química externa desarrollo tecnológico el espectro como dvd ser
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XX Concurso Universitario Feria de las Ciencias
Química
Área
Externa
Categoría
Desarrollo Tecnológico
Modalidad
El espectro como DVD ser
Título del trabajo
4762120
Folio de Inscripción
misantropos
Pseudónimo de integrantes
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El espectro como DVD ser
RESUMEN Se realizó un prototipo de espectrómetro para la región de luz visible, hecho con material sencillo
de fácil acceso, como son una caja de madera, una rendija de cartulina negra y una cámara
fotográfica. Se utilizó como red de difracción un pedazo de DVD sin la película protectora para
separar los haces de luz en diferentes longitudes de onda. Una vez montado el dispositivo y
ajustado la rendija, se tomaron fotografías de varios espectros como los de los elementos Hg, He y
Ne y del compuesto CO2, también los espectros del colorante vegetal grosella.
En nuestro trabajo los espectro de emisión están representados por las lámparas de Hg, He, Ne y
CO2.Los espectros de absorción obtenidos son de disoluciones de colorante vegetal grosella con
concentración 0.01%, 0.05% y 0.1%.
El espectrómetro construido fue calibrado por medio de una lámpara de Hg y todos los espectros
fueron analizados con el programa Image J y Excel para obtener las longitudes de onda de las
líneas y bandas espectrales.
Se pudo obtener fotografías de los espectros de emisión y medir la longitud de onda de las
principales líneas. Para los espectros de absorción del colorante grosella es necesario mejorar la
técnica experimental para poder obtener una adecuada calibración.
INTRODUCCIÓN MARCO TEORICO
La mayor parte de la información que recibimos del universo proviene de la luz que nos envían los
objetos celestes. La luz visible se puede descomponer en diferentes colores, frecuencias o
longitudes de onda mediante un prisma o una red de difracción. Esta descomposición en las
distintas longitudes de onda se llama espectro. La espectroscopia es una técnica, que a partir del
espectro de la luz, permite determinar la composición, temperatura, movimiento y densidad de
estos a distancia, sin tener ningún contacto con ellos. Es así porque estas propiedades dejan una
huella particular en las líneas del espectro de los objetos intrínsecamente luminosos o que reflejan
la luz de alguna fuente externa.
La espectroscopia se basa en el hecho de que al excitar algún electrón de alguna substancia, por
ejemplo elevando la temperatura mediante una llama, el electrón pasa a un nivel energético
superior; cuando el electrón regresa a su estado base, se desprende del exceso de energía
emitiendo luz. El color, frecuencia o longitud de onda de la luz emitida depende de qué niveles
energéticos están involucrados. Si la luz emitida se hace pasar a través de un prisma, se desvía en
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una dirección característica para cada longitud de onda. Normalmente este proceso no involucra a
un solo tipo de electrón y a dos niveles energéticos, sino a varios de ellos, dando lugar a un
conjunto de radiaciones denominado espectro de emisión.
Figura 1. Al recibir energía el electrón y sólo sí es de la energía adecuada, el electrón sube de nivel de energía; al momento en que regresa a su estado basal emite la energía de cierta longitud de onda, única para cada par de niveles de energía.
Podemos agrupar los espectros en dos tipos:
Los espectros de emisión de líneas están constituidos por una serie de rayas o bandas luminosas
producidas por la emisión de la luz por la excitación de los electrones de una sustancia.
Figura 2. La excitación de un gas le hace emitir radiación pero sólo en ciertas longitudes de onda. Cada sustancia tiene
un espectro de emisión característico.
Los espectros de absorción son aquellos que se obtienen cuando a través de una sustancia se
hace pasar radiación electromagnética continua (por ejemplo, luz solar o de una lámpara de
halógeno) y los electrones de la sustancia absorben ciertas longitudes de onda. El espectro
observado resulta ser el continuo de la fuente luminosa menos las líneas o bandas absorbidas por
los electrones.
Energía
Núcle
Energía
Núcle
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Figura 3. Cuando la radiación atraviesa la sustancia, este absorbe una parte del espectro. En el espectro de absorción
faltan las líneas absorbidas, apareciendo en su lugar líneas o bandas negras.
Los materiales coloreados transparentes absorben ciertas longitudes de onda de la luz
incidente, el color que se observa es debido a que transmite luz de ese color y absorbe luz del
color complementario. Es decir, cuando una sustancia se observa por transmisión, y presenta un
color rojo intenso es debido a que absorbe de manera importante la región azul-verde-amarillo de
la luz incidente y transmite casi únicamente la región roja del espectro. Diferentes tonos de rojo
se deben a diferentes combinaciones de luz absorbida y transmitida a lo largo del espectro.
Figura4. Espectro visible.
La absorbancia A, es un concepto que nos indica, para cada longitud de onda, la cantidad de luz
absorbida por la sustancia y se define como
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donde T es la transmitancia y se define como el cociente de la intensidad de la luz transmitida (It)
entre la intensidad de la luz incidente (Ii), es decir,
� � ����
.
Cuando la intensidad incidente y transmitida son iguales la transmitancia es de 1.0, lo que equivale
al 100%, e indica que la muestra no absorbe a una determinada longitud de onda y entonces la
absorbancia vale log (1.0) = 0.
Para sustancias disueltas a bajas concentraciones, la absorbancia es directamente proporcional a
la concentración, por ello es posible determinar la concentración de una solución a partir de
mediciones de la intensidad transmitida, teniendo siempre como referencia una disolución patrón;
es decir, de concentración conocida.
Figura 5. Relación entre la transmitancia (T), absorbancia (A) e Intensidad de la luz.
OBJETIVOS
• Construir un espectrómetro con materiales de fácil acceso.
• Tomar fotografías de los espectros de emisión y de absorción de algunas sustancias en la
región del visible.
• Calibrar el espectrómetro.
• Comprobar que los elementos o sustancias presentan longitudes de onda que
corresponde a las reportadas por la bibliografía.
b
Disolución absorbente de concentración c
� � ����
� � � ����
�� �� � � log �1��
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PROBLEMA
En nuestras clases tanto de química como de física hemos visto a través de un espectroscopio los
espectros de ciertos elementos, estas líneas son las huellas digitales de cada elemento, y
corresponden a determinadas longitudes de onda.
Con los espectroscopios sólo se pueden ver los espectros, pero es muy difícil utilizarlos para
realizar mediciones cuantitativas, tales como la determinación de las longitudes de onda de las
líneas observadas. Nuestra propuesta consiste en construir un espectrómetro en donde se pueda
tomar fotografías del espectro utilizando materiales de fácil acceso y con la posibilidad de
determinar la longitud de onda de las líneas espectrales, así como determinar la intensidad
relativa de las mismas.
DESARROLLO Materiales:
a) Madera
b) Cartulina
c) Clavos
d) Tornillos
e) Yodo dental utilizado para fijar la cámara
f) Cinta de aislar
g) Lámparas(Hg, He, Ne, CO2 y halógeno)
h) Celofán
i) Colorante grosella 0.01%, 0.05%, 0.1%
j) Cámara digital (SONY marca, Cyber-shot Mod. DSC-H5)
k) Un trozo de DVD sin la película protectora
l) Pintura negra
m) Computadora con Excel y procesador de imágenes (programa Image J)
Construcción del prototipo:
En una tabla de madera de 39.5cm por35 cm, alineamos la cámara a 22° de tal manera que el DVD
colocado en el lente de la cámara pudiera descomponer la luz haciendo visible el espectro, se
levantaron 3 paredes con un techo (todo de madera) y la cuarta pared se hizo de cartulina blanca y
negra con una rendija de 0.5cm por 10 cm de largo de lado opuesto a la cámara, se niveló el
prototipo a la altura de las lámparas. Se fijó la cámara con yodo dental (de manera que el angulo
no se modificara al igual que la imagen, para que cada pixel siempre correspondiera a su
respectiva longitud de onda).
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Visión superficial Visión lateral
Visión frontal Entrada de la cámara
22 °
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Costo-beneficio
$120.00 madera
$ 12.50 yodo dental ($50.00 por kilo)
$12.00 tornillos (se utilizaron 8)
El uso del programa Image J es totalmente gratuito. http://rsbweb.nih.gov/ij/
Total: 164.50 pesos
La cámara que se utilizó en todo el proceso no es el modelo obligado a usar, se puede utilizar
cualquier cámara fotográfica que sea digital (la calidad de resolución no deja de ser importante
para la obtención de buenos resultados); inclusive puede usarse una cámara de teléfono celular de
buena resolución (2 o 3 Mpixeles es adecuado).
El costo contra el beneficio es totalmente aceptable, puesto que no se gasta más allá de los 200.00
pesos mexicanos, puede variar dependiendo de los lugares de obtención del material pero aun así
el costo no es demasiado a comparación de las utilidades que se tienen.
RESULTADO Para calibrar el espectrómetro se utilizó la lámpara de Hg.
Como resultado capturamos las imágenes del espectro de sus correspondientes elementos, y con
la calibración obtenida del Hg relacionamos cada longitud de onda con su píxel y su intensidad.
Fotografías capturadas con nuestro espectrómetro.
Espectro del Hg
Espectro del He
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Espectro de Ne
Espectro de CO2
Cuando empezamos a calibrar, utilizamos el espectro que emitía la lámpara de Hg de la escuela,
sin embrago tuvimos serios problemas para poderlo hacer, ya que con los datos obteníamos
ecuaciones logarítmicas, y se esperaba tener ecuaciones lineales. Por ello, se recurrió al Centro de
Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico (CCADET), en donde nos prestaron una lámpara de Hg.
Al tomar la fotografía del espectro, nos dimos cuenta que era muy diferente al que se observa con
la lámpara de la escuela.
Por las observaciones que se hicieron posteriormente determinamos que la lámpara de Hg del
plantel realmente corresponde a una lámpara de CO2. Este pequeño incidente retrasó nuestra
investigación.
En el desarrollo del trabajo se obtuvieron los datos de las longitudes de onda de las sustancias a
partir de la página del National Institute of Standars and Technology (NIST)
http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html
Análisis e interpretaciónde resultados
Lámpara de Hg (calibración)
Una vez capturado el espectro con la cámara digital, con la ayuda del programa ImageJ obtuvimos
numéricamente la intensidad relativa para cada uno de sus pixeles y los relacionamos con la
longitud de onda correspondiente. Se siguió el siguiente procedimiento:
1. Se transfiere la imagen al disco duro de la computadora donde se ha instalado el programa
Image J.
2. Se corre el programa image J.
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3. En el menú FILE, con la opción OPEN se abre el archivo de la imagen capturada.
4. Se selecciona el primer botón: “Rectangular”.
5. Con el cursor, sobre la imagen se selecciona un área rectangular horizontal de igual ancho a
la imagen completa, que contenga un segmento vertical de la imagen de las líneas
espectrales observadas. El segmento seleccionado debe ser de tal longitud que las líneas
espectrales sean rectas verticales.
6. En el menú ANALYZE, se selecciona la opción PLOT PROFILE, con lo que se obtiene una
gráfica del perfil de intensidad a lo largo de la dirección horizontal de la imagen del
espectro, en otra ventana del monitor.
7. En la misma ventana de la gráfica, se oprime el botón LIST, con lo que se abre otra ventana
con los datos de número de pixel en la columna X y su intensidad relativa en la coordenada
Y.
8. En la ventana del listado de datos, se selecciona la opción SAVE AS en el menú FILE. Se elige
la ubicación y se debe escribir el nombre del archivo.
9. En el directorio donde se guardó el archivo de datos, se selecciona el archivo y se abre en
Excel con un doble click del ratón sobre su ícono.
10. Se ubican los números de pixel (coordenada X) donde se presentan máximos de intensidad
(coordenada Y). Aunque se puede hacer directamente en las columnas de datos, es más
fácil con ayuda de la gráfica de los datos XY. Se anotan los datos obtenidos en otras
columnas o, de preferencia en otra hoja de cálculo. Se realiza esto para cada línea espectral
identificada con datos de alguna fuente de información confiable (Referencias NIST, Rufino
Díaz).
11. Se grafican los datos obtenidos en 10, y se obtiene el mejor ajuste de una línea recta, con la
herramienta de Excel “Línea de tendencia” usando la opción “lineal”. Ello proporciona
valores para la pendiente y ordenada al origen de la recta ajustada. Esa recta ajustada es el
modelo que da la calibración del espectrómetro.
Es decir, en el pixel número “X” se presenta una intensidad “X”, que nos dice que es el color “X” al
cual le corresponde una longitud de onda “X”. Al graficarlo obtuvimos la ecuación y = 0.2227x +
266.78 que es la relación de pixeles con su longitud de onda, una vez obtenida esta ecuación, con
la imagen del espectro de un elemento podemos obtener su longitud de onda e intensidad así
podemos saber de qué elemento se
trata.
pixeles λ (nm) intensidad
760 436 128.359528
1253 546 115.307144
1398 578 144.916672
1732 691 60.7833328
y = 0.222x + 266.7R² = 1
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
700 900 1100 1300 1500
λ
λ
λ
λ (
nm
)
Pixeles
Calibración con la lámpara de Hg
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Ya con los pixeles y su intensidad aplicamos la ecuación obtenida en la calibración del Hg para
darle a cada pixel su longitud de onda y los comparamos con los espectros de referencia para
comprobar que efectivamente se trata del elemento.
Espectro del Hg relacionado con su intensidad y longitud de onda
Espectro de referencia del Hg
0
20
40
60
80
100
120
140
160
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Inte
nsi
da
d
λ (nm)
Calibración del HgIntensidad exp
Intensidad NIST
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Espectro de He relacionado con su intensidad y longitud de onda
0
50
100
150
200
250
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Inte
nsi
da
d
λ λ λ λ (nm)
IExperimental
INIST
Longitudes de onda de la lámpara de He
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Espectro de la lámpara de Ne
Espectro del CO2 relacionado con su intensidad y longitud de onda
Espectros de absorción
Colorante grosella 0.1 %
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Se esperaba que el colorante absorbiera ciertas longitudes de onda y dejara pasar la luz roja, lo
cual se aprecia en la gráfica. Sin embargo, se esperaba que a diferentes concentraciones de las
disoluciones del colorante grosella, se obtuviera curvas en donde las concentraciones variaran de
la mayor a la menor, se observa que emite más luz el colorante 0.05 %, después el 0.1 % y al final
el 0.01 %, ello nos indica que el diseño experimental debe de mejorar, es decir tomar en cuenta
varios factores como son la distancia del tubo a la lámpara, la distancia del tubo a la rejilla, el
tamaño del tubo, etc.
-10
10
30
50
70
90
110
300 350 400 450 500 550 600 650 700
Inte
nsi
da
d
λ (λ (λ (λ (nm)
Gráfica de los espectros de absorción del colorante grosella
Io
It (colorante 0.1%)
It (colorante 0.05%)
It(colorante 0.01%)
Colorante grosella 0.05 %
Colorante grosella 0.01 %
Blanco. Agua
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Conclusiones Con respecto al espectrómetro:
• Es un aparato de precisión ya que en al repetir el proceso con el mismo elemento los
resultados son iguales.
• Se puede tomar fotografías de los espectros y determinar la longitud de onda de las líneas
espectrales de varias lámparas.
• Se observaron los espectros de emisión de algunos elementos y se pudo comprobar sus
longitudes de onda.
• Se observaron los espectros de emisión sin embargo se debe de mejorar la técnica
experimental para poder obtener una adecuada calibración.
Además se concluye que:
• Cada elemento tiene su propio espectro, definido por la longitud de onda y su intensidad.
• Las lámparas que se tienen en el plantel no corresponden al elemento con el que se ha
etiquetado, o se encuentran deterioradas o contaminadas, ya que sus espectros no
coinciden con el de su elemento, encontramos que una lámpara marcada como de Hg
realmente se trataba de CO2.
Fuentes de información 1. Abril Díaz N. et al., Espectrometría: Espectros de absorción y cuantificación colorimétrica
de biomoléculas. Departamento de Bioquímica y Biología Molecular.
España. Córdoba. Archivo electrónico, consultado enero 2012.
www.uco.es/.../departamentos/bioquimica.../08_ESPECTROFOTOM...Similares
2. Díaz-Uribe R. (2012). Laboratorio de Óptica. Manual de Prácticas. CCADET. UNAM (En
proceso de publicación)
3. Konigsberg Keiner, Nancy, Chemical investigations, 1986, The Benjamin, Michigan.
4. National Institute of Standars and Technology (NIST)U.S.,
2006http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html
5. Programa ImageJ: Image processing and Analysis in Java.http://rsbweb.nih.gov/ij/
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