Colorimetría

F.A.C.E.N.A
U.N.N.E.
QUÍMICA ANÁLITICA
TEMA:COLORIMETRÍA
PROFESORADO EN CIENCIAS
QUÍMICAS Y DEL AMBIENTE
PROF: FRANCISCO VAZQUEZ
Alumnas:
Correa G. Berenice
Gauna María
Año 2006
INTRODUCCIÓN
Sabemos que a Química es la ciencia que estudia los cambios o transformaciones que experimenta la
materia. A su vez, dentro de ella encontramos a la Química Analítica, la cual puede definirse como la
ciencia que determina la composición de materiales con base en los elementos o compuestos que la
integran. Al mismo tiempo ésta se divide en dos grandes categorías :la Química Analítica Cuantitativa, en
la cual se determinan las cantidades de los elementos o de los grupos químicos presentes en una muestra,
y la Química Analítica Cualitativa, en la cual el objetivo es el reconocimiento e
identificación de los mismos, dentro de ella podemos incluir a los métodos colorimétricos .Uno de estos
métodos es la Colorimetría; la cual se describirá a continuación.
OBJETIVOS:


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


Comprender los conceptos relativos a la interacción entre la radiación electromagnética y la
materia-, en los que se basan los métodos espectroscópicos en general y los colorimétricos en
particular.
Reconocer que el color que presentan algunas sustancias proporciona una vía para la detección y
el estudio de las propiedades fisicoquímicas de dichas sustancias.
Enunciar la Ley de Lambert-Beer, comprender el significado de las magnitudes que intervienen
en ellas e interpretar la naturaleza de las desviaciones a esta ley.
Reconocer la importancia práctica de la medida de la absorbancia para determinar la
concentración de una especie disuelta.
Describir los componentes básicos de un colorímetro y comprender que misión tiene cada uno de
ellos.
Saber aplicar el procedimiento experimental para medir la absorción de una sustancia en la
región visible del espectro, a una longitud de onda determinada.
Adquirir una experiencia práctica de algunas de as principales de la colorimetría, a fin de valorar
la información que aporta ésta técnica en el estudio de los problemas de interés químico.
LA ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN VISIBLE
La colorimetría es una técnica instrumental que tiene por objeto determinar la absorción de la luz visible
por una muestra, que puede ser una sustancia pura o bien una mezcla o disolución, con lo cual se pretende
establecer el valor de la concentración de dicha sustancia en disolución, mediante la comparación del
color de la misma con el de un patrón o referencia, sea ésta líquida o sólida.
Si un haz de luz blanca pasa a través de una celda de vidrio o cuba que haya sido llenada con un
líquido, la radiación emergente es de menos potencia que la radiación que entra. La disminución en la
potencia es por lo general de diferente grado para los distintos colores. Esta pérdida se debe en parte a las
reflexiones en la superficie y en parte a la difusión provocada por cualquiera de las partículas en
suspensión que se encuentran en el fluido, en cambio en los líquidos claros, el fenómeno ocurre debido a
la absorción de la energía radiante por el líquido.
Si la energía absorbida es mayor para algunas longitudes de onda del visible que para otras, el haz
emergente aparecerá coloreado.
El color La longitud de onda lambda ( ), es la distancia entre dos crestas adyacentes en una onda de un
haz de radiación. Está dada por la relación entre la velocidad y la frecuencia.
La frecuencia ( ) es el número de oscilaciones por segundo descriptas por una onda electromagnética;
la unidad habitual de la frecuencia es el hertz (1 hertz=1 ciclo por segundo).La velocidad c de
propagación es aproximadamente de 2.9979 x 10 (a la octava) m/s (a la menos uno) para una radiación
que viaja a través del vacío, y tiene un valor poco menor en el trayecto a través de un medio transparente.
Las unidades de longitud de onda son: el micrómetro (1um=10 (a la menos 6) m),y el nanómetro (1
nm:10 (a las menos 9) m), otra unidad que es frecuente usar es el número de onda v(o sea el nº de onda
por cm., llamado algunas veces Kaiser.
La expresión que vincula: la velocidad, la longitud de onda, la frecuencia y el nº de onda, la frecuencia
y el nº de ondas es: v=c/ =c.v
El color aparente de la solución es siempre el complemento del color absorbido, de modo que una
solución que absorba en la región del azul aparecerá como amarilla, la que absorbe en el verde aparecerá
como morada, etc.
Al referirnos al color, las tres características que lo determinan son el brillo, matiz y saturación, sin
embargo la importancia para el químico analítico de las soluciones coloreadas se basa en que la radiación
absorbida es característica del material que efectúa la absorción. Una solución que contenga iones
cúpricos hidratados, absorberá el amarillo y será transparente al azul, de modo que el cobre podrá
determinarse midiendo el grado de absorción amarilla. Cualquier material soluble coloreado puede
determinarse cuantitativamente en ésta forma. Además es posible determinar una sustancia que sea
coloreada, al agregar un reactivo que la convierta en un compuesto intensamente coloreado.
TABLA: COLORES DE LA RADIACIÓN VISIBLE
Rango aproximado
de longitud
de onda en nm
400 - 465
465 - 482
482 - 487
487 - 493
493 - 498
498 - 530
530 - 559
559 - 571
571 - 576
576 - 580
580 - 587
587 - 597
597 - 617
617 - 780
Color
Violeta
Azul
Azul verdoso
Azul verde
Verde azulado
Verde
Verde amarillento
Amarillo verde
Amarillo verdoso
Amarillo
Naranja amarillento
Naranja
Naranja rojizo
Rojo
Complemento
Verde amarillo
Amarillo
Naranja
Rojo naranja
Rojo
Rojo púrpura
Púrpura rojizo
Púrpura
Violeta
Azul
Azul
Azul verdoso
Azul verde
Azul verde
FUNDAMENTO MATEMÁTICO
En términos cuantitativos de la absorción de radiación por una muestra en la región visible, así como en
general en cualquier región del espectro, esta regida por la ley de Lambert- Beer. Esta ley establece que la
fracción de luz absorbida por una muestra es tanto mayor cuanto más grande es el número de moléculas
sobre las que incide la radiación.
En términos de cálculo esto puede enunciarse como: dp/dn=-kp
En donde: dp es la potencia absorbida en el nivel p de potencia por un incremento dn del número de
moléculas absorbentes, k es la constante de proporcionalidad, de ésta manera calculamos el grado de
absorbancia.
Experimentalmente se comprueba de la siguiente forma: en un recipiente de vidrio con caras planas
atravesadas por una radiación monocromática no se considerarán las pérdidas causadas por la reflexión en
las superficies y por la absorción en el vidrio. Supongamos que el recipiente se llena con una sustancia
absorbente disuelta en un
disolvente no absorbente. La radiación disminuirá en potencia entre mas penetre en el líquido y entre
mayor sea la concentración del soluto. Expresado esto en forma general resulta que la disminución en la
potencia es proporcional al nº de moléculas absorbentes en la trayectoria del haz.
ABSORTIVIDAD
Partiendo de la expresión dp/dn=-kp, la cual puede reducirse mediante tratamiento matemático a:log
po/p=A=abc
La constante A de la ecuación se denomina absortividad y es característica de una combinación particular
del soluto y el disolvente para una determinada longitud de onda.
La absortividad es una propiedad de una sustancia (propiedad intensiva, es decir que no depende de la
masa) mientras que la absorbancia es una propiedad e una muestra particular (propiedad extensiva, es
decir que depende de la masa) y que por lo tanto variará con las concentraciones y las dimensiones del
recipiente.
TABLA :
SÍMBOLO
NOMBRE
ACEPTADO DEFINICIÓN ACEPTADO
Transmitancia
OBSOLETO O
SUSTITUTO
SÍMBOLO NOMBRE
T
P/P0
............
A
log P0/P
Absorbancia
D,E
Densidad optica,
extinción
a
A/bc
Absortibidad
K
Coeficiente de
extinción, índice
absorbancia
e
AM/bc
Absortibidad
Am
molar
b
..........
Longitud de
la trayectoria
Transmisión
Coeficiente de
de extinción
molar (molecular)
índice de absorbancia
molar
Ld
La absorbancia A o la absortibidad son útiles como medida del grado de absorción de la radiación. El
símbolo a se usa si la naturaleza del material absorbente es desconocido y por lo tanto tampoco su peso
molecular. Es preferible usar la absortibidad molar e si se desea comparar la absorción de varias
sustancias de PM conocido.
La ley de Beer indica que la absortibidad es una constante independiente de la concentración, la longitud
de la trayectoria y la intensidad de la radiación incidente. Sin embargo, no proporciona ninguna
indicación sobre el efecto de la temperatura, la naturaleza del disolvente o la longitud de onda.
En la práctica se encuentra que la temperatura tiene solamente efectos secundarios, amenos que se varíe
sobre un rango demasiado amplio. La concentración variará muy poco con el cambio de temperatura
debido a la variación del volumen.
El efecto en la absorción de un soluto dado al cambiar el disolvente, no puede predecirse en forma
general. El analista está frecuentemente limitado al empleo de un disolvente particular o de un grupo de
disolventes donde el material es soluble, de modo que este problema no se presenta.
En el caso de trabajos con ultravioleta otras restricciones se manifiestan, en donde muchos de los
disolventes comunes, dejan de ser transparentes. El agua, el alcohol, el éter y los hidrocarburos saturados
so útiles para éstas experiencias, pero los compuestos aromáticos, el cloroformo, el tetracloruro de
carbono, la acetona y muchos otros no se usan, excepto para el ultravioleta muy cercano.
Aún a temperatura constante y en un disolvente específico, se encuentra a veces que la absortividad no es
realmente constante, sino que puede desviarse, ya sea a valores mayores o menores, es decir que las
desviaciones de la ley pueden designarse como positivas o negativas, según si la curva observada es
cóncava hacia arriba o hacia abajo.
FIGURA
A
b
s
o
r
b
a
n
c
i
a
2
1
3
Concentración
Ley de Beer (1) se cumple (2) desviación positiva y (3) desviación negativa
Esto no significa que un sistema absorbente no sea útil en análisis cuantitativo, pero si el material está
sujeto acondiciones específicas, podrá usarse como curva de calibración.
La concentración de un problema puede leerse entonces de la curva siempre y cuando su absorbancia se
determine por observación, la cual podría sufrir cambios al variarse las longitudes de onda así como
también pueden afectar la absortividad.
Por ello para determinar las curvas de absorción reales es necesario usar un instrumento capaz de producir
bandas de longitud muy estrechas, tal instrumento es el espectrofotómetro.
DESVIACINES DE LA LEY DE ABSORCIÓN
La forma de una curva de absorción puede variar también con los cambios en la concentración de la
solución, por lo que deben tomarse precauciones también en la observación. Este fenómeno puede
deberse también a la interacción de las moléculas del soluto entre ellas mismas o con las del disolvente, o
puede deberse también a factores instrumentales.
Un ejemplo de una desviación aparente causada por factores químicos es el cambio en el color de una
solución de K Cr O diluida en agua, que pasa del naranja al amarillo. Al ir diluyendo la solución de
bicromato, la absorbancia cambiará gradualmente de forma, al tiempo que disminuirán los valores
presentes de la absorbancia.
INSTRUMENTACIÓN
Los instrumentos que miden la absorción selectiva de la radiación en las soluciones se conocen con los
nombres de: colorímetros, absorciómetros o espectrofotómetros. El término colorímetro se aplica tanto
a los dispositivos visuales simples como a los fotoeléctricos, usados en la región del visible. El término
absorciómetro incluye a los colorímetros y a los instrumentos que pueden emplearse en otras regiones
espectrales. Éstas clases de instrumentos difieren levemente tan solo en categoría
COLORIMETROS
Antes de que estuvieran al alcance los instrumentos fotoeléctricos, los análisis colorimétricos se llevaban
a cabo con técnicas visuales simples. Muchos de estos métodos todavía se practican en vistas de que los
aparatos son menos costosos y de que la presición obtenida es la adecuada para muchas finalidades.
Generalmente se esperan una exactitud absoluta de (+) (-) 5%, si bien esta frecuentemente puede ser
mejorada con una atención cuidadosa en los detalles.
Los aparatos requiridos para los métodos de comparación visual pueden ser muy simples. Una selda de
comparación común es la del llamado tubo de Nessler.
La colorimetría está constituída según el diseño del aparato por recipientes para contener líquidos (todos
ellos), un sistema mecánico o hidraúlico para variar de cantidad de líquido a iluminar (colorímetros de
balances), sistema de dilusión de muestra (colorímetros de dilusión), sistema ópticos para facilitar el
proceso de comparación, incluyendo en este último: espejo de ópticas (lentes, prismas, etc), fuentes de
iluminación, caja oscura, filtro (colorímetro de filtro), monocromados (espectros colorímetro) y sistemas
fotoeléctricos de detección (fotocolorímetros).
"Cualquier colorímetro se fundamenta en el proceso de absorción de la luz por un medio transparente
coloreado". (Ley de Lambert Beer).
En función dels sistema de detección, los colorímetros se pueden clasificar en: a) visuales o b)
fotocolorímetros, según se utilice el ojo humano o un sistema de fotocélulas integradas en un circuito
eléctrico para detectar y comparar la luz transmitida a través de la disolución problema y de la referencia.
En los colorímetros visuales, el proceso de comparación de la luz emergente de la solución problema y la
emergente de la referencia consiste en alcanzar un balance de manera que a juicio del observador, ambas
luces emergentes sean idénticas. (Dicha situación equivale a igualar los primeros miembros de la ley de
Lambert Beer para la solución problema y para la referencia).
En los fotocolorímetros el proceso de balance como tal no existe ya que dos fotocélulas establecen la
diferencia entre la luz absorvida por la solución problema y la luz absorvida por la referencia, que en
estos casos se trata solo del disolvente. Esta situación diferencial es producida a una corriente eléctrica
que puede ser detectada mediante un micro amperímetro o un galvanómetro, mediante un calibrado
adecuado del aparato, por el que se representan por una parte las concentraciones conocidas de diferentes
soluciones y por otra parte las lecturas del microamperímetro, (normalmente como absorvancia o
transmitancia podemos establecer la concetración de cualquier solución).
Dependiendo de la cantidad de luz empleada en el proceso, los colorímetros pueden clasificarse en: a) de
banda ancha, si utilizan toda la luz disponible, b) de filtro si solo utilizan una banda de la longitud de
onda, para lo cual filtran la luz disponible inicialmente. Y c) espectros colorímetros, si solo utilizan un
margen muy estrecho de longitud de onda seleccionado mediante un sistema monocromador, pudiendo
seleccionar en los modelos más evolucionados una única longitud de onda.
Por otra parte, en función del tipo de luz utilizada, puede considerarse también la distinción entre
colorímetros de luz visible, luz ultravioleta, luz infrarroja, etc.
Los colorímetros de balance permiten medidas de mayor precisión., por ello se los tiene en cuenta en la
actualidad. En estos se mantienen constantes las concentraciones de las disoluciones problema y estándar
y se varía el camino óptico mediante sistemas que permiten modificar el espesor de la capa de líquido que
debe recorrer la luz en cada caso (solución problema y solución estándar).
El esquema original del colorímetro de Dubosq representa una síntesis de todos los colorímetros de
balance diseñados hasta 1868 y fue probablemente el comparador de color más ampliamente usado antes
de los instrumentos fotoeléctricos.
El aparato consiste en dos cilindros móviles C y C " en los que se ubican las soluciones problemas y
estándar respectivamente. Dichos cilindros, abiertos en un extremo, son de vidrio y tienen el fondo plano,
y se desplazan hacia arriba y abajo mediante dos sistemas independientes de tornillos graduados, permiten
que su interior se introduzca en mayor o menor medida dos tubos de cristal (plunger) también con fondo
plano. Dependiendo de la posición de cada uno de estos tubos se determinará un espesor de capa líquida,
la cual es atravesada por la luz que recoge el espejo M, situado en la base del aparato y enviado hacia los
prismas P y P" que desvían los ases luminosos a un sistema de lentes. Este permite que en un único ocular
se recoga un campo visual divido en dos mitades y cada una de ellas corresponde al camino óptico
implicado en cada uno de los dos cilindros dobles.
Cuando las dos mitades de dicho campo visual son idénticos la absorvancia es la misma para cada uno de
las dos muestras.
APLICACIÓNES
A pesar de sus limitaciones ,los métodos de comparación visual encuentran amplia aplicación para
análisis conveniente en los que son modestos los requisitos de presición.
Por ejemplo, se venden en el comercio equipos de prueba colorimetricas sencillos, pero útiles,para
determinar el ph y el contenido de cloro del agua en las piscinas de natación,pueden obtenerse también
equipos para análisis de suelos.
La planta de filtración de agua emplea comúnmente pruebas de comparación de colores para la
estimación de Fe, Si, F y Cl en abastecimientos de agua de las ciudades.Para dicho análisis se introduce
en la muestra un reactivo colorimétrico y el color resultante se compara con soluciones estándares
permanentes o con discos de plástico coloreados.Deben esperarse presiciones de quizás 10 a 50 por 100
relativos y bastan para los fines que se persiguen.
APLICACIÓN DE UN MÉTODO COLORIMÉTRICO EN AGUA
(Remitirse a documento Análisis)
BIBLIOGRAFÍA
 Métodos Instrumentales de Análisis (3º impresión) Howart H. Willard_Lynne L-Merritt, JR_Jhon A.
Dean. Editorial C.E.C.S.A.,Tallers de la CIA.Editorial Continental S.A.México Año 1970 Cápitulo
3-Pág.81.
 Métodos instrumentales de análisis químico. Libros Mc Graw - Hill de México (1978). Galen W.
Ewing. Capítulo 31 (páginas de 49 a 61).
 www.analisisdelcolor1_rtf_arc
 www.colorimetrosopticos_dibujos.com