Principios básicos de Absorciometría

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1 Principios básicos de Absorciometría Prof. Dr. Luis Salazar Depto. de Ciencias Básicas UFRO 2004 NATURALEZA DE LA LUZ MECÁNICA CUÁNTICA Isaac Newton ( ) Niels Bohr ( ) Validación del modelo de Bohr: Espectroscopía espectro electromagnético EL ESPECTRO ÓPTICO La luz blanca está compuesta de ondas de diversas frecuencias. Cuando un rayo de luz blanca pasa por un prisma se separa en sus componentes de acuerdo a la longitud de onda así: espectro de emisión espectro de abssorción 1

2 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN ESPECTROFOTOMETRÍA 1. La espectrofotometría se refiere a los métodos, cuantitativos, de análisis químico que utilizan la luz para medir la concentración de las sustancias químicas. 2. Se conocen como métodos espectrofotométricos y según sea la radiación utilizada como espectrofotometría de absorción visible (colorimetría), ultravioleta, infrarroja. 1. Desde 1852 la ley de Bourguer Lambert - Beer ha sido usada como la base cuantitativa de la espectroscopia de absorción. 2. Bourguer en 1729 estableció empíricamente una correlación entre la longitud de la trayectoria de la luz y la absorción de esta. 3. Esta correlación fue formulada matemáticamente por Lambert en 1760 y Beer descubrió la dependencia de la absorción de luz con la concentración en Actualmente esta ley es aplicable a la absorción de luz en cualquier zona del espectro. ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN Inicialmente el ojo humano fue el detector para comparar diferentes intensidades de luz y los principios de la colorimetría o fotometría visual están basados en el hecho de que nuestros ojos son capaces de distinguir la intensidad de dos haces de luz con una exactitud cercana al 1%. 2

3 ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN LEY DE LAMBERT - BEER PARÁMETROS DE MEDICIÓN La Transmitancia (T) es la relación entre la intensidad de radiación transmitida por una muestra (I) y la intensidad de radiación que incide sobre la muestra (I 0 ), medidos ambos en la misma posición del espectro y con la misma rendija, T = I / I 0 La Absorbancia (A) es el logaritmo en base diez del recíproco de la transmitancia (T), en el que el disolvente puro es el material de referencia; esto es, A = log 10 1/T = - log 10 T Se supone que el haz es de radiación paralela y que incide sobre las superficies planas y paralelas de la muestra, formando ángulos rectos. LEY DE LAMBERT - BEER LEY DE LAMBERT - BEER ABSORBANCIA A= log 10 P 0 / P A= log 10 1 / T A= log / %T A = a b c b: longitud del camino recorrido por la radiación a través del medio absorbente c: concentración de la especie absorbente T= P/P 0 A=2-log 10 %T a: absortividad, constante de proporcionalidad 3

4 LEY DE LAMBERT - BEER... LEY DE LAMBERT - BEER Si: b (cm), c (moll -1 ), a (L cm -1 mol -1 ) a = absortividad molar = ε Para más de una especie absorbente en el medio: las absorbancias son aditivas A total = a 1 bc a n bc n LEY DE LAMBERT - BEER... DESVIACIONES DE LA LEY DE BEER EXCESO DE CONCENTRACIÓN DESVIACIONES DE LA LEY DE BEER RADIACIÓN POLICROMÁTICA Instrumentos FOTOMETROS ESPECTROFOTOMETROS 4

5 SISTEMA ÓPTICO FUENTE LUMINOSA Lámparas de H 2 y D 2 Filamento de W Lámpara de Nerst Alambre de Nicrom Fuentes de radiación SELECCIONADOR DE λ Las características que deben reunir son: 1. Debe tener potencia suficiente. 2. Debe ser estable. 3. Debe tener un estabilizador para corregir las variaciones de la radiación, o en el sistema de doble haz, uno de ellos no pasa por la muestra y corrige las fluctuaciones. Filtros Vidrio Wratten (gelatina) Interferencia Monocromadores Rejilla de difracción Prismas Un sistema monocromador consiste básicamente de: 1. Una rendija de entrada que proporciona una imagen óptica estrecha de la fuente de radiación. MONOCROMADOR 2. Un lente colimador que hace paralela la radiación procedente de la rendija de entrada. 3. Una red de difracción o un prisma para dispersar la radiación incidente. 4. Otro lente colimador para reformar las imágenes de la rendija de entrada sobre la rendija de salida. 5. Una rendija de salida para aislar la banda espectral deseada, bloqueando toda la radiación dispersada excepto la del intervalo deseado. 5

6 La función principal de un monocromador es la de proporcionar un haz de energía radiante con una longitud de onda nominal y una anchura de banda dada. LONGITUD DE ONDA La salida espectral de cualquier monocromador usado con una fuente de radiación continua, independientemente de su distancia focal y anchura de rendijas, consiste de una gama de longitudes de onda con un valor promedio de longitud que se presenta en el indicador del monocromador. La función secundaria de un monocromador consiste en el ajuste del rendimiento de energía. 1. Este puede aumentarse, aumentando el ancho de la rendija de salida, a costa de una mayor anchura de banda espectral que puede introducir desviaciones a la ley de Beer, porque ésta exige radiación monocromática. El funcionamiento de un monocromador comprende tres aspectos correlacionados: pureza de la radiación de salida, resolución y poder de captación de luz. La pureza la determina principalmente la cantidad de radiación dispersada mientras que la resolución depende de la dispersión y perfección en la formación de la imagen. 2. Sin embargo, los anchos de rendijas excesivamente pequeños provocan rendimientos de baja energía en la señal del detector, afectando la sensibilidad analítica como resultado de la degradación de la relación señal-ruido. Se requiere un poder de dispersión grande y un alto poder resolutivo en un monocromador, para medir con precisión las líneas discretas en los espectros de emisión o absorción atómica y para obtener los espectros de bandas angostas de absorción molecular. Redes o rejillas de difracción Rejilla de difracción Actualmente son los dispositivos más utilizados en los espectrofotómetros UV-VIS. Una rejilla o red de difracción consiste en una superficie pulida y rayada finamente con un gran número de surcos o estrías equidistantes que reflejan o transmiten la radiación. La distancia entre las estrías debe ser similar al orden de la longitud de onda de la radiación que se quiere obtener. 6

7 Ancho de banda espectral La pureza de la radiación que sale del monocromador es función de la capacidad de dispersión del monocromador y del tamaño de la rendija. Recipiente para la muestra La anchura de banda espectral corresponde al intervalo de longitudes de onda comprendido entre los puntos en donde la transmitancia (de la radiación emitida por la fuente y que llega a la rendija de salida) alcanza la mitad de su máximo de transmisión o el intervalo de longitudes de onda que contiene el 75% de la energía radiante que proviene del monocromador. Material Cuarzo Vidrio Plástico Radiación UV-Vis Vis Vis DETECTORES Fotónicos (detectores de fotones): Fotoemisión o Fotoconducción 1 cm Térmicos (detectores de calor): Aumento de temperatura se convierte en señal eléctrica 1. Un sistema detector consiste en los dispositivos que permiten " ver o detectar u observar " la radiación después de pasar por la muestra, en las medidas de absorción, u originada por la muestra en el caso de medidas de emisión de radiación. 2. Generalmente también son transductores es decir que convierten la radiación electromagnética o radiación lumínica en una corriente o voltaje que se observa después de amplificar en el circuito de lectura. 3. Dependiendo de la zona del espectro utilizada en el espectrofotómetro, los detectores deben poseer características que le permitan detectar ese tipo de radiación. DETECTORES DE FOTONES 1. Fototubos 2. Tubos fotomultiplicadores 3. Células fotovoltaicas 4. Detector de fotoconductividad 5. Fotodiodos 7

8 Para el ultravioleta, el visible y el cercano infrarrojo se encuentran los fototubos de vacío, de un solo paso, que contienen un cátodo sensible a la radiación y su ánodo. El fotocátodo opera según el principio de que se emiten electrones desde algunos materiales dependiendo de la frecuencia de los fotones que inciden en su superficie, es decir hacen uso del efecto fotoeléctrico. Los fotomultiplicadores son una combinación de un cátodo fotoemisivo y una cadena interna de dínodos multiplicadores de electrones. La radiación incidente expulsa electrones del cátodo. Estos electrones son enfocados por un campo electrostático y acelerados hacia un electrodo curvo, que corresponde al primer dínodo, el cual está cubierto con un compuesto que expulsa varios electrones como resultado del impacto de un electrón de alta energía. Repitiendo este proceso varias veces se produce la amplificación de la corriente interna para finalmente llegar al ánodo. Los fotodiodos operan según un principio completamente diferente al de los detectores anteriores. Este consiste de una unión semiconductora p-n, la cual posee una polarización inversa, de modo que no existe un flujo de corriente. Cuando un fotón interactúa con el diodo, los electrones llegan hasta la banda de conducción en donde pueden actuar como portadores de carga. De esta manera, la corriente generada es proporcional a la potencia radiante incidente. FOTOMETROS Y ESPECTROFOTOMETROS FOTOMETROS: Emplean filtros Son simples y robustos. ESPECTROFOTOMETROS: Emplean rejillas de difracción o prismas. Permiten variar la λ continuamente. Permitiendo registrar el espectro de absorción. Humalyzer 2000 FOTOMETROS 8

9 ESPECTROFOTOMETRO DE HAZ SIMPLE ESPECTROFOTOMETROS Spectronic

10 ESPECTROFOTOMETRO DE DOBLE HAZ 5 10

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