Introduccion a la fotometría

Introduccin a la fotometra.German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 1

NATURALEZA DE LA LUZ

Isaac Newton (1643-1727) German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile

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MECNICA CUNTICA

Niels Bohr (1885-1962)German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 3

German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile

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EL ESPECTRO PTICOLa luz blanca est 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 as:


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ESPECTRO ELECTROMAGNTICO


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ESPECTROSCOPA DE ABSORCIN


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ESPECTROFOTOMETRA La espectrofotometra se refiere a los mtodos, cuantitativos, de anlisis qumico que utilizan la luz para medir la concentracin de las sustancias qumicas. Se conocen como mtodos espectrofotomtricos y segn sea la radiacin utilizada como espectrofotometra de absorcin visible (colorimetra), ultravioleta, infrarroja.


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1. Desde 1852 la ley de Bourguer Lambert - Beer ha sido usada como la base cuantitativa de la espectroscopia de absorcin. 3. Bourguer en 1729 estableci empricamente una correlacin entre la longitud de la trayectoria de la luz y la absorcin de esta. 5. Esta correlacin fue formulada matemticamente por Lambert en 1760 y Beer descubri la dependencia de la absorcin de luz con la concentracin en 1852. 7. Actualmente esta ley es aplicable a la absorcin de luz en cualquier zona del espectro.German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 9

Inicialmente el ojo humano fue el detector para comparar diferentes intensidades de luz y los principios de la colorimetra o fotometra visual estn 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%.


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ESPECTROSCOPA DE ABSORCINLEY DE LAMBERT - BEER


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PARMETROS DE MEDICINLa Transmitancia (T) es la relacin entre la intensidad de radiacin transmitida por una muestra (I) y la intensidad de radiacin que incide sobre la muestra (I0), medidos ambos en la misma posicin del espectro y con la misma rendija, T = I / I0 Se supone que el haz es de radiacin paralela y que incide sobre las superficies planas y paralelas de la muestra, formando ngulos rectos.German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 12

La Absorbancia (A) es el logaritmo en base diez del recproco de la transmitancia (T), en el que el disolvente puro es el material de referencia; esto es, A = log10 1/T = - log10 T


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LEY DE LAMBERT - BEERABSORBANCIA A=log10 P0 /P A=log10 1/T A=log10100/%T

T= P/P0

A=2-log10%TGerman Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 14

LEY DE LAMBERT - BEER

A=abc b: longitud del camino recorrido por la radiacin a travs del medio absorbente c: concentracin de la especie absorbente a: absortividad, constante de proporcionalidadGerman Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 15

LEY DE LAMBERT - BEER ... Si: b (cm), c (molL-1), a (L cm-1 mol-1) a = absortividad molar = Para ms de una especie absorbente en el medio: las absorbancias son aditivas A total = a1bc1 + ........ + anbcnGerman Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 16

LEY DE LAMBERT - BEER


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LEY DE LAMBERT - BEER ...


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DESVIACIONES DE LA LEY DE BEEREXCESO DE CONCENTRACIN


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DESVIACIONES DE LA LEY DE BEERRADIACIN POLICROMTICA


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Instrumentos FOTOMETROS

ESPECTROFOTOMETROS


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SISTEMA PTICO


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FUENTE LUMINOSA Lmparas de H2 y D2 Filamento de W Lmpara de Nerst Alambre de NicromGerman Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 23

Fuentes de radiacinLas caractersticas que deben reunir son: 3. Debe tener potencia suficiente. 5. Debe ser estable. 7. Debe tener un estabilizador para corregir las variaciones de la radiacin, o en el sistema de doble haz, uno de ellos no pasa por la muestra y corrige las fluctuaciones.


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SELECCIONADOR DE Filtros Vidrio Interferencia

Monocromadores Rejilla de difraccin PrismasGerman Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 25

Un sistemamonocromador consiste bsicamente de: Una rendija de entrada que proporciona una imagen ptica estrecha de la fuente de radiacin. Un lente colimador que hace paralela la radiacin procedente de la rendija de entrada. Una red de difraccin o un prisma para dispersar la radiacin incidente. Otro lentecolimador para reformar las imgenes de la rendija de entrada sobre la rendija de salida. Una rendija de salida para aislar la banda espectral deseada, bloqueando toda la radiacin dispersada excepto la del intervalo deseado.German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 26

MONOCROMADOR


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La funcin principal de un monocromador es la de proporcionar un haz de energa radiante con una longitud de onda nominal y una anchuradebanda dada. La salida espectral de cualquier monocromador usado con una fuente de radiacin 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.


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LONGITUD DE ONDA


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La funcinsecundaria de un monocromador consiste en el ajuste del rendimiento de energa. 4. 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 sta exige radiacin monocromtica. 7. Sin embargo, los anchos de rendijas excesivamente pequeos provocan rendimientos de baja energa en la seal del detector, afectando la sensibilidad analtica como resultado de la degradacin de la relacin seal-ruido.


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El funcionamiento de un monocromador comprende tres aspectos correlacionados: pureza de la radiacin de salida, resolucin y poderdecaptacindeluz. La pureza la determina principalmente la cantidad de radiacin dispersada mientras que la resolucin depende de la dispersin y perfeccin en la formacin de la imagen. Se requiere un poder de dispersin grande y un alto poder resolutivo en un monocromador, para medir con precisin las lneas discretas en los espectros de emisin o absorcin atmica y para obtener los espectros de bandas angostas de absorcin molecular.


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Redes o rejillas de difraccinActualmente son los dispositivos ms utilizados en los espectrofotmetros UV-VIS. Una rejillaoreddedifraccin consiste en una superficie pulida y rayada finamente con un gran nmero de surcos o estras equidistantes que reflejan o transmiten la radiacin. La distancia entre las estras debe ser similar al orden de la longitud de onda de la radiacin que se quiere obtener.German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 32

Rejilla de difraccin


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Ancho de banda espectralLa pureza de la radiacin que sale del monocromador es funcin de la capacidad de dispersin del monocromador y del tamao de la rendija. La anchura de banda espectral corresponde al intervalo de longitudes de onda comprendido entre los puntos en donde la transmitancia (de la radiacin emitida por la fuente y que llega a la rendija de salida) alcanza la mitad de su mximo de transmisin o el intervalo de longitudes de onda que contiene el 75% de la energa radiante que proviene del monocromador.


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Recipiente para la muestraMaterialCuarzo

RadiacinUV-Vis

Vidrio

Vis

Plstico

Vis


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DETECTORES Fotnicos (detectores de fotones): Fotoemisin o Fotoconduccin

Trmicos (detectores de calor): Aumento de temperatura se convierte en seal elctrica


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Unsistemadetector consiste en los dispositivos que permiten "ver o detectar u observar " la radiacin despus de pasar por la muestra, en las medidas de absorcin, u originada por la muestra en el caso de medidas de emisin de radiacin. Generalmente tambin son transductores es decir que convierten la radiacin electromagntica o radiacin lumnica en una corriente o voltaje que se observa despus de amplificar en el circuito de lectura. Dependiendo de la zona del espectro utilizada en el espectrofotmetro, los detectores deben poseer caractersticas que le permitan detectar ese tipo de radiacin.


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DETECTORES DE FOTONES4. Fototubos 6. Tubos fotomultiplicadores 8. Clulas fotovoltaicas 10.Detector de fotoconductividad 12.Fotodiodos


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Para el ultravioleta , el visible y el cercano infrarrojo se encuentran los fototubos de vaco, de un solo paso, que contienen un ctodo sensible a la radiacin y su nodo. El fotoctodo opera segn 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 fotoelctrico.German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 39

Los fotomultiplicadores son una combinacin de un ctodo fotoemisivo y una cadena interna de dnodos multiplicadores de electrones. La radiacin incidente expulsa electrones del ctodo. Estos electrones son enfocados por un campo electrosttico y acelerados hacia un electrodo curvo, que corresponde al primer dnodo, el cual est cubierto con un compuesto que expulsa varios electrones como resultado del impacto de un electrn de alta energa. Repitiendo este proceso varias veces se produce la amplificacin de la corriente interna para finalmente llegar al nodo.


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Los fotodiodos operan segn un principio completamente diferente al de los detectores anteriores. Este consiste de una unin semiconductora p-n, la cual posee una polarizacin inversa, de modo que no existe un flujo de corriente. Cuando un fotn interacta con el diodo, los electrones llegan hasta la banda de conduccin en donde pueden actuar como portadores de carga. De esta manera, la corriente generada es proporcional a la potencia radiante incidente.German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 41

FOTOMETROS Y ESPECTROFOTOMETROS FOTOMETROS: Emplean filtros Son simples y robustos.

ESPECTROFOTOMETROS: Emplean rejillas de difraccin o prismas. Permiten variar la continuamente. Permitiendo registrar el espectro de absorcin.German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 42

FOTOMETROS


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Humalyzer 2000


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ESPECTROFOTOMETROS


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ESPECTROFOTOMETRO DE HAZ SIMPLE


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Spectronic 20


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1

2


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3


49

4


50

5


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ESPECTROFOTOMETRO DE DOBLE HAZ


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Los Mtodos y/o Tcnicas que emplean instrumentos , analizan las muestras con el propsito de conocer alguna caracterstica fsica o qumica del analito y esto permite caracterizarlo, identificarlo o cuantificarlo. El equipo genera : A)Seal o Respuesta B)Tiempo de respuesta C)Resolucin(purificacin)German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 53

Cuando el Analito es sometido a un estudio bajo un instrumento, existen dos formas de generar una seal. Estas son : A) midiendo directamente la actividad del analito B) con un estimulo y midendo su respuesta

A) Actividad inica(Muestra)

Electrodo (VOLTAJE)

B) Luz

(Muestra)

Fototubo54

(CORRIENTE)German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile

Componentes bsicos de un instrumento analticoGenerador de seal Seal Elctrica , luminosa o Mecnica Seal De Salida Medidor o escala

Transductor De entrada Seal Analtica

Transformador de seales

Transductor De salida Registrador12.301

EJEMPLO

Luz Mta

Unidad Digital

Luz

Electricidad Detector

Fuente

Dispositivo de lectura German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 55

Ejemplos de Instrumentos Analticos

Refractmetro

pHmetro

HPLC

Espectrofotmetro

GC

Turbidimetro

IR

AA Fluormetro German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile

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ESPECTROFOTOMETRO


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Radiacin electromagntica

(nm) Longitud de onda

Ciclo

Frecuencia (Ciclos/s)(Hz)

C=

E=h58


Radiacin electromagntica

= 450 C/ = C = 3 X1017 nm/s nm = 6.6 X 1014 Hz h = 6.62 X10-27 ergs-s E = 4.36 X10-12 ergs C= E=h59


REFRACCIN


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Radiacin monocromticaPrisma Luz blanca Radiacin monocromtica

Refraccin

Espectro visibleColor (nm)630 780 590 630 560 590 490 560 450 490 380 - 450German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 61

Rayos

Rayos X

Ultravioleta

Visible Infrarojo

Microondas T V

Radio

Longitud de onda ()

Fraccin VIS del Espectro EM


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Espectrofotmetro

Lmpara

computadora

Detector Celda

Selector

German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 63 [email protected]


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Espectrofotmetro (doble haz)

Lmpara

Selector

Celda de muestra Detector Celda de referencia

I = Intensidad A= Absorbancia T= transmitancia

IR

IM

Absorbancia y Transmitancia A = Log I /Io A= log T A= - log (%T/100)

computadora

Log IR/IM= A65


Absorbancia y Transmitancia

IoLmpara Selector Celda de muestra

I

Absorbancia

Transmitancia

A = Log I o/ I

T = I / Io

Absorbancia y transmitancia

A = Log 1/TAbsorbancia y transmitanciaGerman Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile

A = - Log T

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Absorbancia

A = - Log (%T/100)transmitancia

%T = (100) (AntiLog A)EjercicioABSORBANCIA0.3

%T = 56 A =? 0.251

2

1 0

%TRANSMITANCIA

50

0 100


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Absorbancia

IoLmpara Selector Celda de muestra

I

1)

A= - log TLey de Beer68

A= cl 2)


Absorbancia

En funcin de la naturaleza y de la concentracin de la muestra Ley de Lambert- Beer A= Absorbancia =coeficiente de extincin C= concentracin molar l= longitud de celda (cm)

A= cl

POR EJEMPLO. Cul es la A de una substancia al 2.5 X 10-5 M , con un = 7,500 M-1cm-1 ?. A= 0.18German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile

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Curva de calibracinA b s o r b a n c i a

A

ConcentracinGerman Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 70

ABSORBANCIA?Muestra Problema


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Problema

Patrn

Conc. Prob = (A Prob/A Patrn)(Conc. Patrn)A Problema = 0.458 A Patrn = 0.765 Conc. Patrn= 145mg% Conc. Problema= ? Conc. Problema = (0.458/0.765)(145mg%) Conc. Problema= 86.8 Concepcin-Chile German Roberto Staub-Qumico-U.de mg%72

Espectro de AbsorcinA b s o r b a n c i a25 mM

A

5 mM

MaxLongitud de onda (nm)German Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile

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CONFIABILIDADDebe existir: 2. Exactitud 3. Precisin 4. Sensibilidad (Lmite de deteccin) 5. Especificidad

Calibracin Exactitud Incertidumbre74


Fi nGerman Roberto Staub-Qumico-U.de Concepcin-Chile 75

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