Espectroscopia UV-visible

1. Introducción:

Aunque el descubrimiento de la dispersión de la luz por Newton data de 1704 el desarrollo de las técnicas experimentales en este campo fue muy lento. Sólo más de un siglo después Fraunhofer creó un sistema óptico, que mediante uso de prismas y rendija (slit), permitió detectar en el espectro de la luz solar las líneas de absorción que llevan su nombre. El conocimiento de que cada elemento químico posee un espectro de emisión de líneas característica se debe a Bunsen y Kirchhoff (1859), que pueden considerarse los fundadores del análisis espectral y los primeros que construyeron un equipo capaz de ser utilizado prácticamente. Su desarrollo llevó al descubrimiento de los nuevos elementos Rb, Cs, Sr, y a detectar la presencia del helio en el sol. Mientras la Espectroscopia de Emisión Atómica poseía ya a fines del siglo XIX numerosas aplicaciones prácticas, en especial en la determinación de metales en minerales, la Espectroscopia de Absorción Molecular en las regiones Ultravioleta y Visible sólo alcanzó desarrollo a partir de los años 30 del siglo XX. El desarrollo de sistemas de detección fotoeléctrica permitió en los años 40 la sustitución de los equipos de detección fotográfica, poco eficientes, y la generalización de esta técnica espectroscópica. A partir de entonces los espectrofotómetros UV-Vis se convirtieron en instrumental común en los laboratorios químicos.

2. Generalidades:

La espectrofotometría uv- visible, surge a partir del conocimiento del campo electromagnético, la técnica se basa en hacer incidir un haz de luz en la muestra, esto provoca la excitación de las partículas, en este momento, los electrones saltan de un estado de energía a otro mayor, dentro de los orbitales cuánticos que rodean la molécula. Es por esto que este fenómeno está muy relacionado con otros tales como la fluorescencia y luminiscencia.

La técnica indica la composición de la muestra, en función de los cambios energéticos, por la confiabilidad para la identificación de esta prueba es considerada dentro de la farmacopea de los Estados Unidos Mexicanos como definitiva, por lo tanto no es necesario el uso de mas marchas para identificar un compuesto determinado, sin embargo, esta técnica no solo es cualitativa, sino que también es en cuantitativa, ya que su función es medir la luz que sale, es posible bajo la longitud de onda adecuada y habiendo preparado antes una curva de calibración conocer la concentración exacta de una sustancia por medio de una extrapolación matemática usando el método de mínimos cuadrados, o bien una regresión lineal, que serian los más sencillos.

Una nomenclatura básica, al momento de usar esta técnica es:

Símbolo	Interpretación	Símbolo	Interpretación
A	Absorbancia	E	Exincion del haz de luz
T	Transmitancia	ε	Absortividad molar
B	Camino óptico	l	Camino óptico
C	Concentración de la muestra	K	Coeficiente de extinción

Por último, es importante hacer notar al momento de la interpretación de datos, que tomando en cuenta que la técnica se sustenta en la incidencia de un haz de luz, por lo tanto, una lectura negativa no es posible, es decir, es un error, debido a que, la muestra no absorbe, sino que adsorbe la luz, por lo tanto una fracción de la que entro debe de salir, además, se debe hacer hincapié que la absorbancia, la concentración de la muestra y el espesor de la celda son directamente proporcionales entre sí e inversamente proporcionales a la transmitacian, que mide la cantidad de luz transmitida una vez que ha pasado la muestra, por lo tanto si la transmitancia es del 100% o del 0% es lógico creer que la prueba ha salido mal.

3. Espectro UV:

3.1. Regiones del espectro Ultravioleta-Visible.

La región del espectro electromagnético que corresponde a las transiciones que involucran a electrones de la capa de valencia se extiende por longitudes de onda de 100 a 1000nm (regiones ultravioleta-visible e infrarroja cercana). No toda esta zona es de igual utilidad para la elucidación de estructuras orgánicas.

La región por debajo de 200nm, conocida como Ultravioleta lejano, presenta características que hacen complicada su utilización:

1. –En esta zona absorben las moléculas componentes del aire, lo que hace imprescindible trabajar con equipos evacuados (de aquí el nombre alternativo de la región: Ultravioleta de vacío).

2. - Los materiales usuales para la construcción de componentes ópticos (celdas, lentes, elementos dispersivos), el cuarzo y el vidrio, absorben fuertemente en esta zona. Se requiere trabajar con otros materiales, menos versátiles y más costosos (LiF, CaF₂, zafiro, utilizables hasta 115, 125 y 140 nm respectivamente).

3. -Los solventes absorben fuertemente en esta región. Los hidrocarburos saturados pueden usarse hasta 170 nm, los hidrocarburos perfluorados hasta 150nm.

4. - La sensibilidad de los detectores es generalmente baja.

5. - La absorción en esta zona es poco selectiva.

La región entre 200 y 400nm, llamada Ultravioleta cercana, es de gran utilidad en la determinación estructural de insaturación conjugada, aromaticidad o de ciertos grupos insaturados con pares electrónicos libres (carbonilo, nitro, etc.), sin presentar los serios inconvenientes del Ultravioleta de vacío. Se requieren materiales ópticos de cuarzo si se quiere acceder a la zona de longitudes de onda inferiores a 350nm, mientras que el vidrio es utilizable en el resto de la región Ultravioleta cercana y toda la región visible.

La región Visible, de 400 hasta cerca de 800nm, es la única del espectro electromagnético a la que es sensible el ojo humano. Las bandas de absorción presentes en esta zona corresponden a transiciones electrónicas de muy baja energía. Todos los compuestos coloreados absorben selectivamente en esta región. Los compuestos fuertemente conjugados y ciertos complejos de metales de transición absorben significativamente en la región visible.

Ciertas transiciones electrónicas pueden presentarse a longitudes de onda superiores a 800nm pero estas no soncomunes en los compuestos orgánicos.

En la Figura se muestra la región Ultravioleta Visible del espectro electromagnético, así como sus características.

3.2. Características de las bandas de absorción en la región Ultravioleta-Visible.

Las transiciones electrónicas en moléculas se presentan en forma de bandas, como ya se vio anteriormente, con modificación simultanea de los niveles de energía vibracionales y rotacionales. En moléculas pequeñas en fase gaseosa es posible observar la estructura fina vibracional de las bandas electrónicas con subestructura rotacional no bien resuelta. En moléculas más complejas la multiplicidad de los niveles vibracionales hace que el gran número de transiciones de similar energía produzca bandas de absorción continuas sin estructura fina vibracional evidente.

Esto es también lo usual cuando se registran los espectros de absorción UV en fases condensadas

Las principales características de una banda de absorción son: posición del máximo, intensidad y anchura. La posición de una banda, dada por la del máximo de absorción, depende de la energía de la transición (relación de Bohr) y se reporta usualmente como /nm o número de onda /cm^-1.

La intensidad de una banda de absorción puede expresarse como absortividad molar en el máximo,, o más correctamente como intensidad integrada. Esta intensidad depende del cuadrado del momento dipolo de la transición (cambio en la distribución de cargas eléctricas durante la transición). Se producen absorciones intensas cuando una transición es acompañada por un gran cambio en la distribución de cargas ( del orden de 10⁴), por otra parte las transiciones con pequeño cambio en la distribución de cargas producen débiles bandas de absorción ( del orden de 10² o inferiores). Dados los valores típicos de las absortividades molares en el UV, es común trabajar con soluciones de concentraciones 10^-3 a 10^-5 molL^-1. La anulación del momento dipolo de transición y por lo tanto la ausencia o baja intensidad de una banda de absorción está vinculada con la simetría de las funciones de onda y se expresa a través de las reglas de selección que estudiaremos posteriormente.

La anchura de una banda de absorción electrónica depende del número e intensidad de los componentes vibracionales de la transición correspondiente. La distribución de intensidades entre los componentes vibracionales de una transición electrónica depende de los cambios en la geometría de equilibrio de los estados base y excitados y es interpretada sobre la base del Principio de Franck Condon.

4. Ley de Beer-Lambert-Bouguer

La ley de Beer fue descubierta independientemente (y de distintas maneras) por Pierre Bouguer en 1729, Johann Heinrich Lambert en 1760 y August Beer en 1852, esta es una relación empírica que relaciona la absorción de luz con las propiedades del material atravesado.

4.1 Ecuaciones

Esto se puede expresar de distintas maneras:

Dónde:

§ A es la absorbancia (o absorbencia)

§ I₀ es la intensidad de la luz incidente

§ I₁ es la intensidad de la luz una vez ha atravesado el medio

§ l es la distancia que la luz atraviesa por el cuerpo

§ c es la concentración de sustancia absorbente en el medio

§ α es el coeficiente de absorción o la absorbancia molar de la sustancia

§ λ es la longitud de onda del haz de luz

§ k es el coeficiente de extinción

La ley explica que hay una relación exponencial entre la transmisión de luz a través de una sustancia y la concentración de la sustancia, así como también entre la transmisión y la longitud del cuerpo que la luz atraviesa. Si conocemos l y α, la concentración de la sustancia puede ser deducida a partir de la cantidad de luz transmitida.

Las unidades de c y α dependen del modo en que se exprese la concentración de la sustancia absorbente. Si la sustancia es líquida, se suele expresar como una fracción molar. Las unidades de α son la inversa de la longitud (por ejemplo cm^-1). En el caso de los gases, c puede ser expresada como densidad (la longitud al cubo, por ejemplo cm^-3), en cuyo caso α es una sección representativa de la absorción y tiene las unidades en longitud al cuadrado (cm², por ejemplo). Si la concentración de c está expresada en moles por volumen, α es la absorbencia molar normalmente dada en mol cm^-2.

El valor del coeficiente de absorción α varía según los materiales absorbentes y con la longitud de onda para cada material en particular. Se suele determinar experimentalmente.

La ley tiende a no ser válida para concentraciones muy elevadas, especialmente si el material dispersa mucho la luz.

La relación de la ley entre concentración y absorción de luz está basada en el uso de espectroscopia para identificar sustancias.

Ley de Beer-Lambert en la atmósfera [editar]

Esta ley también se aplica para describir la atenuación de la radiación solar al pasar a través de la atmósfera. En este caso hay dispersión de la radiación además de absorción. La ley de Beer-Lambert para la atmósfera se suele expresar:

Sin embargo para fines de este trabajo esta ecuación no aplica, debido a que se supone es un sistema cerrado.

4.2. Limitaciones de esta ley

Reales:

♪ Es aplicable para soluciones cuya concentración es inferior a 0.01M

♪ Los electrolitos cambian la naturaleza del analito a interactuar

Químicas:

♪ Si un analito se asocia, disocia o reacciona con el disolvente

Instrumentales:

♪ Margen de error de los instrumentos

♪ Radiación parasita o difusiva

4.3 Ejemplos resueltos

Problema:

Una solución de KMnO₄ con una concentración de 6.5X10^.5M, tuvo una transmitancia del 36.4%. La medición se realizo en una celda de 1.05cm de espesor y una λ de 525nm

Solución:

=6430, 7 cm^-1M^-1

Problema 2:

Hallar la absorbancia y transmitancia de una disolución cuya concentración es de 2,4x10^-3M, si la absortividad molas de la misma de es 0.313 y una calda utilizada tiene un paso óptico de 2cm

Solución:

5. Aplicaciones

La espectrometría UV/Vis se utiliza habitualmente en la determinación cuantitativa de soluciones de iones metálicos de transición y compuestos orgánicos muy conjugados.
Soluciones de iones metálicos de transición
Las soluciones de iones metálicos de transición pueden ser coloreadas (es decir, absorben la luz visible) debido a que los electrones en los átomos de metal se pueden excitar desde un estado electrónico a otro. El color de las soluciones de iones metálicos se ve muy afectado por la presencia de otras especies, como algunos aniones o ligandos. Por ejemplo, el color de una solución diluida de sulfato de cobre es muy azul; agregando amoníaco se intensifica el color y cambia la longitud de onda de absorción máxima.
Compuestos orgánicos
Los compuestos orgánicos, especialmente aquellos con un alto grado de conjugación, también absorben luz en las regiones del espectro electromagnético visible o ultravioleta. Los disolventes para estas determinaciones son a menudo el agua para los compuestos solubles en agua, o el etanol para compuestos orgánicos solubles. Los disolventes orgánicos pueden tener una significativa absorción de UV, por lo que no todos los disolventes son adecuados para su uso en espectrometría UV. El etanol absorbe muy débilmente en la mayoría de longitudes de onda. La polaridad y el pH del disolvente pueden afectar la absorción del espectro de un compuesto orgánico. La tirosina, por ejemplo, aumenta su máximo de absorción y su coeficiente de extinción molar cuando aumenta el pH de 6 a 13, o cuando disminuye la polaridad de los disolventes.
Aunque los complejos de transferencia de carga también dan lugar a colores, éstos son a menudo demasiado intensos para ser usados en mediciones cuantitativas.
La ley de Beer-Lambert establece que la absorbancia de una solución es directamente proporcional a la concentración de la solución. Por tanto, esta técnica puede usarse para determinar la concentración de una solución. Se debe saber con qué rapidez cambia la absorbancia con la concentración. Esto puede ser obtenido a partir de referencias (las tablas de coeficientes de extinción molar) o determinándolo a partir de una curva de calibración.
El espectrofotómetro UV/Vis puede utilizarse como detector para la Cromatografía Líquida de Alta Resolución (CLAR). La presencia de un analito da una respuesta que puede ser proporcional a la concentración. Para resultados precisos, la respuesta del instrumento al analito debe compararse con la respuesta a un estándar, lo que es muy similar al uso de curvas de calibración. La respuesta (por ejemplo, el pico de altura) para un concentración particular se conoce como factor de respuesta.

Equipos para espectrometría UV-visible

Espectrofotometro TU 1800 Uv-Vis Spectrophotometer

El TU1800/1800S es el más popular espectofotómetro de P-General. Su óptica adopta el sistema de medición SPLIT-BEAN con un detector formado por dos fotodiodos de estado sólido de alta sensibilidad. Las operaciones del espectrofotometro estan controladas a través de un microchip interno en conjunto con una pantalla de cristal líquido (LCD) y un teclado Soft-Touch con salida para impresora. Su compartimiento es para 8 celdas y además posee una fuente de luz accesible. El TU1800/1800S efectúa mediciones fotométricas, mediciones espectrales y cuantitativas, es fácilmente operable con característiCAS sobresalientes, Escaneo de longitudes de onda automático entre 1100-200 nm., chequea automáticamente la linea de base.

Espectrofotometro modelo TU 1900 Uv-Vis Spectrophotometer

El TU 1900 y TU 1901 Uv-Vis es el mejor espectofotómetro para realizar investigaciones en su área. Su sistema óptico utiliza el doble haz dinámico con un diseño de total transmisión y total reflexión de haces con un tubo fotomultiplicador de muy alta sensibilidad como detector. Todas las operaciones son controladas por una PC. Control automático de Longitud de Onda, Control automático de fuente lumínica y control automático de ancho de banda espectral ( El TU1900 tiene banda espectral predeterminada) La característica principal de este espectrofotometro es la facilidad de intercambio de accesorios y un diseño de cámara de luz de tipo-abierto. El software es operado bajo plataforma Windows, con mediciones fotométriCAS, espectrométriCAS y cuantitativas. Es de muy fácil operación, excelente performance, escáner automático entre 900 y 190 nm., automático peak-picking. Software: bajo plataforma Windows Bibliografía: ♪ http://www.cas-instrumental.com.ar/tu1800.htm ♪ Apuntes de la maestra Graciela Ramírez e Isidro Hinojosa. ♪ “Química analítica” Skoog