Espectroscopía UV (Ultravioleta Visible)

Química. Espectroscopía UV (Ultravioleta Visible). Radiación. Moléculas. Electrones. Ley de Beer. Ruido instrumental

  • Enviado por: Nemesio
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FUNDAMENTOS BÁSICOS DE LA ESPECTROSCOPÍA UV-VISIBLE

El principio de la espectroscopía ultravioleta-visible involucra la absorción de radiación ultravioleta-visible por una molécula, causando la promoción de un electrón de un estado basal a un estado excitado. La longitud de onda comprende entre 160 y 780 nm.

La absorción de radiación UV-visible por una especie se da en 2 etapas:

  • Excitación electrónica

  • Relajación. Puede ser por:

  • -emisión de calor

    -reacción fotoquímica

    -emisión de fluorescencia / fosforescencia

    Las bandas que aparecen en un espectro UV-visible son anchas, ya que se superponen transiciones vibracionales y electrónicas.

    La excitación corresponde a los electrones de enlace, por ello los picos de absorción pueden correlacionarse con los tipos de enlaces. Por este motivo la espectroscopia UV-visible es válida para identificar grupos funcionales en una molécula.

    Existen 4 tipos de transiciones posibles con electrones n,  y  :

     ! * : un electrón de un orbital sigma se excita al correspondiente sigma antienlazante en un compuesto saturado. La energía requerida es grande. La frecuencia radiante corresponde al UV de vacío y los máximos no se observan en la región UV comúnmente accesible.

    n ! * : se produce en compuestos saturados con pares de electrones no compartidos. Requiere menos energía que la anterior. La mayoría de los picos aparecen a longitudes de onda menores de 200nm.

     ! * y n ! * : requieren presencia de grupos funcionales no saturados que aporten electrones pi. Es a estos centros absorbentes a los que se les denomina cromóforos. La energía necesaria produce picos de absorción dentro de la región espectral experimentalmente accesible (200-700nm). La mayoría de las aplicaciones de la espectroscopía de absorción en compuestos orgánicos se basa en estas transiciones.

    También hay absorción en la que participan electrones d y f.

    LIMITACIONES

    Limitaciones de la ley de beer:

    Con frecuencia se encuentran desviaciones de la proporcionalidad entre la medida de la absorbancia y la concentración cuando b es constante. En algunas ocasiones estas desviaciones están relacionadas con el fundamento de la ley y representan limitaciones propias de la misma. Otras veces surgen como consecuencia de la forma en que se realizan cambios químicos asociados con cambios de concentración; las dos últimas son conocidas a veces como desviaciones instrumentales y desviaciones químicas, respectivamente.

    a) limitaciones propias de la ley de beer:

    La ley de Beer describe de forma correcta el comportamiento de absorción de un medio que contiene concentraciones de analito relativamente bajas; en este sentido es una ley límite. A concentraciones altas (generalmente>0.01M), la distancia media entre las moléculas responsables de la absorción disminuye hasta el punto en que cada molécula altera la distribución de carga de las moléculas vecinas. Esta interacción, a su vez, puede alterar la capacidad de las moléculas para absorber la radiación de una determinada longitud de onda. Como la magnitud de la interacción depende de la concentración, la aparición de este fenómeno da lugar a desviaciones de la linealidad entre la absorbancia y la concentración. Un efecto similar se encuentra, a veces, en medios que contienen concentraciones de absorbente bajas pero concentraciones altas de otras especies, especialmente electrólitos. La estrecha proximidad de los iones al absorbente altera la absortividad molar de éste por interacciones electrostáticas; el efecto se reduce mediante dilución.

    Aunque, normalmente, el efecto de las interacciones moleculares no es significativo para concentraciones inferiores a 0.01M, entre ciertos iones o moléculas orgánicas grandes aparecen algunas excepciones. Por ejemplo, se ha comprobado que la absortividad molar del catión del azul de metileno en disoluciones acuosas a 463nm aumenta un 88% cuando la concentración del colorante aumenta de 10-5 a 10-2M; incluso por debajo de 10-6M no se observa un cumplimiento estricto de la ley de Beer.

    También surgen desviaciones de la ley de Beer como consecuencia de la dependencia de  con el índice de refracción del medio. Por ello, si los cambios de la concentración causan alteraciones significativas en el índice de refracción n de una disolución, se observan desviaciones de la Ley de Beer. Para este efecto puede hacerse una corrección mediante la sustitución de  por la cantidad n/(n2+2)2 en la ecuación log(Po/P)=A. En general, esta corrección nunca es muy grande y rara vez es significativa para concentraciones menores de 0.01M.

    b) Desviaciones químicas:

    Cuando un analito se disocia, se asocia o reacciona con un disolvente para dar lugar a un producto con un espectro de absorción diferente al del analito, se producen desviaciones de la ley de Beer. Las disoluciones acuosas de los indicadores ácido-base son un ejemplo característico de este comportamiento. Por ejemplo, el cambio de color asociado con un indicador tipo HIn se produce como consecuencia de los cambios en el equilibrio

    HIn-----H+ + In-

    c) Desviaciones instrumentales originadas por la radiación policromática:

    El cumplimiento estricto de la ley de Beer sólo se observa cuando la radiación es realmente monocromática; esta observación es otra manifestación aun del carácter límite de la ley. Desafortunadamente, en la práctica es raro el uso de radiación restringida a una sola longitud de onda debido a que los dispositivos que aíslan porciones de la señal de salida de una fuente continua generan una banda de longitudes de onda más o menos simétrica en torno a la deseada.

    La siguiente deducción muestra el efecto de la radiación policromática en la ley de Beer.

    Consideramos un haz formado sólo por dos longitudes de onda ' y ''. Asumiendo que la ley de Beer se aplica estrictamente para cada una de estas longitudes de onada, podemos escribir para la radiacion landa':

    A'=log(P'o/P')=  'bc

    o P'o/P'=10('bc)

    y P'=P'o10(-'bc)

    de forma similar, para landa'':

    P''=P''o10(-'bc)

    Cuando la medida de la absorbancia se realiza utilizando una radiación compuesta por ambas longitudes de onda, la potencia del haz emergente de la disolución viene dado por P'+P'' y la del haz del disolvente por P'o y P''o. Por tanto, la medida de la absorbancia Am es:

    Am=log[(P'o+P''o)/(P'+P'')]

    Sustituydo por P' y P'' se convierte en

    Am=log[(P'o+P''o)/(P'o10(-'bc)+P''o10(-''bc))]

    Ahora bien, cuando '='' esta ecuación se simplifica de la siguiente forma:

    Am='bc

    y se cumple la ley de Beer. Sin embargo, la relación lineal entre Am y la concentración deja de ser lineal cuando las absortividades molares difieren entre sí; es más, cabe esperar mayor desviación de la linealidad cuanto mayor sea la diferencia entre ' y ''. Esta deducción puede extenderse de forma que incluya longitudes de onda adicionales; el efecto seguiría siendo el mismo.

    Es un hecho experimental observado que las desviaciones de la ley de Beer resultantes del uso de un haz policromático no son apreciables, con tal de que la radiación utilizada no abarque una región del espectro en la cual el absorbente muestre cambios grandes en la absorción en función de la longitud de onda.

    También se ha observado experimentalmente que las medidas de absorbancia en el máximo de los picos estrechos hace que la desviación de la ley de Beer no sea significativa si la anchura de banda efectiva del monocromador o filtro f es menor que 1/10 de la mitad de la anchura del pico de absorción en la semialtura.

    d) Desviaciones instrumentales originadas por la radiación parásita:

    La radaición que emerge del monocromador suele estar contaminada con pequeñas cantidades de radiación dispersada o parásita, la cual alcanza la rendija de salida como resultado de dispersiones y reflexiones en varias superficies internas. La radiación parásita, con frecuencia difiere sustancialmente en su longitud de onda de la radiación principal, y además, puede no haber atravesado la muestra.

    Cuando las medidas se hacen en presencia de radiación parásita, la absorbancia observada viene dada por

    A'=log[(Po+Ps)/(P+Ps)]

    donde Ps es la potencia de radiación parásita no absorbida.

    Cuando las concentraciones y los caminos ópticos son elevados, la radiación parásita puede causar desviaciones significativas en la relación lineal entre la absorbancia y el camino óptico.

    Efecto del ruido instrumental en los análisis espectrofotométricos:

    La exactitud y la precisión de los análisis espectrofotométricos suelen estar limitadas por los ruidos asociados al instrumento.

    a) Ruido instrumental como función de la transmitancia:

    Una mediada espectrofotométrica lleva consigo tres etapas: un ajuste del 0%, un ajuste del 100% y una medida del porcentaje de T cuando se sitúa la muestra en la trayectoria de la radiación. El ruido asociado a cada una de estas etapas se combina para dar una incertidumbre neta en el valor final de T obtenido. La relación entre el ruido encontrado en la medida de T y la incertidumbre en la mediada de la concentración puede deducirse escribiendo la ley de Beer de esta forma:

    c=-logT/b=-0.434lnT/b

    Mediante algunas operaciones, relacionamos la desviación estándar de la concentración c con la desviación estándar de la transmitancia t:

    (c/c)= ( t/TlnT)= (0.434 t/TlogT)

    Para un número limitado de mediadas, se reemplaza la desviación estándar de la población c y t por la desviación estándar de la muestras sc y st y se obtiene:

    sc/c=(0.434st/TlogT)

    Esta ecuación relaciona la desviación estándar relativa de c (sc/c) con la desviación estándar absoluta de la medida de transmitancia (st).

    APLICACIONES E INFORMACIÓN OBTENIDA

    Análisis cualitativo:

    El disolvente empleado influye en las posiciones de los máximos, los polares desplazan a mayor longitud de onda. Las mediciones de absorción son útiles para descubrir la presencia de ciertos grupos funcionales que actúan como cromóforos.

    Análisis cuantitativo:

    Por la ley de Lambert - Beer podemos medir la concentración de la sustancia que absorbe al medir la cantidad de radiación absorbida, independiente de la radiación incidente:

    A =  b c = - log T = log(I0/I)

    Características:

  • Gran aplicación: una gran variedad de especies inorgánicas y orgánicas que absorben a longitud de onda de UV-Visible y pueden cuantificarse; otras que no absorben por sí mismas pueden hacerlo al ser tratadas químicamente.

  • Alta sensibilidad: hasta 10-7 M según se modifique una técnica.

  • Selectividad: puede analizarse cada especie por separado.

  • Buena precisión: r =1-3% que puede reducirse.

  • Facilidad y comodidad.

  • Procedimiento:

  • Elección longitud de onda: el análisis espectrofotométrico se hace a  que sea pico de absorción para obtener mayor sensibilidad.

  • Variables que influyen en absorbancia: naturaleza del disolvente, pH de la disolución, temperatura, concentración de electrolitos y presencia de interferentes.

  • Determinación de la relación entre absorbancia y concentración: se prepara la curva de calibrado partiendo de una serie de disoluciones patrón de composición similar a las muestras reales.

  • Limpieza y manejo de las celdas.

  • Análisis de mezclas de sustancias absorbentes: AT = A1 + A2+...+ AN.

  • Métodos de medida:

  • Espectrofotométrico ordinario.

  • Espectrofotométrico de escala expandida o de análisis de trazas.

  • Determinaciones simultáneas.

  • Adición estándar.

  • Espectroscopía de derivadas.

  • Valoraciones espectrofotométricas.

  • Sistemas que absorben:

  • Transiciones electrónicas:  ! * , n ! * , n! * ,  ! *.

  • Moléculas inorgánicas con orbitales d y f (lantánidos y actínidos).

  • Moléculas con transferencia de carga :M ! L y L ! M.

  • MATERIALES QUE SE ANALIZAN:

    La espectroscopía ultravioleta-visible es la más limitada para la información de compuestos, ya que solo puede sernos de utilidad para aquellos que tengan un cromóforo o instauraciones visibles en la región comprendida entre los 100 y los 800 nm. (Energía comprendida entre las 286 y 36 Kcal/mol).

    Cromóforo: es cualquier grupo de átomos que absorben luz independientemente de que presente color o no.

    También puede presentar un grupo auxócromo que es el que amplia la conjugación de un cromóforo mediante la compartición de electrones de no enlace.

    Debemos tener en cuenta que la obtención de un espectro UV supone en primer lugar disolver la sustancia en un disolvente adecuado, que también absorbería en el UV, por lo que en la práctica la espectroscopia UV se ve limitada a longitudes de onda superiores a 200-220 nm. Debido a ello, como podemos imaginar, no son muchos los grupos funcionales que podremos determinar con la espectroscopia UV, siendo de destacar que todos ellos deben poseer al menos un enlace doble, como compuestos aromáticos carboxílicos.

    Resultados que se obtienen:

    Se obtienen unas líneas a determinadas longitudes de onda que corresponden con los máximos de absorción. Estos se deben a la presencia de cromóforos en la molécula.

    Para caracterizar dichas absorciones, además de la longitud de onda máxima para cada absorción, debemos recordar la ley de Lambert-Beer, según la cual:

    Absorbancia = ·l·c

    Donde:

     = Coeficiente de extinción molar, es una constante relacionada con el área de incidencia del cromóforo y la probabilidad de de que produzca la absorción.

    l = recorrido en cm. de la radiación a través de la muestra.
    c = concentración de la muestra en moles/litro.

    (Consideraremos que cuando  es inferior a 10000 esa absorción se debe a una transición electrónica prohibida por las reglas de selección)

    Al final lo que conseguimos es una tabla en la que tenemos relacionadas la longitud de onda de máxima absorción y el coeficiente de extinción molar , y con esta información, tendríamos que buscar en alguna tabla de valores ya tabulados a que cromóforo o grupo funcional hacen referencia.