INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRA

INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRAQUMICA ANLITICA II

1La medida de la emisin y la absorcin de la luz por parte de las sustancias se denomina espectrofotometra.

Absorcin=tomarEmisin= dar

INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRALa espectrofotometra a menudo simplificado como espectrometra.Los trminos absorcin y emisin tienen el mismo significado que el de uso cotidiano: absorcin = tomar y emisin=dar.2

INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRA(luz = REM)Cuando se utiliza el trmino luz, por lo general nos referimos a la luz visible para nuestros ojos, sin embargo esta es una pequea parte del espectro electromagntico que incluye: radiaciones de radio, microondas, IR, visible, UV, rayos X y rayos gamma, es decir se utiliza la palabra luz como termino general para toda la radiacin electromagntica.3Los instrumentos especficos utilizados para la espectrometra se denominan: espectrofotmetros, espectrorradimetros o espectrmetros, dependiendo de su construccin.INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRA

Nosotros utilizaremos el trmino espectrmetro para referirnos a todos los tipos de equipos.4En todos los mtodos espectromtricos se miden fundamentalmente dos variables:

1. La longitud de onda (o energa de radiacin).2. La cantidad de radiacin de esa longitud de onda.INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRA5Se puede utilizar la espectroscopia para determinar el contenido molecular y elemental de los materiales.

Las absorbidas o emitidas dependen de la identidad del compuesto, en donde las permanecen iguales, pese a la cantidad de analto presente, sin embargo la cantidad de luz absorbida o emitida depende de la concentracin del compuesto.INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRACuando un material especfico absorbe energa de la luz, absorbe nicamente ciertas , para otras , el material puede ser transparente, as mismo, cuando un tomo o molcula emite luz, solo lo hace a sus caractersticas, a otras no se produce emisin.Estas permanecen iguales pese a la cantidad de analito presente, sin embargo la cantidad de luz absorbida o emitida dependen de la concentracin del compuesto presente en el paso ptico.6Transformacin de la energa de la luz.La suma de todas las formas de energa que entran en la muestra, debe ser igual a la suma de todas las formas de energa que salen de la muestra, ms la energa que queda en el material.

INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRAComo lo dicta la ley de la conservacin de energa. Los resultados de las interacciones de un tomo o molcula con sus alrededores y con la luz se dibujan en la figura: la energa entra y sale del tomo en forma de luz, calor y energa cintica de partculas tales como electrones. Ya que la luz se puede transformar en calor, la de la luz que se emite puede ser mayor(menor energa) que la que excita al tomo, debido al calentamiento del tomo y de sus alrededores. Es comn representar la generacin de calor (transiciones no radiantes) con flechas onduladas y la radiacin absorbida o emitida con flechas rectas, cuya direccin es el sentido del flujo de energa.7INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRATECNICAS ESPECTROMTRICAS

Los nombres para las distintas tcnicas espectromtricos, vienen dados por el tipo de energa que incide sobre el tomo y el tipo o tipos que salen. Fosforescencia, una vez que el material es iluminado la emisin puede persistir durante un tiempo determinado apreciable tras retirar la iluminacin. Esta se observa en el intervalo visible.Fluorescencia, la emisin cesa inmediatamente de manera virtula (una definicin aceptada de inmediatamente son aproximadamente 10 ns. Esta se utiliza en las regiones UV.vis y rayos X.Quimioluminiscencia, se producen reacciones quimicas al reaccionar la radiacin e.m con el tomo o molcula del compuesto, reaccin que genera luz. Ej. NO gas8EMISIN DE LA RADIACIN.La Emisin de la REM se origina cuando las partculas excitadas (tomos, molculas e iones) se relajan a niveles de menor energa cediendo su exceso de energa en forma de fotones.

Estas se excitan por bombardeo de electrones (Rayos X), calor de una llama (UV-Vis, IR), por irradiacin con un REM (fluorescencia, quimioluminiscencia).INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRALa excitacin puede producirse por diversos medios, tales como: a) el bombardeo con electrones u otras partculas elementales, que generalmente conducen a la emisin de rayos X, b) la exposicin a chispas de corriente alterna o al calor de una llama, un arco o un horno, la cual produce radiacin UV-vis o infrarrojo, c) la irradiacin con un haz de REM, que produce radiacin fluorescente, una reaccin qumica exotrmica que produce quimioluminiscencia.9ESPECTRO DE EMISINLa radiacin emitida por una fuente excitada se caracteriza por un espectro de emisin.As tenemos el espectro de emisin de una sal muera producida en una llama de Oxgeno- Hidrgeno.

INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRAEl espectro de emisin que toma la forma de una representacin grfica de la potencia relativa de la REM emitida en funcin de la longitud de onda o frecuencia. Se observan diferentes tipos de espectros se ponen de manifiensto: lneas, bandas y continuo.10Diagrama de niveles de energa para el tomo de sodio.Lnea E0 corresponde a la energa ms baja. Las lneas E1 y E2 son niveles de energa superior de la especie.(electrn ms extremo del Na)

INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRAEl diagrama de niveles de energa muestra la fuente de dos de las lneas en un tpico espectro de emisin en un espectro de un elemento. E0 corresponde a la energa ms baja o estado fundamental del tomo. Las lneas horizontales E1 y E2 son dos niveles electrnicos de energa superior de la especie.As, el nico electrn ms externo del estado fundamental E0 del tomo de Na se localiza en el orbital 3s, el nivel de energa E1 representa la energa del tomo cuando este electrn a ascendido al estado 3p por absorcin de la energa trmica, elctrica o radiante. Flecha ondulada =promocin, despus de 10 -8 s, el tomo vuelve al estado fundamental emitiendo un fotn. La lnea de aproximadamente a 590 nm resulta como consecuencia de la transicin del estado 3p a 3s. Para el tomo de Na E2 corresponde al estado ms energtico 4p, la radiacin emitida resultante aparece a longitudes de onda ms corta o a frecuencias ms altas, entonces la lnea aproximadamente a 330 nm resulta como consecuencia de la transicin del estado 4p a 4s.11INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRAESPECTROMETRA DE EMISINEquipo para medir emisin de luz a una longitud de onda simple en cualquier intervalo de longitud de onda.

La figura muestra un esquema de un instrumento para medir emisin, la emisin de la muestra proporciona luz por si misma, y la intensidad de la luz emitida es funcin de la concentracin de analto.12ESPECTROMETRA DE EMISIN

La emisin de la muestra proporciona luz por si misma, y la intensidad de la luz emitida es funcin de la concentracin de analto.

INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRALa figura muestra un esquema de un instrumento para medir emisin, la emisin de la muestra proporciona luz por si misma, y la intensidad de la luz emitida es funcin de la concentracin de analto.13ABSORCIN DE LA RADIACIN.

Cuando la radiacin atraviesa una capa de un slido, un lquido o un gas, ciertas frecuencias pueden eliminarse selectivamente por absorcin, un proceso en el que la REM se transfiere a los tomos, iones o molculas que componen la muestra. (pasar de un estado normal a uno o ms estados excitados)INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRALa absorcin provoca que estas partculas pasen de su estado fundamental a temperatura ambiente, a uno o ms estados excitados de energa superior.14ABSORCIN DE LA RADIACIN.

Para que se produzca la absorcin de la radiacin, la energa de los fotones excitados debe coincidir exactamente con la diferencia de energa entre el estado fundamental y uno de los estados excitados de las especies absorbentes.INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRAComo estas diferencias de energa son caractersticas de cada especie, el estudio de las frecuencias de la radiacin absorbida proporciona un medio para caracterizar los componentes de una muestra.15ABSORCIN DE LA RADIACIN.Representacin grfica de los niveles de energa asociados a unos pocos de los numerosos estados electrnicos y vibracionales.

INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRAEn donde Eo representa la energa electrnica de la molcula en su estado fundamental (estado de mnima energa), E1 y E2 representan las energas de 2 estados exitados16ABSORCIN DE LA RADIACIN.

INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRA17ESPECTROMETRA ABSORCIN

Implica la medida de la fraccin de luz de una longitud de onda dada que pasa a travs de una muestra.La muestra no emite luz por si misma, por lo que se debe incluir una fuente de radiacin.INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRA18PROCESO DE RELAJACIN.

En general el tiempo de vida de un tomo o de una molcula excitados por absorcin de la radiacin es breve, ya que existen diversos procesos de relajacin que les permiten regresar al estado fundamental.INTRODUCCIN A LA ESPECTROMETRA19Cuando una molcula absorbe un fotn su energa interna aumenta y pasa a un estado inestable, por lo que rpidamente vuelve a liberar esa energa sobrante y vuelve al estado inicial que es ms estable.La absorcin de la radiacin produce un paso del estado fundamental al excitado y en el proceso contrario hay una liberacin de energa. La energa liberada puede ser en forma de calor o en forma de REM (emisin). ESPECTROMETRAEl estado inicial se denomina estdo fundamenteal, y el estado ms energtico se llama estado exitado20 ESPECTROMETRA

Estos procesos se pueden representar como una reaccin qumica y un diagrama de energa.21Cuando una molcula absorbe una REM, el aumento del nivel energtico interno de la molcula produce unos cambios en los enlaces intermoleculares y en el movimiento de los electrones alrededor del tomo. (transiciones) ESPECTROMETRAEstos cambios se llaman transiciones 22 ESPECTROMETRA

Clasificacin

Las radiaciones ms energticas (VIS, UV y mayores) comunican suficiente energa como para alterar los movimientos orbitales de los electrones, tanto alrededor de un atomo solo como de los orbitales de enlace entre dos tomos, las radiaciones menos energticas IR producen cambios en los moviminetos de vibracin y rotacin de las molculas.23 ESPECTROMETRAPara realizar una identificacin se hace incidir sobre la sustancia REM de diferente energa. Normalmente se estudia un rango de radiacin y se va aumentando o disminuyendo la longitud de onda de la radiacin incidente desde un extremo del rango al extremo opuesto. (espectro de absorcin)24Es una huella digital de una molcula donde quedan registrados todos los enlaces y sus transiciones correspondientes ESPECTROMETRAEspectro de Absorcin

Cada uno de los picos del espectrograma correspode aproximadamente a una transicin energtica de un enlace molecular, por lo tanto es nico de cada molcula.

Entonces con el espectro de absorcin de una molcula se lo puede identificar con exactitud.25Se define la T como la fraccin de radiacin incidente transmitida por la disolucin . ESPECTROMETRA

Cuantificacin

La cantidad de REM absorbida por un analito se puede relacionar cuantitativamente con la concentracin de dicha sustancia en disolucin. En donde Po es la potencia radiante que incide sobre la disolucin y Pi es la potencia radiante que sale.26 ESPECTROMETRA

CuantificacinSe observa que la P de la energa transmitida disminuye geomtricamente con la concentracin y con la distancia recorrida a travs de la disolucin.

Disminuye de manera exponencial27 ESPECTROMETRACuantificacinLey de Lambert y Beer.Identifica la relacin existente entre la concentracin de la muestra y la intensidad de la luz transmitida a travs de la misma.

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CuantificacinSe concluye que a medida que aumenta la concentracin de una sustancia, la transmitancia disminuye aumenta la absorbancia.

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Errores de medidaErrores instrumentales:Se produce cuando hay una gran cantidad de analito y por lo tanto una gran A de radiacin. Llega muy poca potencia radiante al detector.El segundo se producen cuando la cantidad de analito es muy pequea y por lo tanto muy poca A. Casi toda la potencia incidente atraviesa la muestra.

Entonces se encuentra en la zona limite de deteccin y no responde bien a pequeisimas variaciones de A.El detector espectrometrico esta en la zona de saturacin y no aprecia bien pequeas variaciones en la absorcin.30 ESPECTROMETRA

Error relativo del espectrofotmetro.(Error instrumental)En la figura se observa que hay un error mnimo entre el 20 y 65 % de T o 0,2 a 0,7 unidades de A. Los espectrofotmetros mas sensibles permiten medidas con un error aceptable entre 0,1 y 1,5 unidades de A.31 ESPECTROMETRA

Errores de medidaErrores Qumicos:1. Corrimiento en el equilibrio qumico como una funcin de la concentracin.2.Desviaciones de los coeficientes de absortividad, concentraciones mayores a o,o1 M.3. Cambios en el ndice de refraccin a altas concentraciones del analto.4. Difusin de la luz debido a partculas en la muestra.5. Fluorescencia o fosforescencia de la muestra.6. Radiacin no monocromtica.

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Componentes del espectrofotmetro.

El esquema que se presenta a continuacin describe la interrelacin de los diversos componentes de un espectrofotmetro:Fuente luminosaMonocromadorPortamuestrasSistema detectorSistema de lectura33 ESPECTROMETRA

Componentes del espectrofotmetroDependiendo del tipo de espectrometra, la fuente luminosa puede ser una lmpara con filamento de Tugsteno para luz visible, o una lmpara de arco de deuterio para luz UV. Tambin existen equipos con lmparas intermitentes de Xenn de alta duracin que emiten luz en el rango de la luz visible y UV.(2000 a 3000 K)

Dispositivo emisor de REM, Generalmente emite una banda continua de raddiaciones alrededor de la longitud de onda deseada.34 ESPECTROMETRA

Componentes del espectrofotmetroMonocromador. Dispone de una rendija o ranura de entrada que limita la radiacin lumnica producida por la fuente y la confina en un rea determinada. Un conjunto de espejos para pasar la luz a travs del sistema ptico, un elemento para separar las de la radiacin lumnica que puede ser un prisma o una rendija de difraccin y una rendija de salida para seleccionar la con la cual se desea iluminar la muestra.

Las rendijas de difraccin tienen la ventaja de eliminar la dispersin no lineal y son insensibles a los cambios de temperatura.35 ESPECTROMETRA

Componentes del espectrofotmetroPorta muestras.

Diseado para sostener la muestra que se quiere analizar dentro del rayo de luz de longitud de onda determinado para el monocromador.

El elemto que contiene la muestra es una celda o cubeta rectangular, construidas de vidrio si se requieren realizar estudiso en el rango de 340 a los 1000 nm y de slice si el anlisis esta en el rango comprendido entre 220 y 340 nm.36 ESPECTROMETRA

Componentes del espectrofotmetroSistema Detector.El sistema de deteccin puede estar diseado con fotoceldas, fotodiodos o fotomultiplicadores. Esto depende de los rangos de , de la sensibilidad y de la velocidad de respuesta requeridas. El sistema de deteccin recibe la energa lumnica proveniente de la muestra y la convierte en una seal elctrica proporcional a la energa recibida. La seal elctrica puede ser procesada y amplificada, para que pueda ser interpretada a travs del sistema de lectura.

37Sistema Detector.

Al golpear un fotn en el ctodo, este emite un electrn hacia el nodo, lo cual provoca un flujo de corriente elctrica que es medida por un voltmetro.

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Componentes del espectrofotmetro

La seal elctrica es convertida en unidades de potencia radiante transmitida o absorbida.38 ESPECTROMETRA

Componentes del espectrofotmetroSistema de Lectura.

La seal que sale del detector recibe diversas transformaciones. Se amplifica y se transforma para que su intensidad resulte proporcional al porcentaje de transmitancia/absorbancia. (anlogos y digitales)

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EJEMPLOS1. La cafena(C8H10O2N4*H2O) PM:212 g/mol, posee una A=0,510 a 272 nm y 1,0 cm de paso ptico, en disoluciones de concentracin de 1mg/100ml. Una muestra de 2,5 g de caf soluble se diluye con agua a 500 ml. Se toman 250 ml, se aaden 25,0 ml de H2SO4 0,1 N y se diluyen a 500 ml. Se mide la A a 272 nm resultando ser 0,415.Calcular los gramos de cafena por Kg de caf soluble que tiene la muestra.

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EJEMPLOS2. La furosemida PM:330,7 g/mol es un diurtico derivado del cido antranlico, que se administra en caso de hipertensin, cirrosis heptica, etc. Se analiz la cantidad de furosemida de una tableta disolviendo su contenido en una disolucin de NaOH 0,1 M y enrasando a un volumen total de 100 ml. Un (1,0) ml de esta disolucin se transfiri a un matraz de 50,0 ml, aforando con el mismo disolvente. Esta disolucin dio un valor de A= 0,475 a 271 nm, utilizando una cubeta de 1,0 cm de paso ptico. A esta una serie de disoluciones patrn dieron los siguientes valores de absorbancia:41 Determinar la cantidad de frmaco presente en la tableta en mg.

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