ESPECTROFOTOMETRIA. BASES FISICAS

Transcripción

1 ESPECTROFOTOMETRIA. BASES FISICAS Radiación Electromagnética y su Interacción con la Materia El principio de funcionamiento de la espectrofotometría se basa en el empleo de las interacciones entre la radiación electromagnética y la materia. Los modelos explicativos de la estructura de la materia que tienen como fundamento las características ondulatorias de las partículas que la constituyen proporcionan un marco de referencia conveniente para describir las interacciones entre la radiación electromagnética y la materia. La energía electromagnética se encuentra constituida por fotones cada uno de los cuales tiene como característica una longitud de onda. Si asignamos una longitud de onda característica a cada tipo de radiación, la propagación de esa onda se hará con una frecuencia tal que al multiplicarla por su longitud debe darnos la velocidad de propagación. Esto es: v = c/ λ La letra griega lambda minúscula representa la longitud de onda y la letra V representa la frecuencia de esa onda. c= 2, m s -1 es la velocidad de la luz en el vacío. El rango del espectro electromagnético va desde Rayos cósmicos de alta energía (alta frecuencia, corta longitud de onda) hasta microondas de baja energía (baja frecuencia, larga longitud de onda). La luz visible, que es la que podemos ver sin ningún tipo de transductor artificial, representa apenas una pequeña porción de ese rango, con longitudes de ondas que van desde alrededor de 400 manómetros para la luz azul, hasta alrededor de los 700 manómetros para la luz roja. Longitudes de ondas mas cortas caen en la región Ultravioleta, y longitudes de onda mas largas se ubican en la región Infrarroja. 1

2 Los estudios de Plank describieron que a cada longitud de onda se le puede asignar un valor de energía Absorción y Emisión de Radiación por parte de la Materia Una descripción simplificada de la estructura de la materia permite explicar los enlaces entre los átomos para formar moléculas en términos de la localización de ciertas partículas subatómicas, los electrones, entre esos átomos. Esas partículas evidencian sus características ondulatorias ya que interactúan con la radiación electromagnética. La molécula en su forma estable bajo las condiciones ambientales corrientes (estado basal) se encuentra en un determinado nivel energético. Si se logra hacer incidir sobre esa molécula un fotón de radiación electromagnética con la energía apropiada, la molécula incrementa su contenido energético absorbiendo ese fotón. Se dice entonces que la molécula pasó a un estado excitado. En este caso se dice que la materia ABSORBE energía. La molécula energizada se encuentra en un estado que no es estable en las condiciones ambientales corrientes; por lo tanto tiende a regresar a la condición estable y para lógralo emite un fotón con la energía que logró excitarla antes. A este fenómeno se le llama EMISION. La materia absorbe radiación de diversas regiones del espectro electromagnético. Pero esas absorciones pueden originar diferentes tipos de interacciones entre la materia y la radiación electromagnética. Dependiendo del tipo de interacción se pueden analizar las transiciones electrónicas que se pueden causar con la radiación ultravioleta o visible, y que son las empleleadas en la espectrofotometría. La radiación infrarroja interactúa con los estados rotacionales y vibracionales de las moléculas, casos que no son empleados en la espectrofotometría, ya 2

3 que el tipo de energía que la materia puede absorber de la radiación electromagnética no puede luego ser emitida en forma de fotones. Caracteristicas Basicas de la Luz Ya se dijo que la luz (fotones) es radiación electromagnética, y que hay una pequeña región del espectro electromagnético en el que las radiaciones son visibles a ojo humano. La luz blanca es en si, una mezcla de todas las longitudes de onda presente en el rango visible del espectro electromagnético. Cuando la luz incide en un objeto, la luz puede ser: Reflejada, Absorbida, Transmitida, o Difractada. Un prisma es un objeto con propiedades física capaces de descomponer la luz blanca en los varios colores que la componen. Y si algo de la luz es absorbida, la luz transmitida o reflejada, tendrá los colores complementarios de la luz absorbida. 3

4 APLICACIONES ANALITICAS Un espectrofotómetro emplea un arreglo de prismas, espejos rendijas para seleccionar luz con una longitud de onda deseada y dirigirla hacia el compartimiento de muestras y un detector. La función del detector es medir electrónicamente la intensidad de la luz que incide en el. La muestra es colocada en la línea de paso del haz de luz, y el instrumento compara la intensidad de la luz que logra atravesar la muestra (I) con la intensidad de luz que se detecta sin la muestra (I o). El efecto que se mide puede ser: Transmittancia (T) Representa el porcentaje de luz que pasa a través de la muestra. Es la relación entre la intensidad de radiación transmitida por la muestra y la intensidad de radiación que incide sobre la muestra, medidos ambos en la misma posición del espectro y con la misma rendija. Se supone que el haz de radiación es paralela y que incide sobre las superficies planas y paralelas de la muestra formando ángulos rectos para evitar el fenómeno de distracción que podría desviar el haz del detector resultando en mediciones equivocadas o erróneas T = 100(I/I o) Absorbancia (Abs) Representando la cantidad de luz que es absorbida por la muestra. Es el logaritmo en base diez del reciproco de la transmitancia, en el que el disolvente puro es el material de referencia. Abs = - log 10(T/100) = log 10(I o/i) 4

5 LEYES DE LA ESPECTROFOTOMETRIA En las siguientes figuras tenemos un ejemplo de transmitancía y absorbancia, en el cual suponemos que cada película azul transmite el 70% de la luz que le incide. Figura 1. Como no hay ninguna película en el paso de haz de luz que absorba radiación, entonces el detector da una lectura de T=100% y Abs=0 Figura 2. Una única película esta en el paso del haz de luz, y su transmitancia es del 70%, entonces: I/I o = 0.70 ; T = 70% ; Abs = - log 10(0.70) = Figura 3. La segunda película transmite el 70% de la luz que recibe, o 49% (0.70 x 70%) de la luz original: I/I o = 0.49 ; T = 49% ; Abs = - log 10(0.49) = Figura 3. La tercera película transmite el 70% de la luz que recibe, o 34.3 % (0.70 x 49%) de la luz original: I/I o = ; T = 34.3% ; Abs = - log 10(0.343) = Se puede concluir que la absorbancia es proporcional al número de películas de material coloreado teniendo en cuenta que cada una de las películas tiene un espesor constante en cada una de ellas. Eso es precisamente lo que estipula lea ley de Lamber: 5

6 Ley de Lambert La absorbancia es directamente proporcional lo delgado o largo de la trayectoria del haz de luz a través del material absorbente. Un espectrofotómetro es comúnmente usado para estudiar soluciones. Una solución conteniendo un material absorbente es comparada con una solución de referencia del mismo solvente pero sin materiales absorbentes. La transmitancia de la solución referencia se ajusta al 100% (Abs=0), y luego la solución en cuestión es medida. En el ejemplo anterior, la adición de una gota de colorante rojo a una de las cubetas reduce la transmitancia a 70% (Abs=0.155). La adición de una gota a la segunda cubeta reduce la transmitancia a 49% (Abs=0.310) duplicando la absorbancia como lo indica la ley de Lambert, ya que la longitud que el haz atraviesa por el material colorido es ahora el doble de la longitud inicial. Sin embargo, si agregamos la segunda gota en la primer cubeta se obtiene exactamente el mismo resultado que cuando fue agregada a la segunda cubeta. En este caso, la longitud sigue siendo la misma inicial y final, pero la concentración de material colorante ha sido duplicada, duplicando también la absorbancia. A ese efecto se le conoce como la Ley de Beer: 6

7 Ley de Beer A longitud constante, la absorbancia es directamente proporcional a la concentración del material absorbente. Ambas leyes se combinan para formar: Ley Lamber-Beer: Abs = a x b x C a:longitud de trayecto b:concentración C:coeficiente de absorción molar, que depende de la longitud de onda de la luz, del material absorbente y del medio o solvente. Esta ley es de propiedad aditiva en el caso que haya distinto materiales absorbentes: Abs = a 1b 1C 1 + a 2b 2C