Resumen u2

Instituto Tecnológico de Pachuca.

Análisis Instrumental.

Ing. María Juana Arriaga Gómez.

Grupo: 4Y6A

Ingeniería Química

Resumen de la Unidad 2:

Métodos espectrofotométricos.

Equipo: 2

Cabrera Olvera Ángel de Jesús

Espinoza Juárez Yael

Hernández Cruz Mayra Diane

Jiménez Cruz Misael

Islas Sánchez América Anabel

Reyes Quijano María del Socorro2.1. PROPIEDADES DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética delconjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto sedenomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la radiaciónelectromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro deabsorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar lasustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se puedenobservar mediante espectroscopios que, además de permitir ver el espectro,permiten realizar medidas sobre el mismo, como son la longitud de onda,la frecuencia y la intensidad de la radiación.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menorlongitud de onda, como losrayos gamma y los rayos X, pasando por la luzultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondaselectromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio.Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible esla longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño delUniverso (véase Cosmología física) aunque formalmente el espectro 

Rango energético del espectro

El espectro electromagnético cubre longitudes de onda muy variadas.Existen frecuencias de 30 Hz y menores que son relevantes en el estudio deciertas nebulosas. Por otro lado se conocen frecuencias cercanas a2,9×1027 Hz, que han sido detectadas provenientes de fuentes astrofísicas.

La energía electromagnética en una particular longitud de onda λ (enel vacío) tiene una frecuencia f asociada y una energía de fotón E. Portanto, el espectro electromagnético puede ser expresado igualmente encualquiera de esos términos. Se relacionan en las siguientes ecuaciones:

, o lo que es lo mismo 

, o lo que es lo mismo 

Donde   (velocidad de la luz) y   es la constante dePlanck,  .

Por lo tanto, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen unalongitud de onda corta y mucha energía mientras que las ondas de bajafrecuencia tienen grandes longitudes de onda y poca energía.

Por lo general, las radiaciones electromagnéticas se clasifican basándoseen su longitud de la onda en ondas de radio, microondas, infrarrojos,visible –que percibimos como luz visible– ultravioleta, rayos X y rayosgamma.

El comportamiento de las radiaciones electromagnéticas depende de sulongitud de onda. Cuando la radiación electromagnética interactúa conátomos y moléculas puntuales, su comportamiento también depende de lacantidad de energía por quantum que lleve. Al igual que las ondasde sonido, la radiación electromagnética puede dividirse en octavas.

La espectroscopia puede detectar una región mucho más amplia del espectroelectromagnético que el rango visible de 400 a 700 nm. Un espectrómetro delaboratorio común y corriente detecta longitudes de onda de 2 a 2500 nm.

Para su estudio, el espectro electromagnético se divide en segmentos o bandas, aunque esta división es inexacta. Existen ondas que tienen una frecuencia, pero varios usos, por lo que algunas frecuencias pueden quedaren ocasiones incluidas en dos rangos.

Banda Longitud deonda (m)

Frecuencia (Hz) Energía (J)

Rayos gamma < 10x10−12m > 30,0x1018Hz > 20·10−15 J

Rayos X < 10x10−9m > 30,0x1015Hz > 20·10−18 J

Ultravioleta extremo < 200x10−9m > 1,5x1015Hz > 993·10−21 J

Ultravioleta cercano < 380x10−9m > 7,89x1014Hz > 523·10−21 J

Luz Visible < 780x10−9m > 384x1012Hz > 255·10−21 J

Infrarrojo cercano < 2,5x10−6m > 120x1012Hz > 79·10−21 J

Infrarrojo medio < 50x10−6m > 6,00x1012Hz > 4·10−21 J

Infrarrojo lejano/submilimétrico < 1x10−3m > 300x109Hz >

200·10−24 J

Microondas < 10−2m > 3x108Hzn. 1 > 2·10−24 J

Ultra Alta Frecuencia - Radio < 1 m > 300x106Hz >

19.8·10−26 J

Muy Alta Frecuencia - Radio < 10 m > 30x106Hz >

19.8·10−28 J

Onda Corta - Radio < 180 m > 1,7x106Hz> 11.22·10−28 J

Onda Media - Radio < 650 m > 650x103Hz > 42.9·10−29 J

Onda Larga - Radio < 10x103m > 30x103Hz > 19.8·10−30 J

Muy Baja Frecuencia - Radio > 10x103m < 30x103Hz <

19.8·10−30 J

Radiofrecuencia[editar]Artículo principal: Radiofrecuencia

En radiocomunicaciones, los rangos se abrevian con sus siglas en inglés. Los rangos son:

Nombre Abreviatura inglesa

Banda ITU Frecuencias Longitud de

onda

Inferior a 3 Hz > 100.000 km

Extra baja frecuencia ELF 1 3-30 Hz 100.000–

10.000 km

Super baja frecuencia SLF 2 30-300 Hz 10.000–1000

km

Ultra baja frecuencia ULF 3 300–3000 Hz 1000–100 km

Muy baja frecuencia VLF 4 3–30 kHz 100–10 km

Baja frecuencia LF 5 30–300 kHz 10–1 km

Media frecuencia MF 6 300–3000 kHz 1 km – 100 m

Alta frecuencia HF 7 3–30 MHz 100–10 m

Muy alta frecuencia VHF 8 30–300 MHz 10–1 m

Ultra alta frecuencia UHF 9 300–3000 MHz 1 m – 100 mm

Super alta frecuencia SHF 10 3-30 GHz 100-10 mm

Extra alta frecuencia EHF 11 30-300 GHz 10–1 mm

Por encima de los 300 GHz < 1 mm

Frecuencias extremadamente bajas: Llamadas ELF (Extremely Low Frequencies),son aquellas que se encuentran en el intervalo de 3 a 30 Hz. Este rangoes equivalente a aquellas frecuencias del sonido en la parte más baja(grave) del intervalo de percepción del oído humano. Cabe destacar aquíque el oído humano percibe ondas sonoras, no electromagnéticas, sinembargo se establece la analogía para poder hacer una mejorcomparación.

Frecuencias super bajas: SLF (Super Low Frequencies), son aquellas que seencuentran en el intervalo de 30 a 300 Hz. En este rango se incluyenlas ondas electromagnéticas de frecuencia equivalente a los sonidosgraves que percibe el oído humano típico.

Frecuencias ultra bajas: ULF (Ultra Low Frequencies), son aquellas en elintervalo de 300 a 3000 Hz. Este es el intervalo equivalente a lafrecuencia sonora normal para la mayor parte de la voz humana.

Frecuencias muy bajas: VLF, Very Low Frequencies. Se pueden incluir aquílas frecuencias de 3 a 30 kHz. El intervalo de VLF es usado típicamenteen comunicaciones gubernamentales y militares.

Frecuencias bajas: LF, (Low Frequencies), son aquellas en el intervalo de30 a 300 kHz. Los principales servicios de comunicaciones que trabajanen este rango están la navegación aeronáutica y marina.

Frecuencias medias: MF, Medium Frequencies, están en el intervalo de300 a 3000 kHz. Las ondas más importantes en este rango son las deradiodifusión de AM (530 a 1605 kHz).

Frecuencias altas: HF, High Frequencies, son aquellas contenidas en elrango de 3 a 30 MHz. A estas se les conoce también como "onda corta".Es en este intervalo que se tiene una amplia gama de tipos deradiocomunicaciones como radiodifusión, comunicaciones gubernamentalesy militares. Las comunicaciones en banda de radioaficionados y bandacivil también ocurren en esta parte del espectro.

Frecuencias muy altas: VHF, Very High Frequencies, van de 30 a 300 MHz. Esun rango popular usado para muchos servicios, como la radio móvil,comunicaciones marinas y aeronáuticas, transmisión de radio en FM (88 a108 MHz) y los canales de televisión del 2 al 12 [según norma CCIR(Estándar B+G Europa)]. También hay varias bandas de radioaficionadosen este rango.

Frecuencias ultra altas: UHF, Ultra High Frequencies, abarcan de 300 a 3000MHz, incluye los canales de televisión de UHF, es decir, del 21 al 69[según norma CCIR (Estándar B+G Europa)] y se usan también en serviciosmóviles de comunicación en tierra, en servicios de telefonía celular yen comunicaciones militares.

Frecuencias super altas: SHF, Super High Frequencies, son aquellas entre 3 y30 GHz y son ampliamente utilizadas para comunicaciones vía satélite yradioenlaces terrestres. Además, pretenden utilizarse en comunicacionesde alta tasa de transmisión de datos a muy corto alcance mediante UWB.También son utilizadas con fines militares, por ejemplo en radaresbasados en UWB.

Frecuencias extremadamente altas: EHF, Extrematedly High Frequencies, seextienden de 30 a 300 GHz. Los equipos usados para transmitir y recibirestas señales son más complejos y costosos, por lo que no están muydifundidos aún.

Absorción de radiación electromagnética

Vimos que el proceso de absorción de fotones por un átomo, implica unproceso de excitación del átomo (de los electrones) desde el nivel deenergía más baja hasta un nivel de energía más alta (estado excitado), alsuministrar una energía que es equivalente a la del fotón absorbido.

Nuestra discusión involucra a un sistema microscópico en el cuál un fotóninteracciona con un átomo.

En un sistema macroscópico, cuando la radiación electromagnética pasa através de la materia, parte de ella se transmite y parte es absorbida porlos átomos.

La intensidad (I) de la radiación transmitida a través de un materialhomogéneo de espesor (x), viene dada por una ecuación experimental, deabsorción exponencial (Ley de Lambert ) :

I=I0exp(-ax)

I0  = Intensidad de la radiación incidente.

a = Coeficiente de absorción del material.

Cuanto más grueso es el material (mayor x), la intensidad de la radiacióndespués de pasar por el material es menor (haz transmitido).

La transmisión (T) de este material está dada por la relación entre laintensidad transmitida (I) y la intensidad incidente (I0) :

T=I/I0

De las dos últimas ecuaciones, podemos expresar la Transmisión (oTransmitancia) como :

T = exp(-ax)

Frecuentemente se usan los centímetros (10-2 [m]), como unidad de medidadel espesor del material (x), por lo tanto l as unidades del coeficientede absorción (a ) son :

[cm-1] = [1/cm].

Cada material es transparente a diferentes longitudes de onda, por loque el coeficiente de absorción (a) es función de la longitud deonda : a(l). Este factor es muy importante (como veremos) para entender lainteracción de la radiación electromagnética con la materia, en lasmúltiples aplicaciones del láser.

La ley de Beer-Lambert relaciona la intensidad de luz entrante en un mediocon la intensidad saliente después de que en dicho medio se produzcaabsorción. La relación entre ambas intensidades puede expresarse a travésde las siguientes relaciones:

Para líquidos:

Para gases:

donde:

, son las intensidades saliente y entrante respectivamente., es la absorbancia, que puede calcularse también

como:  es la longitud atravesada por la luz en el medio, es la concentración del absorbente en el medio. es el coeficiente de absorción,

 es el coeficiente de absorción:

 es la longitud de onda de la luz absorbida. es el coeficiente de extinción.

La ley explica que hay una relación exponencial entre la transmisión deluz a través de una sustancia y la concentración de la sustancia, así comotambién entre la transmisión y la longitud del cuerpo que la luzatraviesa. Si conocemos   y α, la concentración de la sustancia puede serdeducida a partir de la cantidad de luz transmitida.

Las unidades de c y α dependen del modo en que se exprese la concentraciónde la sustancia absorbente. Si la sustancia es líquida, se suele expresarcomo una fracción molar. Las unidades de α son la inversa de la longitud(por ejemplo cm-1). En el caso de los gases, c puede ser expresada comodensidad (la longitud al cubo, por ejemplo cm-3), en cuyo caso α esuna sección representativa de la absorción y tiene las unidades en longitud alcuadrado (cm2, por ejemplo). Si la concentración de c está expresadaen moles porvolumen, α es la absorbencia molar normalmente dada en mol cm-

2.

El valor del coeficiente de absorción α varía según los materialesabsorbentes y con la longitud de onda para cada material en particular. Sesuele determinar experimentalmente. La ley tiende a no ser válida paraconcentraciones muy elevadas, especialmente si el material dispersa muchola luz. La relación de la ley entre concentración y absorción de luz estábasada en el uso de espectroscopia para identificar sustancias.

2.2. ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN EN EL VISIBLE Y EN EL UV.

La espectroscopia ultravioleta-visible o espectrofotometría ultravioleta-visible (UV/VIS) es una espectroscopia de emisión de fotones yuna espectrofotometría. Utiliza radiación electromagnética (luz) de lasregiones visible, ultravioleta cercana (UV) e infrarroja cercana (NIR)del espectro electromagnético, es decir, una longitud de onda entre 380nmy 780nm. La radiación absorbida por las moléculas desde esta región delespectro provoca transiciones electrónicas que pueden ser cuantificadas.

La espectroscopia UV-visible se utiliza para identificar algunos gruposfuncionales de moléculas, y además, para determinar el contenido y fuerzade una sustancia.

Se utiliza de manera general en la determinación cuantitativa de loscomponentes de soluciones de iones de metales de transición y compuestosorgánicos altamente conjugados.Se utiliza extensivamente en laboratorios

de química y bioquímica para determinar pequeñas cantidades de ciertasustancia, como las trazas de metales en aleaciones o la concentración decierto medicamento que puede llegar a ciertas partes del cuerpo.

Longitud de onda: se define como la distancia entre los picosadyacentes y puede ser medida en metros, centímetros, o nanometros (

meters). Frecuencia: es el número de ondas por ciclos usualmente sus unidades

están dadas en Hertz que son ciclos por segundos (Hz).

La luminiscencia ocurre debido a la emisión de luz por una sustanciadeterminada y esto ocurre cuando un electrón regresa a su estado inicialdespués de haber sido excitado y libera una energía como un fotón. Podemosencontrar tres tipos de nombres para la espectroscopia de luminiscencia,para diferentes técnicas:

Espectroscopia de fluorescencia molecular Espectroscopia de fosforescencia molecular Espectroscopia de quimiluminiscencia

El principio de la espectroscopia ultravioleta-visible involucra laabsorción de radiación ultravioleta – visible por una molécula, causandola promoción de un electrón de un estado basal a un estado excitado,liberándose el exceso de energía en forma de calor. La longitud de onda () comprende entre 190 y 800 nm.

La luz visible o UV es absorbida por los electrones de valencia, éstos sonpromovidos a estados excitados (de energía mayor). Al absorber radiaciónelectromagnética de una frecuencia correcta, ocurre una transición desdeuno de estos orbitales a un orbital vacío. Las diferencias entre energíasvarían entre los diversos orbitales. Algunos enlaces, como los dobles,provocan coloración en las moléculas ya que absorben energía en el visibleasí como en el UV, como es el caso del β-caroteno.

Cuando un haz de radiación UV-Vis atraviesa una disolución conteniendoun analito absorbente, la intensidad incidente del haz (Io) es atenuadahasta I. Esta fracción de radiación que ha logrado traspasar la muestra esdenominada transmitancia (T) (T = I/Io). Por aspectos prácticos, seutizará la absorbancia (A) en lugar de la transmitancia (A = -logT), por

estar relacionada linealmente con la concentración de la especieabsorbente según la Ley de Beer-Lambert: A =  ·l·c ( : coeficiente deabsortividad molar, l: camino óptico, c: concentración de la especieabsorbente).

Cuando un fotón UV-Visible de energía adecuada incide en una especieabsorbente, un electrón es promovido desde su estado fundamental aun estado electrónico excitado. En absorción UV-Visible, pueden observarselas distintas transiciones electrónicas:

<150 nm . Este tipo de transiciones se dan sobre todo enhidrocarburos que únicamente poseen enlaces   C-H o C-C. La energíarequerida para que tenga lugar esta transición es relativamentegrande, perteneciente a la región espectral denominada ultravioletade vacío.

entre 150-200 nm . Correspondientes a hidrocarburos que poseenátomos con pares de electrones no compartidos (electrones de noenlace). La energía necesaria para que se produzca esta transiciónsigue siendo alta (aunque menor que en las   ) perteneciendoéstas a la región espectral UV Lejano entre 200-700 nm. La mayoría de las aplicaciones de espectroscopia UV-Visible están basadas en transiciones que ocurren en esta zona. Se requiere que las especies participantes aporten un sistema de electrones   (grupos cromóforos: compuestos con insaturaciones, sistemas aromáticos multicíclicos, etc.). Las energías de excitaciónen las transiciones   son medianamente altas, correspondiendo ala región UV Lejano y Próximo, mientras que las n  son considerablemente menores, correspondiendo a laregión visible del espectro.En espectroscopia UV-Vis se irradia con luz de energía conocida suficiente como para provocar transiciones electrónicas, es decir promover un electrón desde un orbital de baja energía a uno vacante de alta energía.

Transiciones electrónicas posibles entre orbitales n: orbital que contienepar de electrones no compartidos (ejemplo en : O, N, Cl)

Las transiciones más favorecidas son entre el orbital ocupado de energia más alta (HOMO) y el orbital desocupado de energia más baja (LUMO)

el espectrometro UV-Vis registra las longitudes de onda donde se registra absorción y cuantifica la absorción.

El espectro se registra como absorbancia (A) Vs. longitud de onda (Å), lasbandas del espectro UV son anchas por que incluyen la estructura fina de transiciones vibracionales y rotacionales de menor energía

El espectrofotómetro es un instrumento que permite comparar la radiaciónabsorbida o transmitida por una solución que contiene una cantidaddesconocida de soluto, y una que contiene una cantidad conocida de lamisma sustancia.

Todas las sustancias pueden absorber energía radiante. El vidrio, queparece ser completamente transparente, absorbe longitudes de onda quepertenecen al espectro visible; el agua absorbe fuertemente en la regióndel IR. La absorción de las radiaciones UV, visibles e IR depende de laestructura de las moléculas, y es característica para cada sustanciaquímica. El color de las sustancias se debe a que absorben ciertaslongitudes de onda de la luz blanca que incide sobre ellas y sólo dejanpasar a nuestros ojos aquellas longitudes de onda no absorbida.

Esta espectrofotometría utiliza radiaciones del campo UV de 80 a 400 nm,principalmente de 200 a 400 nm (UV cercano) y de luz visible de 400 a 800nm, por lo que es de gran utilidad para caracterizar las soluciones en laregión ultravioleta-visible del espectro. Se rige por una ley muyimportante: la ecuación de Beer-Lambert.

Una expresión para la ecuación de Beer-Lambert es la siguiente:

Donde:

 es el rango de luz captado por el tubo de fotocolorimetría, es el rango de luz que sale del tubo de fotocolorimetría y que va

a llegar a la celda fotoeléctrica donde es captada y medida es la capacidad de captación del haz del campo electromagnético, es la longitud del tubo de fotocolorimetría, en cm. es la concentración de la muestra ya ubicada en el tubo de

fotocolorimetría.

La ley de Beer permite cuantificar la concentración de una muestra por UV,también puede ser expresada de la siguiente manera:

donde:

 es la Absorbancia es el Coeficiente de extinción (Característico de cada sustancia). es el Largo del paso de la cuba (cm). es la Concentración (moles/l).

La zona de longitudes de onda que se registra en un espectro UV-Vis es deentre 200 y 800 nm. En esta zona no absorben dobles ni triples enlacesaislados .

Sólo van absorber enlaces pi conjugados y heteroátomos con pares deelectrones no compartidos (O, N), como los grupos cromóforos

Características del sistema

Las muestras en solución se ponen en una pequeña celda de Si. Se utilizan dos lámparas: una de H o deuterio para la región UV, y una

de W / halógeno para la región visible Se utiliza también una celda de referencia que contiene sólo solvente. La luz pasa simultáneamente por la celda de muestra y la celda de

referencia. El espectrómetro compara la luz que pasa por la muestra con la que pasa

por la celda de referencia. La radiación transmitida es detectada y el espectrómetro obtiene el

espectro de absorción al barrer la longitud de onda de la luz.

2.3. ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN EN EL INFRARROJO.

Espectroscopia infrarroja (Espectroscopia IR) es la rama de la espectroscopia que trata con la parte infrarroja del espectro electromagnético. Esta cubre un conjunto de técnicas, siendo la más común una forma de espectroscopia de absorción. Así como otras técnicas espectroscópicas, puede usarse para identificar un compuesto e investigar

la composición de una muestra. Esta se puede dividir según el tipo de la radiación que se analiza, en:

Espectroscopia del Infrarrojo cercano Espectroscopia del infrarrojo medio Espectroscopia del infrarrojo lejano

La porción infrarroja del espectro electromagnético se divide en tres regiones; el infrarrojo cercano, medio y lejano, así nombrados por su relación con el espectro visible. El infrarrojo lejano (aproximadamente 400-10 cm-1) se encuentra adyacente a la región de microondas, posee una baja energía y puede ser usado en espectroscopia rotacional. El infrarrojomedio (aproximadamente 4000-400 cm-1) puede ser usado para estudiar las vibraciones fundamentales y la estructura rotacional vibracional, mientrasque el infrarrojo cercano (14000-4000 cm-1) puede excitar sobretonos o vibraciones armónicas.

La espectroscopia infrarroja se basa en el hecho de que las moléculas tienen frecuencias a las cuales rotan y vibran, es decir, los movimientos de rotación y vibraciónmoleculares tienen niveles de energía discretos (modos normales vibracionales). Las frecuencias resonantes o frecuencias vibracionales son determinados por la forma de las superficies de energía potencial molecular, las masas de los átomos y, eventualmente por el acoplamiento vibrónico asociado. Para que un modo vibracional en una molécula sea activa al IR, debe estar asociada con cambios en el dipolo permanente. En particular, en las aproximaciones de Born-Oppenheimer y armónicas, i.e. cuando el Hamiltoniano molecular correspondiente al estadoelectrónico puede ser aproximado por un oscilador armónico en la vecindad de la geometría molecular de equilibrio, las frecuencias resonantes son determinadas por los modos normales correspondientes a la superficie de energía potencial del estado electrónico de la molécula. Sin embargo, las frecuencias resonantes pueden estar en una primera aproximación relacionadas con la fuerza del enlace, y la masa de los átomos a cada ladodel mismo. Así, la frecuencia de las vibraciones pueden ser asociadas con un tipo particular de enlace.

Las moléculas diatómicas simples tienen solamente un enlace, el cual se puede estirar. Moléculas más complejas pueden tener muchos enlaces, y las vibraciones pueden ser conjugadas, llevando a absorciones en el infrarrojoa frecuencias características que pueden relacionarse a grupos químicos.

Los átomos en un grupo CH2, encontrado comúnmente en compuestos orgánicos pueden vibrar de seis formas distintas, estiramientos simétricosy asimétricos, flexiones simétricas y asimétricas en el plano (scissoring o tijereteo y rocking o balanceo, respectivamente), y flexiones simétricas y asimétricas fuera del plano (wagging o aleteo y twisting o torsión, respectivamente); como se muestra a continuación:

Los factores que determinan la energía de un fotón para que produzcavibración en una

molécula son:

a) La masa de los átomos.

b) La geometría de la molécula.

c) La rígidez de los enlaces químicos.

d) Los períodos de las vibraciones atómicas

PREPARACIÓN DE LA MUESTRA

Las muestras líquidas pueden ser prensadas entre dos planchas de una salde alta pureza (como el cloruro de sodio). Estas placas deben sertransparentes a la luz infrarroja para no introducir ninguna línea en elespectro de la muestra. Las placas obviamente son solubles en agua, por loque la muestra, los reactivos de lavado y el medio deben ser anhidros (esdecir, sin agua).

Las muestras sólidas se preparan mezclando una cierta cantidad de muestracon una sal altamente purificada (por lo general bromuro de potasio). Estamezcla se tritura y se prensa con el fin de formar una pastilla por la quepueda pasar la luz. La pastilla necesita ser prensada a altas presionespara asegurar que sea translúcida, pero esto no puede lograrse sin unequipo adecuado (por ejemplo, una prensa hidráulica). Al igual que elcloruro de sodio, el bromuro de potasio no absorbe la radiacióninfrarroja, por lo que las únicas líneas espectrales provendrán delanalito.

MÉTODO TÍPICO

Un haz de luz infrarroja es generado y dividido en dos rayos. Uno pasa porla muestra, y el otro por una referencia que suele ser la sustancia en la

que está disuelta o mezclada la muestra. Ambos haces se reflejan de vueltaal detector, pero primero pasan a través del separador, que alternarápidamente cuál de los dos rayos entra en el detector. Las dos señales secomparan y, a continuación, se registran los datos.

Hay dos razones por las que se utiliza una referencia:

* Evita que las fluctuaciones de energía eléctrica de la fuente afecten alos resultados finales, ya que tanto la muestra como la referencia se venafectadas del mismo modo. Por esa misma razón, también impide lainfluencia de variaciones sobre el resultado final, debido al hecho de quela fuente no necesariamente emite la misma intensidad de luz para todaslas longitudes de onda* Permite que los efectos del disolvente se anulen, porque la referenciaes normalmente la forma pura del disolvente en el que se encuentra. 

USOS Y APLICACIONES

La espectrometría infrarroja se utiliza ampliamente tanto en la industriacomo en la investigación científica, porque es una técnica rápida y fiablepara medidas, control de calidad y análisis dinámicos. Los instrumentosactuales son pequeños y pueden ser transportados, incluso para tomarmedidas de campo. Con los avances en tecnología de filtrado computacionaly la manipulación de los resultados, se pueden medir con precisión lasmuestras en una solución (el agua produce una banda larga de absorbanciaen el rango de interés, lo que daría un espectro ilegible sin dichotratamiento computacional). Algunas máquinas incluso dicen automáticamentequé sustancia está siendo analizada a través de miles de espectros dereferencia almacenados en la memoria.

Haciendo medidas a una frecuencia específica a través del tiempo, sepueden seguir los cambios en la naturaleza o la cantidad de un enlace enparticular, lo que es especialmente útil para medir el grado depolimerización en la fabricación de polímeros. Las máquinas modernaspueden medir en el rango de interés con gran frecuencia, como 32 veces porsegundo. Esto se puede hacer mientras se toman medidas simultáneas conotras técnicas. Así las observaciones de reacciones químicas sonprocesadas con mayor rapidez, y de forma más precisa y exacta.

ESPECTROMETRÍA DE INFRARROJOS POR TRANSFORMADA DE FOURIER

La espectrometría infrarroja por transformada de Fourier (FTIV) es unatécnica de análisis para obtener el espectro infrarrojo con mayor rapidez.En lugar de registrar los datos variando la frecuencia de luz infrarroja

monocromática, se guía la luz IV (con todas las longitudes de onda depista utilizada) a través de un interferómetro. Después de pasar por lamuestra, la señal medida da el interferograma. La realización de unatransformada de Fourier de la señal produce un espectro idéntico al de laespectrometría infrarroja convencional (dispersiva).

Los espectrofotómetros FTIV son más baratos que los convencionales, porquees más simple construir un interferómetro que un monocromador. Además, lamedida de un solo espectro es mucho más rápida en esta técnica, debido aque la información de todas las frecuencias se toman al mismo tiempo. Estopermite hacer múltiples lecturas de una sola muestra y obtener unpromedio, lo que aumenta la sensibilidad del análisis. Debido a susmúltiples ventajas, casi todos los modernos espectrofotómetros deinfrarrojos son FTIV. 

2.4. ESPECTROSCOPIA DE RESONANCIA MAGNÉTICA

Esta técnica espectroscópica puede utilizarse sólo para estudiar núcleosatómicos con un número impar de protones o neutrones (o de ambos). Estasituación se da en los átomos de 1 H, 13C, 19F y 31P. Este tipo de núcleosson magnéticamente activos, es decir poseen espín, igual que loselectrones, ya que los núcleos poseen carga positiva y poseen unmovimiento de rotación sobre un eje que hace que se comporten como sifueran pequeños imanes.

En ausencia de campo magnético, los espines nucleares se orientan al azar.Sin embargo cuando una muestra se coloca en un campo magnético, tal y comose muestra en la siguiente figura, los núcleos con espín positivo seorientan en la misma dirección del campo, en un estado de mínima energíadenominado estado de espín α, mientras que los núcleos con espín negativose orientan en dirección opuesta a la del campo magnético, en un estado demayor energía denominado estado del espín β.

Existen más núcleos en el estado de espín α que en el β pero aunque ladiferencia de población no es enorme sí que es suficiente para establecerlas bases de la espectroscopia de RMN. La diferencia de energía entre losdos estados de espín α y β, depende de la fuerza del campo magnéticoaplicado H0. Cuanto mayor sea el campo magnético, mayor diferenciaenergética habrá entre los dos estados de espín. En la siguiente gráficase representa el aumento de la diferencia energética entre los estados deespín con el aumento de la fuerza del campo magnético.

Cuando una muestra que contiene un compuesto orgánico es irradiadabrevemente por un pulso intenso de radiación, los núcleos en el estado deespín α son promovidos al estado de espín β. Esta radiación se encuentraen la región de las radiofrecuencias (rf) del espectro electromagnéticopor eso se le denomina radiación rf. Cuando los núcleos vuelven a suestado inicial emiten señales cuya frecuencia depende de la diferencia deenergía (∆E) entre los estados de espín α y β. El espectrómetro de RMNdetecta estas señales y las registra como una gráfica de frecuenciasfrente a intensidad, que es el llamado espectro de RMN. El términoresonancia magnética nuclear procede del hecho de que los núcleos están enresonancia con la radiofrecuencia o la radiación rf. Es decir, los núcleospasan de un estado de espín a otro como respuesta a la radiación rf a laque son sometidos. La siguiente ecuación muestra la dependencia entre lafrecuencia de la señal y la fuerza del campo magnético H0 (medida enTeslas, T).

El valor del radio giro magnético depende del tipo de núcleo que se estáirradiando; en el caso del 1H es de 2.675 x 108 T-1s-1. Si espectrómetrode RMN posee un imán potente, éste debe trabajar a una mayor frecuenciapuesto que el campo magnético es proporcional a dicha frecuencia. Así porejemplo, un campo magnético de 14.092 T requiere una frecuencia de trabajode 600 MHz.

Hoy en día los espectrómetros de RMN trabajan a 200,300, 400, 500 y 600MHz.

2.5. ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN ATÓMICA.

En química analítica, la espectrometría de absorción atómica es unatécnica para determinar la concentración de un elemento metálicodeterminado en una muestra. Puede utilizarse para analizar laconcentración de más de 62 metales diferentes en una solución.

Aunque la espectrometría de absorción atómica data del siglo XIX, la formamoderna fue desarrollada en gran medida durante la década de los 50 por unequipo de químicos de Australia, dirigidos por Alan Walsh.

PRINCIPIOS EN LOS QUE SE BASA

La técnica hace uso de la espectrometría de absorción para evaluar laconcentración de un analito en una muestra. Se basa en gran medida en laley de Beer-Lambert.

En resumen, los electrones de los átomos en el atomizador pueden serpromovidos a orbitales más altos por un instante mediante la absorción deuna cantidad de energía (es decir, luz de una determinada longitud deonda). Esta cantidad de energía (o longitud de onda) se refiereespecíficamente a una transición de electrones en un elemento particular,y en general, cada longitud de onda corresponde a un solo elemento.

Como la cantidad de energía que se pone en la llama es conocida, y lacantidad restante en el otro lado (el detector) se puede medir, esposible, a partir de la ley de Beer-Lambert, calcular cuántas de estastransiciones tienen lugar, y así obtener una señal que es proporcional ala concentración del elemento que se mide.

INSTRUMENTOS

Para analizar los constituyentes atómicos de una muestra es necesarioatomizarla. La muestra debe ser iluminada por la luz. Finalmente, la luz

es transmitida y medida por un detector. Con el fin de reducir el efectode emisión del atomizador (por ejemplo, la radiación de cuerpo negro) odel ambiente, normalmente se usa un espectrómetro entre el atomizador y eldetector.

Tipos de atomizadores

Para atomizar la muestra normalmente se usa una llama, pero también puedenusarse otros atomizadores como el horno de grafito o los plasmas,principalmente los plasmas de acoplamiento inductivo.

Cuando se usa una llama, se dispone de tal modo que pase a lo largolateralmente (10 cm) y no en profundidad. La altura de la llama sobre lacabeza del quemador se puede controlar mediante un ajuste del flujo demezcla de combustible. Un haz de luz pasa a través de esta llama en ellado más largo del eje (el eje lateral) e impacta en un detector.

Análisis de los líquidos

Una muestra de líquido normalmente se convierte en gas atómico en trespasos:

1. Desolvación. El líquido disolvente se evapora, y la muestrapermanece seca.

2. Vaporización. La muestra sólida se evapora a gas.3. Atomización. Los compuestos que componen la muestra se

dividen en átomos libres. 

Fuentes de luz

La fuente de luz elegida tiene una anchura espectral más estrecha que lade las transiciones atómicas.

* Lámparas de cátodo hueco. En su modo de funcionamiento convencional, laluz es producida por una lámpara de cátodo hueco. En el interior de lalámpara hay un cátodo cilíndrico de metal que contiene el metal deexcitación, y un ánodo. Cuando un alto voltaje se aplica a través delánodo y el cátodo, los átomos de metal en el cátodo se excitan y producenluz con una determinada longitud de onda. El tipo de tubo catódico huecodepende del metal que se analiza. Para analizar la concentración de cobreen un mineral, se utiliza un tubo catódico de cobre, y así para cualquierotro metal que se analice.

* Lásers de diodo. La espectrometría de absorción atómica también puedeser llevada a cabo mediante láser, principalmente un láser de diodo, ya

que sus propiedades son apropiadas para la espectrometría de absorciónláser. La técnica se denomina espectrometría de absorción atómica porláser de diodo (DLAAS o DLAS), o bien, espectrometría de absorción pormodulación de longitud de onda.

MÉTODOS DE CORRECCIÓN DE FONDO

El estrecho ancho de banda de las lámparas catódicas huecas hace que seararo el solapamiento espectral. Es decir, es poco probable que una líneade absorción de un elemento se solape con otra. La emisión molecular esmucho más amplia, por lo que es más probable que algunas bandas deabsorción molecular se superpongan con una línea atómica. Esto puederesultar en una absorción artificialmente alta y un cálculo exagerado dela concentración en la solución. Se utilizan tres métodos para corregiresto:

* Corrección de Zeeman. Se usa un campo magnético para dividir la líneaatómica en dos bandas laterales. Estas bandas laterales están losuficientemente cerca de la longitud de onda original como para solaparsecon las bandas moleculares, pero están lo suficientemente lejos como parano coincidir con las bandas atómicas. Se puede comparar la absorción enpresencia y ausencia de un campo magnético, siendo la diferencia laabsorción atómica de interés.

* Corrección de Smith-Hieftje (inventada por Stanley B. Smith y Gary M.Hieftje) - La lámpara catódica hueca genera pulsos de alta corriente,provocando una mayor población de átomos y auto-absorción durante lospulsos. Esta auto-absorción provoca una ampliación de la línea y unareducción de la intensidad de la línea a la longitud de onda original. 

* Lámpara de corrección de deuterio. En este caso, se usa una fuente deamplia emisión (una lámpara de deuterio), para medir la emisión de fondo.El uso de una lámpara separada hace de este método el menos exacto, perosu relativa simplicidad (y el hecho de que es el más antiguo de los tres)lo convierte en el más utilizado

2.6. ESPECTROMETRÍA DE MASAS.

La Espectrometría de Masas es una poderosa técnica microanalítica usadapara identificar compuestos desconocidos, para cuantificar compuestosconocidos, y para elucidar la estructura y propiedades químicas demoléculas. La detección de compuestos puede ser llevada a cabo concantidades realmente pequeñas (algunos pmoles) de muestra y obtener

información característica como el peso y algunas veces la estructura delanalito.

En todos los casos, alguna forma de energía es transferida a las moléculasa analizar para afectar la ionización. En la técnica clásica de impactoelectrónico (electron ionization EI), algunas de las moléculas ionizadasdel analito “explotan” en una variedad de fragmentos ionizados, el patrónde fragmentación resultante así como los iones residuales constituyen elespectro de masas. En principio, el espectro de masas de cada compuesto esúnico y puede ser usado como se “huella química” para caracterizar elanalito.

Esta técnica ofrece numerosas ventajas frente a las técnicasespectofotométricas ya que:

Los límites de detección que son, para muchos elementos, tresórdenes de magnitud más sensibles frente a los métodos ópticos.

Espectros notablemente más sencillos, generalmente únicos y confrecuencia fácilmente interpretables.

Capacidad para medir relaciones isotópicas atómicas.

En cambio, también tienen una serie de desventajas que no podemos obviarcomo:

El coste del instrumento es de dos a tres veces el de losinstrumentos ópticos atómicos.

La deriva del instrumento puede ser del orden del 5 o 10%/hora. Contiene unas determinadas interferencias.

Con la espectrometría de masas somos capaces de proporcionar informaciónacerca de:

La composición elemental de las muestras: de esta se encarga laespectrometría de masas atómico.

De la composición de las moléculas inorgánicas, orgánicas ybiológicas.

De la composición cualitativa y cuantitativa de mezclas complejas. De la estructura y composición de superficies sólidas. De las relaciones isotópicas de átomos en las muestras.

La espectrometría de masas se fundamenta en la separación de partículasmoleculares o atómicas por su diferente masa. El proceso de laespectrometría de masas comprende básicamente cuatro etapas:

1. Ionización de la muestra.

2. Aceleración de los iones por un campo eléctrico.3. Dispersión de los iones según su masa/carga.4. Detección de los iones y producción de la correspondiente señal

eléctrica.

Como consecuencia del bombardeo electrónico en la cámara de ionización,las moléculas se rompen en una serie de fragmentos, siempre que una mismamolécula se rompa en las mismas condiciones nos dará el mismo tipo ynúmero de fragmentos y constituyen la fragmentación patrón.Gracias a esto se pueden determinar que es la muestra por comparación ypor otra parte, la intensidad relativa de los distintos picos, permitededucir la proporción en que cada componente se encuentra en la muestra.El pico del espectrograma que aparece con valor más elevado de m/ecorresponde a la molécula ionizada sin fragmentar y recibe el nombrede masa patrón. Esta masa patrón nos permite determinar con rapidez yprecisión la masa molecular, siempre que se opere con una tensión deionización no excesivamente elevada, la cual produciría la fragmentacióntotal de la molécula (Rouessac, Rouessac, 2003, 312). El pico mayor delespectrograma de masa se llama pico base. Normalmente la altura de estepico se toma como valor cien. Las intensidades de los demás picos seexpresan en porcentajes de la intensidad del pico base.

Cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS)

La cromatografía de gases es una técnica separativa que permite laseparación de mezclas muy complejas. Pero una vez separados, detectados, eincluso cuantificados todos los componentes individuales de una muestraproblema, el único dato de que disponemos para la identificación de cadauno de ellos es el tiempo de retención de los correspondientes picoscromatográficos. Este dato no es suficiente para una identificacióninequívoca, sobre todo cuando analizamos muestras con un número elevado decomponentes.

Por otra parte, la espectrometría de masas puede identificar de maneracasi inequívoca cualquier sustancia pura, pero normalmente no es capaz deidentificar los componentes individuales de una mezcla sin separarpreviamente sus componentes, debido a la extrema complejidad del espectroobtenido por superposición de los espectros particulares de cadacomponente.

Por lo tanto, la asociación de las dos técnicas, GC (Gas Chromatography) y

MS (Mass Spectrometry) da lugar a una técnica combinada GC-MS que permitela separación e identificación de mezclas complejas.