Principios de las Técnicas Ópticas en Química Analítica
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Técnicas Ópticas: Fundamentos y Aplicaciones
Las técnicas ópticas se basan en la medida de la interacción entre la radiación electromagnética (REM) y la materia. Se caracterizan por ser rápidas, disponer de una amplia gama de instrumentación y permitir la automatización de los procesos.
Radiación Electromagnética (REM)
La radiación electromagnética es una forma de energía que se transmite por el espacio a gran velocidad. Posee una doble naturaleza:
Naturaleza Ondulatoria
Se describe mediante propiedades como la longitud de onda (λ), la amplitud, el periodo (T), la frecuencia (ν), la velocidad de propagación (c) y la potencia.
La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos máximos o dos mínimos sucesivos de una onda, y se mide comúnmente en nanómetros (nm).
Naturaleza Corpuscular
Se manifiesta como paquetes de energía discretos, denominados fotones o cuantos.
Clasificación de los Métodos Ópticos
Métodos Ópticos Espectrales
Estos métodos implican un intercambio de energía entre la radiación electromagnética (REM) y la materia, lo que provoca transiciones entre niveles energéticos de las especies químicas.
Absorción
Se mide la cantidad de REM absorbida por la muestra.
- Nivel Molecular:
- Espectroscopia UV-Vis (ultravioleta-visible)
- Espectroscopia IR (infrarroja)
- Espectroscopia de Microondas, entre otras.
- Nivel Atómico:
- Absorción Atómica de Llama (AAS)
- Absorción de Rayos X
- Nivel Molecular:
Emisión
Se mide la REM emitida por la muestra tras ser excitada.
- Nivel Molecular:
- Fluorimetría
- Fosforimetría
- Espectroscopia Raman
- Nivel Atómico:
- Fluorescencia de Rayos X (XRF)
- Fluorescencia Atómica de Llama
- Nivel Molecular:
Métodos Ópticos No Espectrales
En estos métodos no tiene lugar un intercambio de energía entre la REM y la materia. En su lugar, se observan cambios en la dirección o en las propiedades físicas de la REM al interactuar con la muestra.
- Dispersión:
- Turbidimetría
- Reflectometría
- Difracción:
- Difracción de Rayos X
- Refracción:
- Refractometría
- Interferometría
Espectroscopia de Absorción Molecular UV-Vis
Ley de Lambert-Beer
La Ley de Lambert-Beer es fundamental en espectroscopia de absorción. Establece que la absorbancia (A) de una disolución es directamente proporcional a la concentración de la especie absorbente y a la longitud del camino óptico.
La ecuación de absorción se expresa como: A = εlc
- A: Absorbancia (adimensional)
- ε (epsilon): Coeficiente de extinción molar o absortividad molar (L·mol⁻¹·cm⁻¹). Depende del disolvente de la disolución y de la temperatura.
- l: Espesor de la celda de medida o camino óptico (cm).
- c: Concentración de la especie absorbente (mol/L).
Para realizar una medida con un espectrofotómetro, primero se mide la absorbancia de un blanco (disolvente sin analito) y, posteriormente, la absorbancia de la disolución de nuestra muestra.
Limitaciones de la Ley de Lambert-Beer
Aunque es una ley fundamental, la Ley de Lambert-Beer presenta ciertas limitaciones:
Inherentes a la Ley
La ley es válida principalmente en disoluciones diluidas. Si la concentración (C) es superior a aproximadamente 0.01 M, pueden producirse desviaciones de la linealidad debido a interacciones entre las moléculas del analito.
Desviaciones Químicas
Pueden ocurrir debido a fenómenos como reacciones ácido-base, formación de complejos o dimerización del analito. Estas desviaciones requieren un control riguroso de las condiciones de trabajo (pH, temperatura, fuerza iónica, etc.).
Desviaciones Instrumentales
La ley asume que la radiación incidente es monocromática. Sin embargo, en la práctica, se utilizan fuentes policromáticas que emiten un rango de longitudes de onda, lo que puede causar desviaciones.
Otro factor es la radiación parásita: luz que llega al detector sin haber pasado a través de la muestra. Esto se debe a fenómenos de reflexión o dispersión dentro del propio instrumento.
Tipos de Transiciones Posibles
La absorción de energía por la materia puede inducir diferentes tipos de transiciones:
Transiciones Electrónicas
Implican la transferencia de un electrón de un orbital de menor energía a un orbital de mayor energía, resultando en absorción electrónica. Estas transiciones suelen ocurrir en la región UV-Vis del espectro.
Transiciones Vibracionales
Están asociadas a los movimientos de vibración de los enlaces intramoleculares. Requieren menos energía que las transiciones electrónicas y se observan típicamente en la región infrarroja (IR).
Transiciones Rotacionales
Corresponden al movimiento rotatorio de la molécula en su conjunto. Son las transiciones de menor energía y se observan en la región de microondas.
La energía total de una molécula (E) es la suma de sus energías electrónica, vibracional y rotacional:
E = Eelectrónica + Evibracional + Erotacional