Métodos Ópticos de Análisis: Espectroscopia de Absorción y Emisión, Ley de Beer y Espectrofotometría

Métodos Ópticos de Análisis

Los métodos ópticos de análisis miden la radiación electromagnética. Son métodos espectroscópicos basados en la intensidad y la longitud de onda de los espectros. Los métodos no espectroscópicos no utilizan espectros, pero ofrecen otras propiedades y una mayor sensibilidad.

1. Radiación electromagnética

La radiación electromagnética se propaga en el espacio a gran velocidad. Presenta distintas formas (luz, calor radiante, etc.). Su comportamiento ondulatorio no explica el efecto fotoeléctrico, para el cual la radiación se comporta como un fotón.

La radiación se produce cuando una partícula cargada se acelera en un campo eléctrico.

2. Absorción de radiación

En cualquier zona del espectro, la absorción de energía excita la sustancia. Al volver a su primer estado, la sustancia libera la energía en forma de calor. Se dan dos condiciones:

• Interacción entre el campo eléctrico de la radiación y las cargas eléctricas de la sustancia.
• La energía de la radiación debe coincidir con la energía cuantizada de la sustancia.

Existen dos tipos de absorción:

• Absorción atómica: se produce con radiaciones monocromáticas (por ejemplo, lámparas de descarga de gas de Hg o Na), y la excitación ocurre por procesos electrónicos. Se da en la región ultravioleta.
• Absorción molecular: es más compleja, ya que las moléculas presentan más niveles de energía.

3. Emisión de radiación

La emisión es el proceso inverso a la absorción: previamente, la sustancia es excitada a un nivel de energía superior. Existen varias clases:

• Emisión por excitación no electromagnética.
• Emisión posterior a la absorción de radiación electromagnética.
• Emisión nuclear (radiactividad): el núcleo emite rayos gamma.
• Emisión por resonancia: la sustancia absorbe y emite a la misma frecuencia.
• Fluorescencia: remisión de radiación de mayor longitud de onda.

4. Ley de Beer-Lambert

Un haz de luz incidente, perpendicular a la cubeta, pierde radiación: la potencia de salida P es menor que la de entrada P₀. A mayor camino recorrido, mayor absorción; y a mayor concentración, mayor probabilidad de absorción por parte de la muestra.

La ley rige la absorción en cualquier punto del espectro, y la absorción total es la suma de las absorciones parciales.

A = a · b · c

• A: absorbancia
• a: absortividad (constante para cada sustancia)
• b: espesor de la cubeta (cm)
• c: concentración del absorbente (mol/L)

Transmitancia: T = P / P₀
Absorbancia: A = −log T

Limitaciones de la ley

• La radiación debe ser monocromática.
• La especie disuelta debe actuar de forma independiente de otras.
• La cubeta debe tener un volumen de sección recta uniforme.
• La radiación debe incidir paralela a la muestra.
• El medio debe ser homogéneo y no dispersivo.

5. Desviaciones de la ley de Beer

Desviaciones fundamentales (químicas)

• Concentraciones elevadas: el sistema en equilibrio no mantiene una relación proporcional con la concentración total.
• Influencia del disolvente.
• Impurezas detectadas por métodos sensibles.

Desviaciones instrumentales

• Uso de medidas de desviación instrumental.
• Interferencias absorbentes en la muestra.
• Absorción parásita a una longitud de onda.

Formas de corrección

• Eliminar la interferencia.
• Convertir la interferencia en no interferencia.
• Convertir la sustancia problema en una no absorbente.

Otros factores: temperatura y cubetas.

6. Instrumentación

Existen dos aparatos principales para medir la absorción:

• Fotómetro: selecciona la longitud de onda mediante un filtro.
• Espectrofotómetro: utiliza un monocromador (no un filtro) y barre un amplio rango de longitudes de onda.

Otros instrumentos (no equivalentes): espectroscopios, espectrógrafos, espectrómetros y colorímetros.

Componentes básicos:

1. Fuente de energía radiante.
2. Filtro o monocromador para aislar una banda de energía radiante.
3. Recipiente (cubeta con muestra y disolvente).
4. Detector que mide la energía radiante.

Fuentes de radiación

Deben tener alta intensidad y no variar con la longitud de onda. Tipos:

• Térmicas: sólidos calentados a alta temperatura (incandescencia).
• Descarga eléctrica: una corriente pasa por un gas en una ampolla al vacío; los electrones excitan las moléculas, que al volver a su estado pierden energía en forma de radiación.

Selección de longitud de onda

Para medir la absorción de forma selectiva, se selecciona una banda estrecha de longitud de onda mediante:

• Filtro de absorción: absorbe las longitudes de onda no deseadas.
• Filtro de interferencia: reduce el ancho de banda y aumenta la transmitancia del pico.
• Monocromador: produce un haz de radiación de gran pureza; la radiación entra, se concentra, pasa por un prisma que dispersa las distintas longitudes de onda y sale por una rendija, en forma paralela a la muestra, con la longitud de onda seleccionada.

7. Aplicaciones

• Espectros de absorción:
  • Sustancias inorgánicas: la transición desde un nivel de energía incompleto a otro completo depende de las valencias y coordinación de los átomos.
  • Sustancias orgánicas: depende de la localización de los electrones en la molécula. Los compuestos orgánicos saturados no presentan absorción.
• Análisis volumétrico: se basa en la ley de Beer. Su utilidad es relativa debido a bandas imprecisas, por lo que tiene poco uso.
• Análisis cualitativo: la espectroscopia infrarroja es la más útil y detallada. Permite identificar el número total de identidades espectrales de la sustancia de estudio comparándolas con patrones.
• Determinación estructural: la espectroscopia ultravioleta es útil para identificar grupos cromóforos y la estructura de compuestos orgánicos. La infrarroja ayuda a decidir entre estructuras una vez identificado el grupo funcional.