Espectroscopia de Absorción Molecular UV-Vis e IR Cercano

Química. Transmitancia, absorbancia y absortividad. Ley de Beer: aplicaciones y limitaciones. Ruido Instrumental

  • Enviado por: Willy
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TEMA 5. Introducción a la Espectroscopia

de Absorción Molecular UV-Vis e IR Cercano

( “Análisis Instrumental” Skoog-Leary)

Contenido:

  • Introducción

  • Transmitancia, absorbancia y absortividad

  • Ley de Beer: aplicaciones y limitaciones

  • Efecto del ruido Instrumental, de la anchura de rendija y de la radiación dispersada

  • Instrumentos

1. Introducción

En los años sesenta y setenta proliferan esta técnica que fue a continuación de la colorimetria. En esta década se hacían análisis de sustancias inorgánicas. Fundamentalmente se determinaban metales a nivel de traza. Combinado esta espectroscopia con la extracción liquido-liquido se conseguía determinaciones. También sé amplio al análisis de sustancias inorgánicas y orgánicas con preparación de la muestra, que es un mecanismo inverso.

En los años ochenta aparece la absorción atómica que permite limites de detección mas bajo, es decir, es más sensible que la molecular.

Actualmente ha habido un resurgir de la molecular para compuestos orgánicos. Se aplica para temas de contaminación y en la industria farmacéutica. Va acompañado de la estadística para los casos complejos. Hoy en día también se emplean en compuestos orgánicos.

2. Trasmitancia, absorbancia y absortividad

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Supongamos un haz de radiación electromagnética de potencia P0 que lo hacemos incidir en una especie absorbente, parte de la radiación es absorbida el resto se trasmite con una potencia P.

Se define la trasmitancia(%):

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Se define la absorbancia:

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La absorbancia esta relacionada con el recorrido de la radiación, con la concentración de la especie y con la naturaleza del absorbente. Por tanto se puede relacionar mediante la ley de Beer:

a Constante de proporcionalidad. Distinta para cada especie absorbente, depende de la naturaleza del absorbente. A esta constante se le denomina Absortividad.

b Camino recorrido.

c Concentración.

Cuando la concentración se expresa en moles/l, la absortividad  se expresa en lmol-1cm-1.

Generalmente se trabaja en disolución y se necesita una cubeta que sea trasparente a la radiación incidente. Normalmente se pierde potencia por problemas de reflexión y dispersión. Se suele hacer una medida que contiene solo el disolvente. Se hace el ajuste de la corriente oscura(0%T) y después la medida del blanco(100%T).

3. Ley de Beer: aplicaciones y limitaciones

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La ley de Beer queda de esta manera:

La ley de Beer no se cumple para todas las concentraciones ya que la absortividad se determina experimentalmente. El recorrido b suele ser de un centímetro.

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La longitud de onda con la que se va a trabajar se fija en el espectrofotometro y con ella fija se trabaja con la ley de Lambert-Beer. Esta ley también se puede aplicar a mezclas, con la diferencia que se suman las absorbancias parciales de cada mezcla, trabajando cada una de ellas a una longitud de onda determinada.

3.1 Limitaciones de la Aplicabilidad de le ley de Beer

Existen limitaciones entre la relación lineal entre la absorbancia y la concentración. Esta relación es lineal si se trabaja a concentraciones inferiores a 10-2M. Si aumentamos la concentración se pone de manifiesto las interacciones de atracción y repulsión dentro del analito, modificando la capacidad de absorber una longitud de onda. También existen limitaciones cuando existe presencia de sales en la disolución(efecto salino).

Podemos hablar de dos tipos de desviaciones, las químicas y las instrumentales.

  • Desviaciones químicas. Se producen cuando el analito reacciona con el disolvente.

Ejercicio. La absortividad molar a 430 y 570 nm de un ácido débil HIn con Ka=1'42 10-5 y de su base conjugada In- se determina midiendo disoluciones de indicador fuertemente ácido y básico(todo el Indicador estará en la forma Hin e In- respectivamente). Los resultados fueron:

430

570

Hin

6'3 102

7'12 103

In-

2'06 104

9'61 102

Obtener los datos de absorbancia para concentraciones totales dentro del intervalo 2 10-5 M a 16 10-5M.

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    Desviación instrumental con radiaciones policromaticas. El cumplimiento estricto de la ley de Beer solo se observa con radiaciones monocromáticas. Existen una serie de problemas con la instrumentación, no es posible la obtención de radiación monocromática pura. Suponemos un haz formado por solo dos longitudes de ondas. ' y ''.

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De forma análoga para '' se obtiene:

Así se obtiene la absorbancia referida a las dos longitudes de ondas:

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Si conseguimos que '='' la ecuación anterior se nos simplificaría hasta la ley de Beer(A='bc). Es decir, es la condición para que se cumpla dicha ley.

Ver figuras 7.6 y 7.7

4. Efecto del ruido instrumental sobre el analito

La precisión y exactitud vienen controlado por la incertidumbre y ruido del aparato. Cada etapa en el proceso de la medición de la trasmitancia(que son tres) va aportar un nivel de ruido. El ruido total es la suma de estos tres ruidos parciales.

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    Relación entre ruido y la desviación estándar.

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Y para un conjunto de datos:

  • Efecto de la anchura de rendija. Va a depender del tipo de problema a resolver, si se trata de un espectro complejo, con múltiples, longitudes de onda tendremos que trabajar con banda estrecha. Al utilizar bandas anchas perdemos detalles. Existe una anchura mínima, determinada que se determina experimentalmente.

  • Efecto de la radiación dispersada. No conviene nunca medir en los extremos de las escalas de longitud de onda.

5. Instrumentos de medida

Los instrumentos tienen tres componentes básicos: fuente, monocromador y detector. Los dos últimos ya han sido estudiados en temas anteriores, la fuente la trataremos aquí mas ampliamente.

Existen dos tipos de fuente, de espectro continuo y de línea. Normalmente en espectrofotometria se utilizan fuentes de espectro continuo.

Dentro de las fuentes en continuo se pueden utilizar los siguientes tipos de lampara:

  • Lamparas de Deuterio o Hidrogeno. Son utilizadas para el rango visible. El deuterio o él hidrogeno a baja presión sufre una excitación eléctrica, al volver los electrones a su estado fundamental emiten un espectro continuo. Su mecanismo de funcionamiento seria:

D2+Eelectrica!D2*!D+D+h

Donde h es la radiación. Al hacer el balance energético del proceso obtenemos:

Eelectrica=E*=E'+E''+ h

Donde E' y E'' pueden variar desde cero hasta el valor de la energía eléctrica suministrada, el resto de la energía es para la radiación emitida, por eso es un espectro continuo.

  • Lampara de filamento de Wolframio. Se utiliza para trabajar en la región visible. La distribución de energía se aproxima a la del cuerpo negro y la radiación a emitir va a depender de la temperatura(se calienta hasta 3000ºC). Su vida es corta ya que se sublima el filamento al pasar la corriente eléctrica. Actualmente existen las lamparas de wolframio-halogeno cuya duración es mayor.

5.1 Tipos de instrumentos más comunes para la espectrofotometria

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Ver figuras 7.14 y 7.16

Existen tres tipos de instrumentos:

  • De un solo haz. Es el más común y él mas barato.

  • De doble haz. La radiación parte de la fuente, pasa por el selector de longitud de onda y llega a un espejo sectorizado(es un espejo semitrasparente, deja pasar algunos rayos pero otros los refleja) después de este espejo el haz se divide en dos, uno es el haz de referencia y sirve para el calibrado del aparato y el otro haz es el que atraviesa la muestra y llega al detector.

  • Multicanal. Pueden medir varias especies a la vez. El monocromador esta después de la muestra y tiene carácter dispersivo, dividiéndolo en muchos haces que van a ir a parar a distintos detectores.

La fuente en todos los casos mencionados es continua.

También podemos clasificar los instrumentos en fotómetros y espectrofotometros.

5.1.1 Fotómetros

Son más baratos. Sus componentes son muy sencillos, la principal característica es que solo tiene un filtro, no tiene elemento dispersante.

Están los fotómetros de tipo sonda o de fibra óptica, que ya han sido vistos en temas anteriores.

En los fotómetros es importante la elección del filtro, para encontrar la longitud de onda a la que es máxima la absorbancia. Por ejemplo, si tenemos una coloración roja pondremos un filtro de color complementario al rojo, en este caso el verde.

Hay que mencionar también los fotómetros de absorción ultravioleta que son un importante complemento en las técnicas cromatograficas.

5.1.2 Espectrofotometros

Utiliza un sistema dispersivo como selector de longitud de onda, bien sea una red o un prisma.

Según la radiación existen dos tipos:

  • Solo para la región visible

  • Para la región ultravioleta-visible

Según el haz:

  • Haz sencillo

  • Haz doble

  • Multicanal

Análisis Instrumental. Tema 5

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© Willy

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