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TEMA 8
ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN
MOLECULAR UV-VIS
(ESPECTROFOTOMETRÍA UV-VIS)
8.1.- TRANSMITANCIA
Transmitancia:
fracción
de
radiación incidente transmitida
por la disolución.
PT
T
PO
8.2.-ABSORBANCIA
PO
A   log T  log
PT
La absorbancia de una disolución aumenta a medida que
aumenta la atenuación del haz.
PT potencia del haz de radiación transmitida.
Transmitancia: fracción de radiación que una sustancia deja pasar
cuando la REM atraviesa la muestra.
T puede valer desde 0 hasta 1.
%T puede valer desde 0 hasta 100 %
Absorbancia: es la atenuación de la intensidad de la radiación cuando
esta incide sobre una muestra. Es la cantidad de energía que la
sustancia toma para pasar a un estado más excitado.
A aumenta a medida que aumenta la atenuación de la radiación.
Cuando no hay absorción de radiación Po= PT
y entonces A=0,
mientras que si se absorbe el 99% de la radiación, solo se transmite el
1%, la A=2
8.3.- RELACIÓN ENTRE ABSORBANCIA Y CONCENTRACIÓN: LEY DE BEER
Ley de Lambert-Beer: muestra cómo la absorbancia es
directamente proporcional a la longitud b de la trayectoria a través de
la solución y a la concentración c del analito o especie absorbente.
A   ·b·c
A  a·b·c
a: cte de proporcionalidad llamada absortividad. (unidades L·cm-1·g-1, si c=g/L)
b: longitud del camino que recorre la radiación a través del medio absorbente.
c: concentración expresada en g/L (mg/L, ...) Cuando en la ecuación la
concentración viene expresada en mol/L, la cte de proporcionalidad se denomina
absortividad molar y se representa por  (unidades L·cm-1·mol-1. )
-Disoluciones que contienen más de una clase de especies
absorbentes:
A = A1 + A2 + .... + An
Como A =  · b · c
A = 1 · b · c1 + 2 · b · c2 + …. +n · b · cn
Siendo 1, 2, …, n los componentes absorbentes.
8.4.- LIMITACIONES DE APLICABILIDAD DE LA LEY DE BEER
La atenuación de una radiación es cuantitativamente
proporcional a ala concentración de la especie absorbente
La proporcionalidad directa entre absorbancia y
concentración cuando b es cte presenta desviaciones:
A) Limitaciones reales de la ley
B) Limitaciones Químicas
C) Limitaciones Instrumentales
8.4.- LIMITACIONES DE APLICABILIDAD DE LA LEY DE BEER
A) Limitaciones reales de la ley
-Disoluciones de concentración elevada (c > 0.01 M) dan malos
resultados.
-La absortividad a y la absortividad molar  dependen del índice de
refracción de la muestra.
B) Limitaciones Químicas
Se produce cuando el analito se disocia, asocia o reacciona con el
disolvente para dar productos que presentan propiedades de
absorción diferentes de las del analito.
HIn
Color 1
H+
+ InColor 2
Desviación positiva a 430 y negativa a 570 nm.
8.4.- LIMITACIONES DE APLICABILIDAD DE LA LEY DE BEER
C) Limitaciones Instrumentales
El cumplimiento estricto de la Ley de Beer sólo se observa para
radiaciones monocromáticas (radiación formada por una sola
longitud de onda) y éstas en la práctica no se consiguen, ya que
con los dispositivos disponibles (filtros, monocromadores) se
obtienen una banda de longitudes de onda más o menos
simétrica entorno a la deseada.
Otra desviación: Presencia de radiación parásita o dispersa.
8.5.- INSTRUMENTACIÓN PARA ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN UV-VIS
FOTÓMETROS
* Instrumento sencillo utilizado para medir la absorbancia y
que emplea filtros de absorción o interferencia para
seleccionar la longitud de onda.
* Suelen usarse prácticamente en la región del Visible.
* Ventajas: Son sencillos, bastante económicos, robustos y
facilidad en cuanto a mantenimiento. Pueden transportarse,
lo que lo convierte en un aparato útil para realizar análisis
espectroscópicos de campo.
* Inconvenientes: No puede utilizarse para obtener
espectros de absorción.
8.5.- INSTRUMENTACIÓN PARA ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN UV-VIS
ESPECTROFOTÓMETROS
* Instrumento empleado para medir la absorbancia que
utiliza un selector monocromático para seleccionar la longitud
de onda.
* Puede usarse en la región UV, Vis e IR.
* Pueden ser de un solo haz o de doble haz.
Diseños instrumentales para fotómetros y espectrofotómetros
8.6.- ESPECIES ABSORBENTES
A) Absorción por compuestos orgánicos
Dos tipos de e- son responsables de que las moléculas absorban radiación
UV-Vis:
- e- compartidos que participan directamente en la formación de enlaces y
que están asociados a más de un átomo.
- e- externos no compartidos, localizados preferentemente entorno a
átomos como O, S, N y halógenos.(e situados en orbitales no enlazantes
n)
 a la que absorbe una molécula depende de la fuerza con que
retiene a sus distintos e-.
Enlaces sencillos C-C o C-H:  de la región del UV de vacío (<180 nm)
Enlaces dobles o triples:  de la región del UV
Compuestos orgánicos que contienen S, Br y I: absorben en la región UV
8.6.- ESPECIES ABSORBENTES
A) Absorción por compuestos orgánicos con grupos cromóforos
n orbitales no enlazantes presentes en compuestos con heteroatomos de O, S y
halógenos.
n orbitales no enlazantes presentes en compuestos con heteroatomos de O, S y
halógenos.
Absorbancia
0.80
Etinilestradiol (26 mg/L)
Gestodeno (5.4 mg/L)
Levonorgestrel (7.2 mg/L)
0.60
0.40
0.20
0.00
220.0
240.0
260.0
280.0
300.0
Longitud de onda (nm)
OH
CH3 C CH
CH3
OH
CH2 C CH
CH3
OH
CH2 C CH
HO
O
LEVONORGESTREL (LEV)
ETINILESTRADIOL (ETE)
O
GESTODENO (GTD)
NaSO3
N=N
COONa
HO
SO3Na
Tartracina (E-102)
OH
NaSO3
N=N
SO3Na
A. Anaranjado (E-110)
8.6.- ESPECIES ABSORBENTES
B) Absorción por compuestos inorgánicos
-Los espectros presentan máximos de absorción anchos y poca estructura
fina.
-Excepción: iones de la serie de los lantánidos y actínidos. Los e- (4f
y 5f) responsables de la absorción están apantallados de influencias
externas por e- situados en orbitales de nº cuánticos elevados.
Consecuencia: bandas de absorción estrechas y están relativamente poco
afectadas por la naturaleza de las especies asociadas a ese ión y por el
disolvente.
- Iones y complejos de las 2 primeras series de transición: son
coloreados al menos en alguno de sus estados de oxidación. La
absorción de radiación Vis se debe a transiciones de e- entre orbitales d
llenos y vacíos que difieren en energía a causa de los ligandos unidos a
los iones metálicos. La diferencia de energía entre orbitales d depende
del estado de oxidación del elemento, su posición en la Tabla periódica y
la clase de ligando unido a ese ión.
8.6.- ESPECIES ABSORBENTES
C) Absorción de transferencia de carga
- Complejo de transferencia de carga: consta de un grupo
dador de e- unido a un aceptor de e-.
- Cuando uno de estos compuestos absorbe radiación, se transfiere
un e- del dador a un orbital localizado preferente en el aceptor.
- El estado excitado es un producto de un proceso de oxidación
/reducción.
- Complejos inorgánicos y orgánicos.
-Se caracteriza por tener absortividades molares mayores de las
habituales (Max > 1000), circunstancia que conduce a una gran
sensibilidad.
8.7.- APLICACIONES
CARACTERÍSTICAS DE LOS MÉTODOS ESPECTROFOTOMÉTRICOS
- Amplia aplicabilidad.
- Elevada sensibilidad: los límites detección 10-4 a 10-5 M.
- Selectividad de moderada a alta.
- Buena exactitud: errores de concentración 1-5% o incluso menores.
- Facilidad y comodidad en las medidas espectrofotométricas.
- Se prestan a una fácil automatización.
CAMPO DE APLICACIÓN
- Especies absorbentes: compuestos orgánicos que contengan grupos
cromóforos y especies inorgánicas como son los metales de transición.
- Especies no absorbentes: los analitos reaccionan con un reactivo
para producir un compuesto absorbente.
8.7.- APLICACIONES
APLICACIONES MEDIOAMBIENTALES
8.7.- APLICACIONES
MEZCLAS DE ANALITOS
8.7.- APLICACIONES
VALORACIONES FOTOMÉTRICAS Y ESPECTROFOTOMÉTRICAS
 Las medidas espectrofotométricas son útiles para localizar
puntos de equivalencia en valoraciones siempre que uno o más
de los reactivos o productos absorban la radiación.
 Curva fotométrica: representación de la absorbancia
(corregida por la variación de volumen) en función del volumen
de valorante.
Valoradore fotométricos con fibras opticas
Son hebras finas de materiales como el vidrio, silice
fundido o plástico. Su diametro oscila entre 0,05m y 0,6cm.
Son muy utilizados en medicina.
La trasmisión de la luz se produce por reflexión interna,
para que sea total se recubre la fibra con material de indice de
refracción menor que el de la fibra.
También existen los sensores de fibra óptica(optrodos).
Esto permite instrumentos para la medida in-situ.
Si queremos detectar la contaminación de la bahia de Cádiz.
Tenemos una fuente de radiación que se trasmite traves de la
fibra óptica, al final se encuentra un reactivo que va a
reaccionar con el analito en cuestión, esta reacción va a
provocar una variación de la radiación incidente, que se va a
recoger a través de otra fibra óptica hasta el detector.
fuente
Aλ= aλ. b. C
detector
El espectrofotómetro convencional Un espectrofotómetro
convencional enfoca la luz policromática de la fuente en un
monocromador. Este tiene como componentes principales una
ranura de entrada, un elemento que dispersa la luz en sus
longitudes de onda componentes (en general una red de
difracción), y una ranura de salida que permite seleccionar la
longitud de onda deseada.
Esa luz “monocromática” atraviesa la muestra, y llega al
detector. Las mediciones fotométricas se hacen en base a la
relación entre la potencia de luz que alcanza al detector cuando
está interpuesta la muestra (P) y cuando no lo está (P0) o
cuando está interpuesto un “blanco”.
El espectrofotómetro de dispositivo de diodos
El espectrofotómetro de dispositivo de fotodiodos (diode array,
de diodos fue introducido a mediados de los ’70. Utiliza una
óptica invertida respecto del convencional: toda la luz de la
fuente atraviesa la muestra, luego es dispersada en un
monocromador que en lugar de una ranura de salida tiene en el
plano focal un dispositivo que integra en un pequeño circuito
varios cientos de detectores tipo fotodiodo de silicio. El número
de elementos varía actualmente entre 64 y 4096, siendo los más
comunes de 512 y 1024 elementos.
Cada elemento del dispositivo recibe luz de un rango particular
de longitudes de onda, y un ordenador procesa los datos
recibidos. Las principales ventajas del espectrofotómetro de
dispositivo de fotodiodos son que para obtener un espectro no
hace falta mover ningún elemento, y los espectros se obtienen
en forma casi instantánea.
diodos
0.1nm de resolución
2 nm de resolución
Resolución espectralPara nuestro propósito, nos concentraremos en los
aspectos prácticos, y aquí lo más importante es saber qué resolución
necesitamos para nuestro trabajo, y esa resolución está expresada en general
como ancho espectral del instrumento (spectral bandwidth).
Como regla general, el ancho de media banda instrumental debe ser como
máximo 1/10 del ancho de media banda espectral de la banda de absorción a
medir. Dado que la mayoría de las moléculas en solución presentan en fase
líquida bandas de absorción con anchos medios entre 20 y 40nm, un
instrumento con “resolución” de 2nm es generalmente adecuado. A veces
encontramos casos particulares (Ej.: cianocobalamina – vitamina B12) con
bandas de anchos del orden de 10nm. En este caso, la cuantificación con un
instrumento de 2nm daría un error por defecto del orden del 2-3%, mientras
que con un equipo de 1nm de ancho de banda el error sería despreciable.
En el caso de medición de gases o vapores, las interacciones son menores y por
lo tanto las bandas de absorción también, por lo que en general se requieren
instrumentos de alta resolución (0,1nm).
Hay dos parámetros que afectan directamente la resolución de un
monocromador: la densidad de líneas de la red y la distancia focal. La
resolución es directamente proporcional a cada uno de estos parámetros. Sin
embargo, al aumentar la densidad de líneas de la red aumenta la dispersión y
disminuye la eficiencia reflectiva aparente, lo que se corrige aumentando el
ancho de ranura (lo que disminuye la resolución). Aumentar la distancia focal
también tiene su costo: el monocromador se hace más grande, disminuyen las
tolerancias ópticas y mecánicas y las especificaciones para el alineamiento se
hacen más estrictas.
Por supuesto también aumenta el precio.
Avantes es la empresa líder, con la serie AvaSpec, en el diseño
y fabricación de espectrómetros miniaturizados con entrada
por fibra óptica para aplicaciones en el UV, VIS, y NIR.Estos
espectrómetros están basados en un diseño de óptica
integrada, sin partes móviles, recogiendo la luz mediante fibra
óptica , dispersándola por medio de una red de difracción , en
un detector lineal CCD , CMOS, PDA ó Array de InGaAs.
Proporcionan una resolución de hasta 0,04 nm dependiendo de
la red de difracción y de la rendija de entrada seleccionada. En
la serie AvaSpec 2048 el espectrómetro está basado en un
monocromador simétrico del tipo Cerny-Turner, de 75 mm de
distancia focal , con un detector lineal CCD de 2048 pixels
conectado a una tarjeta electrónica con un convertidor A/D de
14 bits y una interfase USB/RS232. Incorpora un conector
SMA que permite acoplar un amplia línea de fuentes de luz y
sondas por fibra óptica , sensores químicos y otros accesorios.