Espectrofotometría de Absorción: Conceptos Clave y Leyes Fundamentales

Introducción a la Espectrofotometría

La espectrofotometría es una técnica analítica fundamental que se basa en la interacción de la energía radiante con la materia. A continuación, se detallan los conceptos clave y las leyes que rigen este proceso.

Conceptos Preliminares

• Frecuencia
• Color

¿Qué es la Espectrometría?

La espectrometría se define como la medición de la energía que una radiación monocromática transmite a una muestra. Esta radiación consiste en energía radiante de una sola longitud de onda o, por razones prácticas, de una banda muy estrecha de longitudes de onda. La medida de la radiación transmitida se realiza mediante aparatos muy sensibles como las fotocélulas, los tubos fotomultiplicadores y los termopares.

Interacción entre la Energía Radiante y la Materia

Los átomos, iones o moléculas pueden absorber radiación si la energía de los fotones coincide con la frecuencia natural de vibración de sus electrones y/o de la molécula. Los fotones de energía diferente producen distintos efectos en el material absorbente:

1. Las longitudes de onda muy cortas, por ejemplo, los rayos gamma o la radiación de alta energía, pueden provocar transformaciones nucleares de millones de electronvoltios.
2. Producen transiciones de los electrones en la capa interna del átomo. La absorción de rayos X es, por tanto, independiente del estado de combinación de los átomos.
3. La absorción de radiaciones en las zonas ultravioleta y visible del espectro afecta a los electrones de la capa externa.
4. La absorción en el infrarrojo próximo altera las vibraciones de la molécula. Cuando se absorbe energía en el infrarrojo lejano y en la región de las microondas, se producen alteraciones en la rotación, lo que requiere energías bajas.

Espectrofotometría de Absorción

Definiciones Clave

1. Absorbancia (A)

Es el logaritmo de base 10 del recíproco de la transmitancia en el material puro, ya sea disolvente o referencia. Se expresa como:

A = log(1/T) o A = -log(T)

2. Absortividad (a)

Es la absorbancia por unidad de paso óptico (b) y concentración (c). Se relaciona con la absorbancia mediante la expresión:

A = abc

3. Absortividad Molar (ε)

Esta absortividad se utiliza cuando la concentración se expresa en moles por litro y el paso de luz en centímetros. La fórmula es:

A = εbc

4. Poder de Radiación (P)

También llamado flujo de radiación, es la cantidad de energía transportada por un haz de energía radiante. Se mide con detectores tales como fotocélulas y termopares.

5. Transmitancia (T)

Es la relación entre el poder de radiación transmitida por una muestra (P) y el poder de radiación que incide sobre la muestra (P₀). Ambos se miden en la misma posición del espectro y con la misma rejilla. Se calcula como:

T = P/P₀

Se supone que el haz de radiación es paralelo e incide sobre la superficie plana y paralela de la muestra formando ángulos rectos.

Leyes Fundamentales de la Espectrometría

Ley de Bouguer (Ley de Lambert)

Esta ley consta de dos partes:

1. La energía radiante monocromática, al ser transmitida a través de un medio homogéneo e isótropo, disminuye en una proporción constante por cada unidad de espesor que atraviesa.
2. La energía de radiación transmitida decrece en progresión geométrica cuando la longitud del camino óptico aumenta en progresión aritmética.

Matemáticamente, se expresa como:

-log T = ab

Donde:

• T: transmitancia
• b: camino óptico
• a: absortividad del medio

Si suponemos que una disolución de concentración unitaria y absortividad 'a' alcanza el valor de la absorbancia 'A' por unidad de paso óptico, el término de transmitancia decrece cuando aumenta el camino óptico.

Ley de Beer

La ley de Beer establece la misma relación entre transmitancia y concentración de material absorbente que la ley de Bouguer. Es decir, que para un camino óptico constante, la transmitancia disminuye en progresión geométrica cuando la concentración aumenta en progresión aritmética.

Se expresa como:

-log T = ac

Donde:

• a: absortividad
• c: concentración

Ley de Beer-Lambert (Combinación de Leyes)

Las leyes fundamentales de la espectrometría se obtienen por combinación de la ley de Bouguer y la ley de Beer. La forma de estas ecuaciones nos indica que la representación gráfica de la absorbancia de una sustancia, para un camino óptico constante, en función de la concentración, es una línea recta con una pendiente:

En la cual, la absortividad de la sustancia tiene dimensiones de unidades de concentración y camino óptico.