Radiación Electromagnética: Propiedades, Teorías y Aplicaciones en Espectrofotometría
¿Qué es la Radiación Electromagnética?
La radiación electromagnética es una forma de energía que se transmite por el espacio a gran velocidad. Presenta componentes eléctricos y magnéticos.
Teoría Actual de la Radiación Electromagnética
La teoría actual que explica el comportamiento de la radiación electromagnética es la teoría dual (onda-partícula).
Conceptos Clave de la Radiación Electromagnética
Longitud de Onda
Se define como la distancia entre dos máximos o mínimos consecutivos en la onda. Se mide en metros (m) o centímetros (cm).
Frecuencia
Es el número de ondas que se generan en un segundo. Sus unidades son los Hertz (Hz).
Teorías sobre la Radiación Electromagnética
- Teoría de Maxwell (Ondulatoria): Modelo clásico que utiliza conceptos como longitud de onda, frecuencia y velocidad.
- Teoría Dual (Onda-Partícula): Combina aspectos ondulatorios y corpusculares.
- Teoría de Planck (Cuántica): Considera la radiación como un flujo de partículas discretas o paquetes de energía llamados fotones o cuantos.
La teoría ondulatoria explica fenómenos como la difracción, polarización y refracción. La teoría cuántica explica la absorción y emisión de energía.
Número de onda: Es el inverso de la longitud de onda expresada en cm.
Distancia lineal entre dos puntos sucesivos de una onda (cresta o valle).
Instrumentación en Espectrofotometría
Instrumentos de Absorción Molecular
Colorímetros (para la región visible) y espectrofotómetros (VIS, UV). La principal diferencia radica en la exactitud con la que seleccionan la longitud de onda.
Componentes de un Espectrofotómetro
- Fuente de Radiación: Proporciona radiación en el rango de trabajo del instrumento.
- Lámparas de hidrógeno o deuterio (RUV).
- Lámpara de tungsteno (Región visible).
- Fuentes continuas: Producen amplios intervalos de longitud de onda (400-700 nm).
- Fuentes de línea: Emiten una sola línea espectral (ej., 458 nm para absorción atómica).
- Selector de Onda: Aísla o separa el intervalo de longitudes de onda. Selecciona la longitud de onda analítica adecuada.
- Filtros de absorción.
- Filtros de interferencia.
- Monocromadores (arreglo óptico, preferiblemente monocromadores de rejilla con ~2000 cortes/mm).
- Celda: Contiene la muestra en solución diluida (analito + disolvente + reactivo). También se utiliza un blanco (disolvente + reactivo puro, sin analito).
- UV: Cuarzo.
- VIS: Vidrio o plástico.
- Detector: Transforma la señal luminosa en una corriente eléctrica. Ejemplo: Fototubos. La radiación que pasa por la muestra llega al cátodo, y su energía produce un desprendimiento de electrones de la sustancia fotoemisiva. Estos electrones llegan al ánodo, generando una corriente eléctrica.
- Procesador de Señal: Modifica la señal transducida por el detector para presentarla en un dispositivo de lectura comprensible.
Ley de Beer-Lambert
La ley fundamental en espectrofotometría es la Ley de Beer: A = abC, donde:
- A = Absorbancia
- a = Absortividad
- b = Longitud de la trayectoria de la luz a través de la muestra
- C = Concentración
Espectro Electromagnético
Es la presentación de todas las radiaciones conocidas, con información sobre sus parámetros ondulatorios y cuánticos. Incluye (en orden de energía decreciente):
- Rayos gamma (origen nuclear)
- Rayos X (capas electrónicas internas)
- Radiación UV (capas electrónicas externas)
- Radiación visible (capas electrónicas externas)
- Radiación infrarroja (vibración y rotación molecular)
- Microondas (rotación molecular)
- Radiofrecuencia (estado de espín inducido magnéticamente)
Fenómenos de Interacción Radiación-Materia
- Absorción: Transferencia de energía a los átomos y moléculas de la muestra, produciendo transiciones. Se estudia mediante espectrofotometría.
- Dispersión: Radiación proyectada en todos los ángulos posibles a partir de la dirección original, causada por partículas suspendidas. Se estudia mediante turbidimetría.
- Transmisión: Paso de la radiación sin transferencia permanente de energía (solo momentánea), dando lugar a fenómenos de refracción y polarización. Se estudia mediante refractometría y polarimetría.
Espectros de Absorción
Son gráficos que representan la reducción de la potencia radiante (absorbancia) en función de la longitud de onda.
- Espectro de líneas: Absorción de pocas frecuencias debido a un número pequeño de estados energéticos posibles (típico de absorción atómica).
- Espectro de bandas: Proceso más complejo debido a un mayor número de estados energéticos (típico de absorción molecular).
Leyes de Bouguer-Lambert y Beer
- Ley de Bouguer-Lambert: Relaciona la absorción con la longitud de la trayectoria (b) a través del medio absorbente: -dP/db = k1P => log(Po/P) = k2b
- Ley de Beer: Relaciona la concentración (C) de la especie absorbente con el grado de absorción: -dP/dC = k3P => log(Po/P) = k4C
Para la ley de Beer, la radiación incidente es monocromática (una sola longitud de onda). Las especies absorbentes (átomos, iones y moléculas) actúan de manera independiente, sin importar su número o tipo. La absorbancia está limitada a un volumen de corte seccional uniforme.
Método de Mínimos Cuadrados
Método matemático utilizado para ajustar una serie de puntos a una línea recta (Y = mX + b), cuando se presentan desviaciones.