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La espectroscopia es el estudio del espectro de la luz que emiten los cuerpos, sustancias y elementos.

De este estudio se puede conocer la composicin, temperatura, densidad, velocidad de desplazamiento y otros factores que les son propios y componen a estos cuerpos, sustancias o elementos ESPECTROSCOPA

Colorimetra y Espectrofotometra como procedimientos analticos *Distribucin de la luz en el espectrofotmetro

Colorimetra y Espectrofotometra como procedimientos analticosFotocolormetroESPECROFOTMETRO Curva Patrn

Referencias e Imgenes

COLORESQu es longitud de onda?

El razonamiento para el proceso de determinacin de una concentracin desconocida es:A partir de concentraciones conocidas de las cuales tambin se sabe su absorbancia (curva patrn), es posible interpolar (intercalar) la concentracin del problema sabiendo su absorbancia (lnea roja en figura siguiente)Curva Patrn

Albert Einstein desarroll en 1905 la teora de que la luz estaba compuesta de unas partculas denominadas fotones, cuya energa era inversamente proporcional a la longitud de onda de la luz.

Foton123

o los fundamentos de la interrelacin de la luz que se absorbe y la que se transmite

Las leyes de Lambert y Beer *

Efecto de la emisin electromagntica

ESPECTROFOTOMETRA

La naturaleza corpuscular de la luz se observa en fotos de objetos iluminados muy dbilmente. La imagen se forma punto a punto, y muestra que la luz llega a la pelcula fotogrfica por unidades separadas que los producen.

AbsorcinAbsorbitividad*

En estas imgenes se puede apreciar, debido a la toma fotogrfica los elementos puntuales que apoyan a esta teora

Los seres humanos (y algunos animales) apreciamos una amplia gama de colores que, por lo general, se deben a la mezcla de luces de diferentes longitudes de onda. Se conoce como color puro al color de la luz con una nica longitud de onda o una banda estrecha de ellas.

COLORESCuanto ms larga la longitud de onda de la luz visible tanto ms rojo el color. Asimismo las longitudes de onda corta estn en la zona violeta del espectro.

COLORES

***As todos los elementos existentes poseen un espectro COLORESHay varios tipos de espectros, los ms comunes son los espectros continuos, espectros de emisin y los espectros de absorcin. Si es colocado frente al espectroscopio se podr ver, un elemento:En situaciones en las que se le somete altas temperaturas y presiones y no se presentan lneas obscuras se trata de un espectro continuo.En situaciones normales y se observan unas lneas de colores frente a un fondo negro, se trata de un espectro de emisin. Y por ltimo si sucede la primer situacin y entre el elemento afectado y el espectroscopio se coloca un elemento a menor temperatura que el primero, se obtiene el espectro de absorcinCOLORES

COLORESLa luz blanca produce al descomponerla lo que se llama un espectro continuo, que contiene el conjunto de colores que corresponde a la gama de longitudes de onda que la integran.

COLORES**Para ver espectros de la tabla peridica buscar en esta pgina http://site.ifrance.com/okapi/quimica.htm **

Todos los elementos poseen un espectro propio, que se puede medir al someterse a temperaturas elevadas ya que producen espectros discontinuos .COLORES

ONDA

La distancia entre dos picos (o dos valles) de una onda se llama longitud de onda ( = lambda).

CARACTERSTICAS DE LAS ONDAS

nodo

La longitud y la frecuencia de onda son inversamente proporcionales y se relacionan mediante la siguiente ecuacin

La luz visible es slo una pequea parte del espectro electromagntico con longitudes de onda que van aproximadamente de 350 nanmetros hasta unos 750 nanmetros

.Luz visible350 nm750 nmU.V.XGAMMAInfrarrojo Microondas Radio

La luz blanca est compuesta de ondas de diversas frecuencias. Cuando un rayo de luz blanca pasa por un prisma se separa en sus componentes de acuerdo a la longitud de onda

As la luz blanca es una mezcla de todas las longitudes de onda visibles. En el espectro visible, las diferencias en longitud de onda se manifiestan como diferencias de color.

La distribucin de los colores se determina por la longitud de onda de cada uno de ellos.

Longitud de Onda

UltravioletaLuz visibleInfrarrojo102 -104 ~ 104104-107Las longitudes de onda mas largas que las del rojo se les conoce como infrarrojas y las mas cortas que el violeta, ultravioletas.

Frecuencia naturalCualquier objeto oscilante tiene una 'frecuencia natural', (vibracin en ausencia de perturbacin).

frecuencia es el Nmero de vibraciones por segundoAs Frecuencia, es nmero de veces que la onda se repite por segundo.La Frecuencia se mide en Hertz (Hz)

Quin es HERTZ?HEINRICH HERTZ (1857-1894), Investigador alemn que construy un dispositivo para generar y detectar en un laboratorio ondas electromagnticas, demostrando su existencia as como, se reflejan estas ondas, se refractan y se comportan como las ondas de luz

Estim que la frecuencia f de la onda era de alrededor de 3 x 107 Hz. Y determin que su longitud l era de 10 m. Con estos valores estableci que la velocidad v de la onda es

v = f l = (3 X 107 Hz) X (10 m)

= 3 X 108 m/s = 300 000 km/s

o sea, la velocidad de la luz.

1 Hz (o hercio) es igual a 1 ciclo u oscilacin por segundo. (1 Hertz = 1 ciclo/seg)

Un kilohercio (kHz) = mil de ciclos por segundo

Un megahercio (MHz) = un millon de ciclos por segundo

Un gigahercio (GHz) = mil millones de ciclos por segundo

Un pndulo de 1 m de longitud presenta una frecuencia de 0,5 Hz, es decir que el pndulo va y vuelve una vez cada 2 segundos.

Como la luz viaja a una velocidad de3 x 108 m/s Frec = Vel / lFreclimite luz visible = 3x108 (m/s) / 10-6 (m)= 3x1014 HzEs decir: 300 000 000 000 ciclos por segundo

Relacin entre Medidas en valores Hertz y Metros

Las ondas electromagnticas de frecuencias extremadamente elevadas, como la luz o los rayos X, suelen describirse mediante sus longitudes de onda, que frecuentemente se expresan en nanmetros. Un ejemplo es: Una onda electromagntica con una longitud de onda de 1 nm tiene, aproximadamente una frecuencia de 300 millones de GHz.

1m0.001 mm10-6 mnm = mm0.001m10-9 m10.0001m = 0.1 nm10-10 mAlgunas equivalencias

Comparacin de las mediciones de las longitudes de onda con la luz visible.

El color de un cuerpo depende de la luz que recibe, refleja o transmite. Por ejemplo, el color rojo se d cuando absorbe en casi su totalidad, todas las radiaciones menos las rojas, las cuales refleja o deja pasar dependiendo su estructura (slida o transparente).

Con base a lo anterior se puede entender que existe una relacin inversa entre la longitud de onda y la energa del fotn correspondiente.La energa UV es mayor que, cualquier color del espectro visible. Sin embargo los rayos X son ms energticos que la luz UV, como se puede apreciar por su longitud de onda.

Entonces, las energas en el rango ultravioleta-visible excitan los electrones a niveles de energa superiores dentro de las molculas y las energas infrarrojas provocan solo vibraciones moleculares

El color percibido de una solucin depende de la combinacin de colores complementarios que la atraviesan

Proceso de Absorcin

La energa de excitacin a una molcula proveniente de un fotn durante el proceso de absorcin se representa as:

A + hn A* A + calor donde:A es el absorbente en su estado de energa bajo, A* es el absorbente en su nuevo estado de excitacin energtica hn representan a la constante de Planck y la frecuencia respectivamente

La energa del fotn incidente posee una longitud de onda (l) A* es inestable y rpidamente revierte a su estado energtico ms bajo, perdiendo as la energa trmica correspondiente. La absorcin de determinadas longitudes de onda depende de la estructura de la molcula absorbente (absortividad, a)

Luz incidente (I0) Luz absorbida Luz emergente (I) Longitud del medio absorbente o ancho de la celdaI0c = concentracin (nmero de partculas por cm3)Ia = absortividadCuando un rayo de luz monocromtica con una intensidad I0 pasa a travs de una solucin, parte de la luz es absorbida resultando que la luz emergente I es menor que I0 ba

Absortividad (a)

a es una constante de proporcionalidad que comprende las caractersticas qumicas de cada compuesto, o molcula y su magnitud depende de las unidades utilizadas para b y c.

Cuando se expresa la concentracin en moles por litro y la trayectoria a travs de la celda en centmetros, la absortividad se denomina absortividad molar y se representa con el smbolo . En consecuencia cuando b se expresa en centmetros y c en moles por litro. A = bcDonde A representa la absorbancia del compuesto

Ley de Lambert: cuando un rayo de luz monocromtica (I0) pasa a travs de un medio absorbente, su intensidad disminuye exponencialmente (I) a medida que la longitud del medio absorbente aumentaI = I0e-ab 1 cm. 2 cm. 3 cm.I0II0I0IIAncho de la celdaLey de Beer: Cuando un rayo de luz monocromtica pasa a travs de un medio absorbente, su intensidad disminuye exponencialmente a medida que la concentracin del medio absorbente aumenta I = I0e-acI0I0I0III

Lo que significa que combinando ambas leyes se crea la Ley de Beer-Lambert donde la fraccin de luz incidente que es absorbida por una solucin es proporcional a la concentracin de soluto y al espesor de la sustancia atravesada por la luz. La relacin entre la luz incidente (I0) y la reflejada (I) dar una idea de la cantidad de radiacin que ha sido absorbida por la muestra. Ley de lambert Beer:

I = I0e-abc

Si despejamos: I/I0 = e-abcAl cociente de las intensidades se denomina TransmitanciaT = I/I0 = e-abcSacando logaritmos: Loge I/I0 = abc

Convirtiendo a log10: Log10 I/I0 = 2.303 abc Log10 I/I0 = abc Absorbancia = Log10 I/I0 = abcLa Transmitancia (T) es la relacin entre la intensidad de luz transmitida por una muestra problema (I) con la intensidad de luz incidente sobre la muestra (I0):

T = I / I0

Se expresa como % TLa absorbancia es directamente proporcional a la longitud del recorrido b a travs de la solucin y la concentracin c del color absorbente. Estas relaciones se dan como:

A = abc

A menudo b es dada en trminos de cm. y c en gramos por litro, entonces la absortividad tiene unidades de lg1cm1.

I0ILUZ A B S O R B I D ALuz transmitidaQu relacin guardan la transmitancia y la absorbancia?De acuerdo a las caractersticas de la sustancia analizada, la luz que no se absorbe atraviesa la solucinT = I/I0Por lo tanto la absorbancia es reciproca de la transmitanciaAbsorbancia contra concentracin (comportamiento lineal)% Transmitancia contra concentracin (pendiente con signo negativo y comportamiento exponencial)ConcentracinAbsorbanciaConcentracin% TransmitanciaDe lo anterior se desprende que la Absorbancia (A) o luz que es absorbida por la muestra es igual al logaritmo en base diez del recproco de la transmitancia (T) o bien al -log10 de la transmitancia, en el que el disolvente puro o (blanco) es el material de referencia; esto es:

A = log10 1/T = log101- log10 T = 0 log10 T = log10 T mgAAbsorbanciaLa representacin grfica correspondiente a absorbancia y transmitancia en un gradiente de concentraciones es la siguiente:

Concentracin bcObtencin de TRANSMITANCIA utilizando valores de AbsorbanciaCon base en la relacin: T = 10-abc y considerando que T se menciona en porcentaje (%)%T = 10-abc x 100. Aplicando logaritmos a la expresin anterior log10 %T = -abc log 10 10 + log10 100Invirtiendo trminoslog %T = log10 100 -abc log 10 10 = 2 abc * 1log10 %T = 2 abc Como abc = Absorbancia = Alog10 %T = 2 A.Se le llama espectrofotometra a la medicin de la cantidad de energa radiante que absorbe un conjunto de elementos o un elemento en su estado puro, en funcin de la longitud de onda de la radiacin lumnica y a las mediciones a una determinada longitud de onda.

* Arco iris en Marte

Cmo se puede medir la radiacin que emiten o absorben los cuerpos?. Un aparato capaz de obtener el espectro de una radiacin, es decir, de separar la radiacin en sus componentes, se llama un espectroscopio. Si el aparato es capaz de fotografiarla se llama un espectrgrafo, y Si es capaz de medirla diremos que se trata de un espectrmetro. Cuando es capaz de medir tambin la intensidad de la radiacin, se llama espectrofotmetro.

Espectroscopio

1817

Espectgrafo

EspectmetroImagen de Marte vista con ayuda de espectmetro de rayos Gamma

De fluorescencia

De Emisin pticaPara metales

Las tcnicas colorimtricas se fundamentan con la medicin de la absorcin de radiacin visible por sustancias coloreadas.

Sin embargo, cuando una muestra a determinar no posee coloracin, es necesario llevar a cabo un tratamiento de color empleando substancias que que reaccionen de forma proporcional con el compuesto de intersLas diferentes sustancias se analizan mediante reacciones coloreadas. Cuanto mayor es la concentracin de la sustancia a analizar mayor es el color de la reaccin.

Tambin es posible que la muestra pueda ser leda cuando su espectro de absorcin se encuentra en las regiones no visibles del espectro, como las referentes a las regiones de UV o Infrarroja

Casiopea A: ecos de luz en infrarrojo

Orbitas de TITAN

Visn de las abejasLa diferencia entre colorimetra y espectrofotometra consiste en el tipo de instrumental empleado:

El colormetro es un aparato en los que la longitud de onda se selecciona por medio de filtros pticos que son insertados en este.

En el espectrofotmetro la longitud de onda es seleccionada mediante dispositivos monocromadores los cuales estn integrados a la mquina.

Algunos de los procedimientos colorimtricos o espectrofotomtricos con los que se cuenta para precisar la concentracin de una sustancia en solucin son los siguientes:Referencia de colorEspectrofotmetro

ESPECTROFOTMETROUn espectrofotmetro es un instrumento que descompone un haz de luz (haz de radiacin electromagntico), separndolo en bandas de longitudes de onda especficas, formando un espectro atravesado por numerosas lneas oscuras y claras, semejante a un cdigo de barras del objeto, con el propsito de identificar, calificar y cuantificar su energa

Espectrofotmetro Mecanismo Interno

Met.Cient. I

COLORLONGITUD DE ONDA (l)Rojo (R)700 nmVerde (G)546.1 nmAzul (B)435.8 nm

Porque leer a diferentes l (longitudes de onda) compuestos parecidos pero diferentes?Es usual que al seguir una receta para la determinacin de la concentracin de un compuesto en particular se indica una longitud de onda (l) especfica a la que hay que leer con el colormetro o espectrofotmetro. La explicacin radica en el hecho de que cada producto qumico se caracteriza por zonas del espectro visible o no visible en el cual absorbe con mayor o menor intensidad conformando en su conjunto el espectro de absorcin de tal sustancia.Cada compuesto (de complejo a simple) presenta un espectro de absorcin caracterstico

Las longitudes de onda con mayor absorcin (picos) correspondern de forma general a aquellas con las que se leer la muestra para determinar su concentracin

La relacin entre la absorbancia por una sustancia a una l determinada y su concentracin es directamente proporcional es decir: a mayor concentracin mayor proporcin de luz absorbida.

AbsorbanciaConc.lAbsorbancialAbsorbanciaAs, el espectro de absorcin de la clorofila es:

Espectro de Absorcin (lnea contnua) y Espectro de Transmisin (lnea discontnua).

Colorante comn, la Rodamina 6G en Metanol..

celda de 5uL

La muestra se coloca en una cubeta* de forma prismticaSe asume que el tubo, celda o cubeta en la cual se vierte la solucin a leer no debe desviar la trayectoria de la luz como requisito para el cumplimiento de la ley de Beer

Como el cuarzo aparte de ser muy transparente presenta un comportamiento constante ante la variacin de la longitud de onda es comn que las celdas del espectrofotmetro o colormetro sean de este material .

ABS0RBANCIAInterpolacinAbsorbancia del problemaCon base en que la Absorbancia guarda una relacin lineal con la concentracin, se comprende la existencia de una relacin de proporcionalidad entre la Absorbancia y la concentracin:

A1 / A2 = C1 / C2 Donde:A1 = Absorbancia del problema.A2 = Absorbancia de un estndar de concentracin conocida.C1 = Concentracin del problema.C2 = Concentracin del estndar.

Si despejamos C1 = Conc del problema A1 (problema) * Conc estndarConc. (problema) = A2 (estndar)Un aspecto importante de la evaluacin espectrofotomtrica, es que muchas molculas orgnicas no absorben en el intervalo del espectro visible sino en el rango de longitudes de onda acordes al ultravioleta o al infrarrojoPor lo que es comn, actualmente, que la mayora de los espectrofotmetros, actuales, se encuentren provistos con lo necesario para leer en de tales intervalosAs, los grupos carbonilo presentes en los aldehdos (RCHO), cetonas (RCOR), cidos carboxlicos (RCOOH), l steres (RCOOR) y amidas (RCONHR) dan lugar a absorciones intensas en la regin del espectro de infrarrojo situada entre 1780-1640 cm-1.

Absorciones mximas (picos de absorcin) de algunos compuestos que absorben en la regin ultravioleta:

Grupos funcionales cuyos picos de absorcin se localizan en la regin del infrarojoCUIDADOSLas muestras no deben tener burbujas, encontrarse turbias o con precipitados.El volumen de la muestra en la cubeta, no debe ser excesivo para evitar que se desborde, en caso de que sucediera, se debe limpiar con un pao limpio o papel absorbente suave, para evitar rayarla. La cubeta se sujeta por los lados opacos.La cantidad a adicionar es, mximo, hasta partes de la cubetaNo se deben derramar lquidos, sobre todo solventes, cidos o lcalis; dentro del contenedor de la cubeta, se puede daar parte del mecanismoSe debe mantener, el espectrofotmetro, limpio y libre de humedad.Grfico100.1120.2340.3450.4580.559

AbsorbanciaConcentracin mg/ltCURVA PATRN

Hoja1Concentracin mg/lt0246810Absorbancia00.1120.2340.3450.4580.559

Hoja2

Hoja3