Métodos basados en la interacción de la radiación con la materia

Transcripción

1 Métodos basados en la interacción de la radiación con la materia Aquí se agrupan las técnicas cuyo fundamento sobrelleva la interrelación entre la energía electromagnética y la materia. En general se asigna también a estos métodos el nombre global de espectroscopia o métodos ópticos

2 Debemos repasar Que es la radiación electromagnética? Qué es el espectro electromagnético? Dualidad de la radiación electromagnética velocidad, amplitud, frecuencia o longitud de onda. fotones

3 Que es la radiación electromagnética? La radiación electromagnética es una forma de propagación de energía a través del espacio sin soporte material y emitida por una sustancia en estado excitado.

4 Espectro electromagnético Se denomina espectro electromagnético a la distribución de energía del conjunto de las ondas electromagnéticas

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6 Dualidad de la radiación electromagnética Tiene naturaleza ondulatoria en su movimiento, definida por parámetros como velocidad, amplitud, frecuencia o longitud de onda. Es un flujo de partículas de energía llamadas fotones. La energía de un fotón es proporcional a la frecuencia de radiación.

7 Parámetros ondulatorios la longitud de onda (λ) se define como la longitud de un ciclo, o bien como la distancia entre dos máximos o mínimos sucesivos.

8 Parámetros ondulatorios la frecuencia (v) es el número de ciclos por segundo la frecuencia es la única característica constante en una radiación, ya que la longitud de onda y la velocidad dependen de la naturaleza del medio de propagación.

9 La radiación como partícula Por otra parte la radiación electromagnética como transportadora de energía fue definida por Planck (1900) considerando que la energía de las partículas está cuantificada, sólo están permitidos ciertos niveles de energía

10 La radiación como partícula Cuando una partícula pasa de un nivel de menor energía a uno de mayor energía sólo absorbe un cuanto de energía, que está relacionado con la frecuencia de la radiación absorbida E= hυ=h c/λ

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12 Los efectos que provoca la radiación sobre la materia son de varios tipos: puede provocar la absorción de la radiación

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14 Los efectos que provoca la radiación sobre la materia son de varios tipos: Puede desviar el desviar la radiación electromagnética

15 Los efectos que provoca la radiación sobre la materia son de varios tipos: Dispersar la radiación

16 Los métodos ópticos se pueden clasificar en: No espectroscópicos Espectroscópicos

17 No espectroscópicos Se basan en la medición del cambio en la dirección o en las propiedades físicas de la radiación electromagnética. Ejemplos: refracción, dispersión, interferencia. Los métodos son: refractometría, turbidimetría, nefelometría, interferometría, etc.

18 Métodos espectroscópicos Se basan en la medida de: Intensidad de la energía radiante longitud de onda de la energía radiante Tienen en común: Medida de un espectro Pueden ser de absorción o emisión

19 Métodos espectroscópicos Es frecuente dividir las técnicas ópticas de acuerdo con la región espectral que interacciona con la materia. Así, es frecuente denominar a la espectroscopia como: de rayos X, ultravioleta lejano, ultravioleta cercano y visible infrarrojo cercano y medio, infrarrojo lejano microondas y radiofrecuencia

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21 Región ultravioleta y visible La más empleada por su sencillez y el bajo costo de los equipos más sencillos capaces de llevarla a cabo: los colorímetros Esta técnica es especialmente cuantitativa

22 Región ultravioleta y visible Se fundamenta en la disminución de intensidad que sufre un rayo de luz monocromática al atravesar una disolución que contenga un constituyente que absorba parte de la radiación. aplicaciones tanto sustancias orgánicas como inorgánicas También se utiliza como indicadora del punto final de una titulación.

23 Región ultravioleta y visible Aplicaciones Detección de sustancias orgánicas Detección de sustancias inorgánicas Indicadora del punto final de una valoración.

24 Orbitales atómicos

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27 Orbitales moleculares

28 Orbitales moleculares del hidrógeno

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30 Qué es el espectro? Se define como una representación gráfica o fotográfica de la distribución de intensidades de la radiación electromagnética emitida o absorbida por la materia, en función de la longitud de onda de dicha radiación. Los espectros son debidos a transiciones entre estados de energía característicos de la materia.

31 Espectros de absorción

32 Región del infrarrojo emplea con fines cualitativos en química orgánica, pues permite el análisis sencillo de los grupos funcionales de una molécula. Ello es debido a que la radiación infrarroja interacciona con los estados de energía vibracional de los enlaces y éstos son característicos de los átomos que los forman.

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35 Espectro infrarrojo de la lactosa

36 Espectroscopia de absorción molecular Ley de Lambert Beer Medida cuantitativa de la radiación

37 Ley de Lambert Beer La potencia radiante de una línea o banda depende del número de átomos o moléculas excitadas, entonces es directamente proporcional a la concentración P = k C donde k es una constante de proporcionalidad

38 A consecuencia de las interacciones entre los fotones y las partículas absorbentes, la potencia del haz se atenúa de P0 a P1.

39 Por lo tanto podemos definir: la transmitancia T de la solución Como la fracción de radiación incidente transmitida (o no absorbida) por la solución según: T =P1/P0 %T = 100 P1/P0

40 Absorbancia Una magnitud física más útil que la transmitancia, es la absorbancia, que se define como: A = P0 log P 10 = logt

41 Relación entre la absorbancia y el espesor La ley de Lambert relaciona el espesor de la muestra de análisis con la relación entre la potencia incidente sobre la muestra y la potencia transmitida por la muestra. Si todos los factores que intervienen en la medición se dejan constantes y se varía el espesor de la muestra tenemos que: al aumentar el espesor, la potencia de la luz transmitida disminuirá, aumentando la absorbancia. Entonces: A = es directamente proporcional al espesor o camino óptico A = k b

42 Relación entre la absorbancia y la concentración La Ley de Beer relaciona la concentración de la especie absorbente con la relación de la potencia del haz transmitido por el medio absorbente y la potencia del haz incidente. Todo aumento en la concentración de la especie absorbente habrá de aumentar el número de fotones absorbidos Entonces: A = es directamente proporcional a la concentración A = k C

43 La ley de Lambert-Beer A= ε b C (ε es la absortividad molar) A=a b C (a es la absortividad específica)

44 La absorbancia, A, es adimensional. La concentración de la muestra, C, se suele expresar en moles/litro (M) o en g/litro La longitud del camino óptico, b, se expresa en cm. La cantidad ε se llama absortividad molar y sus unidades son litro/mol cm. Cuando la concentración es expresada en g/l, debe hablarse de la absortividad a, y sus unidades son litro/g cm.

45 Medida experimental de la absorbancia la solución en estudio debe estar dentro de un recipiente. La interacción de la radiación con las paredes del mismo es inevitable, por lo tanto se producirán pérdidas de potencia en cada interfase como resultado de las reflexiones y las absorciones. Las pérdidas por reflexión pueden llegar a ser del orden de 8%. Deben sumarse las pérdidas por dispersión dentro de la solución debido a la presencia de moléculas grandes o a inhomogeneidades del disolvente.

46 Medida experimental de la absorbancia

47 Medida experimental

48 Expresión experimental Psolvente P0 A( λ) = log = log = ε ( λ) b C P P solución

49 Representación de la ley de Lambert -Beer

50 Limitaciones de la ley de Lambert Beer La relación lineal entre la absorbancia y la longitud de camino óptico para una concentración fija de sustancia absorbente es una generalización de la que no se conocen excepciones. La ley de Lambert Beer establece que la absorbancia es proporcional a la concentración de las especies absorbentes. Esto se verifica estrictamente para luz monocromática y muy bien en el caso de soluciones diluidas ( 0,01M) de la mayoría de las sustancias.

51 Limitaciones Reales A concentraciones altas (> 0.01M) Las distancias medias entre las partículas disminuyen hasta tal punto que cada partícula afecta la distribución de carga de los vecinos. Estas interacciones alteran la capacidad absorbente de las partículas respecto a una radiación de determinada longitud de onda. Causa desviaciones de a relación lineal

52 Limitaciones reales A concentraciones muy diluidas (con muy baja concentracón del absorbente) La presencia de electrolitos (o el solvente)se aproximan mucho a las especies absorbentes alterando la absortividad molar debido a interacciones electrostáticas Causa desviaciones de a relación lineal

53 Desviaciones químicas Se presentan desviaciones de la ley de Lambert-Beer cuando el analito experimenta asociación disocición reacción con el solvente para dar productos con propiedades diferentes a las del propio analito

54 Desviaciones químicas Presencia de otras sustancias (interferencias) que absorben luz a a misma longitud de onda (o muy cercana) que el analito

55 Desviaciones instrumentales La ley de Lambert-Beer es una ley límite en el sentido de que se aplica sólo cuando la absorbancia se mide con una radiación monocromática. Los instrumentos de rutina no emplean fuentes monocromáticas sino fuentes continuas

56 Desviaciones instrumentales Las desviaciones de la ley de Lambert-Beer que resultan del uso de un haz policromático no son apreciables, siempre que la radiación usada abarque un tramo espectral dentro del cual el absorbente no presenta grandes cambios en función de la longitud de onda

57 Selección de la longitud de onda de trabajo

58 COMPONENTES BASICOS DE UN ESPECTROMETRO Vis-UV a) b) FUENTE DE RADIACIÓN o LÁMPARA 2 SISTEMA ÓPTICO a) Sistema para dirigir la radiación b) Sistema de aislamiento de la longitud de onda 3 RECIPIENTE PARA LA MUESTRA (GENERALMENTE LÍQUIDA) 4 SISTEMA DE DETECCIÓN (TRANSDUCTOR DE LA RADIACIÓN)

59 Fuentes de radiación Requisitos: Intensidad de radiación elevada. Emitir en un amplio rango de λ (emisión continua). Intensidad constante con el tiempo.

60 Fuentes de radiación -visible Lámpara de Wolframio (lámpara de inscandescencia). Se basa en la incasdencencia, emite luz en el visible e IR cercano desde nm regida por las leyes de emisión del cuerpo negro. La radiación emitida depende de la temperatura. Filamento de W o W+I2

61 Fuentes de radiación -UV Lámpara de Arco de Xenón (lámpara de descarga) Se basa en la descarga entre dos electrodos en un bulbo de cuarzo con Xe a alta presión, la excitación de Xe produce la emisión de luz contínua entre 250 y 600 nm.

62 Selector de longitudes de onda Monocromador con red

63 Selector de longitudes de onda Monocromador con prisma

64 Selector de longitudes de onda Los filtros trabajan absorbiendo todas las radiaciones excepto una banda estrecha de radiación procedente de la fuente continua. A un filtro se lo caracteriza por o general por una longitud de onda nominal, un porcentaje máximo de transmitancia y un ancho de banda efectivo.

65 Recipientes para la muestra Los recipientes que contienen la muestra normalmente se llaman celdas o cubetas y deben estar fabricados de un material transparente en la región espectral de interés.

66 Detectores LOS DETECTORES DE FOTONES SON DISPOSITIVOS QUE TRANSFORMAN LA ENERGIA RADIANTE EN UNA SEÑAL ELÉCTRICA

67 Detectores: Requisitos responder rápidamente a bajos niveles de energía radiante en un amplio rango de longitudes de onda debe producir una señal eléctrica que se amplifique fácilmente tener un nivel de ruido relativamente bajo la señal eléctrica producida debe ser directamente proporcional a la potencia del haz. G = kp + k Siendo: G = es la respuesta (en unidades de corriente, resistencia o potencial) k = cte que mide la sensibilidad del detector k = respuesta constante, conocida como corriente oscura, aún cuando no llegue radiación al detector.

68 Detectores Fototubo: La radiación causa una emisión de electrones de una superficie sólida fotosensible. Basado en el efecto fotoelectrico.

69 Fototubo UV Son muy sensibles a la radiación VIS y UV. Tienen tiempos de respuesta muy rápidos. Solo pueden medir radiación de baja potencia. Su sensibilidad viene limitada por la corriente oscura debida a la amplificación.

70 Otros equipos de espectroscopia UV-visible

71 Otros equipos de espectroscopia UV-visible

72 Spectronic 20

73 Espectroscopia de emisión y absorción atómica

74 Mientras que la mayoría de las técnicas espectroscópicas se utilizan para el estudio y caracterización de moléculas o iones en su entorno cristalino, la espectroscopía de emisión y absorción atómica se usa casi exclusivamente para el análisis de átomos. La técnica resulta casi insuperable como método de análisis elemental de metales. La espectroscopía de emisión puede utilizarse para la identificación y para la determinación cuantitativa de todos los elementos de la tabla periódica.

75 Pueden identificarse tres clases diferentes de procesos de emisión que difieren en cómo la sustancia alcanza el estado excitado previo a la emisión. a) Emisión a partir de una excitación electromagnética. b) Emisión a partir de excitación térmica. c) Emisión a partir de excitación eléctrica.

76 Los tipos más importantes de espectros de emisión se basan en la utilización de energía no electromagnética para llevar a un átomo o a una molécula al estado excitado, a partir del cual se miden las emisiones de radiación. El proceso puede describirse según: X + energía térmica o eléctrica X* (excitado) X* X + hν (emisión)

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81 El estudio espectroscópico de átomos (iones o moléculas) se hace en fase gaseosa. Primer paso es la atomización de la muestra y con ello se determina la sensibilidad, precisión y exactitud del método.

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83 Clasificación de los métodos espectrales atómicos método de atomización temperatura típica de atomización (ºC) Llama Electrotérmico Plasma de Ar acolado por inducción Plasma de Ar de corriente continua Chispa eléctrica o arco Base del método Absorción Emisión Fluorescencia Absorción Fluorescencia Emisión Emisión nombre común y abreviatura del método Espectroscopía de absorción AAS Espectroscopía de emisión atómica AES Espectroscopía de fluorescencia atómica AFS Espectroscopía de absorción atómica electrotérmica Espectroscopía de fluorescencia atómica electrotérmica Espectroscopía de plasma acoplado por inducción ICP Espectroscopía de plasma de corriente continua DC Emisión Espectroscopía de emisión de chispa

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86 Equipos emisión absorción

87 Aplicaciones análisis de rutina de los metales alcalinos, alcalinotérreos, (son los más fácilmente excitables y cuya determinación por otros métodos es por lo general complicada, ejemplo sodio en aguas) Dificultad: controlarlas distintas variables: temperatura de la llama presión de los gases Altura de la llama La correlación entre la intensidad de la señal y la concentración del elemento emisor en una solución permita la utilización de este fenómeno con fines cuantitativos. Señal = k C

88 Señal = k C

89 Fuentes de error Factores instrumentales Interferencias: dependen del instrumento: tipo y forma de mechero tamaño de la llama presión del comburente -combustible, etc. dependen de la composición de la solución y de la presencia de otras especies diferentes del analito. causan aumento o depresión de la señal

90 Interferencias Disminución de la señal por disminución del grado de disociación de la sal del analito Aumento de la señal debido a la presencia de otro metal fácilmente ionizable Aumento de la señal debido a la presencia de elementos que emiten a longitudes de onda muy cercanas a la del analito y el equipo empleado no puede separarlas

91 Fluorescencia y Fosforescencia

92 Fluorescencia Es una técnica de emisión de radiación se produce después de la absorción de un fotón por parte del constituyente, seguida por la pérdida de la energía adquirida por un mecanismo de intercambio de calor (choques moleculares) y por emisión de un nuevo fotón. Las sustancias orgánicas de moléculas grandes y rígidas son las que presentan esta importante cualidad analítica cuantitativa. La fluorimetría utiliza en general la radiación ultravioleta como agente de excitación y la radiación emitida cae frecuentemente en la zona visible.

93 Fosforescencia Se diferencia de la fluorescencia en que la molécula excitada queda después de los choques en un estado metaestable y no emite el fotón inmediatamente, sino lo que retiene un cierto tiempo. Se aplica a sustancias orgánicas con dobles enlaces conjugados y en general se debe hacer a bajas temperaturas.

94 Diagrama de niveles de energía

95 Salto electrónico

96 Diagrama de niveles electrónicos

97 Espectro de absorción y fluorescencia

98 Instrumental

99 Medida Requiere curva de calibración Preparación de soluciones patrón La señal es directamente proporcional a la concentración S = kc

100 Curva de calibración

101 Aplicaciones Sin duda alguna las aplicaciones más importantes en la fluorométria son: en análisis de alimentos de productos naturales

102 Aplicaciones Compuestos Orgánicos: adenina, ácido antranílico, cisteína, hidrocarburos aromáticos policíclicos, indol, naftol, proteínas, ácido salicílico, escatol, triptófano, ácido úrico, adrenalina, alquilmorfina, LSD, penicilina, fenobarbital, procaína, reserpina, clorofila, alcaloides, flavonoides, esteroides, ácido ascórbico, ácido fólico, nicotinamida, piridoxal, corticoesteroides, estrógenos, progesterona, andrógenos, ácidos biliares, colesterol, triglicéridos, creatinina, deshidrogenasas, transaminasas, fosfatasas, perioxidasas, ATP, luciferina, luciferasa, vitaminas: A, B1, B2, B6, C y la E, etc.

103 Aplicaciones Compuestos Inorgánicos: cianuro, fluoruro, sulfatos, fosfatos, aluminio, arsénico, berilio, boro, calcio, magnesio, tierras raras, selenio, uranio, etc.

104 Ventajas frente a otras técnicas espectroscópicas Alta sensibilidad Límites de detección del orden de las partes por billón gran intervalo de linealidad Alta selectividad

105 Técnicas no espectroscópicas Turbidimetría y Nefelometría

106 Turbidimetría y Nefelometría Se aplica a soluciones turbias o sea cuando debemos analizar una suspensión de partículas sólidas en un líquido Se basan en la dispersión de la luz

107 Qué fenómeno ocurre? Cuando una solución turbia se interpone en la trayectoria de la luz: la potencia radiante que llega al detector es menor que la que llegaría si se tratara de un líquido transparente (no absorbente). Esta reducción es el resultado de la dispersión causada por reflexión y refracción en las partículas suspendidas. La luz se dispersa en todas direcciones y por consiguiente el poder de radiación del haz que llega al detector disminuye de modo considerable.

108 De que depende La concentración: Mayor sea el número de partículas, mayor es la dispersión. Tamaño de la partícula: Factores como el ph, la velocidad y orden de la mezcla, concentración de los reactivos, duración del estado de reposo y la fuerza iónica. Longitud de onda: Generalmente las muestras se iluminan con luz blanca, pero si están coloreadas, se debe escoger una porción del espectro electromagnético en la que la absorción del medio se reduzca al mínimo.

109 Qué medimos? La luz que lega al detector Igual que en espectrofotometría de absorción Podemos usar el mismo equipamiento que en absorción

110 Turbidímetros Turbidímetro de campo Turbidímetro de laboratorio

111 Aplicaciones concentración bacteriana sulfato en aguas

112 Nefelometría Se basa en la dispersión de la radiación que atraviesan las partículas de materia. Cuando la luz atraviesa un medio transparente en el que existe una suspensión de partículas sólidas, se dispersa en todas direcciones y como consecuencia se observa turbia. La intensidad depende de: el número de partículas suspendidas, su tamaño, su forma, los índices refractivos de la partícula y del medio dispersante, y la longitud de onda de la radiación dispersada

113 Instrumento Un nefelómetro. Los componentes principales son muy similares a los del instrumental empleado en las mediciones especpectrofluorimétricas. El detector generalmente forma un ángulo de 90 con el haz incidente.

114 Instrumento

115 Ventajas Diferencia con la turbidimetría La elección entre uno de ambos métodos reside en la dispersión de luz, si es extensa, es apropiado aplicar la turbidimetría, en cambio si es mínima es apropiada la nefelometría. De la nefelometría se obtienen mejores resultados, porque determina concentraciones de pocas partes por millón (ppm), con una precisión de 1 al 5%.