eESPECTROFOTOMETRIA DE ABSORCION Y DE EMISION

ESPECTROFOTOMETRIA DE ABSORCION Y DE EMISION

Charla sustentada por los Ingenieros: Luis Condemarn y Carlos Macchiavello en la reunin de la Asociacin de Ingenieros Qumicos de Trujillo del da 16 de Julio de 1,937; en la Hacienda Laredo

LUZ.- ESPECTROS.- La luz blanca, solar o artificial, es una mezcla de toda gama de colores bsicos conocidos.

Por dispersin de esta luz se obtiene los espectros en las que cada color tiene su ubicacin propia y fija. La banda espectral se extiende desde el ultravioleta hasta el infrarrojo. Lo que en realidad situa al color en el espectro es la longitud de onda de la radiacin electromagntica, o en otra palabras, cada color tiene una longitud de onda caracterstica.

COLOR .- La luz blanca se combina en la luz de color cuando son absorvidas algunas longitudes de onda.

Cada sustancia que forma la materia tiene preferencia y capacidad para absorver una o varias longitudes de onda que forman la luz incidente; el resto de las longitudes de onda que la materia iluminada no tolera , las refleja y estas son las que dan el color al objeto, tal como lo percibe nuestra vista.

Los cuerpos blancos no absorven ningn color del espectro, los reflejan todos. Los cuerpos negros, al contrario, absorven todos los colores (en realidad el negro no es color). Los colores espectrales definidos por la visin humana tiene los siguientes intervalos de longitud de onda (intervalo del espectro visible)

Violeta 400-500 muAmarillo 570-590 mu

Azul450-500 muAnaranjado590-620 mu

Verde500-570 muRojo620-730 mu

COLIMETRIA .- La Colorimetra estudia la absorcin de la luz visible, usualmente por una solucin coloreada.

La media cuantitativa se puede verificar mediante la comparacin de la muestra ensayada con la escala de patrones contenidos en una serie de tubos del mismo tamao y forma o usando vidrios coloreados.

La iluminacin para el fondo de dos tubos iguales conteniendo uno el patrn y el otro la muestra y la observacin por el borde superior a travez de las soluciones coloreadas permitieron llegar a la igualacin del color en ambos tubos por variacin del espesor del lquido de la muestra y comprobar el valor recproco existente entre espesor y concentracin.

La adicin de lentes oculares de inmersin deslizables, con visin simultnea en ambos tubos, condujo al colormetro visual.

ESPECTROFOTOMETRIA DE ABSORCION (COLORIMETRO FOTOELECTRICO).- Clulas Fotoelctricas (Foto-clulas).- El descubrimiento de las clulas fotoelctricas, que transforman la luz en un en un impulso elctrico equivalente a la energa luminosa recibida, dio origen a la medicin instrumental del color, sistema que excluye el factor de recepcin humano.

Existen sustancias tales como el Selenio metlico, Hidruro de Potasio(HK) Oxido de Cesio(Cs2O), etec., que generan corriente elctrica al ser iluminadas. La magnitud de la corriente producida es proporcional a la intensidad de la luz recibida.

TRANSMITANCIA(% de Transmisin de luz) .- La luz al incidir sobre una solucin coloreada es

proporcionalmente absorvida; la fraccin de luz que logra atravesar la solucin se dice que es la luz transmitida y se conoce con el nombre de TRANSMITANCIA.- La Transmitancia (T), se suele expresar en porcentaje, por la relacin:

100 x E2

T=-----------

E1

T : Transmitancia %

E1 : Energa o intensidad de la luz incidente

E2 : Energa o intensidad de la luz transmitida

ESPECTROFOTOMETRIA DE ABSORCION .-La Espectofotometra de absorcin adems de ser un mtodo instrumental, se diferencia de la colorimetra simple en que mide el color en funcin de la luz transmitida (despus de atravesar la solucin ensayada) y usa como luz incidente, luz de una sola longitud de onda seleccionada mediante filtros de interferencia (como es en el instrumento Beckman del laboratorio Laredo) o colimadores (ranuras estrechas). Para este ltimo sistema se necesita primero dispersar la luz por medio de un prisma o red de difraccin y luego dando movimiento a cualquiera de estas piezas escoger mediante la ranura la zona del espectro, o la longitud de onda, que se necesita usar como luz incidente para la celda que contiene la solucin examen. La luz transmitida hiere la clula foto-elctrica y la corriente generada, despus de ser amplificada, fluye por un galvanmetro y se indica en una escala graduada en T %.

En toda medicin colorimtrica por fotometra de absorcin se centra primero el instrumento ajustando a 100% con el blanco, el cual debe contener a todos los reactivos y en las mismas proporciones usadas sea para los patrones o para una muestra realizada.

Midiendo T % de una serie de patrones coloreados con tonalidades distintas por contener cada uno concentraciones variables y conocidas de la sustancia que es materia del ensayo y usando filtro apropiado se construye las curvas de calibracin estandars ploteando, en un sistema de coordenadas rectangulares los datos correspondientes de T% y Concentracin (mgs./litro p.p.m.).

ESPECTROFOTOMETRIA DE EMISION.- Cuando los tomos, iones o sus agrupaciones se someten a la accin de cualquier tipo de energa de excitacin, tal como la que se acumula en una llama, arco elctrico, etc.,etc, la energa es absorbida primeramente por desplazamientos de los electrones o posiciones mas distantes del ncleo atmico. Cuando los electrones vuelven total o parcialmente a su estado estable, la energa que fue previamente absorbida es remitida en forma de radiaciones electromagnticas (luz), cuya longitud de onda corresponde a la cantidad de energa puesta en juego en el mecanismo de desplazamiento electrnico. De acuerdo con la teora Cuntica, la variacin de nivel energtico entre los estados inicial E1 y final E2 est dado por la ecuacin:

( E = E2 - E1 = h x f

En la que h es la constante de Planck y f es la frecuencia de vibracin de la onda luminosa.

Cuando se ha producido la excitacin de un elemento, cada desplazamiento electrnico conduce a la produccin de un determinado mximo de emisin o lnea espectral. El retorno de los electrones a su estado estable necesariamente no debe ser directo. Pueden ocurrir desplazamientos hasta estados intermedios para finalmente alcanzar de nuevo su nivel estable producindose en esta forma dos ms mximos de emisin, vale decir: dos o ms rayas espectrales con longitudes de onda que corresponden a los niveles de energa que sirvieron de estaciones momentneas a los electrones en su camino de retorno a su rbita estable.

Espectrofotometra de emisin.- Es un mtodo instrumental de anlisis qumico basado en la medida de la intensidad de las lneas espectrales de los elementos excitables.

Los instrumentos usados constan de tres sistemas componentes:

a.-)El sistema de excitacin de la muestra (fuente de energa)

b.-)El sistema de dispersin de la radiacin (prisma o red de difraccin)

c.-)El sistema de medida de la radiacin (clula foto-elctrica o fotografa)

Dentro de este tipo de instrumentos se encuentra el espectrofotmetro de emisin de llama (como el instrumento Beckman del Laboratorio Laredo) el cual utiliza una temperatura de excitacin relativamente baja, apropiadas slo para analizar elementos alcalinos y alcalinotrreos, selecciona la longitud de onda correspondiente al elemento analizado mediante filtros especiales y mide por medio de foto-clulas la intensidad de esta emisin en trminos de transmitancia %.

ESPECTROGRAFOS.- Estos aparatos hacen uso de la excitacin de los tomos a elevadas temperaturas en un arco voltaico o chispa elctrica y registran el espectro en un ancho campo de longitudes de onda sobre una placa o pelcula fotogrfica.

MATEMATICA DE LA ESPECTROFOTOMETRIA DE LA ABSORCION.- Si un haz de luz monocromtica, cuya longitud de onda fue seleccionada por el filtro de interferencia o por el colimador, atraviesa una solucin coloreada contenida en una celda de vidrio de paredes paralelas, experimenta una cada de energa que es proporcional al especor y a la concentracin, de la materia coloreada disuelta.

Si E1 = energa o intensidad del rayo incidente y E2 ) energa del rayo despus de atravesar la solucin coloreada, entonces la Transmitancia T (fraccin de luz que logra pasar) como ya se ha dicho, se define por la relacin:

T=

Transmisividad especfica: Es la Transmitancia reducida a condiciones de unidad de grosor (b = cm) y unidad de concentracin (c = gr/ml). Se le representa por la letra t.

LEY DE LAMBERT.- Establece que la cantidad de luz transmitida (T) por una solucin coloreada de concentracin constante es inversamente proporcional a la potencia de las unidades de grosor (b), este es:

T = tb (1)

Por ejemplo; si 1 cm. de una solucin transmite 80% de la luz incidente; en otras palabras, si la transmisividad especfica de una solucin fuera 80% (0.80), entonces 2 cm. de la misma solucin transmitirn de acuerdo a ecuacin (1), : T = 0.82 = 0.64 y 3 cm., transmitirn: T = 0.83 = 0.512, etc.

De la frmula (1): t = = T 1/b (2)

LEY DE BEER .- Simultaneamente, la ley de Beer dice que la luz transmitida (T) vara inversamente a la potencia de las unidades de concentracin (c). As: T = tc (3)

De donde: t = = T 1/c (4)

Combinando estas dos leyes se tiene la ley de Lambert-Beer:

t = = T 1/bc (5)

Logaritmando la ecuacin (5) :

log. t = 1 x log. T

b.c

- log. t = - log. T

b x c

El valor log. t se denomina indice absorbitivo especfico e indica intensidad de absorcin osea que es una medida de la fuerza de coloracin, vale decir que es equivalente al calor.

En esta frmula, el signo negativo tiene un significado fsico, segn se puede ver por la deduccin que sigue:

La cada de energa experimentada por la luz al atravesar la solucin coloreada es una longitud que cambia constantemente y por tanto este fenmeno cabe ser interpretado por aplicacin del clculo infinitesimal.

Cada porcin de grosor infinitamente pequeo (db) de la solucin absorber una cantidad de energa dada por la ecuacin:

- dE = K. E. Db. (1)

Donde K es coeficiente proporcional a la naturaleza o poder absorbente de la solucin coloreada. La intensidad de la luz decrece a medida que avanza recorriendo mayores incrementos (db), de aqu que tenga que usarse signo negativo para la expresin anterior. Separando los trminos de la ecuacin (1):

K. Db (2)

La cada total de energa del haz transmitida ser igual a la suma de todos estos cambios, de intensidad infinitamente pequeos, dados por ecuacin (2). En lenguaje matemtico esto es igual al integral:

K =

EMBED Equation.3 - dE

E

Integrando entre los lmites b = b y b = 0; E = E1 y E = E2

= b = E2

Kb] = 0 = - log. E ] = E1

Poniendo en estos lmites:

K x b - K x 0 = [ log e E2 - log e E1] K b = [ log e E2 - log e E1] K b = - log. e []

Pero como E2/E1 = T K b = - log. e

K b =

EMBED Equation.3 Si en esta ecuacin se hace intervenir la concentracin (c) en gr/ml de la sustancia coloreada, entonces se obtiene la ecuacin que expresa la Ley de Lambert-Beer, esto es, la expresin matemtica del color

- log. T =

COLOR DE AZUCAR Y MATERIALES AZUCARADOS.- LONGITUD DE ONDA (FILTRO) USADO EN LA DETERMINACION DEL COLOR DE ESTOS PRODUCTOS EN COLORIMETROS FOTO-ELECTRICOS.

Longitud de onda mas adecuada.- El color o la banda de longitudes de onda de la luz incidente usada para una determinacin fotocolorimtrica se selecciona de forma que coincida con la longitud de onda que es ms absorbida por la solucin ensayada. Con ello se logra la mxima sensibilidad ya que la determinacin de la concentracin se basa en la variacin de la intensidad de laq luz que se produce como consecuencia del paso de la luz a travs de la disolucin coloreada. Los siguientes ejemplos servirn para aclarar lo dicho:

Caso 1.- Consideremos un caso en que el 90% de la luz incidente sea de longitudes de onda que no sean absorbidos por la solucin coloreada y un 10% de la luz incidente sea de longitud de onda que son absorbibles. Adems, supongamos que la concentracin de la disolucin coloreada sea tal que absorba el 25% de la fraccin de luz incidente constituida por la longitud de onda adecuada para ser absorbida.

En este caso la Transmitancia o intensidad de la luz transmitida sera el 90% mas (3/4 x 10), o sea el 97.5% de la luz incidente total, por lo que siendo slo absorbida el 2.5% de la luz incidente, no debe esperarse gran sensibilidad en la determinacin.

Caso 2.- Supongamos que intercalando un filtro entre la fuente de luz y la muestra se logre eliminar los 8/9 de la luz de longitud de onda no absorbida por la solucin y que el filtro en cambio deje pasar todas las longitudes de onda adecuadas para su absorcin por la solucin examen. En esta forma la intensidad de la luz incidente se enriquece en las longitudes de onda absorbibles, las que alcanzan un valor de 50% y en consecuencia la luz transmitida ser para este caso:

(Filtro)

Caso 3.- Si el filtro interpuesto lograra eliminar toda la luz de longitud de onda que no sera absorbida por la solucin. Entonces se mejora an ms la sensibilidad del instrumento pues resultara en la absorcin el 255 de la luz incidente y la transmisin de slo 75%.

Estos ejemplos permiten apreciar como aumenta la sensibilidad del fotocolormetro al emplear luz incidente que sea rica precisamente en las longitudes de onda ms eficazmente absorbidas por la disolucin coloreada.

COLOR DEL AZUCAR.- Para medir el color de las soluciones de azcar se ha convenido usar filtro de interferencia 560 mu., es decir que el valor numrico del color del azcar est dasdo por:

log. t a 530 mu.

Se ha elegido la longitud de onda 560 mu. Por que segn Peters y Phelps la longitud de onda 560 mu. Corresponde al centro ptico de gravedad de la curva de luminosidad por unidad de cantidad de color en azcares.

Ms tarde Zerban y colaboradores han demostrado que el valor log.t a 560 mu. Es equivalente al color del azcar tal como percibe el ojo humano, expresado en trminos de brillantez, pureza de exitacin y longitud de onda predominante; en otras palabras: el trmino log.t 560mu es la expresin matemtica del color del azcar.

Color azcar = - log.t = -log.

El valor log.T se da en la escala de algunos colormetros, pero su valor ms exacto se obtiene de las tablas en las que T se expresa como fraccin de la unidad.

Las celdas del colormetro BECKMAN MODELO C de Laredo son de 1 cm. de espesor, por lo que el factor (b) desaparece de la frmula. Por otra parte, la concentracin de la solucin de azcar siempre se cuida que sea 50Brix (c = 0.615 gr/ml), con lo que la frmula anterior se reduce a:

COLOR AZUCAR (Sol. 50Brix) = - log.t 560 mu =

Los valores prcticos de Transmitancia (T) para el azcar crudo de exportacin (afinado) de Laredo fluctan entre 78 y 72 % (o.78 0.72), transmitancia que coresponde a color 0.17 0.23 respectivamente.

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Luz Blanca

Filtro

Luz de una sola long. De onda

Solucin Coloreada a ensayar

Clula fotoelctrica

galvanmetro

Fuente de luz

Long. De onda no absorvida por solucin

Long. De onda absorvida

= 90

= 100

_______

100

90.0

7.5

______

T= 97.5

Long. de onda absorvible

= 100

_______

100

50

37.5

T=87.5

Fuente de

luz

80

Long. de onda no absorvida por la solucin

=90

10(50%)

10(50%)

= 90

= 10

100

Long. de onda no absorvida

Long. de onda absorvible

(filtro)

90

10

100%

Fuente de luz

_1010998409.unknown

_1010999746.unknown

_1011001137.unknown

_1011001361.unknown

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