Espectroscopia

Mtodos pticos

Estudio de la interaccin entre la radiacin electromagntica y la materia, con la consecuente absorcin o emisin de energa radiante.

Transicin entre distintos niveles de energa.

Estructura, entorno del sistema, etc. (anlisis cualitativo).

La fraccin de luz absorbida est relacionada con la concentracin de absorbente.

Anlisis cuantitativo.

Mtodos pticos

La radiacin electromagntica est compuesta por FOTONES; que son entidades que carecen de masa y que en ciertas ocasiones pueden comportarse como ondas y en otras como partculas.

Radiacin electromagntica

Dualidad onda-partcula Difraccin de electrones (onda) Efecto fotoelctrico (partcula)

Las ondas se desplazan a la velocidad de la luz en el vaci ,c

l= Longitud de onda; distancia entre los picos

n= Frecuencia; Nmero de veces que la onda pasa por un punto por unidad de tiempo

c =

y la energa de un fotn (o de la onda) es:

hE =

Mtodos pticos

Clasificacin de espectroscopias

Mtodos pticos

Clasificacin de espectroscopias

Rotacin y Vibracin de molculas

Rotacin de molculas

Cambio de espn electrnico y nuclear (RMN, EPR)

XPS, TRXF

Transiciones electrnicas

Mtodos pticos

Mtodos pticos: Regin UV-Vis

Transiciones electrnicas

Movimiento de electrones entre orbitales inducido por la absorcin de luz en esta regin

Regin UV: 200-400 nm Visible: 400-700 nm

Mtodos pticos

Medidas espectroqumicas

Qu es lo que vemos durante el proceso de absorcin de la luz?

P0 P

Solucin absorbente

b

Estado Fundamental

Estado Excitado

hE1 =

hE2 =

hEEE 12 ==

l/nm

-lo

g(P/

P0)

Espectro de absorcin

Fraccin de la radiacin trasmitida respecto a la incidente en funcin de la energa del haz de excitacin

Su apariencia depender de la naturaleza de la especie en cuestin

Mtodos pticos

Especies moleculares y iones compuestos en solucin

Espectros de bandas

Transiciones entre orbitales moleculares

Espectros de lneas

Iones metlicos en solucin Transiciones entre

orbitales atmicos

Gran distribucin de estados electrnicos y efectos del solvente

Sistemas ms cuantiza- dos. Los niveles estn ms separados

Son difciles de obtener experimentalmente

En su lugar se mide la emisin

FOTOMETRA DE LLAMA

Mtodos pticos

Cmo se realiza la cuantificacin?

LEY DE LAMBERT-BEER: Proceso de absorcin

P0 P

Solucin absorbente

b

Intensidad incidente Intensidad trasmitida

Una fraccin de la radiacin incidente es absorbida por la muestra

La Transmitancia (T) es la relacin de luz incidente que se trasmite en la solucin y puede ser calculada como:

100xP

PT%

0

=

0P

PT =

o tambin puede encontrarse como porcentaje de Transmitancia (%T)

Mtodos pticos

La Absorbancia (A) se relaciona con la transmitancia en forma logartmica

ATlogP

Plog

0

==

Por lo tanto, es muy claro ver que si la muestra transmite menos es porque absorbe mayor cantidad de radiacin

Segn la ley de Beer, la absorbancia es proporcional a la concentracin y al camino ptico que atraviesa la radiacin:

bcP

PlogA

0

==

Donde: C es la concentracin de la especie absorbente. B es el camino ptico; y depende del tipo de celda utilizado en la medicin e es el coeficiente de absortividad molar o coeficiente de extincin o simplemente coeficiente de absorcin

Unidades: A es adimensional [b]= cm

[c]= M=moles/L [e]= M-1cm-1

Mtodos pticos

A

c/M

eb Zona donde se cumple la ley de Beer (linealidad entre A y c)

Desviaciones de la linealidad

1) Reales: Cambios en el ndice de refraccin (pesa a altas concentraciones)

2) Instrumentales: Baja calidad de monocromaticidad Presencia de luz parsita Fenmenos de fluorescencia Dispersin de luz

3) Qumicas: Desplazamientos de equilibrios Formacin de complejos Reacciones con el solvente

Cuentas. Consideremos medidas de absorbancia de una especie que presenta un e=10000M-1cm-1.

5.0M10x5.cm1.cmM10000bcA 5111 ===

25.0M10x5.cm5,0.cmM10000bcA 5112 ===

b

75.0M10x5,7.cm1.cmM10000bcA 5111 ===

375.0M10x75,3.cm1.cmM10000bcA 5112 ===

c

Mtodos pticos

Importante:

En las medidas de absorbancia siempre es necesario realizar un blanco de la especie absorbente (todos los reactivos menos el absorbente) y evaluar su valor de absorbancia a la longitud de onda de trabajo. Luego este valor se resta a los medidos y de esta manera se eliminan los efectos causados por imperfecciones en la celda o fenmenos dispersivos o reflexivos.

Mtodos pticos

Cmo se vamos a medir la absorbancia?

El equipo utilizado se denomina espectrofotmetro de absorcin UV-Vis

Esquema de un espectrofotmetro de doble haz

Lmparas: UV: Deuterio Vis: Tugsteno

Descompone y selecciona la luz transmitiendo cada l a la muestra

Transforma los fotones que llegan en electrones y estos a su vez generan ms electrones que amplifican la seal

Mtodos pticos

Tambin existen otro tipo de equipos

Espectrofotmetro con arreglo de diodos. En este caso, el equipo no tiene monocromador sino que todas las l llegan juntas a la muestra y al detector donde son analizadas todas a la vez.

Al no contar con un dispositivo mecnico de seleccin de l los espectros se registran en mucho menos tiempo que en el caso anterior. Adems al no tener elementos dispersantes de la radiacin (tales como el monocromador) esta tecnologa mejora considerablemente la relacin seal/ruido aumentando la calidad de los espectros.

En algunos trabajos prcticos utilizaremos equipos de mesada que permiten medir slo en el rango visible y a longitud de onda fija, por lo cual no pueden obtenerse espectros con ellos.

Celdas contenedoras: Material transparente a la radiacin

Regin UV: Cuarzo.. MUY CARAS!!! Regin Visible: vidrio o plstico.

Mtodos pticos

En el caso de una muestra problema. Cmo procedemos a su cuantificacin?

Supongamos que tenemos una muestra necesitamos determinar la concentracin de una determinada especie

I) METODO DE LA CURVA DE CALIBRACIN

1) Tengo que seleccionar la longitud de onda de trabajo a partir de la evaluacin del espectro de absorcin de la especie a determinar

l/nm

A

lMAX

Se elige trabajar a la l de un mximo de absorcin ya que en esta zona existe menos variabilidad de la absorbancia y mayor sensibilidad

Mtodos pticos

2) Determinamos la absorbancia a la lMAX para una serie de patrones preparados igual que la muestra y que cumplan con la ley de Beer en el intervalo de concentraciones.

Concentracin AMax

c1 A1

c2 A2

c3 A3

c4 A4

A

c/M

eb=a

3) Luego medimos la absorbancia de la muestra y calculamos la concentracin de la especie de inters con la ecuacin de la recta.

bacA =

II) METODO DE ADICION ESTANDAR (MAE)

Mtodos pticos

Buen mtodo para muestras complejas mantiene los efectos de la matriz y controla los efectos de los interferentes.

A

c/M cx

Agregado de concentraciones conocidas del analito a cuantificar y evaluacin de la respuesta del sistema. La concentracin se obtiene por extrapolacin

Todo esto es muy lindo, pero estos dos mtodos pueden aplicarse directamente sobre la muestra si solo siel analito absorbe luz en el regin UV-Visible

Tenemos que transformar nuestro analito

Mtodos pticos

Derivatizacin de analitos

Es una operacin que implica la transformacin de los analitos en otras especies compatibles con la tcnica de cuantificacin .

Por ejemplo, sea A un analito que no absorbe luz UV-Vis o absorbe muy poco.

CBA 1)

ABBA Presentan una fuerte absorcin en el UV-Vis

2)

El derivado obtenido debe reunir propiedades tales como estabilidad en el tiempo, como para permitir su determinacin con precisin, color intenso, libre de efectos por cambios en el pH, temperatura u otros factores, alta solubilidad del compuesto coloreado y obedecer la ley de Beer. Aqu B se denomina agente cromognico y de cumplir con ciertas condiciones para poder ser utilizado, como por ejemplo: 1.Estabilidad en solucin. 2. Rpido desarrollo del color. 3. Reaccin estequiomtrica con el constituyente deseado. 4. Transparencia en la regin de medida, etc.

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TRABAJO PRCTICO N 5: DETERMINACIN DE NO3 - Y NO2

- EN MUESTRAS DE AGUA POR ESPECTROFOTOMETRA UV Y VISIBLE

a) Determinacin de NO3-

No hay que derivatizar. Los nitratos absorben en el UV. Sin embargo, en esta regin tambin lo hace la materia orgnica (m.o.)

A 220 nm absorben NO3 y m.o.

A 275 nm solo la m.o. nm275nm220realA2AA =

La absorbancia a 275 nm se toma de la medida del patrn que no contiene NO3-

Experimental

Todas las soluciones stocks, standars y patrones deben prepararse utilizando material aforado. Matraces y ball pipetas!!!

No probetas, no pipetas graduadas!!! No son exactas

Mtodos pticos

Solucin Stock 500 g NO3 / ml

Solucin Standar 50 g NO3 / ml

Patrn 2 Patrn3 Patrn 1 Patrn 4

1) Construimos la curva

2) Medimos la absorbancia a 220 nm de la muestra de agua y obtenemos la concentracin de NO3

Dilucin 1:10 Las diluciones deben hacerse con agua bidestilada

b) Determinacin de NO2-

Derivatizacin

NH2

NH2S

O

O

OH S

O

O

OH N2+

S

O

O

OH N=N NH2S

O

O

OH N2+

+ NaNO2 + 2 HCl

+

Cl-

Cl- HCl +

+ H2O + NaCl

Mtodos pticos

Solucin Standar 10 g NO2 / ml

Patrn 2 Patrn3 Patrn 1 Patrn 4

Las diluciones deben hacerse con agua bidestilada

1) Preparacin de los patrones

2) Derivatizacin de los patrones y de la muestra

50 ml de patrn o muestra

1 ml de ac. Sulfanlico

+ 1 ml de naftilamina

Luego de 2-8 min

CANCERGENO!!!

Bajo campana

Esperar 10 minutos y medir la absorbancia a 540 mm

3) Construir la curva de calibracin y obtener la concentracin de nitritos en la muestra. Tener cuidado con la dilucin realizada al momento de hacer las cuentas.

Mtodos pticos

TRABAJO PRCTICO N 6: ESPECTROSCOPIA UV-VISIBLE. RESOLUCIN DE UNA MEZCLA BINARIA MnO4

- / Cr2O7=.

Ambas especies absorben en la regin visible. La experiencia se basa en que la absorbancia es una propiedad aditiva.

n21i)T( AAAAA ==

a) Mtodo de la curva de calibracin

Espectro mezcla

l1 l2

= 272

27244 OCrOCr1MnOMnO11

C.b.)(C.b.)(A

= 272

27244 OCrOCr2MnOMnO22

C.b.)(C.b.)(A

Para cada l se tiene:

Mtodos pticos

Para resolver el sistema de ecuaciones tengo que conocer el coeficiente de absorcin de cada especie a cada longitud de onda

MnO4-

Cr2O72-

A

c/M

A

c/M

A

c/M

A

c/M

l1

l1

l2

l2

Para la preparacin de los patrones se debe tener una idea de los e a cada l

Las diluciones en los patrones de dicromato deben hacerse con agua acidulada para evitar:

H2CrO2OHOCr 242272

Mtodos pticos

Am = e1bc1 + e2bc2 (1)

b) Mtodo por Anlisis de Regresin Lineal Multi-longuitud-de-onda (ARLM)

La absorbancia de una mezcla de dos especies no interactuantes que absorben en la misma zona del espectro, Am est dada por:

Sean cs1 y cs2 las concentraciones de soluciones estndar de cada componente, entonces

As2 = e2bcs2 As1 = e1bcs1

Despejando las absortividades molares, reemplazndolas en la ec. (1) y reordenado se llega a:

Am/As1 = c1/cs1 + (c2/cs2) (As2/As1) (2)

Am/As1

c2/cs2

c1/cs1

As2/As1 y x

Mtodos pticos

Los datos para realizar el grfico se obtiene de los espectros de absorcin de soluciones patrones de permanganato y dicromato y de la mezcla problema.

TRABAJO PRCTICO N 7: PROPIEDADES COLORIMTRICAS DESEABLES E INDESEABLES EN EL SISTEMA Fe(II)-o-fen

Complejo muy estable Fuertemente coloreado Se utiliza en la deteccin del Fe

Para el sistema Fe-o-fen

Estabilidad temporal Efecto del exceso de reactivo Efecto del pH Efecto de interferentes

Mtodos pticos

TRABAJO PRCTICO N 8: DETERMINACIN DE Fe(II) EN UN MEDICAMENTO

Determinaremos Fe en un medicamento mediante su complejacin con la o-fenentrolina, aplicando los mtodos con los que venimos trabajando

1) Mtodo de la curva de calibracin 2) Mtodo de adicin estndar

l(trabajo)= 512 nm

Experimental: Hidroxilamina (reductor): Es para asegurar que todo el Fe est en su estado divalente antes de la complejacin.

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TRABAJO PRCTICO N 9: ESPECTROSCOPIA DE EMISIN ATMICA EN LLAMA.

Cuando una solucin que contiene iones como el Na+ se vaporiza y es arrastrada al seno de una llama, la energa de las misma excita los electrones ms externos desde el estado fundamental a otro de energa superior.

Estado Fundamental

Estado Excitado

hAl regresar al estado fundamental, los electrones de los tomos emiten una radiacin de l caracterstica para cada uno de los metales presentes

La intensidad emitida a cada l es proporcional a la concentracin de la especie en la muestra

Mtodos pticos

hNaNa

NaNa

ClNaNaCl

NaClNaCl

NaClNaCl

)g(

)g()g()g(

)g()s(

)evap()ac(

Esquema de un fotmetro de llama

Procesos que ocurren en la llama

Tambin pueden ser filtros

Como la llama es de gas natural-aire solo podemos determinar metales alcalinos y alcalinotrreos

Mtodos pticos

Experimental

A) Determinacin de Na+ y K+ en agua de red aplicando el mtodo de la curva de calibracin. Puede que la relacin entre la intensidad emitida sea o no lineal.

B) Efectos de cationes. En la muestra pueden existir metales que emitan radiaciones con longitudes de onda prximas a la emitida por la especie a cuantificar. Las desviaciones son importantes si se una un aparato de filtro

C) Efecto de la interferencia mutua de iones Na+-K+ . Estudiaremos el efecto de la presencia de K en la emisin del Na y viceversa.