Espectroscopia de absorción molecular UV-VIS

TEMA 6. APLICACIÓN DE LA ESPECTROSCOPÍA
DE ABSORCIÓN MOLECULAR UV−VIS
1. Especies absorbentes
2. Aplicaciones de las medidas de absorción al análisis cualitativo y al análisis cuantitativo.
3. Espectroscopia fotoacústica.
• Especies absorbentes
La absorción de radiación ultravioleta o visible por una especie atómica o molecular M se puede
considerar que es un proceso en dos etapas, la primera de las cuales implica una excitación electrónica
como muestra la ecuación
M + h M*
El producto de la reacción entre M y el fotón es una especie electrónicamente excitada que se
representa por M*. El tiempo de vida de la especie excitada es breve (de 10−8 a 10−9 s) su existencia
acaba por alguno de los diversos procesos de relajación. Hay varias formas de volver al estado
fundamental:
• Disipa energía en forma de calor.
• Emite algún tipo de radiación(puede ser de la misma frecuencia)
La cantidad de energía térmica desprendida por relajación es por lo general no detectable.
La disolución queda prácticamente inalterada por el paso de la radiación. Cuando vuelve al estado
fundamental emitiendo radiación tienen fenómenos de fluorescencia o fosforescencia. Son una forma de
emisión en que la excitación se ha dado por radiación electromagnética. Cuando la excitación se da por
calentamiento electrotérmico, emite radiación y se habla de emisión.
En las producciones de absorción medimos radiación que proviene de la fuente y al ser absorbida en
parte por la especie a analizar puede potenciar y medimos la diferencia de potencia con que incidirá.
En emisión se mide lo que emite la propia sustancia. Son técnicas diferentes. Según la naturaleza de la
especie, son los electrones que forman el enlace los excitados a nivel de energía mayores y los
responsables de que se absorba radiación en una longitud de onda determinada. Con establecer una
relación entre la especie y longitud de onda que presente una sustancia puede identificarla, se hace con
fines cualitativos. La espectroscopia de absorción molecular es por tanto valiosa para identificar grupos
funcionales de una molécula. Sin embargo, son más importantes las aplicaciones de espectroscopia de
absorción de ultravioleta y visible para la determinación cuantitativa de compuestos que contienen
grupos absorbentes.
En las transiciones electrónicas pueden estar implicados diferentes electrones. Esos pueden ser:
• Electrones , y n
• Electrones d y f
• Electrones de transferencia de carga (complejos metálicos fundamentalmente)
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s, yn
Fundamentalmente moléculas e iones orgánicos. También hay aniones inorgánicos que corresponden a
este tipo de absorción.
Las energías de excitación están asociadas a los electrones que formen enlaces sencillos. Las energías de
enlaces sencillos son mayores y las transiciones están restringidas a la radiación UV de vacío.
En el enlace sencillo la diferencia de energía es bastante grande y la longitud de onda que absorbe son
pequeñas: UV de vacío (UV muy lejano) los componentes de la atmósfera son capaces de absorberla <
185 nm. La absorción de UV−Vis de longitud de onda larga se restringe a un número limitado de
grupos funcionales, llamados cromóforos, que contienen los electrones de valencia con energías de
excitación relativamente bajas.
Los espectros electrónicos de moléculas orgánicas que contienen cromóforos son normalmente
complejos, ya que la superposición de transiciones vibracionales sobre las transiciones electrónicas da
lugar a una combinación compleja de líneas solapadas; el resultado es una banda ancha de absorción
que a menudo parece continua (hay energías de tránsitos de electrones y energías de vibración de las
moléculas. Salen bandas de absorción). Es prácticamente imposible un análisis teórico detallado. Tiene
más utilidad un análisis cuantitativo.
Tipos de electrones absorbentes: electrones de orbitales enlazantes y electrones orbitales no enlazantes.
Los primeros son aquellos que participan directamente en la formación del enlace entre átomos y que
están además asociados a más de un átomo. Los segundos son los electrones de no enlazantes o externos
que no participan y que están localizados alrededor de átomos como el oxígeno, los halógenos, el azufre
y el nitrógeno.
Dentro de los enlazantes, por la teoría de orbitales moleculares, cuando se superponen dos orbitales se
forma enlace y llamamos a esos electrones de enlace, electrones . Tenemos un orbital enlazante de
baja energía y otro * de mayor energía.
Figura 8.1 No hay posibilidad de encerrar entre los dos núcleos, es el caso antienlazante. El doble enlace
en una molécula orgánica contiene dos tipos de orbitales moleculares; un orbital sigma
correspondiente a un par de electrones enlazantes y un orbital molecular pi asociado al otro par. Los
orbitales pi se forman por la superposición paralela de orbitales atómicos p. Hay dos posibilidades de
energías, una enlazante de menor energía y otra antienlazantes con una distribución electrónica distinta
de mayor energía.
Además de estos electrones muchos compuestos orgánicos contienen electrones no enlazantes. Estos
electrones que no participan se designan con el símbolo n.
La figura 8.3 es un diagrama energético en el cual tenemos los niveles de energía. El más bajo , , n,
*, *.
Hay distintos tipos de transición:
•
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!*
Son las de mayor energía. Este tipo de transición se corresponde con enlaces sencillos (enlaces se
encuentra en el ultravioleta vacío, requiere gran cantidad de energía, longitud de onda pequeña.
Ejemplo: CH4 : 135 nm, CH3CH3 :135 nm. No los puedo detectar por espectroscopia molecular
(aquí no se puede utilizar la absorción molecular).
• n!*
Se utilizan poco en absorción molecular. Participa los electrones no enlazantes se da en moléculas con
heteroátomos de gran electronegatividad. Tabla 8.1, se requiere menos energía que en la anterior y
puede producirse la transición por radiación entre 150−250. Nos movemos a longitudes de ondas un
poco más altas y algunas especies las vamos a poder medir.
El agua absorbe a 167 nm y no interfiere para nada a medidas de disoluciones acuosas. Un hecho
curioso es que si combinamos un complejo..... disolvente a otro, hay un desplazamiento de los picos a
más cortas para la interacción que puede haber entre el disolvente y la especie a determinar, como
solvatación de iones por el disolvente. La solvatación de los electrones n hace que se desplacen las
longitudes de onda (pocas decenas de nm). Así pues, se desplazará a longitudes de ondas menores
cuando aumente la polaridad del disolvente.
c) n!* y !*
La mayoría de las aplicaciones de esta espectroscopía se basan en este tipo de transiciones debido a que las
energías requeridas para ellas nos dan picos dentreo de la zona 200−700 nm. Ambas transiciones requieren la
presencia de dobles o triples enlaces, es decir, de orbitales . A estos grupos con enlaces insaturados se le
aplica el término cromóforo.
Diferencia entre estas dos transiciones:
n!* sigue bajas en cambio !* posee muy altas. Las determinaciones basadas en ellas son más
sensibles y nos dan limites de detección más bajos.
Estudiemos el efecto que tiene el disolvente sobre estos dos tipos de transiciones:
n* Si cambiamos el disolvente por otro más polar observamos un desplazamiento de los picos hacia
longitudes de ondas más cortas, es decir nos a cercamos al AZUL.
* Ocurre lo contrario. Ahora el desplazamiento es hacia el ROJO o hacia longitudes de onda más
largas cuando el disolvente sea más polar.
La explicación sería pensar que en n* el responsable en general es el electrón n, así el solvatamiento de
estos electrones n disminuyen su energía y esto será más acusado en disolventes que formen puentes de
hidrógeno(efecto que predomina). Sin embargo * esta basada en las fuerzas atractivas entre
disolvente y absorbente, ambos estados energéticos disminuyen, pero más el excitado. Por eso hay un
desplazamiento hacia el rojo.
! Cromóforos orgánicos
Fig 8.2 Se determina grupos funcionales, no se cumple estrictamente sirve como guía, porque puede haber
desplazamientos según el disolvente, y según el resto de la molécula(su estructura).
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! Efecto de la conjugación de cromóforos
Hay mayor deslocalización de los electrones, orbitales moleculares y se pueden asignar a más átomos. Tiende
a rebajar el nivel de *, tiene un carácter antienlazante menor. Los máximos de absorción se desplazan a
longitudes de onda mayor.
Fig 8.3 Diagrama de energía. Pasamos de un enlace doble enlace a dos, y se hace el doble, las capacidades
de absorción son aditivas. Si los dos dobles enlaces son conjugados, aumenta la longitud de onda,
produciendose un desplazamiento hacia el rojo.
Hay otro tipo de grupos que sin ser responsables del color, refuerzan a los cromóforos, son los auxocromos.
Tabla 8.4 Compuestos derivados la mayoría del benceno. Llevan pares de electrones no enlazantes −OH y
−NH2 la longitud de onda se desplaza algo, pero sobre todo se da un aumento del coeficiente de absorción
molar.
! Absorción por iones inorgánicos.
Se lleva a cabo por transiciones n!*. Un ejemplo es:
NO3−
CO3−
NO2−
Azida
tritiocarbonato
313 nm
417 nm
360 / 280 nm
230 nm
500 nm
que implican electrones d y f
Para las series de lantánidos y actínidos, los procesos de absorción resultan de transiciones electrónicas de
electrones 4f y 5f, para los elementos de la primera y segunda serie de los metales de transición, los
responsables son los electrones 3d y 4d.
# Absorción por iones lantánidos y actínidos.
En contraste con el comportamiento de la mayoría de los absorbentes inorgánicos y orgánicos, sus espectros
consisten en piscos de absorción estrechos, bien definidos y característicos, que están poco afectados por el
tipo de ligando asociado con el ion metálico. En la figura 8.4 se muestra una porción de un espectro típico.
Estos orbitales internos están muy apantallados de las influencias externas por orbitales ocupados por
electrones con números cuánticos principales superiores. En consecuencia, las bandas son estrechas y están
poco afectadas por la naturaleza del disolvente o por especies enlazadas con los electrones externos.
# Absorción por elementos de la primera y segunda serie de metales de transición.
Los responsables de las transiciones son los 3d para la 1ª serie y los 4d para la 2ª.
Fig 8.5 Espectros de absorción de algunos iones de metales de transición.
Están fuertemente influidos por factores químicos del entorno (disolventes o especies complejantes).
Los metales de transición tienen cinco orbitales d parcialmente ocupados, cada uno de ellos capaz de
acomodar un par de electrones. Estos electrones no participan en los enlaces, no obstante, está claro que las
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características espectrales de los metales de transición implican transiciones electrónicas entre los diversos
niveles de energía de estos orbitales d. La absorción se debe a transiciones e− que se explican por la teoría del
campo de ligandos. Se basan en la premisa de que las energías de los orbitales d de los iones en solución no
son idénticas y que la absorción implica la transición de electrones desde un orbital d de baja energía a uno de
energía superior.
Fig 8.6 Distribución de densidad electrónica en varios orbitales d. Los ejes x, y, z son los ejes enlazantes
(continuo). Los discontinuos son los antienlazantes. Diferencia arriba−abajo: en los de arriba, la distribución
de densidad electrónica está alrededor de la línea punteada (discontinuo), o sea en ejes antienlazantes. Abajo
está alrededor de los ejes enlazantes.
La teoría campo de los ligandos dice que en el momento en que se acerca un ligando (que aporta electrones) al
catión, se aproxima por los ejes enlazantes, y la interacción entre él ligando y los orbitales del catión metálico
será distinta. Será mayor con los orbitales que tengan máxima densidad electrónica en ejes enlazantes.
Fig 8.7 efecto del campo ligando en las energías de los orbitales d.
Él será mayor o menor según sea él ligando y condiciona la longitud de onda a la que encontraremos el
máximo. Esta figura es cuando un catión metálico se rodea de seis ligandos: se produce un desdoblamiento al
aproximarse al ligando, y es posible que pueda pasar de un nivel a otro absorbiendo la radiación.
La depende de varios factores: fuerza de campo de ligando, una medida de la extensión con que un grupo
complejante desdoblará la energía de los electrones d, esto es, un agente complejante con una fuerza de campo
ligando alta provocara un grande.
Se puede ordenar los ligandos en orden creciente según la fuerza del campo ligando. Podemos establecer el
orden:
• < Br− < Cl− < F− < OH− < C2O4− < H2O < SCN− < NH3 <etilendiamina< o−fenantrolina < NO2− <CN−
Este orden sirve para todos los metales de transición, permitiendo una aproximación cualitativa sobre la
posición del pico en el espectro.
&Absorción por transferencia de carga.
Las especies que la presentan son especiales, sus absortividades molares son muy elevadas. Son complejos
metálicos que suministran unos medios de gran sensibilidad para la detección de especies absorbentes. EJ:
Fe''' con SCN−, Fe'' con o−fenentrolina y complejos ferrocianuro con colores intensos: Fe(CN)63−. Se usan
con frecuencia para determinar Fe, es muy sensible.
Para que un complejo presente un espectro de este tipo, es necesario que uno de sus componentes tenga
características de dador de electrones y el otro componente tenga propiedades de aceptor. La absorción de la
radiación implica entonces la transferencia de un electrón desde el dador hasta un orbital que está muy
asociado con el aceptor. En consecuencia, el estado excitado es el producto de un tipo de proceso de
oxidación/reducción interno.
2. Aplicación de las medidas de absorción
Dos tipos, cualitativo y cuantitativo.
Cualitativo.
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La espectrofotometría uv−vis tiene una aplicación algo limitada para el análisis cualitativo. Las
consideraciónes que se tienen que hacer al elegir un disolvente no son sólo respecto a su transparencia, sino
también respecto a sus posibles efectos sobre el sistema absorbente. Fig 8.8 vemmos el efecto del disolvente
sobre el acetaldehido, así que hay que tener en cuenta que con los disolventes polares tenemos menos detalles
que con los apolares. Los más comunes para el uv son agua, etanol, ciclohexano y dioxano. Par vis cualquier
incoloro es útil.
En muchos casos se usa para detectar grupos funcionales (más que para determinar especies), pero no es la
técnica ideal para hacerlo de forma completa, si tenemos una banda débil a cercana 280 nm que se desplaza
a más cortas cuando cambiamos el disolvente por otro más polar afirmamos que tenemos un grupo
carbonilo, una banda a 260 nm, muestra la presencia de un anillo aromático y presenta una estructura
vibracional fina (muchos picos).
La confirmación de la presencia de una amina aromática o de una estructura fenólica puede obtenrse
comparando los efectos del pH en los espectros de disoluciones que contienen la muestra con los que se
indican en la tabla para el fenol y la anilina.
Cuantitativo
Aplicación a la determinación de grupos funcionales en compuestos orgánicos. Tabla 8.2 carbonilo,
carboxilo, amida, dobles enlaces y conjugados.
Determinación de metales por complejación: los espectrofotómetros se usan hoy mucho para esto. Se forma el
complejo correspondiente y presentan bandas de absorción. Esto va acompañado de un proceso de extracción.
Tenemos una mezcla con tres o cuatro metales y le añadimos agentes complejantes y para separarlos se usa la
extracción líquido−líquido. También puedo añadir agentes enmascarantes. Estas técnicas de extracción
controlando el pH permiten una separación y una reconcentración.
La espectrofotometría también puede aplicarse a especies no absorbentes (de forma indirecta): la especie A
reacciona con B (si es absorbente) y se determina la especie resultante.
Otra aplicación es con aminas que no absorben, se hace la rextracción (contrario a extracción). Se hace una
reacción de intercambio de ligando; se agita y viendo la preferencia de un ion u otro se forma un complejo u
otro, viéndose el color.
Al hacer una determinación cuantitativa hay que seleccionar y para ello se hace un barrido y se elige un pico
de absorción (máximo); será más sensible. Otra razón es porque los monocromadores se desajustan con cierta
facilidad.
Otra variable que influye en absorción es la naturaleza del disolvente, pH, presencia de electrolitos, y
presencia de sustancias interferentes.
Otro aspecto importante es la limpieza y manipulación de las cubetas; han de ser transparentes y limpias. Hay
dos partes esmeriladas (se cogen por ahí) y dos no esmeriladas, se limpian con disolventes específicos.
Para pasar de absorbancia a concentración, se hace mediante curva de calibrado hecha con una serie de
patrones que contengan el analito que yo quiero, y los patrones deben ser lo más parecido posible a la
naturaleza de la muestra. Se tiende a utilizar como patrones agua destilada, a veces no sirve.
EJ: Cu en agua de mar, le echo un complejante, pero puede que no se vea por interferencia o porque hay muy
poco, lo que se hace es una extracción líquido−líquido los patrones los hago con sales como agua de mar, y
les realizo también una extracción (deben sufrir los mismos procesos que la muestra).
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Hay veces que conseguir una matriz igual es prácticamente imposible, por lo que se emplea el método de
adición estándar. Supone trabajar con cuatro patrones. De la muestra original (orina) cojo cinco alícuotas
exactamente iguales. Si quiero ver un compuesto orgánico en la orina, compro esa sustancia pura.
1ª Alicuota; nada
2ª Alicuota; concentración mínima
3ª Alicuota; siguiente concentración
4ª Alicuota; siguiente concentración
5ª Alicuota; siguiente concentración
Voy al aparato con las 5 muestras y mido la absorbancia.
Abs
Concentracion añadida
Se usa en espectrofotometría molecular y en espectroscopía atómica (aunque con algunas pegas).
&Análisis de mezclas de sustancias absorbentes
Fig 8.10 Espectro de absorción de una mezcla de dos componentes.
Trazo punteado; suma de las dos sustancias que sería lo que yo obtendría. Trabajo con la curva punteada; cojo
los dos máximos ´ y ´´ se ve la Abs a cada. Dos ecuaciones con dos incógnitas. Si tengo mezcla de tres
sustancias, cojo tres picos. Cuantas más tenga, más indeterminaciones voy a tener y más complejo será (para
más de dos sustancias ya es complejo). Hay sistemas informáticos preparados ya que reducen las incógnitas.
Espectrofotrometría derivada y de dual
Fig 8.11 En cada monocromador, selecciono una diferente. Vamos a medir una sola especie, pero con un
aparato especial, lo irradiamos con dos diferentes. El cortador según esté, pasa a o alternativamente.
Fig 8.12 Se hace una tabla, hallando los incrementos de T y .
nes fotométricas
La diferencia es que no utilizamos el ojo humano en la valoreación, sino un espectrofotómetro. La cubeta en
un diseño especial, se puede ir haciendo la valoración en ella, en vez de en un vaso de precipitado, un método
es por fibra óptica que va una al vaso de valoración y otra al detector.
Fig 8.14 Metal absorbe o la especie a valorar, o el valorante, o el producto de la reacción, si absorbe más de
uno es más complicado.
1ª curva. Ni absorbe A ni C, cuando aparece B sin reaccionar, porque se haya agotado A, empieza a aumentar
Abs.
2ª curva. Es C lo que va a absorber. Se va formando C, va aumentando, y cuando llega al punto equilibrio que
ya se agota A y no aparece más C se para.
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3ª curva. La sustancia problema es la que absorbe A, va desapareciendo hasta el punto de equilibrio.
3. ESPECTROSCOPÍA FOTOACÚSTICA
Surge en los años setenta. Ponemos un micrófono muy sensible. Con ella es posible el análisis de sólidos,
semisólidos y líquidos turbios. Se basa en el efecto fotoacúsitco (G.Bell). Si se llena una celda cerrada con un
gas y se irradia con un haz de radiación intermitente a longitud de onda que es absorbida por el gas, se dan
pequeños calentamientos intermitentes que dan lugar a fluctuaciones regulares de presión, que pueden ser
detectados por un micrófono.
Especie más , estado excitado.
Meto el sólido que absorbe en una cámara, y lo rodeo de un gas que no absorbe. Emite en forma de calor y la
presión del gas, si es sensible a la diferencia de calor, esos pulsos de presión los detectos con un micrófono
especial.
Fig 8.17 y fig 8.18 espectros obtenidos por esta técnica.
Análisis Instrumental. Tema 6
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© Blanca. 1999
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