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INTRODUCCIÓN:
La interacción entre las ondas electromagnéticas y la materia de la región UV-visible
es el campo de estudio de la espectroscopia UV-visibles o espectrofotometría. Esta
basada en la relación que presenta un haz de luz incidente en la muestra y el haz de
luz que pasa por la solución.
Su estudio se basa en que la cantidad de luz absorbida por la materia presente en la
solución es característica del compuesto. La respuesta de dicho componente es
función de las características del haz de luz incidente en la muestra, lo que permite
determinar la respuesta en función de la calidad del haz proporcionado. Dicho conjunto
de respuesta en el rango de longitud de onda de la gama UV-visible se denomina
espectro de absorción; dicha respuesta es característica de cada compuesto.
OBJETIVO:
Determinar el aspecto que presenta el espectro de absorción de un colorante.
Comparar el aspecto de un colorante y el de una sal colorida.
Familiarizarse con la utilización y manejo de un espectrómetro UV- visible.
ANTECEDENTES
Espectro de absorción
La espectroscopia de absorción es la medida de la cantidad de luz absorbida por un
compuesto en función de la longitud de onda de la luz. En general, e irradia una
muestra con una fuente de luz y se mide la cantidad de luz transmitida a varias
longitudes de onda, utilizando un detector y registrando el fenómeno en un gráfico. Al
contrario que en los ensayos químicos, la mayoría de las técnicas espectroscópicas no
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son destructivas, es decir, no destruyen las muestras durante el análisis; se pueden
realizar diferentes tipos de espectros sin pérdida o perdiendo muy poco de muestra.
Cuando un sólido incandescente se halla rodeado por un gas más frío, el espectro
resultante presenta un fondo continuo interrumpido por espacios oscuros denominados
«líneas de absorción» que ocurren porque el gas ha absorbido de la luz aquellos
colores que éste irradia por sí mismo. Pero también se da el caso que en la naturaleza
cohabitan cuerpos que absorben radiación emitida por otros, eliminando del espectro
de radiación que reciben aquellas bandas absorbidas, las cuales quedan de color
negro. A esas bandas, se les suele llamar «rayas negras» o simplemente «rayas»
espectrales.
Por otra parte, suele ocurrir que unos cuerpo absorben sólo la radiación de unas
determinadas longitudes de onda y no aceptan absorber otras de otras longitudes, por
lo que cada cuerpo, cada elemento químico en la práctica, tiene su propio espectro de
absorción, el cual se corresponde con su espectro de emisión, al igual como si fuera el
negativo con el positivo de una película.
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Un liviano, transparente y caliente gas en frente de una fuente productora de
radiaciones espectrales, especialmente de características continuas, genera un
espectro de absorción, el cual se distingue por una serie de líneas espectrales oscuras
entre los colores brillantes del espectro continuo. En el gráfico de la figura se grafica la
intensidad lumínica versus la longitud de onda (visuales) contrastada con las líneas
espectrales sustraídas del resto de la luz.
En el caso de una estrella, cuando la luz del caliente y energético interior de ella
atraviesa la más fría y menos energética atmósfera exterior, alguno de los fotones son
absorbidos por electrones, que saltan a niveles concretos de energía. Muchas de tales
interacciones crean bandas oscuras en el espectro continuo con longitudes de onda
que corresponden con los intervalos entre pares de niveles energéticos.
Espectro electromagnético
Es el intervalo de todas las frecuencias posibles, desde cero hasta el infinito. En la
práctica, en el espectro se representan desde loas bajas frecuencias de radio
utilizadas en las comunicaciones con submarinos hasta las altas frecuencias de los
rayos gamma. El espectro electromagnético es continuo.
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Todas las radiaciones electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz
(aproximadamente 3 x 1010cm/s, en el vacío), pero difieren en la frecuencia y en la
longitud de onda.
Onda electromagnética
Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación
electromagnética a través del espacio. En la naturaleza, las fuerzas eléctricas se
originan de dos formas: Primero está la atracción o la repulsión eléctricas entre las
cargas eléctricas (+) y (-).
Las ondas electromagnéticas siguen una trayectoria rectilínea y su velocidad es
constante en cada medio específico. Al pasar de un medio a otro la única
característica que permanece constante es la frecuencia. La velocidad varía para cada
longitud de onda. La frecuencia y la longitud de onda se relacionan según la siguiente
expresión matemática: Longitud de onda = C x T = C / f
Donde es la longitud de onda, C es la velocidad de la luz en el vacío, T el periodo y "f"
la frecuencia.
La frecuencia de una onda es el número de ondas que pasan por un punto fijo cada
segundo o el número de vibraciones por unidad de tiempo; se representa por la letra
griega (>un<), y generalmente se mide en hertzios (Hz) o ciclos por segundo. La
longitud de onda, representada por la letra griega (>lambda<), es la distancia entre
dos picos (o dos valles) de una onda. La longitud de onda es una distancia y por lo
tanto su unidad de medida es el metro. Como la luz es una radiación electromagnética
que tiene unas longitudes de onda muy pequeñas se usan submúltiplos del metro,
como son el Ángstrom (Å) que es la diezmilmillonésima de metro (1x10 -8m) y el
Nanómetro (nm) que es la milmillonésima de metro (1x10-9m).
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La longitud de onda y la frecuencia, las cuales son inversamente proporcionales, están
relacionadas por la ecuación:
o
c = velocidad de la luz (3x1010 cm/s)
Donde: = frecuencia de hertzios
= longitud de onda en cm.
Las ondas electromagnéticas viajan como los fotones, corpúsculos de energía
carentes de masa. La energía de un fotón es proporcional a su frecuencia e
inversamente proporcional a su longitud de onda. Un fotón de frecuencia tiene una
energía dada por:
Donde h es la constante de Planck: 1.58x10-37 Kcal. /s o 6.62x10-37
kJ/s.
En ciertas condiciones, una molécula puede absorber la energía de un fotón que ha
chocado sobre ella. En este caso, la energía de la molécula aumenta una cantidad
igual a la energía del fotón hv. Por esta razón, la irradiación de una mezcla de reacción
se suele representar por el símbolo hv.
Los rayos X son tan energéticos que excitan a los electrones hacia todos los niveles
de energía, produciendo ionización. El ultravioleta-visible excita a los electrones a
niveles de energía más altos dentro de las moléculas. Las energías de infrarrojo
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producen vibraciones moleculares y las energías de microondas producen rotaciones.
Las frecuencias de onda de radio (energía muy baja) producen transiciones de espín
nuclear que se observan en la espectroscopia RMN.
Otras ondas electromagnéticas:
La naturaleza de onda de la luz origina que los diferentes colores se reflejen de forma
diferente por una superficie, generando finas rayas paralelas [a esto se debe el que un
disco compacto láser (para uso musical o para ordenador) brille en todos los colores
del arco iris]. Las filas ordenadas de los átomos en un cristal también forman líneas
paralelas pero mucho menos espaciadas y resultan tener el mismo efecto sobre los
rayos X, mostrando que los rayos X, al igual que la luz, también son ondas
electromagnéticas, pero con una longitud de onda mucho más corta.
Se encontró posteriormente que los haces de electrones en un campo magnético,
dentro de un tubo de vacío, podían hacerse inestables y emitir ondas más largas que
la luz: el tubo magnetrón donde ocurría esto fue un dispositivo de radar de alto secreto
durante la II Guerra Mundial e hizo posible posteriormente la fabricación del horno
microondas.
Las ondas electromagnéticas lideran la radio y la televisión y la enorme industria
electrónica. Pero también se generan en el espacio (por rayos de electrones inestables
en la magnetosfera, así como en el Sol y en el universo remoto, informándonos sobre
las partículas magnéticas del distante espacio).
Las ondas, o 'disturbios', se dan en un medio invisible llamado el campo de fuerza
eléctrico (que utiliza partículas cargadas, como los electrones (-) y los protones (+) que
se afectan y hacen mover entre sí); sin estas partículas cargadas no puede haber
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campos de fuerza eléctrica y por tanto no hay ondas electromagnéticas. Por lo tanto,
los campos magnéticos podrían producir corrientes eléctricas y las corrientes
eléctricas producen campos magnéticos.
Espectrofotómetro
Un espectrofotómetro es un instrumento usado en la física óptica que sirve para medir,
en función de la longitud de onda, la relación entre valores de una misma magnitud
fotométrica relativos a dos haces de radiaciones. También es utilizado en los
laboratorios de química para la cuantificación de sustancias y microorganismos. Hay
varios tipos de espectrofotómetros, puede ser de absorción atómica o
espectrofotómetro de masa.
Región UV-visible:
La espectroscopia visible es una de las técnicas más ampliamente y más
frecuentemente empleadas en el análisis químico; Para que una sustancia sea activa
en el visible debe ser colorida: el que una sustancia tenga color, es debido a que
absorbe ciertas frecuencias o longitudes de onda del espectro visible y transmite otras
más. Por ejemplo: una solución es amarilla debido a que dentro de la región visible
absorbe radiación en el rango de 435 a 480 nm. En este rango de longitud de onda se
encuentra el color azul del visible, por lo que este compuesto absorbe el color azul y
transmite los colores complementarios que dan origen al color amarillo de la solución
mencionada.
La absorción y transmisión de las longitudes de onda de la región visible de esta parte
del espectro no es la misma en substancias que den diferentes tonalidades de
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amarillo, por lo que podemos tener una gama diferente de tonalidades como: amarillo
canario, amarillo limón, amarillo pálido, etc.
La siguiente tabla nos da una relación entre rango de longitudes de onda en que
absorbe el compuesto, color absorbido y color observado o transmitido.
El Ultravioleta del vacío se considera aquella región
comprendida de los 100 a los 190 nm. Se le llama así
debido a que el nitrógeno atmosférico absorbe este tipo
de radiación, por lo que se debe efectuar el vacío para
poder excluir las absorbancias de este gas de las
absorbancias del compuesto en estudio.
Las complicaciones técnicas asociadas al vacío
necesario, además de la poca utilidad que se tiene en el
Ultravioleta del vacío, han hecho que esta técnica
prácticamente no tenga uso y de hecho no hay equipos
disponibles comercialmente para aplicaciones de este tipo de espectroscopia. El
espectro Visible y Ultravioleta, por el contrario, tienen amplia aplicación y son técnicas
que se emplean continuamente. El rango visible se considera de los 380 a los 750 nm.
El rango del Ultravioleta cercano o del Cuarzo es de 190 a 380 nm.
La base de la espectroscopia Visible y Ultravioleta consiste en medir la intensidad del
color (o de la radiación absorbida en UV) a una longitud de onda específica
comparándola con otras soluciones de concentración conocida (soluciones estándar)
que contengan la misma especie absorbente. Para tener esta relación se emplea la
Ley de Beer, que establece que para una misma especie absorbente en una celda de
espesor constante, la absorbancia es directamente proporcional a la concentración.
Espectro visible en nm
Violeta 400-450
Azul 450-480
Verde-azul 480-490
Azul-verde 490-500
verde 500-560
Verde-amarillo 560-575
Amarillo 575-590
Naranja 590-625
rojo 625-750
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La coloración de la solución se debe a la especie absorbente y esta coloración puede
ser natural o inducida. La coloración natural puede ser la base de la cuantificación de
una especie, como por ejemplo: la clorofila en ciertas plantas, los complejos metálicos
que se encuentran presentes en solución acuosa, como son los iones de Cobre (II),
Manganeso (VII), Cobalto (III), etc.
Más frecuentemente, se induce a la formación de un complejo colorido que absorba en
el visible, y que sea específico para el elemento o compuesto que se desea cuantificar
colorimétricamente. Ejemplo: la formación de un complejo colorido cuando el cloro
libre reacciona con la ortotoluidina, o la cuantificación de glucosa en la sangre y orina
por la acción del molibdato en determinadas condiciones, o la intensificación del color
del ion cobre, al formar un complejo amoniaco-cobre, el cual se forma cuando a una
solución acuosa que contiene iones cobre se le agrega hidróxido de amonio.
Para esto se requiere de un control de ciertas condiciones, que inhiben o favorecen la
formación de compuestos coloridos:
pH : El pH es un factor determinante en la formación de ciertos complejos o
compuestos coloridos. Cuando el pH influye en la técnica analítica, se requiere de
un control adecuado de este valor para lo cual se agrega alguna solución buffer, o
estabilizador de pH.
Temperatura : La temperatura es factor importante, sobre todo en reacciones en
las cuales el factor cinético es la base del análisis.
Tiempo : En ciertas reacciones, se requiere de un tiempo determinado para que se
tenga una lectura estable de absorbancia de la solución producida.
Es también factible que los complejos o compuestos formados sean lábiles, estos es
que después de un cierto tiempo se descompongan a otros productos diferentes, por
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lo que el tiempo indicado al que debe hacerse la lectura debe establecerse con base a
la experiencia y los resultados que se tengan.
Las técnicas analíticas UV-Visible han recibido gran aceptación debido, entre otras a
las siguientes razones:
1. Amplio campo de aplicación: Como ya se ha mencionado, las técnicas
espectroscópicas UV-Vis., son ampliamente empleadas ya que son muchas las
especies que son activas en el Visible, y muchas más las que con un tratamiento
adecuado son capaces de formar especies coloridas. Lo mismo puede decirse de la
espectroscopia UV.
2. Selectividad adecuada : Aunque no es muy común si es posible tener
interferencias en UV-Visible. Cuando esto ocurre, es posible emplear los métodos para
análisis de multicomponentes. Otra alternativa es aislar el analito de la interferencia, o
separa la interferencia misma.
3. Buena Exactitud y Precisión : En estas técnicas espectroscópicas es normal tener
errores relativos del 1 al 3 %, por lo cual se puede considerar que se tendrán
resultados analíticos con un mínimo de incertidumbre si se procede en la forma
correcta.
4. Facilidad y Conveniencia: Aunque existen instrumentos altamente sofisticados
acoplados a computadoras y con sistemas ópticos y electrónicos de alta precisión, es
posible obtener resultados muy aceptables para análisis de rutina, con instrumentos o
espectrofotómetros de los más sencillos en el mercado, a un costo muy accesible.
En 1852, August Beer estudió la influencia de la concentración de soluciones coloridas
sobre la transmisión de luz. La conclusión a la que llegó fue que el valor de a' para una
determinada sustancia es proporcional a su concentración, es decir:
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Donde, c es la concentración y ´ la absortividad (constante independiente de la
concentración).
La ley de Beer es análoga a la ley de Bouguer - Lambert. Mientras que Bouguer y
Lambert estudiaron la variación en la absorción de un haz de luz, en función de la
variación de la espesura de la camada absorbente, Beer hizo el mismo estudio en lo
que se refiere a la concentración de la solución, manteniendo la espesura constante.
En ambos casos, el resultado es el mismo pues, ya que al variar la concentración, o
variar la espesura de la solución a ser atravesada por la luz, esencialmente
aumentamos o disminuimos el número de partículas que interaccionan con la
radiación.
Para realizarse un análisis espectrofotométrico es también necesario conocer el
espectro de absorción de la muestra que se quiere determinar. Esto es hecho para
definirse cual es la longitud de onda de la radiación incidente, que causará la
absorción máxima de la especie a ser determinada y así obtener la mejor sensibilidad
en su cuantificación. El espectro de absorción es obtenido variando la longitud de onda
de la radiación que incide sobre la muestra y mediéndose la cantidad de radiación
absorbida en un espectrofotómetro.
Una otra característica particular de la ley de Beer es la sumatoria de las
absorbancias. En muchos casos, es posible determinar simultáneamente dos o más
especies diferentes presentes en una muestra, utilizándose esta misma ley.
Teóricamente, esto puede ser realizado desde que no ocurra ninguna interacción entre
las especies y que el espectro de absorción observado por la mezcla sea la suma de
los espectros individuales que serian obtenidos en el caso de que sólo una de las
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especies estuviese presente en la solución y bajo las mismas condiciones
experimentales. En la práctica, estas condiciones ideales no ocurren, pero sin
embargo es posible la determinación de especies químicas en una mezcla. En este
caso, para cada longitud de onda, la absorbancia total debida a las especies presentes
en la solución puede ser expresada como la suma de las absorbancias de cada una de
ellas,
Para el caso particular de dos sustancias,
en disoluciones ácidas y color azul en disoluciones básicas.
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CONCLUSIONES
Por medio de esta práctica se logró familiarizarse y aprender el uso correcto y manejo
del espectrofotómetro de absorción UV-visible por medio de sustancias que presentan
color y que por medio de la espectrofotometría se puede observar su región de
absorbancia en determinada longitud de onda que nosotros podemos manejar de
acuerdo a nuestras necesidades, así como lograr determinar en que región se
encuentra determinado compuesto si es que este es desconocido, ayudándonos
también al graficarlo para facilitar la determinación del mismo.
En esta práctica aprendimos a utilizar el espectrofotómetro que nos sirvió para medir,
en función de la longitud de onda, la relación entre valores de una misma magnitud
fotométrica relativos a dos haces de radiaciones. También se puede utilizar para la
cuantificación de sustancias, que fue lo que nosotros realizamos con
espectrofotómetro de absorbancia básicamente obtuvimos mejorar la resolución de los
espectros obtener mayor sensibilidad. Estuvo interesante la práctica por que fue la
primera vez que pudimos utilizar el espectrofotómetro de absorbancia y así poderlo
ocupar con mucho más facilidad.
Se pudo realizar exitosamente el experimento ya que al colocar muestra nuestra
muestra se obtuvo la medida de la cantidad de luz de absorción del compuesto, para
la obtención de su longitud de onda.
BIBLIOGRAFÍA
13
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490-495,544.
Manual de seguridad de sustancias peligrosas en laboratorio de Q.F.B :
Trabajo monográfico para obtener el titulo de Q.F.B por Bettina Herrera Fabela 2003,
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Skoog, Douglas A. Química Analítica,.Edit Mc Graw Hill 7ª ed. México
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http://www.fquim.unam.mx/sitio/uploads/pdfs/hoja14.pdf
www.monografias.com, consultada 18/02/07, hora 15:00hrs, actualización:
5/01/07
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