FOTOQUÍMICA

Desde hace muchos años se ha usado el color como ayuda para reconocer las sustancias

químicas; al reemplazar el ojo humano por otros detectores de radiación se puede estudiar la

absorción de sustancias, no solamente en la zona del espectro visible, sino también en

ultravioleta e infrarrojo.

Se denomina espectrofotometría a la medición de la cantidad de energía radiante que absorbe

un sistema químico en función de la longitud de onda de la radiación, y a las mediciones a

una determinada longitud de onda.

La teoría ondulatoria de la luz propone la idea de que un haz de luz es un flujo de cuantos de

energía llamados fotones; la luz de una cierta longitud de onda está asociada con los fotones,

cada uno de los cuales posee una cantidad definida de energía.

La espectroscopia se relaciona en la mayoría de los casos a la tercera interacción. Estudia en

qué frecuencia o longitud de onda una sustancia puede absorber o emitir energía en forma de

un cuanto de luz.

La luz visible es físicamente idéntica a todas las radiaciones electromagnéticas. Es visible

para nosotros porque nuestros ojos detectan esta estrecha banda de radiación del espectro

electromagnético completo. Esta banda es la radiación dominante que emite el Sol.

Las ondas electromagnéticas suelen clasificarse en diferentes grupos, según sea su frecuencia,

aunque esta clasificación no permite establecer unos límites precisos para cada grupo, al

existir fuentes que generan simultáneamente o.e.m. de frecuencias muy diferentes. Se

denomina espectro electromagnético al conjunto de todos los tipos de o.e.m.

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.

Las radiaciones electromagnéticas se caracterizan por la existencia en cada punto del espacio

en que se transmiten de un campo eléctrico y un campo magnético relacionados entre sí. Las

ondas electromagnéticas presentan una variación periódica que se propaga en el vacío a una

velocidad de 300.000 km/seg.

El espectro electromagnético es amplio, sin embargo, un fotoquímico se encontrará

trabajando con algunas regiones clave. Algunas de las secciones más ampliamente usadas del

espectro electromagnético incluyen:

Luz Visible: 400-700 nm

Ultravioleta: 100-400 nm

Infrarrojo cercano: 700-1000 nm

Infrarrojo lejano: 15-1000 µm

TEORIA DE LA ABSORCION MOLECULAR

Todos los átomos o moléculas poseen un número discreto de niveles de energía. A

temperatura ambiente la mayoría de las especies se encuentran en su nivel energético más

bajo denominado estado fundamental. Cuando una onda electromagnética interacciona con

un átomo o molécula, la energía de dicha onda puede resultar absorbida si coincide

exactamente con la energía necesaria para llevar a la especie química en cuestión desde el

estado fundamental hasta alguno de los niveles energéticos superiores. En este caso la energía

de la onda se transfiere a la molécula promoviéndola a un estado de energía más elevado o

estado excitado.

Después de un periodo de tiempo muy breve (unos pocos nanosegundos) la especie excitada

se relaja a su estado original devolviendo energía al medio que le rodea.

INTRUMENTOS ÓPTICOS EN MEDIDAS DE ABSORBANCIA

La Figura muestra los componentes básicos de un espectrofotómetro de absorción. Es decir,

de un instrumento diseñado para cuantificar la absorción de radiación ultravioleta o visible

por sustancias químicas. Dichos componentes básicos son:

● La fuente de luz que emite la radiación que posteriormente interactúa con la muestra.

● Un sistema monocromador que permita separar bandas de luz estrechas, ya sea antes o

después de la interacción de la luz con la muestra. El monocromador está constituido por

lentes, espejos, redes de difracción, prismas de refracción, rendijas etc.

● Un compartimento para colocar la muestra en celdas o cubetas adecuadas, dependiendo de

la región del espectro utilizada. El compartimento estará colocado de manera que el haz de luz

de la fuente atraviese la muestra perpendicularmente.

● Un sistema para la detección de la radiación que ha atravesado la muestra o sistema

detector.

● Sistemas electrónicos de amplificación, transformación y comparación de señal.

● Sistemas de registro de señal o almacenamiento de datos

Todos estos componentes se pueden ensamblar de diversas maneras dependiendo de varios

factores. No obstante, las dos configuraciones más empleadas son las de espectrofotómetros

de haz sencillo o espectrofotómetros de doble haz.

Transmitancia:

La transmitancia óptica se refiere a la cantidad de luz que atraviesa un cuerpo, en una

determinada longitud de onda. Cuando un haz de luz incide sobre un cuerpo traslúcido, una

parte de esa luz es absorbida por el mismo, y otra fracción de ese haz de luz atraversará el

cuerpo, según su transmitancia. El valor de la transmitancia óptica de un objeto se puede

determinar según la siguiente expresión:

⇒ ⇒

La figura muestra un haz de radiación paralela antes y después de que ha pasado a través de

una capa de solución que tiene un espesor de b cm y una concentración c de una especie

absorbente.

La transmitancia T de la solución es entonces la fracción de la radiación incidente transmitida

por la solución:

I es la cantidad de luz transmitida por la muestra e I0 es la cantidad total de luz incidente.

Muchas veces encontraremos la transmitancia expresada en porcentaje, según la fórmula:

Absorbancia

Cuando un haz de luz incide sobre un cuerpo traslúcido, una parte de esta luz es absorbida por

el cuerpo, y el haz de luz restante atraviesa dicho cuerpo. A mayor cantidad de luz absorbida,

mayor será la absorbancia del cuerpo, y menor cantidad de luz será transmitida por dicho

cuerpo. Como se ve, la absorbancia y la transmitancia son dos aspectos del mismo fenómeno.

La absorbancia A de una solución se define mediante la ecuación:

Donde I es la intensidad de la luz que pasa por la muestra (luz transmitida) y I0 es la

intensidad de la luz incidente.

La medida de la absorbancia de una solución es usada con mucha frecuencia en laboratorio

clínico, para determinar la concentración de analitos tales como colesterol, glucosa, creatinina

y triglicéridos en sangre. Cada uno de estos analitos se hace reaccionar químicamente con

determinados compuestos, a fin de obtener una solución coloreada. A mayor intensidad de

color, mayor será la absorbancia de la solución en una determinada longitud de onda. La

absorbancia es entonces directamente proporcional a la concentración del analito en sangre.

De acuerdo a la ley de Beer, la absorbancia es directamente proporcional a la longitud del

camino b a través de la solución y la concentración c de la especie absorbente. Estas

relaciones se dan como:

A = a·b·c

Siendo a una constante de proporcionalidad llamada absortividad. La magnitud de a

dependerá de las unidades empleadas para b y c. A menudo b es dada en términos de cm y c

en gramos por litro, entonces la absortividad tiene unidades de l·g–1·cm–1.

Cuando la concentración se expresa en moles por litro y la longitud de la celda en

centímetros, la absortividad se llama absortividad molar, se designa como ε y tiene unidades

de l·mol–1·cm–1, entonces la absorbancia es:

I

T = --- I0

I

%T = --- x 100

I0

I0

A= -LogT = Log ---

I

A = ε·b·c

Si es válida la ley de Beer, para esa sustancia a esas concentraciones, la relación debe ser una

recta, que pase por el origen de los ejes cartesianos; a menudo se observan desviaciones

debidas a diversos factores.

Podemos conocer la absortividad de determinada solución, si sabemos su concentración, la

colocamos en una cubeta transparente de cierta medida conocida y medimos su absorbancia a

determinada longitud de onda, mediante un espectrofotómetro.

EJERCICIOS RESUELTOS

1) Una disolución 100 µM de un determinado cromóforo tuvo una transmitancia a 525 nm de

0.5 cuando se midió en una celda 1.5 cm de longitud. Calcular: a) la absorbancia de la

disolución; b) la absorptividad molar del cromóforo

a) A = -log T = - log 0.5 = 0.301

b) A = C . . L Reordenando la ecuación obtendremos:

= A/(C x L) = 0.301 /(10-4

M x 1.5 cm) = 2 x 103 M

-1 cm

-1

2) Una disolución patrón de níquel 5.00 x 10-5

M se coloca en una cubeta de longitud de paso

1 cm. La absorbancia a 592 nm es 0.446. a) ¿Cuánto vale a 592 nm?. b) Si una disolución

problema de níquel tiene una absorbancia de 0.125 a la misma ¿cuál es la concentración de

níquel en la muestra?.

a) Dado que A = C . . L. Entonces 0.446 = 5 x 10-5

M x 1 cm x y deducimos = 8920 M-1

cm-1

b) Aplicando que A = C . . L. 0.125 = 8920 M-1

cm-1

x 1 cm x C; y por lo tanto C= 14 µM

EJERCICIO: Hallar absorbancia y transmitancia de una disolución 0,00240 M de una

sustancia que tiene una absortividad molar de 313 M-1

cm-1

, en una celda de 2,00 cm de paso

óptico.

Rpta: A = 1.5 T= 3.16%