calidad de un monocromador. En algunos monocromadores las aberturas de las dos ranuras (entrada y salida) son fijas, pero en otros se pueden variar. La ranura de entrada sirve de fuente de radiación, su imagen es enfocada sobre la superficie que contiene a la ranura de salida. Si la fuente de radiación emite algunas lineas discretas, aparecerán sobre el plano focal de la ranura de salida una serie de lineas brillantes de forma rectangular, cada una correspondiente a una determinada longitud de onda. Cada linea particular se puede enfocar en la ranura de salida rotando al elemento dispersor. 8.3 Detectores Un detector es un dispositivo que indica la presencia de un fenómeno físico. (Ejemplo: una película fotográfica, la aguja de una balanza, el nivel del Hg en el termómetro). Un transductor es un tipo especial de detector que convierte señales tales como la intensidad de luz, pH, masa y temperatura en señales eléctricas que luego pueden ampliarse y convertirse en números que representan la magnitud original. Un transductor ideal de la radiación electromagnética debe cumplir los siguientes requisitos responder rápidamente a bajos niveles de energía radiante en un amplio rango de

longitudes de onda debe producir una señal eléctrica que se amplifique fácilmente tener un nivel de ruido relativamente bajo la señal eléctrica producida debe ser directamente proporcional a la potencia del haz. G = kP + k´ Siendo: G = es la respuesta (en unidades de corriente, resistencia o potencial) k = cte que mide la sensibilidad del detector k´= respuesta constante, conocida como corriente oscura, aún cuando no llegue radiación al detector.

Los detectores empleados en la región ultravioleta, visible e infrarrojo cercano se denominan detectores fotónicos. Estos se basan en la interacción de la radiación con la superficie reactiva que produce electrones (fotoemisión) o que eleva electrones a estados de energía en los cuales pueden conducir electricidad (fotoconducción) En la tabla se listan los detectores más empleados en la espectroscopia de absorción

Detectores Fotónicos intervalo de longitudes de onda

(nm) fotubo 150-1000 fotomultiplicadores 150-1000 diodos de silicio 350-1100 fotoconductores 750-3000 células fotovoltaicas 380-780


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Ejemplo: El fototubo consta de un cátodo y un ánodo sellados al vacío. El cátodo está recubierto por un material fotoemisivo (generalmente de metales alcalinos) que emiten electrones cuando se irradia. Cuando se aplica un potencial los electrones migran hacia el ánodo produciendo una fotocorriente. El número de electrones es directamente proporcional a la potencia del haz de radiación. 8.4 Recipientes de muestra Los recipientes que contienen la muestra normalmente se llaman celdas o cubetas y deben estar fabricados de un material transparente en la región espectral de interés. En la tabla se listan algunos de los materiales más empleado: Material región en la cual es transparente cuarzo o sílice fundida UV - por debajo de los 350 nm vidrio Visible - IR cercano 375-2000 nm plástico Visible

Las mejores celdas son prismáticas, de un centímetro de camino. Pueden ser más pequeñas o tan grandes como 5 cm, este último tamaño se emplea para determinar trazas 8.5 Procesadores y medidores de señal Un procesador de señal es de ordinario, un dispositivo electrónico que amplifica la señal eléctrica del detector. 9. Instrumentos espectroscópicos Todas las partes mencionadas antes componen los instrumentos empleados en espectroscopia. Se pueden distinguir dos tipos principales de instrumentos o Fotómetro: es un instrumento sencillo, que usa filtros como selector de longitudes de

onda y como detector puede emplear una fotocelda o fototubo. o Espetrofotómetro: como selector de longitudes de onda usa una red de difracción y

como detector emplea fototubo o fotomultipliacdores o diodo. Se utilizan dos diseños básicos en los espectrofotómetros utilizados en la región del UV-visible: ellos son: simple haz y doble haz.


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En los instrumentos de simple haz la radiación pasa a través de una sola solución a la vez. En los de doble haz, un haz de radiación pasa a través de la solución problema y otro haz pasa a través de la solución blanco o de referencia. Para medir la transmitancia en instrumentos de simple haz se deben llevar a cabo los siguientes pasos: a) Sin que llegue luz al detector (paso de luz cerrado) se lleva a cero la indicación del

medidor (o% de transmitancia) b) Con la solución blanco o de referencia, se abre el paso de luz y se ajusta el instrumento de

modo que mida 100% de transmitancia. c) Se coloca la solución problema y se lee la transmitancia Estas tres operaciones se den repetir para cada longitud de onda, ya que tanto la salida de la fuente como la respuesta del detector varían con la longitud de onda. Además, la absorbancia del solvente (blanco) puede cambiar con la longitud de onda. La naturaleza secuencial de estos tres pasos también significa que tanto la salida de la fuente como la sensibilidad del detector deben permanecer constantes durante se desarrollo implicando que el voltaje de la fuente y del detector deben ser estables. En el instrumento de doble haz, la operación se simplifica. Para calibrar el instrumento sólo es necesario: a) Con el blanco colocado en el camino de ambos rayos, se ajusta el 100% de transmitancia b) Con el blanco en el haz de referencia y sin que incida radiación sobre el detector

proveniente de la muestra se ajusta el 0% de transmitancia. Una vez calibrado el instrumento, la transmitancia de la muestra se puede medir a cualquier longitud de onda sin repetir la calibración ya que la señal del haz de referencia es continuamente referida a la señal del solvente y sólo la diferencia entre ambas señales es amplificada y registrada. Por lo tanto, la medida será independiente de la variabilidad en la salida de la fuente y la sensibilidad el detector. Cualquier absorbancia debida al solvente será automáticamente sustraída siempre que las dos celdas o cubetas sean iguales. Además, cualquier variación en el voltaje de la fuente será compensada automáticamente, suponiendo que los dos detectores sean iguales. La mayoría de los espectrofotómetros de doble haz están equipados para realizar un barrido automático de la longitud de onda y el registro de la absorbancia. En la figura se muestra un esquema óptico de un instrumento doble haz. (La óptica de un instrumento simple haz se muestra en las actividades de laboratorio)


Espectroscopía 144

Errores instrumentales La mayoría de los espectrofotómetros presentan un error mínimo para valores de absorbancia intermedios (A~ 0.4 a 0.9). Cuando emerge poca luz de la muestra (absorbancia alta), la intensidad es difícil de medir. Cuando emerge demasiada luz (absorbancia baja), es difícil de detectar la diferencia de absorbancia entre las celdas de la muestra y el blanco. Por lo anterior, es deseable que la concentración de las muestras se ajuste para quedar en el intervalo intermedio de absorbancia.


Espectroscopía 145

ACTIVIDADES DE LABORATORIO Determinación del contenido de hierro en harinas por espectrofotometría de absorción molecular 1- Funciones fisiológicas del Hierro

El déficit de hierro (Fe) es un problema frecuente en la dieta humana. Es un elemento que cumple importantes funciones fisiológicas en nuestro organismo: forma parte de la hemoglobina (proteína transportadora de oxígeno ubicada en los glóbulos rojos) y es un componente estructural de la mioglobina (proteína muscular). El déficit de hierro en la dieta provoca Anemia Ferropénica, enfermedad muy común en niños con baja calidad alimentaria, y en las futuras madres durante las últimas semanas de embarazo ya que aumenta la demanda de hierro. El aporte mínimo de Fe recomendado es de 10 a 15 mg/día. Las principales fuentes de hierro son: carnes, hígado, verduras de hoja, cereales integrales, frutos secos y levaduras. Con el fin de contribuir a disminuir la frecuencia de la Anemia Ferropénica en Argentina, en el año 2002, se sancionó la ley 25630 que establece el enriquecimiento de las harinas con Fe, ácido fólico y vitaminas del grupo B. Por dicho motivo, las harinas y los productos elaborados con ellas (galletitas, fideos, etc.) están enriquecidos en Fe. Además, algunas industrias alimentarias han incorporado el agregado de Fe en sus formulaciones como un “valor agregado” para sus productos. En la actualidad, es frecuente encontrar leche fortificada en Fe. Por lo tanto, en la industria alimentaria la determinación de Fe para rotular los alimentos se ha transformado en un análisis de rutina. En cuanto a las plantas, el hierro también es un elemento muy importante que forma parte de los citocromos, moléculas que intervienen en funciones vitales como la respiración y la fotosíntesis. El Fe participa de muchas reacciones de óxido-reducción involucradas en procesos metabólicos de las plantas que se llevan a cabo en mitocondrias, cloroplastos y peroxisomas. Este elemento es uno de los denominados micronutrientes para las plantas, es decir que es necesario en pequeñas cantidades pero dado que cumple funciones indispensables para la vida no debe estar ausente. El Fe es un ión poco móvil dentro de la planta, por lo que la deficiencia de Fe en plantas se pone en evidencia en las hojas jóvenes pequeñas y cloróticas (se ven amarillas o blancas). 2- Medida de la concentración de Fe en alimentos y plantas

Uno de los métodos de referencia para la determinación de Fe en alimentos, plantas y suelos es Espectrofotometría de absorción molecular en la región del visible. El

Aumenta la deficiencia de hierro


Espectroscopía 146

fundamento del método es la reacción, en medio clorhídrico, entre el ión férrico (Fe +3) y el ión tiocianato (SCN-1) para formar un complejo soluble rojo denominado tiocianato férrico:

Fe+3 + 6 SCN- Fe(SCN)6 -3

El equilibrio de esta reacción se desplaza hacia la formación del complejo rojo en presencia de un exceso de ión tiocianato. Las posibles interferencias de esta reacción corresponden a iones que normalmente están ausentes o en cantidades muy pequeñas (trazas) en los alimentos por lo que este método resulta específico. Las condiciones de reacción utilizadas deben ser tales que el ión Fe+3 sea el reactivo limitante ya que en estas condiciones la cantidad de complejo coloreado que se forma estará determinada por el contenido de Fe+3. En estas condiciones la medida de la absorbancia a una determinada longitud de onda (luz monocromática) y la concentración del complejo tiocianato férrico se relacionan de acuerdo a la ley de Lambert Beer: A (λ)= ε(λ) x b x c A (λ): absorbancia a determinada longitud de onda (adimensional) ε(λ): coeficiente de absortividad molar a esa misma longitud de onda (L x mol-1 x cm-1) b: camino óptico (cm) c: concentración (M (mol x L-1) Para realizar esta determinación, la muestra debe ser acondicionada previamente. El procedimiento general consiste en secar la muestra en estufa a 60 °C hasta perder la humedad (peso constante). Luego se pesa en balanza analítica una cantidad determinada de la muestra seca y se reduce a cenizas en una mufla a 500 °C durante 2 h. Las cenizas obtenidas se disuelven en HCl 0,3 N y se llevan a un volumen final de 100 mL con agua destilada. La solución clorhídrica de las cenizas de la muestra será utilizada para realizar la medida espectrofotométrica del Fe+3. 3- Actividades en el laboratorio

Se analizará el contenido de Fe de una muestra de harina para definir si cumple con la ley 25630, para lo cual el contenido de Fe debe ser por lo menos 30 mg de Fe cada 100 g de harina. Recibimos una solución de cenizas de harina, la que fue preparada de la siguiente manera: 3 g de harina seca se calcinaron en una mufla a 500 °C durante 2 h, las cenizas obtenidas se disolvieron en HCl y se llevaron a un volumen final de 100 mL. Para determinar el contenido de Fe en la muestra de harina, una porción adecuada de esta solución clorhídrica de cenizas, donde se encuentra el analito (Fe+3), se hará reaccionar con el tiocianato en medio clorhídrico para obtener el complejo coloreado tiocianato férrico cuya absorbancia será medida a una determinada longitud de onda.

HCl


Espectroscopía 147

Ahora bien, para transformar la lectura de absorbancia en concentración del analito, es necesario realizar primero lo que se denomina CURVA de CALIBRACIÓN. Para ello se preparan soluciones del analito (Fe+3) de concentración conocida, las que se utilizan para obtener el complejo coloreado. A continuación se mide en el espectrofotómetro, para cada concentración conocida de analito la absorbancia del complejo obtenido a una determinada longitud de onda. En resumen, obtendremos una serie de pares de valores conocidos (concentración conocida de Fe+3 y su absorbancia correspondiente). Cuanto mayor sea la concentración de Fe+3 utilizada mayor será la intensidad del color obtenido y por lo tanto mayor la absorbancia medida en el espectrofotómetro. Con los datos obtenidos se podrá graficar la curva de calibración que utilizaremos para transformar los datos de absorbancia medidos en muestras desconocidas en sus valores correspondientes de concentración del analito. Materiales y reactivos necesarios: 7 tubos de plástico tipo Falcon para realizar la curva de calibración y 1 tubo extra para cada muestra que se va a analizar; gradilla porta tubos; 1 bureta cargada con solución patrón 0,0005 M (0,5 mM) de Fe+3; 1 bureta cargada con solución 1,5 M KSCN ; 1 bureta cargada con solución 2 M de HCl. Procedimiento: Para la curva de calibración: rotular una serie de tubos de 15 mL de plástico (denominados tipo Falcon), con los siguientes números: 0, I, II, III, IV, V En cada tubo colocar los siguientes reactivos:

Tubo Volumen de Patrón Fe+3 0,5 mM (ml)

Volumen de HCl (ml)

Volumen de KSCN (ml)

Volumen final (ml)

0 0 5 2,5 7,5 I 0,5 4,5 2,5 7,5 II 1 4 2,5 7,5 III 1,5 3,5 2,5 7,5 IV 2 3 2,5 7,5 V 2,5 2,5 2,5 7,5

De manera similar se procederá con las muestras desconocidas (muestras de harina a analizar). Para ello se rotularán adecuadamente tubos de plástico tipo Falcon y se agregarán los siguientes reactivos: Tubo Volumen de solución de cenizas

correspondiente (ml) Volumen de HCl

(ml)

Volumen de KSCN

(ml)

Volumen final (ml)

M1 5 0 2,5 7,5 M2 5 0 2,5 7,5 Esperar 15 min y medir la absorbancia del complejo obtenido a la longitud de onda adecuada. Para elegir la longitud de onda de medida, se utiliza una de las soluciones coloreadas obtenidas para realizar la curva de calibración, por ejemplo el tubo II o III. Se obtiene el espectro de absorción (espectrograma) en el espectrofotómetro y en base al espectro de absorción obtenido se define la longitud de onda que utilizaremos para cuantificar. Una vez que el espectrofotómetro se “setea” en la longitud de onda seleccionada, con la solución 0, se pone el espectrofotómetro en lectura de absorbancia 0 y luego se mide la absorbancia de las soluciones restantes (0, I, II, III, IV, V).


Espectroscopía 148

Con los datos obtenidos se armará una tabla de pares de valores (x,y) = (concentración de Fe+3; Abs) y se realizará un gráfico en papel milimetrado para obtener la CURVA DE CALIBRACIÓN. Ésta será la herramienta que utilizaremos para transformar cualquier dato de absorbancia en concentración de analito. A continuación se miden las muestras desconocidas, verificando que los valores de absorbancia obtenidos estén comprendidos en el rango de valores de la curva de calibración. Si alguna muestra presenta un valor de absorbancia por encima del rango de la curva de calibración, debe ser diluída y se debe repetir la medida con la muestra diluída. El dato de la dilución realizada debe tenerse en cuenta en el momento de realizar los cálculos correspondientes. Los resultados obtenidos deben expresarse como mg de Fe /kg de harina.

2.Determinación de fósforo en muestras de un fertilizante

2.1. Introducción: El fósforo es un elemento esencial tanto en animales como en vegetales. Puede hallarse en los seres vivos en forma orgánica, o inorgánica (como ortofosfato). Este anión a diferencia del nitrato y sulfato, no es reducido al ser absorbido en las raíces de las plantas, sino que permanece en la forma oxidada formando ésteres, en numerosos compuestos orgánicos. Así, por ejemplo, el fósforo se encuentra en los ácidos nucleicos, fosfolípidos de membrana, fosfoproteínas y forma parte de una molécula central del metabolismo energético como el adenosin trifosfato (ATP). En animales, posee una función fundamental en el desarrollo del tejido óseo, pudiendo el contenido de este elemento ascender a 1% m/m. Los niveles de P en plantas suelen ubicarse en valores cercanos a 0,2% m/m. En ciertos casos, durante el desarrollo de los cultivos, las necesidades de P deben ser satisfechas mediante el agregado de fertilizantes. Algunos compuestos comúnmente utilizados para la fertilización fosforada incluyen al fosfato mono-amónico (dihidrógeno fosfato de amonio), y fosfato di-amónico (monohidrógeno fosfato de amonio). 2.2. Fundamento del método: La determinación de P en soluciones en las que este elemento se encuentra como ortofosfato, puede realizarse en forma espectrofotométrica, previa formación de un complejo coloreado con el molibdato de amonio, en medio ácido (H2SO4) y en presencia de reductores como el cloruro estañoso o ácido ascórbico. Este método posee un nivel de detección muy bajo, pudiendo realizarse determinaciones en muestras conteniendo hasta 7 µg de P por litro. 2.3. Reactivos Solucion patrón de fósforo 50 mg/L Reactivo A: Solución de molibdato de amonio 2,5% m/v en H2SO4 10 N Reactivo B: Reactivo cloruro estañoso 2,5% en glicerol.


Espectroscopía 149

2.4. Determinación del espectro de absorción para seleccionar la longitud de onda apropiada para la cuantificación de fósforo Procedimiento: Colocar en un mataz aforado de 100 mL, 1 mL de solución patrón de fósforo y enrasar con agua destilada. En un segundo matraz, completar los 100 mL sólo con agua destilada (solución blanco). Transferir el contenido de los matraces a 2 erlenmeyers y agregar en cada uno 4 mL de reactivo A y posteriormente 3 gotas de reactivo B. Agitar y luego esperar 10 minutos hasta que la reacción de formación del azul de molibdeno haya sido completa. Llevar a cabo el espectro de absorción de dicho complejo como se indica a continuación: 1-Encender el espectrofotómetro. 2-Seleccionar el modo de trabajo espectro y el rango de barrido entre 370 y 1000 nm. 3-Colocar en el espectrofotómetro una cubeta con la solución blanco (muestra en la que se realizó la reacción de desarrollo de color en ausencia de P), para que el equipo pueda hacer una corrección de la línea de base o lo que es lo mismo, llevar a cero de absorbancia 4-Finalizada la corrección de la línea de base, colocar la muestra en la que se realizó el desarrollo de color e iniciar el barrido. 5- Analizar el gráfico de absorbancia vs longitud de onda obtenido (espectro de absorción), y seleccionar la longitud de onda que será apropiada para la posterior cuantificación de la muestra problema . 2.5. Realización de la curva de calibración (verificación del cumplimiento de la Ley de Lambert-Beer) y cuantificación de la muestra problema Una vez seleccionada la longitud de onda siguiendo el procedimiento descrito en 1.4. puede procederse a determinar la concentración de fósforo en la muestra problema. Para esto resulta necesario, en primer lugar, realizar una curva de calibración. Esta permitirá por un lado, verificar que bajo las condiciones de trabajo exista linearidad entre la absorbancia y la concentración de P, conforme establece la ley de Lambert-Beer. Por otra parte, resultará necesaria para poder determinar a qué concentración de P equivale la absorbancia medida en la muestra problema. Procedimiento: Colocar en matraces aforados de 100 mL 0; 1; 2; 3 y 5 mL de solución patrón de P y enrasar con agua destilada. Calcular la concentración resultate. Transferir el contenido de los matraces a erlenmeyers previamente rotulados. Agregar 4 mL de reactivo A y posteriormente 3 gotas de reactivo B. Esperar 10 minutos, hasta que la reacción de formación del azul de molibdeno haya sido completa. Encender el espectrofotómetro, e ingresar en el modo de trabajo fotométrico. Indicar en el equipo la longitud de onda a la que se realizarán las determinaciones (aquella seleccionada en 1.4). Colocar una cubeta con el blanco de la curva de calibración (muestra en la que se realizó la reacción de desarrollo de color en ausencia de P) y ajustar el valor a cero de absorbancia en el equipo. Realizar las lecturas de los demás puntos de la curva de calibración. Anotar los valores de absorbancia correspondientes a cada concentración de P y graficar la absorbancia en función de concentracion de P en ppm. Ajustar los datos experimentales a una recta y determinar la calidad del ajuste obtenido empleando el método de mínimos cuadrados. Si los datos experimentales muestran un apropiado cumplimiento de la ley de Lambert-Beer en las condiciones de trabajo, puede entonces procederse a analizar la muestra problema. Para esto se toma una alicuota apropiada (aca debemos decir cual es la alicuota poraue la muestra no la traen ellos) de una solución del fertilizante, se coloca en un matraz de 100 mL y se enrasa con agua destilada. Posteriormente se procede al desarrollo de color como se realizó con las soluciones patrón de P. Se lee la absorbancia y a partir de este valor, utilizando la curva de calibración se determina la concentración de P del fertilizante.


Espectroscopía 150

Problemas

1. Calcular la longitud de onda (λ) en cm y en nm correspondiente a cada una de las siguientes frecuencias: a) 1,97×1091/s, b) 4,86×10151/s, c) 7,32×10191/s y d) 1,42×10231/s

2. Calcular la frecuencia (υ) en 1/s correspondiente a cada una de las siguientes longitudes de onda: a) 200 nm, b)15 Å, c) 1,50×10-6 cm y d) 6,10μm

3. Calcular la absorbancia que corresponde a cada valor de transmitancia porcentual: a) 20%, b) 35,3 %, c) 75,5 %, d) 4,5 % y e) 100% Rta.: a) 0,69, b) 0,452; c) 0,122; d) 1,346 y e) 0,00

4. Dados los valores de absorbancia, calcular las transmitancias porcentuales correspondientes a cada uno: a) 0,60, b) 0,177, c) 0,472 y d) 1,346 Rta: a) 25,12; b) 66,53; c) 33,73 y d) 4,51

5. En una determinación fotométrica, el instrumento dio una T% de 24,7 usando una cubeta de 5 cm de camino óptico. ¿Cuál será la T% de la misma solución si se usan celdas de: a)1,00 cm, b) 10,00 cm y c)1,0 mm? Rta.: a) 75,61; b) 6,10 y c) 97,24

6. Una solución 0,0500 M, cuyo soluto tiene un peso molecular de 230, da una lectura de transmitancia de 35 % cuando se usa una cubeta de 1 cm de camino óptico y una longitud de onda de 270 nm. Calcular la absortividad (a). Rta.: 0,0396 g l-1cm-1

7. Calcular la molaridad de una solución, si la absortividad molar es de 1,27 l×M-1×cm-1. La absorbancia leída de la muestra es de 0,140 a 450 nm y el camino óptico de la cubeta es de 5 cm. Rta.: 0,0220M

8. Calcular la absortividad de una solución al 0,25% m/v que da una lectura de absorbancia de 0,180 a 615 nm, el peso molecular es 60 y el espesor de la cubeta es de 2 cm. Rta.: 2,15

9. Una solución de concentración 0,004% m/v tiene una transmitancia del 57% cuando se lee a 550 nm, usando una cubeta de 5 cm. El PM del soluto es 100. Calcular la absortividad molar. Rta.: 122

10. En una cubeta de 2 cm de espesor se colocan 5 µg (microgramos) de soluto en 5 ml de solución. La absortividad molar de 5000 LM-1cm-1, la medida se efectúa a 640 nm y el peso molecular del soluto es 22. Calcular la transmitancia porcentual a esa longitud de onda.

Rta.: 39,81 11. Un fotómetro portátil, de respuesta lineal a la radiación registró un valor de 84,2 µA con

una solución del blanco en la trayectoria de la luz. Al reemplazar el blanco por una solución absorbente dio una respuesta de 23,9 µA. Calcular: a) la transmitancia porcentual, b) la absorbancia, c) la transmitancia esperada para una solución en la que la concentración de la especie absorbente es la tercera parte de la correspondiente a la solución original de muestra y d) la transmitancia esperada para una solución cuya concentración es el doble de la correspondiente a la solución original de muestra. Rta.: 28,38; b) 0,547; c) 0,657 y d) 0,080

12. Una alícuota de 50,00 ml de agua de pozo se trata con un exceso de KSCN formándose el complejo FeSCN+2 y luego se diluye hasta 100,00 ml. Calcular las partes por millón de Fe+3 en la muestra, si la solución diluida tiene a 580 nm una absorbancia de 0,506 cuando se mide en una cubeta de 1,50 cm. La absortividad molar del complejo FeSCN+2 es de 7,00 ×103 (l×mol-1×cm-1). Rta.: 5,397 ppm

13. Una serie de soluciones patrón del complejo Fe(II)-1,10-fenantrolina se midieron a 510 nm obteniéndose las siguientes lecturas de absorbancia cuando se empleó una cubeta de 1,00 cm.


Espectroscopía 151

Concentración de Fe(II)-1,10-fenantrolina en ppm

2,00 5,00 8,00 12,00 16,00 20,00

Absorbancia 0,164 0,425 0,628 0,951 1,260 1,582

Construir la curva de calibración a partir de estos datos. El método anterior se aplicó a la determinación rutinaria de hierro en alícuotas de 25,00 ml de aguas naturales que se diluyeron a 50,00 ml antes de llevar a cabo las medidas espectrofotométricas a 510 nm. Determinar la concentración (en ppm de Fe) de muestras que dieron los siguientes datos de absorbancia: a) 0,107, b) 0,721 y c)1,538. Rta.: a) 2,36 ppm; b) 18,08 ppm y c) 38,98 ppm

Problemas adicionales 1. Usar los datos de la tabla para calcular los valores que faltan. Siempre que sea necesario

suponer que el peso molecular del analito es 250.

A absorbancia

T % transmitancia

a (l/g ×cm) absortividad

ε (l/mol×cm) absortividad

molar

b (cm) camino óptico

M (mol/l) ppm (mg/l)

0.416 1.40 1.25×10-4 45.50 2.10 8.15×10-3 1.424 0.1370 0.996 19.60 5.42×103 2.5×10-4 3.46×103 2.50 3.33 1.241×103 0.125 7.77×10-4 48.30 0.25 6.72 76.30 0.0631 1.10 6.54 9.82×102 8.64×10-3 0.842 7.73×103 2.00 Rta.:

A absorbancia

T % transmitancia

a (l/g ×cm) absortividad

ε (l/mol×cm) absortividad

molar

b (cm) camino óptico

M (mol/l) ppm (mg/l)

38,37 9,508 2377 31,25 0,342 0,0799 19,98 2037,5 3,76 34,28 0,0417 10435 0,707 21,71 0,521 62,5 0,115 76,79 13,94 1,33×10-5 0,1205 75,76 4,96 194,25 0,316 188,09 46989 2,69×10-5 0,117 15,78 6,74×10-3 1685,6 1,184 3,94 0,139 14,38 30,92 7.73×103 5,45×10-5 13,62


Espectroscopía 152

2) Calcular la absorbancia que corresponde a cada valor de transmitancia porcentual: a) 36,8%, b) 22,0 %, c) 82,3 % y d) 4,2 % Rta.: a) 0,434; b) 0,657; c) 0,084 y d) 1,376

3) Calcular la T% que corresponde a cada uno de los siguientes valores de absorbancia: a) 0,800, b) 0,115, c) 0,585 y d) 0,057. Rta.: a) 15,84; b) 76,73; c) 26,00 y d) 4,20

4) Se hace una determinación espectrofotométrica de una sustancia en solución. Se realizan dos lecturas, la primera con una cubeta de 1 cm de espesor obteniéndose una transmitancia de 35 %; la segunda lectura se realiza usando una cubeta de 2 cm de espesor. Calcular la transmitancia porcentual (T%) de ésta última medida. Rta.: 12,25

5) ¿Cuál es la absorbancia de una solución 0,0500M si la cubeta de medida tiene 1 cm de camino óptico, el peso molecular del soluto es 130, la absortividad molar es de 1,60 l×mol-1cm-1 y la lectura se efectúa 280 nm? Rta.: 0,08

6) Calcular la concentración en moles por litro de una solución que tiene una absortividad molar de 1,39 l×mol-1×cm-1 a 533 nm y que leída en cubeta de 2,00 cm da una absorbancia de 0,167. Rta.: 0,0600 M

7) Una solución 0,00005 % m/v de un soluto de peso molecular 120, transmite 68 % de luz de 533 nm cuando se mide en una cubeta de 2,00 cm. Calcular la absortividad molar. Rta.: 20072 l mol-1cm-1

8) Para una determinada longitud de onda se obtiene una lectura de absorbancia de 0,160 para una solución 0,18 % m/v, usando una cubeta de 1,00 cm. Calcular la absortividad. Rta.: 0,088 l g-1 cm-1

9) Una solución de un compuesto de peso molecular 215, cuya concentración es 0,0010 M, se midió en una cubeta de 1,5 cm obteniéndose una lectura de 18,4 % T a 470 nm. Calcular la absortividad y la absortividad molar.Rta.: a)3,42 l g-1 cm-1 y b) 490 l mol-1 cm1

10) La absortividad molar de una sustancia es 6,22×103 l×mol-1×cm-1. En una cubeta de 1,05 cm de espesor se colocaron 3 ml de una solución que contenía 0,2 µmoles. Calcular la T% a 340 nm. Rta.: 36,67

Cuestionario 1. ¿Cuáles son las características de la radiación electromagnética? 2. Representar y definir los parámetros ondulatorios de la radiación electromagnética. 3. ¿Cómo están relacionados la energía y la longitud de onda? 4. ¿A qué se llama radiación monocromática? 5. La radiación ultravioleta es de mayor o menor energía que la infrarroja? 6. ¿Qué ocurre cuando una molécula absorbe radiación electromagnética? 7. Cuáles son los principales mecanismos de desactivación de una molécula? 8. ¿Qué ocurre con la potencia de la luz P0 cuando incide sobre un cuerpo o sobre una

solución absorbente? 9. Enuncie y explique la ley de Lambert-Beer 10. ¿Cuáles son las limitaciones de la ley de Lambert-Beer? 11. ¿A qué se denomina transmitancia (T) o transmisión de una solución? 12. ¿A qué se denomina absorbancia de una solución? 13. ¿Qué expresión matemática relaciona la transmitancia y la absorbancia? 14. ¿Qué entiende por absortividad (ε) y la absortividad molar (a)? 15. ¿A qué se llama espectro de absorción? 16. ¿Qué representa un espectro de absorción? 17. ¿Cómo están compuestos los instrumentos empleados en la espectrofotometría?


Espectroscopía 153

18. ¿Qué requisito debe cumplir la fuente de radiación? 19. ¿Qué selectores de longitudes de onda conoce? ¿Cuál usó en el trabajo práctico? 20. Represente el esquema de un monocromador. ¿Qué rol desempeñan las ranuras de entrada

y salida de un monocromador? 21. ¿Qué es un detector y qué un transductor? ¿Qué requisitos deben cumplir para ser

empleados en un espectrofotómetro? 22. ¿De qué material deben estar construidos los recipientes que contienen la muestra? 23. Dibuje el esquema óptico del espectrofotómetro empleado en el trabajo práctico 24. ¿Cómo debe proceder para obtener el espectro de absorción del permanganato de potasio? 25. ¿Cómo procedió en el trabajo práctico para verificar el cumplimiento de la ley de

Lambert-Beer? 26. ¿Qué criterio emplea para seleccionar la longitud de onda óptima para efectuar una

determinación espectrofotométrica? 27. ¿Cómo puede determinar experimentalmente la concentración de una solución por

espectrofotometría?


Espectroscopía 154

ESPECTROSCOPIA ATÓMICA Objetivos Comprender los fundamentos de la espectroscopia de emisión

atómica Entender los procesos que ocurren en la llama Aplicaciones en el campo agronómico y forestal

1. Introducción Mientras que la mayoría de las técnicas espectroscópicas se utilizan para el estudio y caracterización de moléculas o iones en su entorno cristalino, la espectroscopía de emisión y absorción atómica se usa casi exclusivamente para el análisis de átomos. Por consiguiente, la técnica resulta casi insuperable como método de análisis elemental de metales. En principio, la espectroscopía de emisión puede utilizarse para la identificación y para la determinación cuantitativa de todos los elementos de la tabla periódica. Cuando la transición se produce desde el estado fundamental hasta un estado excitado del átomo mediante la absorción de radiación de una determinada frecuencia (característica para cada átomo), estamos en el caso de las técnicas de absorción. En el caso en que los átomos se encuentren previamente a un estado excitado y se mida la intensidad de la radiación emitida a la frecuencia característica correspondiente a la transición desde el estado excitado al estado fundamental, hablamos de técnicas espectrofotométricas de emisión. El estudio espectroscópico de átomos o iones elementales como el Na0, K0, Fe+, Mg+, Al+, sólo puede hacerse en fase gaseosa. Por lo tanto, en la espectroscopia atómica las muestras se vaporizan a muy altas temperaturas y las concentraciones de los átomos se determinan midiendo ya sea la absorción o la emisión a las longitudes de onda características. Debido a su alta sensibilidad y la facilidad con las que muchas muestras pueden analizarse, la espectroscopia atómica ha llegado a ser una de las principales herramientas de la química analítica. Es común determinar cualitativa y cuantitativamente alrededor de 70 elementos. La sensibilidad es del orden de las partes por millón (ppm) a partes por billón (ppb). Son métodos rápidos, muy selectivos y el instrumental puede ser desde muy sencillo hasta muy complejo.

Pueden identificarse tres clases diferentes de procesos que permiten alcanzar el estado excitado del átomo o ion previo a la emisión

a) Emisión a partir de una excitación electromagnética. b) Emisión a partir de excitación térmica. c) Emisión a partir de excitación eléctrica.

)()(,

*

*

emisiónhXXexcitaciónXánicaelectromecotérmicaeléctricaenergíaX

ν+→

→+


Espectroscopía 155

Como sólo se verifican transiciones definidas entre los diferentes niveles atómicos, y cada una de estas transiciones les corresponde una energía característica (E = hν) y por lo tanto una longitud de onda específica y dado que algunas transiciones son más probables que otras, las intensidades de las líneas de emisión son diferentes. Cuanto mayor sea la energía suministrada por la fuente de excitación, más alto será el nivel electrónico al cual se exciten los electrones y menores serán las longitudes de onda de la luz emitida. Por consiguiente, al aumentar la

energía de la fuente de radiación, se observará un mayor número de líneas espectrales, especialmente a longitudes de onda cortas. En el diagrama se muestran las principales transiciones electrónicas correspondientes a los átomos de sodio y potasio, el número que aparece sobre la línea que une los distintos niveles electrónicos es la longitud de onda correspondiente a cada transición. El trazo más grueso corresponde a la transición más probable.

Recordemos Con estas técnicas no se analizan moléculas, pues la temperatura empleada para la

atomización las descompone La espectroscopia de atómica nos da información sobre la clase de átomos y la

concentración de los mismos independientemente de cómo estaban combinados 2. Clasificación de los métodos de la espectroscopia atómica Los métodos de espectroscopía atómica se clasifican según la forma en que se atomiza la muestra y según el fenómeno que se observe: absorción, emisión y fluorescencia. En la tabla están resaltados los métodos más empleados para resolver problemas agronómicos y forestales.

Clasificación de los métodos de espectroscopia atómica Método de

atomización Temperatura de atomización °C Base del método Nombre y abreviatura del método

Llama 1750 - 3150

Absorción Espectroscopía de absorción AAS

Emisión Espectroscopía de emisión atómica AES

Fluorescencia Espectroscopía de fluorescencia atómica AFS

Electrotérmico 1200 - 3000 Absorción Espectroscopía de absorción atómica electrotérmica

Fluorescencia Espectroscopía de fluorescencia atómica electrotérmica Plasma de argón

acoplado por inducción

6000 - 8000 Emisión Espectroscopía de plasma acoplado por inducción ICP

Plasma de argón corriente continua 6000 - 10000 Emisión

Espectroscopía de plasma de corriente continua DC

Chispa eléctrica o arco 40000 Emisión Espectroscopia de emisión de chispa


Espectroscopía 156

De todas estas técnicas centraremos nuestra discusión en la Espectroscopia de emisión atómica 3. Espectroscopia de emisión atómica o fotometría de emisión de llama La espectroscopia de emisión atómica es un método analítico basado en la medida de la energía radiante específicamente emitida por átomos o iones de un elemento que se encuentra en estado vapor. A temperatura ambiente, todos los átomos de una muestra se encuentran esencialmente en el estado fundamental. La excitación a orbitales de mayor energía se puede conseguir por el calor de una llama. En el caso del átomo de sodio, este se excita desde el estado fundamental 3s al estado excitado 3p. El tiempo de vida de un átomo en el estado excitado es breve y su vuelta al estado fundamental va acompañada de la emisión de un fotón de radiación. Para la transición del sodio del estado 3p al estado 3s, se emite un fotón del longuitud de onda 589 nm. La energía está en correspondencia con la diferencia de energía entre ambos estados. Si la emisión se produce por la transición desde el primer estado excitado al fundamental se obtienen las llamadas líneas de resonancia que son las más intensas y las que se utilizan generalmente en este método. La temperatura de trabajo en la fotometría de emisión de llama es baja en comparación con las otras técnicas señaladas en el cuadro anterior, por lo tanto sólo se producen líneas espectrales que corresponden a energías de excitación bajas. El espectro es simple y las líneas corresponden a la región del visible y ultravioleta cercano. Para muchos elementos la energía disponible por la llama es suficiente para excitar alguna de sus líneas características, esto le proporciona a la fotometría de llama una gran selectividad. 3.1 Aplicaciones La fotometría de llama, es muy útil en los análisis de rutina de los metales alcalinos, alcalino-térreos, que son los más fácilmente excitables y cuya determinación por otros métodos es por lo general complicada, por ejemplo la determinación de sodio en agua. La mayor dificultad que ofrece este método está originada por el gran número de variables que influyen en la intensidad de la radiación, exigiendo, por lo tanto, un control cuidadoso de las mismas para lograr una buena reproducibilidad y obligando al empleo de soluciones patrones del elemento a determinar, por lo cual no constituye un método de análisis absoluto. La correlación entre la intensidad de la señal y la concentración del elemento emisor en una solución permita la utilización de este fenómeno con fines cuantitativos. 3.2 Características de la llama La mayor fuente de incertidumbre en este método espectroscópico, lo constituyen las variaciones en el comportamiento de la llama, de modo que es importante conocer sus características y las variables que la afectan.

La llama debe cumplir ciertos requisitos: poseer la temperatura adecuada para llevar a cabo satisfactoriamente los procesos

ocurridos en su seno y que su temperatura se mantenga constante

Señalemisión = k × C


Espectroscopía 157

que su propio espectro no interfiera en la observación especifica que se desea medir.

3.2.1 Temperatura de la llama La llama se obtiene mediante la combinación de un combustible y un oxidante (o comburente) en el interior de un mechero. Según la mezcla utilizada se alcanzan diferentes temperaturas en la llama. En el cuadro siguiente se indican las temperaturas máximas que se alcanzan según las mezclas combustible - comburente empleadas:

Combustible Comburente Temperatura (°C) Gas natural aire 1700-1900 Gas natural oxígeno 2700 - 2800 Hidrógeno aire 2000 - 2050 Hidrógeno oxígeno 2550 - 2700 acetileno aire 2120 – 2400 acetileno oxígeno 3050 – 3150 acetileno oxígeno nitroso 2600 – 2800 cianógeno oxígeno más de 4500

La temperatura provista por la combustión del gas natural y aire es la más baja, pero es suficiente para excitar a los metales alcalinos y alcalino térreos. Para obtener los espectros de emisión de los metales pesados (Fe, Cu, Ni, etc,) se necesitan temperaturas entre 2500 a 3100 °C que se consiguen empleando oxígeno u óxido nitroso como oxidantes. Para una mezcla determinada, la temperatura también depende de la relación de caudales

entre combustible y comburente con que se alimenta la llama, alcanzándose su máximo valor cuando esa relación corresponde a la estequiometría de la combustión (experimentalmente puede observarse cuando se han formado correctamente los conos en el mechero). En la figura se muestra el perfil de temperatura de una llama. La máxima temperatura está localizada algo por encima del cono interior. Es importante que durante el análisis se enfoque siempre la misma zona de la llama sobre el sistema óptico de medida para no perder reproducibilidad. Los radicales presentes en la descomposición de los gases de la llama producen sus propios espectros de emisión, los cuales pueden superponerse al espectro de emisión del analito. Si esto ocurre, la concentración del analito será mayor que la real.

3.3 Equipamiento Los instrumentos que se emplean tienen partes comunes con los de las otras técnicas espectroscópicas: monocromadores, filtros, detectores, pero difieren en el recipiente que contiene la muestra que en esta técnica es la llama. Los componentes básicos de un espectrómetro de llama son:

a. Reguladores de presión de combustible y comburente: controlan la presión y el caudal de cada componente de la mezcla gaseosa


Espectroscopía 158

b. Sistema atomizador: lo constituyen el sistema nebulizador (donde se produce la pulverización) y el mechero

c. Sistema óptico: selecciona y aísla una porción del espectro, la que resultará más o menos ancha según el tipo de sistema utilizado (filtro o monocromador)

d. Sistema detector – medidor: es el dispositivo que transforma la radiación en energía eléctrica susceptible de medición en un galvanómetro adecuado

3.4 Procesos en la llama Los procesos que ocurren en la llama cuando se introduce la solución con el elemento motivo del análisis (analito) pueden describirse en varias etapas: 1. Introducción y pulverización 2. Evaporación del solvente, se evapora el agua u otros solventes dejando como residuo

pequeñas partículas de sal seca 3. Fusión y evaporación de la sal del analito (la sal pasa al estado gaseoso) 4. Disociación en vapor atómico (las moléculas gaseosas, o una parte de ellas, se disocian

progresivamente dando lugar a átomos neutros o radicales) Estos átomos neutros son las especies absorbentes

5. El vapor atómico puede seguir alguno de los siguientes procesos: a. excitación b. ionización y eventual excitación del ión c. asociación molecular y o formación de óxidos refractarios (esto reduce la población de

los átomos neutros en las llamas y constituye las llamadas interferencias químicas que se presentan en los métodos de análisis que utilizan llamas)

6. Emisión (en líneas o en bandas, según la especie responsable de la radiación) Tomando como ejemplo la determinación de sodio en agua, los procesos mencionados pueden representarse mediante las siguientes secuencias:

νhNaNaClNaNaClNaClNaClNaCl

E +→ →+→

→→→∗∆ )6()5(

2)4(

)3()2()1(

)vapor()vapor()vapor()sólido()nebulizado o rocío()acuoso(


Espectroscopía 159

3.4 Fuentes de error La calidad de una medida o lectura de la intensidad de emisión está determinada por su sensibilidad, especificidad, exactitud y precisión. Existen diversos factores que condicionan la calidad de la medida:

I- Instrumentales II- Interferencias

I-Factores instrumentales: son los que dependen de las características del instrumento y de los parámetros controlables tales como: el tipo de mechero, la forma y el tamaño de la llama, la presión del comburente y el combustible, etc... En la práctica se ajustan las variables operacionales de modo de obtener la máxima señal de una solución del analito y se mantienen constantes durante todo el proceso analítico. II-Interferencias: dependen de la composición de la solución y de la presencia de otras especies diferentes del analito. Constituyen un factor importante de error, pues ejercen gran influencia sobre la intensidad de la radiación registrada y puede causar aumento o depresión de la señal

a) Disminución de la señal por disminución del grado de disociación de la sal del analito. Para llevar a estado gaseoso al metal, es necesario que se descomponga la sal. Por consiguiente, los aniones presentes en la solución tienen un papel importante en la fotometría de llama. Las mayores intensidades se obtienen con cloruros y nitratos que son sales fáciles de disociar. Los fosfatos y sulfatos son menos adecuados, ya que son más difíciles de disociar. La adición de solventes orgánicos o agentes formadores de complejos frecuentemente reducen o eliminan las interferencias.

b) Aumento de la señal debido a la presencia de otro metal fácilmente ionizable como por ejemplo la interferencia mutua de alcalinos. Por ejemplo en la determinación de sodio en presencia de altas concentraciones de potasio, el K se ioniza más fácilmente que el sodio, por lo tanto aumenta la señal de sodio.

c) Aumento de la señal debido a la presencia de elementos que emiten a longitudes de onda muy cercanas a la del analito y el equipo empleado no puede separarlas, estas emisiones se suman a la emisión propia del analito. Por ejemplo, la presencia de calcio en la determinación de sodio.

Para evitar o corregir estas interferencias, se pueden efectuar alguna de las siguientes operaciones: Separar el analito de la matriz Construir curvas de calibrado con patrones sintéticos que reproduzcan la composición

de la muestra Aumentar la temperatura de la llama Agregar sustancias que formen con la especie causante de la interferencia un compuesto

que no emite a la longitud de onda del analito Utilizar otra longitud de onda de trabajo en la que emita el analito con suficiente

sensibilidad mientras que no lo haga la interferencia.


Espectroscopía 160

3.5 Determinación de la concentración

a- Método de la curva de calibración La concentración del analito se puede obtener con una curva de calibración. Dicha curva se establece con soluciones de concentración conocida (patrones). Las medidas de los patrones deben hacerse en las mismas condiciones instrumentales, incluyendo la presión del gas, la proporción de oxidante, etc. Con el solvente puro se ajusta el cero de la escala y con el patrón más concentrado se lleva a 100% de señal. Luego se registran las intensidades relativas de emisión de los patrones restantes y se grafican en función de la concentración del analito. b- Método de adición de patrón

En este procedimiento se añaden cantidades conocidas y crecientes de la sustancia a determinar a diferentes alícuotas de la solución problema. Se miden todas estas soluciones como así también la solución problema sin agregado de patrón. Se grafica la señal leída vs. la concentración agregada La concentración de la muestra problema se obtiene por extrapolación. Este método es muy útil cuando es difícil preparar patrones con la misma composición de la muestra problema

seña

l de

sodi

o

concentración de sodio


Espectroscopía 161

ACTIVIDADES DE LABORATORIO Determinación del contenido de sodio en una muestra de agua El sodio es uno de los seis elementos en orden de abundancia en la naturaleza y está presente en las aguas naturales. El nivel puede variar entre 1ppm a 500ppm. Las concentraciones relativamente altas de sodio se encuentran en aguas salobres. La determinación de la relación de sodio al contenido de cationes totales es importante en la agricultura. Los suelos permeables pueden dañarse por una alta relación de sodio. Trazas de sodio pueden ser determinadas empleando fotometría de llama a una longitud de onda de 589 nm. La intensidad de la luz emitida a esa longitud de onda es proporcional a la concentración de sodio Las interferencias posibles:

1- grandes cantidades de sulfatos, bicarbonatos 2- potasio si se encuentra en una relación potasio/sodio > 5:1 3- calcio si se encuentra en una relación calcio/sodio > 10:1

Importante: todas las soluciones empleadas en el análisis, deben guardarse en frasco de plástico. Utilizar agua destilada o bidestilada libre de sodio para preparar todas las soluciones, incluidas las soluciones patrón. Procedimiento: 1- Preparar 500,00 ml de una solución madre de NaCl de 100,00 ppm en Na. 2- Patrones para la curva de calibración de Na Se utilizarán patrones de 2,00; 4,00; 8,00 y 10,00 ppm de Na+. Las mismas se prepararán tomando el volumen correspondiente de la solución madre anterior y llevándolo a 100,00 ml. 3- Medida:

a) encender el equipo b) Colocar el filtro para sodio c) Abrir el paso de gas d) encender la llama e) abrir el paso de aire f) regula el caudal de aire y gas hasta observar los conos azules en el mechero g) con agua bidestilada ajustar el cero h) con la solución patrón más concentrada llevar la señal a 100% i) registrar la lectura de las soluciones patrón. Antes de cada solución colocar

agua bidestilada en el capilar para limpiar todo el conducto. 4- Determinación de sodio en una muestra de agua Tomar una alícuota de 10,00 ml de la muestra de agua y diluir a 250,00 ml con agua bidestilada, leer su señal y determinar la concentración de sodio. 5- Gráfico de la curva de calibración: a partir de las señales obtenidas con cada una de las

soluciones patrón de sodio construir la gráfica señal (eje Y) vs. concentración de sodio en ppm (eje X), el gráfico debe dar una recta. A partir del gráfico y del valor de la señal de la muestra desconocida encontrar la concentración de sodio en la muestra.

Aplicaciones de esta técnica en el campo agronómico Determinación del contenido de sodio, potasio y calcio en aguas, suelo, análisis foliar y alimentos.


Espectroscopía 162

Cuestionario y problemas 1. ¿En qué se basa la espectroscopia de emisión atómica? 2. Indicar las diferencias entre la espectroscopia atómica de emisión y la espectroscopia de

absorción. 3. ¿Qué procesos ocurren en la llama cuando se introduce la solución con el analito? 4. ¿Qué tipo de átomos pueden analizarse por fotometría de llama? ¿Por qué? 5. ¿Cuáles son los componentes instrumentales comunes a las técnicas de espectroscopia de

absorción y fotometría de llama? 6. ¿Qué características debe tener la llama? 7. ¿Cuáles son las posibles fuentes de error en la fotometría de llama? 8. ¿Qué métodos puede emplear para determinar la concentración del analito por fotometría

de llama? 9. Una serie de soluciones patrón de K se midieron en un fotómetro de llama. Las lecturas

obtenidas a 404,3 nm fueron las siguientes:

µg/ml de K 0,00 5,00 10,00 20,00 30,00

Lectura de emisión 0,00 12,4 24,3 48,6 71,2

Determinar la concentración de K en una muestra si la lectura de emisión fue de 41,7. Rta.: 17,37 µg/ml

10. Se determinó el contenido de sodio en agua de río por espectroscopia de emisión de llama. Se prepararon una serie de soluciones patrón cuyas lecturas de emisión fueron las siguientes:

µg/ml de Na 0,0 0,20 0,40 0,60 0,80

Lectura de emisión 0,0 21,5 40,9 57,7 77,3

a) representar los datos b) 25,00 ml de la muestra de agua de río se diluyó con agua bidestilada hasta un volumen

final de 100,00 ml. La lectura obtenida fue de 41,2. Calcular la concentración de sodio en la muestra. Rta.: 1,64


Espectroscopía 163

OTROS MÉTODOS ESPECTROFOTOMÉTRICOS DE EMISIÓN: FLUORESCENCIA, FOSFORESCENCIA Y QUIMIOLUMINISCENCIA 1. Introdución

La fluorescencia, fosforescencia y quimioluminiscencia molecular son tres métodos espectroscópicos relacionados entre sí. En todos ellos, las moléculas del analito son excitadas dando una especie cuyo espectro de emisión suministra información tanto para el análisis cualitativo y como cuantitativo. Estos métodos se conocen como luminiscentes. La fluorescencia y fosforescencia se parecen entre sí, ya que la excitación tiene lugar por absorción de fotones. En consecuencia, los dos fenómenos a menudo se conocen por el término más general de fotoluminiscencia. El tercer tipo de luminiscencia, la quimioluminiscencia, se basa en el espectro de emisión de una especie excitada que se ha formado en el curso de una reacción química. En algunos casos, las partículas excitadas son producto de una reacción entre el analito y un reactivo adecuado (generalmente un oxidante fuerte como el ozono O3 o el peróxido de hidrógeno H2O2) el resultado es un espectro característico de un producto de oxidación del analito más que el propio analito. En otros casos, el analito no interviene directamente en la reacción de quimiolumniscencia y es el efecto de inhibición del analito lo que sirve como parámetro analítico. De todos los métodos luminiscentes, es la fluorescencia el más empleado en los análisis químicos cuantitativos. La fluorescencia es un proceso de emisión en el cual las moléculas son excitadas por la absorción de radiación electromagnética, las especies excitadas se relajan al estado fundamental, liberando su exceso de energía en forma de fotones. Una de las características m�

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