analisis instrumental (unidad 1).pdf

Instituto Tecnológico de la Paz Ingeniería Bioquímica

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Analisis Instrumental Ingeniería Bioquímica !

M.C. Jesus Ignacio Gonzalez Garcia �� Instituto Tecnologico de la Paz !

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M.C. Jesús Ignacio González García " 1

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Unidad 1 !PRINCIPIOS DEL ANÁLISIS INSTRUMENTAL !

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1.1 METODOS CLASICOS E INSTRUMENTALES 1.1.1 Relación de la química analítica clásica e instrumental ! El análisis químico se hizo necesario desde que el hombre empezó a procesar materiales y en general a manejar compuestos y elementos químicos. Para hacer esto fue necesario, en ocasiones, la purificación o separación de los componentes (analitos) con los que se quería trabajar. Así fueron diseñados o desarrollados una serie de métodos que ayudaban a este fin como la precipitación, sublimación, destilación, extracción con solventes, etc. Muy pronto esto tomo cierto grado de desarrollo y sofisticación ya que en ocasiones no solo se requería identificar a un analito, si no también saber en que proporción o concentración existía, y así nació la química analítica, una de las 5 ramas o campos en los que se divide la química (ademas de la orgánica, inorgánica, fisicoquímica y bioquímica), aunque en la actualidad son varias las disciplinas que interaccionan entre si dando lugar a campos como la organometálica, la bioanalítica, etc. El análisis químico proporciona información sobre la composición de una muestra de material a través de un método o protocolo que se compone de una serie de pasos definidos para sacarle información a una muestra. Si el resultado del análisis solo nos indica de que está compuesto un material, o que tipo de grupo funcional tiene o que características estructurales, etc., se denomina análisis cualitativo.

M.C. Jesús Ignacio González García ! 2

Si por el contrario obtenemos datos numéricos como porcentaje de composición, p p m , mg, etc. entonces se denomina análisis cuantitativo. !Analisis cualitativo: ¿Que es lo que esta presente? !Analisis cuantitativo: ¿Cuanto esta presente? ! En ambos tipos de análisis, la información necesaria es obtenida por medio de la medida de una propiedad física o química que sea característica con el ó los componentes de interés, y a esta señal se le denomina "SEÑAL ANALITICA". Hay muy variadas señales analíticas que se pueden utilizar como lo son; la precipitación ante un reactivo, el vire de color, la absorción, dispersión o emisión de luz, la conductividad eléctrica, índice de refracción, etc. lo que da origen a que los Métodos Analíticos se dividan en: a) Clásicos b) Instrumentales ! En los clásicos, generalmente, primero se separan los analitos de interés de una muestra por medio de algún método como la extracción, cristalización o destilación y posteriormente se determina la identidad del mismo por medio de una característica como un color desarrollado, precipitación y pesado, Pf, Peb, olores, solubilidades, volúmenes de reactivos usados, etc. Estos métodos son utilizados en análisis macro, trabajo de campo o cuando no se cuenta con el equipo necesario. Si el análisis es con fines cuantitativos entonces se hace uso de la gravimetría o la volumetría para establecer una concentración. Estos métodos se estudian en los cursos introductorios de la química analítica denominada química analítica en solución y se denominan métodos húmedos. !!! El uso de otras señales Analíticas (ya conocidas desde antes) como la absorción, dispersión o emisión de una radiación electromagnética (hv), cambios de espín, relaciones masa/carga, etc solo fue posible con el desarrollo de la tecnología, y en especial de la electrónica. Aunado a esto, el desarrollo de las separaciones cromatográficas como métodos de separación o métodos analítico hace que estas sean incluidas en métodos modernos que conforman los denominados métodos instrumentales de análisis, motivo del presente curso.

1.1.2 Clasificación de los métodos instrumentales

En los métodos instrumentales el analito es excitado o estimulado mediante la aportación de cierta cantidad de energía proporcionada por una fuente en particular; posteriormente se mide una señal analítica para establecer la identidad o la concentración del mismo. Los métodos instrumentales se pueden clasificar en función de la propiedad física o química en la que se fundamentan y el nombre del método en ocasiones se compone del fenómeno físico combinado, por ejemplo, con la región del espectro en la que trabaja; en otros casos, el nombre no lleva implícito ninguna de estas características. M.C. Jesús Ignacio González García ! 3

Cada propiedad física puede generar uno o mas métodos en su aplicación: !

! La clasificación también puede hacerse , mas específicamente, por medio de la señal analítica generada: !

FENOMENO TIPO DE METODOSTransición de electrones internos Emisión gamma

Transiciones de electrones internos Absorción, emisión, fluorescencia y difracción de rayos X

Transiciones de electrones de enlace (principalmente enlaces σ )

Absorción de radiación ultravioleta en el vacío

transiciones de electrones de enlace y no enlace Absorción, emisión y fluorescencia de radiación UV-Vis

Rotación y vibración molecular Absorción y dispersión Raman e infrarrojo

Rotación de moléculas Absorción de microondasCambios de estados de energía de espín

electrónico en un campo magnético Resonancia de espín electrónico

Cambios de energía de espín de núcleos en un campo magnético

Resonancia magnética nuclear

Señal analítica Método Instrumental

Emisión de radiación Espectroscopia de emisión (rayos x, UV,

visible, de electrones, Auger); fluorescencia,

fosforescencia y luminiscencia (rayos x, UV,

visible)

Absorción de radiación Espectroscopia (rayos x, UV, visible, IR);

espectroscopia fotoacustica; RMN y

resonancia de espín electrónico.

Dispersión de la radiación Turbidimetria, nefelometria y espectroscopia

Raman

Refracción de la radiación Refractometria; interferometria

Difracción de la radiación Difracción de rayos x y de electrones

Rotación de la radiación Polarimetria; dispersión rotatoria óptica;

dicroismo circular


! 1.1.3 Componentes de los instrumentos de medición ! En los métodos instrumentales de análisis la información que se obtiene de los átomos, iones, moléculas o compuestos, procede de las señales analíticas relacionadas con las propiedades físicas o químicas de los mismos, sin embargo estas señales no son interpretables por nuestros sentidos por lo que requerimos del uso de instrumentos o equipos especiales que las transformen en una forma comprensible o medible por el analista; de hecho, un instrumento analítico es una interfase que hace la comunicación entre analitos y analistas. Los componentes de un equipo analítico dependen del tipo de fenómeno que se esta midiendo o de la señal analítica en observación, es decir, si es una radiación electromagnética, una corriente eléctrica, un voltaje, pH, una flama, etc pero en la mayoría de los casos se requiere un generador de señales o una fuente de energía para generar las señales (en otros casos el mismo analito genera la señal), un dispositivo que la convierta o interprete (trasductor de entrada), un procesador de la señal (generalmente un amplificador) y un trasductor de salida (convierte la señal procesada en una señal entendible por el analista). !! 1.1.4 Dominio de los datos ! Los dispositivos o equipos analíticos transforman las señales de una forma a otra que sea manejable por el analista y así se obtenga la información que debe ser proporcional a la propiedad física o química que se esta midiendo. La información obtenida por las propiedades medidas debe ser codificada para su interpretación. A esta codificación se le denomina dominio de los datos.

Potencial eléctrico Potenciometria; cronopotenciometria

Carga eléctrica Coulombimetria

Corriente eléctrica Polarografia; amperometria

Resistencia eléctrica Conductimetria

Razón masa/carga Espectroscopia de masas

Velocidad de reacción Métodos cinéticos

Propiedades térmicas Conductividad térmica y métodos de entalpia

Radiactividad Métodos de activación y de dilución isotópica

Señal analítica Método Instrumental


Los dominios de los datos se clasifican en: dominios no eléctricos y dominios eléctricos. Dominios no eléctricos: cuando se miden propiedades físicas o químicas como la longitud, densidad, composición química, intensidad de luz o color, volumen, presión, etc. Este dominio de datos esta asociado, generalmente a métodos clásicos aunque la mayor parte de estas mediciones, en la actualidad se encuentran asociadas a dispositivos electrónicos que hace que estos dominios de datos estén asociados a dominios eléctricos. La obtención o manejo de datos de dominio puramente no eléctrico se encuentra en franca extinción debido al avance de los dispositivos modernos. !Dominios eléctricos: la señal se pasa de una forma a otra codificandola como una señal eléctrica. Existen tres modalidades, o tipos de dominios eléctricos, de codificar la información como una cantidad eléctrica: Dominios analógicos, Dominios de tiempo y Dominios digitales. En un análisis se pueden combinar dominios eléctricos con dominios no eléctricos como en los digitales que tienen que arrojar un numero. !Dominios analógicos: la información se codifica como la magnitud de una carga eléctrica (carga, potencia e intensidad de corriente). Son continuas en amplitud y tiempo y se pueden medir continuamente o en determinados tiempos. Por ejemplo, un detector de fotones que genera una corriente eléctrica. !Dominios del tiempo: la información se guarda como variaciones de la señal con respecto al tiempo, es decir como se comportan los máximos y mínimos en diferentes tiempos. En estos dominios se utiliza la frecuencia y los periodos. Los dominios eléctricos del tiempo son frecuencia, amplitud y fase. Ejemplo el FID o señal de decaimiento utilizada en espectroscopia de transformada de Fourier. !Dominios digitales: las señales se codifican en dos niveles y actúan sobre dispositivos que solo tienen dos posiciones posibles, por ejemplo una lampara solo puede estar encendida o apagada, una palanca arriba o abajo, un diodo emitiendo o no emitiendo luz, una señal de nivel lógico solo puede ser HI o LO. La interpretación de que es abierto o cerrado o que es HI o LO es una decisión arbitraria dependiente de un nivel de medición dependiente del equipo utilizado o del experimento. Por ejemplo cuando se rebasan mediciones en un nivel o una cantidad de veces con un contador que hace que aparezca un numero en una pantalla o una alerta. Los dominios digitales son computo, en serie, en paralelo y numero. Aquí la codificación es generalmente en números binarios (base 2) ya que es mas eficiente que hacerlo en serie. Esta codificación puede accionar, por ejemplo diferentes diodos. !!PARAMETROS DE CALIDAD DE UN METODO ANALITICO ! 1.2.1 Parámetros cualitativos Existe una gran diversidad de métodos analíticos instrumentales que hacen difícil en ocasiones la decisión del uso de un método instrumental u otro para resolver un M.C. Jesús Ignacio González García ! 6

problema analítico. Los equipos tienen criterios cuantitativos que permiten reducir el numero de instrumentos a utilizar en función del problema a resolver; estas características se dan en términos numéricos y se denominan parámetros de calidad. Una vez que los criterios cuantitativos reducen la elección se puede recurrir a los criterios cualitativos para tomar la decisión. !

! 1.2.2 Parámetros cuantitativos ! Son criterios numéricos que se deben considerar en función de las necesidades del análisis y de la información que se desea extraer. !

Parámetros cualitativos

1. Velocidad

2. Facilidad y

comodidad

3. Habilidad del

operador

4. Costo y

disponibilidad

5. Costo unitario

Criterio Parámetro de calidad

1. Precisión Desviación estándar absoluta, desviación estándar

relativa, coeficiente de variación, varianza

2. Exactitud Error absoluto, error relativo

3. Sensibilidad Sensibilidad de calibración, sensibilidad analítica

4. Limite de detección Blanco mas tres veces la desviación estándar del

blanco

5. Intervalo de concentración Concentración entre el limite de cuantificación

(LOQ) y el limite de linealidad (LOL)

6. Selectividad Coeficiente de selectividad


!1.3 RELACION SEÑAL-RUIDO Cuando se realiza una medición analítica se obtienen generalmente dos componentes, una que lleva la información del analito que estamos buscando y otra que contiene información indeseable, denominada ruido, que nos afecta la medición de muy diversas formas. ! 1.3.1 Fuentes de ruido ! Hay básicamente dos tipos de ruidos que afectan una medición analítica: el ruido químico y el ruido instrumental. !Ruido químico: hay muchas variables o factores que pueden afectar el ambiente químico de una muestra. Por el principio de Le Chatelier, la posición de un equilibrio químico se puede ver afectada, por ejemplo, al variar la temperatura o la presión, por la fluctuación en la humedad relativa, así como por vibraciones que pueden afectar la estructura de sólidos, la variación en la intensidad de luz que afecta a sustancias sensibles a la misma, de la misma forma que la presencia de humos que interactuan con muestras o reactivos. Estos son algunos entre muchos otros factores que son considerados como fuentes de ruido químico. !Ruido Instrumental: este es el tipo de ruido generado en una medición por la afectación de los diferentes componentes del equipo instrumental utilizado para realizar la misma. Todos los componentes de un equipo (fuentes de energía, trasductores, procesadores de señales, etc.) pueden ser susceptibles de ser afectados por ruidos de diversas fuentes, dependiendo del componente en cuestión. Al final el ruido detectado o medido que aparece en el equipo va a ser la resultante de la mezcla de todos estos ruidos, lo que va a dificultar la caracterización del tipo de ruido y por lo tanto el control sobre el mismo. Sin embargo, existen algunos ruidos instrumentales que son reconocibles y que es recomendable identificar sus características para tratar de minimizarlos. Los ruidos identificables son: el ruido térmico (o ruido de Johnson), el ruido de disparo, el ruido de parpadeo (o ruido 1/f) y el ruido ambiental. !1. Ruido térmico: es debido a la agitación térmica (debida a la fricción) de los electrones u

otros transportadores de carga en los diversos dispositivos como resistencias, condensadores, detectores de radiación o celdas electroquimica, entre otros. Este tipo de ruido genera variaciones de voltaje por la heterogeneidad de la carga y solo es posible que desaparezca en el cero absoluto, con ausencia de vibraciones.

2. Ruido de disparo: este se presenta cuando hay una corriente que genera movimiento de electrones o partículas cargadas a través de una unión. Ejemplos de esto se presentan en los circuitos electrónicos con interfaces p y n (con dopaje con indio y arsénico), en interfaces entre electrodos (de vidrio), etc.


3. Ruido de parpadeo: las causas de este ruido no son del todo conocidas pero se reconocen por su dependencia de la frecuencia y su valor es inversamente proporcional a esta, razón por la que se le denomina también como 1/f. Este ruido es muy significativo para frecuencias menores a 100 Hz. Este ruido se observa en amplificadores de corriente y en galvanómetros.

4. Ruido ambiental: este tipo de ruido proviene del entorno. Entre mas radiaciones electromagnéticas haya en los alrededores, producidas por lineas de alimentación de corriente alterna, emisores de ondas de radio o televisión, sistemas de encendido de motores de gasolina, conmutadores de arco eléctrico, alumbrado, perturbaciones ionosféricas, entre muchos otros, este ruido se convierte en significativo ya que en los instrumentos analíticos cada conductor funciona como una antena capaz de detectar estas radiaciones y convertirla en una corriente eléctrica. !

1.3.2 Aumento de la relación señal-ruido ! Regularmente la señal analítica es muy superior al ruido lo que hace relativamente fácil mantener a este ultimo bajo control tomando algunas medidas en función del conocimiento de los tipos de ruidos principales y reconocibles. A pesar de esto, finalmente, la relación señal-ruido afecta la precisión de una medida, por lo que es conveniente aumentar esta relación. Existen dos formas de hacerlo, a través de hardware y/o a través de software. En el diseño de los equipos (hardware) actualmente se están incorporando componentes como filtros, cortadores, escudos, moduladores y detectores sincrónicos que eliminan o atenúan al ruido y que no afectan a la señal analítica. Por otro lado, existe software con algoritmos digitales que extraen ruidos después de convertir la señal de salida de analógica a digital, utilizando para tal efecto el uso de una computadora. !1.4 CALIBRACION DE LOS METODOS INSTRUMENTALES ! Para tener las certeza de que los resultados obtenidos con un método instrumental son correctos, el método debe ser calibrado relacionando la respuesta del mismo (la señal analítica) con la concentración del analito. Existen diferentes maneras o métodos de realizar la estandarización de los métodos instrumentales, dependiendo, principalmente, de la composición de la matriz en la que se encuentra el analito. Los principales métodos, que no los únicos, para la calibración son: - Método de Comparación de estándares - Método del Estándar externo - Método de la Adición de estándar - Método del Patron interno En todos los casos la estandarización se puede hacer hacer por un camino muy simple utilizando un solo punto (una solución única del estándar de concentración conocida) o se puede realizar haciendo una estandarización de puntos múltiples (lo mas deseable) en la que se utilizan al menos tres soluciones del estándar a diferente concentración. M.C. Jesús Ignacio González García ! 9

! 1.4.1 Comparación de estándares En la variante de este método denominada de Comparación directa se realiza la comparación de una propiedad del analito con estándares o patrones. La propiedad probada debe ser muy similar entre ambos. Como ejemplo de estos podemos considerar el color producido por una reacción aplicada tanto al analito como al estándar. En otra variante, el analito se hace reaccionar con un reactivo estandarizado en una reacción estequiometrica. ! 1.4.2 Estándar externo ! En este método, el estándar se prepara por separado de la muestra. Es una técnica utilizada cuando la matriz no interfiere en la medición y existen dos variantes: haciendo una sola medición del estándar a cierta concentración (estandarización de un solo punto), para encontrar la constante de proporcionalidad que se aplicara posteriormente al analito problema o utilizando soluciones de estándar con las que se realiza una curva denominada curva patrón o curva estándar o curva de calibración. Se utiliza un blanco que emula la matriz, para corregir la señal medida. En el primer caso se prepara una solución de concentración conocida del estándar, Cst, y se mide su señal analítica, Sst. Con estos datos se calcula el valor de k (la sensibilidad del método). !

! ! !

Donde C corresponde a la concentración y S a la señal analítica. Ya conocido el valor de k se puede sustituir en la formula el valor de la señal analítica del analito, Sa, despejando encontramos Ca. Este es un método no muy recomendable ya que en la lectura inciden todo tipo de errores, tanto determinados como indeterminados, y así se determina k. Cualquier incertidumbre en el valor de k incide directamente en la medición de la concentración del analito. !Ejemplo: un método espectroscopico para la determinación cuantitativa de los niveles de Pb+2 en sangre da una medición de 0.474 para el estándar, Sstand, de plomo de una concentración de 1.75 ppb. ¿ Cuantas partes por billón de Pb+2 hay en una muestra de sangre si su lectura, Ssamp, es de 0.361? ! En la estandarización de estándar externo de puntos múltiples se construye una curva de calibración utilizando diversas soluciones del estándar a diferente concentración. Si la curva de calibración resultante es lineal (las mas recomendables), la pendiente nos dará el valor de k. Si la curva patrón es no lineal el problema es mas complejo y requiere un mayor numero de mediciones o soluciones estándar, y el valor de k (sensibilidad del método), es función de la concentración del analito, su valor será mayor cuando la

CST α SST CST = KSST k = SstCst


concentración del analito es pequeña y decrece continuamente conforme la cantidad del analito aumenta; el valor de k en cualquier punto es la pendiente de la curva en ese punto. La curva se realiza en el intervalo de concentraciones útiles, en las que se va a encontrar la concentración del analito (para minimizar variaciones de la pendiente). El problema en este tipo de estandarización es de que las mediciones del estándar y el analito podrían variar en gran medida si la matriz en la que se encuentran ambos (estándar y analito)presenta diferencias. !Ejemplo: un método espectroscopico para la determinación cuantitativa de los niveles en sangre de Pb+2 da una curva lineal normal de calibración para la cual

Sstand = (0.296 ppb-1 ) x Cs + 0.003 ¿Cual es el nivel de plomo (en ppb) en una muestra de sangre si Ssamp es de 0.397? !En el método del estándar interno o Método del Patron interno se utiliza una sustancia de referencia que tenga características físico-químicas similares al analito, la cual es adicionada a las soluciones estándar, blanco y muestra. En este caso se mide la relación que existe entre la respuesta del analito y la respuesta del estándar (el cual se encuentra en las mismas condiciones de detección en relación a reactivos, equipo, presión, pH, etc.). Se hace una curva con la concentración en el eje x y la relación de respuestas en el eje y. ! ! !

!Ejemplo: un método para la cuantificación de Pb+2 en sangre utiliza Cu+2 como estándar interno. Un estándar que contiene 1.75 ppb de Pb+2 y 2.25 ppb de Cu+2 produce una razón SA/Sst de 2.37. Una muestra problema de sangre es spiked (fortificada) con la misma concentración de Cu+2 dando una señal con una razón SA/Sst de 1.80. Determine la concentración de Pb+2 en la muestra.

!

!Por lo tanto, la concentración de Pb+2 es: !!

!Cuando se trabaja con matrices muy complejas, difíciles de duplicar, se utiliza el método de las adiciones de estándar en el cual lo que se agrega es el mismo analito en forma de una solución estándar. Se utilizan dos porciones de la muestra, una se mide normalmente y la otra es adicionada con la solución estándar del analito (método de solución estándar en un solo punto) y se calcula la concentración de la muestra suponiendo la relación lineal

K =CIS

CA

!

"#$

%&SASIS

!

"#$

%& StdC =

CIS

K!"#

$%&

SASIS

!

"#$

%& Muestra

K =CSt

CA

!

"#$

%&SASSt

!

"#$

%& St=2.251.75

x 2.37 = 3.05

CA =CSt

K!"#

$%&

SASSt

!

"#$

%& muestra=2.253.05

x 1.80 = 1.33 ppb Pb+2


entre la respuesta y la concentración. En una variante se llevan las dos soluciones al mismo volumen final y en otra variante se agregan y no se diluye. !Método de adición de estándar con dilución y de un solo punto !!

!Ejemplo: Un método para la determinación cuantitativa de Pb+2 en sangre da una lectura, SA , de 0.193 para 1.00 ml de muestra de sangre el cual fue diluido a 5.00 ml. Una segunda muestra de 1.00 ml fue spiked (fortificada) con 1.0 𝝁l de un estándar de una solución de Pb+2 con una concentración de 1560 ppb de Pb+2 y la cual también es diluida a 5.00 ml dando una lectura, Sspike , de 0.419. Determine la concentración de Pb+2 en la muestra original de sangre. !!

!! !

! por lo tanto CA = 1.33 ppb !!

Método de adición de estándar sin dilución y de un solo punto !!

!Una variante es el método de adiciones múltiples en el que a varias alícuotas del analito se les agrega cierta cantidad de solución estándar, para con estas obtener una curva de calibración de adiciones múltiples. Este ultimo método, aunque implica mas trabajo y tiempo esto es compensado por la eliminación de efectos de interferencia complejos y en ocasiones desconocidos por el analista. !! !

!

SA

CAV0Vf

!

"#$

%&

=Sspike

CAV0Vf

!

"#$

%&+ Cspike

VspikeVf

!

"#$

%&

0.193

CA1.00ml5.00ml

!"#

$%&

=0.419

CA1.00ml5.00ml

!"#

$%&+1560 ppb 1.0 x10−3ml

5.0ml!

"#$

%&

0.1930.2CA

=0.419

0.2CA + 0.312 ppb0.0386CA + 0.0602 ppb = 0.0838CA

0.0452CA = 0.0602 ppb

SACA

=Sspike

CAV0

V0 +Vspike( )!

"##

$

%&&+ Cspike

VspikeV0 +Vspike( )

!

"##

$

%&&

0 = KCAV0V0

+KCspike

Vf

Xint ercepto Xint ercepto = −CAV0Cspiked


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!!1.5 PROPIEDADES DE LAS RADIACIONES ELECTROMAGNETICAS Una parte muy importante de los métodos instrumentales son los denominados métodos espectroscopicos o espectrometricos, originalmente basados en la interacción entre la materia y una radiación electromagnética, pero en la actualidad el termino agrupa también a métodos en los que se hace interactuar a la materia con otras formas de energía como haces de electrones, ondas acústicas o haces de iones. ! 1.5.1 Dualidad onda-partícula ! Las radiaciones electromagnéticas, o luz, son ciertas formas o manifestaciones de la energía que se trasmiten a la distancia y a velocidades muy altas pero finitas y que, a diferencia del sonido, no requieren de un medio para trasmitirse por lo que lo pueden hacer en el vacío. Todas las radiaciones electromagnéticas tienen la misma velocidad en el vacío y su velocidad varia en otros medios debido a las interacciones con el mismo. Estas radiaciones electromagnéticas, en función de su comportamiento o propiedades, pueden ser descritas tanto como ondas como partículas, es decir presentan un comportamiento dual. El comportamiento óptico de las radiaciones electromagnéticas, como la difracción, es mejor descrito por su comportamiento ondulatorio, en tanto que cuando interacciona con la materia y se observan los fenómenos de absorción o emisión es el comportamiento corpuscular, como partícula, fotón, el que mejor la describe. Son varias las formas como las radiaciones electromagnéticas se manifiestan, siendo la luz visible la mas común, pero también tenemos otras como lo es los rayos X, radiación infrarroja, radiación ultravioleta, rayos gamma, ondas de radio, etc. El termino luz, aunque originalmente fue utilizado para referirse a la radiación visible para el ojo humano, también se usa en las radiaciones del tipo ultravioleta e infrarrojo. ! 1.5.2 El espectro electromagnético ! Todas estas formas de radiación o luz, en virtud de ser distintas manifestaciones del mismo fenómeno, se les agrupa en lo que se denomina "El espectro electromagnético", del cual la luz visible es solo una pequeña porción. !!

Sspike = K CAV0Vf

+ CSVSVf

!

"#

$

%&


! Casi cada porción del espectro electromagnético puede ser utilizada para algún método espectroscópico, el nombre de los mismos dependerá del tipo de radiación y el fenómeno que utilicemos. ! 1.5.3 Propiedades generales de las radiaciones electromagnéticas ! Para entender, entonces, que es lo que diferencía a estas radiaciones, requerimos analizar sus propiedades estudiándolas tanto desde el punto de vista clásico, como ondas, como desde el punto de vista cuántico, como partículas. Estas dos formas de analizar al mismo fenómeno no son excluyentes ya que en algunos casos es necesario utilizar un modelo y en otros, donde este modelo no funciona, como es el caso de la absorción de energía, hay que recurrir al otro, aunque sabemos que en realidad la luz tiene propiedades y un comportamiento mecano-cuántico característico. Desde el punto de vista ondulatorio, una radiación electromagnética es una onda con comportamiento sinusoidal que presenta ciertas características y parámetros. La onda viajera transporta a la energía y consta de dos campos oscilantes en fase: uno eléctrico y otro magnético el cual viaja perpendicularmente al primero (ángulo recto) en la dirección de la propagación.


! ! !Esta es una representación gráfica de una radiación monocromática polarizada en un plano. La componente eléctrica es, la mayor parte de las veces, la responsable de los fenómenos de interacción con la materia que se utilizan en los métodos ópticos, y solo en contados métodos (resonancia magnética nuclear, resonancia de espín electrónico) se utiliza la componente magnética. Los parámetros a considerar en una radiación electromagnética vista como una onda son:

�� !λ = Longitud de onda. Distancia entre dos crestas ó tamaño de una onda completa (un ciclo). A = Amplitud. Altura de las crestas desde cero. P = Periodo. Tiempo necesario para que dos máximos ó mínimos (una onda completa) pasen por un punto fijo. ν = Frecuencia. Numero de ciclos u oscilaciones del campo que pasan por un punto dado por segundo. ! Cabe señalar que la velocidad de todas estas radiaciones en el vacío es de 2.99792 x 108 m/s (3x108 m s-1 cuando se redondea) y se representa por la letra C:

�� Cuando la radiación viaja a través de otro medio su velocidad disminuye y si la frecuencia (ν) permanece constante (por lo tanto también su energía), lo que se modifica es la longitud de onda y, en ese caso se expresa como: �� Las unidades de la longitud de onda varían según la región espectral con la finalidad de trabajar principalmente con números enteros: Ángstrom (Aº = 10-10 m) en


rayos X y ultravioleta corto, Nanómetro (nm = 10-9 m) para ultravioleta y visible, Micrómetro (µm = 10-6 m) para infrarrojo, etc. Las unidades de frecuencia son cps (ciclos por segundo) ó mas correctamente Hz (Hertz) y s-1.

Algunos métodos utilizan el denominado numero de onda, ! el cual es el inverso o reciproco de la longitud de onda y sus unidades son cm-1.

!

Otros términos utilizados en el fenómeno ondulatorio de la luz son potencia (P) e intensidad (I), relacionados ambos con el flujo de energía de una fuente de radiación electromagnética. Entendiendo al primer termino como flujo de energía por unidad de tiempo, en tanto que el segundo seria el flujo de energía por unidad de tiempo por área. ! 1.5.4 Tipos de espectros ! Cuando átomos, iones o moléculas se relajan a niveles de menor energía después de ser excitados desprenden el exceso de energía en forma de radiaciones electromagnéticas. Si estas radiaciones son caracterizadas en un espectroscopio, presentan lo que se denomina como espectros de emisión. Existen tres tipos de espectros de emisión: de lineas, de bandas (lineas encimadas no resueltas) y espectros continuos. Los primeros son los espectros que presentan los átomos de los elementos luego de ser excitados y emitir el exceso de energía en forma de radiación. Si esta es descompuesta en un espectroscopio presentara solo ciertas lineas con una longitud de onda (o frecuencia) característica y reproducible en todos los casos. Algunas sustancias presentan una serie de lineas muy cercanas en su longitud de onda que ocasiona que se vean como bandas de lineas. Esto es debido a subniveles vibracionales los cuales en ocasiones son difíciles de resolver por algunos equipos de baja resolución. Cuando algunas sustancias o materiales son llevadas a temperaturas elevadas, por ejemplo, al emitir luz y ser esta descompuesta presentan un espectro continuo con todas las longitudes de onda, como la luz blanca que presenta todos los colores del arco iris. Esta es la denominada radiación de cuerpo negro y depende mas de la temperatura que del tipo de sustancia.

! !

ν−

ν_=1λ


Un caso aparte se presenta cuando se pasa radiación electromagnética a través de la materia la cual solo absorbe ciertas longitudes de onda dependiendo de la naturaleza de la misma. Si se pasa luz blanca a través de la materia en estado gaseoso o en solucion se absorberán selectivamente solo ciertas frecuencias y la luz resultante presentará un espectro con huecos donde estaban las frecuencias absorbidas. Podemos irradiar una muestra con las longitudes de onda de un rango especifico midiendo cual de estas son absorbidas. El resultado es lo que se denomina un espectro de absorción el cual es un gráfico de la absorción de radiación electromagnética en función de la longitud de onda o de la frecuencia. Es la huella dactilar para propósitos de identificación.

!

! ! Las sustancias presentan espectros de absorción característicos, con uno o mas máximos y mínimos, por lo que son útiles en la identificación o confirmación de una especie química. El color de la solución (en el visible) se relaciona con su espectro de


absorción, ya que una especie química puede absorber uno o mas colores y presentar soluciones con los colores complementarios.

! 1 .6 PROPIEDADES MECANO-CUANTICAS DE LA RADIACION ELECTROMAGNETICA ! Cuando la radiación interacciona con la materia la radiación puede ser absorbida y la muestra experimenta un cambio de energía. En estos casos el modelo ondulatorio ya no nos sirve y es necesario considerar a las radiaciones desde el punto de vista corpuscular, en función de su energía, por lo que recurriremos al modelo cuántico que nos dice que la luz esta formada por pequeños paquetes de energía denominados fotones. Cuando un fotón es absorbido por una muestra este es “destruido” y su energía pasa a esta. La energía esta cuantizada y todos los fotones de un tipo de radiación tendrán la misma cantidad de energía la cual es diferente para los diferentes tipos de radiaciones. Las radiaciones, desde este punto de vista, se analizan desde el punto de vista de su energía, la cual es directamente proporcional a la frecuencia de la radiación de acuerdo a la siguiente ecuación: E = hν donde h es una constante de proporcionalidad denominada constante de Planck la cual tiene diferentes valores en función de las unidades utilizadas:

h = 6.63 x 10-34 joule· s ó 6.63 x 10-27 erg· s por lo tanto, una alta frecuencia implica ó indica una alta energía. Podemos relacionar a la energía de la radiación con su longitud de onda ó con el numero de onda, �ν que es el numero de ondas por centímetro, a través de las siguientes ecuaciones:

�� !�� !


Ejemplo: calcule el numero de onda de un haz de radiación infrarroja con longitud de onda de 5.0 µm y calcule la energía de los fotones de dicha radiación y la energía de un mol de fotones de dicha radiación: !�� !

�� !E = Joule / fotón Numero de Avogadro = 6.022 x 1023 ! 1.6.1 El efecto fotoeléctrico ! El efecto fotoeléctrico es el fenómeno que se presenta cuando la superficie de un metal es irradiada con luz de determinada frecuencia generando una corriente eléctrica. El fenómeno fue descubierto por Hertz a finales del siglo XIX cuando coloco dos electrodos en un tubo de vacío y los irradió con diferentes radiaciones electromagnéticas observando que algunas generaban un paso de corriente (en forma de chispa) desde el cátodo al ánodo. Observó que no todas las frecuencias generaban esta corriente ni aun incrementando la intensidad de la misma, siendo este una de los escollos de la física clásica. En 1905 Einstein encontró una respuesta a esto a través de los cuantos de energía de Planck enunciando que las radiaciones electromagnéticas estaban compuestas por pequeños paquetes de energía a los que denomino fotones y estos tenían una energía fija en valores enteros de hv. Cuando uno de estos fotones choca o golpea a un electrón de una átomo el fotón va a transferir su energía al electrón y si esta es suficiente para arrancarlo del átomo y generar una corriente eléctrica. Si los fotones no tienen la energía necesaria para arrancar al electrón no se genera la corriente ni aun incrementando la intensidad ya que esta solo aumenta el numero de fotones pero no la energía de los mismos que es una dependencia de su frecuencia. Fue hasta 1916 que Millikan hizo mediciones precisas del fenómeno y con esto confirmo lo expresado por Einstein. Millikan encontró que para cada tipo de metal había un frecuencia umbral abajo de la cual los electrones no podían ser arrancados (aplicaba un potencial negativo al ánodo hasta que la corriente se hacia cero). Arriba de esta frecuencia umbral los electrones adquirían la energía en exceso y la convertían en energía cinética. 1.6.2 Estados de energía de la materia ! Como resultado de la teoría cuántica de Planck, considerando la cuantizacion de la energía, fue posible, gracias a aportaciones posteriores, explicar los espectros de absorción y de emisión de la materia en base a los postulados de la teoría.


De esta teoría se establece que la materia (átomos, iones o moléculas) solo puede existir en ciertos estados discretos de energía. Una sustancia puede pasar de un estado a otro absorbiendo o emitiendo energía por un valor igual al diferencial de los dos estados. Si el cambio de estado se realiza absorbiendo o emitiendo una radiación electromagnética la longitud de onda o la frecuencia se deberá relacionar energéticamente con la diferencia entre los estados a través de la siguiente ecuación:

!

Donde E1 es el estado inicial y E0 es el estado final de energía. Los diferentes estados de energía son debidos, en este contexto, a el movimiento de los electrones en torno al núcleo en átomos o iones, o entorno a dos núcleos en las moléculas. Ademas en el caso de las moléculas sus cambios energéticos también pueden ser debidos a vibraciones de sus enlaces o cambios rotacionales de las mismas. A temperatura ambiente el estado de menor energía se denomina estado fundamental o basal en tanto que estados de mayor energía se denominan estados excitados. ! 1.6.3 Emisión y absorción de la radiación electromagnética ! Cuando una sustancia pasa de un estado de mayor energía hacia un estado de menor energía lo hace desprendiendo o liberando el diferencial de energía. Esta energía puede tener diferentes formas, una de las cuales es como una radiación electromagnética, como fotones. En este caso la radiación emitida puede ser caracterizada mediante un espectrómetro y se denomina espectro de emisión, el cual se puede presentar en sus tres modalidades: de lineas, de bandas o continuo.

! �� ! Estos espectros de emisión se presentan, generalmente, como gráficos de potencia relativa de la radiación en función de la longitud de onda o de la frecuencia. El valor de la energía (hv) de la radiación emitida depende de en que estado superior se encontraba la especie y este se da en función de la fuente de excitación. Un bombardeo con electrones u otras partículas elementales lleva a estados de muy alta energía que se libera como rayos X; la excitación a través de un arco eléctrico, chispas de corriente alterna, una flama o un horno provee de energía que se libera como radiación ultravioleta, visible o infrarroja; cuando la energía extra proviene de una radiación electromagnética se observan espectros de emisión de fluorescencia o fosforescencia en

E1 − E0 = hν = h Cλ


tanto que reacciones químicas exotérmicas pueden generar espectros de quimioluminiscencia. En otros casos, si se envía una o una serie de radiaciones electromagnéticas a través de una capa de una muestra sólida, líquida o gaseosa la energía de los fotones de la radiación se puede transferir a los iones, átomos o moléculas de la sustancia para pasarlos a uno o mas estados excitados. Esto ocurrirá solo si los fotones tienen la energía necesaria igual al diferencial energético entre el estado fundamental y algún estado excitado considerando que estos están cuantizados. Una representación gráfica de la disminución de la potencia de la energía radiante en función de la frecuencia o de la longitud de onda es lo que se denomina un espectro de absorción el cual es característico para cada especie química ya que estas presentan estados cuantizados de acuerdo a su estructura o interacciones con el medio u otras especies químicas, entre otros factores. En vista de esto, los espectros de absorción nos pueden servir para caracterizar a una sustancia y utilizando la ley de Lambert-Beer se pueden lograr análisis cuantitativos de la misma. El espectro de absorción resultante puede tener diferente estructura dependiendo de si la muestra son átomos, iones o moléculas. Se pueden encontrar espectros de picos aislados o combinados o espectros que son curvas continuas sobre todo en moléculas con varios enlaces donde se presentan también fenómenos vibracionales. ! 1.6.4 Ley de Lambert-Beer ! Para utilizar la absorción de luz con fines cuantitativos se requiere considerar ciertos parámetros y relacionar la dependencia de estos con la cantidad de radiación absorbida, en este sentido la ley de Lambert-Beer, producto de la fusión de dos leyes, cumple con este cometido al relacionar directamente la absorción de radiación electromagnética con el numero de moléculas o átomos que esta encuentra a su paso. ! Ley de Bouguer (Lambert): Para una cierta concentración de absorbente, la intensidad de luz trasmitida, que previamente se ha logrado que sea paralela, plana y que entre al medio absorbente formando ángulos rectos con el plano, disminuye logaritmicamente a medida que la longitud del trayecto aumenta en forma aritmética. Es decir, la cantidad de radiación absorbida es proporcional al espesor atravesado. ! Ley de Beer: Al aumentar la concentración del absorbente, la intensidad de luz trasmitida disminuye logaritmicamente. Es decir, cada molécula de soluto absorberá siempre la misma cantidad o fracción de radiación incidente independientemente de la concentración, aunque esta ultima marcara cuantos fotones o fracciones de radiación serán absorbidos. ! Ley de Lambert y Beer: La intensidad de la luz trasmitida disminuye logaritmicamente con el aumento proporcional de la concentración de absorbente y el aumento proporcional de la longitud del trayecto de absorción de la radiación. !M.C. Jesús Ignacio González García ! 21

La ley de Lambert-Beer tiene gran utilidad en mediciones de tipo cuantitativo (su utilidad es menor cualitativamente hablando) al relacionar a la radiación (los fotones de la misma) con la cantidad o numero de especies químicas con las que interactúa. Esta ley nos dice que un haz de radiación electromagnética se ve atenuado (disminuye su energía por unidad de área) al interactuar con especies químicas absorbentes. !

! DIAGRAMA DE DISMINUCION DE POTENCIA !

Como consecuencia de las interacciones entre los fotones y las partículas absorbentes, la potencia del haz disminuye de Po (antes Io ó intensidad) a P. Además de la absorción en una medición de este tipo también hay perdidas por reflexión y dispersión, dependiendo de los materiales de la celda, el solvente, la concentración, el tipo de sustancia y los diversos cambios de interfase, por lo que es conveniente trabajar con blancos. Potencia: es la energía de un haz que sale de una fuente por unidad de tiempo y se mide en watts; en el caso de la absorción se mide la energía de la radiación que, después de atravesar la muestra, llega al detector por metro cuadrado del mismo, por segundo. !Transmitancia: La transmitancia, T, de una solución es la la fracción de radiación

incidente trasmitida por la solución: !

y generalmente se expresa como porcentaje : !

Absorbancia: La absorbancia de una solución es el logaritmo negativo de la transmitancia:

!

La absorbancia de una solución aumenta cuanto mayor es la atenuación del haz. De la ley de Lambert-Beer se obtiene que la absorbancia es directamente proporcional a la longitud (b) de la trayectoria del haz a través de la solución, y a la concentración de la especie absorbente: �� Introduciendo una constante de proporcionalidad esto quedaría: A = abc, en donde a es la constante de proporcionalidad, la cual es denominada absortividad y es característica de cada especie. La magnitud de a depende de las unidades de b y c.

T =PP0

%T =PP0100

A = − logT = log P0P


Cuando b = cm y c = gramos por litro !

Cuando b = cm y c = moles por litro ! y entonces se denomina

absortividad molar y se representa por �� , por lo tanto, en este caso: �� Estas ecuaciones (Lambert-Beer) nos pueden ser útiles cuando deseamos o necesitamos determinar concentraciones o absortividades, parámetro, este ultimo, de gran importancia en algunas espectroscopias como es la de ultravioleta visible. Para hacer estudios cuantitativos de una especie se utiliza el pico de mayor absorción de su espectro de absorción, siempre y cuando este se encuentre libre de otras absorciones. Se hacen mediciones de un solo punto o de múltiples puntos (curvas de calibración) que son las mas deseables, utilizando cualquier método de calibración, dependiendo de la muestra, estándar externo, adiciones múltiples o patrón interno. La selección de la longitud de onda debe ser siempre buscando la mayor linealidad con la ley de Beer (concentración). Se busca un pico en el espectro de absorción (de preferencia el de la mayor absorción) donde se observe la mayor sensibilidad del analito a la radiación, es decir, donde el cambio de absorbancia por cambio en la concentración sea muy marcado. Se busca que en ese punto la curva de absorción sea plana para que se afecte menos la lectura por las fluctuaciones o falta de precisión del equipo. En esta longitud de onda no deben de haber interferencias de otras sustancias ni del disolvente, es decir, el pico debe estar libre y no debe tener picos de otras absorciones encimados ni traslapados con el. En el caso de los fotocolorimetros de filtros, se utiliza el filtro que nos de la mayor pendiente.

�� !!

a = lcmg

a =l

cmmol


Ejemplo 1: Una disolución patrón de concentración 1 x 10-3 moles/ L presenta una absorbancia de 1.29 a 275 nm de longitud de onda. Cual es la concentración de una muestra si su absorbancia es de 0.75 y ambas lecturas se efectuaron en cubetas de paso óptico de 1 cm. !solución: Para aplicar la ley de Lambert-Beer, primero despejamos la concentración y posteriormente analizamos que datos tenemos y cuales nos faltan:

�� por lo tanto ! observamos que no tenemos el valor de la absortividad

por lo que hay que calcularlo a partir de los datos de la disolución patrón, también

despejando de la misma ecuación: ! ; sustituyendo valores nos queda:

! por lo que, en la muestra, la concentración será:

!

Cuando se hace trabajo de laboratorio no es recomendable recurrir a las tablas de absortividad en virtud de que puede haber variaciones debidas al solvente, a la temperatura o a las celdas, entre otros factores, que nos arrojarían datos erróneos, por lo que es preferible obtenerla a través del uso de un patrón. Ejemplo 2: A 510 nm de longitud de onda una disolución de KMnO4 que contiene 20 ppm de manganeso presenta una absorbancia de 0.7 cuando se mide en cubetas de 1 cm de espesor. Determinar la absortividad molar del KMnO4. !

Esta ley, sin embargo, no es infalible y esta sujeta a ciertas restricciones ya que en determinadas condiciones o situaciones, pierde su linealidad. Las principales causas son las que se enumeran a continuación: !a) Por concentración Esta es una ley limite que funciona bien para soluciones diluidas. Concentraciones mayores al 0.01 M hace que la ley pierda linealidad porque al estar muy cerca las moléculas interactúan entre si y cada una afecta la distribución de carga de la otra, además se puede afectar el índice de refracción de la solución y hace que se presenten otros fenómenos como la reflexión, dispersión, etc. Esta perdida de linealidad también se observa, en contadas ocasiones, a muy bajas concentraciones de algunas especies como son algunos colorantes (ejemplo el azul de metileno). !b)Desviaciones Químicas Estas se presentan cuando la sustancia bajo análisis sufre una transformación, es decir, cuando se disocia, asocia o reacciona con el disolvente. Así la sustancia resultante o producto, dará un espectro diferente al esperado. Ejemplo: indicadores Acido-base

C =Aεb

ε =AbC

ε =1.29

1( ) 1x10−3( )C =

0.751( ) 1290( )


! FORMULAS DE DESVIACIÓN QUÍMICA !

El pH también desplaza este equilibrio. Para trabajar con una de las tres especies hay que manipular el pH. !c) Desviaciones instrumentales Hay que seleccionar bien la longitud de onda, de lo contrario nos daría una absorbancia diferente y por lo tanto, también una absortividad diferente con el consecuente cambio en la concentración obtenible Hay que utilizar equipos con buenos sistemas de aislamiento o monocromación de la radiación, es decir, con bandas angostas de longitudes de onda.También hay radiaciones parásitas, producto de dispersiones y reflexiones en las superficies interiores. Se puede incluir aquí también a las celdas utilizadas en las mediciones ya que si la calidad de las mismas (grosor, espesor, homogeneidad, etc.) nos pueden arrojar resultados variables. ! 1.6.5 Clasificación de los métodos espectroquímicos ! Los métodos espectroquimicos o espectroscopicos están basados en la interacción de la materia con radiaciones electromagnéticas. Estas radiaciones presentan varias características entre las que se incluyen su energía, velocidad, amplitud, frecuencia, ángulo de fase, polarización y dirección de propagación. Para que se realice la espectroscopia se requiere que la interacción de los fotones con la muestra le produzcan a estos un cambio en una o mas de las características mencionadas. Así, la espectroscopia se divide en dos grandes clases: la espectroscopia donde se transfiere la energía de los fotones hacia los átomos, iones o moléculas de la muestra y, la espectroscopia donde no hay trasferencia de energía entre los fotones y las partículas de la muestra. En la espectroscopia con trasferencia de energía de los fotones a la muestra tenemos espectroscopia de absorción y de emisión dependiendo como se va a obtener el espectro. La fuente de energía dependerá del estado energético al que se llevara al analito. En la espectroscopia de absorción el analito va a ser llevado de un estado de menor energía hacia un estado de mayor energía:


! Posteriormente se va a obtener el gráfico de absorbancia contra longitud de onda o frecuencia o se mide la absorción contra una concentración:

! En la espectroscopia de emisión, por el contrario, se va a excitar a la muestra y posteriormente se obtiene el espectro de la radiación emitida en el proceso de relajación o liberación del exceso de energía o energía absorbida: !

! ! !ESPECTROSCOPIAS QUE ENVUELVEN CAMBIOS DE ENERGIA

Tipo de energía transferida Región del espectro

electromagnético

Técnica espectroscopica


!

Absorción Rayos gamma

Rayos X

!UV-Vis

!!

Infrarrojo

!Microondas

!Ondas de radio

Espectroscopia de Mossbauer

Espectroscopia de absorción

de rayos X

Espectroscopia de UV-Vis

Espectroscopia de absorción

atómica

Espectroscopia de infrarrojo

Espectroscopia Raman

Espectroscopia de

microondas

Espectroscopia de resonancia

de espín electrónico

Espectroscopia de resonancia

magnética nuclear

Emisión (excitación térmica) UV-Vis Espectroscopia de emisión

atómica

Fotoluminiscencia Rayos X

UV-Vis

Fluorescencia de rayos X

Espectroscopia de

fluorescencia

Espectroscopia de

fosforescencia

Espectroscopia de

fluorescencia atómica

ESPECTROSCOPIAS QUE ENVUELVEN CAMBIOS DE ENERGIA


!!!

ESPECTROSCOPIAS QUE NO ENVUELVEN UN CAMBIO DE ENERGÍA

Región del espectro

electromagnético

Tipo de interacción Técnica espectroscopica

Rayos X Difracción Difracción de rayos X

UV-Vis Refracción

Dispersión

Refractometría

Nefelometría

Turbidimetría

Dispersión rotatoria óptica


analisis instrumental (unidad 1).pdf

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