Métodos Espectrofotométricos

1

Capítulos 24 y 25 de Fundamentos de Química Analítica

Skoog-West-Holler-Crouch (octava Ed.)

Radiación electromagnética

foton

cE h h

82.997 10 /c m s

1

2

Fotón: Cuanto de energía electromagnética

Numero de onda

: Frecuencia en s-1 Hertz Longitud de onda

cm-1

h = constante de Planck (6.626 x 10-34 J-s)

Cuanto menor sea , tanto mayor sera la energía portada por la onda

Regiones Espectrales

Electrónicos

Nucleares Vibracionales Magnetismo, spin nuclear

Rotacionales

Fenómenos

3

1(cm )

(m)

( )HzFrecuencia

Numero

de Onda

Longitud

de Onda

“Espectroscopía Óptica”

Rayos -X

Infrarrojo

Microondas

Ultravioleta Radio

frecuencias

Rayos Gama

Energía

Interacción Radiación

electromagnética-Materia

Refracción

Reflexión

Dispersión elástica

Difracción

Polarización

Absorción

Emisión

Dispersion Raman

Transiciones entre los estados

cuánticos permitidos del material

(analito) . Se intercambia energía

Cambio en la dirección de

propagación, polarización

Fenómenos de interferencia

4

Clasificación de Métodos

Ópticos

Espectroscópicos

Difracción

Refracción (mide concentración vía índice de refracción)

Polarización polarimetría (rotación de la polarización de la luz)

Dispersión elástica Turbidimetría

Nefelometría

No espectroscópicos

Concentración y tamaño

de partículas

Absorción

Emisión

Dispersión Raman

entre niveles de energia electronicos

E=EElectronica+EVibracional+ERotacional

transiciones entre niveles

vibracionales

La sustancia

de interés

experimenta

transiciones de

estados

cuánticos 5

6

Teoría Cuántica:

Átomos iones o moléculas…

Solo existen en estados de energías discretas E0, E1, E2…

Cuando absorben o emiten radiación electromagnética,

efectúan una transición de un estado de energía a otro

únicamente si se cumple:

1 0 01

01

cE E h h

Estados

excitados

Estado

fundamental

Especies atómicas: debida al movimiento de electrones relativo al núcleo:

Especies moleculares: Estados cuantizados electrónicos vibracionales y rotacionales:

Energía

elE E

el vib RotE E E E Movimiento electrónico

Movimiento relativo de átomos

Rotación molecular

Interacción radiación

electromagnética-Materia

“resonancia”

Probabilidad de la transición

Condición de resonancia

. .i

i

M e r e Z r

Momento dipolar

2

,0 m, ' 0n m n vM

7

( )=( )

absS

p

“Dipolo-permitida”

=0 “dipolo prohibida”

Teniendo en cuenta

las funciones de onda

de los estados inicial

(n) y final (m) se

evalúa el momento de

la transición que

determina la

probabilidad de l a

transición n->m

Esta sección eficaz es proporcional al

cuadrado del “momento de la transición”

enlazante

Ejemplo transiciones en la molécula de formaldehído

En el espectro UV-visible

del formaldehido solo se detectan

las transiciones n-p* y p-p*

las transiciones -p*

no son permitidas

(tienen baja probabilidad)

Las transiciones ocurren sin

cambio de spin. De lo contrario

tienen baja probabilidad.

Transiciones, subniveles y espectros…

La transición

electrónica ocurre

junto con un conjunto

de transiciones

vibracionales (y

rotacionales) en un

rango de longitudes de

onda

Espectro: probabilidad de

transiciones

versus longitud de onda

(frecuencia, E, etc.)

10

Rad.

Incidente

P0

Muestra

P

Rad.

Transmitida Absorcion

02 02

02

cE h h

01 01

01

cE h h

Absorción

0201

El espectro de absorción puede constar de líneas

bandas o presentar un continuo

A una longitud de onda determinada A es proporcional

a la concentración de las especies que absorben

radiación electromagnética

0

A log logP

TP

01 01A( ) ( )bC Beer-Lambert

0

PT

P

Espectro de absorción

( )=( )

absS

p

AvdN CN Sdx

incidente abs AvdP P p dN P C N S xS

d

Integrando y cambiando a log10

0 AvA log2.303tr

P N Cb

P

Av

2.303

N

Colectando factores

Absorción: Ley de Beer-Lambert

A una dada longitud de onda la

potencia absorbida esta dada por:

A bCBeer-Lambert

Función lineal de la concentración 11

0P trP

número de moléculas en

volumen iluminado:

Limitaciones instrumentales de la ley de Beer

Eefecto de la luz espúrea Ps

0

0 0

0 0 0 0

0

0

0 0

log log log log 1

1

log log 1

s

s s s

s s

s s

PPP

P PP P P PPA

P P P P PPP

P

P PT

P P

0

0

s

s

PT

P

PT

P

No afecta

Afecta

1 2

( 1) ( 2)

0 0

( 1) ( 2)

( 1) ( 2)

0 0

( 1) ( 2)

0 0

log

log10 10

observada

bC bC

P PA

P P

P P

P P

El rango de aplicabilidad de la ley de Lambert-Beer

Depende del instrumento de medición

En el extremo de baja absorbancia el error es similar para ambos equipos

El el extremo de alta absorbancia se consigue mantener linealidad

con detectores mas sensibles y minimizando la luz dispersa (Cary118)

Fuentes de Luz

Filamento calentado por pasaje de una corriente

(efecto Joule) Emision de Luz visible (cuerpo negro)

Lámpara de deuterio (Luz ultravioleta)

Emisión de un continuo por disociación de

moléculas de deuterio excitado

eléctricamente (impacto iónico)

2

*

2

*

2 '

(

Exc

Em

Em Ex

Emision

c c

H h

H H

hc hc

E

H

H h

E E

( ) ( '))

0 0

inetica cinetica

cinetica Exc Em Exc

H E H

E E E E

Espectro continuo

distribucion de Planck

Otras fuentes de radiación electromagnética

(Ultra Violeta-Visible-Infrarrojo cercano )

Simple Haz

Simple

Suceptible a fluctuacion de la

intensidad de la lampara

Suceptible a la reproducibilidad

De posicionamiento de la cuveta

Doble Haz CONTINUO

Corrige las fluctuaciones de la fuente

El haz que pasa por la muestra no es

identico al que psa por el blanco

Requiere cuvetas identicas

Doble Haz ALTERNADO

Corrige las fluctuaciones de la fuente

El mismo haz de luz se dirige

Intermitentemente al blanco o a la muestra

Configuracion interna de espectrofotometros UV-Visible

Doble Haz ALTERNADO (Varian Cary 3E)

Configuracion interna de espectrofotometros UV-Visible

La muestra se ilumina con el espectro

completo y la luz transmitida pasa

por una red de diffraccion

La deteccion se efectua en un

areglo lineal de detectores

Verision del laboratorio:

1- entrada

2-Ranura

3-Filtro

4espejo concavo

5-red de difraccion

6-espejo

7-Arreglo lineal (CCD)

Hewllet Packard

HP8452

HP8453

Ocean Optics, BW Tek, Avantes

Instrumentos de barrido espectral: Monocromadores

Red de diffracion

sin

sin

(sin sin )

interferencia

constructiva

n CB BD

CB d i

CB d r

n d i r

Detectores

Fototubo: Emision fotoelectrica

de electrones Fotomultiplicador:

1) Deteccion: Emision fotoelectrica de electrones

2) Amplificacion: Emision secundaria por impacto

Una serie de diferencias de potencial

acelera los electrones antes de que

estos colisionen en el electrodo

siguiente

Fotodiodo CCD

Charge Coupled Device

Detectores

Respuesta de los detectores

Ventanas y solventes: