INTRODUCCIÓN:

La interacción entre las ondas electromagnéticas y la materia de la región UV-visible

es el campo de estudio de la espectroscopia UV-visibles o espectrofotometría. Esta

basada en la relación que presenta un haz de luz incidente en la muestra y el haz de

luz que pasa por la solución.

Su estudio se basa en que la cantidad de luz absorbida por la materia presente en la

solución es característica del compuesto. La respuesta de dicho componente es

función de las características del haz de luz incidente en la muestra, lo que permite

determinar la respuesta en función de la calidad del haz proporcionado. Dicho conjunto

de respuesta en el rango de longitud de onda de la gama UV-visible se denomina

espectro de absorción; dicha respuesta es característica de cada compuesto.

OBJETIVO:

Determinar el aspecto que presenta el espectro de absorción de un colorante.

Comparar el aspecto de un colorante y el de una sal colorida.

Familiarizarse con la utilización y manejo de un espectrómetro UV- visible.

ANTECEDENTES

Espectro de absorción

La espectroscopia de absorción es la medida de la cantidad de luz absorbida por un

compuesto en función de la longitud de onda de la luz. En general, e irradia una

muestra con una fuente de luz y se mide la cantidad de luz transmitida a varias

longitudes de onda, utilizando un detector y registrando el fenómeno en un gráfico. Al

contrario que en los ensayos químicos, la mayoría de las técnicas espectroscópicas no

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son destructivas, es decir, no destruyen las muestras durante el análisis; se pueden

realizar diferentes tipos de espectros sin pérdida o perdiendo muy poco de muestra.

Cuando un sólido incandescente se halla rodeado por un gas más frío, el espectro

resultante presenta un fondo continuo interrumpido por espacios oscuros denominados

«líneas de absorción» que ocurren porque el gas ha absorbido de la luz aquellos

colores que éste irradia por sí mismo. Pero también se da el caso que en la naturaleza

cohabitan cuerpos que absorben radiación emitida por otros, eliminando del espectro

de radiación que reciben aquellas bandas absorbidas, las cuales quedan de color

negro. A esas bandas, se les suele llamar «rayas negras» o simplemente «rayas»

espectrales.

Por otra parte, suele ocurrir que unos cuerpo absorben sólo la radiación de unas

determinadas longitudes de onda y no aceptan absorber otras de otras longitudes, por

lo que cada cuerpo, cada elemento químico en la práctica, tiene su propio espectro de

absorción, el cual se corresponde con su espectro de emisión, al igual como si fuera el

negativo con el positivo de una película.

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Un liviano, transparente y caliente gas en frente de una fuente productora de

radiaciones espectrales, especialmente de características continuas, genera un

espectro de absorción, el cual se distingue por una serie de líneas espectrales oscuras

entre los colores brillantes del espectro continuo. En el gráfico de la figura se grafica la

intensidad lumínica versus la longitud de onda (visuales) contrastada con las líneas

espectrales sustraídas del resto de la luz.

En el caso de una estrella, cuando la luz del caliente y energético interior de ella

atraviesa la más fría y menos energética atmósfera exterior, alguno de los fotones son

absorbidos por electrones, que saltan a niveles concretos de energía. Muchas de tales

interacciones crean bandas oscuras en el espectro continuo con longitudes de onda

que corresponden con los intervalos entre pares de niveles energéticos.

Espectro electromagnético

Es el intervalo de todas las frecuencias posibles, desde cero hasta el infinito. En la

práctica, en el espectro se representan desde loas bajas frecuencias de radio

utilizadas en las comunicaciones con submarinos hasta las altas frecuencias de los

rayos gamma. El espectro electromagnético es continuo.

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Todas las radiaciones electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz

(aproximadamente 3 x 1010cm/s, en el vacío), pero difieren en la frecuencia y en la

longitud de onda.

Onda electromagnética

Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación

electromagnética a través del espacio. En la naturaleza, las fuerzas eléctricas se

originan de dos formas: Primero está la atracción o la repulsión eléctricas entre las

cargas eléctricas (+) y (-).

Las ondas electromagnéticas siguen una trayectoria rectilínea y su velocidad es

constante en cada medio específico. Al pasar de un medio a otro la única

característica que permanece constante es la frecuencia. La velocidad varía para cada

longitud de onda. La frecuencia y la longitud de onda se relacionan según la siguiente

expresión matemática: Longitud de onda = C x T = C / f

Donde es la longitud de onda, C es la velocidad de la luz en el vacío, T el periodo y "f"

la frecuencia.

La frecuencia de una onda es el número de ondas que pasan por un punto fijo cada

segundo o el número de vibraciones por unidad de tiempo; se representa por la letra

griega (>un<), y generalmente se mide en hertzios (Hz) o ciclos por segundo. La

longitud de onda, representada por la letra griega (>lambda<), es la distancia entre

dos picos (o dos valles) de una onda. La longitud de onda es una distancia y por lo

tanto su unidad de medida es el metro. Como la luz es una radiación electromagnética

que tiene unas longitudes de onda muy pequeñas se usan submúltiplos del metro,

como son el Ángstrom (Å) que es la diezmilmillonésima de metro (1x10 -8m) y el

Nanómetro (nm) que es la milmillonésima de metro (1x10-9m).

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La longitud de onda y la frecuencia, las cuales son inversamente proporcionales, están

relacionadas por la ecuación:

o

c = velocidad de la luz (3x1010 cm/s)

Donde: = frecuencia de hertzios

= longitud de onda en cm.

Las ondas electromagnéticas viajan como los fotones, corpúsculos de energía

carentes de masa. La energía de un fotón es proporcional a su frecuencia e

inversamente proporcional a su longitud de onda. Un fotón de frecuencia tiene una

energía dada por:

Donde h es la constante de Planck: 1.58x10-37 Kcal. /s o 6.62x10-37

kJ/s.

En ciertas condiciones, una molécula puede absorber la energía de un fotón que ha

chocado sobre ella. En este caso, la energía de la molécula aumenta una cantidad

igual a la energía del fotón hv. Por esta razón, la irradiación de una mezcla de reacción

se suele representar por el símbolo hv.

Los rayos X son tan energéticos que excitan a los electrones hacia todos los niveles

de energía, produciendo ionización. El ultravioleta-visible excita a los electrones a

niveles de energía más altos dentro de las moléculas. Las energías de infrarrojo

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producen vibraciones moleculares y las energías de microondas producen rotaciones.

Las frecuencias de onda de radio (energía muy baja) producen transiciones de espín

nuclear que se observan en la espectroscopia RMN.

Otras ondas electromagnéticas:

La naturaleza de onda de la luz origina que los diferentes colores se reflejen de forma

diferente por una superficie, generando finas rayas paralelas [a esto se debe el que un

disco compacto láser (para uso musical o para ordenador) brille en todos los colores

del arco iris]. Las filas ordenadas de los átomos en un cristal también forman líneas

paralelas pero mucho menos espaciadas y resultan tener el mismo efecto sobre los

rayos X, mostrando que los rayos X, al igual que la luz, también son ondas

electromagnéticas, pero con una longitud de onda mucho más corta.

Se encontró posteriormente que los haces de electrones en un campo magnético,

dentro de un tubo de vacío, podían hacerse inestables y emitir ondas más largas que

la luz: el tubo magnetrón donde ocurría esto fue un dispositivo de radar de alto secreto

durante la II Guerra Mundial e hizo posible posteriormente la fabricación del horno

microondas.

Las ondas electromagnéticas lideran la radio y la televisión y la enorme industria

electrónica. Pero también se generan en el espacio (por rayos de electrones inestables

en la magnetosfera, así como en el Sol y en el universo remoto, informándonos sobre

las partículas magnéticas del distante espacio).

Las ondas, o 'disturbios', se dan en un medio invisible llamado el campo de fuerza

eléctrico (que utiliza partículas cargadas, como los electrones (-) y los protones (+) que

se afectan y hacen mover entre sí); sin estas partículas cargadas no puede haber

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campos de fuerza eléctrica y por tanto no hay ondas electromagnéticas. Por lo tanto,

los campos magnéticos podrían producir corrientes eléctricas y las corrientes

eléctricas producen campos magnéticos.

Espectrofotómetro

Un espectrofotómetro es un instrumento usado en la física óptica que sirve para medir,

en función de la longitud de onda, la relación entre valores de una misma magnitud

fotométrica relativos a dos haces de radiaciones. También es utilizado en los

laboratorios de química para la cuantificación de sustancias y microorganismos. Hay

varios tipos de espectrofotómetros, puede ser de absorción atómica o

espectrofotómetro de masa.

Región UV-visible:

La espectroscopia visible es una de las técnicas más ampliamente y más

frecuentemente empleadas en el análisis químico; Para que una sustancia sea activa

en el visible debe ser colorida: el que una sustancia tenga color, es debido a que

absorbe ciertas frecuencias o longitudes de onda del espectro visible y transmite otras

más. Por ejemplo: una solución es amarilla debido a que dentro de la región visible

absorbe radiación en el rango de 435 a 480 nm. En este rango de longitud de onda se

encuentra el color azul del visible, por lo que este compuesto absorbe el color azul y

transmite los colores complementarios que dan origen al color amarillo de la solución

mencionada.

La absorción y transmisión de las longitudes de onda de la región visible de esta parte

del espectro no es la misma en substancias que den diferentes tonalidades de

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amarillo, por lo que podemos tener una gama diferente de tonalidades como: amarillo

canario, amarillo limón, amarillo pálido, etc.

La siguiente tabla nos da una relación entre rango de longitudes de onda en que

absorbe el compuesto, color absorbido y color observado o transmitido.

El Ultravioleta del vacío se considera aquella región

comprendida de los 100 a los 190 nm. Se le llama así

debido a que el nitrógeno atmosférico absorbe este tipo

de radiación, por lo que se debe efectuar el vacío para

poder excluir las absorbancias de este gas de las

absorbancias del compuesto en estudio.

Las complicaciones técnicas asociadas al vacío

necesario, además de la poca utilidad que se tiene en el

Ultravioleta del vacío, han hecho que esta técnica

prácticamente no tenga uso y de hecho no hay equipos

disponibles comercialmente para aplicaciones de este tipo de espectroscopia. El

espectro Visible y Ultravioleta, por el contrario, tienen amplia aplicación y son técnicas

que se emplean continuamente. El rango visible se considera de los 380 a los 750 nm.

El rango del Ultravioleta cercano o del Cuarzo es de 190 a 380 nm.

La base de la espectroscopia Visible y Ultravioleta consiste en medir la intensidad del

color (o de la radiación absorbida en UV) a una longitud de onda específica

comparándola con otras soluciones de concentración conocida (soluciones estándar)

que contengan la misma especie absorbente. Para tener esta relación se emplea la

Ley de Beer, que establece que para una misma especie absorbente en una celda de

espesor constante, la absorbancia es directamente proporcional a la concentración.

Espectro visible en nm

Violeta 400-450

Azul 450-480

Verde-azul 480-490

Azul-verde 490-500

verde 500-560

Verde-amarillo 560-575

Amarillo 575-590

Naranja 590-625

rojo 625-750

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La coloración de la solución se debe a la especie absorbente y esta coloración puede

ser natural o inducida. La coloración natural puede ser la base de la cuantificación de

una especie, como por ejemplo: la clorofila en ciertas plantas, los complejos metálicos

que se encuentran presentes en solución acuosa, como son los iones de Cobre (II),

Manganeso (VII), Cobalto (III), etc.

Más frecuentemente, se induce a la formación de un complejo colorido que absorba en

el visible, y que sea específico para el elemento o compuesto que se desea cuantificar

colorimétricamente. Ejemplo: la formación de un complejo colorido cuando el cloro

libre reacciona con la ortotoluidina, o la cuantificación de glucosa en la sangre y orina

por la acción del molibdato en determinadas condiciones, o la intensificación del color

del ion cobre, al formar un complejo amoniaco-cobre, el cual se forma cuando a una

solución acuosa que contiene iones cobre se le agrega hidróxido de amonio.

Para esto se requiere de un control de ciertas condiciones, que inhiben o favorecen la

formación de compuestos coloridos:

pH : El pH es un factor determinante en la formación de ciertos complejos o

compuestos coloridos. Cuando el pH influye en la técnica analítica, se requiere de

un control adecuado de este valor para lo cual se agrega alguna solución buffer, o

estabilizador de pH.

Temperatura : La temperatura es factor importante, sobre todo en reacciones en

las cuales el factor cinético es la base del análisis.

Tiempo : En ciertas reacciones, se requiere de un tiempo determinado para que se

tenga una lectura estable de absorbancia de la solución producida.

Es también factible que los complejos o compuestos formados sean lábiles, estos es

que después de un cierto tiempo se descompongan a otros productos diferentes, por

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lo que el tiempo indicado al que debe hacerse la lectura debe establecerse con base a

la experiencia y los resultados que se tengan.

Las técnicas analíticas UV-Visible han recibido gran aceptación debido, entre otras a

las siguientes razones:

1. Amplio campo de aplicación: Como ya se ha mencionado, las técnicas

espectroscópicas UV-Vis., son ampliamente empleadas ya que son muchas las

especies que son activas en el Visible, y muchas más las que con un tratamiento

adecuado son capaces de formar especies coloridas. Lo mismo puede decirse de la

espectroscopia UV.

2. Selectividad adecuada : Aunque no es muy común si es posible tener

interferencias en UV-Visible. Cuando esto ocurre, es posible emplear los métodos para

análisis de multicomponentes. Otra alternativa es aislar el analito de la interferencia, o

separa la interferencia misma.

3. Buena Exactitud y Precisión : En estas técnicas espectroscópicas es normal tener

errores relativos del 1 al 3 %, por lo cual se puede considerar que se tendrán

resultados analíticos con un mínimo de incertidumbre si se procede en la forma

correcta.

4. Facilidad y Conveniencia: Aunque existen instrumentos altamente sofisticados

acoplados a computadoras y con sistemas ópticos y electrónicos de alta precisión, es

posible obtener resultados muy aceptables para análisis de rutina, con instrumentos o

espectrofotómetros de los más sencillos en el mercado, a un costo muy accesible.

En 1852, August Beer estudió la influencia de la concentración de soluciones coloridas

sobre la transmisión de luz. La conclusión a la que llegó fue que el valor de a' para una

determinada sustancia es proporcional a su concentración, es decir:

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Donde, c es la concentración y ´ la absortividad (constante independiente de la

concentración).

La ley de Beer es análoga a la ley de Bouguer - Lambert. Mientras que Bouguer y

Lambert estudiaron la variación en la absorción de un haz de luz, en función de la

variación de la espesura de la camada absorbente, Beer hizo el mismo estudio en lo

que se refiere a la concentración de la solución, manteniendo la espesura constante.

En ambos casos, el resultado es el mismo pues, ya que al variar la concentración, o

variar la espesura de la solución a ser atravesada por la luz, esencialmente

aumentamos o disminuimos el número de partículas que interaccionan con la

radiación.

Para realizarse un análisis espectrofotométrico es también necesario conocer el

espectro de absorción de la muestra que se quiere determinar. Esto es hecho para

definirse cual es la longitud de onda de la radiación incidente, que causará la

absorción máxima de la especie a ser determinada y así obtener la mejor sensibilidad

en su cuantificación. El espectro de absorción es obtenido variando la longitud de onda

de la radiación que incide sobre la muestra y mediéndose la cantidad de radiación

absorbida en un espectrofotómetro.

Una otra característica particular de la ley de Beer es la sumatoria de las

absorbancias. En muchos casos, es posible determinar simultáneamente dos o más

especies diferentes presentes en una muestra, utilizándose esta misma ley.

Teóricamente, esto puede ser realizado desde que no ocurra ninguna interacción entre

las especies y que el espectro de absorción observado por la mezcla sea la suma de

los espectros individuales que serian obtenidos en el caso de que sólo una de las

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especies estuviese presente en la solución y bajo las mismas condiciones

experimentales. En la práctica, estas condiciones ideales no ocurren, pero sin

embargo es posible la determinación de especies químicas en una mezcla. En este

caso, para cada longitud de onda, la absorbancia total debida a las especies presentes

en la solución puede ser expresada como la suma de las absorbancias de cada una de

ellas,

Para el caso particular de dos sustancias,

en disoluciones ácidas y color azul en disoluciones básicas.

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CONCLUSIONES

Por medio de esta práctica se logró familiarizarse y aprender el uso correcto y manejo

del espectrofotómetro de absorción UV-visible por medio de sustancias que presentan

color y que por medio de la espectrofotometría se puede observar su región de

absorbancia en determinada longitud de onda que nosotros podemos manejar de

acuerdo a nuestras necesidades, así como lograr determinar en que región se

encuentra determinado compuesto si es que este es desconocido, ayudándonos

también al graficarlo para facilitar la determinación del mismo.

En esta práctica aprendimos a utilizar el espectrofotómetro que nos sirvió para medir,

en función de la longitud de onda, la relación entre valores de una misma magnitud

fotométrica relativos a dos haces de radiaciones. También se puede utilizar para la

cuantificación de sustancias, que fue lo que nosotros realizamos con

espectrofotómetro de absorbancia básicamente obtuvimos mejorar la resolución de los

espectros obtener mayor sensibilidad. Estuvo interesante la práctica por que fue la

primera vez que pudimos utilizar el espectrofotómetro de absorbancia y así poderlo

ocupar con mucho más facilidad.

Se pudo realizar exitosamente el experimento ya que al colocar muestra nuestra

muestra se obtuvo la medida de la cantidad de luz de absorción del compuesto, para

la obtención de su longitud de onda.

BIBLIOGRAFÍA

13

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