CAPITULO III INTRODUCCIÓN A LA ESPECTROSCOPÍA Y ESPECTROSCOPÍA MOLECULAR: UV-Vis-IR

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1 CAPITULO III INTRODUCCIÓN A LA ESPECTROSCOPÍA Y ESPECTROSCOPÍA MOLECULAR: UV-Vis-IR 1

2 INTRODUCCIÓN A LA ESPECTROSCOPÍA Los métodos de análisis que se basan en la medición de la 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 o 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. La espectroscopía ha jugado un papel fundamental en el desarrollo de la teoría atómica moderna. Por otra parte, también han aportado las herramientas más utilizadas para elucidar las estructuras moleculares, así como para identificar y obtener la composición cuantitativa y cualitativa de sustancias orgánicas e inorgánicas. NATURALEZA DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA La radiación electromagnética también denominada energía radiante, es una clase de energía que se transmite por el espacio a enormes velocidades. Adopta muchas formas, siendo las más fácilmente reconocibles la luz y el calor radiante. Otras manifestaciones menos evidentes son la radiación gamma, de rayos X, ultravioleta, de microondas y de radiofrecuencias. La luz y otras formas de energía radiante parecen tener naturaleza dual. La radiación electromagnética puede considerarse como una onda que viaja a la velocidad de la luz. Este modelo ondulatorio es necesario para explicar la difracción, la refracción y otros efectos ópticos. Sin embargo, algunas propiedades de la citada radiación se explican mejor si se considera que se encuentra constituida por partículas discretas o paquetes ondulatorios de energía, conocidas como fotones, que también viajan a la velocidad de la luz. Este modelo corpuscular ayuda a comprender que tanto la emisión como la absorción de energía radiante se llevan a cabo mediante fotones. Este doble punto de vista de la radiación como partícula y como onda no es mutuamente excluyente, sino complementario. Propiedades de onda: parámetros de interés. La radiación electromagnética puede representarse como oscilaciones sinusoidales perpendiculares de campos magnéticos y eléctricos, tal como se muestra en la figura 1. El campo eléctrico se representa como un vector cuya longitud es proporcional a la fuerza del campo. La abscisa de este gráfico puede ser el tiempo cuando la radiación pasa por un punto fijo del espacio, o bien, la distancia a un tiempo determinado. Obsérvese que la dirección en la que oscila el campo es perpendicular a la dirección en que se propaga la radiación. Fig. 1. Representación de un haz de radiación monocromática polarizada en el plano (a) Campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y respecto a la dirección de propagación (b) Representación bidimensional del vector eléctrico (Libro: Análisis instrumental, Skoog) En la Figura 1b, se muestra la amplitud (A) de una onda sinusoidal como la longitud del vector eléctrico en el máximo de la onda. El tiempo, en segundos, necesario para el paso de sucesivos máximos o mínimos por un punto fijo del espacio se denomina el período (p) de la radiación. La frecuencia ( ) es el número de oscilaciones del campo por segundo y es igual a 1/p. La unidad de frecuencia es el hertz (Hz) y equivale a un ciclo por segundo (1 Hz = s -1 ). Otro parámetro de interés es la longitud de onda ( ), que es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondas sucesivas (por ejemplo, sucesivos máximos o mínimos). Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 2

3 Para medir la longitud de onda se emplean comúnmente las siguientes unidades: m = micrómetro = 10-6 metros = 10-4 centímetros nm = nanómetro = 10-9 metros = 10-7 centímetros 0 A = angstrom = metros = 10-8 centímetros La multiplicación de la frecuencia en ciclos por segundo por la longitud de onda en metros por ciclo da la velocidad de propagación ( i) en metros por segundo: i i (ciclo/s. m/ciclo= m/s) (1) En cierto sentido, la frecuencia es más fundamental que la longitud de onda. La frecuencia permanece constante cualquiera sea el medio en el que se propaga o transmite la radiación. Por el contrario, la velocidad de la radiación depende de la composición del medio que atraviesa. Por tanto, se puede ver a partir de la ecuación 1 que la longitud de onda depende también del medio. El subíndice i de la ecuación 1 enfatiza estas dependencias. En el vacío, la velocidad de la radiación es independiente de la longitud de onda y alcanza su valor máximo. Esta velocidad, representada por el símbolo c, se ha determinado que vale 2,997 x 10 8 m/s. La ecuación 1 puede escribirse con tres cifras significativas como: c = = 3,00 x 10 8 m/s (2) = 3,00 x cm/s El número de onda, es otra forma de describir la radiación electromagnética. Se define como el inverso de la longitud de onda en cm (1/ ), la unidad para es cm -1. El número de onda se usa mucho en espectroscopía infrarroja. Es una unidad útil porque, al revés que la longitud de onda, es directamente proporcional a la frecuencia y a la energía de la radiación. Así pues se puede escribir: k donde la constante de proporcionalidad k depende del medio y es igual a la inversa de la velocidad (ecuación 1). La potencia (P) de la radiación es la energía en watts (W) del haz que llega a un área dada por segundo, mientras que la intensidad ( I ) es la potencia por unidad de ángulo sólido. Aunque rigurosamente no es correcto, potencia e intensidad se usan a menudo como sinónimos. Propiedades de partícula: los fotones En muchos tipos de interacción de la radiación electromagnética con la materia, es más adecuado considerar a la luz como paquetes de fotones o cuantos. La energía de un fotón puede relacionarse con su longitud de onda, frecuencia y número de onda mediante la ecuación: (3) hc E h hc h es la constante de Planck (6.63 x10-34 J.s) Obsérvese que, a diferencia de la longitud de onda, el número de onda y la frecuencia son directamente proporcionales a la energía del fotón. INTERACCIONES DE LA RADIACIÓN Y LA MATERIA Las interacciones que son especialmente importantes en la espectroscopía son las que dan lugar a transiciones entre diferentes niveles de energía de las especies químicas. Otros tipos de interacciones, como la reflexión, refracción, la difracción, etc., están más relacionadas con las propiedades gruesas de la materia que con los niveles de energía de moléculas específicas o átomos. Aunque estas interacciones también son importantes en la espectroscopía, aquí sólo se analizarán las interacciones que originan transiciones en los niveles de energía. Los tipos de interacción dependen estrechamente de la energía de la radiación que se utiliza y de la forma en que ésta se detecta. El espectro electromagnético es el conjunto de todas las radiaciones electromagnéticas conocidas, dispuestas según su longitud de onda. Incluye desde los rayos gama, de longitud de onda corta (más energéticos), hasta las ondas de radio, de longitud de onda más larga. Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 3

4 Aumento de longitud de onda Fig. 2. Diagrama de las regiones del espectro electromagnético con longitudes de onda y frecuencias de la radiación electromagnética. (Libro: Análisis intrumental. Rubinson) Obsérvese que una mínima parte del espectro corresponde a la luz la cual es la radiación electromagnética en la región espectral visible para el ojo humano normal. El intervalo de longitud de onda de la luz es aproximadamente de 380 a 780 nm. La radiación ultravioleta abarca el intervalo espectral desde 180 hasta 380 nm. Para análisis se emplea generalmente entre 200 a 380 nm. La radiación infrarroja abarca el intervalo espectral de 0.78 a 300 m aproximadamente, pero el que se emplea más comúnmente en análisis es de 2.5 a 25 m. La Tabla 1 recoge los intervalos de longitud de onda y de frecuencia de las regiones del espectro que interesan con fines analíticos, así como los nombres de los diversos métodos espectroscópicos asociados con cada uno. La última columna de la tabla indica los tipos de transiciones cuánticas nucleares, atómicas o moleculares debidas a las interacciones de la radiación con una muestra y que constituyen el fundamento de las distintas técnicas espectroscópicas. Obsérvese que la radiación de baja energía utilizada en la resonancia magnética nuclear (RMN) ocasiona cambios mínimos, como los cambios de orientación en el espín; por su parte la radiación de alta energía que utiliza la espectroscopía de rayos gamma puede inducir efectos más drásticos, como son los cambios en la configuración nuclear. En nuestro curso, estudiaremos las transiciones debidas a la radiación en la zona UV, visible e infrarrojo. Las primeras producen cambios en la distribución electrónica y la última genera rotaciones y vibraciones en las moléculas. INTERACCIÓN Orientaciones de espín Rotaciones moleculares Vibraciones moleculares Capa de valencia (transiciones electrónicas) Capa interna (transiciones electrónicas) Transiciones nucleares MÉTODO RMN ESR Microondas IR UV / V Rayos X Rayos Fig. 3. Tipo de espectroscopia y las interacciones atómicas y moleculares en las cuales están basadas. Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 4

5 Tabla 1. Modelos espectroscópicos generales basados en la radiación electromagnética. TIPO DE ESPECTROSCOPIA INTERVALO HABITUAL DE LONGITUD DE ONDA INTERVALO HABITUAL DE NÚMERO DE ONDA, cm -1 TIPO DE TRANSICION CUÁNTICA Emisión de rayos gamma 0,005-1,4 A Nuclear Absorción, emisión, fluorescencia y difracción de rayos X Absorción ultravioleta de vacío Absorción, emisión y fluorescencia ultravioleta visible Absorción y dispersión Raman infrarroja 0,1-100 A Electrones internos nm 1x10 6 a 5 x10 4 Electrones de enlace nm 5 x 10 4 a 1,3 x 10 4 Electrones de enlace 0, m 1,3 x Rotación /vibración de a 3,3x10 moléculas Absorción de microondas 0,75-3,75 mm 13 a 27 Rotación de moléculas Resonancia de espín electrónico 3 cm 0,33 Espín de los electrones en un campo magnético Resonancia magnética nuclear 0,6-10 m 1,7 x Espín de los núcleos en a 1 x10 un campo magnético En la espectroscopía se utilizan estas interacciones entre la luz y la materia a fin de obtener información sobre el analito presente en una muestra. Esta última puede estimularse ya sea aplicando energía en forma de calor, de electricidad, de luz, de partículas o sometiéndola a alguna reacción química. Antes de aplicar cualquiera de estos estímulos, el analito está predominantemente en su nivel más bajo de energía o estado fundamental o estado basal. El estímulo induce una transición de algunas especies del analito a un estado de energía superior o estado excitado. Como resultado de esto se producen, entre otros, fenómenos de absorción o emisión energética. Por lo tanto, para obtener información sobre el analito, se mide la radiación electromagnética emitida cuando éste regresa a su estado basal (espectroscopía de emisión), o puede medirse la cantidad de radiación electromagnética absorbida como consecuencia de la excitación (espectroscopía de absorción). A continuación analizaremos con más detalle estos fenómenos. a) Proceso de absorción: cuando una partícula, que se encuentra en estado de reposo o estado fundamental, interacciona con un haz de luz, absorbe energía, y pasa a lo que se denomina estado excitado. En la partícula se producen cambios que dependen de las características de la propia partícula (tipo de enlaces, etc.) y de la energía (según la longitud de onda) de la luz que interacciona. La partícula en estado excitado tiende a regresar espontáneamente a su estado fundamental, desprendiendo la energía absorbida en forma de calor. Este fenómeno puede representarse de la siguiente manera: Aº + h. A* Aº + calor Aº = absorbente en estado fundamental A* = absorbente en estado excitado h. = E = energía del fotón absorbido h = constante de Planck = frecuencia de la radiación Los átomos, moléculas o iones sólo tienen un número limitado de niveles de energía discretos y, por tanto, para que se produzca la absorción de la radiación, la energía de los fotones excitadores debe coincidir exactamente con la diferencia de energías entre el estado fundamental y uno de los estados excitados de las especies absorbentes. La medida de la cantidad de luz absorbida por una solución de una especie absorbente, es el fundamento en que se basan las técnicas de Espectrofotometría de absorción. Con este fin, se representa la absorbancia en función de la longitud de onda o de la frecuencia. Cada especie absorbente (cromógeno) tiene lo que se llama un espectro de absorción característico. Este espectro representa la relación entre la longitud de onda incidente y la absorbancia que presenta una solución de la especie, en condiciones definidas de trabajo. Al gráfico que resulta de representar en un eje de coordenadas Absorbancia (ordenadas) frente a longitud de onda (abscisas), es a lo que llamamos espectro de absorción (figura 4). Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 5

6 Fig. 4. Espectro de absorción Los espectros de absorción son de utilidad tanto para seleccionar la longitud de onda más adecuada para una medida cuantitativa (longitud de onda a la que la absorción es máxima), como para fines de identificación cualitativa. En la química analítica instrumental, el término espectro posee diversas variantes. Un espectro de emisión se obtiene por separación de las longitudes de onda individuales de la energía emitida por una fuente de luz. Un espectro de absorción es el conjunto de líneas o, más frecuentemente, bandas cuyas longitudes de onda son absorbidas por el medio al pasar por éste la luz compuesta. Los cambios en una moléculas ocasionados por absorción de luz pueden ser electrónicos (cambio en la energía de los electrones distribuidos alrededor de los átomos de la molécula), vibracionales (cambios en la separación promedio de los núcleos de uno o más átomos) y rotacionales (rotación de un dipolo químico). Se necesita una radiación de energía más alta para que se efectúen transiciones electrónicas (cambios) que la necesaria para que se efectúen transiciones rotacionales o vibracionales. Absorción Atómica: el paso de radiación policromática ultravioleta o visible a través de un medio constituido por partículas monoatómicas, como mercurio o sodio gaseosos, produce la absorción de sólo unas pocas frecuencias bien definidas. La relativa simplicidad de tales espectros se debe al pequeño número de posibles estados energéticos de las partículas absorbentes. La excitación sólo puede producirse mediante un proceso electrónico en el que uno o varios de los electrones del átomo se promocionan a un nivel de energía más alto. Las longitudes de onda ultravioleta y visible tienen energía suficiente para originar transiciones sólo de los electrones más externos o electrones de enlace. Absorción Molecular: los espectros de absorción de las moléculas poliatómicas, y en particular en estado condensado, son bastante más complejos que los espectros atómicos, porque el número de estados de energía de las moléculas es, en general, enorme si se compara con el número de átomos aislados. La energía E asociada a las bandas de una molécula viene dada por tres componentes: E = E electrónica + E vibracional + E rotacional En síntesis, lo más importante es que la muestra absorba parte de la radiación incidente para que se promueva la transición del analito hacia un estado excitado. En la espectroscopía de absorción, se mide la cantidad de luz absorbida en función de la longitud de onda utilizada, lo cual puede dar información cualitativa y cuantitativa de la muestra. b) Proceso de emisión: algunos compuestos tienen la propiedad, tras ser excitados, de retornar a su estado fundamental, produciendo una emisión de energía electromagnética. La luz emitida se puede medir, y ello constituye el principio de algunas técnicas, como la Fotometría de llama, o la Fluorescencia. Este fenómeno puede representarse de la siguiente manera: Aº + h. 1 A* Aº + h. 2 Aº = absorbente en estado fundamental A* = absorbente en estado excitado h. 1 = E 1 = energía de excitación h. 2 = E 2 = energía de emisión La energía radiante emitida cuando el analito regresa a su estado basal, puede dar información sobre la naturaleza del mismo y de su concentración. La radiación electromagnética se origina cuando partículas excitadas (iones, átomos o moléculas) se relajan a niveles de energía basal cediendo su exceso de energía en forma de Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 6

7 fotones. La excitación puede producirse por diversos medios, tales como el bombardeo con electrones u otras partículas elementales, la exposición a chispas de corriente alterna de potencial elevado, el tratamiento térmico en un arco o una llama, o la absorción de radiación electromagnética. Las partículas elementales radiantes (átomos o iones atómicos) que están muy separadas entre sí, como en el estado gaseoso, se comportan como cuerpos independientes y, a menudo, producen radiación que contiene sólo unas pocas longitudes de onda específicas. Por tanto el espectro resultante es discontinuo y se denomina un espectro de líneas. Por otro lado, un espectro continuo es aquél en el que todas las longitudes de onda están presentes dentro de un intervalo apreciable, o uno en el que las longitudes de onda están tan próximas entre sí que la resolución no es factible por medios ordinarios. Tanto los espectros continuos como los de líneas tienen importancia en química analítica instrumental. Los primeros se emplean con frecuencia como fuentes en métodos basados en la interacción de la radiación con la materia, como la espectrofotometría. Por otra parte, los espectros de líneas son importantes porque permiten la identificación y determinación de las especies emisoras. Esta sección se enfocará en la espectroscopía de absorción en la región UV/Visible del espectro, ya que este tipo de análisis es el que más se utiliza en áreas tan diversas como química, biología, ingeniería, agricultura y análisis de alimentos. LA LEY DE LAMBERT Y BEER O LEY DE LA ABSORCIÓN Cada especie molecular tiene la capacidad de absorber su propia frecuencia característica de la radiación electromagnética. Este proceso transfiere energía a la molécula y provoca una disminución en la intensidad de la radiación electromagnética incidente. En la Figura 5 se representa un haz de radiación paralela, antes y después de haber atravesado una capa de b cm de grosor de una solución de una especie absorbente de concentración c. La flecha más grande en el rayo incidente significa que la energía radiante es mayor que la transmitida por la solución. b b P 0 P Solución absorbente de concentración c Fig. 5. Atenuación de un haz de radiación por una solución absorbente. Como puede verse, debido a las interacciones que suceden entre los fotones y las partículas absorbentes, la absorción de la radiación atenúa, es decir disminuye la energía, del rayo incidente desde P 0 hasta P de acuerdo, con la ley de la absorción. Cuanto mayor sea la trayectoria del rayo en la solución de analito de una concentración dada, habrá más especies que absorban la radiación y la atenuación será mayor. La transmitancia T de la solución es la fracción de radiación incidente transmitida por la solución, tal como se muestra en la ecuación 4. A menudo, se expresa la transmitancia como un porcentaje. P (4) (5) T P % T. 100 P0 P 0 La absorbancia A de una solución es una medida que relaciona en forma logarítmica la radiación incidente y la que emite la muestra. Está relacionada con la transmitancia en forma logarítmica (ecuación 5) y viene definida por la ecuación: P P (6) A logt log log 0 P 0 P Obsérvese que el aumento en la absorbancia de una solución se acompaña de una disminución en la transmitancia y que, a diferencia de la transmitancia, la absorbancia de una solución aumenta cuanto mayor es la atenuación del haz. La ley de la absorción, también conocida como ley de Lambert y Beer, o simplemente ley de Beer, da información cuantitativa de cómo es que la atenuación de la radiación depende de la concentración de las moléculas que la absorben y de la distancia que recorre el rayo en el medio absorbente. Volviendo al análisis de la figura 5, la ley de absorción establece la relación entre el grado de absorbancia de una solución y otras dos variables: la concentración del absorbente y la longitud del trayecto que el haz de luz recorre a través de la solución. Experimentalmente se muestra que la absorbancia es directamente proporcional a: Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 7

8 Una constante que es una propiedad característica de la sustancia por sí misma así como de la longitud de onda medida. Se denomina absortividad específica (a) si la concentración se expresa en gramos/litro y absortividad molar ( ) si la concentración se expresa en moles / litro. Es deseable que su valor sea elevado en el análisis cuantitativo porque se logra una mayor sensibilidad analítica. La longitud de paso óptico (b) a través del cual la luz viaja hacia la muestra. A menudo se expresa en cm. La concentración de la sustancia que absorbe la luz. Puede expresarse en gramos/ litro (c) o moles / litro (C). Estos tres parámetros definen la expresión matemática de la ley de Lambert - Beer: A = a b c A = b C (6) De esto podemos deducir el enunciado de la ley de absorción: La absorbancia de una solución es directamente proporcional a la concentración de la sustancia y a la longitud del paso de luz. La ley de Beer se puede utilizar en distintas maneras. Pueden calcularse las absortividades molares de las especies si se conocen sus concentraciones. También se puede emplear el valor de la absorbancia medida para conocer la concentración si es que se conocen la absortividad y la longitud de la trayectoria de la radiación. Sin embargo, la absortividad es una función de diversas variables, tales como el disolvente, la composición de la solución, la temperatura y la longitud de onda. Por esta razón es aconsejable no depender nunca de los valores dados en la literatura para hacer un análisis cuantitativo. Para conocer la absortividad en las condiciones de análisis, se construye una curva de calibración. La ley de absorción también se aplica a soluciones que contengan más de una clase de especies absorbentes. Suponiendo que no haya interacción entre las distintas especies, la absorbancia total para un sistema multicomponente se expresa como la suma de las absorbancias parciales en la que los subíndices 1, 2,., n se refieren a los componentes absorbentes. A total = A 1 + A A n A total = 1 bc bc n bc n Limitaciones propias de la ley de Beer Pocas excepciones pueden encontrarse a la idea generalizada de que existe una relación lineal entre la absorbancia y la longitud de la trayectoria. Por el contrario, cuando b es constante se suelen encontrar desviaciones a la proporcionalidad directa entre la absorbancia medida y la concentración. Algunas de esas desviaciones son fundamentales y representan limitaciones reales a la ley. Otras ocurren como consecuencia de la manera en que se realizan las medidas de absorbancia, o como resultado de los cambios químicos asociados a las variaciones de concentración, estas dos últimas se conocen a veces, respectivamente como desviaciones instrumentales y desviaciones químicas. Limitaciones reales: la ley de Beer sólo describe bien el comportamiento de la absorción en soluciones diluidas, en este sentido, es una ley límite. A concentraciones elevadas (mayores a 0,01 M), la distancia promedio entre las especies responsables de la absorción disminuye hasta el punto en que cada una afecta a la distribución de carga de sus vecinas. Esta interacción, a su vez, puede alterar la capacidad de que las especies absorban a una determinada longitud de onda de radiación. Dado que el grado de interacción depende de la concentración, el hecho de que ocurra este fenómeno causa ciertas desviaciones de la relación lineal entre la absorbancia y la concentración. Aunque el efecto de las interacciones moleculares no suele ser significativo a concentraciones por debajo de 0,01 M, se encuentran algunas excepciones entre ciertos iones o moléculas orgánicas de gran tamaño. Desviaciones químicas Se producen desviaciones de la ley de Beer cuando un analito se disocia, asocia o reacciona con un disolvente, para dar lugar a un producto que presenta un espectro de absorción diferente que el del analito. Los indicadores ácido/base constituyen un ejemplo frecuente de este comportamiento. Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 8

9 Desviaciones instrumentales El cumplimiento estricto de la ley de Beer sólo se observa con una radiación verdaderamente monocromática. Esta observación constituye también otra manifestación del carácter límite de esta ley. Por desgracia, rara vez se puede usar de forma práctica una radiación que se limite a una sola longitud de onda, ya que los dispositivos que aíslan partes de la señal de salida de una fuente continua, originan en torno al valor deseado una banda más o menos simétrica de longitudes de onda. Esto causa que la curva de absorbancia concentración se desvíe hacia el eje de las concentraciones. Otra de las desviaciones instrumentales se debe a la presencia de radiación parásita. La radiación que sale de un monocromador suele estar contaminada con pequeñas cantidades de radiación dispersada o parásita, la cual llega a la rendija de salida debido a la dispersión y a las reflexiones en las diversas superficies interiores. A menudo, la radiación parásita difiere bastante en longitud de onda respecto a la radiación principal y, además, puede no haber atravesado la muestra. ESPECTROSCOPÍA UV V IR Los primeros instrumentos espectroscópicos se desarrollaron para utilizarse en la región visible y por tanto se denominaron instrumentos ópticos. Hoy en día, este término se ha ampliado con el fin de incluir también a los instrumentos diseñados para las regiones ultravioleta e infrarroja. Aunque la terminología no es estrictamente correcta, sirve para subrayar los numerosos aspectos comunes a los instrumentos usados en esas tres importantes regiones espectrales. El objetivo de este capítulo es describir aquellos componentes de los instrumentos ópticos que son comunes a todas las diversas técnicas ópticas espectroscópicas que se tratan. Los instrumentos para estudios espectroscópicos de regiones más energéticas que la ultravioleta y menos que la infrarroja poseen características que difieren sustancialmente de las de los instrumentos ópticos. 1- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ÓPTICOS: Los métodos ópticos se basan en seis fenómenos- denominados: (1) absorción, (2) fluorescencia, (3) fosforescencia, (4) dispersión (5) emisión y (6) quimioluminiscencia. Para medir dichos fenómenos la mayoría de los componentes de los instrumentos son muy parecidos, aunque difieren algo en su configuración. Además, las propiedades necesarias de dichos componentes son las mismas prescindiendo de su aplicación a la región ultravioleta, visible o infrarroja del espectro. Los instrumentos espectroscópicos característicos incluyen cinco componentes: (1) una fuente estable de energía radiante, (2) un recipiente transparente para contener la muestra, (3) un dispositivo para realizar la medida que aísle una región restringida del espectro, (4) un detector de radiación, que convierte la energía radiante en una señal utilizable (en general eléctrica) y (5) un sistema de tratamiento y lectura de la señal, el cual visualiza la señal transducida en una escala medidora, en un tubo de rayos catódicos, en un medidor digital o en un registrador gráfico. (a) Fuente de lámpara o de sólido incandescente (1) Cubeta de la muestra (2) Selector de longitudes de onda (3) Detector fotoeléctrico (4) Sistema de tratamiento y lectura de señales (5) (b) Cubeta de la muestra (2) Selector de longitudes de onda (3) Detector fotoeléctrico (4) Sistema de tratamiento y lectura de señales (5) Fuente de lámpara o de sólido incandescente (1) (c) Fuente y cubeta con la muestra (1 y 2 ) Selector de longitudes de onda (3) Detector fotoeléctrico (4) Sistema de tratamiento y lectura de señales (5) Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 9

10 La figura ilustra las tres formas de configuración de estos componentes para realizar los seis tipos de mediciones espectroscópicas mencionadas antes. Como puede verse en la figura los componentes (3),(4) y (5) se colocan de igual manera para cada tipo de medida. Las dos primeras configuraciones instrumentales, que se usan para la medida de absorción, fluorescencia, fosforescencia y dispersión necesitan una fuente externa de energía radiante. Para la absorción, el haz procedente de la fuente pasa directamente de la muestra al selector de longitud de onda (en algunos instrumentos, la posición de la muestra y el selector se invierte). La última de las tres corresponde a espectroscopía de emisión aquí la fuente es la propia muestra, retenida en un recipiente para emitir radiación fluorescente, fosforescente o dispersada que se mide a un ángulo dado (por lo general 90 grados) respecto de la fuente. Fuentes de radiación Para utilizarse en espectroscopía una fuente debe generar un haz de radiación con potencia suficiente para que se detecte y mida con facilidad. Además su potencia de salida debe ser estable durante períodos de tiempo razonables. Típicamente, la potencia radiante de una fuente varía de manera exponencial con el potencial de la fuente de alimentación eléctrica. Para proporcionar la estabilidad necesaria, a menudo, se utiliza una fuente reguladora de potencia. El problema de la estabilidad de la fuente se soluciona con diseños de doble haz en los que la relación de la señal de la muestra respecto a la de la fuente en ausencia de muestra sirve como parámetro analítico. En dichos diseños, las intensidades de los dos haces se miden simultánea o casi simultáneamente de manera que el efecto de las fluctuaciones de la señal de salida de la fuente se anula en gran parte. Las fuentes espectroscópicas más ampliamente utilizadas son de dos tipos: continuas y de líneas. a - Fuentes continuas: Las fuentes continuas se usan mucho en espectroscopia de absorción y de fluorescencia. La fuente más común para la región ultravioleta es la lámpara de deuterio. Cuando se precisa una fuente particularmente intensa, se utilizan lámparas de arco llenas de un gas, argón, xenón o mercurio a alta presión. Para la región visible del espectro, la lámpara de filamento de tungsteno se usa casi universalmente. Las fuentes de infrarrojo más comunes son sólidos inertes calentados a K, una temperatura a la que la máxima salida radiante se produce entre 1,5-1,9 µm. Fuentes de radiación para la región Ultravioleta: - Lámparas de deuterio e hidrogeno: La excitación eléctrica de deuterio o hidrógeno a baja presión produce un auténtico espectro continuo en la región ultravioleta. El mecanismo por el cual se produce un espectro continuo, supone la formación inicial de una especie molecular excitada para dar dos especies atómicas más un fotón ultravioleta. Tanto la lámpara de deuterio como la de hidrógeno dan lugar a un especto continuo utilizable en la región de 160 a 375 nm. Puesto que el vidrio absorbe fuertemente a longitudes de onda menores de unos 350 nm, las lámparas de deuterio e hidrogeno deben utilizar ventanas de cuarzo.. - Lámpara de filamento de tungsteno: Es la más común de radiación visible y del infrarrojo cercano. La distribución de energía de esta lámpara se aproxima a la de un cuerpo negro y por tanto depende de la temperatura, es útil para la región de longitud de onda entre 350 y 2500 nm. El límite inferior lo impone la cubierta de vidrio que aloja al filamento. Necesita mantener un control de voltaje para estabilizarla, utilizando transformadores de voltaje constante. Las lámparas de tungsteno/ halógeno contienen una pequeña cantidad de yodo dentro de la cubierta de cuarzo que aloja al filamento de tungsteno. Dada la elevada temperatura de la lámpara (3500 K) hay que utilizar cuarzo. La vida media es más del doble de la de una lámpara ordinaria. Estas lámparas son bastantes mas eficientes y extienden su intervalo de salida hasta bien entrada la región ultravioleta. Por estas razones, son las que se emplean en muchos instrumentos espectroscópicos modernos. Fuentes de radiación para la región Infrarrojo Consisten en un sólido inerte que se calienta eléctricamente a una temperatura comprendida entre 1500 y 2200 K. Como resultado se obtiene una radiación continua. Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 10

11 - Emisores de Nernst: Constituido por oxido de tierras raras, tiene forma cilíndrica con un diámetro de 1 a 2 mm y una longitud de unos 20 mm. Los extremos del cilindro están unidos a unos conductores de platino que permiten el paso de la electricidad alcanzando temperaturas de 1200 y 2200K. - Fuente globar: Es una varilla de carburo de silicio que por lo general tiene unos 50 mm de longitud y 5 mm de diámetro. Se calienta también eléctricamente (1300 a 1500 K). - Fuente de filamento incandescente: Una fuente de intensidad algo menor, con vida útil más prolongada en comparación con un Globar o un emisor de Nernst, es un espiral muy apretado de alambre de nicromo, que se calienta por el paso de una corriente eléctrica. Alambres de rodio, introducidos en el interior de cilindros de cerámica. - El arco de mercurio: Para el infrarrojo lejano ( 50 m) ninguna de las fuentes antes descriptas, proporcionan suficiente energía para una detección adecuada. En este caso se utiliza un arco de mercurio de alta presión. Es un tubo de cuarzo que contiene vapor de mercurio a una presión mayor que una atmósfera. - Lámpara de filamento de tungsteno: Esta es una fuente adecuada para la región del infrarrojo cercano 4000 a cm -1. b - Fuentes de líneas: Las fuentes que emiten unas pocas líneas discretas se usan ampliamente en espectroscopia de absorción atómica, en espectroscopia de fluorescencia atómica y molecular y en espectroscopia Raman (la refractometría y la polarimetría también emplean fuentes de líneas) Las familiares lámparas de vapor de mercurio y de sodio, utilizadas en distintos instrumentos espectroscópicos, proporcionan unas pocas líneas agudas en las regiones ultravioleta y visible. Las lámparas de cátodo hueco y de descarga sin electrodos son las fuentes de líneas más importantes para los métodos de absorción atómica y de fluorescencia. Con el fin de realizar mediciones de la absorción molecular, se necesita una fuente continua cuya potencia no varíe bruscamente en un intervalo considerable de longitudes de onda. Selectores de longitud de onda Para la mayoría de análisis espectroscópicos se necesita una radiación constituida por un grupo limitado y continuo de longitudes de onda estrechas denominado banda. Un ancho de banda estrecho tiende a aumentar la sensibilidad de las medidas de absorbancia, puede hacer más selectivos tanto los métodos de Figura: Anchuras de banda efectiva para dos tipos de filtros absorción como los de emisión y con frecuencia es una exigencia con miras a obtener una relación lineal entre la señal óptica y la concentración. La señal de salida de un selector de longitud de onda correspondería, idealmente a una radiación de una única longitud de onda o frecuencia. No existe ningún selector de longitud de onda que se aproxime al caso ideal, en su lugar lo que se obtiene es una distribución de longitudes de onda como en la figura. En este caso, se representa el tanto por ciento de radiación incidente de una determinada longitud de onda, transmitida por el selector, en función de la longitud de onda. El ancho de banda efectivo, definido en la figura es una medida inversa de la calidad de dispositivo, siendo la resolución mejor cuanto más estrecho es el ancho de banda. Existen dos clases de selectores de longitud de onda, los filtros y los monocromadores. Filtros (sistemas aislamiento de ) Dos tipos de filtros se emplean para la selección de la longitud de onda, los de absorción (se limitan a la región visible del espectro) y los de interferencia (operan en las regiones ultravioleta, visible e infrarroja). - Filtros de absorción: En general son mas baratos que los filtros de interferencia, se utilizan para la selección de bandas en la región visible. Estos filtros funcionan absorbiendo ciertas zonas del espectro. El tipo mas usual es un vidrio coloreado o una suspensión de un colorante en gelatina que se coloca entre dos placas de vidrio. El primero tiene la ventaja de una mayor estabilidad térmica. Los filtros de absorción tienen anchos de banda entre 30 y 250 nm. Los filtros de corte tienen transmitancia de casi 100% en una zona del espectro visible, pero luego disminuyen, con rapidez, hasta un valor de transmitancia igual a cero en el resto. Una banda espectral estrecha puede aislarse si se acopla un filtro de corte con un segundo filtro. Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 11

12 De la figura resulta evidente que las características de funcionamiento de los filtros de absorción son bastantes inferiores a las de los filtros de interferencia. No solo son sus bandas mayores sino que, para anchos de banda estrechos, la fracción de luz transmitida también es menor. - Filtros de interferencia: Éstos se basan en las interferencias ópticas para así proporcionar bandas de radiación bastante estrechas Un filtro de interferencia consiste en un dieléctrico transparente (con frecuencia fluoruro de calcio o de magnesio) que ocupa el espacio entre dos películas metálicas semitransparentes. Esta disposición se coloca entre dos placas de vidrio y otros materiales transparentes El grosor de la capa dieléctrica se controla con cuidado y determina la longitud de onda de la radiación transmitida. Cuando un haz perpendicular de radiación colimada incide en esta disposición, una fracción atraviesa la primera capa metálica, mientras que la restante se refleja. La parte que ha pasado, sufre una partición similar cuando incide en la segunda película metálica. Si la parte reflejada de la segunda interacción es de longitud de onda adecuada, se refleja en parte desde la cara interior de la primera capa en fase con la luz incidente de la misma longitud de onda. El resultado es que se refuerza esta determinada longitud de onda, mientras que la mayoría de las otras, fuera de fase, sufren una interferencia destructiva. La relación entre el grosor de la capa dialéctica t y la longitud de onda transmitida puede encontrarse con la ayuda de la figura parte (b). Monocromadores: En muchos métodos espectroscópicos, es preciso o deseable poder variar, de forma continua y en un amplio intervalo, la longitud de onda de la radiación. Este proceso se denomina barrido de un espectro. Los monocromadores se diseñan para realizar barridos espectrales. Los monocromadores para las radiaciones ultravioleta, visible e infrarroja son similares en cuanto a construcción mecánica ya que todos ellos utilizan rendijas, lentes, espejos, ventanas y redes o prismas. Para garantizar el barrido, los materiales con los que se fabrican estos componentes, dependen de la región de longitudes de onda a la que se pretende trabajar. - Componentes de los monocromadores: La figura muestra los elementos ópticos de todos los monocromadores: Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 12

13 (1) una rendija de entrada que proporciona una imagen óptica rectangular (2) una lente o espejo colimador que produce un haz paralelo de radiación (3) un prisma o red que dispersa la radiación en sus longitudes de onda individuales (4) un elemento focalizador que forma de nuevo la imagen de la rendija y la enfoca en una superficie plana denominada plano focal (5) una rendija de salida en el plano focal, que aisla la banda espectral deseada. Además la mayoría de los monocromadores tienen ventanas de entrada y salida, cuyo diseño protege a los componentes de polvo y los humos corrosivos del laboratorio. Como se muestra en la figura en los monocromadores hay dos clases de elementos dispersantes: redes de reflexión y prismas. Como ilustración se muestra un haz constituido por solo dos longitudes de ondas 1 y 2 ( 1 2 ) La radiación que entra en los monocromadores a través de una estrecha abertura rectangular o rendija, se colima y entonces incide en la superficie del elemento dispersante con un ángulo dado. Para un monocromador de red, la dispersión angular de las longitudes de onda origina la difracción que se produce en la superficie de deflexión, para un prisma, la refracción en las dos caras da lugar a una dispersión angular de la radiación tal como se muestra. En ambos casos, la radiación dispersada se enfoca en el plano focal AB en el que aparece en forma de dos imágenes rectangulares de la rendija de entrada (una para 1 y la otra para 2 ). Por rotación del elemento dispersante, se puede enfocar una u otra banda en la rendija de salida. Antiguamente, la mayoría de los monocromadores eran instrumentos de prisma. Sin embargo actualmente casi todos los monocromadores comerciales se basan en redes de reflexión porque son más baratas, proporcionan mejor separación de longitudes de onda para un mismo tamaño de elemento dispersante y dispersan linealmente la radiación. Características de funcionamiento de los monocromadores: La calidad de un monocromador depende de la pureza de su radiación de salida, de su capacidad para resolver longitudes de onda adyacentes de su poder de captación de luz y de su anchura espectral. Recipientes para muestras : cubetas ó celdas Todos los estudios espectroscópicos, con excepción de la espectroscopia de emisión precisan recipientes que contengan la muestra. Al igual que los elementos ópticos de los monocromadores, las celdas o cubetas que contienen las muestras deben fabricarse de un material que permita el paso de la radiación de la región espectral de interés. Así para trabajar en la región ultravioleta (por debajo de los 350 nm) se necesita cuarzo o sílice fundida, ambas sustancias son trasparentes en la región visible y también en la infrarroja hasta unos 3 m. Los vidrios de silicato pueden emplearse en la región de 350 a 2000 nm. Los recipientes de plástico, también se utilizan en la región visible. La sustancia mas comúnmente empleada para las ventanas de las celdas para la región infrarroja es el cloruro de sodio cristalino, también pueden usarse con este fin los demás materiales transparentes al infrarrojo. Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 13

14 Debido a la tendencia de los disolventes a absorber, las cubetas para el infrarrojo suelen ser mucho mas estrechas (0,1 a 1 mm) que las empleadas en las regiones ultravioleta y visible. Las concentraciones de muestra de 0,1 a 10%. Con frecuencia, las celdas son desmontables, con espaciadores de teflón permitiendo variar la longitud del camino óptico. Las ventanas de cloruro de sodio son las más utilizadas, se pulen con un polvo amortiguador volviendo a su condición original. Las mejores cubetas tienen ventanas que son perfectamente perpendiculares a la dirección del haz para minimizar las pérdidas por reflexión. Para los trabajos en las regiones ultravioleta y visible, la longitud mas común de la cubeta es 1 cm, estas son contrastadas y calibradas. También pueden tener caminos ópticos desde 0,1 hasta 10 cm. Especial cuidado hay que tener en repetir la posición de la cubetas respecto al haz, de otro modo, las variaciones del camino óptimo y las pérdidas por reflexión en las superficies curvas cuando las cubetas son cilíndricas pueden causar errores significativos. La calidad de los datos de absorbancia depende de manera crítica de la forma en que se usen y mantengan las cubetas contrastadas. Las huellas dactilares, la grasa u otras manchas en las paredes, alteran de forma notable las características de transmisión de una cubeta. Por lo tanto es obligada una limpieza a fondo, antes y después de usarlas, las superficie de las ventanas no debe tocarse durante su manipulación. Las celdas contrastadas no deberían secarse nunca calentándolas en una estufa o con una llama. Para su limpieza se recomienda, con papel para lentes empapado con metanol de grado espectrométrico, el metanol se evapora dejando las superficies de las cubetas libre de impurezas. Técnicas para la manipulación de la muestra Vimos que en espectroscopia ultravioleta y visible los espectros se obtienen a partir de soluciones diluidas del analito. En espectroscopia de infrarrojo, podemos analizar muestras líquidas, sólidas y gaseosas. Líquidos puros entonces en la trayectoria del haz. Sólidos Figura: Prensa de preparación de pastillas de KBr Cuando la cantidad de muestra es pequeña o cuando no se dispone del disolvente apropiado, es habitual obtener los espectros del líquido puro. En este caso solo una película muy delgada tiene un camino óptico suficientemente corto como para producir espectros satisfactorios. Una gota del líquido puro se comprime entre dos placas de sal de roca para obtener una placa con un grosor de 0,01 mm o menos. Las dos placas se mantienen unidas por capilaridad y se colocan Los espectros de sólidos que no pueden disolverse en un disolvente transparente al infrarrojo, se obtienen con frecuencia dispersando el analito en una matriz liquida o sólida y analizando la mezcla resultante. Estas técnicas requieren que el tamaño de partícula del sólido suspendido sea menor que la longitud de onda del haz infrarrojo. Se tritura de 2 a 5 mg de una muestra finamente pulverizada (tamaño de partícula 2 m) en presencia de unas gotas de un aceite pesado de un hidrocarburo (Nujol). Otra técnica consiste en partir de un miligramo o menos de muestra finamente triturada que se mezcla íntimamente con unos 100mg de polvo de bromuro de potasio desecado. La mezcla se puede efectuar con un mortero y mejor aun en un pequeño molino de bolas. La mezcla se comprime luego en un troquel especial a una presión de 700 a 1000 Kg/cm 2 obteniendo un disco transparente, mejores resultados si el disco se forma al vacío eliminando el aire ocluido. Luego el disco se coloca en el haz del instrumento para su análisis espectroscópico. Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 14

15 Gases: El espectro de un líquido de bajo punto de ebullición o de un gas se puede obtener permitiendo a la muestra que se expanda en una cubeta en la que se ha hecho el vacío. Existe una variedad de cubetas para este objeto, con longitudes de camino óptico que varían desde unos pocos centímetros a varios metros. Detectores de radiación Estos dispositivos son transductores que convierten la energía radiante en una señal eléctrica. El detector ideal debería tener, un amplio intervalo de longitudes de onda, una elevada sensibilidad, una elevada relación señal/ruido y una respuesta constante. Además debería poseer un tiempo de respuesta rápido y una mínima señal de salida en ausencia de iluminación. Por ultimo, la señal eléctrica producida por el transductor debería ser directamente proporcional a la potencia radiante P. Esto es: S = k P S= respuesta eléctrica en términos de corriente, voltaje o resistencia K= sensibilidad de calibración. Existen dos tipos de transductores de radiación uno responde a los fotones y el otro al calor. - Detectores de fotones: (también llamados detectores fotoeléctricos o cuánticos) tienen una superficie activa capaz de absorber radiación. Existen diferentes tipos: Fotocélulas o células fotovoltaicas semiconductoras, o células con capa de barrera. Consisten en una lámina de cobre sobre la que se ha depositado una capa de material semiconductor, como selenio ú óxido cuproso. Esta capa está cubierta por una capa de metal transparente que sirve como electrodo colector. Al iluminarse a través del electrodo transparente, se produce un flujo de electrones que puede ser medido con un amperímetro. Estos detectores son resistentes, relativamente económicos, y sensibles desde el UV hasta los 1000 nm. No se requiere ningún aporte externo de energía, y la corriente producida es directamente proporcional a la energía de llega. Las fotocélulas muestran el llamado efecto de fatiga, consistente en que presentan una subida inicial de corriente que luego decrece gradualmente hasta el equilibrio. Por ello, conviene esperar unos segundos entre lecturas. Fototubos multiplicadores. Es un tubo que contiene en su interior un cátodo consistente en una placa de metal que emite electrones de forma proporcional a la energía que incide sobre ella. Contiene además un ánodo, que recoge los electrones, y de 9 a 14 dínodos o nieveles de energía. Los electrones producidos en el primer choque contra el cátodo pasan a chocar contra una superficie secundaria, donde cada electrón produce entre 4 y 6 electrones adicionales que van a otro nivel (sínodos), y así sucesivamente, multiplicándose de este modo el efecto del primer choque de la luz contra el cátodo, hasta que los electrones llegan al ánodo, y la señal se amplifica en cientos o miles de veces. Los fototubos tienen un rápido tiempo de respuesta, no muestran efectos de fatiga tan altos como otros detectores, y son muy sensibles. - Detectores de calor: Los detectores de fotones analizados anteriormente no pueden ser utilizados para medir la radiación infrarroja, ya que los fotones de esta región carecen de la energía suficiente para causar la fotoemisión de electrones. Por lo tanto, deberán emplearse detectores térmicos. Desafortunadamente, sus características de funcionamiento son definitivamente inferiores a las de los anteriores. - Detectores térmicos Un detector térmico consiste en un a fina superficie ennegrecida que absorbe la radiación infrarroja y como consecuencia, aumenta la temperatura. Este aumento se transforma en una señal eléctrica que posteriormente se amplifica y se mide. Los cambios de temperatura son pequeños. - Termopares: Un par de uniones que se forman soldando los extremos de dos piezas de un metal como el bismuto y otro metal distinto como el antimonio. Entre las dos uniones se genera un potencial que varia en función de su diferencia de temperatura. La unión se ennegrece (para mejorar su capacidad de absorber calor) y se sella en una cámara de vacío con una ventana transparente a la radiación infrarroja. - Detectores piroeléctricos: Se construyen con laminas cristalinas de materiales piroeléctricos, son aislantes (materiales dieléctricos) con unas especiales propiedades térmicas y eléctricas. Al colocar el cristal piro eléctrico entre las placas de dos Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 15

16 electrodos (uno de los cuales es transparente a la radiación infrarroja) se produce una capacitancia que depende de la temperatura, al incidir la radiación infrarroja cambia la temperatura y se altera la distribución de carga a través del cristal lo que se puede detectar como una corriente en un circuito eléctrico externo conectado a las dos caras del condensador. Procesadores de señales y dispositivos de lectura Es un dispositivo electrónico que amplifica la señal electrónica del detector; además puede alterar la señal de corriente continua a alterna (o a la inversa), cambiarla de fase y filtrarla. Asimismo puede ser necesario que realice operaciones matemáticas con las señales tales como diferenciar, integrar o convertir en logaritmo. Los instrumentos modernos incorporan distintos tipos de dispositivos de lectura. Por ejemplo medidores digitales, escalas de los potenciómetros, registradores y tubos de rayos catódicos. 2- TIPOS GENERALES DE INTRUMENTOS PARA MEDICIONES DE ABSORCIÓN MOLECULAR a) b) Figura: Instrumentos para mediciones de absorción ultravioleta/visible/ Infrarrojo cercano. a) De un sólo haz; b) de doble haz. En la figura se muestra unos diagramas de bloques que indican los sistemas ópticos de dos tipos de instrumentos para medidas de absorción ultravioleta/visible/infrarrojo cercano. Instrumento de un solo haz, correspondiente a la parte (a) es el tipo más sencillo: El selector de la longitud de onda es un filtro o un monocromador. La determinación de la transmitancia supone tres etapas sucesivas separadas en el tiempo: 1) ajuste del 0% de T colocando un obturador en posición, 2) ajuste del 100% de T con el disolvente en la trayectoria de la luz y 3) medición del % de T con la muestra colocada. El instrumento requiere que la fuente y el sistema electrónico presenten un comportamiento constante durante el tiempo necesario para completar las tres etapas. Instrumento de doble haz, en la parte (b) de la figura. El espejo sectorizado rotatorio dirige la radiación procedente del filtro o monocromador, alternativamente, a la cubeta de referencia y a la cubeta de muestra. El instrumento de doble haz suele ser de tipo nulo, en los cuales el haz que atraviesa la referencia se atenúa mecánicamente hasta que su intensidad justo se iguala con la del haz de la muestra. Un instrumento de doble haz proporciona una señal libre, de las derivadas de la fuente y del detector, sin necesidad de unos componentes y una fuente altamente estable y cara. En los instrumentos de un solo haz y de doble haz, la muestra se suele colocar entre el selector de longitud de onda y el detector. Esta disposición es necesaria en los instrumentos ultravioleta/visible, para poder minimizar la fotodescomposición de las especies que resultan de la exposición a toda la potencia de la fuente. Fuente : lámpara (1) Selector de longitudes de onda (2) Cubeta de muestra (3) Detector fotoeléctrico (4) Sistema de tratamiento y lectura de señales (5) Fotómetros: son sencillos y bastante económicos para realizar análisis de absorción. Los fotómetros de filtro son más convenientes, robustos y fáciles de mantener y usar que los espectrofotómetros más sofisticados. Tienen elevado rendimiento energético y buena señal/ruido con componentes y detectores bastante sencillos y económicos Los análisis cuantitativos se realizan con mucha exactitud. Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 16

17 Espectrofotómetros: Hay numerosos espectrofotómetros comerciales, algunos diseñados solo para la región visible, otros se aplican en las regiones ultravioleta y visible. Unos pocos pueden realizar medidas desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano (185 a 3000 nm). - Instrumentos de un solo haz para la región ultravioleta / visible: Existen distintos instrumentos de un solo haz sin registrador, que se pueden usar para mediciones tanto en el ultravioleta como en el visible. Para estos instrumentos la longitud de onda varia desde nm a nm. Todos ellos provistos de lámparas intercambiables de tungsteno e hidrógeno. La mayoría emplea tubos fotomultiplicadores como detectores y redes para la dispersión. Algunos con dispositivos de lectura digital. En la figura se muestra un espectrofotómetro sencillo y barato, el Spectronic 20. Apareciendo en el mercado en los años 50, aún se utiliza principalmente con fines de enseñanza, por su bajo costo económico y sus adecuadas características de funcionamiento. El Spectronic 20 emplea una fuente de luz de filamento de tungsteno, la cual funciona mediante una fuente de alimentación estabilizada que proporciona una radiación de intensidad constante. Después de la difracción, en una sencilla red de reflexión, la radiación pasa a través de la cubeta de muestra o de referencia hacia el fototubo. La señal eléctrica del detector amplificada, acciona un medidor con una escala de 14 cm, calibrada en transmitancia y absorbancia. El instrumento esta dotado de un obturador consistente en una placa que se coloca de forma automática entre el haz y el detector, siempre que la cubeta se retira del porta cubetas, entonces se realiza el ajuste del 0% de T. El dispositivo de control de la luz mostrado en la figura parte (b), consiste en una ranura en forma de V que puede moverse hacia dentro y hacia fuera del haz, para así colocar el medidor al 100% de T. El intervalo del Spectornic 20 va de 340 a 625 nm, un fototubo auxiliar amplia este intervalo hasta 950 nm. - Instrumentos de doble haz: En la figura se muestra algunos detalles de la estructura de un espectrofotómetro de ultravioleta/visible manual de doble haz y bastante barato. La radiación se dispersa con una red cóncava, que a su vez enfoca el haz en un espejo rotatorio sectorizado. El instrumento tiene un intervalo de longitudes de onda de 195 a 850 nm. Dichos instrumentos son muy adecuados para trabajos cuantitativos donde no se necesita obtener un espectro completo. Figura : Espectrofotómetro manual de doble haz para la región Ultravioleta/ visible, modelo Hitachi Los espectrofotómetros de infrarrojo que se encuentran en el comercio son por lo general instrumentos de doble haz con registrador, que utilizan redes de reflexión para la dispersión de la radiación. En general, los diseños ópticos de los instrumentos dispersivos no difieren demasiado de los espectrofotómetros ultravioleta/visible de doble haz, excepto que en los instrumentos de infrarrojo el compartimiento de la muestra y de referencia siempre se colocan entre la fuente y el monocromador. Esta disposición es posible debido a que la radiación infrarroja, a diferencia de la radiación ultravioleta/visible no es suficientemente energética para provocar la descomposición química de la muestra. No obstante, colocar la muestra y la referencia delante del monocromador tiene la ventaja de que la mayor parte de la radiación dispersada, que se genera dentro del compartimiento de cubetas, se elimina por el monocromador y así no alcanza el detector. Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 17

18 MUESTRA FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS FUENTE MONOCROMADOR DETECTOR Esquema de un espectrofotómetro de doble haz 3- APLICACIONES DE LA ESPECTROSCOPIA MOLECULAR DE ABSORCION UV/ V E INFRARROJO Las medidas de absorción basadas en la radiación ultravioleta o visible encuentran extensa aplicación en la determinación cualitativa y cuantitativa de especies moleculares. Mientras que en el infrarrojo su aplicación principal es cualitativa. La radiación ultravioleta abarca el intervalo espectral desde 10 hasta 380 nm, para análisis se emplea generalmente los intervalos entre 200 a 380 nm Para la región visible la región espectral va entre los intervalos 350 a 800 nm. La región infrarroja del espectro incluye la radiación con números de onda comprendidos entre los y los 10 cm -1 lo que corresponde a longitudes de onda de 0,78 a 1000 m 1. Tanto desde el punto de vista de las aplicaciones como de los instrumentos, es conveniente subdividir el espectro infrarrojo en tres regiones denominadas infrarrojo cercano, medio y lejano. Región Intervalo de longitud de onda Intervalo de números Intervalo de ( ) m de onda ( ) cm -1 frecuencias ( ) Hz Cercano 0,78 a 2, a x10 14 a 1,2 x Medio 2,5 a a 200 1,2 x a 6,0x10 12 Lejano 50 a a 10 6,0x10 12 a 3,0 x10 11 La más utilizada 2,5 a a 670 1,2 x a 2,0x10 13 En tabla se indican aproximadamente los limites de cada una de ellas, la mayoría de las aplicaciones están comprendidas en el infrarrojo medio los 4000 y los 400 cm -1 (de 2,5 a 25 m). a) Especies absorbentes: La absorción de radiación ultravioleta o visible por una especie atómica o molecular M se puede considerar que es un proceso en dos etapas, la primera de las cuales implica una excitación electrónica como muestra la ecuación M + hv M El producto de la reacción entre M y el fotón hv es una especie electrónicamente excitada que se presenta por M. El tiempo de vida de la especie excitada es breve (10-8 a 10-9 s) su existencia acaba por alguno de los diversos procesos de relajación. El tipo más común de relajación implica la conversión de la energía de excitación en calor, esto es M M + calor La relajación puede tener lugar también por descomposición de M dando nuevas especies, un proceso de este tipo se llama reacción fotoquímica. La absorción de radiación ultravioleta o visible proviene de la excitación de los electrones enlazantes y como consecuencia, las longitudes de onda de los picos de absorción pueden correlacionarse con los tipos de enlaces que existen en las especies en estudio. La espectroscopia de absorción molecular es por tanto valiosa para la identificación de los grupos funcionales de una molécula. Sin embargo, son más importantes las aplicaciones de espectroscopía de absorción ultravioleta y visible para la determinación cuantitativa de compuestos que contienen grupos absorbentes. Se distingue tres tipos de transiciones electrónicas y clasifica las especies absorbentes en base a ellas. Las tres transiciones consideradas implican (1) electrones, y n, (2) electrones d y f y (3) electrones de transferencia de carga. Los electrones que contribuyen a la absorción por una molécula orgánica son: (1) aquellos que participan directamente en la formación del enlace entre átomos y que están además asociados a más de un átomo y (2) los electrones no enlazantes o externos que no participan y que están localizados alrededor de átomos como el oxígeno, los halógenos, el azufre y el nitrógeno. Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 18

19 Cambios bipolares durante las vibraciones y las rotaciones: Por lo general, la radiación infrarroja no es suficientemente energética como para producir las transiciones electrónicas que se dan cuando se trata de las radicaciones ultravioleta y visible. La absorción de radiación infrarroja se limita en gran parte a especies moleculares para las cuales existen pequeñas diferencias de energía entre los distintos estados vibracionales y rotacionales. Para absorber radiación infrarroja, una molécula debe experimentar un cambio neto en el momento bipolar como consecuencia de su movimiento de vibración o de rotación. Si la frecuencia de la radiación iguala exactamente a la frecuencia de vibración natural de la molécula ocurre una trasferencia neta de energía que da lugar a un cambio en la amplitud de la vibración molecular, como consecuencia se absorbe la radiación. Cuando se trata de especies homonucleares como el O 2, N 2, o Cl 2 el momento bipolar no se altera durante la vibración o la rotación y en consecuencia este tipo de compuestos no absorben en el infrarrojo. Transiciones rotacionales: La energía necesaria para provocar un cambio a nivel rotacional es muy pequeña y corresponde a radiaciones de 100 cm -1 o menores. Como los niveles rotacionales estan cuantizados, la absorción por los gases en esta región del infrarrojo cercano se caracteriza por líneas discretas bien definidas. Sin embargo en líquidos o sólidos los choques e interacciones intramoleculares causan el ensanchamiento de las líneas resultando un espectro continuo. Tipos de vibraciones moleculares: Las posiciones relativas de los átomos en una molécula no están exactamente fijas, sino que fluctúan continuamente como consecuencia de multitud de diferentes tipos de vibración. Pueden distinguirse dos tipos básicos de vibraciones: tensión y flexión. Una vibración de tensión supone un cambio continuo en la distancia interatómica a lo largo del eje del enlace entre dos átomos. Las vibraciones de flexión se caracterizan por un cambio en el ángulo entre dos enlaces y son de cuatro tipos: tijereteo, balanceo, aleteo y torsión. Los cuales se representan en la siguiente figura. Figura 10: Tipos de vibraciones moleculares. Nota: + Indica un movimiento del plano de la página hacia el lector. - Indica un movimiento del plano de la página alejándose del lector - Especies absorbentes que contienen electrones, y n Las moléculas e iones orgánicos, al igual que gran número de aniones inorgánicos, se incluyen dentro de las especies absorbentes que contienen electrones, y n. Todos los compuestos orgánicos son capaces de absorber radiación electromagnética, ya que todos tienen electrones de valencia que pueden ser excitados a niveles superiores de energía. Las energías de excitación asociadas a los electrones que forman los enlaces más sencillos son suficientemente elevadas para que la absorción por ellos este restringida a las región llamada del ultravioleta de vacío ( 185 nm) donde los componentes de la atmósfera también absorben fuertemente. La absorción de radiación ultravioleta y visible de longitud de onda larga se restringe a un número limitado de grupos funcionales (llamados cromóforos) que contienen electrones de valencia con energías de excitación relativamente bajas. Los espectros electrónicos de moléculas orgánicas que contienen cromóforos son normalmente complejos, ya que la superposición de transiciones vibracionales sobre las transiciones electrónicas da lugar a una combinación compleja de líneas solapadas, el resultado es una banda ancha de absorción que a menudo parece continua. - Cromóforos orgánicos En la tabla se da una lista de los cromóforos orgánicos comunes y la localización aproximada de sus máximos de absorción. Estos datos pueden servir tan solo como guía aproximada para la identificación de los grupos funcionales, debido a que las posiciones de los máximos se ven también afectadas por el disolvente y por los detalles estructurales de la molécula que contiene los cromóforos. Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 19

20 Tabla: Características de absorción de algunos cromóforos comunes b) Aplicación de las medidas de absorción al análisis cualitativo La espectrofotometría ultravioleta y visible tiene una aplicación algo limitada para el análisis cualitativo, ya que el número de máximos y mínimos de absorción es relativamente pequeño. - Disolventes: Las consideraciones que se tienen que hacer al elegir un disolvente no son solo respecto a su transparencia, sino también respecto a sus posibles efectos sobre el sistema absorbente. Normalmente, los disolventes polares tales como el agua, alcoholes, esteres, y cetonas tienden a eliminar la estructura fina del espectro como resultado de los efectos vibracionales y de hecho espectros que se aproximen a los de fase gas se observan mas fácilmente en disolventes no polares como los hidrocarburos. Además, las posiciones de los máximos de absorción están afectadas por la naturaleza del disolvente. Es imprescindible utilizar el mismo disolvente cuando se comparan espectros de absorción para propósitos de identificación. El agua y los alcoholes se utilizan rara vez como disolventes en espectroscopía IR, no solo porque absorben intensamente sino porque también atacan a los haluros de metal alcalino, que son los materiales mas comunes que se utilizan en las ventanas de las cubetas. Algunos disolventes utilizados son: Disulfuro de carbono. Tetracloruro de carbono. Tetracloroetileno, Cloroformo. Dioxano. Ciclohexano. Benceno En la tabla se muestra una lista de algunos disolventes comunes y la longitud de onda aproximada por debajo de la cual no pueden usarse debido a la absorción. Este mínimo depende mucho de la pureza del disolvente. Entre los disolventes comunes para espectrofotometría ultravioleta se incluyen el agua, el etanol del 95%, el ciclohexano y el 1,4- dioxano. Para la región del visible, cualquier disolvente incoloro es útil. Disolventes para las regiones del ultravioleta y el Disolvente visible Mínimo * aproximado de transparencia Capítulo III Introducción a la Espectroscopia y Espectroscopia UV- Vis- IR 20 (nm) Agua 190 Etanol 210 n- Hexano 195 Ciclohexano 210 Benceno 280 Dietiléter 210 Acetona 330 1,4-Dioxano 220 * para cubetas de 1 cm Ejemplos de Aplicacion de Espectroscopia Ultra Violeta - Visible 1- Compuestos aromáticos poli nucleares de carácter cancerígeno, en alimentos, bebidas, cigarrillos. 2- Productos naturales con esteroides y clorofila. 3- Sustancias colorantes. 4- Vitaminas (vit. A).