Espectroscopía: Teoría y Técnicas UV-Vis e IR

1/18/2025
Unidad II. Espectroscopía
Objetivo de la Unidad de Aprendizaje:
El alumno determinará la estructura y concentración de diferentes analitos en muestras
representativas a través de técnicas espectroscópicas para identificar y cuantificar materias
primas, subproductos y productos terminados.
241
Conceptual revision
1. Spectroscopy
Lambert-Beer-Bouguer Law
2. Spectrometry
12. Monocromador
3. Spectrometer
13. Chromophore
4. Spectrophotometer
14. Sample cell holders
5. Molecular spectroscopy
15. Bathochromic displacement
6. Double beam spectrophotometer
16. Hypsochromic displacement
7. Single-beam spectrophotometer
17. Hyperchromic effect
8. Colorimetry
18. Hypochromic effect
9. UV/vis technique
19. Absorptance
10. IR Technique
20. Transmittance
11. Beer Law or Lambert-Beer Law or
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1
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Unidad II. Espectroscopía
Espectrometría de absorción ultravioleta-visible (UV-Vis)
4
7
5
Espectrometría de infrarrojo (IR)
6
Espectrometría de absorción atómica de flama (EAAF) *
Espectrometría de masas *
243
Tema 4. Espectrometría de absorción
ultravioleta-visible (UV-Vis)
• Saber:
• Explicar la teoría del espectro electromagnético como fundamento de las técnicas
espectroscópicas.
• Discutir la Ley de Lambert Beer (absorbancia-transmitancia), para la cuantificación de
una muestra.
• Explicar el principio de la técnica de UV-Vis (interacción de la radiación UV-Vis con la
materia).
• Saber hacer:
• Distinguir los componentes de un espectrofotómetro de UV-Vis.
• Establecer las condiciones óptimas de operación y manejo de muestras en el
espectrofotómetro de UV-Vis.
• Interpretar espectros de absorción ultravioleta para identificar la presencia de grupos
cromóforos comunes.
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Agenda
• Introducción a los métodos espectrométricos
• Propiedades generales de la radiación electromagnética
• Propiedades ondulatorias de la radiación electromagnética
• Descripción matemática de una onda
• Fenómenos de la radiación electromagnética
• Propiedades del modelo de partículas de la radiación electromagnética
• Espectro electromagnético
• Métodos espectroscópicos
• Componentes de los instrumentos ópticos
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Introducción a los métodos
espectrométricos
• Esta unidad trata de un modo general las interacciones de las
ondas electromagnéticas con las especies atómicas y
moleculares.
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Introducción a los métodos
espectrométricos
La
espectrometría
y
los
métodos espectrométricos se
refieren a la medición de la
intensidad de la radiación con
un transductor fotoeléctrico u
otro
tipo
de
dispositivo
electrónico.
Métodos
espectrométricos
Espectroscopía
molecular
Espectroscopía
atómica
247
Propiedades generales de la
radiación electromagnética
• Muchas de las propiedades de la radiación electromagnética se
describen por medio de un modelo ondulatorio sinusoidal
clásico, que incorpora características como longitud de onda,
frecuencia, velocidad y amplitud. En contraste con otros
fenómenos ondulatorios, como el sonido, la radiación
electromagnética no requiere medio de soporte para su
transmisión y, por tanto, pasa con facilidad por el vacío.
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Propiedades generales de la
radiación electromagnética
Longitud de onda
Número de onda
Periodo
Propiedades de la radiación
electromagnética
Frecuencia
Velocidad
Amplitud
Potencia
Intensidad
249
Propiedades generales de la
radiación electromagnética
• Representación de un solo
haz
de
radiación
electromagnética polarizada
en el plano. El término
polarizada en el plano
significa que las oscilaciones
de los campos eléctrico o
magnético yacen en un solo
plano.
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Propiedades generales de la
radiación electromagnética
• La longitud de onda λ, que es la distancia lineal entre dos
puntos equivalentes cualesquiera en ondas sucesivas (p. ej.,
máximos o mínimos sucesivos).
• Las unidades que se suelen usar para describir la longitud de
onda difieren de modo considerable en varias regiones del
espectro. Por ejemplo, la unidad angstrom, Å (10-10 m), es
conveniente para rayos X y radiación ultravioleta corta; el
nanómetro, nm (10-9 m), se emplea con la radiación visible y la
ultravioleta; el micrómetro, μm (10-6 m), es útil para la región del
infrarrojo. (El micrómetro se llamaba micra en las primeras
publicaciones; ya no se recomienda el uso de este término.)
251
Propiedades generales de la
radiación electromagnética
• El número de onda 𝜈̅ , que se define como el recíproco de la
longitud de onda en centímetros, es otra forma de describir la
radiación electromagnética. La unidad para es cm-1. El número
de onda se usa ampliamente en la espectroscopía infrarroja. en
contraste con la longitud de onda, es directamente proporcional
a la frecuencia y, por tanto, a la energía de radiación.
𝜈̅ 𝑐𝑚
=
10 000
𝜈 𝐻𝑧
=
𝜆 𝜇𝑚
𝑐 𝑐𝑚⁄𝑠
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Propiedades generales de la
radiación electromagnética
• El tiempo en segundos que se requiere para el paso de máximo
o mínimos sucesivos por un punto fijo en el espacio se llama
periodo t de la radiación. La unidad común de frecuencia es el
recíproco del segundo (s-1), o hertz (Hz), que corresponde a un
ciclo por segundo.
• La frecuencia ν es el número de oscilaciones del campo que
ocurren por segundo y es igual a 1/t.
253
Propiedades ondulatorias de la
radiación electromagnética
• La velocidad de propagación c en metros por segundo es el
producto de la frecuencia en ciclos por segundo por la longitud
de onda en metros por ciclo.
𝑐 = 𝜆𝜈
• Es importante entender que la frecuencia de un haz de
radiación está determinada por la fuente y permanece
invariable. En contraste, la velocidad de la radiación depende
de la composición del medio por el que pasa.
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Propiedades ondulatorias de la
radiación electromagnética
Definición constante
Símbolo
Valor numérico
Unidad
frecuencia de transición Cs
hiperfina de Cs
velocidad de la luz en vacío c
9 192 631 770
Hz
299 792 458
m s–1
Constante de Planck
h
6.626 070 15 x 10–34
Js
cargo elemental
e
1,602 176 634 x 10–19
C
Constante Boltzmann
k
1,380 649 x 10–23
J K–1
Constante de Avogadro
NA
6,022 140 76 x 1023
mol–1
eficacia luminosa
Kcd
683
lm W –1
255
Propiedades ondulatorias de la
radiación electromagnética
• La amplitud A de la onda sinusoidal se muestra como la
longitud del vector eléctrico en un máximo de la onda.
• La potencia P de la radiación es la energía del haz que alcanza
un área determinada por segundo, mientras que la intensidad I
es la potencia por ángulo sólido unitario. Estas cantidades
están relacionadas con el cuadrado de la amplitud A. Aunque
en rigor no es correcto proceder así, la potencia y la intensidad
se usan de manera indistinta.
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Descripción matemática de una
onda
• Con el tiempo t como
variable, la magnitud del
campo eléctrico
𝑥 𝑡 = 𝑃𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 = 𝜑 𝑡
= 𝑃𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟
𝑥 𝑡 = 𝐴 sin 𝜔𝑡 + 𝜃 = 𝐴 sin 2𝜋𝜈𝑡 + 𝜃
⇒ 𝐴
𝜔𝑡 + 𝜃 = 𝑓𝑎𝑠𝑒
𝜑 𝑡 = 𝜑 sin 𝜔𝑡 + 𝜃
= 𝜑 sin 2𝜋𝜈𝑡 + 𝜃 ⇒ 𝜑
2𝜋
𝜔 = 2𝜋𝜈 =
𝑡
𝐴 = 𝐴𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑 = 𝜑
= 𝐴𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟
𝜃 = 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
𝜈 = 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
𝜔 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟
257
Descripción matemática de una
onda
• El
principio
de
superposición
establece que cuando dos o más
ondas atraviesan el mismo espacio,
ocurre una perturbación que es la
suma de las perturbaciones causadas
por las ondas individuales. Este
principio se aplica a las ondas
electromagnéticas en las que dichas
perturbaciones involucran un campo
eléctrico, así como con otros tipos de
ondas, en las que se desplazan
átomos o moléculas. Cuando n ondas
electromagnéticas que difieren en
frecuencia, amplitud y ángulo de fase
pasan por algún punto en el espacio
de forma simultánea, el principio de
superposición y la ecuación x(t) es el
campo resultante.
𝑥 𝑡 =
𝐴 sin 2𝜋𝜈 𝑡 + 𝜃 =
𝐴 sin 2𝜋𝜈 𝑡 + 𝜃 +
𝐴 sin 2𝜋𝜈 𝑡 + 𝜃 + ⋯ +
𝐴 sin 2𝜋𝜈 𝑡 + 𝜃
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Descripción matemática de una
onda
• Una amplitud máxima ocurre cuando las dos ondas están
completamente en fase, una situación que ocurre siempre que
la diferencia de fase entre ondas (θ1 - θ2) sea 0°, 360°, o un
múltiplo entero de 360°. En estas circunstancias, se dice que
ocurre una interferencia constructiva máxima.
• Una interferencia destructiva máxima ocurre cuando (θ1 - θ2) es
igual a 180° o 180° más un múltiplo entero de 360. La
interferencia desempeña un papel importante en muchos
métodos
instrumentales
basados
en
la
radiación
electromagnética.
259
Descripción matemática de una
onda
• La superposición de dos ondas con amplitudes idénticas, pero
frecuencias distintas. La onda resultante ya no es sinusoidal, sino
que manifiesta periodicidad, o pulsación. Observe que el periodo de
la pulsación tb es el recíproco de la diferencia de frecuencias Δν
entre las dos ondas.
𝑡 =
1
1
=
∆𝜈 𝜈 − 𝜈
• Un aspecto importante de la superposición es que una forma de
onda compleja se puede descomponer en componentes simples
mediante una operación matemática llamada transformación de
Fourier.
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Fenómenos de la radiación
electromagnética
• La difracción, un proceso en el cual un haz paralelo de
radiación se curva cuando pasa por una barrera afilada o por
una abertura reducida. La difracción es una propiedad de la
onda que se puede observar no sólo para radiación
electromagnética, sino también para ondas mecánicas o
acústicas.
• La difracción es una consecuencia de la interferencia. Esta
relación es más fácil de entender mediante un experimento
efectuado por primera vez por Thomas Young en 1800, con el
que demostró sin ambigüedades la naturaleza ondulatoria de la
luz.
261
Fenómenos de la
radiación
electromagnética
•
Difracción de la radiación
monocromática
mediante
ranuras.
𝑛𝜆 = 2𝑑 sin 𝜃
𝑛 = 𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
𝜆 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑜𝑛𝑑𝑎, 𝑒𝑛 𝑛𝑚
𝑑 = 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑝𝑙𝑎𝑛𝑎𝑟 𝐵𝐶,
𝑒𝑛 𝑛𝑚
𝜃 = á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛
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Fenómenos de la radiación
electromagnética
• Las observaciones experimentales
demuestran que la rapidez a la que se
propaga la radiación a través de una
sustancia transparente es menor que
su velocidad en el vacío y depende de
las clases y concentraciones de los
átomos, iones o moléculas que haya
en el medio. Se infiere de estas
observaciones que la radiación tiene
que interactuar de alguna manera con
la materia. Sin embargo, como no se
observa un cambio de frecuencia, la
interacción no puede involucrar una
transferencia permanente de energía.
• El índice de refracción de casi todos
los líquidos está entre 1.3 y 1.8; para
los sólidos es de 1.3 a 2.5 o más.
• El índice de refracción de un
medio es una medida de su
interacción con la radiación y se
define como:
𝑛 =
𝑐
𝜈
𝑛 = í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛
𝑐 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑐í𝑜
𝜈 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜
263
Fenómenos de la radiación
electromagnética
• Puesto que la velocidad de la radiación depende de la longitud de onda y
como c en la ecuación es independiente de la longitud de onda, el índice
de refracción de una sustancia también debe cambiar con la longitud de
onda. La variación del índice de refracción en función de la longitud de
onda o de la frecuencia se denomina dispersión.
• En la región de dispersión normal hay un incremento gradual del índice de
refracción acompañado del aumento de la frecuencia (o disminución de la
longitud de onda). Las regiones de dispersión anómala son intervalos de
frecuencia en los cuales ocurren cambios abruptos en el índice de
refracción.
• La dispersión anómala siempre se presenta en frecuencias que
corresponden a la frecuencia natural armónica asociada con alguna parte
de una molécula, átomo o ion de la sustancia. En dicha frecuencia se
presenta la transferencia permanente de energía desde la radiación a la
sustancia, y se observa la absorción del haz.
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Fenómenos de la radiación
electromagnética
• Cuando la radiación atraviesa con cierto
ángulo la interfase entre dos medios
transparentes de diferentes densidades,
se observa un cambio abrupto de
dirección, es decir, de refracción, del haz,
como consecuencia de una diferencia en
la velocidad de la radiación en los dos
medios. Cuando el haz pasa de un medio
menos denso a otro más denso, como en
la figura, el cambio de dirección es hacia
la normal de la interfase. El cambio de
dirección se aleja de la normal cuando el
haz pasa de un medio más denso a uno
menos denso. El grado de refracción
sigue la ley de Snell:
𝜈
𝑛
𝑠𝑖𝑛 𝜃
=
=
𝜈
𝑛
𝑠𝑖𝑛 𝜃
265
Propiedades del modelo de partículas
de la radiación electromagnética
• El modelo ondulatorio no toma en cuenta los fenómenos
relacionados con la absorción y emisión de energía radiante. Para
entender estos procesos, es necesario recurrir a un modelo de
partículas en el cual la radiación electromagnética es vista como una
corriente de partículas discretas, de paquetes de ondas o energía
llamados fotones. La energía de un fotón es proporcional a la
frecuencia de la radiación. Estos puntos de vista duales de la
radiación como partículas y como ondas no son mutuamente
excluyentes, sino más bien complementarios. De hecho, se
encuentra que la dualidad onda-partícula se aplica al
comportamiento de las corrientes de electrones, protones y otras
partículas elementales, y es la mecánica ondulatoria la encargada
de darle una explicación racional.
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Propiedades del modelo de partículas
de la radiación electromagnética
• Heinrich Hertz observó por primera vez el efecto fotoeléctrico en
1887, e hizo saber que era más fácil hacer saltar una chispa entre
dos esferas cargadas cuando su superficie estaba iluminada.
• Einstein propuesto la relación entre la frecuencia v de la luz y la
energía E como lo expresa la famosa ecuación
𝐸 =ℎ𝜈
𝐸 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎
ℎ = 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑃𝑙𝑎𝑛𝑐𝑘
𝜈 = 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
267
Espectro
electromagnético
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Espectro electromagnético
269
Métodos espectroscópicos
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Componentes de los instrumentos
ópticos
Fenómenos
ópticos.
Absorción.
Fluorescencia.
Fosforescencia.
Dispersión.
Emisión.
Quimioluminiscencia.
271
Componentes de los instrumentos
ópticos
Componentes
generales de
los
instrumentos
ópticos
típicos.
1. Fuente estable de energía radiante.
2. Recipiente transparente donde se coloca la
muestra.
3. Dispositivo que aísla una región restringida del
espectro para efectuar las mediciones.
4. Detector de radiación.
5. Unidad que procesa las señales y despliega
resultados.
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Componentes de los instrumentos
ópticos
Las primeras dos configuraciones instrumentales que se usan para medir absorción, fluorescencia y
fosforescencia requieren una fuente externa de energía radiante. En el caso de la absorción, el haz de la fuente
pasa por el selector de longitud de onda y luego atraviesa la muestra, pero en algunos instrumentos las
posiciones del selector y la muestra están invertidas.
273
Componentes de los instrumentos
ópticos
En b) se ilustra la configuración para las mediciones de fluorescencia. En
este caso se necesitan dos selectores de longitud de onda para escoger las
longitudes de la excitación y la emisión. La radiación de la fuente
seleccionada incide en la muestra y se mide la radiación emitida, por lo
regular en ángulos rectos para evitar la dispersión.
Por lo que toca a la fluorescencia y fosforescencia, la fuente induce a la
muestra, que está contenida en el recipiente, a emitir una radiación
característica, la cual se mide de ordinario a un ángulo de 90° respecto a la
muestra.
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Componentes de los instrumentos
ópticos
En c) se ilustra la configuración para la espectroscopia de emisión. La fuente emite energía térmica en la forma de una
llama o plasma que produce un vapor del analito, el cual emite radiación aislada por el selector de longitud de onda y
la convierte en una señal eléctrica por medio del detector.
Las espectroscopías de emisión y de quimioluminiscencia difieren de otros tipos en que no se requiere fuente de
radiación externa; la muestra misma es el emisor (véase la figura c). En la espectroscopía de emisión, el contenedor
de la muestra es un plasma, una chispa o una llama que además hace que la muestra emita su radiación
característica. En la espectroscopía de quimioluminiscencia, la fuente de radiación es una solución del analito con
reactivos contenidos en un recipiente transparente. La emisión se logra con la energía que libera una reacción química
en la cual el analito toma parte directa o indirectamente.
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Componentes de los instrumentos
ópticos
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Componentes de los instrumentos
ópticos
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Componentes de los instrumentos
ópticos
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Componentes de los instrumentos
ópticos
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