Métodos Espectrofotométricos Capítulos 24 y 25 de Fundamentos de Química Analítica Skoog-West-Holler-Crouch (octava Ed.) 1
Radiación electromagnética Longitud de onda : Frecuencia en s -1 Hertz Numero de onda 1 cm -1 c 8 2.997 10 / m s Cuanto menor sea, tanto mayor sera la energía portada por la onda Fotón: Cuanto de energía electromagnética h = constante de Planck (6.626 x 10-34 J-s) c E foton h h 2
Rayos -X Regiones Espectrales Microondas Numero de Onda 1 (cm ) ( Hz) Frecuencia Rayos Gama Ultravioleta Infrarrojo Radio frecuencias Longitud de Onda (m) Fenómenos Espectroscopía Óptica Energía Nucleares Vibracionales Magnetismo, spin nuclear Electrónicos Rotacionales 3
Interacción Radiación electromagnética-materia Refracción Reflexión Dispersión elástica Difracción Polarización Absorción Emisión Dispersion Raman Cambio en la dirección de propagación, polarización Fenómenos de interferencia Transiciones entre los estados cuánticos permitidos del material (analito). Se intercambia energía 4
Clasificación de Métodos Ópticos No espectroscópicos Difracción Refracción (mide concentración vía índice de refracción) Polarización polarimetría (rotación de la polarización de la luz) Dispersión elástica Turbidimetría Nefelometría Concentración y tamaño de partículas Espectroscópicos La sustancia de interés experimenta transiciones de estados cuánticos Absorción Emisión Dispersión Raman entre niveles de energia electronicos E=E Electronica +E Vibracional +E Rotacional transiciones entre niveles vibracionales 5
Interacción radiación electromagnética-materia Teoría Cuántica: Átomos iones o moléculas Solo existen en estados de energías discretas E 0, E 1, E 2 Estados excitados Cuando absorben o emiten radiación electromagnética, efectúan una transición de un estado de energía a otro únicamente si se cumple: c E1 E0 h 01 h Energía Especies atómicas: debida al movimiento de electrones relativo al núcleo: 01 Estado fundamental resonancia E E el Especies moleculares: Estados cuantizados electrónicos vibracionales y rotacionales: E Eel Evib ERot Movimiento electrónico Movimiento relativo de átomos Rotación molecular 6
( )= p ( ) abs S Probabilidad de la transición Condición de resonancia Esta sección eficaz es proporcional al cuadrado del momento de la transición 2 n m n,0 M m, v' 0 Dipolo-permitida =0 dipolo prohibida Momento dipolar M e. r e. Z r i i Teniendo en cuenta las funciones de onda de los estados inicial (n) y final (m) se evalúa el momento de la transición que determina la probabilidad de l a transición n->m 7
Ejemplo transiciones en la molécula de formaldehído enlazante En el espectro UV-visible del formaldehido solo se detectan las transiciones n-p* y p-p* las transiciones -p* no son permitidas (tienen baja probabilidad) Las transiciones ocurren sin cambio de spin. De lo contrario tienen baja probabilidad.
Transiciones, subniveles y espectros La transición electrónica ocurre junto con un conjunto de transiciones vibracionales (y rotacionales) en un rango de longitudes de onda Espectro: probabilidad de transiciones versus longitud de onda (frecuencia, E, etc.)
Rad. Incidente P 0 Muestra Absorcion 0 P Rad. Transmitida P A log logt P T P P 0 Espectro de absorción Absorción c E01 h 01 h c E02 h 02 h 01 02 El espectro de absorción puede constar de líneas bandas o presentar un continuo 02 01 A una longitud de onda determinada A es proporciona a la concentración de las especies que absorben radiación electromagnética A( ) ( )bc 01 01 Beer-Lambert 10
Absorción: Ley de Beer-Lambert ( )= p ( ) abs S A una dada longitud de onda la potencia absorbida esta dada por: dp Pincidente pabsdn PC N Av Sdx S P0 número de moléculas en volumen iluminado: dn CN Sdx Av Ptr Integrando y cambiando a log 10 A log NAv 2.303 P0 NAv Cb P 2.303 tr Colectando factores A bc Beer-Lambert 11 Función lineal de la concentración
Limitaciones instrumentales de la ley de Beer Eefecto de la luz espúrea Ps P P s P0 P P s P 0 P 0 P P s P s A log log log log 1 P0 Ps P P s 0 P0 P0 P0 1 P0 P s P s log T log 1 P P 0 0 A observada log P P log P Ps T P 1 2 0 Ps T P 0 P P ( 1) ( 2) 0 0 ( 1) ( 2) P P 10 10 ( 1) ( 2) 0 0 ( 1) bc ( 2) 0 P0 bc No afecta Afecta
El rango de aplicabilidad de la ley de Lambert-Beer Depende del instrumento de medición En el extremo de baja absorbancia el error es similar para ambos equipos El el extremo de alta absorbancia se consigue mantener linealidad con detectores mas sensibles y minimizando la luz dispersa (Cary118)
Fuentes de Luz Filamento calentado por pasaje de una corriente (efecto Joule) Emision de Luz visible (cuerpo negro) distribucion de Planck Lámpara de deuterio (Luz ultravioleta) Emisión de un continuo por disociación de moléculas de deuterio excitado eléctricamente (impacto iónico) Em hc E Em E Exc hc ( E ( H ) E ( H ')) cinetica cinetica H 2 h Exc H H * 2 * 2 H H' h Emision 0 E E 0 E E cinetica Exc Em Exc Espectro continuo
Otras fuentes de radiación electromagnética (Ultra Violeta-Visible-Infrarrojo cercano )
Configuracion interna de espectrofotometros UV-Visible Simple Haz Simple Suceptible a fluctuacion de la intensidad de la lampara Suceptible a la reproducibilidad De posicionamiento de la cuveta Doble Haz CONTINUO Corrige las fluctuaciones de la fuente El haz que pasa por la muestra no es identico al que psa por el blanco Requiere cuvetas identicas Doble Haz ALTERNADO Corrige las fluctuaciones de la fuente El mismo haz de luz se dirige Intermitentemente al blanco o a la muestra
Doble Haz ALTERNADO (Varian Cary 3E)
Configuracion interna de espectrofotometros UV-Visible Hewllet Packard HP8452 HP8453 La muestra se ilumina con el espectro completo y la luz transmitida pasa por una red de diffraccion La deteccion se efectua en un areglo lineal de detectores Ocean Optics, BW Tek, Avantes Verision del laboratorio: 1- entrada 2-Ranura 3-Filtro 4espejo concavo 5-red de difraccion 6-espejo 7-Arreglo lineal (CCD)
Instrumentos de barrido espectral: Monocromadores Red de diffracion n CB BD interferencia constructiva CB d sin i CB d sin r n d(sin i sin r)
Detectores Fototubo: Emision fotoelectrica de electrones Fotomultiplicador: 1) Deteccion: Emision fotoelectrica de electrones 2) Amplificacion: Emision secundaria por impacto Una serie de diferencias de potencial acelera los electrones antes de que estos colisionen en el electrodo siguiente
Detectores Fotodiodo CCD Charge Coupled Device
Respuesta de los detectores
Ventanas y solventes: