RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y ESPECTROSCOPÍA

PROPIEDADES DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA La RE es una clase de energía. Se transmite en el espacio a enormes velocidades: 3 x 10-8 m/seg. La RE adopta muchas formas, las más conocidas son la luz y el calor radiante. Manifestaciones que son menos evidentes: radiaciones gamma, rayos-X, radiaciones ultravioleta, demicroondas y radiofrecuencias. No necesita un medio de apoyo para trasmitirse, por lo que se propaga en el vacío.

Muchas de las propiedades de la RE se describen adecuadamente si se le considera como una ONDA SINUOSOIDAL que posee parámetros tales como longitud de onda, frecuencia, amplitud y velocidad. Otras propiedades de la RE se explican mejor si se le considera como un flujo de partículas discretas o paquetes ondulatorios de energía llamados FOTONES. Este doble punto de vista de la RE como onda y como partícula no es mutuamente excluyente sino complementario.

ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN La RE se representa con componentes eléctricos y magnéticos, para los fines de estudio en este curso sólo se considerará el componente eléctrico de la RE, ya que el campo eléctrico es el responsable de la mayoría de los fenómenos que nos interesan por ahora: TRANSMISIÓN, REFLEXIÓN, REFRACCIÓN Y ABSORCIÓN. ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN Cuando la radiación pasa a través de una capa de un sólido, un líquido o un gas, es posible eliminar en forma selectiva ciertas frecuencias mediante absorción, un proceso en el cual la energía electromagnética se transfiere a los átomos, iones o moléculas que forman la muestra. La absorción impulsa a estas partículas desde su estado normal a temperatura ambiente, o estado fundamental, a uno o más estados excitados de energía superior.

De acuerdo con la Teoría Cuántica, los átomos, moléculas e iones tienen sólo una cantidad limitada de niveles energéticos discretos. Para que haya absorción de radiación, la energía del fotón excitador debe corresponder exactamente con la diferencia de energía entre el estado fundamental y uno de los estados excitados de la especie absorbente. Dado que estas diferencias de energía son únicas para cada especie, el estudio de las frecuencias de radiación absorbida proporciona un medio para caracterizar los constituyentes de una muestra de materia. Con este objetivo se determina en forma experimental una gráfica de absorbancia en función de la longitud de onda (λ) o de la frecuencia. LA ABSORBANCIA ES UNA MEDIDA DE LA DISMINUCIÓN DE LA POTENCIA RADIANTE y se define por medio de la ecuación: A = - log10 T = log Po/P

Los espectros de absorción varían ampliamente en apariencia Los espectros de absorción varían ampliamente en apariencia. Algunos contienen numerosos picos muy bien definidos, pero otros están constituidos por curvas continuas suaves. En general la naturaleza del espectro se ve influenciada por variables como la complejidad, el estado físico y el entorno de la especie absorbente. Sin embargo, son más marcadas las diferencias entre los espectros de absorción de los átomos y los de las moléculas.

MÉTODOS DE ABSORCIÓN Los métodos cuantitativos de absorción requieren de dos medidas de la potencia radiante, una antes de que el haz pase a través del medio que contiene el analito (Po) y otra después de que haya pasado el haz (P). Dos términos que se usan ampliamente en espectrometría por absorción y que se relacionan con el cociente de Po/P son la transmitancia y la absorbancia. La TRANSMITANCIA (T) del medio, es la fracción de la radiación incidente trasmitida por el medio: T = P/Po

% T = P/Po x 100 A = - log10 T = log Po/P Frecuentemente, la transmitancia se expresa como porcentaje: % T = P/Po x 100 La ABSORBANCIA de un medio, se define mediante la ecuación: A = - log10 T = log Po/P Puede observarse que al contrario que la transmitancia, la absorbancia de un medio aumenta cuando se incrementa la atenuación de un haz. LEY DE BEER En el caso de la radiación monocromática, la absorbancia es directamente proporcional a la longitud (b) de la trayectoria a través de un medio y la concentración (c) de la especie absorbente y se representa así:

A = abc En donde a es una constante de proporcionalidad llamada absortividad. La magnitud de (a) depende de las unidades de b y c. Para disoluciones de una especie absorbente, b se expresa con frecuencia en centímetros y c en gramos/Litro. Cuando la concentración c se expresa en moles/L y la longitud de la celda está en centímetros, la absortividad se llama absortividad molar y se representa con el símbolo especial ɛ. Por lo tanto, cuando b se expresa en cms. y c en moles por litro, se tiene: A = ɛbc

En la expresión anterior, las unidades de e son L/mol/cm. Las ecuaciones anteriores son expresiones de LA LEY DE BEER, la cuál sienta las bases del análisis cuantitativo tanto para las mediciones de la absorción atómica como de la absorción molecular.

ESPECIES ABSORBENTES La absorción de radiación UV o VIS por una Especie atómica o molecular M, se considera Un proceso en dos etapas, la 1era. de ellas Consiste en una excitación electrónica, como Se muestra en la ecuación: M + hv M* hv: fotón M*: especie electrónicamente excitada, su tiempo de vida es breve (10 a la menos 8 a 10-9 segundos), su existencia finaliza por uno de los mecanismos de relajación.

El tipo más común de relajación (2da El tipo más común de relajación (2da. Etapa) implica la conversión de la energía de excitación en calor. M* M + calor Es importante hacer notar que el tiempo de vida de M* es tan corto, que su concentración en cualquier momento generalmente es despreciable. También la cantidad de energía térmica desprendida es por lo general no detectable. De manera que las medidas de absorción provocan una perturbación mínima en el sistema de estudio, excepto cuando tiene lugar una descomposición fotoquímica.

TIPOS DE ELECTRONES ABSORBENTES Los electrones que contribuyen a la absorción en una molécula orgánica son: a. Los que contribuyen directamente en la formación del enlace entre átomos y que están por lo tanto, asociados a más de un átomo. b. Los electrones no enlazantes o externos que no participan en el enlace y que están localizados alrededor de átomos como el oxígeno, los halógenos, el azufre y el nitrógeno.

La absorción de radiación UV o VIS proviene principal-mente de la excitación de los ELECTRONES ENLAZANTES. Se distinguen tres tipos de transiciones electrónicas y de acuerdo con ellas se pueden clasificar las especies absorbentes: 1. Electrones , σ y n (iones y moléculas orgánicas y gran número de aniones inorgánicos) 2. Electrones d y f 3. Electrones de transferencia de carga Las moléculas de todos los COMPUESTOS ORGÁNICOS son capaces de absorber radiación electromagnética, dado que todas contienen electrones de valencia que pueden ser excitados a niveles superiores de energía.

TIPOS DE ELECTRONES ABSORBENTES - Los que participan directamente en la formación del enlace: ELECTRONES ENLAZANTES. Los que no participan del enlace: NO ENLAZANTES O EXTERNOS y que están localizados alrededor de átomos tales como el Oxígeno, los Halógenos, el Azufre y el Nitrógeno. En las estructuras moleculares, las zonas que están ocupadas por electrones enlazantes se denominan ORBITALES MOLECULARES. Los orbitales moleculares asociados a los enlaces sencillos (-), se designan como Orbitales sigma (σ). El enlace doble (=) en una molécula orgánica contiene dos tipos de orbitales moleculares: Un orbital sigma (σ) y un orbital pi ().

Además de los electrones σ y , muchos compuestos orgánicos contienen electrones no enlazantes, dichos electrones que no participan en el enlace, se designan por el símbolo n. MOLÉCULA DE FORMALDEHIDO: Observar los diferentes tipos de electrones que contiene.

De acuerdo con la figura anterior, son posibles 4 tipos de transiciones: σ σ* 125 – 135 nm Enlaces sencillos n n* 150 – 200 nm (onda corta) n * 200 - 700 nm Grupos CROMÓFOROS  * (onda larga) La primera de las transiciones mencionadas (σ – σ*) nunca se observa en la región del UV accesible ordinario. Los compuestos saturados que contienen átomos con pares de electrones que no participan del enlace (no enlazantes) son capaces de dar transiciones n – σ*, en general estas transiciones requieren menos energía que las del tipo σ – σ*. La mayoría de aplicaciones de la espectrofotometría de absorción a los compuestos orgánicos, se basa en transiciones de electrones n ó  al estado excitado *

Las energías que se requieren para los procesos que se han mencionado, conducen a la obtención de picos en una región espectral conveniente (200 a 700 nm). Las transiciones n ó  a * requieren de la presencia de un grupo funcional que suministre los orbitales . Entonces, a estos centros absorbentes insaturados se les denomina CROMÓFOROS. EFECTO DE LA POLARIDAD DE LOS DISOLVENTES SOBRE λ: Los picos (máximos) asociados a transiciones n - * se desplazan hacia longitudes de onda más cortas al aumentar la polaridad del solvente (desplazamiento hacia el azul, efecto hipsocrómico). La tendencia inversa (desplazamiento hacia longitudes de onda más largas) se observa en las transiciones - * (desplazamiento hacia el rojo, efecto batocrómico).

ABSORCIÓN POR SUSTANCIAS INORGÁNICAS Un cierto número de ANIONES INORGÁNICOS presenta máximos de absorción que son consecuencia de transiciones n - * Entre ellos: NITRATO 313 nm CARBONATO 217 nm NITRITO 280 y 360 nm AZIDA 230 nm TRITIO CARBONATO 500 nm La mayoría de los iones de los METALES d TRANSICIÓN absorben en la región UV o VIS del espectro E M, siendo los responsables de dichas absorciones los electrones 3d y 4d. También absorben sus complejos.

Los iones de la mayoría de los elementos LANTÁNIDOS Y ACTÍNIDOS absorben en las regiones UV y VIS del espectro electromagnético, los procesos de absorción resultan a partir de transiciones de los electrones 4f y 5f. Muchos complejos inorgánicos presentan absorción por TRANSFERENCIA DE CARGA y por lo tanto se les llama complejos de transferencia de carga. Para que dichos complejos presenten un espectro de transferencia de carga, es necesario que uno de sus componentes tenga características de DONADOR de electrones y el otro componente tenga propiedades de ACEPTOR de electrones, por ejemplo: Complejo fenólico de tiocianato de hierro (III) “ O-fenantrolina del hierro (II) “ yoduro de yodo molecular “ ferro/ferricianuro responsable del color azul de Prusia

SELECCIÓN Y EFECTO DEL USO DE DISTINTOS DISOLVENTES EN LA ABSORCIÓN UV-VIS La gran mayoría de los análisis con radiación UV o VIS necesitan que el o los analitos estén disueltos en un disolvente. La primera y más importante de las funciones del disolvente es SOLVATAR al analito para que se distribuya en forma homogénea en la disolución y por lo tanto en la trayectoria del rayo de radiación incidente. El disolvente más comúnmente elegido es el agua, sin embargo muchos compuestos orgánicos necesitan el uso de un disolvente aprótico, como la dimetilformamida (DMF). Debe tenerse en cuenta que el rayo de luz debe atravesar también el disolvente y éste nunca tiene transparencia óptica perfecta, pues en todos los casos tienen sus propias absorciones. Por consiguiente es de crucial importancia elegir un disolvente que permita la absorción óptima del rayo de luz dentro de la región de longitudes de onda de interés del analito en cuestión. De la misma forma es muy importante utilizar disolventes de alta pureza, evitando los de grado industrial, pues contienen impurezas que pueden absorber en la λ de interés (HPLC).

DISOLVENTE Longitud de onda (λ) mínima de trabajo. (Debajo de ella, no debe usarse el disolvente) agua 200 etanol 220 éter dietílico 210 acetonitrilo 185 hexano 200 ciclohexano 200 benceno 280 tetracloruro de carbono 260 dioxano 320

LIMITACIONES DE LA LEY DE BEER Se ha observado que muchas muestras siguen la ley de Beer, esto es que la absorción de la muestra aumenta en forma lineal con la concentración del analito. Algunas veces la absorción de la muestra no aumenta en forma lineal al incrementar la concentración del analito y esto puede deberse a desviaciones de dicha ley. DESVIACIONES REALES la ley mencionada es una ley límite, ya que sólo describe bien el comportamiento de absorción en las soluciones diluidas, pues funciona para concentraciones menores de 0.01M. En concentraciones elevadas (>0.01M) la distancia promedio entre las especies responsables de la absorción disminuyen hasta el punto en que cada una afecta a la distribución de carga de sus vecinas.

DESVIACIONES QUÍMICAS: Se producen cuando un analito se disocia, se asocia o reacciona con un disolvente dando un espectro de absorción diferente que el del analito en estudio. DESVIACIONES INSTRUMENTALES: El estricto cumplimiento de la ley de Beer se observa sólo cuando la radiación empleada es MONOCROMÁTICA

Medición de la ABSORBANCIA Tal como se define en la ecuación A= - log10 T = log Po/P NO SE PUEDE MEDIR EN EL LABORATORIO, pues la solución del analito debe colocarse en un recipiente o cubeta transparente:

A = log P disolvente/P solución ~ log Po/P Como se observa en la figura anterior, se produce reflexión en las dos interfases aire/pared, así como también en las dos interfases pared/solución. Además puede producirse atenuación del haz por la dispersión debida a moléculas grandes y a veces porque lo absorben las paredes del recipiente. Para compensar estos efectos, la potencia del haz transmitido por la solución del analito, se suele comparar con la potencia del haz transmitido por una celda idéntica que contiene sólo disolvente, de manera que la absorbancia experimental se puede medir con la ecuación: A = log P disolvente/P solución ~ log Po/P Que se aproxima estrechamente a la absorbancia verdadera

COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS Fuentes energía radiante Selectores de longitud de onda Recipientes para la muestra - Transductores de radiación Procesadores de señal y dispositivos de lectura

FUENTES DE RADIACIÓN Deben generar un haz de radiación con potencia suficiente para que se detecte y mida con facilidad. Además su potencia de salida debe ser estable durante períodos de tiempo razonables. Las fuentes que se han usado en Espectroscopía de Absorción, se denominan Fuentes continuas, las cuáles emiten radiación cuya intensidad cambia sólo lentamente en función de la longitud de onda: Para la Región UV: Lámparas de DEUTERIO e HIDRÓGENO, para la región VIS: Lámparas de filamento de TUNGSTENO. Modernamente se usan también Fuentes de líneas, que emiten una cantidad limitada de líneas o bandas de radiación: DIODOS SEMICONDUCTORES DE RAYO LÁSER, útiles para las Regiones UV, VIS e IR cercano

RECIPIENTES PARA LA MUESTRA Deben fabricarse con un material a través del cuál pase la radiación de la región espectral de interés, o sea, que deben ser fabricadas con un material transparente en la región espectral de interés. Región UV – Cuarzo o Sílice fundida Región VIS- Vidrio de silicato o de plástico La calidad de las medidas de absorbancia depende en gran medida del uso y mantenimiento que se haga de las celdas o cubetas. Las huellas dactilares, la grasa u otros materiales alteran las características de la medición, por lo que es indispensable una limpieza completa antes y después de usarlas.

SELECTORES DE LONGITUD DE ONDA O MONOCROMADORES La mayor parte de los análisis espectroscópicos requiere radiación que consista de un grupo de longitudes de onda continuas, limitadas y angostas, llamadas BANDA. Un ancho de banda angosto intensifica la sensibilidad de las medidas de absorbancia, proporciona selectividad para los métodos de absorción y de emisión y se requiere para obtener una relación lineal entre la señal óptica y la concentración. Existen dos tipos de selectores de longitud de onda: FILTROS Y MONOCROMADORES

FILTROS: Filtros de interferencia, cuñas de interferencia, filtros holográficos, filtros de absorción. MONOCROMADORES: Dispositivos diseñados para efectuar barridos que son una variación continua de la longitud de onda de la radiación en un intervalo amplio. La mayoría de monocromadores se basan en redes de reflexión que proporcionan mejor separación de las longitudes de onda para un mismo tamaño de elemento dispersante y dispersan linealmente la radiación.

MECANISMOS DE DIFRACCIÓN DE UNA RED TIPO ESCALERILLA

TRANSDUCTORES (O DETECTORES) DE RADIACIÓN Los detectores para los primeros instrumentos espectroscópicos eran el ojo humano o una placa de película fotográfica. Los transductores que convierten la energía radiante en una señal eléctrica han remplazado casi por completo a estos dispositivos de detección. Las propiedades de un transductor ideal incluyen: Alta sensibilidad, alta relación señal/ruido, respuesta constante a un amplio intervalo de longitudes de onda, tiempo de respuesta rápido, señal de salida cero si no hay iluminación y su señal eléctrica debe ser proporcional a la potencia radiante P. Tipos de Transductores de Radiación: Transductores de fotones o fotoeléctricos y Transductores térmicos.

TRANSDUCTORES DE FOTONES (UV, VIS, NIR) Celdas fotovoltaicas Fototubos Tubos fotomultiplicadores Transductores de fotoconductividad Fotodiodos de silicio Transductores de transferencia de carga TRANSDUCTORES TÉRMICOS (IR) Termopares Bolómetros Transductores piroeléctricos

PROCESADORES DE SEÑALES Y SISTEMAS DE LECTURA Son dispositivos electrónicos que amplifican la señal eléctrica proveniente del detector, además pueden cambiar la señal de cd (corriente directa) en ca (corriente alterna) o a la inversa, cambiar la fase de la señal o filtrarla para eliminar componentes indeseables. Además ejecutan operaciones matemáticas con la señal, tales como derivación, integración o conversión a un logaritmo. Entre los dispositivos que despliegan la información en los instrumentos modernos se mencionan: Medidor de D´Arsonval, medidores digitales, registradores, tubos de rayos catódicos, paneles de pantallas de cristal líquido y pantallas de computadora.

La medición de la señal puede efectuarse por CONTEO DE FOTONES, o por medio de SENSORES DE FIBRA ÓPTICA.

Fotómetro de un solo haz, para medir absorción en la región VIS:

SPECTRONIC 20