Tema 2.- Fundamento físico-químico del Análisis instrumental
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Tema 2.- Fundamento físico-químico del Análisis instrumental basado en técnicas espectroscópicas Interacción de la radiación electromagnética con entidades atómicas y moleculares de interés analítico: Espectros.Configuraciones instrumentales. Componentes básicos y diseños instrumentales para el estudio de especies químicas.Características de uso de los instrumentos 1 Espectroscopia de átomos y moléculas TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS MATERIA Átomos Moléculas Especies REM Fotones 2 Espectroscopia de átomos y moléculas A finales del siglo XIX Estudio de radiaciones absorbidas o emitidas por átomos y moléculas: configuraciones electrónicas de los átomos enlaces interacciones en dispositivos de medida 3 Los métodos espectroscópicos se clasifican de acuerdo con la región del espectro electromagnético que utilizan. Estas regiones incluyen R-X, UV, VIS, IR, MO, RF. Los primeros métodos espectroscópicos se restringían al empleo de la radiación visible, por ello se denominaron MÉTODOS ÓPTICOS. Debido a la similitud del instrumental utilizado, el término de MÉTODOS ÓPTICOS se emplea también para aquellos que emplean la radiación UV e IR a pesar de que estas no son perceptibles por el ojo humano. 4 PROPIEDADES DE LA REM La REM es una forma de energía que se transmite por el espacio (sin soporte de materia) a velocidades muy altas. Posee una doble naturaleza: Ondulatoria •Difracción •Refracción •Reflexión •Dispersión complementarios Corpuscular “fotones” •Emisión •Absorción •Efecto fotoeléctrico 5 Interacción de la radiación electromagnética con átomos y moléculas: Espectros Energía de la RE E= hν v (frecuencia de la onda) = c/λ Un átomo o molécula puede: Girar vibrar ET = Enucleo + Eelectrones internos + Eelectrones externos + Evibración + Erotación en el caso de las moléculas modificar E de sus e-s externos modificar E de sus e-s internos alterar E de su núcleo El tipo de interacción depende Características intrínsecas de la entidad 6 Energía de las radiaciones y longitud de onda Microondas (λ entre 10-5 y 10-2 m) poca energía rotación o vibración de las moléculas Radiación infrarroja (IR) (λ entre 10-6 y 10-3 m) cambios en los niveles vibracionales: cambio en la posición relativa de los átomos en una molécula 7 Energía de las radiaciones y longitud de onda Radiación visible (λ 1 x10-6 y 0,3 x10-6 m; entre 1 µm y 300 nm) e-s externos (de valencia) de los átomos y moléculas Radiación ultravioleta (UV) (λ = 300 nm y 200 nm; UV cercano) e-s externos de átomos y moléculas Rayos X (λ entre 100 Å y 1 Å; 1 Å = 10-10 m) gran energía y poder penetrante e-s de las capas internas de los átomos. 8 R. Có ico sm Rγ RX UV V IR MO RF s 10-12 10-11 10-8 10-6 10-3 10-1 λ(m) 800 700 Púrpura Naranja Amarillo Verde Azul Violeta 600 Rojo 500 400 λ (nm) ULTRAVIOLETA LEJANO 10 - 200 nm RADIACIÓN UV-V ULTRAVIOLETA PRÓXIMO 200 - 400 nm VISIBLE 400 - 800 nm EXCITACIÓN ELECTRÓNICA 9 Interacciones y zonas espectrales 10 Energía de la radiación y tipo de interacción A menor E mayor selectividad en la interacción MOLÉCULAS interacciones electrónicas Vibracionales rotación de la molécula ÁTOMOS interacciones electrónicas el átomo individual no vibra respecto a otros su rotación implica una energía baja modificación de la posición relativa de los átomos en la molécula rotacionales Enlaces no puede medirse experimentalmente Todo ello determina: Características de los espectros Configuraciones instrumentales en espectroscopia analítica 11 Absorción y emisión molecular 12 Absorción y emisión molecular Los electrones en estos sistemas tienen los espines apareados se denomina singulete cuando se somete a un campo magnético: Si se trata de un radical libre, con un electrón no apareado estado doblete cuando se somete a un campo magnético: el electrón impar puede tomar dos orientaciones Cuando un electrón de una molécula es excitado a un nivel de energía superior se forman un estado singulete o triplete Estado singulete excitado el espín del electrón promocionado continúa apareado con el electrón del nivel fundamental Estado triplete excitado no se observa desdoblamiento de energía los espines de los dos electrones están desapareados (en paralelo) El estado triplete excitado es menos energético que el estado singulete 13 Absorción y emisión molecular Estado triplete excitado Estado singulete excitado La molécula es paramagnética La molécula es diamagnética La probabilidad de una transición singulete/triplete o a inversa es mucho menor que la singulete/singulete Tiempo de vida medio de un estado triplete excitado entre 10-4 a varios segundos Æ Probabilidad baja Æ Picos de absorción de varios órdenes de magnitud menos que en singulete excitado Tiempo de vida medio del estado singulete excitado 10-8 a 10-5 s 14 Absorción y emisión molecular Modos de emisión (desactivación del estado excitado): Pérdida de E electromagnética o radiante desde el nivel singulete excitado (S1) al estado singulete fundamental (S0) Fluorescencia. En determinadas moléculas, un estado triplete excitado se cruza con un singulete excitado. El estado triplete se pobla de electrones del singulete excitado. La transición triplete-singulete está prohibida (tarda mucho) Fosforescencia 15 Excitación y desexcitación 16 Fluorescencia y fosforescencia Fluorescencia ⇒ transición de S1 a S0 S1 S0 + hν Sin cambio en multiplicidad de spin Vida media de la fluorescencia: 10-9 – 10-5 seg Fosforescencia ⇒ transición de T1 a S0 T1 S0 + hν Cambio en multiplicidad de spin Vida media de la fosforescencia: 1 mseg a varios seg Longitud de onda mayor que la de la fluorescencia 17 Aspectos cinéticos en la absorción y emisión molecular La velocidad de abs. de un fotón por una molécula: es muy elevada de 10-15 a 10-14 s En emisión molecular (fluorescencia): mucho más lentos. Tiempo de vida de la molécula excitada inversamente relacionado con la probabilidad que se produzca la absorción de los fotones y por tanto con la absortividad molar (ε) Las ε: 3 5 suelen estar entre 10 y 10 Corresponde un tpo. excitación de 10-7 a 10-9 s, respectivam. 18 Aspectos cinéticos en la absorción y emisión molecular Sistemas débilmente absorbentes Probabilidad del proceso de transición es más pequeña Los tiempos de vida pueden relativamente grandes, de 10-6 a 10-5 s En las transiciones triplete-singulete la velocidad promedio es aún menor Æ La emisión fosforescente precisa tiempos entre 10-4 y 10 s, o mayores 19 Procesos de relajación molecular Pueden combinarse de varias etapas de desactivación Dos de estas etapas conllevan a la emisión de un fotón Fluorescencia Fosforescencia La molécula debe tener características estructurales determinadas El resto procesos no radiantes Todas estas etapas compiten entre sí La selección depende cinética más favorable en la población de electrones que se está desactivando 20 Procesos de relajación molecular Otros procesos luminiscentes están aún más limitados gran selectividad Quimioluminiscencia Triboluminiscencia Emisión por una reacción química Emisión de luz por la acción mecánica Bioluminiscencia Emisión de luz por un sistema vivo Ejemplo ATP-bioluminescencia higiene en alimentos Se detecta el ATP microbiano Usa luciérnagas 21 Procesos de desactivación molecular RELAJACIÓN VIBRACIONAL: En disolución la E se pierde rápidamente por colisiones moleculares Tiempo de vida De S1Æ S0 siempre desde el nivel más bajo de S1 De S2Æ S1 10-12 s siempre desde el nivel más bajo de S2 El e- puede volver a cualquier nivel de S0 22 Procesos de desactivación molecular CONVERSIÓN INTERNA: el e- se desactiva desde un nivel electrónico más elevado a un nivel vibracional superior de un estado electrónico más bajo Proceso intermolecular sin emisión E Cuando hay solapamiento en los niveles de energía dos niveles de energía muy próximos Nivel bajo de S2 y alto de S1 Sin emisión de radiación Cinéticamente más favorable que fluorescencia son la relajación vibracional conversión interna La fluorescencia sólo tiene lugar a λ3 independientemente de que las radiaciones λ1 y λ2 sean las responsables de la excitación 23 Procesos de desactivación molecular CONVERSIÓN INTERNA: Hidrocarburos alifáticos los niveles del estado fundamental se solapan con niveles del primer estado electrónico excitado Fluorescencia cinéticamente desfavorable Predisociación Se produce conversión interna Se rompe un enlace En la disociación se rompe enlace por la excitación sin que exista conversión interna 24 Procesos de desactivación molecular CONVERSIÓN EXTERNA o amortiguación colisional Fluorescencia Transferencia de E entre la molécula excitada y el disolvente u otros solutos La radiación emitida siempre tiene mayor λ (menor frecuencia) que la de excitación Siempre: Absorción Æ conversión Æ transición desde el nivel más bajo del estado excitado al estado fundamental En fluorescencia influye Disolvente Favorecida por: baja temperatura elevada viscosidad Evitan la conversión externa 25 Procesos de desactivación molecular CRUZAMIENTO DE SISTEMAS Se invierte el espín de un eexcitado originándose un cambio de la multiplicidad molecular La probabilidad aumenta si los niveles vibracionales de los dos estados solapan Favorecida por la presencia en molécula: De átomos pesados yodo y el bromo efecto del átomo pesado De especies paramagnéticas en disolución, como el oxígeno molecular 26 Procesos de desactivación molecular FOSFORESCENCIA Tras cruce de sistemas hasta legar al estado triplete excitado, la desactivación puede ocurrir por: conversión interna externa fosforescencia triplete → singulete mucho tiempo menos probable que singulete/singulete la emisión puede persistir durante algún tiempo después de que la irradiación se haya interrumpido 27 Espectros del fenantreno E: espectro de excitación o absorción F: Fluorescencia (mayor λ) P: Fosforescencia (mayor λ pq triplete tiene menos E) 28 Diagrama de Jablonski Conversión interna S1 Cruzamiento entre sistemas T1 Absorción Fluorescencia Fosforescencia S0 29 Absorción y emisión atómica ORBITALES p Se desdoblan Niveles de diferente E Un electrón gira en su propio eje y la dirección del movimiento: ORBITALES d y f la misma del movimiento orbital Repulsión Æ orbital p de menor E opuesta al movimiento orbital Atracción interacciones similares, pero tan débiles que resultan inapreciables El desdoblamiento de p, d y f se produce de manera análoga en los átomos que poseen un solo electrón externo Los 3p del Mg+ tienen doble E que Para Na debido a la mayor carga nuclear el 1º Caso de Na (a) y Mg+ (b) 30 Espectros de emisión y absorción atómica Absorción En medio gaseoso a elevada T, absorben REM de λ característica de las transiciones electrónicas del estado 3s a estados de excitación más elevados Espectros formados principalmente por líneas de resonancia Del nivel fundamental a uno de mayor E Transiciones prohibidas: •de 5s o 4s a 3s •de p a d 31 Espectros de emisión y absorción atómica A T ambiente todos los átomos en estado fundamental El único electrón más externo de un átomo de Na es el 3s Emisión Excitación de ese e- por el calor de una llama, un plasma, una chispa, un arco eléctrico, etc El tiempo de vida excitado es breve, y vuelve al estado fundamental emitiendo un fotón Líneas 5890 y 5896 A son las más intensas, líneas amarillas del sodio en una llama 32 Espectros de fluorescencia atómica A veces cuando se irradian con una fuente intensa Æ fluorescencia atómica Se detecta en un ángulo de 90º con respecto a la trayectoria de la luz Espectros del Mg Átomos de Mg irradiados con una fuente UV absorbe la radiación de 2852 A (tránsito del nivel 3s al 3p) Transiciones de estado excitado al nivel fundamental (resonancia) La fluorescencia de resonancia emitida a esa misma longitud de onda se usa con fines analíticos 33 Espectros de fluorescencia atómica Átomos de sodio Absorben a 3303 A (3s Æ 4p) Transición no radiante a los niveles 3p muy rápida Fluorescencia del nivel 3p al fundamental (5890 y 5896 A) 34 Espectros de fluorescencia atómica Parte de los átomos de Tl, excitados en una llama, vuelven al estado fundamental en dos etapas: una es fluorescente produciendo una línea a 5.350 A a continuación se produce rápidamente una desactivación no radiante hacia el estado fundamental También se observa fluorescencia de resonancia a 3.776 A 35 Configuraciones instrumentales Fuentes de radiación Debe generar un haz de radiación con potencia suficiente para que se detecte y se mida con facilidad Su potencia de salida debe ser estable durante periodos de tiempo razonables Fuentes de potencia regulada Diseños de doble haz la relación de la señal de la muestra respecto a la de la fuente en ausencia de muestra sirve como parámetro analítico TIPOS: Fuentes continuas emiten radiación cuya intensidad varía solo de forma gradual en función de la longitud de onda Fuentes de líneas emiten un número limitado de líneas o bandas de radiación, cada una de las cuales abarca un intervalo limitado de longitudes de onda 36 Fuentes de radiación FUENTES CONTINUAS En espectroscopia de absorción y de fluorescencia Para la región ultravioleta: lámpara de deuterio Si se precisa una fuente particularmente intensa Región visible del espectro lámparas de arco rellenas de un gas, argón, xenón o mercurio, a alta presión lámpara de filamento de wolframio Las fuentes de infrarrojo sólidos inertes calentados a 1.500-2.000 K la máxima emisión radiante se produce entre 1,5 y 1,9 µm 37 Fuentes de radiación FUENTES DE LÍNEAS Se usan frecuentemente en: espectroscopia de absorción atómica espectroscopia de fluorescencia atómica y molecular espectroscopia Raman refractometria y la polarimetria Lámparas de vapor de mercurio y de sodio proporcionan relativamente pocas líneas agudas en la región ultravioleta y visible Lámparas de cátodo hueco Æ Absorción atómica Las lámparas de descarga sin electrodos Æ Fluorescencia 38 Fuentes de radiación 39 Selección de la longitud de onda Se requiere una radiación constituida por un grupo limitado, estrecho y continuo de longitudes de onda denominado banda La banda debe ser estrecha aumenta la sensibilidad de las medidas de absorbancia puede proporcionar una mayor selectividad con frecuencia es un requisito necesario para obtener una relación lineal entre la señal óptica y la concentración 40 Selección de la longitud de onda No existe ningún sistema de selección de la longitud de onda que de una sola λ La anchura de banda efectiva, es una medida inversa de la calidad del dispositivo la resolución es mejor cuanto más estrecha es la anchura de banda selectores de longitud de onda Filtros monocromadores Se representa el % de radiación incidente transmitida por el selector a una determinada λ 41 Filtros Tipos filtros de interferencia operan en la región ultravioleta, visible y buena parte del infrarrojo filtros de absorción se limitan a la región visible del espectro 42 Filtros de interferencia se fundamentan en las interferencias ópticas para producir bandas estrechas de radiación Consta de: un dieléctrico transparente con frecuencia fluoruro de calcio o de magnesio El espesor de la capa dieléctrica determina la λ dos películas metálicas semitransparentes dos placas de vidrio u otro material transparente Parte del haz de luz atraviesa ambas películas y otra se refleja (sufre una interferencia destructiva) 43 Filtros de interferencia Características de transmisión de los filtros de interferencia 44 Filtros de absorción Son más baratos que los filtros de interferencia Se han utilizado mucho para la selección de bandas en la región visible Absorben ciertas zonas del espectro Tipos más habituales: un vidrio coloreado una suspensión de un colorante en gelatina que se coloca entre dos placas de vidrio Los filtros de absorción tienen anchuras de banda efectivas que oscilan entre 30 y 250 nm 45 Monocromadores Permiten hacer barrido espectral variar, de forma continua y en un amplio intervalo, la λ de la radiación Los monocromadores para las radiaciones ultravioleta, visible e infrarroja son similares Todos ellos utilizan Rendijas Lentes o Espejos forma de nuevo la imagen de la rendija de entrada y la enfoca en una superficie plana denominada plano focal una rendija de salida dispersa la radiación en sus longitudes de onda individuales elemento localizador produce un haz paralelo de radiación redes o prismas proporciona una imagen óptica rectangular en el plano focal aísla la banda espectral deseada Ventanas de entrada y de salida para proteger a los componentes del polvo y de los vapores corrosivos del laboratorio 46 Monocromadores Dos tipos: redes de dispersión prismas 47 Monocromadores 48 Rendijas del monocromador 49 Rendijas y anchura de banda Las rendijas de un monocromador juegan un importante papel para determinar sus características de funcionamiento y calidad La anchura de banda se define como el tramo de ajuste del monocromador (en unidades de longitud de onda) necesario para sustituir una imagen de la rendija de entrada (correspondiente a una determinada longitud de onda) por otra La anchura de banda efectiva, es la mitad de la anchura de banda cuando las dos anchuras de rendija son iguales. Se define como la longitud del plano focal ocupada por una determinada longitud de onda (la imagen de la rendija de entrada a través de la rendija de salida). 50 Rendijas y anchura de banda La medida cuantitativa de bandas de absorción estrechas requiere el uso de anchuras de rendija estrechas Sin embargo la disminución de la anchura de rendija presenta el inconveniente de causar una reducción exponencial de la energía radiante. 51 Rendijas y anchura de banda A la concentración c: A 2c el pico abarca el 30% de T El valor medio de la potencia transmitida es entonces el 35% de T ([100% - 30%]/2), que corresponde a 0,187 unidades de absorbancia El valor medio de la potencia transmitida es 45,5%, que corresponde a 0,263 unidades de absorbancia Pero, cuando la absorbancia para la concentración c es 0,187, se espera (según la ley de Beer) que la solución 2c tenga el doble de absorbancia 0,374 (= 2 x 0,187), y no 0,263 Con una longitud de banda espectral suficientemente estrecha, encontraremos que para cada longitud de onda la intensidad versus la longitud de onda sigue la ley de Beer. 52 Anchura de las líneas en espectroscopía de absorción o emisión atómica Se produce ensanchamiento por: Ensanchamiento natural Se produce como consecuencia del Principio de Incertidumbre de Heisenberg el tiempo de vida de un electrón en un estado excitado es limitado Efecto Doppler La frecuencia aumenta en a y disminuye en b 53 Anchura de las líneas en espectroscopía de absorción o emisión atómica Ensanchamiento de presión Es el resultado de las colisiones entre las especies que absorben o emiten con otros átomos o iones presentes en el medio (ensanchamiento Lorentz) o incluso con átomos del mismo elemento (ensanchamiento Holtsmark). Efectos producidos por campos eléctricos y magnéticos La presencia de campos eléctricos (efecto Stark) o magnéticos (efecto Zeeman) origina ciertas perturbaciones en las líneas de absorción o emisión 54 Detectores: fototubos 55 Fototubo 56 Espectroscopía de absorción molecular 57 Espectroscopía de emisión molecular 58 Espectrofluorímetro y fosforímetro 59 Configuración instrumental para AAS 60 Espectrocopia de absorción y emisión molecular Compartimento de muestras 61 Espectroscopía de absorción atómica. Compartimento de muestras 62 Espectroscopía de emisión atómica. 63
