Transcript INSTRUMENTACIÓN ABSORCIÓN UV.

QUÍMICA INSTRUMENTAL
2° año del Ciclo de
Licenciatura en Criminalística
Espectrofotometría de absorción molecular
UV-visible
Absorción de radiación
Proceso en que la energía electromagnética se transfiere a átomos, iones o
moléculas.
La absorción provoca que la partícula pase de un estado fundamental a u
estado excitado de energía superior.
Los átomos, moléculas o iones poseen un número limitado de niveles de
energía discretos.
Para que se produzca la absorción, la energía de los fotones excitadores debe
coincidir exactamente con la diferencia de energía del estado fundamental y de
uno de los estados excitados de la especie absorbente.
Como estas diferencias de energía son características, el estudio de la
radiación absorbida proporciona un medio para caracterizar los componentes
de la muestra.
Absorción de la radiación
Absorción atómica:
Absorción de sólo unas pocas  bien definidas. La simplicidad del
espectro se debe al pequeño número de estados de energía de la
partícula absorbente.
La excitación solo puede producirse mediante un proceso
electrónico en el que uno o más electrones se promocionan a un
nivel de energía superior.
El vapor de sodio presenta dos picos de absorción agudos muy poco
separados entre en la región amarilla del espectro (589,0 y 589,6 nm),
que son consecuencia de la excitación del electrón 3s a dos estados
3p que difieren muy poco en energía.
Absorción de la radiación
Absorción molecular:
Espectro más complejo que en los átomos. Mayor número de estados energéticos.
La energía E asociada al espectro de bandas de una molécula está formada por tres
componentes.
E = Eelectrónica + Evibracional + Erotacional
Eelectrónica : estados energéticos provenientes de distintos electrones enlazantes.
Evibracional : energía total asociada al elevado número de vibraciones interatómicas.
Erotacional : energía asociada a los movimientos rotacionales dentro de la molécula.
Para cada estado de energía electrónica de una molécula existen varios niveles
cuantizados de estados vibracionales posibles, y a su vez, para cada uno de esos
estados vibracionales existen numerosos estados rotacionales posibles.
Observando el diagrama anterior
 Diferencia de energía entre los estados fundamental y
excitados tanto en la transición electrónica como en la
vibracional.
 La energía se calcula con: E = hv (vi = 1/h (E1 + e´i – E0).
 Entre estados vibracionales: vi = 1/h ( ei – e0).
 Aunque no se muestre en el diagrama para cada estado
vibracional se encuentra asociado un estado rotacional, la
diferencia de energía entre estados rotacionales es
pequeña respecto de los estados vibracionales.
Procesos de relajación
 En general el tiempo de vida de un átomo o una
molécula en el estado excitado es muy breve (10-8 s
10-15 s), ya que existen diversos procesos de
relajación que permiten el regreso al estado
fundamental.
 Relajación no radiante. (conversión interna y externa)
 Relajación o desactivación radiante (fluorescencia y
fosforescencia).
 El mecanismo más probable hacia el estado
fundamental es aquel que minimiza el tiempo e vida
del estado excitado.
Relajación no radiante
 Consiste en la pérdida de energía en una
serie de etapas donde la energía de
excitación se transforma en energía cinética
mediante la colisiones con otras moléculas.
 Otra posibilidad es la transformación de dicha
energía en calor, aunque no detectable, se
considera como una leve perturbación del
sistema.
 La relajación con entrega de calor es la más
común.
Relajación radiante
 Fluorescencia y fosforescencia. Procesos de
emisión de radiación.
 La fluorescencia sucede más rápido que la
fosforescencia.
 La emisión de fosforescencia tiene lugar
durante períodos más largos, puede
continuar durante minutos, incluso horas
después de que la irradiación haya finalizado.
Fluorescencia de resonancia y no
resonante
 F. de resonancia: la frecuencia de la radiación emitida es igual a





la utilizada para la excitación.
Se da en átomos en estado gaseoso que no poseen estados
vibracionales superpuestos a los estados electrónicos.
F. no resonante, se da en moléculas en disolución o en estado
gaseoso. La radiación promueve a la molécula a cualquiera de
los estados vibracionales excitados.
Como el tiempo de vida de estos estados es mucho más corto
(10-15 s) que cualquier otro estado, la relajación vibracional
ocurre primero que la relajación electrónica.
En consecuencia la frecuencia de la radiación emitida es menor
que la frecuencia de la radiación excitante en una cantidad igual
a la frecuencia vibracional de excitación. (desplazamiento
Stokes).
¿Cuál predomina?
Relajación vibracional = relajación no
radiante
 Proceso de relajación muy efectivo, cómo se dijo, el
tiempo de vida medio de una molécula excitada
vibracionalmente es muy corto respecto de un estado
excitado electrónicamente.
 Como consecuencia, la fluorescencia de la
disolución, siempre implica transiciones desde el
nivel vibracional más bajo de un estado electrónico
excitado.
 Sin embargo se producen picos muy próximos ya
que el electrón puede volver a cualquiera de los
estados vibracionales del estado fundamental hasta
relajarse por completo.
Fosforescencia
 Una transición singulete/triplete (o viceversa), que
implica un cambio en el estado electrónico es
significativamente menos probable que la transición
singulete/singulete.
 Se verá, que en ciertas moléculas, un estado triplete
puede ser ocupado desde un estado excitado
singulete; la última consecuencia de este proceso es
a menudo la fosforescencia.
 Fosforescencia: Se produce cuando una molécula se
relaja a un estado electrónico excitado metaestable
(denominado estado triplete), que tiene un tiempo de
vida mayor a otras relajaciones.
Conversión interna, externa, cruzamiento
entre sistemas y Fosforescencia
 La conversión interna describe procesos
intermoleculares por lo que la molécula pasa
a un estado electrónico de más baja energía
sin emisión de radiación.
 Particularmente eficaz cuando dos niveles de
energía electrónicos están próximos para que
haya solapamiento de los niveles de energía
vibracional.
 Proceso más probable que la pérdida de
energía por fluorescencia desde un estado
excitado más alto.
Conversión interna, externa, cruzamiento
entre sistemas y Fosforescencia
 La desactivación de un estado electrónico
excitado puede implicar interacción y
transferencia de energía entre la molécula
excitada y el disolvente u otros solutos.
Conversión externa.
 Evidencia: marcado efecto sobre la
intensidad de fluorescencia.
 Reducir el nro. de colisiones exalta la
fluorescencia (baja temp. y alta viscosidad).
Conversión interna, externa, cruzamiento
entre sistemas y Fosforescencia
 Proceso en el que el espín del electrón
excitado se invierte. Estado triplete excitado.
 La probabilidad de esta transición aumenta si
los niveles vibracionales de los dos estados
se solapan.
 La desactivación posterior puede tener lugar
tanto por conversión interna o externa como
por fosforescencia.
Instrumentación
 La mayoría de los instrumentos espectroscópicos





incluyen cinco componentes:
una fuente estable de energía radiante.
un selector de longitud de onda que aísla una región
limitada del espectro para hacer la medición.
uno o más recipientes para la muestra.
un detector de radiación, que convierte la energía
radiante en una señal medible (generalmente
eléctrica).
un sistema que procesa y lee la señal, y la visualiza
en una escala de medida.
SIMPLE HAZ
DOBLE HAZ
Fuentes
 Suficiente energía radiante en el intervalo de
longitudes de onda utilizado.
 La intensidad debe mantenerse estable y
constante durante la medición.
 Para solucionar los problemas de fluctuación
de la fuente se utilizan sistemas de doble
haz.
 Se distinguen fuentes continuas y fuentes de
líneas.
 Las fuentes continuas emiten radiación cuya
intensidad solo varía en forma gradual con la
longitud de onda.
 Las fuentes de líneas emiten un número
limitado de bandas de radiación, cada una de
las cuales abarca un intervalo pequeño de
longitudes de onda.
 La fuente continua más común para la región
UV es la lámpara de deuterio (160 – 380 nm).
 Para la región visible se emplea
universalmente la lámpara de wolframio (320
– 2400 nm).
Lámpara de deuterio (D2)
 Excitación eléctrica del deuterio o hidrógeno
a baja presión.
 D2 + E(e)  D2  D’ + D” + hv
 E(e) = E
D2
= E D’ +
E D” + hv
(energía cinética)
el resultado es un espectro continuo
Volumen
reducido
Camino óptico
variable
Selectores de longitud de onda
 Se necesita una radiación constituida por un
grupo limitado, estrecho y continuo de 
denominado banda.
 Una banda estrecha aumenta la sensibilidad
de las medidas de absorbancia, proporciona
selectividad y es un requisito para obtener
una relación lineal entre la señal óptica y la
concentración.
 Las situación ideal sería una señal de salida
de sólo una .
 Se representa el % de




radiación incidente de una
determinada .
La anchura de banda
efectiva es una medida
inversa de la calidad del
selector.
Existen dos tipos de
selectores: los filtros y los
monocromadores.
Existen filtros de
interferencia y filtros de
absorción.
Existen monocromadores
de red y los prismas.
Filtro de interferencia
F2Ca, F2Mg
 Una fracción atraviesa la primer capa metálica, la parte que ha pasado
sufre una partición similar en la segunda capa metálica. Si la parte
reflejada de ésta segunda interacción es de  adecuada, se refleja
parcialmente desde la cara inferior de la primer capa, en fase con la luz
incidente de la misma .
 El resultado es que se refuerza esta , mientras que el resto sufre una
interferencia destructiva.
Puede calcularse la  transmitida realizando una relación con el espesor de la capa
dieléctrica t.
El haz incidente se desplaza con un ángulo 
La distancia recorrida por el haz reflejado en el punto 1’ es un múltiplo de su  en
el medio dieléctrico ’
Como la distancia entre superficies se determina con t/cos, la condición de
refuerzo es que:
n’ = 2t / cos 
como  se aproxima a 0 y el cos  a la unidad:
n’  2t
 = ’
 = 2t  / n
n: es el orden de interferencia. Las capas de vidrio absorben todas las bandas
reforzadas menos una, por lo que la interferencia es de sólo un orden.
 D: la dispersión lineal (mm/nm), mm de plano focal
ocupados por 1 nm de radiación
Rendijas del monocromador
 D: la dispersión lineal
(mm/nm), mm de
plano focal ocupados
por 1 nm de radiación
Detectores de radiación
 Un detector ideal debe tener elevada sensibilidad,
elevada relación señal / ruido, una respuesta
constante en un intervalo considerable de longitudes
de onda.
 Tiempo de respuesta rápido y una señal de salida
igual a cero en ausencia de iluminación.
 La señal eléctrica producida debe ser proporcional a
intensidad de la radiación.
 Muchos detectores reales presentan una pequeña
respuesta en ausencia de iluminación que se
denomina corriente oscura.
Detectores de fotones
 Fototubos de vacíos
 Fotomultiplicadores
 Fotodiodos de silicio
 Fotodiodos en serie
Fototubos de vacío
 Consiste en un cátodo semicilíndrico y un ánodo de
alambre sellados al vacío dentro de una cubierta
transparente de vidrio o cuarzo.
 la superficie cóncava del cátodo sostiene una capa
de material fotoemisor, como puede ser un metal
alcalino o un óxido metálico, que tiende a emitir
electrones cuando es irradiado.
 Cuando se aplica un potencial a través de los
electrodos, los electrones emitidos fluyen hacia el
ánodo produciendo una corriente eléctrica, que
fácilmente se puede amplificar y registrar.
 El número de electrones sacados de una superficie
fotoemisora es directamente proporcional a la
intensidad radiante del rayo que incide en la
superficie.
Fotomultiplicadores
 Es de construcción similar al fototubo.
 Los electrones emitidos son acelerados hacia un dínodo
que se mantiene a un potencial de 90 V más positivo que
el cátodo. Cada uno de los electrones acelerados que
chocan en la superficie del dínodo, produce algunos
electrones más; éstos a su vez son acelerados hacia el
dínodo siguiente, cuyo voltaje es 90 V más positivo que le
primer dínodo, y nuevamente se repite el proceso de
amplificación.
 Después de repetirse este proceso en cada uno de los
dínodos restantes, se originan 106 a 107 electrones por
cada fotón. Esta cascada de electrones se recoge al final
del ánodo.
Silicio como semiconductor
 cuya conductividad eléctrica es menor que la de un metal




pero mayor que la de un aislante.
elemento del grupo IV, tiene 4 electrones de valencia. En
un cristal cada uno de los electrones se combina con otros
cuatro átomos formando cuatro enlaces covalentes.
A temperatura ambiente, hay suficiente agitación térmica
para liberar un electrón que se mueve libremente en el
cristal.
El electrón deja atrás una región cargada positivamente
que se llama agujero que, como el electrón también es
móvil.
El movimiento del agujero sucede por etapas: un electrón
unido a un átomo de silicio vecino brinca a la región
deficiente de electrones, creando así otro agujero positivo
en su huella.
 La conductividad se
incrementa
recubriendo con
elementos del grupo
V o del grupo III
sobre el cristal del
silicio.
 Como en el caso del
arsénico (+5) que
dejaría un electrón
de más, o del galio
(+3) que dejaría un
electrón de menos,
es decir un agujero.
 Son más sensibles
que el fototubo pero
menos que el
fotomultiplicador.