UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA DE PETROLEO GAS NATURAL Y PETROQUIMICA

LABORATORIO7: CONSTRUCCION DE UN DVD ESPECTROSCOPIO DE ALTA RESOLUCION

CURSO: QUIMICA INORGÁNICA

PROFESOR: LIC.CARLOS M. TIMANÁ DE LA FLOR

ALUMNO: USURIAGA PAREDES BORIS JEAN

CODIGO: 20132085H

FECHA DE REALIZACION: 01/12/2013

FECHA DE ENTREGA: 04/12/2013

PERIODO ACADEMICO 2013 – II

LIMA - 2013

OBJETIVOS:

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• Comprender qué es un espectro y su importancia en la investigación.

• Fabricar un espectroscopio casero para realizar nuestro estudio.

• Estudiar el espectro producido por determinas fuentes de luz.

• Conocer la composición química de dichas fuentes de luz.

FUNDAMENTO TEORICO:

PRINCIPIOS BASICOS

El Sol nos provee directa o indirectamente de la mayor parte de la energía que los seres vivos requerimos en el planeta Tierra. La manera directa nos llega en forma de luz o radiación: usada por ejemplo en los procesos fotosintéticos de las cadenas alimenticias y la manera indirecta a través de procesos que ocurrieron con luz y radiación hace mucho 7 tiempo: en la formación de enlaces químicos de materiales que se convirtieron en los actuales combustibles fósiles, o que están ocurriendo actualmente: por ejemplo en los fenómenos climáticos o fuentes alternativas de energía (ej. eólica, solar, hidroeléctrica). Nuestro objetivo es entender mejor los fenómenos referentes a la luz y la radiación, tal como la recibimos desde el Sol y los otros astros siderales y tal como la podemos producir aquí en la Tierra. La luz y radiación que hemos mencionado forman parte de un rango muy amplio, que no tiene límite inferior o superior, denominado el Espectro Electromagnético. (1). Dependiendo del fenómeno estudiado, el espectro electromagnético se puede considerar no como una serie de ondas sino como un haz o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:

Ε=hν

Donde Ε es la energía del fotón h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la onda.

Así mismo, considerando el espectro electromagnético como onda, la longitud de onda y la frecuencia de oscilación están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío): (2)

c= λν

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la radiación ultravioleta,

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la luz y la radiación infrarroja, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio, Figura 1. La luz es una muy pequeña porción de este espectro y comprende a las ondas electromagnéticas que están en el rango de longitudes de onda entre 380 nm y 750 nm.

FIGURA 1: ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

espectro color Longitud de onda

Violeta 380-450

Azul 450495

Verde 495570

Amarillo 570-590

Naranja 590-620

Rojo 620-750

TABLA 1: LONGITUDES DE ONDA VISIBLE

Fue Newton quien descubrió que la luz del Sol, al pasar por un prisma de vidrio, se descompone en luces con los colores del arco iris. La franja de luces de colores que se obtienen al separar la luz del Sol se denomina espectro solar.

Cualquier cuerpo puede emitir luz si está a una temperatura lo suficientemente alta, como ocurre con el filamento de una bombilla cuando es atravesada por una corriente eléctrica,

Figura 2. Los sólidos y líquidos emiten un espectro fundamentalmente continuo y similar al del Sol (contiene la misma distribución de colores y solo cambia la intensidad de cada uno de ellos). En cambio en estado gaseoso cada sustancia tiene un espectro característico que la identifica como si de un código de barras se tratara (una especie de “huella digital”), Figura 2 (observar que el espectro de emisión y el de absorción del mismo gas son complementarios). La espectrometría es una técnica que aprovecha esta circunstancia para conocer la composición de un material analizando la luz que desprende cuando se somete a incandescencia (es utilizada en astronomía para identificar los componentes de una estrella como el Sol). Figura 2: Con una red de difracción se puede descomponer la luz (es decir,

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obtener los espectros). En esta ilustración el gas caliente y el gas frío corresponden a la misma sustancia. (3)

FIGURA 2: ESPECTRO CONTINUO, DE EMISION Y ABSORCION

ORIGEN DE LOS ESPECTROS

Cuando la radiación interacciona con la materia, pueden ocurrir varios procesos como reflexión, dispersión, absorbancia, fluorescencia/fosforescencia (absorción y reemisión) y una reacción fotoquímica (absorbancia y rotura de enlaces). En general, cuando se miden espectros UV-visible, sólo es deseable que ocurra absorbancia. Como la luz es una forma de energía, la absorción de la luz por la materia causa que aumente el contenido de energía de las moléculas (o átomos). La energía potencial total de una molécula, generalmente se representa como la suma de sus energías electrónica, vibracional y rotacional:

E total Electrónica = + E vibracional + E rotacional

La cantidad de energía que una molécula posee en cada forma no es un continuo, sino una serie de niveles o estados discretos. Las diferencias de energía entre los diferentes estados siguen el orden:

E electrónica > E vibracional > E rotacional

En algunas moléculas y átomos, los fotones de luz UV y visible tienen suficiente energía para causar transiciones entre los diferentes niveles. La longitud de onda de la luz absorbida es aquella que tiene la energía requerida para mover un electrón desde un nivel de energía inferior a uno superior. La Figura 3 muestra un ejemplo de transiciones electrónicas en el formaldehído y las longitudes de onda de la luz que las causan.

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FIGURA 3: Transiciones electrónicas en el formaldehído

Estas transiciones deben resultar en bandas de absorbancia muy estrechas, a longitudes de onda características de la diferencia entre los niveles de energía de las especies absorbentes. Esto es cierto para los átomos, como se muestra en la Figura 4.

FIGURA 4: Transiciones electrónicas y espectros de los átomos

Sin embargo en las moléculas, los niveles de energía vibracional y rotacional están superpuestos sobre los niveles de energía electrónica. Como pueden ocurrirMuchas transiciones con diferentes energías, las bandas se ensanchan (Figura 5). El ensanchamiento es incluso mayor en las disoluciones, debido a las interacciones disolvente-soluto.

FIGURA 5: Transiciones electrónicas y espectros UV-visible en moléculas

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TRANSMITANCIA Y ABSORBANCIA

Cuando la luz atraviesa o se refleja en la muestra, la cantidad de luz absorbida es la diferencia entre la radiación incidente (Io) y la transmitida (I). La cantidad de luzAbsorbida se expresa como transmitancia o absorbancia. La transmitancia normalmente se da en términos de una fracción de 1 o como porcentaje, y se define como se indica a continuación:

T= I/ Io % T= I/ Io x100

La absorbancia se define:

A = – log T

Para la mayoría de las aplicaciones se utilizan valores de absorbancia, ya que la relación entre ésta y tanto la concentración como el paso óptico es, normalmente, lineal. (4)

USO ACTUAL EN EL CAMPO DE LA PETROQUIMICA

Desde el punto de vista industrial existe un gran interés en el desarrollo de metodologías analíticas que proporcionen gran cantidad de información, que está sea de calidad y que además lo haga en el menor tiempo posible. Está idea que es aplicable a cualquier proceso industrial, cobra especial relevancia en un sector como la industria petroquímica, en la que es habitual la monitorización y control de los procesos basándose en la información que proporciona el laboratorio de análisis.

Normalmente los métodos utilizados en estos laboratorios son métodos normalizados por organismos oficiales, específicos para cada propiedad o analito a determinar. Frecuentemente tienen ciertas características que los hacen poco eficaces en el entorno industrial, como puede ser un elevado tiempo de análisis o la manipulación intensiva de la muestra previa al análisis. Estás características hacen que sean técnicas poco adecuadas para un control en línea de los procesos industriales, tanto por la demora en obtener el resultado, como por que es técnicamente difícil acoplarlas a la línea de producción.

La espectroscopia de infrarrojo, tanto en la zona del infrarrojo medio como el infrarrojo cercano, resulta una técnica atractiva en el ámbito industrial porque:

a) Proporciona una información química muy versátil. La espectroscopia molecular, como consecuencia del tipo de transiciones propias de esta

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zona, aporta información de una gran cantidad de compuestos químicos. Esta propiedad, combinada a las técnicas multivariantes, permite considerar la determinación simultánea de más de un analito propiedad de interés a partir del espectro registrado de la muestra.

b) La obtención del espectro se basa se hace de una forma rápida y no es necesario un pre tratamiento de la muestra, lo que facilita el acoplamiento de esta técnica a línea de producción( análisis en línea) (5)

PROCEDIMIENTO

MATERIALES

-cartulina

-tijeras

-cinta aislante

-DVD

-regla

-cuchilla

CONSTRUCCION DEL DVD ESPECTROSCOPIO

El diseñó de del espectroscopio se muestra en la figura 1.el espectroscopio puede hacerse con una hoja de cartulina o una caja vacía tal como se muestra en la figura 1. La dimensión crítica es el ángulo de inserción de DVD de alrededor de 60 grados desde el plano inferior del espectroscopio. Un ejemplo del patrón de papel se puede copiar fácilmente en una hoja de notas tamaño. Una rendija de entrada, un puerto insertando el DVD, y una ventana de visión debe ser cortado. la anchura de la lista no es una crítica como en el espectroscopio de CD , pero una anchura de 0,5 mm está recomendado para conseguir una buena resolución. este patrón de papel también se puede utilizar para un espectroscopio cd si el puerto de inserción de CD se corta . En este caso, el ángulo de inserción para el CD se establece en alrededor de 50 grados.

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Una sola cara o doble dvds de una sola capa se pueden utilizar, por ejemplo, películas en DVD o DVD-ROM, sin embargo, no se pueden utilizar. Si el lado reflexivo del DVD es de color, se debe tener precaución cuando se ven los espectros como el lado reflexivo, en sí, tiene bandas de absorción intestinal.

Para reducir la luz parásita, se recomiendo que el DVD este cubierta con una máscara como se muestra en la Figura 3. Esté sencillo método mejora la calidad de los espectros.

Un DVD se inserta en la ranura de inserción hasta que la parte superior del DVD toca el borde interior de la caja debajo de la ventana de visualización. El lado reflexivo del DVD debe mirar la ventana de visualización.

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RESULTADOS EXPERIMENTALES

-Espectro discontinuo de mercurio -Espectro continuo de la pantalla de una pc

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CONCLUSIONES

• Mediante esta experiencia hemos podido comprobar que los espectros de

Emisión y absorción de un átomo son únicas, de forma que es posible identificar

La presencia o ausencia de un elemento concreto en una fuente luminosa a través

De su análisis espectral.

• Los astrónomos se sirven de este tipo de instrumentos ópticos para determinar la

Composición química del Universo.

• Este análisis de los espectros atómicos fue el que impulsó el desarrollo de los

Modelos atómicos hasta el modelo actual.

Bibliografíax

1. fontal b. el espectro electromagnetico y sus aplicacciones Química EVplEdl, editor. Merida; 2005.

2. Wikipedia la enciclopedia libre. [Online]. [cited 2013 diciembre 01/12/03. Available from: http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_electromagn%C3%A9tica.

3. Diego Luis Aristizábal Ramírez RRAyCARM. http://fisica.medellin.unal.edu.co. [Online].; 2012 [cited 2013 DICIEMBRE 01/12/2013. Available from: http://fisica.medellin.unal.edu.co/recursos/physicssensor/aplicaciones/fundamentos_espectroscopia_con_physicssensor.pdf.

4. owen t. Fundamentos de la espectroscopia UV- visible y moderna. primera ed. alemania: Copyright Agilent Technologies 2000; 2000.

5. aparicio sm. metodologia analitica basada en espectroscopia de infrarrojo y calibracion multivariante.Aplicacion a la industria petroquimica. tesis doctoral. tarragona: universitat rovira, quimica analitica-quimica organica; 2002.

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