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Martínez Peralta Alma Priscila
Identificación de las características del
espectrofotómetro de absorción atómica
2108
Martínez Peralta Alma Priscila
ACTIVIDAD 5: IDENTIFICACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL
ESPECTROFOTÓMETRO DE ABSORCIÓN ATÓMICA
Espectrometría de absorción atómica
En química analítica, la espectrometría de absorción atómica es una técnica para determinar
la concentración de un elemento metálico determinado en una muestra. Puede utilizarse
para analizar la concentración de más de 62 metales diferentes en una solución.
Aunque la espectrometría de absorción atómica data del siglo XIX, la forma moderna fue
desarrollada en gran medida durante la década de los 50 por un equipo de químicos de
Australia, dirigidos por Alan Walsh.
PRINCIPIOS EN LOS QUE SE BASA
La técnica hace uso de la espectrometría de absorción para evaluar la concentración de un
analito en una muestra. Se basa en gran medida en la ley de Beer-Lambert.
En resumen, los electrones de los átomos en el atomizador pueden ser promovidos a
orbitales más altos por un instante mediante la absorción de una cantidad de energía (es
decir, luz de una determinada longitud de onda). Esta cantidad de energía (o longitud de
onda) se refiere específicamente a una transición de electrones en un elemento particular, y
en general, cada longitud de onda corresponde a un solo elemento.
Como la cantidad de energía que se pone en la llama es conocida, y la cantidad restante en
el otro lado (el detector) se puede medir, es posible, a partir de la ley de Beer-Lambert,
calcular cuántas de estas transiciones tienen lugar, y así obtener una señal que es
proporcional a la concentración del elemento que se mide.
INSTRUMENTOS
Para analizar los constituyentes atómicos de una muestra es necesario atomizarla. La
muestra debe ser iluminada por la luz. Finalmente, la luz es transmitida y medida por un
detector. Con el fin de reducir el efecto de emisión del atomizador (por ejemplo, la
Martínez Peralta Alma Priscila Actividad 5 Identificación de las
características del espectrofotómetro
de absorción atómica
radiación de cuerpo negro) o del ambiente, normalmente se usa un espectrómetro entre el
atomizador y el detector.
Tipos de atomizadores
Para atomizar la muestra normalmente se usa una llama, pero también pueden usarse otros
atomizadores como el horno de grafito o los plasmas, principalmente los plasmas de
acoplamiento inductivo.
Cuando se usa una llama, se dispone de tal modo que pase a lo largo lateralmente (10 cm) y
no en profundidad. La altura de la llama sobre la cabeza del quemador se puede controlar
mediante un ajuste del flujo de mezcla de combustible. Un haz de luz pasa a través de esta
llama en el lado más largo del eje (el eje lateral) e impacta en un detector.
Análisis de los líquidos
Una muestra de líquido normalmente se convierte en gas atómico en tres pasos:
1. Desolvación. El líquido disolvente se evapora, y la muestra permanece seca.
2. Vaporización. La muestra sólida se evapora a gas.
3. Atomización. Los compuestos que componen la muestra se dividen en átomos libres.
Fuentes de luz
La fuente de luz elegida tiene una anchura espectral más estrecha que la de las transiciones
atómicas.
Lámparas de cátodo hueco. En su modo de funcionamiento convencional, la luz es
producida por una lámpara de cátodo hueco. En el interior de la lámpara hay un
cátodo cilíndrico de metal que contiene el metal de excitación, y un ánodo. Cuando
un alto voltaje se aplica a través del ánodo y el cátodo, los átomos de metal en el
cátodo se excitan y producen luz con una determinada longitud de onda. El tipo de
tubo catódico hueco depende del metal que se analiza. Para analizar la
Martínez Peralta Alma Priscila Actividad 5 Identificación de las
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concentración de cobre en un mineral, se utiliza un tubo catódico de cobre, y así
para cualquier otro metal que se analice.
Lásers de diodo. La espectrometría de absorción atómica también puede ser llevada
a cabo mediante láser, principalmente un láser de diodo, ya que sus propiedades son
apropiadas para la espectrometría de absorción láser. La técnica se denomina
espectrometría de absorción atómica por láser de diodo (DLAAS o DLAS), o bien,
espectrometría de absorción por modulación de longitud de onda.
MÉTODOS DE CORRECCIÓN DE FONDO
El estrecho ancho de banda de las lámparas catódicas huecas hace que sea raro el
solapamiento espectral. Es decir, es poco probable que una línea de absorción de un
elemento se solape con otra. La emisión molecular es mucho más amplia, por lo que es más
probable que algunas bandas de absorción molecular se superpongan con una línea atómica.
Esto puede resultar en una absorción artificialmente alta y un cálculo exagerado de la
concentración en la solución. Se utilizan tres métodos para corregir esto:
Corrección de Zeeman. Se usa un campo magnético para dividir la línea atómica en
dos bandas laterales. Estas bandas laterales están lo suficientemente cerca de la
longitud de onda original como para solaparse con las bandas moleculares, pero
están lo suficientemente lejos como para no coincidir con las bandas atómicas. Se
puede comparar la absorción en presencia y ausencia de un campo magnético,
siendo la diferencia la absorción atómica de interés.
Corrección de Smith-Hieftje (inventada por Stanley B. Smith y Gary M. Hieftje) -
La lámpara catódica hueca genera pulsos de alta corriente, provocando una mayor
población de átomos y auto-absorción durante los pulsos. Esta auto-absorción
provoca una ampliación de la línea y una reducción de la intensidad de la línea a la
longitud de onda original.
Lámpara de corrección de deuterio. En este caso, se usa una fuente de amplia
emisión (una lámpara de deuterio), para medir la emisión de fondo. El uso de una
lámpara separada hace de este método el menos exacto, pero su relativa simplicidad
(y el hecho de que es el más antiguo de los tres) lo convierte en el más utilizado.
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de absorción atómica
Componentes de un Espectrómetro de Absorción Atómica
Un espectrómetro de absorción atómica de llama consta de la siguiente instrumentación
básica necesaria para poder realizar medidas de absorción:
a) Fuente de radiación
b) Sistema nebulizador-atomizador
c) Monocromador
d) Detector
a) Las fuentes de radiación empleadas en el espectrofotómetro de absorción atómica deben
originar una banda estrecha, de intensidad adecuada y estabilidad suficiente, durante
períodos de tiempo prolongados. Las más comúnmente utilizadas son las lámparas de
cátodo hueco. Estas lámparas están constituidas por un cátodo metálico capaz de emitir
radiaciones de las mismas longitudes de onda que son capaces de absorber los átomos del
elemento que se desea analizar. En algunas ocasiones los cátodos están formados por más
de un elemento, de manera que se pueden utilizar para su determinación sin necesidad de
cambiar la lámpara. También puede disponerse de las llamadas lámparas de descarga
gaseosa, en las cuales se produce la
emisión por el paso de corriente a través de un vapor de átomos metálicos, y que se
emplean tan solo para algunos elementos como el Hg.
b) Sistema nebulizador-atomizador.-El nebulizador y el sistema atomizador suelen estar
integrados en uno, especialmente en los equipos de absorción atómica. En este sistema, la
disolución de la muestra (o parte de ella) es inicialmente aspirada y dirigida como una fina
niebla hacia la llama (atomizador), lugar donde se forman los átomos en estado
fundamental. Para obtener la llama se requiere un combustible (por ejemplo, acetileno) y un
oxidante (por ejemplo, aire):
La óptica de un espectrofotómetro de absorción atómica es similar a la de cualquier otro
espectrofotómetro.
c) Monocromador.- El monocromador (prismas, redes de difracción…)
En general, dispone de una rendija o ranura de entrada que limita la radiación lumínica
producida por la fuente y la confina en un área determinada, un conjunto de espejos para
pasar la luz a través del sistema óptico, un elemento para separar las longitudes de onda de
la radiación lumínica, que puede ser un prisma o una rejilla de difracción, y una rendija de
salida para seleccionar la longitud de onda con la cual se desea iluminar la muestra. Parte
de la radiación no absorbida es dirigida hacia el detector.
d) Detector.- (por ejemplo, un fotomultiplicador),
El sistema de detección puede estar diseñado con fotoceldas, fototubos, fotodiodos o
fotomultiplicadores. Esto depende de los rangos de longitud de onda, de la sensibilidad y de
la velocidad de respuesta requeridas. El sistema de detección recibe la energía lumínica
Martínez Peralta Alma Priscila Actividad 5 Identificación de las
características del espectrofotómetro
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proveniente de la muestra y la convierte en una señal eléctrica proporcional a la energía
recibida. La señal eléctrica puede ser procesada y amplificada, para que pueda interpretarse
a través del sistema de lectura que una vez procesada es presentada al analista de diferentes
maneras (por ejemplo, unidades de absorbancia).
APLICACIÓN
Cuantificación de la concentración de metales alcalinos, alcalinotérreos, de transición y de
otros elementos en disolución acuosa. La técnica de absorción atómica se basa en la
descomposición de las muestras en átomos mediante una llama u horno de grafito, esta
técnica permite cuantificar metales presentes en diferentes
matrices. Algunas aplicaciones incluyen: el análisis de
agua de mar, aguas residuales, agua potable,
determinación de metales en sangre, especiación de
metales en solución, análisis de metales en solventes
orgánicos, determinación de fertilizantes, análisis de
suelos, análisis de metales pesados en alimentos
contaminados, determinación de metales en muestras
geológicas, composición de aceros, etc.
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de absorción atómica
Descripción
El espectrómetro de absorción atómica se basa en la medida de la absorbancia de una
radiación electromagnética a una longitud de onda característica del elemento a medir. Es
necesario para la medida que el elemento se encuentre en su forma atómica. Para ello se
realiza una excitación con una llama de Acetileno/Aire o Acetileno/N2O.
Tipos de espectrometría
ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN
La espectrometría de absorción es una técnica en la cual la energía de un haz de luz se mide
antes y después de la interacción con una muestra. Cuando se realiza con láser de diodo
ajustable, se la conoce como espectroscopia de absorción con láser de diodo ajustable.
También se combina a menudo con una técnica de modulación, como la espectrometría de
modulación de longitud de onda, y de vez en cuando con la espectrometría de modulación
de frecuencia a fin de reducir el ruido en el sistema.
ESPECTROMETRÍA DE FLUORESCENCIA
La espectrometría de fluorescencia usa fotones de energía más
elevada para excitar una muestra, que emitirá entonces fotones
de inferior energía.
Esta técnica se ha hecho popular en aplicaciones bioquímicas y
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médicas, y puede ser usada con microscopía confocal, transferencia de energía entre
partículas fluorescentes, y visualización de la vida media de fluorescencia.
ESPECTROMETRÍA DE RAYOS X
Cuando los rayos X con suficiente frecuencia (energía) interaccionan con una sustancia, los
electrones de las capas interiores del átomo se excitan a orbitales vacíos externos, o bien
son eliminados completamente, ionizándose el átomo. El "agujero" de la capa interior se
llena entonces con electrones de los orbitales externos. La energía disponible en este
proceso de excitación se emite como radiación (fluorescencia) o quitará otros electrones
menos enlazados del átomo (efecto Auger). La absorción o frecuencias de emisión
(energías) son características de cada átomo específico. Además, para un átomo específico
se producen pequeñas variaciones de frecuencia (energía) que son características del enlace
químico. Con un aparato apropiado pueden medirse estas frecuencias de rayos X
características o energías de electrones Auger. La absorción de rayos X y la espectroscopia
de emisión se usan en química y ciencias de los materiales para determinar la composición
elemental y el enlace químico.
La cristalografía de rayos X es un proceso de
dispersión. Los materiales cristalinos dispersan rayos
X en ángulos bien definidos. Si la longitud de onda de
los rayos X incidentes es conocida, se pueden calcular
las distancias entre planos de átomos dentro del cristal.
Las intensidades de los rayos X dispersados dan
información sobre las posiciones atómicas y permiten
calcular la organización de los átomos dentro de la
estructura cristalina.
ESPECTROMETRÍA DE LLAMA
Las muestras de solución líquidas son aspiradas en un quemador o una combinación de
nebulizador/quemador, desolvatadas, atomizadas, y a veces excitadas a un estado
electrónico de energía más alta. El uso de una llama durante el análisis requiere
combustible y oxidante, típicamente en forma de gases. Los gases combustibles comunes
que se usan son el acetileno (etino) o el hidrógeno. Los gases de oxidante suelen ser el
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características del espectrofotómetro
de absorción atómica
oxígeno, el aire, o el óxido nitroso. Estos métodos son a menudo capaces de analizar
elementos metálicos en partes por millón, billones, o posiblemente rangos más bajos de
concentración. Son necesarios detectores de luz para detectar la luz con información que
viene de la llama.
Espectrometría de emisión atómica. Este método usa la excitación de la llama; los
átomos son excitados por el calor de la llama para emitir luz. Este método suele usar
un quemador de consumo total con una salida de incineración redonda. Se utiliza
una llama de temperatura más alta que la usada en la espectrometría de absorción
atómica para producir la excitación de átomos de analito. Ya que los átomos de
analito están excitados por el calor de la llama, no es necesaria ninguna lámpara
elemental especial. Puede usarse un policromador de alta resolución para producir
una intensidad de emisión contra el espectro de longitud de onda por encima de un
rango de longitudes de onda que muestran líneas de excitación de elementos
múltiples. O bien puede usarse un monocromador en una longitud de onda
determinada para concentrarse en el análisis de un solo elemento en una cierta línea
de emisión. La espectrometría de emisión de plasma es una versión más moderna de
este método.
Espectrometría de absorción atómica (a menudo llamada AA). Este método usa un
nebulizador pre-quemador (o cámara de nebulización) para crear una niebla de la
muestra, y un quemador en forma de ranura que da una llama de longitud de ruta
más larga. La temperatura de la llama es lo bastante baja como para no excitar los
átomos de la muestra de su estado basal. El nebulizador y la llama se usan para
desolvatar y atomizar la muestra, pero la excitación de los átomos de analito se
realiza mediante lámparas que brillan a través de la llama en varias longitudes de
onda para cada tipo de analito. En la absorción atómica, la cantidad de luz absorbida
después de pasar por la llama determina la cantidad de analito en la muestra. Suele
usarse un horno de grafito para calentar, desolvatar y atomizar la muestra con el fin
de obtener una mayor sensibilidad. El método del horno de grafito también puede
analizar algún sólido o muestras mezcladas. A causa de su buena sensibilidad y
selectividad, es un método que todavía se usa para el análisis de ciertos
microelementos en muestras acuosas (y otros líquidos).
Espectrometría de fluorescencia atómica. Este método usa un quemador con una
salida de incineración redonda. La llama se usa para solvatar y atomizar la muestra,
y una lámpara emite luz a una longitud de onda específica en la llama para excitar
los átomos de analito. Los átomos de ciertos elementos pueden entonces fluorescer,
emitiendo luz en diferentes direcciones. La intensidad de esta luz fluorescente sirve
para cuantificar la cantidad del elemento analizado en la muestra. También puede
usarse un horno de grafito para laespectrometría de fluorescencia atómica. Este
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método no es tan común como el de absorción atómica o el de emisión de plasma.
ESPECTROMETRÍA DE EMISIÓN DE PLASMA
Es similar a la emisión atómica por llama, y la ha sustituido en gran parte.
Espectrometría de plasma de corriente contínua (DCP). Un plasma de corriente
contínua se crea por una descarga eléctrica entre dos electrodos. Es necesario un
gas de apoyo al plasma, y el más común es el argón. Las muestras pueden ser
depositadas en uno de los electrodos.
Espectrometría de emisión óptica por descarga luminiscente (GD-OES)
Espectrometría de emisión plasma-atómica acoplada inductivamente (ICP-AES)
Espectrometría de ruptura inducida por láser (LIBS), también llamada
espectrometría de plasma inducida por láser (LABIOS)
Espectrometría de plasma inducida por microondas(MIP)
ESPECTROMETRÍA DE CHISPA O ARCO
Se usa para el análisis de elementos metálicos en muestras sólidas. Para materiales no
conductores, se usa polvo de grafito para hacer conductora la muestra. En los métodos de
espectroscopia de arco tradicionales se usa una muestra sólida que es destruida durante el
análisis. Un arco eléctrico o chispa se pasan por la muestra, calentándola a alta temperatura
para excitar los átomos. Los átomos de analito excitado emiten luz en varias longitudes de
onda que pueden ser detectadas mediante métodos espectroscópicos comunes. Ya que las
condiciones que producen la emisión por arco no son controladas cuantitativamente, el
análisis de los elementos es cualitativo. Hoy día, las fuentes de chispa con descargas
controladas bajo una atmósfera de argón permiten que este método pueda ser considerado
eminentemente cuantitativo, y su uso está muy extendido en los laboratorios de control de
producción de fundiciones y acerías.
ESPECTROMETRÍA VISIBLE
Muchos átomos emiten o absorben la luz visible. A fin de obtener un espectro lineal fino,
los átomos deben estar en fase gaseosa. Esto significa que la sustancia tiene que ser
vaporizada. El espectro se estudia en absorción o emisión. La espectroscopia de absorción
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visible a menudo se combina con la de absorción ultravioleta (espectroscopia UV/Vis).
Aunque esta forma pueda ser poco común al ser el ojo humano un indicador similar,
todavía se muestra útil para distinguir colores.
ESPECTROMETRÍA ULTRAVIOLETA
Todos los átomos absorben en la región ultravioleta (UV) ya que estos fotones son bastante
energéticos para excitar a los electrones externos. Si la frecuencia es lo bastante alta, se
produce la fotoionización. La espectrometría UV también se usa para la cuantificación
de proteínas y concentración de ADN, así como para la proporción de proteínas y ADN en
una solución. En las proteínas se encuentran generalmente varios aminoácidos, como el
triptófano, que absorben la luz en el rango de 280nm. El ADN absorbe la luz en el rango de
260nm. Por esta razón, la proporción de absorbancia 260/280nm es un buen indicador
general de la pureza relativa de una solución en términos de estas dos macromoléculas.
También pueden hacerse estimaciones razonables de la concentración de ADN o proteínas
aplicando la ley de Beer.
ESPECTROMETRÍA INFRARROJA
La espectrometría infrarroja ofrece la posibilidad de medir tipos diferentes de vibraciones
en los enlaces atómicos a frecuencias diferentes. En química orgánica, el análisis de los
espectros de absorción infrarroja indica qué tipo de enlaces están presentes en la muestra.
ESPECTROMETRÍA RAMAN
La espectrometría Raman usa la dispersión inelástica de la luz para analizar modos
vibracionales y rotatorios de las moléculas. Las "huellas digitales" que resultan son una
ayuda para el análisis.
ESPECTROMETRÍA DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR (RMN)
La espectrometría de resonancia magnética nuclear analiza las propiedades magnéticas de
ciertos núcleos atómicos para determinar diferentes ambientes locales electrónicos del
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hidrógeno, carbono, u otros átomos en un compuesto orgánico u otro compuesto. Se usa
para determinar la estructura del compuesto.
ESPECTROMETRÍA DE FOTOEMISIÓN
La fotoemisión puede referirse a:
Emisión de electrones a partir de la materia después de la absorción de fotones
energéticos (efecto fotoeléctrico).
Emisión de fotones a partir de los semiconductores y metales cuando los electrones
que fluyen en el material pierden energía mediante deceleración o recombinación.
ESPECTROMETRÍA MÖSSBAUER
La espectrometría de transmisión o conversión electrónica (CEMS) de Mössbauer prueba
las propiedades de los núcleos de isótopos específicos en ambientes atómicos diferentes,
analizando la absorción resonante de rayos gamma de energía característica, lo que se
conoce como efecto de Mössbauer.
OTROS TIPOS DE ESPECTROMETRÍA
Fotoacústica. Mide las ondas sonoras producidas por la absorción de radiación.
Fototermal. Mide el calor desarrollado por la absorción de radiación.
De dicroismo circular.
De actividad óptica Raman. Usa los efectos de la actividad óptica y la dispersión
para revelar información detallada sobre los centros quirales de las moléculas.
De terahertzios. Usa longitudes de onda por encima de la espectrometría infrarroja y
por debajo de las microondas o medidas de onda milimétricas.
De dispersión inelástica de neutrones, como la espectroscopia Raman pero con
neutrones en vez de fotones.
De túnel de electrones inelásticos. Usa los cambios de corriente debidos a la
interacción de vibraciones electrónicas inelásticas a energías específicas que
también pueden medir transiciones ópticamente prohibidas.
Auger. Se usa para estudiar superficies de materiales a microescala. A menudo se
usa en relación con la microscopía de electrones.
De cavidad en anillo.
De transformación de Fourier. La transformación Fourier es un método eficiente
para tratar datos de espectros obtenidos usando interferómetros. Casi toda la
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de absorción atómica
espectrometría infrarroja (FTIR) y la resonancia magnética nuclear (RMN) se
realizan con la transformación de Fourier.
De tiempo resuelto. Se usa en situaciones donde las propiedades cambian con el
tiempo.
Mecánica. Implica interacciones con vibraciones macroscópicas, como los fotones.
Un ejemplo es la espectrometría acústica, que implica ondas sonoras.
De fuerza. Usa una técnica analítica basada en AFM.
Dieléctrica.
Infrarroja termal. Mide la radiación termal emitida por materiales y superficies, y se
usa para determinar el tipo de enlaces presentes en una muestra, así como su
ambiente reticular. Estas técnicas son muy usadas por los químicos orgánicos,
mineralogistas y geólogos.
OBSERVACIONES
Los principios teóricos de la absorción atómica fueron establecidos en 1840 por Kirchhoff
y Bunsen en sus estudios del fenómeno de autoabsorción en el espectro de los metales
alcalinos y alcalinos térreos.
La base de la espectroscopia de absorción atómica (EAA) la
entregó Kirchhoff al formular su ley general: « cualquier materia
que pueda emitir luz a una cierta longitud de onda también
absorberá luz a esa longitud de onda». El significado práctico de
esto fue recién desarrollado en 1955 por el australiano Walsh,
apareciendo los primeros instrumentos comerciales a principios
de 1960.
CONCLUSION
Martínez Peralta Alma Priscila Actividad 5 Identificación de las
características del espectrofotómetro
de absorción atómica
Cuando la absorbancia de soluciones estándar de concentración conocida del elemento a
determinar se grafica contra La concentración, se obtiene una curva de calibración. La
curva así obtenida es generalmente lineal a bajas concentraciones y la concentración de la
muestra puede ser determinada por interpolación de su absorbancia en la curva de
calibración.
Para emplear este método de análisis cuantitativo la composición de las soluciones estándar
deben ser preparadas lo más semejante posible a la composición de la solución-muestra
para compensar o eliminar interferencias.
Especialmente útil resulta el empleo del método de adición estándar, el cual permite
trabajar en presencia de una interferencia sin eliminarla y obtener una determinación con
buena exactitud del elemento en la solución-muestra. Interferencias físicas y algunas
interferencias químicas pueden ser compensadas empleando este método que consiste en la
adición de cantidades diferentes de una solución estándar del elemento a determinar a
varias porciones iguales de la solución-muestra. De esta forma, la interferencia afectará por
igual a todas las soluciones. Si existe interferencia, se observará que la pendiente de la
adición estándar es menor que la de la curva de calibración.
BIBLIOGRAFIA
http://www.cciqs.uaemex.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=73&Itemid=73
http://absorcion-atomica.blogspot.mx/2009/07/componentes-de-un-espestrometro-de.html
http://www.espectrometria.com/tipos_de_espectrometra
Martínez Peralta Alma Priscila Actividad 5 Identificación de las
características del espectrofotómetro
de absorción atómica
