Explorando la Física de Ondas, Luz y Espectroscopia: Conceptos y Ejercicios

Fundamentos de Óptica y Espectroscopia

Preguntas de Verdadero o Falso

• F. La abertura de una rendija donde se produce difracción de una onda electromagnética (EM) es más de 10 veces mayor que la longitud de onda de la onda EM que se difracta. Corrección: Debe ser del mismo tamaño que la longitud de onda.
• V. Las dos rendijas, en el experimento de doble rendija, simulan dos fuentes que emiten la misma onda EM al mismo tiempo.
• F. La energía de un haz de luz está directamente relacionada con su intensidad, y no así con su frecuencia. Corrección: La energía de un haz de luz está directamente relacionada con su frecuencia, no con su intensidad.
• F. La velocidad de las ondas EM en el vacío difiere entre sí y se acerca a la velocidad de la luz según la onda EM. Corrección: Todas las ondas EM tienen la misma velocidad en el vacío, la velocidad de la luz.
• F. Cada átomo, ion o molécula puede absorber y emitir radiación de todas las longitudes de onda. Corrección: Solo aquellas que posean la energía suficiente para provocar una transición entre estados electrónicos.
• V. Al haber una transición entre niveles electrónicos se emite un fotón con energía igual a la diferencia de energía entre dichos niveles.
• F. Al haber una transición entre niveles vibracionales del mismo nivel electrónico se emite un fotón. Corrección: No se emite fotón; la transición entre estos niveles solo provoca un aumento en la temperatura de la molécula.
• V. Para modelar el comportamiento de una onda EM se utiliza el modelo sinusoidal básico, a través de una función trigonométrica.
• F. Un monocromador está hecho para discriminar solo longitudes de onda precisas, no continuas en un intervalo corto del espectro. Corrección: Un monocromador puede generar un barrido continuo de longitudes de onda.
• F. En los instrumentos ópticos, el transductor debe tener una alta sensibilidad en un intervalo muy corto y específico de longitud de onda. Corrección: El transductor debe tener una sensibilidad amplia para cubrir un rango extenso del espectro.

Preguntas de Opción Múltiple

1. La espectroscopia es: c) El estudio de la energía, en forma de radiación, que absorben o emiten los cuerpos.
2. Es correcto enunciar sobre el espectro de líneas, que es un espectro de emisión: b) Tiene picos marcados y bien definidos, generalmente corresponden a la emisión de un átomo.
3. Para saber cuánta radiación absorbe una solución con un analito es necesario conocer: b) La potencia de la radiación antes y después que el haz atraviese la solución.
4. Es correcto enunciar sobre la Ley de Beer: a) La absorbancia es proporcional al camino óptico y a la concentración, y la constante de proporcionalidad es la absortividad.
5. Las fuentes de radiación en los instrumentos ópticos deben: b) Generar una radiación continua y, además, suficientemente potente para poder medirla en el transductor.
6. Un selector de onda de tipo filtro de interferencia: a) Utiliza la interferencia destructiva para filtrar la mayor cantidad de longitudes de onda y la interferencia constructiva para agudizar solo unas pocas.
7. Para poder generar un barrido (espectro) de longitudes de onda, ¿qué selector de longitud de onda se utiliza? b) Monocromador de red.
8. En la absorción UV-visible, la potencia de la radiación que atravesó el analito disuelto se compara con la potencia de la misma radiación al atravesar solo el solvente en el frasco porque: d) Existen pérdidas en la intensidad de la radiación por las reflexiones que ocurren en los cambios de medio que tiene que atravesar la onda.
9. Los compuestos orgánicos absorben radiación UV-visible porque: d) La absorción en UV-vacío provoca una transición de electrones no enlazados a orbitales Pi.
10. La diferencia entre la fluorescencia y fosforescencia es que: d) La fluorescencia ocurre por un proceso de relajación más rápido (menor tiempo) que el de fosforescencia.
11. El desplazamiento de Stokes es un efecto que produce que: c) La banda de emisión se desplace a mayores longitudes de onda porque existen relajaciones vibracionales en las cuales no se emite fotón.
12. Con respecto al estado triplete excitado es correcto afirmar: b) La forma de que un electrón transite al estado triplete es, primero, transitar a un estado singlete excitado y luego, por cruce entre sistemas (conversión intersistema), llegar al estado triplete.
13. En la espectrometría IR de absorción de ondas EM: d) Provoca una transición del estado basal a un estado vibracional excitado del mismo estado electrónico.
14. Si quisiera identificar qué compuesto orgánico es un analito a través de espectrometría IR de absorción, tendría que: c) Observar en la frecuencia de grupo a qué grupo funcional pertenece y luego comparar su huella dactilar con la huella dactilar de uno de los compuestos del grupo funcional.

Problemas y Preguntas Abiertas

1. Limitaciones de la Ley de Beer

   Escriba 2 limitaciones para la Ley de Beer en la absorción molecular UV-visible:

   • Se cumple solo para radiación monocromática.
   • No se cumple en concentraciones altas de solvente o analito.

2. Cálculo de Longitud de Onda en Red de Difracción

   Una red de difracción que contiene 1400 marcas/mm fue irradiada con un haz policromático a un ángulo de incidencia de 45° respecto a la normal de la red. Calcule la longitud de onda de la radiación que aparecerá a un ángulo de reflexión de 10° (solo primer orden).

   Datos:

   • Constante de la red (d) = 1/1400 mm/marca = 7.14e-4 mm/marca
   • Ángulo de incidencia (i) = 45°
   • Ángulo de reflexión (r) = 10°
   • Orden (n) = 1 (primer orden)

   Fórmula para difracción de red (para primer orden, n=1):

   λ = d * (sen(i) + sen(r))

   Cálculo:

   λ = 7.14e-4 mm * (sen(45°) + sen(10°))

   λ = 7.14e-4 mm * (0.7071 + 0.1736)

   λ = 7.14e-4 mm * 0.8807

   λ = 6.2885e-4 mm

   Conversión a metros y nanómetros:

   λ = 6.2885e-4 mm = 6.2885e-7 m

   λ = 6.2885e-7 m * (1e9 nm / 1 m) = 628.85 nm

   Respuesta: La longitud de onda de la radiación es de 628.85 nm.

3. Cálculo de Concentración por Adición Estándar

   Hay 2 ml de proteínas disueltas con reactivo de Bradford y no se conoce la concentración de proteína. Se disuelve con 1 ml más de reactivo y se mide la absorbancia (0.18). Luego, a estos 2 ml de solución con concentración desconocida se le agrega 1 ml de solución de proteína con reactivo de Bradford con una concentración conocida de proteína (800 mg/L) y se mide la absorbancia (0.36). Calcule con el método de adición estándar la concentración de proteína en la solución inicial de 2 ml.

   Fórmula para el método de adición estándar:

   Cx = (A1 * Cs * Vs) / ((A2 - A1) * Vx)

   Donde:

   • Cx = Concentración desconocida del analito
   • A1 = Absorbancia de la muestra original (0.18)
   • A2 = Absorbancia de la muestra con adición estándar (0.36)
   • Cs = Concentración del estándar añadido (800 mg/L)
   • Vs = Volumen del estándar añadido (1 ml)
   • Vx = Volumen de la muestra original (2 ml)

   Cálculo:

   Cx = (0.18 * 800 mg/L * 1 ml) / ((0.36 - 0.18) * 2 ml)

   Cx = (144 mg·ml/L) / (0.18 * 2 ml)

   Cx = (144 mg·ml/L) / (0.36 ml)

   Cx = 400 mg/L

   Respuesta: La concentración de la proteína en el primer recipiente es de 400 mg/L.