En esta unidad estudiaremos la espectroscopia de átomos. Estos métodos de espectroscopia son utilizados para la determinación cualitativa y cuantitativa de más de 70 elementos químicos. Como los átomos son la forma más sencilla y pura de la materia y no pueden girar ni vibrar como lo hace una molécula, sólo pueden efectuarse transiciones electrónicas dentro de ellos cuando absorbe energía. Debido a que las transiciones son discretas (están cuantizadas), lo que se obtiene es un espectro de líneas o rayas.
Los dispositivos de atomización debe efectuar la compleja tarea de convertir la especie del analito en átomos libres, iones elementales o ambos, en fase gaseosa. Estos dispositivos son clasificados en: Atomizadores Continuos y Atomizadores Discretos. En los primeros, las muestras se introducen de manera continua, como llamas y los plasmas, mientras que en los segundos, con un dispositivo como una jeringa o un automuestreador.
Los dispositivos de atomización debe efectuar la compleja tarea de convertir la especie del analito en átomos libres, iones elementales o ambos, en fase gaseosa. Estos dispositivos son clasificados en: Atomizadores Continuos y Atomizadores Discretos. En los primeros, las muestras se introducen de manera continua, como llamas y los plasmas, mientras que en los segundos, con un dispositivo como una jeringa o un automuestreador.
La teoría de Bohr fascinó e intrigó a la comunidad científica, en el sentido que se adaptaba para el átomo de hidrógeno y átomos monoelectrónicos, pero no a otros elementos. Al mismo tiempo, muchos científicos cuestionaban por qué las energías del electrón del hidrógeno eran cuantizadas. Es decir, ¿por qué el electrón en el átomo de Bohr está circunscrito a girar en órbitas alrededor del núcleo a longitudes fijas? Durante una década, nadie tuvo una explicación lógica a este cuestionamiento, ni siquiera el mismo Bohr. La solución a este problema se encontró en la nueva Teoría Mecano Cuántica.
La Espectrometría de Masas (EM) es una poderosa y versátil técnica analítica que permite determinar la distribución de las moléculas de una sustancia en función de su masas. Es muy utilizada para identificar los elementos presentes en muestras de materia (masas de átomos, moléculas o fragmentos de moléculas) y determinar sus concentraciones. Casi todos los elementos del Sistema Periódico se pueden determinar por espectrometría de masas.
La Espectrometría de Masas (EM) es una poderosa y versátil técnica analítica que permite determinar la distribución de las moléculas de una sustancia en función de su masas. Es muy utilizada para identificar los elementos presentes en muestras de materia (masas de átomos, moléculas o fragmentos de moléculas) y determinar sus concentraciones. Casi todos los elementos del Sistema Periódico se pueden determinar por espectrometría de masas.
Desde la clínica que tratan las “dependencias químicas” hasta las etiquetas de “sin productos químicos añadidos” en las comidas, la química y los productos químicos parecen ya una parte integral de la vida, aunque no siempre sean referencias positivas. De hecho, todos los objetos materiales, seres vivos o inanimados, se componen de productos químicos.
Al manipular los materiales que les rodean, los seres humanos siempre han practicado la química. Entre prácticas antiguas están el esmaltado de cerámicas, la fundición de minerales para obtener metales y aleaciones, el curtido de pieles, el teñido de telas y la fabricación de queso, vino, cerveza y jabón.
Con la ciencia moderna, los químicos pueden descomponer la materia en sus componentes más pequeños (átomos) y reagrupar estos componentes en materiales inexistentes en la naturaleza y que tienen propiedades nunca vistas. También, se pueden entender y controlar los procesos fundamentales de la vida, también para entender, los procesos que deterioran el medio ambiente, como la formación del smog y la destrucción de la capa de ozono, entre muchos otro.
La característica común de todos los compuestos es que están formados por dos o más elementos. Los compuestos se representan mediante fórmulas químicas que se obtienen combinando los símbolos de los elementos constituyentes. Una fórmula química contiene una considerable información cuantitativa sobre un compuesto y sus elementos constituyentes.
La fórmula química de una sustancia es un representación gráfica que indica su composición química y representa tanto a los elementos presentes como la proporción en la que se encuentran los átomos de dichos elementos. Finalmente, una fórmula química contiene una considerable información cuantitativa sobre un compuesto y sus elementos constituyentes.
El lenguaje de la química para describir las formas de materia y los cambios en su composición es muy particular, empleando símbolos y fórmulas químicas. Por otro lado, aun cuando el átomo es la muestra representativa más pequeña de un elemento, solo los gases nobles se encuentran en la naturaleza como átomos aislados, la mayor parte de la materia está compuesta de moléculas o iones.
Los átomos tienen masas tan pequeñas, que no existe balanza para pesarlos mediante unidades calibradas de masa atómica. En el laboratorio se manejan muestras macroscópicas que contienen una gran cantidad de átomos. Incluso la muestra más pequeña en el laboratorio contiene una enorme cantidad de átomos, iones o moléculas. Es otras palabras, la pizca más pequeña de materia, tiene un gran número de átomos; por esta razón es conveniente tener una unidad para referirse a grandes cantidades de partículas.
En química, la unidad para manejar el número de átomos, iones o moléculas de una muestra de tamaño común es el mol.
Las unidades derivadas son parte del Sistema Internacional de Unidades, y se derivan de las siete (7) unidades básicas, que son: metro (m), unidad de longitud; kilogramo (kg), unidad de masa; segundo (s), unidad de tiempo; amperio (A), unidad de intensidad de corriente eléctrica; kelvin (K), unidad de temperatura; mol (mol), unidad de cantidad de sustancia y, candela (cd), unidad de intensidad luminosa. De estas unidades básicas es posible obtener cualquier otra unidad de medida. Las unidades fundamentales del SI se utilizan para obtener las unidades derivadas. Para ello, utilizamos la ecuación que define la cantidad y sustituimos las unidades fundamentales adecuadas. Por ejemplo, la unidad SI para la distancia (longitud), m, dividida entre la unidad SI para el tiempo, s. Dos unidades derivadas comunes en química son las de volumen y densidad.
Existen fenómenos económicos, sociales, físicos y químicos en los que una variable es proporcional a otra. Por ejemplo, los costos de fabricación son proporcionales al número de unidades producidas. El número de accidentes automovilísticos es proporcional al volumen del tránsito. La 2da Ley de Newton establece que la fuerza (F) sobre un objeto de masa (m) es proporcional a su aceleración a (F = ma). La calibración de equipos en los análisis experimentales. Éstos son modelos y en un experimento, en rara ocasión, encontramos que los datos observados se ajustan al modelo de manera exacta.
Existen fenómenos económicos, sociales, físicos y químicos en los que una variable es proporcional a otra. Por ejemplo, los costos de fabricación son proporcionales al número de unidades producidas. El número de accidentes automovilísticos es proporcional al volumen del tránsito. La 2da Ley de Newton establece que la fuerza (F) sobre un objeto de masa (m) es proporcional a su aceleración a (F = ma). La calibración de equipos en los análisis experimentales. Éstos son modelos y en un experimento, en rara ocasión, encontramos que los datos observados se ajustan al modelo de manera exacta.
Cuando un haz de luz atraviesa un medio que contiene un analito absorbente, su intensidad disminuye a medida que interacciona con el analito. En este sentido, en el estudio de un compuesto por espectrofotometría, el analito debe cumplir dos requisitos: a) que pueda absorber luz, y b) la absorción debe distinguirse de la de otras sustancias en la muestra. Para una disolución de analito a una concentración dada, cuanto mayor sea la trayectoria en el medio por el cual pasa la luz, más absorbentes habrá en la trayectoria y mayor será la atenuación. De manera similar, para una longitud de la trayectoria de la luz dada, cuanto mayor sea la concentración de los absorbentes, mayor será la atenuación. A este fenómeno se le conoce como la ley de Beer-Bouguer-Lambert, comúnmente conocida como ley de Beer.
Cuando un haz de luz atraviesa un medio que contiene un analito absorbente, su intensidad disminuye a medida que interacciona con el analito. En este sentido, en el estudio de un compuesto por espectrofotometría, el analito debe cumplir dos requisitos: a) que pueda absorber luz, y b) la absorción debe distinguirse de la de otras sustancias en la muestra. Para una disolución de analito a una concentración dada, cuanto mayor sea la trayectoria en el medio por el cual pasa la luz, más absorbentes habrá en la trayectoria y mayor será la atenuación. De manera similar, para una longitud de la trayectoria de la luz dada, cuanto mayor sea la concentración de los absorbentes, mayor será la atenuación. A este fenómeno se le conoce como la ley de Beer-Bouguer-Lambert, comúnmente conocida como ley de Beer.
En la actualidad, la espectrometría de absorción atómica (EAA) es el método atómico más utilizado de todos los métodos instrumentales, debido a su simplicidad, eficiencia. La técnica fue introducida en 1955 por Sir Alan Walsh en Australia y por Alkemade y Milatz en los Países Bajos. El primer espectrómetro de absorción atómica comercial fue introducido en 1959 y el uso de esta técnica creció de manera explosiva después de ello.
La relajación de las especies excitadas va acompañada de la producción de espectros de líneas UV y visible, que son útiles para el análisis cualitativo y cuantitativo de elementos. Históricamente, la espectroscopia de emisión atómica requería la atomización y excitación mediante una flama. Estos métodos todavía tienen aplicaciones importantes para el análisis químico. Sin embargo, las fuentes de plasma se han convertido en las más utilizadas en espectrometría de emisión atómica.
Los dispositivos de atomización debe efectuar la compleja tarea de convertir la especie del analito en átomos libres, iones elementales o ambos, en fase gaseosa. Estos dispositivos son clasificados en: Atomizadores Continuos y Atomizadores Discretos. En los primeros, las muestras se introducen de manera continua, como llamas y los plasmas, mientras que en los segundos, con un dispositivo como una jeringa o un automuestreador.
Para obtener espectros ópticos atómicos, los elementos presentes en una muestra deben convertirse en átomos o átomos ionizados (iones elementales) en estado gaseoso (vapor atómico) por medio de proceso denominado atomización. En condiciones ideales, los átomos se liberan de la influencia de la matriz que los rodea. Lo que significa que los átomos del analito no están químicamente enlazados a ningún otro tipo de átomo. Por otro lado, la matriz de la muestra debería quedar totalmente destruida. De esta manera se mide la absorción UV-Vis, la emisión o fluorescencia de las especies atómicas en el vapor.
La teoría cuántica fue propuesta en 1900 por el físico alemán Max Planck, para explicar las propiedades de la radiación emitida por los cuerpos calientes. La teoría más tarde se amplió para racionalizar los procesos de emisión y absorción.
Las moléculas poseen movimiento vibracional continuo. Las vibraciones suceden a valores cuantizados de energía. Los fotones de radiación IR son absorbidos por los enlaces de una molécula pasando a niveles vibracionales superiores. Cada tipo de enlace absorbe energía IR a una frecuencia distinta, lo que permite determinar que grupo funcional posee la molécula en estudio.
La Espectroscopia de infrarrojo (IR) es un técnica analítica que se basa en la energía absorbida por una molécula cuando vibra, alargando y flexionando sus enlaces. La espectroscopia de infrarrojo se utiliza para analizar los grupos funcionales en una molécula. Por otro lado, un espectro es el resultado, en general en forma de gráfica, de un espectrómetro. El análisis de un espectro proporciona información acerca de la estructura molecular del sustancia objeto de estudio.
El principal uso de la espectroscopia infrarroja (IR) es la identificación y estructura de sustancias químicas. Sin embargo, también es útil en el análisis cuantitativo de mezclas complejas de compuestos similares. Cada molécula tendrá un espectro completo y exclusivo de absorción, por lo que se obtiene una “dactiloscopia” de la molécula.
Instrucciones del procedimiento para la oferta y la gestión conjunta del proceso de admisión a los centros públicos de primer ciclo de educación infantil de Pamplona para el curso 2024-2025.
1. Sin embargo, con flamas como las de oxiacetileno y óxido
nitrosoacetileno, se pueden determinar más de 60 elementos
a pesar de que se cuenta con una pequeña fracción de
átomos excitados para la emisión.
En consecuencia, son pocos los elementos que se
pueden determinar. Sólo los metales alcalinos, son
relativamente fáciles de excitar, se determinan en forma
rutinaria por espectrometría de emisión de flama.
Espectrometría por emisión atómica (EEA)
Técnica basada en la emisión de luz por átomos (vapor
atómico) excitados térmicamente, con lo cual ascienden a
un nivel mayor de energía electrónica; luego, regresan a
su estado fundamental emitiendo fotones y creando
espectros de emisión. En este método, comúnmente la
fuente de energía de excitación es una flama, donde la
muestra se introduce en forma de solución. La intensidad
de la emisión es directamente proporcional a la
concentración del analito en la solución aspirada.
Espectrometría por fluorescencia atómica (EFA)
En una técnica en la cual las transiciones electrónicas de los átomos formados en una llama, horno o plasma son excitadas
por medio de la irradiación con un láser y al volver al estado fundamental, puede emitir fluorescencia y ser observada en
ángulo recto respecto al haz incidente. Un átomo excitado puede emitir la misma longitud de onda que absorbe, o puede
bajar a un estado inferior y emitir una longitud de onda mayor. Esta técnica es potencialmente más sensible que la EAA.
Ambas variables son difíciles de
determinar, pero manteniendo
constante la longitud de trayectoria,
la concentración del vapor atómico
será directamente proporcional a la
concentración del analito.
Es posible utilizar una curva de
calibración de concentración en
función de la absorbancia. La
desventaja de hacer mediciones por
EAA, es que para cada analito se
requiere una fuente diferente.
La EAA sigue la ley de Beer. Es decir,
la absorbancia es directamente
proporcional a la longitud de
trayectoria en la flama y a la
concentración del vapor atómico en
la muestra.
Espectrofotometría de absorción atómica (EAA)
Es una técnica basada en la absorción de luz por átomos gaseosos libres (vapor atómico) en una llama o en un horno;
algunos átomos son excitados térmicamente, pero casi todos permanecen en estado fundamental. En este estado
fundamental pueden absorber radiación de determinada longitud de onda producida en una fuente que contenga a ese
mismo elemento (lámpara de cátodo hueco). Es importante destacar que las longitudes de onda de la radiación emitida por
la fuente son las mismas que absorben los átomos en la flama.
El disolvente se evapora y deja el analito deshidratado, la cual se disocia en átomos gaseosos libres en estado fundamental.
Una fracción de ellos puede absorber energía de la flama y acceder a un estado electrónico excitado. Los niveles excitados
tienen corta duración y regresan al estado fundamental emitiendo fotones de longitudes de onda característica cuya energía
es igual a hυ y que se pueden detectar con un dispositivo convencional de monocromador-detector. Reacciones secundarias
en la flama pueden hacer disminuir la población de átomos libres, por tanto, la señal de emisión.
Tabla 1. Clasificación de los métodos espectroscópicos atómicos.
Orígenes de los espectros atómicos
La determinación espectroscópica de especies atómicas solo puede realizarse en medio gaseoso. Con átomos o iones en
fase gaseosa en que solo ocurren transiciones electrónicas, sus espectros de emisión no muestran una distribución continua
de longitudes de onda; más bien, producen líneas brillantes en distintas partes del espectro visible.
Es posible observar un espectro de emisión de
una sustancia al “energizar” una muestra de
material mediante energía térmica, o bien con
alguna otra forma de energía (como una
descarga eléctrica de alto voltaje).
Tipos de espectroscopia atómica:
Ciudad Bolívar, Venezuela Código: AnaIns-UV-C1 / Revisión: 00
Espectroscopia Atómica
#MicroClasesDeCastro / Agosto, 2021 / Por: José Luis Castro Soto
Referencias Bibliográficas
Chang, R., & Goldsby, K. (2017). Química (Duodécima ed.). México, D. F., México: McGraw-Hill Interamericana Editores.
Christian, G. (2009). Química Analítica (Sexta ed.). México: McGraw-Hill/Interamericana editores, S. A. de C. V.
Harris, D. (2016). Análisis Químico Cuantitativo (Tercera ed.). Barcelona, España: REVERTÉ.
Skoog, D., James, F., & Nieman, T. (2001). Principios de Análisis Instrumental (Quinta ed.). Madrid, España: McGraw Hill.
Skoog, D., West, D., Holler, F., & Crouch, S. (2015). Fundamentos de química analítica (Novena ed.). México D.F., México:
Cengage Learning Editores, S.A. de C.V.
@jlcastros78 Micro Clases de Castro
José Luis Castro Soto @MicroClasesDeCastro
@MClasesDeCastro
La espectrometría atómica se usa cuando se requieren
determinaciones de trazas de elementos. La contaminación
por metales pesados puede analizarse a partir de muestras
tomadas del medio ambiente, y es posible determinar
impurezas metálicas de muestras farmacéuticas.
En la industria del acero es necesario determinar
componentes secundarios y primarios. La técnica especial
que se use dependerá de la sensibilidad requerida, de la
cantidad de muestras por analizar y de si es necesario
medir uno o varios elementos.
Puede detectar o medir cantidades
de analito entre partes por millón
(ppm) y partes por billón (ppb). Para
concentraciones mayores ésta se
debe diluir para reducir las
concentraciones a ppm.
Alta eficiencia y reproductibilidad del
paso de atomización puede tener una
gran influencia sobre la sensibilidad,
precisión y exactitud del método. En
resumen, la atomización es un paso
crítico en la espectroscopia atómica.
Posee una gran sensibilidad,
capacidad de distinguir un elemento
de otro en muestras y de realizar
análisis multielemental simultáneo,
así como la facilidad de analizar
automáticamente muchas muestras.
Figura 1. AAnalyst 800. PerkinElmer®.
Introducción
En esta unidad estudiaremos la espectroscopia de átomos.
Estos métodos de espectroscopia son utilizados para la
determinación cualitativa y cuantitativa de más de 70 elementos
químicos. Como los átomos son la forma más sencilla y pura de
la materia y no pueden girar ni vibrar como lo hace una
molécula, sólo pueden efectuarse transiciones electrónicas
dentro de ellos cuando absorbe energía. Debido a que las
transiciones son discretas (están cuantizadas), lo que se
obtiene es un espectro de líneas o rayas.
Figura 2. Espectros de la luz blanca y espectros de emisión de
diversos elementos.
Espectros de emisión
Desde el siglo XVII, Newton demostró que la luz solar está formada de diversos componentes de color que al volver a
combinarlos producen la luz blanca, los científicos han estudiado las características de los espectros de emisión, es decir, los
espectros continuos o de líneas de radiación emitida por las sustancias.
En este sentido, el primer paso en la espectroscopia
atómica es la atomización, un proceso en el cual una
muestra es volatilizada y descompuesta de tal forma que
se producen átomos individuales y/o iones elementales en
fase gaseosa, se encuentran bien separados uno de otro.
Estos espectros de líneas corresponden a la emisión de luz
a ciertas longitudes de onda. Cada elemento tiene un
espectro de emisión único que pueden emplearse para
identificar átomos, de la misma forma en que las huellas
dactilares identifican a una persona.
En los primeros años sólo se usaban flamas
relativamente frías. Las flamas sólo excitan una pequeña
fracción de átomos. Sin embargo, esa fracción excitada
aumenta al elevarse la temperatura.
Figura 4. Tipos de espectroscopia atómica.
Fuente: Skoog, West, Holler, & Crouch, (2015).
Figura 3. Procesos que se efectúan en una flama.
Fuente: Christian, (2009).
Fuente;
Harris,
(2016).
Fuente: Skoog, West, Holler, & Crouch, (2015).