Qumica analtica
Profa. Lilia Araujo.
Prof. Avismelsi Prieto.
UNIDAD VI
Espectrofotometra
Qumica analtica
La espectrofotometra es la ciencia que estudia la interacciones que ocurren entre la radiacin y la materia.
Mtodos espectrofotomtricos de anlisis: Son aquellos que miden la clase y cantidad de radiacin emitida o absorbida por la especies atmicas, inicas o moleculares que se analizan.
Radiacin Electromagntica Es una forma de energa que se transmite por el espacio a velocidades muy altas.
Espectro electromagntico : Distribucin energtica del conjunto de las ondas electromagnticas
http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_electromagn%C3%A9tica
Qumica analtica
Qumica analtica
La Radiacin Electromagntica tiene propiedades de ondas y corpusculo:
A) Propiedades Ondulatorias: Observadas a nivel macroscpico
Longitud de onda ( ) Frecuencia ( ) Velocidad ( V ) Amplitud
Reflexin Refraccin Difraccin e Interferencia
A diferencia de las ondas sonoras la radiacin electromagntica no necesita de un medio para
transmitirse, ya que se propagan en el vaco.
Campo elctrico
Campo Magntico
Unidades de longitud de onda () para algunas regiones del espectro elctromagntico
Regin Unidad Definicin
Rayos X Angstrom () 10-10 m
Ultravioleta visible Nanmetros (nm) 10-9 m
Infrarrojo Micrometros (m) 10-6 m
Qumica analtica
El modelo ondulatorio no explica satisfactoriamente los procesos asociados con la
absorcin y la emisin de la energa radiante con la materia, por lo tanto es conveniente
considerar a la radiacin electromagntica como paquetes discretos de energa llamados
Fotones o Cuantos.
B) Propiedades de partculas:
Cuando una muestra absorbe radiacin electromagntica experimenta un cambio de energa.
La interaccin entre la muestra y la radiacin electromagntica, se explica suponiendo que la
muestra absorbe los fotones, que quedan destruido y sus energas pasan a la muestra.
La energa de un fotn se puede
relacionar con su longitud de onda
mediante la ecuacin:
h= Constante de Planck = 6,626.10-39 J*s
C= velocidad de la luz= 3*108 m/s
V = # de onda
v... chc
hhE
Una radiacin de una definida
Puede variar su intensidad con el
Cambio de la amplitud
Intensidad: Nmero de fotones
Por unidad de tiempo
Interaccin de la radiacin y la materia. Interacciones relacionadas Reflexin, refraccin, Normalmente
con las propiedades dispersin, interferencia no implican
gruesas de la materia. y difraccin. transiciones
entre diferentes
niveles de energa.
Las interacciones Transiciones entre niveles
En espectrofotometra ms importantes de energa de especies
son las que dan lugar a qumicas.
Qumica analtica
Transiciones electrnicas en especies atmicas
Transiciones electrnicas, Vibracionales y rotacionales
en especies moleculares o
Iones poliatmicos
Qumica analtica
Una molcula lineal de n
tomos puede girar
alrededor de 2 ejes y
tiene 3n-5 modos
vibracionales
Una molcula no lineal
de n tomos puede girar
alrededor de 3 ejes y
tiene 3n-6 modos
vibracionales
TRANSICIONES ENERGTICAS
Tpicas transiciones electrnicas del elemento sodio
Configuracin electrnica: Na: (1S2)(2S2)(2P6)(3S1)
3S
3p
3d 4p
4S
589,0 nm
330,0 nm
Energa
Qumica analtica
Qumica analtica
Molcula del N2 (N N)
Diagrama de los niveles de energa de una molcula
En general, cuando una molcula
absorbe radiacin para provocar
una transicin electrnica ,
ocurren tambin transiciones
vibracionales y rotacionales
simultneas
Qumica analtica
Transiciones
electrnicas
puras
Transiciones
electrnicas,
vibracionales
y rotacionales
simultneas
Espectros de absorcin de radiacin
Qumica analtica
ESPECIES
ATMICAS
ESPECIES
MOLECULARES
Qumica analtica
MEDICIN DE LOS FOTONES COMO SEAL
Se utiliza las interacciones materia- radiacin electromagntica a fin de obtener informacin
cualitativa y cuantitativa de la muestra.
Fuente de estmulo Muestra Resultado
Energa calorfica El analito est Se induce alguna (s)
Electricidad predominantemente Transicin (s) del analito
Radiacin electromagntica en su estado ms presente en la muestra por
Reaccin qumica bajo de energa ganancia de un cantidad
o estado fundamental de energa.
Espectrofotometra de
emisin
La radiacin
electromagntica emitida
Para obtener
informacin que
permita cuantificar al
analito se puede
medir
Espectrofotometra de
absorcin
La radiacin
electromagntica absorbida
Espectrofotometra de
fotoluminiscencia
La radiacin electromagntica
luminiscente
Qumica analtica
Espectrofotometra de emisin
Muestra
Energa trmica
Energa elctrica
Energa Qumica
2
1
0
Excitacin por la energa
absorbida
Se mide la Radiacin Electromagntica emitida
E2,1
E1,0
E2,0
Espectro de Emisin
2 ,0 1,0 2,1
Radiacin
electromagntica
emitida, P Energa
no radiante
Qumica analtica
Espectrofotometra de absorcin
Muestra
Para que ocurra la absorcin, la energa radiante debe corresponder a la diferencia
de energa entre los niveles de energa 1,2,,etc.
Radiacin
electromagntica
transmitida
P
E2
E1
Se mide la radiacin electromagntica
absorbida
2
1
0
Espectro de absorcin
En
erga
rad
ian
te a
bso
rbid
a
1 2
Longitud de onda
Radiacin
electromagntica
incidente
Po
muestra
Qumica analtica
Espectrofotometra por fotoluminiscencia (Fluorescencia y Fosforescencia)
Muestra
Radiacin
electromagntica
incidente
Po
Radiacin
electromagntica
transmitida
P
PL Luminiscencia
Radiacin absorbida
para excitarse
Radiacin emitida
(luminiscencia) que se
mide
2
1
0
Energa no radiante
(1)
1 2 > (2)
(1)
Radiacin
electromagntica
emitida
muestra
Espectrofotometra de absorcin molecular
Absorcin de radiacin infrarroja
Los espectros de absorcin de radiacin infrarroja
representan una de las principales herramientas para
determinar las estructuras de especies orgnicas
Un espectro infrarrojo es una propiedad altamente
caracterstica de un compuesto orgnico puro.
Si dos compuestos tienen espectros infrarrojos idnticos,
se demuestra que se trata de la misma sustancia.
Qumica analtica
Espectro de absorcin infrarrojo: Es la representacin grfica de la absorcin de la radiacin electromagntica del compuesto, en funcin de la frecuencia (cm -1 ) y/o
longitud de la onda ().
Modos de vibracin
de una molcula
Frecuencias caractersticas
de absorcin infrarroja
Qumica analtica
m = moderada
v = variable
N de onda (cm-1) = 1 / (cm)
1-octeno
Bromuro de isopropilo
n-butilbenceno
Qumica analtica
Alcohol secbutilico
Alcohol benclico
Qumica analtica
cido proponico
cido o-tolico
Qumica analtica
n-butiraldehido
Acetofenona
Qumica analtica
Isobutilamina
n-metilanilina
Qumica analtica
Acetato de
metilo
benzamida
Qumica analtica
Di-n-propileter
Fenil-etil-eter
Qumica analtica
Qumica analtica
Espectrofotometra de absorcin molecular
Absorcin de radiacin ultravioleta-visible
Absorcin por compuestos orgnicos
Los espectros moleculares UV-Vis se deben a cuatro tipos de transiciones electrnicas
entre los niveles de energa cuantizados.
La presencia de grupos Cromforos (-NH2 ; -OH; C=O) en las molculas hacen que la
absorcin se desplace a la regin visible de la radiacin electromagntica.
Transicin
Rango
(nm)
Radiacin
electromagntica
Ejemplo
*
Qumica analtica
Absorcin de compuestos inorgnicos
A) Los iones complejos coloreados de los metales de transicin como Ej: Fe,
Cu, Cr, Mn, Zn, V, TI, Cd, etc, son coloreados, debido a que el ion metlico
absorbe radiacin de la zona viisible, dando lugar a las transiciones
electrnicas de los electrones de valencia en los orbitales d.
dz2 dx2-y2
dxy dxz dyz dz2 dx2-y2
dxy dxz dyz
ION COMPLEJO
ION METLICO
LIBRE
Las diferencias de energa entre
los orbitales d del metal,
depender del estado de
oxidacin y del tipo de ligando
que tenga enlazado.
B) Otros compuestos inorgnicos que absorben en la regin UV, por ejemplo :
NO3- , NO2
- , PO43-.
Los compuestos que no absorben en la regin visible pueden determinarse,
hacindolos reaccionar con grupos orgnicos insaturados (cromforos), a fin
de obtener productos que s absorben.
Ab
sorb
an
cia
(nm) 350 750
Qumica analtica
Espectro de absorcin Ultravioleta Visible (UV-Vis) : Es la representacin
grfica de la absorcin de la radiacin electromagntica por el analito, en
funcin de la longitud de la onda (nm).
Los espectros de absorcin en las regiones UV-Visible tienen poca utilidad
cualitativas, se emplean comnmente para propsitos cuantitativos.
especialmente la regin visible,.
Ab
sorb
an
cia
(nm) 400 500 700 380 580 620 730
Ab
sorb
an
cia
(nm)
Complejo Fe(Fen)3+2
(rojo)
Azul de Bromotimol
(verde) Sulfato Cprico
(azul)
Longitud de onda mxima ( max ): Es la longitud de onda donde el analito Absorbe la mayor cantidad de radiacin electromagntica.
Qumica analtica
Color complementario ( color observado).
El color observado de una solucin nos da una idea donde encontraremos la longitud de
onda mxima max del compuesto, en el espectro de absorcin de la solucin, encontrndose ste en el rango de longitud de onda del color absorbido.
Qumica analtica
Medida de la atenuacin de la radiacin electromagntica.
b
Po P
La absorcin de la radiacin
provoca una atenuacin de la
radiacin incidente
Transmitancia Absorbancia
( T ) ( A )
100*%Po
PT
Po
PT
La transmitancia (T) : Es la fraccin de la radiacin incidente trasmitida por el medio.
Absorbancia (A): Es la atenuacin de los fotones a medida que atraviesan una muestra.
La absorbancia (A) que presenta una solucin est relacionada con la Transmitancia ( T ) por:
TA
Po
PTA
%log2
loglog
La A es la ms usada para expresar
la atenuacin
Disolucin
Analito con concentracin C
Qumica analtica
Ley de la absorcin Ley de Beer
La absorbancia est relacionada linealmente con la concentracin (C) de la especie
absorbente y con la longitud de la trayectoria de la radiacin (b) en el medio
absorbente
A=a.b.C C (Unidades fsicas) a= Absortividad (L/cm . mg)
A=.b.C C (Molaridad) b= Longitud de la celda (cm)
c=Concentracin (mg/L)
= Absortividad molar (L/mol . cm)
Pendiente = a.b Se puede determinar el valor de a ( absortividad )
a partir de la pendiente .
Ideal A=a.b.c
y = m x
Conc.
A
Qumica analtica
*Disolvente y longitud de onda de la radiacin
Absortividad molar () *Composicin de la solucin en soluciones *Temperatura diluidas es *Concentracin de los iones inertes Fuerzas electrostticas constante *ndice de refraccin (depende de la concentracin)
Limitaciones de la ley de Beer
Slo se aplica para bajas concentraciones de analito. En altas concentraciones se pierde la independencia de cada partcula del analito en relacin con las dems.
Limitaciones qumicas: Cuando la especie absorbente participa en una reaccin de equilibrio
Limitaciones Instrumentales:
- Falta de radiaciones monocromticas
- Radiaciones difusas parsitas
A
A
[ ]
Qumica analtica
DETERMINACIONES CUANTITATIVAS EN LA REGIN VISIBLE
Pasos experimentales
1) El analito debe estar en solucin acuosa u orgnica, libre de interferencias.
2) Si el analito no presenta color, aadir reactivos que formen con l, productos
coloreados.
3) Obtener el espectro de absorcin y seleccionar una longitud de onda
( tpicamente max ) para realizar las lecturas de absorbancias en el instrumento.
4) Preparar una serie de soluciones patrn de concentracin creciente y el blanco
respectivo.
5) Si el instrumento es de un solo haz, se lleva a cero Absorbancia con el blanco.
6) Obtener la absorbancia de cada una de las soluciones patrn del analito y de las
muestras.
7) Con las absorbancias de las soluciones patrn, construir una curva de
calibracin. Las concentraciones se colocan en el eje x y las
absorbancias en el eje y.
8) Se deduce la concentracin del analito en las muestras, GRAFICAMENTE
utilizando la curva de calibracin o ANALTICAMENTE empleando la ecuacin de la Lnea recta.
Qumica analtica
Forma ANALITICA
Para encontrar la concentracin del analito en las muestras se puede utilizar el
mtodo de los mnimos cuadrados para deducir la ecuacin de la lnea recta.
Asignando los datos de las concentraciones de las soluciones patrn al eje X y
sus respectivas absorbancias al eje Y, se encuentran los valores de la pendiente
(b) y del intercepto (a):
Y = a + b X
absorbancia concentracin
X = Y - a b
Al establecer la ecuacin de la lnea recta, se puede calcular la concentracin
del analito en cualquier muestra, a la cual se le haya medido su absorbancia:
Concentracin patrones
Ab
so
rban
cia
A = Absorbancia de la muestra
C = Concentracin de la muestra A
C
Forma GRFICA
Qumica analtica
La ley de Beer y muestras con mltiples componentes:
En el caso de soluciones con ms de 1 tipo de sustancia absorbente que no interactan entre
ellas se cumple:
Donde 1,2,3,, n son cada uno de las sustancias que absorben
La ley de Beer es aditiva
Cuando hay mezclas de n componentes que presentan solapamientos de sus espectros de
absorcin, se deben leer las A total en n longitud de onda, para determinar la concentracin de cada componente de la mezcla.
Ej: Para la mezcla de 2 sustancias que absorben , X e Y
EnbCnbCEbCEbCEA
AAAAAA
total
n
ni
i
itotal
332211
321
1
yxtotal
yxtotal
bCEybCExA
bCEybCExA
222
111
Espectro de Absorcin de 1x10-3
M K2Cr2O7
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600
Longitud de Onda (nm)
Ab
so
rba
ncia
Espectro de Absorcin de 1x10-4
M KMnO4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600
Longitud de Onda (nm)
Ab
so
rba
ncia
Qumica analtica
0
0.5
1
1.5
2
407 457 507 557 607
Ab
so
rba
nc
ia
Longitud de onda (nm)
Espectro de absorcion de la mezcla
KMnO4 515 nm
Cr2O72- 470 nm
Espectro de Absorcin del K2Cr2O7
Longitud de onda
Espectro de Absorcin del KMnO4
Longitud de onda
K2Cr2O7 y KMnO4
Ab
so
rban
cia
Ab
so
rban
cia
A470 = a470.b.CK2Cr2O7 + a470.b.CKMnO4
A515 = a515.b.CK2Cr2O7 + a515.b.CKMnO4
A470 = A470K2Cr2O7 + A470KMnO4
A515 = A515K2Cr2O7 + A515KMnO4
Dos ecuaciones y dos incgnitas
CK2Cr2O7 y CKMnO4
Lentes/
rendijas/
colimado
res afinan
y alinean
el haz
El
monocromador
(selector de
longitudes de
onda) dispersa la
radiacin incidente
en un continuo de
componentes de
longitudes de
onda examinados
o seleccionados
individualmente
La muestra
en su
compartimien
to absorbe
una cantidad
caracterstica
de cada
longitud de
onda
incidente
El detector
convierte la
radiacin
transmitida
en una
seal
elctrica
amplificada
La
computad
ora
convierte la
seal en
datos
visuales
La Fuente
Produce
radiacin en
la regin de
inters. Debe
ser estable y
reproducible.
En muchos
casos la
fuente puede
emitir ms de
un
Instrumentos y componentes en espectrofotometra
Qumica analtica
Espectrofotmetro de un solo haz
Qumica analtica
Instrumento con divisin de haz
Qumica analtica
Instrumento de haces separados en el tiempo
Qumica analtica
Espectrofotmetro con arreglo de diodos
1.024
diodos
DETECTOR
Qumica analtica
Qumica analtica
B) Fuentes de lneas: Emiten un nmero restringido de bandas de
radiacin, cada una con un estrecho rango de .
Fuente Regin de longitud de onda Utilidad
Lmpara de H2 y D2 Fuente continua 160-380 nm Absorcin molecular UV
Lmpara de tungsteno Fuente continua 320-2400 nm Absorcin molecular Visible
Lmpara de tungsteno-
halgeno
Fuente continua 240-2500 nm Absorcin molecular UV-
Visible
Lser Fuente Lineal UV- Visible Absorcin Atmica -
molecular Fluorescencia y
dispersin
1.- Fuentes de radiacin electromagntica.
A) Fuentes Continuas: Emiten radiacin electromagntica cuya intensidad
vara solo de manera gradual en funcin a .
Qumica analtica
2.- Selector de longitud de onda
Permite el paso de una estrecha banda de radiacin caracterizada por una longitud de onda nominal, una amplitud de banda efectiva y una cantidad mxima de radiacin.
(Radiaciones estrechas disminuyen las desviaciones de Ley de Beer)
Costosos: anchura de banda < 1nm
Espectrofotmetros Econmicos: anchura de banda >1 < 20nm
Tipos de selectores de longitudes de onda:
Absorcin: Absorben selectivamente la radiacin de una regin estrecha
del espectro electromagntico.
Interferencia: Usan interferencias constructivas y destructivas para
aislar una gama estrecha de longitud de onda.
Ej: Un filtro de absorcin prpura elimina el color complementario verde de 500-560 nm
Absorcin 30-250 nm
Efectividad de los filtros
Interferencia 10-20 nm
Los filtros no permiten una seleccin continua de .
Filtros
Espejos cncavos
Rendija de
entrada Rendija de
Salida
Rejilla de
difraccin
La que sale de un
monocromador puede
variar en forma
continua en un gran
intervalo del espectro.
Qumica analtica
Tipos de selectores de longitudes de onda:
Monocromadores:
a) Rejillas de difraccin
b) Prismas
Qumica analtica
3.- Porta muestras:
Es una celda o ventana que debe transmitir la radiacin en la regin
de la longitud de onda que se trabaja.
Material de la celda Regin de trabajo Caractersticas
Vidrio comn (silicatos) Visible Bajo costo absorbe UV
Cuarzo slice fundida UV- Visible Alto costo
Celdas estndar y
con abertura Microcelda y
celda de flujo
Qumica analtica
4.- Detectores: Son transductores o dispositivos que convierten los fotones en una
seal elctrica.
Rango de Seal emitida
Fototubos 200-1000 nm Corriente
Detectores de fotones
Fotomultiplicadores 110-1000 nm Corriente
Diodos 200-1000 nm Corriente
Estos detectores poseen una superficie fotosensible que absorbe radiacin UV-
Visible, produciendo una corriente elctrica proporcional al # de fotones que llegan
al transductor.
5.- Procesador de la seal: La seal elctrica generada en el transductor se enva a un
procesador que la presenta en forma tal que sea cmoda para leer por el analista.
Medidores analgicos Digitales Registrador Computador
Lmites de deteccin y de cuantificacin de la IUPAC en los
mtodos espectrofotomtricos.
Qumica analtica
Determinacin del lmite de deteccin (LD):
Corresponde a tres veces la desviacin estndar de la seal
analtica correspondiente al blanco (Sb), obtenida para al menos veinte
determinaciones, dividida por la pendiente de la curva de calibracin (b).
LD = 3Sb / b (en ingls LOD)
Para el lmite de cuantificacin (LQ ) se sustituye el valor de 3 por 10.
LQ = 10Sb / b (en ingls LOQ)
El lmite de deteccin (LD): Es la concentracin ms baja de un analito
que el proceso analtico detecta en forma confiable. Sin embargo, no es
posible efectuar determinaciones cuantitativas en el lmite de deteccin ya
que la desviacin estndar relativa estar entre 30 a 50 %.
Analito Mtodo (nm)
Aluminio La reaccin con colorante cianuro de eriocromo R a pH 6 produce un complejo de color rojo a
rosado.
535
Arsnico Reducido a AsH3 con Zn y hacerlo reaccionar con dietilditiocarbamato para producir un complejo
rojo.
535
Cromo Oxidar a Cr(VI) y hacer reaccionar con difenilcarbazina en disolucin cida, para obtener un
complejo rojo-violeta.
540
Mercurio Extraccin con CHCl3 despus de acomplejar con ditizona a pH cido; complejo naranjado. 492
Cinc Reaccin con zincon a pH 9 para formar un complejo azul. 520
Cloro residual Oxidacin de leuco cristal violeta para formar un producto de color azulado. 592
Nitrato Reduccin a NO2- por Cd. Se forma un colorante azo por reaccin con sulfanilamida y N-(1-naftil).
etilendiamina.
543
Fosfato Reaccin con molibdato amnico seguida de reduccin con cloruro de estao para formar azul de
molibdeno.
690
Fenol Reaccin con 4-aminoantipirina y K3Fe(CN)6 para formar colorante de antipirina. 460
Surfactantes Formacin de par inico azul entre el surfactante aninico y el colorante catinico azul de
metileno, que se extrae en CHCl3.
652
Aplicaciones
Los analitos que no absorben en la regin visible pueden determinarse, hacindolos
reaccionar con cromforos (reactivos especficos), a fin de obtener productos que s absorben.
Qumica analtica
Qumica analtica
Espectrofotometras de absorcin y emisin atmicas
Las espectrofotometras atmicas se fundamentan en la absorcin o emisin de
radiacin electromagntica por tomos neutros en estado gaseoso. Tpicamente
las radiaciones involucradas son ultravioleta y visible.
Los electrones ocupan posiciones orbitales en una forma predecible y ordenada.
La configuracin normal para el tomo es conocida como estado fundamental.
Si a un tomo se le aplica energa de una magnitud apropiada, sta ser absorbida
por l, e inducir que el electrn ms externo sea promovido a un orbital vaco de
mayor energa conocido como estado excitado (etapa de excitacin) . Como este
estado es inestable, el tomo inmediatamente y espontneamente retornar a su
configuracin fundamental (etapa de decaimiento).
Los procesos de excitacin y decaimiento, son comunes a los dos
campos de la espectrofotometra atmica.
Qumica analtica
Estado
fundamental Estado
excitado
Electromagntica
incidente
Radiacin
Proceso de absorcin atmica
Estado
fundamental
Decaimiento Estado
excitado
E. Calorfica
o
E. electrca Electromagntica emitida
Radiacin
Proceso de emisin atmica
Electromagntica
transmitida
Radiacin
(Po) (P)
(P)
Seal: absorbancia
Seal: intensidad
de emisin
tomos gaseosos
Qumica analtica
Ejemplo: Tpicas transiciones electrnicas del elemento sodio
Configuracin electrnica:
Na: (1S2)(2S2)(2P6)(3S1)
3S
3p
3d 4p
4S
E = 589,0 nm
E = 330,0 nm
Energa
Para el sodio las radiaciones
electromagnticas de 330 nm
y 589 nm sern absorbidas en
un proceso de absorcin
atmica o emitidas en un
proceso de emisin atmica.
Transiciones electrnicas para tomos
de litio, sodio, potasio y rubidio
Qumica analtica
Espectro de emisin (o de absorcin)
atmico del mercurio
Espectro de
lneas atmicas
Qumica analtica
Qumica analtica
Qumica analtica
2.4
Qumica analtica
Qumica analtica
Modalidades ms comunes de espectrofotometras atmicas
Tcnica Fuente de energa Cantidad medida
para atomizar
Esp. de absorcin llama radiacin
atmica con llama 1700-3200 C absorbida
Esp. de absorcin horno elctrico radiacin
atmica electrotrmica 1200-3000 C absorbida
Esp. de emisin llama radiacin
atmica con llama 1700 3200 C emitida
Esp. de emisin plasma de argn radiacin
Atmica con plasma 6000 8000 C emitida
acoplado inductivamente
Qumica analtica
Espectrofotometra de Absorcin Atmica
Si la radiacin de una determinada longitud de onda incide sobre un tomo neutro
en estado fundamental, el tomo puede absorber energa y pasar al estado
excitado, en un proceso conocido como absorcin atmica.
Mtodos usados para
lograr la atomizacin o
generacin de tomos
neutros gaseosos
a) Utilizando la energa calorfica de una llama
b) Empleando un tubo de grafito calentado
elctricamente (horno de grafito)
La nube de tomos requerida para las mediciones en absorcin atmica,
es producida mediante el suministro de suficiente energa a la muestra
para convertir los compuestos qumicos en tomos libres.
Qumica analtica
a) Espectrofotometra de absorcin atmica con llama
En esta modalidad, el calor de una llama proporciona la energa necesaria
para generar tomos neutros gaseosos capaces de absorber radiacin
electromagntica.
Instrumentacin
Espectrofotmetro de absorcin atmica de doble haz
(llama)
Po
P
Qumica analtica
ESPECTROFOTMETRO DE ABSORCIN
ATMICA CON LLAMA
Fuente de Radiacin electromagntica
Qumica analtica
Lmpara de ctodo hueco Al
Qumica analtica
Procesos que tienen lugar durante la atomizacin con una llama
M+ + A--
M+ + A--
MA(s)
MA(l)
MA(g)
Mo + Ao
M*
1) Nebulizacin
2) Desolvatacin
3) Liquefaccin
4) Vaporizacin
5) Atomizacin
6) Absorcin de
radiacin
Iones en solucin
Iones en aerosol
Sal slida
Sal lquida
Sal gaseosa
tomos gaseosos
tomos gaseosos excitados
Radiacin
La muestra es succionada
continuamente
continua
Qumica analtica
Mechero de flujo laminar y esquema de la estructura de una llama
Formacin del aerosol
Qumica analtica
Caractersticas de llamas comunes
Combustible Oxidante Temperatura (C)
Acetileno Aire 2.400
Acetileno xido nitroso 2.800
Acetileno Oxgeno 3.150
Hidrgeno Aire 2.050
Propano Aire 1.950
b) Espectrofotometra de absorcin atmica electrotrmica
En este caso la atomizacin se logra aplicando una diferencia de potencial
elctrico a travs de un tubo de grafito dentro del cual se ha colocado la muestra.
El horno de grafito sustituye a la llama en el espectrofotmetro y est alineado en
forma tal que la radiacin de la lmpara pasar por el centro del tubo de grafito. El
vapor atmico generado por la muestra cuando el tubo de grafito es calentado
absorber entonces radiacin de la lmpara.
Qumica analtica
(a) Seccin transversal
de un horno de grafito
(b) La plataforma Lvov
y su posicin en el horno
de grafito
Instrumentacin
Espectrofotmetro de
absorcin atmica
con horno de grafito
La muestra es
Inyectada con
una micro jeringa
Qumica analtica
Secuencia de calentamiento
1) Ciclo de secado: ~ 110 C
Ocurre la evaporacin del solvente y
componentes voltiles de la matriz.
2) Ciclo de calcinacin: 200 1.500 C
Volatilizacin de los componentes menos
voltiles y pirolisis de algunas sustancias.
3) Ciclo de atomizacin: 2.000 2.500 C
Generacin de tomos neutros gaseosos
que absorben radiacin.
4) Ciclo de limpieza: 2.700 3.000 C
Desalojo del tubo de grafito de
residuos de analito y muestra.
1
2
3
4
Tiempo (s)
Temp. (C)
0
500
2500
3000
1000
Se obtienen seales
de absorbancia
discontinuas
Qumica analtica
En las espectrofotometras de absorcin atmica con llama y
horno de grafito se cumple la Ley de Beer : A = abC
Concentracin Concentracin
Absorbancia
Altura de
pico
Llama Horno de grafito
Cuantificacin en absorcin atmica
Abs. Abs.
solvente solvente
muestra
tiempo 3 inyecciones Llama Horno de grafito
Qumica analtica
INTERFERENCIAS EN ABSORCIN ATMICA Ocurren por la presencia de algn constituyente en la muestra que modifica uno o ms pasos del
proceso en la llama u horno de grafito que no es observado con las soluciones patrn
Tipos de
Interferencias
Efectos causados Mtodos de correcciones
Matriz*
Modifica Velocidad de
Aspiracin y la eficiencia de
la nebulizacin
Cuantificar por Adicin estndar*
Igualacin de matriz-Patrn
Qumicas* Componentes que
reaccionan con analito
Los analitos disminuyen el
grado de atomizacin porque
forman compuestos
trmicamente estable
Aadir especie protectora
o liberadora del analito.
Usar llama ms caliente
Extraccin del analito
Ionizacin*
Reduce el # de tomos que
pueden absorber
Aadir elemento fcil de ionizar
para que el analito sea menos
ionizado.
Usar llama ms fra
Absorcin de
fondo
Partculas que dispersan y
molculas que absorben la
radiacin
Medir y restar la absorcin de
fondo. Mtodos: (a) de la banda
ancha (LCD) y (b) Zeeman
LCH Atotal (Aanalito + Afondo)
LCD Afondo
Electrnicamente Aanalito = Atotal - Afondo
LCH
LCD
Qumica analtica
Correccin de fondo con lmpara de deuterio (LCD)
Correccin de fondo con efecto Zeeman
Intensidad de
la radiacin
de la lmpara
de ctodo
hueco
Sin campo magntico
Campo magntico
Aplicado
Qumica analtica
0 0 -0,02 +0,02
Longitud de onda relativa (nm)
No tiene la polarizacin correcta
electromagntica para que sea
absorbida
LCH sin campo magntico Atotal (Aanalito + Afondo)
LCH con campo magntico Afondo
Electrnicamente Aanalito = Atotal - Afondo
(LCH)
Qumica analtica
Concentracin
Absorbancia
Ley de Beer : A = abC
Qumica analtica
Mtodo de adicin estndar
1) Colocar igual volumen de muestra, en vasos de precipitados
2) Aadir igual volumen de agua y patrn de concentracin creciente
a b c d
a b c d
Muestra+
agua
Muestra+
Patrn 3
Muestra+
Patrn 2
Muestra+
Patrn 1
3) Medir las absorbancia de cada una de las soluciones anteriores
4) Aplicar el mtodo de los mnimos cuadrados
5) Determinar la ecuacin de la lnea recta.
6) Determinar la concentracin de la muestra mediante CM= Corte / Pendiente
Qumica analtica
Espectrofotometras de absorcin atmica con llama vs. horno de grafito
Caracterstica Llama Horno de grafito
Deteccin mg/L g/L
Volumen de muestra > 5 mL 5 100 L
Precisin 1 2 % DER 5 10 % DER
Susceptible de interferencias menor mayor
Costo moderado alto
Vaso Conc (mg/L) Absorbancia
a 0 AM
b Patrn 1 AMP1
c Patrn 2 AMP2
d Patrn 3 AMP3
C = a/b = 0,14/ 0,0188 = 7,45 ppm
Qumica analtica
Espectrofotometra de emisin atmica
En la emisin atmica, la muestra es sometida a una alta energa, con el objeto de
producir tomos gaseosos en el estado excitado, capaces de emitir radiacin
electromagntica.
El espectro de emisin de un elemento consiste de un grupo de
lneas de emisin ubicadas a las longitudes de onda permitidas. Este
espectro de emisin puede usarse como una caracterstica para la
identificacin cualitativa del elemento.
Ms importante aun es que las tcnicas de emisin atmicas
pueden usarse para cuantificar la concentracin de un elemento en
una muestra. Para esto se mide la intensidad de la radiacin emitida
a la longitud de onda del elemento por determinarse. La intensidad de
la emisin a esta longitud de onda ser cada vez ms alta conforme
se incremente la concentracin del analito en la muestra:
Int. Emisin = k.C
Qumica analtica
Mtodos comunes
utilizados para la
generacin de
tomos gaseosos
excitados.
a) Utilizando la energa calorfica de una llama
b) Utilizando la energa calorfica de un plasma
Espectrofotometra de emisin atmica con llama
En esta modalidad, el calor de una llama proporciona la energa necesaria para
generar tomos gaseosos neutros excitados capaces de emitir radiacin.
La intensidad de la radiacin emitida es proporcional a la concentracin del analito
en la muestra.
En la prctica, el instrumento utilizado es el espectrofotmetro de absorcin
atmica, pero con la lmpara de ctodo hueco apagada, ya que la magnitud a
medir es la intensidad de la radiacin emitida.
Atomizacin + excitacin
Qumica analtica
Espectrofotmetro de emisin atmica
llama
1) Desolvatacin
2) Liquefaccin
3) Vaporizacin
4) Atomizacin
5) Excitacin
En sta tcnica el calor de la llama sirve para
MA(s)
MA(l)
MA(g)
Mo + Ao
M* Mo + Radiacin Emitida
Un plasma es una mezcla gaseosa conductora de la electricidad que
contiene una concentracin significativa de cationes y electrones.
En el plasma de argn que se emplea en emisin atmica, los iones argn,
una vez que se han formado en un plasma, son capaces de absorber
suficiente potencia de una fuente externa, como para mantener un nivel de temperatura en el que la ionizacin adicional sustenta el plasma
indefinidamente.
Qumica analtica
La fuente de potencia ms utilizada es un campo de
radiofrecuencias, generando un plasma conocido
como Plasma Acoplado Inductivamente (ICP). La
temperatura puede llegar a 8.000 C.
Espectrofotometra de emisin atmica con plasma
Qumica analtica
Tpica fuente de plasma
acoplado inductivamente
Sistema para la introduccin de la
muestra en una fuente de plasma
En espectrofotometra de emisin atmica con plasma de argn, la
introduccin de la muestra al plasma se realiza con un nebulizador que trabaja
con flujo de argn.
Fuente de plasma
Qumica analtica
Qumica analtica
Instrumentos
Los ms econmicos son los secuenciales, que miden las intensidades de lnea
una por una, parando el tiempo suficiente (unos pocos segundos) para obtener
una respuesta satisfactoria. Por otra parte los instrumentos multicanal se disean
para medir simultneamente las intensidades de las lneas de emisin de un gran
nmero de elementos ( a veces tantos como 50 o 60).
Espectrofotmetro secuencial para emisin ICP
Intensidades de emisin simultnea para 7
elementos obtenida con ICP ptico
Qumica analtica
Qumica analtica
Las fuentes de plasma presentan las siguientes ventajas con
respecto a la emisin atmica con llama:
1) Sufren de menores efectos de interferencias entre elementos, que es
consecuencia de sus temperaturas ms elevadas.
2) Se pueden obtener buenos espectros de emisin para la mayora de los
elementos con las mismas condiciones de excitacin, en consecuencia es
posible cuantificar simultneamente docenas de elementos.
3) Permiten la determinacin de bajas concentraciones de elementos que
tienden a formar compuestos refractarios.
4) Permiten adems de la determinacin de metales, tambin de no metales
tales como: cloro, bromo, yodo y azufre.
Qumica analtica
Cuantificacin en espectrofotometras de emisin atmica
La cuantificacin se realiza mediante el uso de curvas de calibracin. Sin
embargo en este caso no se cumple la ley de Beer, ya que la seal analtica
medida es la intensidad de emisin de los tomos del analito.
Mtodo de patrones externos Mtodo del patrn interno
El mtodo del patrn interno produce mejores resultados en la mayoria de los
casos, ya que corrige los efectos de las matrices de las muestras y variabilidades
en las nebulizaciones y atomizaciones.
Intensidad Emisin = k.C
Qumica analtica
Aplicaciones de las espectrofotometras atmicas
Cuantificacin de:
Elementos metlicos,
semi-metlicos y
no metlicos
En varios tipos de muestras tales como:
Geolgicas, biolgicas, metalrgicas, vtreas, cementos,
productos petroleros, suelos, sedimentos, aguas naturales
y residuales, frmacos, atmosfricas, alimentos, etc.
Muestras lquidas Presentan pocos problemas de pretratamiento,
a veces slo dilucin.
Muestras slidas Estas muestras deben ser primero disueltas
antes de la medicin analtica.
Muestras gaseosas
Se extraen los analitos por burbujeo del
gas en una solucin o absorbiendo los
analitos en un slido, seguido de su
lixiviacin apropiada.
Tratamiento de la muestra