Introducción a espectroscopía

UNIVERSIDAD INTERAMERICANA
Recinto de Bayamón
Departamento de Ciencias Naturales y Matemáticas
Química General II
QUIM 2212
Introducción a la espectroscopía*1
Espectroscopía se refiere al área de la ciencia que estudia la interacción entre la radiación
electromagnética y la materia. La radiación electromagnética se trata como una onda de
longitud  (lambda) y frecuencia  (nu) que se mueve en el vacío a una velocidad de 3.00
x 108 m/s. Esta velocidad es constante y se le denomina con la letra c. Luego, la relación
entre ,  y c está dada por:
c = 
En las ciencias, un espectro se refiere a un rango de longitud de onda de radiación
electromagnética. Cuando hablamos del espectro visible, por ejemplo, hablamos del
rango de longitud de onda entre 400 y 700 nm aproximadamente. A este espectro se le
llama visible porque corresponde a longitudes de onda que el ojo humano puede detectar
y que luego el cerebro interpreta como diferentes colores. Existen longitudes de onda, sin
embargo, que el ojo humano no detecta. Ejemplos de estos son los espectros ultravioleta
e infrarrojo. Para detectar longitudes de ondas de esos espectros, se requieren
instrumentos especializados conocidos como espectrofotómetros.
En este experimento trabajaremos con un espectrofotómetro visible. Este instrumento
detecta las mismas longitudes de onda que el ojo humano. A diferencia del ojo humano,
sin embargo, el instrumento nos permite realizar análisis cuantitativos y cualitativos. Con
un análisis cualitativo podemos identificar un compuesto en una muestra. Con el análisis
cuantitativo podemos determinar la cantidad del compuesto que hay en la muestra.
Generalmente, estos análisis se llevan a cabo en términos de la radiación
electromagnética que absorbe o que no absorbe un compuesto. A la radiación
electromagnética que absorbe un compuesto se le llama absorbancia, y a la que no
absorbe se le llama transmitancia. Para entender mejor estos términos, conviene describir
brevemente el funcionamiento de un espectrofotómetro.
El espectrofotómetro
En esencia, un espectrofotómetro consiste de los siguientes componentes: 1) una fuente
de radiación electromagnética que emite un rango de longitudes de onda determinado, 2)
un dispositivo que “refracta” las diferentes longitudes de onda en diferentes ángulos, 3)
una compartimiento para poner una muestra del compuesto que queremos analizar y 4)
un detector que convierte la radiación electromagnética a una señal que podamos
interpretar. Veamos cada uno de estos componentes individualmente.
1) Fuente de radiación electromagnética: El ejemplo más común de una fuente de
radiación electromagnética es una bombilla incandescente. El rango de longitudes
de onda que emite esta bombilla se debe al efecto que tiene una corriente eléctrica
en el tipo de filamento en el corazón de la bombilla. Esta luz es de un tono amarillo
claro al cual nos referimos comúnmente como luz “blanca”. Sabemos, sin embargo,
1
Adaptado de Laboratorio de Química General, J. Arce, R. Betancourt y N. Motta, McGraw-Hill, San Juan, 2001.
que esta luz “blanca” es una combinación de colores los cuales pueden separarse
por un prisma. Gotitas de agua suspendidas en la atmósfera tienen el mismo efecto
y forman un arco iris. Una bombilla incandescente, por lo tanto, sería una fuente de
radiación electromagnética en el espectro visible. Fuentes de radiación
electromagnética en otros rangos de longitudes de onda requieren bombillas con
filamentos especiales para la radiación que se busca.
2) Refractor: La función de este dispositivo es separar las diferentes longitudes de
onda de un haz de luz. Como se mencionó anteriormente, unas gotitas de agua
suspendidas en la atmósfera o un prisma ejercen la misma función. En el caso de
un espectrofotómetro, a este componente se le llama monocromador. Este no solo
separa la luz visible en diferentes colores sino que también una longitud de onda
específica a la muestra. De esta manera se puede observar con cual longitud de
onda específica es que interacciona el compuesto.
3) Cámara para la muestra: Este componente es simplemente un lugar donde poner
una celda que contenga la muestra del compuesto que queremos analizar. En el
instrumento, este compartimiento se encuentra en el paso de la radiación
electromagnética que emite el monocromador y el detector.
4) Detector: Este es el dispositivo que recibe la radiación electromagnética que
atravesó la celda con la muestra. Este dispositivo traduce intensidades de radiación
electromagnéticas a impulsos eléctricos que luego se convierten en señales en un
lector o pantalla que podemos interpretar.
Detector
Fuente de luz
Muestra
Celda
Monocromador
Figura 1. Componentes básicos de un espectrofotómetro
Análisis espectroscópico
Una vez descrito en esencia el funcionamiento de un espectrofotómetro, ahora podemos
explicar la interpretación de las señales que leemos del mismo. En especial, nos atañe la
interpretación de los términos absorbancia y transmitancia. Absorbancia se refiere a la luz
que absorbe un compuesto en una muestra. En el rango visible, este fenómeno es similar
al que se describió para el espectro atómico de hidrógeno en el curso anterior. Un
compuesto absorbe luz cuando la energía del haz con que se irradia la muestra
corresponde a la diferencia entre dos niveles de energía del compuesto. Esto
normalmente corresponde a la energía de una longitud de onda específica. A la longitud
de onda de mayor absorbancia de un compuesto se le llama max. Cada compuesto tiene
un max particular que nos permite identificarlo en una muestra. La cantidad de luz que
atraviesa una muestra sin ser absorbida es la transmitancia. Esta es la luz que le da a una
solución el color que observamos en ella. Esta luz es del color complementario a las
longitudes de onda que absorbe el compuesto. Los colores complementarios son los
opuestos en el siguiente diagrama:
violeta rojo
azul
oscuro
azul claro
verde
anaranjado
amarillo
verde
amarillo
Esto funciona de la siguiente manera: si una solución se ve amarilla es porque absorbe
longitudes de onda que corresponden al color opuesto en el diagrama, o sea, azul oscuro.
Igualmente sucede con objetos sólidos. Los colores que observamos a nuestro alrededor
son los colores complementarios a los que absorben los objetos. La superficie de los
objetos reflejan los colores complementarios a los que absorben y son esos los que nos
llegan a los ojos.
La transmitancia, T, es la razón de la intensidad entre la luz que sale de la muestra, I, y la
de la intensidad que entra a la muestra, esto es, la luz incidente, I0. Esta razón se mide en
términos de porcentaje de la siguiente manera:
T 
I
100%
I0
La relación entre absorbancia, A, e intensidad de luz es logarítmica y se expresa como
A  log
I0
I
Luego, la relación entre absorbancia, A, y transmitancia está dada por
A  2  log%T
Hasta ahora hemos descrito como identificar max de un compuesto lo cual esun análisis
cualitativo. Para un análisis cuantitativo, la Ley de Beer-Lambert relaciona absorbancia
con la concentración, c, de un soluto en una solución.
A  lc
En esta fórmula  y l son constantes experimentales. En otros cursos de química
realizarán análisis cuantitativos con esta ley.
Reactivos
1. Tintes vegetales azul, rojo y amarillo (No tienen que buscar el MSDS)
Materiales
1. 3 matraces volumétrico 25 mL
2. 1 pipeta serológica de 25 mL
3. 1 bulbo
4. 3 cubetas de Spectronic 200
5. 4 cubetas de Spectronic 20
Procedimiento
Parte A: Análisis cualitativo
1. Prediga la longitud de onda aproximada de absorción de las soluciones de los
tintes vegetales que le indique el instructor de acuerdo al color que observa y su
color complementario.
2. Haga un barrido de la abosrbancia de las soluciones entre 380 a 700 nm y
determine el max de cada solución.
3. Haga un barrido del la solución desconocida que le indique el instructor e
identifique los tintes en cada una.
Parte B: Análisis cuantitativo
1. Con la solución de tinte vegetal que le indique el instructor, haga diluciones de
15/25, 10/25 y 5/25.
2. Mida la absorbancia de la solución madre del tinte vegetal y de las tres diluciones
que hizo en el paso anterior.
Informe
1. Calcule la transmitancia para todas los max de los tintes vegetales y la de la
solución desconocida y presente sus datos en una tabla.
2. Con las absorbancias de las diluciones y la solución madre, haga una gráfica de
absorbancia vs diluciones. Tendrá un total de cuatro puntos. Sus valores en el eje
de x serán 5/25, 10/25, 15/25 y 25/25 (ó 1 para la solución madre)
3. ¿Qué relación observó entre absorbancia y transmitancia? Explique su
contestación haciendo referencia a sus datos experimentales.
4. ¿Qué relación encontró en la gráfica en el paso 2 entre A y las diluciones? ¿Se
observó la ley de Beer-Lambert?