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Espectrofotometría

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Espectrofotometría, Absorbancia, Transmitancia, Ley de Beer, Longitud de Onda, Celdas, Monocromador, Concentración, Curva de calibración, Química Analítica

Espectrofotometría, Absorbancia, Transmitancia, Ley de Beer, Longitud de Onda, Celdas, Monocromador, Concentración, Curva de calibración, Química Analítica

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  • 1. Universidad del Valle de México Escuela de Ciencias de la Salud Químico Farmaco Biotecnólogo Química Analítica I Espectrofotometría I.Q. Manuel Arturo Caballero Rdz. Campus Monterrey Norte
  • 2. Métodos Ópticos Métodos que miden la radiación electromagnética que emana de la materia o que interacciona con ella. o ESPECTROSCÓPICOS  Se basan en la medida de la intensidad de los fotones (electrones e iones) en función de la longitud de onda de la energía radiante (espectros) debida a transiciones entre los estados de energía característica de los componentes de la muestra  Pueden ser de tres tipos :  De Absorción : La muestra se somete a una radiación y se determina la fracción de radiación absorbida  De Emisión: La muestra se expone a una fuente que hace aumentar su contenido energético en el estado de alta energía (excitado) y parte de la energía en exceso se pierde en forma de radiación  De Dispersión (Scattering): Se mide la fracción transmitida en todas las direcciones a partir de la trayectoria inicial Refractometría o NO ESPECTROSCÓPICOS  Se basan en interacción entre la radiación electromagnética y la materia cuando la radiación es considerada únicamente como una onda Propiedades ondulatorias Refracción Dispersión Difracción Interferometría Polarimetría Nefelometría Turbidimetría De Rayos X
  • 3. Métodos Ópticos
  • 4. Métodos Espectroscópicos  Dan lugar a la obtención de un espectro característico de los constituyentes de la muestra que se produce como resultado de la excitación de los átomos o moléculas con energía térmica, radiación electromagnética o choques con partículas (electrones, iones o neutrones). FUENTES DE EXCITACIÓN Energía Térmica Energía Electromagnética Choques con partículas Campos magnéticos MUESTRA A ANALIZAR MEDIDA DE FOTONES Espectrometría óptica ELECTRONES Espectrometría de electrones IONES Espectrometría de masas
  • 5. INTRODUCCIÓN: Los métodos de análisis que se basan en la medición de luz y otras formas de radiación electromagnética son los que más se utilizan en la química analítica. La espectroscopía es una ciencia que estudia las interacciones que suceden entre la radiación y la materia. Los métodos espectroscópicos de análisis miden la cantidad de radiación producida ó absorbida por las especies atómicas o moleculares que se analizan. Estos métodos también se clasifican de acuerdo con la región del espectro electromagnético que se utiliza para hacer la medición. Estas regiones son: - Rayos gamma (ƴ) - Rayos X - Radiación UV - Visible - Rayos infrarrojos (IR) - Microondas - Radiofrecuencia (RF)
  • 6. La radiación electromagnética es una forma de energía que se trasmite por el espacio a velocidades muy altas. A la radiación electromagnética de la región UV/visible y en ocasiones a la del IR, la llamamos luz, este término se considera adecuado solo a la radiación visible. La radiación electromagnética puede describirse como una onda que tiene propiedades de longitud de onda, frecuencia, velocidad y amplitud. Las ondas luminosas no necesitan de un medio para trasmitirse y por tanto se propagan fácilmente en el vacío (más rápido que el sonido). El modelo ondulatorio no explica satisfactoriamente los procesos asociados con la absorción y la emisión de la energía radiante. Para entender estos procesos, es más conveniente considerar a la radiación electromagnética como ondas de partículas ó paquetes discretos de energía llamados fotones ó cuantos. Propiedad de onda de un haz de radiación electromagnética de una sola frecuencia. Onda polarizada en un plano que propaga a lo largo del eje de las X. El campo eléctrico oscila en un plano perpendicular al campo magnético. Si la radiación no estuviera polarizada, se vería un componente del campo eléctrico en todos los planos.
  • 7. En la siguiente figura se muestra únicamente la oscilación del campo eléctrico, la amplitud de la onda es la longitud del vector del campo eléctrico en el punto máximo de la onda, mientras que la longitud de onda es la distancia entre los puntos máximos sucesivos. La amplitud es la longitud del vector del campo eléctrico en el punto máximo de la onda. El período p de la onda es el tiempo necesario para el paso de los sucesivos máximos ó mínimos por un punto fijo en el espacio. En cuanto a la frecuencia Ʋ es el número de oscilaciones del vector del campo por unidad de tiempo y es igual a 1/ p. Por último diremos que la longitud de onda ʎ es la distancia lineal entre dos puntos sucesivos máximos ó mínimos de la onda.
  • 8. Espectro electromagnético: El espectro electromagnético abarca un intervalo muy amplio de energías (frecuencias) de longitudes de onda. Las divisiones se basan en los métodos que se precisan para generar y detectar las diversas clases de radiación. La región visible del espectro que percibe el ojo humano (luz blanca) es muy pequeña si se compara con otras regiones espectrales. Los métodos espectro-químicos que utilizan no solo la radiación visible sino también la ultravioleta e infrarroja se denominan métodos ópticos. Esta terminología surge de las muchas características comunes de los instrumentos utilizados para las tres regiones espectrales y de las similitudes que se observan en las interacciones de los tres tipos de radiación con la materia. Fotón: Partícula de luz que transporta una cantidad de energía igual a hv.
  • 9. Regiones del Espectro electromagnético Abarca un intervalo tan grande de longitud de onda, de frecuencia y de energía que necesita una escala logarítmica.
  • 10. Métodos Espectroscópicos Basados en la medida de la radiación electromagnética Tipos de espectroscopia Intervalo habitual de longitudes de onda Tipo de transición cuántica Emisión de rayos gamma 0.005 – 1.4 Ǻ Nuclear Absorción y emisión de rayos X 0.1 – 100 Ǻ Electrones internos Absorción UV de vacío 10 – 180 nm Electrones de valencia Absorción y emisión ultravioleta-visible 180 – 780 nm Electrones de valencia Absorción infrarroja Dispersión Raman 0.78- 300 μm Vibración de moléculas Absorción de microondas 0.75 – 3.75 mm Rotación de moléculas Resonancia de espín electrónico 3 cm Espín de los electrones en un campo magnético Resonancia magnética nuclear 0.6 – 10 m Espín de los núcleos en un campo magnético
  • 11. METODOS ESPECTROSCOPICOS DE ABSORCION Absorbancia: Atenuación de los fotones a medida que atraviesan una muestra. Espectro de absorbancia: Gráfica de la absorbancia de la radiación electromagnética producida por la muestra en función de la longitud de onda. Emisión: Liberación de un fotón cuando un analito recupera su estado de menor energía desde un estado de mayor energía.
  • 12. METODOS ESPECTROSCOPICOS DE ABSORCION - - La absorción de radiación es un proceso en el que la energía electromagnética se transfiere a los átomos, iones o moléculas que componen la muestra. La absorción provoca que estas partículas pasen de su estado normal a temperatura ambiente a uno o más estados excitados de energía superior. Conceptos importantes en la absorción: Los métodos cuantitativos basados en la absorción requieren dos medidas de potencia: * una, antes de que el haz haya pasado a través del medio que contiene la muestra (P0), y * otra, después (P). La transmitancia y la absorbancia son dos términos que se utilizan ampliamente en la espectrometría de absorción y se relacionan por la razón de P0 y P. *TRANSMITANCIA T = P/P0 %T = (P/ P0)x100 *ABSORBANCIA A = -log P/P0 A=åbC A = log P0/P
  • 13. P : intensidad (potencia) de la radiación transmitida P0 : intensidad (potencia) de la radiación incidente c : concentración molar de la sustancia absorbente å : coeficiente de extinción molar (M-1cm-1) b : espesor de la sustancia atravesada Al contrario que con la transmitancia, la absorbancia de un medio aumenta cuando la atenuación del haz se hace mayor. Todo lo anterior se fundamenta en la siguiente ley: Ley de Beer: Cuando un rayo de luz monocromática pasa a través de un medio absorbente, su intensidad disminuye exponencialmente a medida que aumenta la concentración de la sustancia absorbente en el medio, esto es: log P0 /P = a·b·C
  • 14. ESPECTROFOTOMETRO UV-VISIBLE
  • 15. ESPECTROFOTOMETRO UV-VISIBLE Este tipo de análisis fotométrico se realiza sobre numerosas especies químicas tanto orgánicas como inorgánicas. Las consideraciones a tener en cuenta antes de su realización son las siguientes:  Selección de la longitud de onda: se necesita una longitud de onda que produzca un pico de absorción para obtener así la máxima sensibilidad. Esta longitud de onda dependerá de las condiciones de la muestra (pH, temperatura y concentración).  Limpieza y manipulación de las cubetas (celdas): se requieren celdas calibradas y de buena calidad, para que la desviación del haz de luz y la absorbancia se realice de forma correcta. Hay que evitar ralladuras, huellas dactilares, etc. Determinación de la relación entre absorbancia y concentración: mediante la toma de alícuotas de una sustancia patrón que vayan aumentando de concentración progresivamente y midiendo su absorbancia a una misma longitud de onda.   Determinación de la relación entre absorbancia y concentración: mediante la toma de alícuotas de una sustancia patrón que vayan aumentando de concentración progresivamente y midiendo su absorbancia a una misma longitud de onda.
  • 16. Componentes de un espectrofotómetro: Los instrumentos incluyen cinco componentes: - Fuente estable de energía radiante - Recipiente transparente para contener la muestra. - Dispositivo que aísla una región restringida del espectro para la medida. - Detector de radiación que convierte la energía radiante en una señal utilizable (generalmente eléctrica). - Sistema de procesamiento y lectura de la señal (la señal detectada se visualiza en escala de medida, pantalla, medidor digital, registrador). Fuente Monocromado r Celdas Detector
  • 17.  Proceso de lectura de muestras: - Seleccionar la longitud de onda. - Se lee un blanco contenido en una celda calibrada, esto se realiza para establecer el cero de absorbancia. - La muestra se introduce en la cubeta calibrada. - El aparato procede a la lectura de la absorbancia. - La potencia de la fuente y del detector deben ser constantes durante el periodo de la valoración. COMPONENTES DEL ESPECTROFOTOMETRO: 1.- Fuente de luz: proporciona energía radiante en forma de luz visible o no visible. - Tipos de lámparas:  Lámparas de filamento de tungsteno: se utilizan para longitudes de onda del espectro visible y el ultravioleta próximo. Son fuentes de un espectro continuo de energía radiante entre 360-950 nm.  Lámparas de filamentos de haluros de tungsteno: son de mayor duración y emiten energía radiante de mayor intensidad.  Lámparas de Hidrógeno y Deuterio: producen un espectro continuo en la región ultravioleta entre 220-360 nm.
  • 18. Lámparas de vapores de Mercurio: Emiten un espectro discontinuo o espectro de líneas que se utilizan para calibración de longitudes de onda, se emplean solo para espectrofotómetros. Precauciones: - Las subidas y bajadas bruscas de tensión producen sufrimiento de la lámpara y cambios en las lecturas de la Absorbancia. - La lámpara tiene una vitalidad limitada y se debe vigilar para que funcione bien el aparato. 2. Rendija de entrada: tiene como función reducir al máximo la luz difusa y evitar que la luz dispersa entre en el sistema de selección de longitud de onda.  3. Monocromadores. Pueden ser: - Prismas: son fragmentos con forma de cuña de un material que permite el paso de la luz. Ej. De vidrio para trabajar en el espectro visible o cuarzo para trabajar en el ultravioleta lejano. - Redes de difracción: son un gran número de líneas paralelas situadas a distancias iguales entre sí y son hendiduras sobre un vidrio o una superficie metálica. Cada una de estas hendiduras se comporta como un pequeño prisma.
  • 19. 4. Rendija de salida: tiene como función impedir que la luz difusa atraviese la cubeta de la muestra, que provocaría desviaciones a la Ley de Beer. 5. Cubeta: es el recipiente donde se coloca la muestra para la medición. Pueden ser de distintos tipos y tamaños (cuadradas, rectangulares, redondas). Suelen estar fabricadas en vidrio o en plástico. 6. Detector: Puede ser de dos tipos:  Fotocélulas o células fotovoltaica  Fototubos multiplicadores 7. Medidor: son sistemas de lectura de la Energía eléctrica que recoge el detector y que puede ser lectura directa (se utiliza una célula fotovoltaica) o puede ser amplificadores de señal como en el caso del fototubo multiplicador. Los actuales aparatos incorporan lectura digital y cálculos automáticos de concentraciones con relación a las curvas de calibración.
  • 20. Las cubetas o celdas se construyen de materiales transparentes a las radiaciones UV/Vis tales como el cuarzo, vidrio o plástico. Cuando se trabaja con longitudes de onda inferiores a 300 nm, las cubetas han de ser de cuarzo o silicio fundido, ya que las demás ejercen una absorción importante. Las cubetas de mayor calidad se fabrican con una forma rectangular, de forma que la radiación golpee la célula formando un ángulo de 90 para que las pérdidas por reflexión sean mínimas. Los tubos de ensayo cilíndricos llegan a usarse en ocasiones en instrumentos de haz simple.
  • 21. TIPOS DE APARATOS
  • 22. TIPOS DE APARATOS: -Espectrofotómetro de Haz simple: es igual que la descripción dada para el espectrofotómetro en general. consta de los mismos elementos. Espectrofotómetro de doble haz en el espacio: todos los componentes están duplicados, menos la lámpara y el medidor. Dos haces de luz pasan al mismo tiempo por los distintos componentes separados en el espacio. Esto compensa las variaciones de intensidad de luz y de absorbancia. Espectrofotómetro de doble haz en el tiempo: utilizan los mismos componentes que el espectrofotómetro de haz simple. Dos haces de luz pasan por los mismos componentes pero no al mismo tiempo Emplean un “Chopper” consistente en un interruptor rotativo del haz luminoso colocado a continuación de la rendija de salida. Un sistema de espejos dirige la porción de luz reflejada por el “chopper” a través de una cubeta de referencia y de ahí al detector común. El detector lee alternativamente el haz procedente de la muestra y el de la cubeta de referencia. Esto compensa la variación de energía radiante.

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