Espectroscopía de Absorción Molecular

Transcripción

1 Espectroscopía de Absorción Molecular La espectroscopía consiste en el estudio cualitativo y cuantitativo de la estructura de los átomos o moléculas o de distintos procesos físicos y químicos mediante el empleo de la absorción, emisión o dispersión de radiación electromagnética (luz). Las técnicas espectroscópicas se basan en la interacción luz-materia. Esta interacción puede provocar un cambio en la dirección de la radiación y/o transiciones entre niveles de energía de átomos o moléculas.

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3 Radiación electromagnética La radiación electromagnética: es un tipo de energía que se transmite a enormes velocidades, a través del espacio. La luz (radiación visible): es la radiación electromagnética más fácilmente reconocible. Otras manifestaciones, menos obvias, rayos X, los ultravioleta y las microondas. son los

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5 Cristales de hielo, estudiados por Wilson Bentlev en 1902 Dr. Masaru Emoto, un visionario investigador de Japón. A través de experimentos repetibles, demostró que los pensamientos humanos y las emociones pueden alterar la estructura molecular del agua.

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10 Radiación electromagnética Según Maxwell, la luz es una radiación electromagnética caracterizada por una frecuencia ( ), longitud de onda ( ) relacionadas por la expresión: = c

11 Naturaleza de la Radiación Electromagnética Fenómeno ondulatorio: A diferencia de otros fenómenos ondulatorios, tales como el sonido, las radiaciones electromagnéticas no requieren ningún soporte material para desplazarse se transmiten sin dificultad en el vacío. La radiación electromagnética se puede describir como un campo eléctrico que experimenta oscilaciones sinusoidales a medida que se desplaza por el espacio

12 Propiedades de la onda: Longitud de onda ( ): distancia lineal entre dos máximos o mínimos sucesivos de la onda. El número de onda : es el inverso de la longitud de onda en cm (1/ ) Amplitud (A): longitud del vector eléctrico en el máximo de la onda. Define potencia, no energía (E=h ) Periodo (T): tiempo transcurrido entre el paso de dos máximos consecutivos por un punto fijo del espacio. Frecuencia ( ): número de ondas por segundo y es igual al inverso del periodo.

13 Propiedades de la onda: La velocidad de propagación (v) es aquella a que el frente de onda se mueve a través del medio, depende de la naturaleza del medio así como de la frecuencia de la radiación. v = La potencia de un haz de radiación (P) es la energía del haz que llega a un área dada por segundo. Esta variable, al igual que la intensidad, están relacionadas con el cuadrado de la amplitud del haz

14 REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN Cuando la radiación cruza una superficie de separación entre dos medios de diferente índice de refracción, parte de la radiación se refracta, pero otra parte vuelve por el mismo camino. Este fenómeno se denomina REFLEXION REFRACCION Si la luz viaja del material 1 con índice de refracción n 1 al material 2 con índice de refracción n 2, las siguientes leyes determinan la dirección del rayo refractado. sin 1 n 1 sin 2 n 2 n 1 1,,n 2 2 ángulos de incidencia y refractado. índicesde refracción

15 Fenómenos corpusculares Para entender muchas de las interacciones entre la radiación y la materia consideraremos que la radiación electromagnética está constituida por paquetes de energía llamados fotones o cuantos. La energía de un fotón (E) depende de la frecuencia de la radiación y viene dada por E = h donde h es la cte. de Planck (6,63x10-34 J. s). Esto implica que: E α y, por tanto E α número de onda (1/λ)

16 Fenómenos corpusculares Los fenómenos que pueden explicarse teniendo en cuenta esta naturaleza corpuscular de la radiación son: absorción, emisión y fluorescencia Absorción: interacción radiación-materia en la que electrones de orbitales externos se promocionan. Sólo se producirá si: E fotón absorbido = E salto energético: estado fundamental-estado excitado M + h M*

17 Fenómenos corpusculares Emisión: Excitación de la materia con energía térmica/eléctrica. Al volver al estado fundamental se emiten fotones (importante: la excitación no se realiza con fotones) M + Q M* M + h Fluorescencia: Una sustancia fluorescente es capaz de absorber una cierta radiación y pasar a un estado excitado (M*). M* tiene un cierto tiempo de vida y va cambiando de configuración hasta volver al estado fundamental con un fotón de energía diferente. El cambio de configuración de M* es llamada relajación vibracional. ABSORBIDA > EMITIDA por tanto λ ABSORBIDA >λ EMITIDA

18 Absorción atómica y molecular ABSORCIÓN Una especie química situada en un medio transparente atenúa selectivamente ciertas frecuencias de radiación electromagnética: cuando el fotón incide sobre una especie química, es probable que se absorba si y solo si la energía del fotón corresponde exactamente a alguno de los desniveles de energía entre el estado fundamental y alguno de los estados excitados de dicha especie. Las características de absorción de una especie se pueden describir convenientemente mediante un espectro de absorción. Absorción atómica Cuando el haz de radiación policromática atraviesa un medio que contiene átomos gaseosos, sólo se atenúan unas pocas frecuencias por absorción y el espectro resultante consta de un número de rayas o líneas de absorción

19 Absorción atómica

20 Absorcion molecular Absorción molecular UV-VIS Cuando la especie absorbente es una molécula el espectro que se obtiene es un espectro de bandas (continuo). Además de las transiciones electrónicas hay que considerar transiciones vibracionales y transiciones rotacionales.

21 Absorción molecular

22 ESPECTROS ÓPTICOS Cuando se hace pasar la radiación emitida por un cuerpo caliente a través de un prisma óptico, se descompone en distintas radiaciones electromagnéticas dependiendo de su distinta longitud de onda (los distintos colores de la luz visible, radiaciones infrarrojas y ultravioleta) dando lugar a un espectro óptico. Todas las radiaciones obtenidas impresionan las películas fotográficas y así pueden ser registradas. Cada cuerpo caliente da origen a un espectro diferente ya que esta depende de la propia naturaleza del foco. Los espectros pueden ser de emisión y absorción. A su vez ambos se clasifican en continuos y discontinuos:

23 ESPECTROS DE EMISIÓN: Son aquellos que se obtienen al descomponer las radiaciones emitidas por un cuerpo previamente exitado. - Los espectros de emisión continuos se obtienen al pasar las radiaciones de cualquier sólido incandescente por un prisma. Todos los sólidos a la misma temperatura producen espectros de emisión iguales. Espectro continuo de la luz blanca - Los espectros de emisión discontinuos se obtienen al pasar la luz de vapor o gas exitado. Las radiaciones emitidas son caracteristicas de los átomos exitados. Espectro de emisión de vapores de Li

24 ESPECTROS DE ABSORCIÓN: Son los espectros resultantes de intercalar una determinada sustancia entre una fuente de luz y un prisma - Los espectros de absorción continuos se obtienen al intercalar el sólido entre el foco de radiación y el prisma. Así, por ejemplo, si intercalamos un vidrio de color azul quedan absorbidas todas las radiaciones menos el azul. - Los espectros de absorción discontinuos se producen al intercalar vapor o gas entre la fuente de radiación y el prisma. Se observan bandas o rayas situadas a la misma longitud de onda que los espectros de emisión de esos vapores o gases. Espectro de absorción de vapores de Li Se cumple así la llamada ley de Kirchhoff, que dice: Todo cuerpo absorbe las mismas radiaciones que es capaz de emitir.

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32 ESPECTROS ATÓMICOS DE ABSORCIÓN Y DE EMISIÓN La Espectroscopia es el estudio de los espectros de los cuerpos físicos. Se fundamenta en el hecho de que cada elemento químico tiene su propio espectro de emisión y de absorción. Para el estudio de los espectros de los elementos químicos se usan aparatos diversos, fundamentalmente son: - El espectroscopio: que al descomponer la luz incidente dispersándola en diferente radiaciones monocromáticas, permite la observación directa del espectro de un determinado elemento. - El espectrógrafo, que permite fotografiar las bandas de emisión y absorción de los elementos. - El espectrómetro, cuyo objeto es la medición de las longitudes de onda de emisión y absorción en los espectros.

33 Cada átomo es capaz de emitir o absorber radiación electromagnética, aunque solamente en algunas frecuencias que son características propias de cada uno de los diferentes elementos químicos. Si, mediante suministro de energía calorífica, se estimula un determinado elemento en su fase gaseosa, sus átomos emiten radiación en ciertas frecuencias del visible, que constituyen su espectro de emisión. Si el mismo elemento, también en estado de gas, recibe radiación electromagnética, absorbe en ciertas frecuencias del visible, precisamente las mismas en las que emite cuando se estimula mediante calor. Este será su espectro de absorción.

34 Se cumple, así, la llamada Ley de Kirchoff, que nos indica que todo elemento absorbe radiación en las mismas longitudes de onda en las que la emite. Los espectros de absorción y de emisión resultan ser, pues, el negativo uno del otro. Puesto que el espectro, tanto de emisión como de absorción, es característico de cada elemento, sirve para identificar cada uno de los elementos de la tabla periódica, por simple visualización y análisis de la posición de las líneas de absorción o emisión en su espectro. Ya sabemos que cuando hacemos pasar la luz a través de un prisma óptico se produce el efecto llamado dispersión que consiste en la separación de las distintas longitudes de onda que forman el rayo incidente.

35 La luz blanca produce al descomponerla lo que llamamos un espectro continuo, que contiene el conjunto de colores que corresponde a la gama de longitudes de onda que la integran Sin embargo, los elementos químicos en estado gaseoso y sometidos a temperaturas elevadas producen espectros discontinuos en los que se aprecia un conjunto de líneas que corresponden a emisiones de sólo algunas longitudes de onda. El siguiente gráfico muestra el espectro de emisión del Na (sodio):

36 El conjunto de líneas espectrales que se obtiene para un elemento concreto es siempre el mismo, incluso si el elemento forma parte de un compuesto complejo, y cada elemento produce su propio espectro diferente al de cualquier otro elemento. Esto significa que cada elemento tiene su propia firma espectral Si hacemos pasar la luz blanca por una sustancia antes de atravesar el prisma sólo pasarán aquellas longitudes de onda que no hayan sido absorbidas por dicha sustancia y obtendremos el espectro de absorción de dicha sustancia. El gráfico siguiente muestra el espectro de absorción del sodio: Observa que el sodio absorbe las mismas longitudes de onda que es capaz de emitir. La regularidad encontrada en los espectros discontinuos supone un apoyo muy importante para comprender la estructura de los átomos.

37 El espectro de la radiación En determinadas condiciones, los cuerpos emiten energía en forma de radiación. También los cuerpos absorben la radiación que emiten otros cuerpos, asimilando energía. Cómo medir la radiación emitida o la radiación absorbida por los cuerpos?. Un aparato capaz de obtener el espectro de una radiación, es decir, de separar la radiación en sus componentes, se llama un espectroscopio. Si el aparato es capaz de fotografiarla se llama un espectrógrafo, y si es capaz de medirla diremos que se trata de un espectrómetro. Cuando es capaz de medir también la intensidad de la radiación, se llama espectrofotómetro. La principal emisión de radiación de los cuerpos es la radiación electromagnética en forma de luz visible. Se dice que el arco iris es el espectro de la luz visible procedente del sol. En el ejemplo del espectro constituido por el arco iris, son las gotas de lluvia y el aire atmosférico lo que hacen de espectroscopio.

38 La longitud de onda de la radiación puede ser desde muy pequeña, en el caso de la llamada radiación gamma, hasta muy grande en las ondas de radio. Se mide, pues, usando desde nanómetros y Angstroms hasta cientos de metros. Recordemos que un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro (1 m = 10 9 nm) y que un Angstrom es la diez mil millonésima parte de un metro (1 m = Å), por lo que un nanómetro equivale a 10 Angstrom (1nm = 10 Å) La luz que recibimos del Sol es radiación electromagnética que se desplaza a km/s, en su totalidad, pero la longitud de onda no es la misma en todos los fotones luminosos, sino que varía entre los 4000 Å y los 7000 Å, aproximadamente, o lo que es lo mismo, entre los 400 nm y los 700 nm. La luz blanca se descompone, en definitiva, en un espectro de diferentes bandas coloreadas, cada una definida por una longitud de onda distinta. Así, la luz de menor longitud de onda es la luz violeta, que es de alrededor de unos 4000 Angstrom, y la luz de mayor longitud de onda es la luz roja, que es de alrededor de unos 7000 Angstrom

39 Sin embargo, hay radiaciones de mayor y también de menor longitud de onda, es decir, que tienen una longitud de onda inferior a 4000 Angstrom y que tienen una longitud de onda superior a los 7000 Angstrom. Las radiaciones que van desde el violeta al rojo se dice que forman el espectro visible, pues procede de la descomposición de la luz blanca. Las radiaciones de longitud de onda inferior al violeta se llaman radiación ultravioleta, rayos X, y rayos gamma, por orden decreciente en la longitud de onda. Las radiaciones de longitud de onda superior al rojo son las denominadas infrarrojo, microondas y ondas de radio, por orden creciente en longitud de onda.

40 TIPO DE RADIACION Intervalos de las longitudes de onda Rayos Gamma Rayos X Ultravioleta inferiores a 10-2 nm entre 10-2 nm y 15 nm entre 15 nm y 4x10 2 nm ESPECTRO VISIBLE entre 4x10 2 nm y 7,8x10 2 nm (4000 Å y 7800 Å) Infrarrojo Región de Microondas Ondas de Radio entre 7,8x10 2 nm y 10 6 nm entre 10 6 nm y 3x10 8 nm mayores de 3x10 8 nm ( 1 metro = 10 2 cm = 10 3 mm = 10 9 nanómetros = angstroms)