Espectroscopía Atómica y Molecular: Fundamentos e Instrumentación

Espectroscopía Atómica y Molecular

Introducción a la Espectroscopía

La espectroscopía mide la interacción de la radiación electromagnética (REM) con la materia. Las técnicas ópticas miden la cantidad de REM producida o absorbida por las especies químicas analizadas.

Radiación Electromagnética (REM)

La REM es una forma de energía que se transmite por el espacio a velocidades muy altas, propagándose fácilmente por el vacío (ej. fotón: paquete de energía).

1. Como onda: La REM se propaga a la velocidad de la luz. Sus componentes magnético y eléctrico son perpendiculares entre sí.
   • Amplitud: Longitud del vector eléctrico en el máximo de la onda.
   • Longitud de onda (λ): Distancia entre dos puntos de onda que pasan por un ciclo completo. Depende de la composición del medio que atraviesa la onda.
   • Frecuencia (ν): Número de oscilaciones completas por unidad de tiempo. Independiente del medio que atraviesa.
   • Número de onda: Inverso de la longitud de onda.
   • Velocidad de propagación: Velocidad a la que se mueve el frente de onda. Depende del medio atravesado. V = λν
2. Como fotón: La energía es inversamente proporcional a la longitud de onda. E = hν = hc/λ

Espectro Electromagnético

Representación de la intensidad de radiación electromagnética emitida o absorbida en función de la frecuencia o longitud de onda. Se produce por transiciones entre distintos niveles de energía; los átomos absorben o emiten REM.

Espectro de Absorción

Se produce cuando una especie absorbe REM y pasa de un estado fundamental a uno excitado de mayor contenido energético. Un estudio de absorción en función de la longitud de onda caracteriza la composición de una muestra. Debe existir interacción entre el campo eléctrico de la radiación y los electrones. La energía del fotón incidente debe ser igual a la diferencia de energía entre el estado excitado y el fundamental.

• Transición rotacional pura: La energía implicada modifica solo la rotación de la molécula (microondas).
• Vibracional-rotacional: Mayor energía de REM absorbida.
• Electrónica-vibracional-rotacional: Requieren fotones de mayor energía (región UV-visible). Cuando hay transiciones entre distintos niveles electrónicos y transiciones rotacionales, se obtiene un espectro formado por bandas anchas.

Los espectros de especies atómicas son líneas agudas y definidas, mientras que los de moléculas son bandas que abarcan un intervalo grande de longitudes de onda. El número de estados energéticos de partículas absorbentes es mayor en el molecular, porque existen los tres tipos de transiciones.

Espectro de Emisión

Conjunto de líneas espectrales que se observan cuando una especie en estado excitado se relaja, liberando el exceso de energía como REM. Es el proceso inverso a la absorción.

Para volver al estado fundamental:

• Relajación vibracional: Se desactiva hasta el nivel inferior del estado electrónico excitado. La energía se transfiere sin emisión por colisiones.
• Desactivación sin emisión ni radiación: La molécula pierde el resto de energía por colisiones, regresando al nivel vibracional basal.
• Fluorescencia y fosforescencia: Tras la relajación vibracional, la molécula puede relajarse hasta el estado fundamental emitiendo el exceso de energía como REM.
• Emisión de resonancia: Toda la energía absorbida se pierde como REM, siendo la misma longitud de onda que la de la radiación absorbida.
• Emisión por excitación distinta a REM: La excitación se produce por energía térmica o eléctrica, no se usa REM.

Instrumentación

1. Fuente de radiación: Permite que el analito pase a un estado excitado.
   • Electromagnéticas: Continuas (presentan un espectro de emisión continuo en una zona amplia de longitudes de onda) y de línea.
   • Térmicas y electrotérmicas: Llama o plasma.
   • UV-visible: Láser (luz monocromática, brillante, polarizada y coherente, pero costoso).
2. Selector de longitud de onda: Dispositivo que selecciona una banda estrecha de longitud de onda.
   • Filtro de interferencia: Cuando el haz de radiación incide sobre este dispositivo, una fracción…