ESCUELA SUPERIOR POLITCNICA DE CHIMBORAZO

FACULTAD DE CIENCIAS

ESCUELA DE FSICA Y MATEMTICAS

CARRERA DE BIOFSICA

ESPECTROSCOPIA PRINCIPALES MTODOS PTICOS DE ANLISIS Nombre: Diana AguayCdigo: 496Fecha: El 03 de abril del 2014Riobamba - Ecuador 2014

MTODOS PTICOS DE ANLISISIntroduccinLos mtodos pticos de anlisis cubren un amplio campo de aplicacin incluyndose bajo su denominacin todos aquellos que implican la medida de la radiacin electromagntica emitida por la materia o que interacciona con ella. (Hernndez Hernndez & Gonzlez Prez, 2002)Se incluyen, por lo tanto, todos los campos del espectro electromagntico desde los rayos gamma a las ondas de radio. Tambin se estudian todas las formas de obtencin de radiacin electromagntica, as como su interaccin con la materia- incluyndose la emisin, la absorcin, la dispersin (), la refraccin, la dispersin refractiva (), la reflexin, las interferencias, la difraccin y la polarizacin, y se describen los mtodos basados en cada uno de los mecanismos. (Olsen, 1990)Actualmente el uso de mtodos pticos est generalizado, debido a su rapidez, a la gama de instrumentacin disponible y sus grandes posibilidades de automatizacin. En muchos casos es posible la resolucin de un problema analtico sin necesidad de recurrir a mtodos de otro tipo. (Hernndez Hernndez & Gonzlez Prez, 2002)Resulta adecuado dividir los mtodos pticos de anlisis en dos tipos fundamentales, los espectroscopios y los no espectroscpicos.

Los mtodos espectroscpicos se basan en la medida de la intensidad y la longitud de onda de la energa radiante. La caracterstica comn a todos los mtodos espectroscpicos es que se miden espectros y adems, que estos son debidos a transiciones entre estados de energa caractersticos.

Por otro lado, los mtodos no espectroscpicos no miden espectros ni estn relacionadas con las transiciones entre estados de energa caractersticos sino que se basan en una interaccin entre la radiacin electromagntica y la materia que produce como resultado un cambio en la direccin o en las propiedades fsicas de la radiacin electromagntica. Los mecanismos especficos de la interaccin que intervienen en los mtodos no espectroscpicos son la refraccin, reflexin, la dispersin refractiva, la dispersin, las interferencias, la difraccin y la polarizacin. Son ejemplos de tcnicas no espectroscpicas la refractometra, la difraccin de rayos X y la polarimetra.

Los mtodos pticos ms utilizados son los espectroscpicos y en la mayora de ellos el mecanismo de interaccin se basa en la absorcin o emisin de energa. Los mtodos espectroscpicos se identifican fcilmente ya que llevan el prefijo espectro. Podramos decir que dos de los mtodos espectroscpicos son excepcionales en el sentido de que el principal mecanismo de interaccin no es ni la absorcin ni la emisin, stos son la espectroscopa Raman, que se basa en un tipo especial de interaccin de dispersin, y la espectropolarimetra que mide la polarizacin en funcin de la longitud de onda. (Olsen, 1990)Propiedades de la radiacin electromagntica Podemos definir la radiacin electromagntica como la propagacin de energa a travs del espacio sin el soporte de materia. Clsicamente el comportamiento de la radiacin se ha atribuido a su naturaleza ondulatoria, ahora bien, existen fenmenos, como el efecto fotoelctrico, que no pueden explicarse por la teora ondulatoria, y que requieren que la radiacin se comporte como pequeos haces de energa o como partculas, llamadas fotones. Existen algunos fenmenos como la propagacin de la luz en lnea recta, la reflexin, la refraccin y la dispersin de Rayleigh, que pueden explicarse por ambas teoras, ondas o fotones. (Olsen, 1990)Propiedades ondulatorias La fsica clsica define la radiacin electromagntica como un campo de fuerzas en el espacio con su frecuencia caracterstica, su velocidad y su intensidad. Se produce radiacin siempre que se acelera una partcula que se encuentra en un campo elctrico y/o magntico. El campo produce entonces una perturbacin que se mueve en el vaco con la velocidad de la luz y en otros medios con una velocidad algo menor. (Olsen, 1990)

(Olsen, 1990)En la figura 1-1 se representa el tipo ms sencillo de tren de onda electromagntico, que corresponde a uno que esta polarizado en un plano y de un nica frecuencia. El que sea polarizado en un plano significa que el vector de campo elctrico vibra en un nico plano y que el vector del campo magntico vibra en otro plano perpendicular al del campo electico. En la prctica la mayor parte de la radiacin electromagntica no est polarizada, esto significa que presenta vectores elctricos y magnticos en todas las direcciones perpendiculares a la direccin de propagacin. Al atravesar la materia la radiacin puede interaccionar con alguna partcula que tenga una carga elctrica c un momento magntico producindose una transferencia de energa entre la radiacin y la materia. (Olsen, 1990)Para caracterizar una onda pueden usarse los siguientes parmetros: Longitud de onda : es la distancia entre dos puntos de la onda que han pasa un ciclo completo; esto es, por ejemplo la distancia entre mximos o mnimos sucesivos. Se expresa en cualquier unidad de longitud, siendo la ms frecuente el metro, centmetro, angstrom, nanmetros y micrmetro. Frecuencia : es el nmero de ciclos por unidad de tiempo; por ejemplo, veces que pasa por un determinado punto en 1 segundo. La unidad de frecuencia es el segundo reciproco s-1 o Hertz (Hz). Nmero de onda : que se define como el inverso de la longitud de onda. Su unidad ms utilizada es el cm-1. La relacin entre los parmetros mencionados es:

Siendo c la velocidad de propagacin, que en el vaco es de 2,9979*1010 cm/s.Aunque cualquiera de los trminos anteriores puede utilizarse para caracterizar una onda, es necesario indicas que la verdadera caracterstica de una radiacin es la frecuencia, ya que la velocidad y la longitud de onda dependen del medio en el cual se propaga la onda.Hasta ahora se ha considerado la radiacin desde el punto de vista ondulatorio. Sin embrago, para describir cuantitativamente determinadas interacciones con la materia se hace necesario considerarla como un flujo e partculas o corpsculos, llamados fotones. La energa del fotn es proporcional a la frecuencia de la radiacin (relacin de Einstein- Planck):

Donde h es la constante de Planck (6,63*10-34J.s).La relacin anterior indica que la energa de un fotn de radiacin monocromtica ideal (una sola frecuencia) depende nicamente de su longitud de onda o de su frecuencia, de forma que un haz de radiacin puede ser ms o menos intenso en funcin de la cantidad de fotones por unidad de rea, pero la energa del fotn es siempre la misma para una determinada frecuencia.En la figura 2-2 se muestra las regiones ms importantes del espectro electromagntico. Es necesario tener en cuenta que las zonas de separacin entre regiones no estn establecidas de modo rgido, y al pasar de una regin a otra no existen discontinuidades en las propiedades de la radiacin. (Hernndez Hernndez & Gonzlez Prez, 2002)

(Hernndez Hernndez & Gonzlez Prez, 2002)Interaccin materia- radiacin electromagnticaCuando incide radiacin electromagntica sobre una muestra material puede ser absorbida por ella (generalmente de forma parcial), transformndose, en muchas ocasiones, en energa trmica. Sin embargo, otras veces, parte de la radiacin puede ser dispersada o re-emitida, con o in cambio en la longitud de onda. Incluso es posible que, como consecuencia de la interaccin, se origine simplemente un cambio en las propiedades de la radiacin, sin necesidad de producirse absorcin y emisin. Por otra parte, la muestra puede emitir radiacin electromagntica si se la excita bajo determinadas condiciones.Cuando la materia interacciona con energa trmica o electromagntica los tomos o molculas pueden pasar a un estado activado en el que permanecen durante un periodo de tiempo muy corto regresando a su estado fundamental. En este proceso ceden la energa previamente absorbida a su entrono en forma de calor, o en forma de fotones, de la misma longitud de onda o menos. (Hernndez Hernndez & Gonzlez Prez, 2002)Clasificacin de los mtodos pticos Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores es posible clasificar los mtodos pticos en espectroscpicos y no espectroscpicos. Mtodos espectroscpicos: son aquellos en los que existe intercambio de energa entre la radiacin electromagntica y la materia. En estos mtodos se miden espectros, siendo estos debidos a transiciones entre distintos niveles energticos. Mtodos no espectroscpicos: se caracterizan por no tener lugar intercambio de energa como consecuencias de la interaccin materia- radiacin electromagntica. No se producen transiciones entre los diferentes estados energticos, sino que lo que realmente ocurre son cambios en la direccin o en las propiedades fsicas de la radiacin electromagntica.Los primeros pueden basarse en procesos de absorcin y emisin, mientras que las transiciones entre distintos niveles energticos pueden tener lugar a nivel atmico o molecular. En los segundos, los principales mecanismos de interaccin implicados son la dispersin, difraccin, refraccin y polarizacin. A continuacin se muestra una clasificacin de los mtodos pticos indicando algunos de los ms utilizados. (Hernndez Hernndez & Gonzlez Prez, 2002)

(Hernndez Hernndez & Gonzlez Prez, 2002)

(Olsen, 1990)

Los mtodos de absorcin han sido, hasta el momento, los que uso mas gernerlizado. Se basan en la absorcion slectiva de radiacion por la misma especie a detemrinar o por un porducot de transformacin de dicha especie. En los mtodos de aborcion molecular las transiciones se producen entre niveles elecronicos, vibracionales y rotacionales, por absorcion de radiacion ultravioleta, visible, infraroja y de mircoondas.El espectro en las regiones visible y ultravioleta esta constitudio por bandas represnttvivas de un gran numero de transciones. Como, con la instrumentacin ordinaria, la resolucin de las diferentes badas no puede tenr lugar, las aplicaciones cualittatqavas de estas tenciacas son bastante limitadas.Sin embrazo, la snesiblidad es relativcamete alta, caracterisitca adecuada para aplicaciones cuantitativas.La absrocion de enrgia correspondiente al infrarrojo produce cambiso en la enrgia de vibracin y raotacion de los enlaces en las moelculas.Como los disitnos grupso fucnionales estan cosntidtudidos por configuraciones atomicas definifas, la absrocion de los deifernetes grupso tiene ligar a longitudes de onda caractrisricas. De aqu, lavalisoa informatcion cualittatica y estructural que se ovriene con este tipo de espectros. El talon de Aquiles de esta tcnica es su aspecto cuatitativo, pues la sensibilidad es relativamente pequea, salvo para ciertos grupos qumicos, tales como huidroxido e isocianato que presentan fuertes abssroviones.Uno de los progresos mas notables que ha experimentado la espectrofotometra infrarroja en poca reciente ha sido el empleop del sistema de tranformadas de Fourier, modalidad con la que se mejoran caracterisitcas en cuanto a rapidez, precisin y posibilidad de automatizacin.La absroocion de radacion a nievl atomicpo orginia transiciones entre nieveesles externos o entre niveles internos de lso atomos, segn la radiacion absrobida sea iltravioleta. visible y de rayos X respectiavemtene.La mayor utilidad de la espectrocopia de absorcion de rayos X se presenta en el estudio de espesores de materiales, pues en el terreno piramente analtico la aplicaciones son escasa, debido fundamentalemnte a su baja sensibilidad.El fundamento fsico-quimico de la espectrofotometra de absorcion atmica reside en el hecho de que caudno una radiacion de una determinada longitud de onda ser pone en contacto con atomos en fass de vapor, estos absroben radiaicaones enrgeticas corrspondientes a sis lienas de resonancia, pasando a estados excitados en cantidad proporcional a su concentracin. La atomizacin se procidce con frecuencia en una llama o con mtodos elctrotermicos y la radaicion icnidente se orignia en las llamdas lamapras de catodo huevo, que estan construidas utilziando el mismo elemlemnto a determinar .La tencia se carateriza pos us sencillez,rapidez y selectividad. Por otra pare, el instrumental necesario suele ser bastane asequible desde el punto de vista econocmico y la cantidad de muestra necesatia para una determinacin es muy pequea.Los mtodos de emisin son menos utilzaisos que los de absrocion y en el esquema anterior se idnican algunos. en ellos se utiliza la radiacin electromagntica emitida por la materia, independientemente de las causas que origina dicaha emisin.Se producen luminiscencia cuadno una especia molecular; que ha adquirido un estado electrnico yvibracional exvitado mediante una readiacion externa (fluorimetra y fosforimetra) o como cosnecuencua de una reaccin qumica (quimioluminicencia), pierden el exeso de energa virbracional mediente colisiones y a continuacin veulve al estado dundamental, emitiendo radiacion ultravioleta o visble. La caracterstica mas importante de estas tcnica des de el punto de vista analticos es us gran sensibilidad.De todas las tenciacs luminicentes, la mas importante, sin duda, es la floorimetria, habindose desarrolldado distintas modlaidades, tales como florimetria de lases( con la que es posible el anlsis de compestos florrecentes a nuvees de partes por trillon), floriemetia en mdicos micelsares, atrimepo resuelto, sincronica, trideimensional,etc. En cuanto a la fosforiemtria, puede indicarse que en los ltimos tiempo se ha apreciado un notable incremteno en su utilizacin, debido a mejoras que permiten trabjar a temprttua ambiente.La quimioluminiscencia no es una tencica de empleo masivo, si bien se ofrecen cada vez mejores osviblidades en el anslisis de trazas y en inmunoensayos.En la espectometria de emisin, la excitacin de la muestra se lleva a cabo medainete un arco o una chispa electrica.Geeneralmente la enrgia necesatia para la exicaitacion es tna alta que las expceies moleculares se disocian,con lo cual se emiten espectros atomicos o ionicos caracterisiticos. Obvaiamente estas trecanicas no sern de utiliadad para la dermiancion del estado de combonacion qumica de los elementos.La excitacin por arco o chispapresente ventjas e inconveneientes, lo cual delimiata sus campos de aplicaicon. Asi, elarco proporciona una enrgia mayor, lo que hace que sea mas sensible,auqnue su reproducibilidad es peorp que al de la chiaspa, de dnse se infiere que en anlisis cualitaios se prefiere el arco y en anlisis cuantitatio la chispa.Caunado se utiliza una llama como fuente de excitacin, la tenica se denomina fotometra de llama.debdio a que la llama es menos enrgetica que el arco o chispa, la fotometra de llama limita su campo de aplicaicon a nos pocos elementos; los mas facilemte excitados ,como alcalinos y alcalinotrreos.La utilziacion de un plasma como fuente de exitacion, ICP, presnte indudables ventjas relacioandas con su lata sensibilidad, gran intevalo ybuena selectividad.La fluorescencia atmica es una tcnica relativamente reciente y se puede sonsiderr relacionada con la espectrofotometra de abrosorcion atomoica, pues en lugar de medir las absrocion por atomos dormados en la llma se mide la misin de resonacnia o fliorenciaa de resonancoa que tiene lugar en todas dirrrecciones depeus de la absrocion. Su principalventaja frente a la absrocion atmica radia en que la snesiblidad es diretamrente porporcional a la internsidad de la fuente lunimosa, femnnomenos que no ocurre en absorcion atmica.La florecencia de rayos X cosniste en gernear reyos X en una mustesra usando otrosd rayos X(primarios, mas energticos) para su excitacoionm. Los rayos X emitidos (secuandarios) soncaracterisiticos de la muetra excitacada. El mtodo es, para el anlisis cualitatiso y cuantittitvao, mas importante que todos los dems mtodos de rayos X. l anlisis culittrvo se basa en la identidcacion de las radiaciones florecentes producidad y el cuantitavo en la medaidda de su intensidad , conm ayuda de la corespondiene curve de calibrado. El mtodo es rpido, de buena sensiblidad ybasatente exactitud si bien, las mayores ventajs con su espeficaidad y simplicidad.La turbidimetra y la nefelometra son tcnicas analticas basadas en la disperison de la luz por partculas en suspensin en el seno de una doslucion. como consecuentcia de la interaracion entre la radiacion y las partculas, el sistema no se elva a un novel energticamente excitado, sino que la readiacion icnidenete induce un dipolo elctrico ocailente, que actua como una ueva fuente emisora de radiacion.La intensidad de radaicinn que se presren en cualquier anglo depernde del numero de partculas, de su tamao y foram, de lso idndices de refraccin relativos de las partculas y del medio y de la longitud de onda de la radiacion icnidente, auqnue es factible un tratementto teorico que relacione las distintas vairables,d ebido a su gran complejidad, normalmente se utilzian procediemeintos que son esencialemte empricos.Pueden relizarse dos tipos de medidas. Si la disperison es lo sifeietemnte grande como para origniar una disminuciuioon apreciable en la intensidad de la radiacopn incidente, puede observarse el rayo transmitido en el mismo sentido que el incidente, denominndose turbidimetra a la correspondietne tcnica analtica. El modo de operar es esencialemnte anlogo al espectrofotomtrico.Si se trabaja con una suspensin que, o es muy diluida, o estacosntituida pro partculas relativamente pequeas, la relacion entre la intensidad de radaicion transmitida e incidene ser apreaticamnte la unidad, por lo que no pordra relizarse la medicin como en el caso anterior, deber medrisre la intensidad de radaicoon en un cierto angulo con repsecto al haz incidente, opernadondo normalemnte con un angulode 90. Esta tenica analtica reciebe el nombre de nefelometra, y se caracteriza por su mayor sensiblidad respecto a la turdimetria.A pesar de que lso temrinos turebidmietria y nefelometriasuelen restringrse a aquellas aplicaciones en las que se mide la concentracin e partculas en suspensin, existen tambin otras paliaciona basadas en las medadidas de dispersin de la luz, entre las que pueden citarse la detemincion de la foram tamao de las partculas, asi como la de masas moelcualres, espcialemte en el caso de polmeros.La tenica basada en la detterminacion del ndice de refraccin es la refractometraetre las ventajs que presenta esta etecnica cabe citar su carcter no destructivo, empleo de pequelas cantidades de muestra y medicicones rapidas y sencillas.Cuando se miden diefernecias entre el ndice de refracion de la muestra y el de una sustancia patrn se rtiene la interferometra,un poco mas compleja que la refratometra, pero con la venta de proprocionar mayor precisicon.La drifraccion de rayos X es el mtodo de mas utilizadad para estudiar estrcutras cristalindas de solidos, ciando se hace indiceir un haz monocomatico e de rayos X sobre una muesta csritalinda se obtiene un epxtro de rayos X dofractados caracterisitcso y la disposicion de sus lneas o crculos puede usarse con fines analticos.Un fundamento anlogo tienen la dirfracion de rayos gamma y de electrones.en alginos casos, estos tipos de difraccin presnten ventajas mfrente a los rayos X; uno de ellos puede ser cuando se trata de estudiar la superficie de un solido, pues el menor poder de penetracin de lso haces electrnicos hace que usando estos se puede prescindir del interior, cCmo se menciono anteriormente, la readiacion eectromagntica puede resolverse en dos componente que estan polzairzadas en palosn perpendicualres entre so. Por otra parte, un cierto numero de sustancias guiran el palno de vibracin de una readiacon polarizada, y la magnitud de la rotaion debida a una suatnacia detminda depende de sus concentracin . estas sustancias se caracterizan por su asimetra moelcular o crsitalina y se doice que son opicamente activas. La medida de lac tividad ptica de una sutancia constituye la bases de l

http://books.google.com.ec/books?id=YDvLEZ3AdLQC&pg=PA47&dq=metodos+opticos+de+analisis+espectroscopia&hl=es&sa=X&ei=Iq88U8nHJNXOsATAhYHIAg&ved=0CEwQ6AEwBjgK#v=onepage&q=metodos%20opticos%20de%20analisis%20espectroscopia&f=false http://books.google.com.ec/books?id=QChYqMlUlL8C&pg=PA353&dq=metodos+opticos+de+analisis+espectroscopia&hl=es&sa=X&ei=O688U7bSLKmlsQT52IH4DA&ved=0CFsQ6AEwBzgU#v=onepage&q=metodos%20opticos%20de%20analisis%20espectroscopia&f=false http://books.google.es/books?id=2DZYwx7p8csC&pg=PA52#v=onepage&q&f=false http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2001184/lecciones/Cap04/04_01_01.htm http://books.google.com.ec/books?id=yVYn7_MoaAIC&printsec=frontcover&dq=metodos+opticos+de+analisis+pdf&hl=es&sa=X&ei=Oa48U4hKpbGwBPq2gOgE&ved=0CDEQ6AEwAQ#v=onepage&q&f=false http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/2001184/lecciones/Cap04/04_01_01.htm

Referencias