ESPECTROFOTOMETRÍA.
La espectrofotometría se refiere a los métodos, cuantitativos, de análisis
químico que utilizan la luz para medir la
concentración de las sustancias químicas. Se conocen como métodos espectrofotométricos y según sea la
radiación utilizada como
espectrofotometría de absorción visible (colorimetría), ultravioleta,
infrarroja.
Principio de la Espectrofotometría
Todas las sustancias pueden absorber energía radiante, aun el vidrio que parece
ser completamente transparente absorbe radiación de longitudes de ondas que no
pertenecen al espectro visible; el agua absorbe fuertemente en la región del
infrarrojo.
La absorción de las radiaciones ultravioletas, visibles e infrarrojas depende
de la estructura de las moléculas, y es característica para cada sustancia
química.
Cuando la luz atraviesa una sustancia, parte de la
energía es absorbida; la energía radiante no puede producir ningún efecto sin
ser absorbida.
El color de las sustancias se debe a que éstas absorben ciertas longitudes de
onda de la luz blanca que incide sobre ellas y solo
dejan pasar a nuestros ojos aquellas longitudes de onda no absorbidas.
La espectrofotometría ultravioleta-visible usa haces de radiación del espectro electromagnético, en el rango UV de 80 a 400
nm, principalmente de 200 a 400 nm y en el de la luz visible de 400 a 800 nm,
por lo que es de gran utilidad para caracterizar losmateriales en la región
ultravioleta y visible del
espectro.
Al campo de luz uv de 200 a 400 nm se le conoce también como rango de uv
cercano , la espectrofotometría visible solamente usa el rango del campo
electromagnético de la luz visible , de 400 a 800 nm.
Además, no está de más mencionar el hecho de que la absorción y trasmitancia de
luz depende tanto de la cantidad de la concentración como de la distancia
recorrida.
• La Radiación Electromagnética y su Interacción con la Materia
Los modelos explicativos de la estructura de la materia que tienen como
fundamento las características ondulatorias de las partículas que la
constituyen proporcionan un marco de referencia conveniente para describir las
interacciones entre la radiación electromagnética y la materia.
La energía radiante se encuentra constituida por fotones cada uno de los cuales
tiene como
característica una longitud de onda. Toda la radiación
electromagnética se mueve a la misma velocidad en el vacío y esa velocidad de
desplazamiento en el vacío es la máxima observada en el universo. En algún medio material la interacción entre los campos eléctricos
y magnéticos que existen en la materia y los correspondientes de la radiación
pueden llegar a reducir esa velocidad de propagación; por esta razón es
solamente en el vacío en donde se observa esa velocidad máxima.
Si asignamos como
ya se dijo una longitud de ondacaracterística a cada tipo de radiación, la
propagación de esa onda se hará con una frecuencia tal que al multiplicarla por
su longitud debe darnos la velocidad de propagación. Esto es:
La letra griega lambda minúscula representa la longitud de onda y la letra
griega nu minúscula representa la frecuencia de esa onda. c= 2 ×108 m•s-1es la velocidad de la luz en el vacío. La
energía asociada con cada una de las ondas, se obtiene mediante la ecuación de
Planck:
 Absorción y Emisión de Radiación por Parte de la Materia
Una descripción simplificada de la estructura de la materia permite explicar
los enlaces entre los átomos para formar moléculas en términos de la
localización de ciertas partículas subatómicas, los electrones, entre esos
átomos. Esas “partículas” evidencian sus características
ondulatorias ya que interactúan con la radiación electromagnética. Si se
logra hacer incidir sobre esa molécula un fotón de
radiación electromagnética con la energía apropiada, la molécula incrementa su
contenido energético absorbiendo ese fotón. Se dice entonces que la molécula
paso a un estado excitado. La molécula energizada se
encuentra en un estado que no es estable en las
condiciones ambientales corrientes;
por lo tanto tiende a regresar a la condición estable y para lógralo emite un
fotón con la energía que logró excitarla antes.
La materia absorbe radiación de diversas regionesdel espectro electromagnético
originadas, esas absorciones, en diferentes tipos de interacciones entre la
materia y la radiación electromagnética. Dependiendo del tipo de interacción se
pueden analizar las transiciones electrónicas que se pueden causar con la
radiación ultravioleta o visible. La radiación infrarroja interactúa con los
estados rotacionales y vibraciones de las moléculas. Si el fotón que llega a
afectar a una molécula tiene un alto contenido de energía, por ejemplo de la
región de rayos X o de los rayos gamma, no se produce absorción que se pueda
emitir luego, sino que se modifica la estructura de la sustancia.
La ley de Beer se verifica muy bien si C es menor o igual que 0.01 M. Falla en
soluciones con concentraciones más altas, y la gráfica
de absorbancia en función de la concentración deja de ser una línea recta.
El coeficiente de absorción molar es la propiedad característica de las
sustancias que indica cuánta luz se absorbe a una
longitud de onda dada. De hecho, tanto los valores de la absorbancia como los del coeficiente de absorción molar dependen
de la longitud de onda de la luz. El funcionamiento del espectrofotómetro es el que sigue: la luz
de una fuente continua pasa a través de un monocromador, que selecciona una
banda estrecha de longitudes de onda del
haz incidente.
Esta luz “monocromática” atraviesa una muestra de
espesor b, y se mide la potenciaradiante de la luz que sale. Es necesario
calibrar el espectrofotómetro con un blanco antes de
medir las absorbancias de la disolución problema. Esta celda o cubeta de
referencia sirve para compensar los efectos de reflexión, dispersión o
absorción de luz de la celda con el disolvente.
Cuando emerge poca luz de la muestra (absorbancia
alta), la intensidad es difícil de medir. Cuando emerge mucha luz de la muestra (absorbancia baja), es difícil detectar la
diferencia de absorbancia entre las celdas de muestra y de referencia.
Varios fabricantes ofrecen en la actualidad instrumentos de haz sencillo sin
registrador que pueden utilizarse para medidas en la región UV-VIS.
El extremo inferior de longitudes de onda de estos instrumentos varía de 190 a
210 nm, y el superior de 800 a 1000 nm. Todos ellos están equipados con
lámparas de wolframio y de hidrógeno o deuterio intercambiables. La mayoría
utilizan tubos fotomultiplicadores como
detectores y redes como
elementos dispersantes. Algunos están provistos de
dispositivos de salida digitales; otros utilizan medidores de gran tamaño.
Las anchuras de banda suelen variar de 2 a 8 nm y se han
descrito exactitudes en la longitud de onda de ±0.5 a ±2.0 nm.
Suele ser recomendable utilizar un espectrofotómetro
de doble haz, en el cual la luz pasa alternadamente por las celdas de muestra y
de referencia. Esto se realiza mediante un motor que
hacegirar un espejo dentro y fuera de la trayectoria de la luz. Cuando el
espejo obturador intermitente (entrecortador) no desvía el haz, la luz pasa a
través de la muestra, y el detector mide la potencia radiante Ps. Cuando dicho
espejo desvía el haz de luz a través de la celda de referencia, el detector
mide Pr. De esta forma, la luz es desviada varias veces por segundo, y el
circuito compara automáticamente Pr y Ps para obtener la absorbancia (A = log
Pr/Ps). Este procedimiento mejora las prestaciones de un
equipo de haz simple, donde el haz de luz sigue un camino único a través de una
sola muestra. Ello causa inexactitud, porque tanto la intensidad de la fuente como la respuesta del detector fluctúan en el transcurso del tiempo. Si hay un
cambio en alguna de ellas entre la medición de una cubeta y otra, la
absorbancia aparente tendrá error. Un instrumento de
haz simple es poco apropiado para mediciones continuas de absorbancia.
La ley de Bourguer-Lambert-Beero ley general de la espectrofotometría que
permite hallar la concentración de una especie química a partir de la medida de
la intensidad de luz absorbida por la muestra.
Esta ley se puede expresar en términos de potencia de luz o de intensidad de
luz, asumiendo luz monocromática, como:
It / I0 = 10 -E bc
Donde It es la intensidad de luz transmitida por la muestra, I0 la intensidad
de luz que incide sobre la muestra y queproviene de la fuente, E el coeficiente
de absortividad molar en unidades de M-1cm-1,, b es la longitud de la
trayectoria del haz de luz a través de la muestra o el espesor de la celda en
centímetros o lo que se conoce como paso óptico.
La ley de Bourguer-Lambert-Beerse puede entonces escribir de las siguientes
formas:
It / I0 = 10 -Ebc, - log T = E b C , -log T = A = E b
C
Siendo Cla concentración del soluto en moles / litro de solución, E una
constante denominada coeficiente de absortividad molar cuyas unidades son: cm
-1 litro / mol y ben cm, se llega, entonces, a que la absorbancia es
adimensional..
El coeficiente de absortividad molar E es función de la longitud de onda, del
índice de refracción de la solución y es característico de cada sistema
soluto-solvente. Es una propiedad intensiva, que no depende de la concentración
de la sustancia y representa la absorción de luz por
parte de un mol de soluto para una longitud de onda dada. Si no se conoce el
peso molecular de la sustancia la ley de Beer se puede expresar como
A = a b C, donde a se denomina coeficiente de absortividad y sus unidades
dependen de las unidades de concentración utilizadas, que pueden estar en g/L o
g/100mL.
Los principios de la colorimetría o fotometría visual están basados en el hecho
de que nuestros ojos son capaces de distinguir la intensidad de dos haces de luz con una exactitud cercana al 1%.
