Objetivos
Que es un espectrofotómetro.
Conocer la función del espectrofotómetro.
Como se maneja maneja el espectrofotómetro.
Cuidados del espectrofotómetro.
Trazado de curvas espectrales.
Que parámetro se usa en las curvas espectrales.
Que indica una curva espectral.
Para que sirve una curva curva espectral.
Fundamentos teóricos
Método Espectrofotométrico.
Que es un espectrofotómetro.
Tipos de Espectrometría.
métodos ópticos espectroscópicos
Introducción a los métodos ópticos espectroscópicos.
Espectrometría de absorción molecular.
Fundamentos de la absorción molecular.
Leyes cuantitativas de la absorción molecular.
Cálculos de absorbancia.
Trazado de curvas espectrales.
Aplicaciones analíticas.
Fundamentos teóricos
Método Espectrofotométrico.
Que es un espectrofotómetro.
Tipos de Espectrometría.
métodos ópticos espectroscópicos
Introducción a los métodos ópticos espectroscópicos.
Espectrometría de absorción molecular.
Fundamentos de la absorción molecular.
Leyes cuantitativas de la absorción molecular.
Cálculos de absorbancia.
Trazado de curvas espectrales.
Aplicaciones analíticas.
Introducción Desde hace muchos años se ha usado el color como ayuda para reconocer las sustan sustancia cias s químic químicas; as; al reemp reemplaz lazar ar el ojo humano humano por otros otros detect detectore ores s de radiación radiación se puede puede estudiar estudiar la absorción absorción de sustancia sustancias, s, no solamente solamente en la zona del espectro visible, sino también en ultravioleta e infrarrojo. Se denom denomina ina espect espectrof rofoto otome metrí tría a a la medic medición ión de la cantid cantidad ad de energí energía a radiante que absorbe un sistema químico en función de la longitud de onda de la radiación, y a las mediciones a una determinada longitud de onda. La teoría ondulatoria de la luz propone la idea de que un haz de luz es un flujo de cuantos de energía llamados fotones; la luz de una cierta longitud de onda está está asocia asociada da con con los fotones, fotones, cada cada uno de los cuales cuales posee posee una cantidad cantidad definida de energía…
Espectrofotometría
La espectrofotometría es un método analítico que utiliza los efectos de la interacción de las radiaciones electromagnéticas con la materia (átomos y moléculas) para medir la absorción o la transmisión de luz por las sustancias. La espectrofotometría se refiere a los métodos, cuantitativos, de análisis químico que utilizan la luz para medir la concentración de las sustancias químicas. Se conocen como métodos espectrofotométricos y, según sea la radiación utilizada, como espectrofotometría de absorción visible (colorimetría), ultravioleta, infrarroja
En espectroscopia el término luz no sólo se aplica a la forma visible de radiación electromagnética, sino también a las formas UV e IR, que son invisibles. En espectrofotometría de absorbancia se utilizan las regiones del ultravioleta (UV cercano, de 195-400 nm) y el visible (400-780 nm).
La región UV se define como el rango de longitudes de onda de 195 a 400 nm. Es una región de energía muy alta. Provoca daño al ojo humano así como quemadura común. Los compuestos con dobles enlaces aislados, triples enlaces, enlaces peptídicos, sistemas aromáticos, grupos carbonilos y otros heteroátomos tienen su máxima absorbancia en la región UV, por lo que ésta es muy importante para la determinación cualitativa y cuantitativa de compuestos orgánicos. Diversos factores -como pH, concentración de sal y el disolvente- que alteran la carga de las moléculas, provocan desplazamientos de los espectros UV.
La fuente de radiación ultravioleta es una lámpara de deuterio. En la región visible apreciamos el color visible de una solución y que corresponde a las longitudes de onda de luz que transmite, no que absorbe. El color que absorbe es el complementario del color que transmite. Por tanto, para realizar mediciones de absorción es necesario utilizar la longitud de onda en la que absorbe luz la solución coloreada. La fuente de radiación visible suele ser una lámpara de tungsteno y no proporciona suficiente energía por debajo de 320 nm.
¿Qué es un espectro fotómetro? Un espectrofotómetro es un instrumento que tiene la capacidad de manejar un haz de Radiación Electromagnética (REM), comúnmente denominado Luz, separándolo en facilitar la identificación, calificación y cuantificación de su energía. Su eficiencia, resolución, sensibilidad y rango espectral, dependerán de las variables de diseño y de la selección de los componentes ópticos que lo conforman. Cuando la luz atraviesa una sustancia, parte de la energía es absorbida. El color de las sustancias se debe a que estas absorben ciertas longitudes de onda de la luz blanca que incide sobre ellas, y sólo vemos aquellas longitudes de onda que no fueron absorbidas. El espectrofotómetro mide la absorbancia de una muestra en los espectros de luz ultravioleta y visible (200 a 850 nm). El largo de onda es determinado por un prisma que descompone el rayo de luz de acuerdo al largo de onda escogido. Luego la luz pasa por una hendidura que determina la intensidad del haz. Este haz atraviesa la muestra y llega a un tubo fotográfico, donde es medido. La cantidad de luz que atraviesa la muestra es el porcentaje (%) de transmitancia. Podemos usar esta unidad o cambiarla a absorbancia usando la siguiente ecuación.
%T = - Log Abs. El espectrofotómetro nos puede dar ambos valores a la misma vez, ahorrando la necesidad de hacer los cálculos. (Transmitancia= cantidad de luz que atraviesa la mezcla).
Una característica del instrumento es la necesidad de “blanquear” el aparato antes de cada lectura. Esto se hace colocando una cubeta con una solución control que tenga todos los componentes de la reacción menos la sustancia que va a ser medida en el instrumento y ajustando la lectura a cero absorbancia. El propósito de esto es eliminar el registro de absorbancia (background) que puedan presentar los demás componentes de la reacción a ese largo de onda particular. Todas las moléculas presentan absorbancia porque todas interfieren con el paso de la luz. Sólo que la absorbancia será óptima a un largo de onda de luz específico para cada tipo de sustancia.
Componentes de un espectrofotómetro La medición de absorbancia de la luz por las moléculas se realiza en unos aparatos llamados espectrofotómetros. Aunque pueden variar en diseño, en especial con la incorporación de ordenadores para el análisis de datos, todos los espectrofotómetros constan, según se indica en la figura, de: 1. Una fuente de energía radiante: lámpara de deuterio y tungsteno. 2. Un monocromador para la selección de radiaciones de una determinada longitud de onda: filtros, prismas, redes de difracción.
3. Un compartimento donde se aloja un recipiente transparente (cubetas o tubos) que contenga la muestra Pueden ser de vidrio, cuarzo o plástico transparente. Para medir en UV se deben usar las de cuarzo o sílice fundido, porque el vidrio no transmite la radiación UV. 4. Un detector de luz y un amplificador convertidor de las señales luminosas en señales eléctricas. 5. Un registrador o sistema de lectura de datos.
Utilidad. Los espectrofotómetros son útiles debido a la relación de la intensidad del color en una muestra y su relación a la cantidad de solute dentro de la muestra. Por ejemplo, si usted utiliza una solución del colorante rojo del alimento en agua, y mida la cantidad de luz azul absorbida cuando pasa a través de la solución, una fluctuación mensurable del voltaje puede ser inducido en una fotocélula en el lado opuesto. Si ahora la solución del tinte rojo es diluida por la adición del agua el color será menos intenso. Así, hay una relación entre el voltaje y la cantidad de tinte en la muestra. El espectrofotómetro tiene la capacidad de proyectar un haz de luz monocromática (de una longitud de onda particular) a través de una muestra y medir la cantidad de luz que es absorbida por dicha muestra. Esto le permite al experimentador realizar dos funciones: Nos da información sobre la naturaleza de la sustancia en la muestra. Esto podemos lograrlo midiendo la absorbancia (Abs) a distintos largos de onda (l) y graficar estos valores en función del largo de onda, formando un espectrograma. Como cada sustancia tiene unas propiedades espectrales únicas, distintas sustancias producen distintos espectrogramas. Esto se debe a que cada sustancia tiene un arreglo de átomos tridimensional particular que hace que cada sustancia tenga características únicas. Tipos de Espectrometría Hay tres grandes tipos de métodos espectro-métricos para identificar los elementos presentes en la materia y determinar sus concentraciones: la
espectrometría óptica, la espectrometría de masas y la espectrometría de rayos X. En la espectrometría óptica, los elementos presentes en una muestra se convierten en átomos o iones elementales en estado gaseoso por medio de un proceso denominado atomización. De esta manera se mide la absorción ultravioleta/visible, la emisión o la fluorescencia de las especies atómicas en el vapor. En la espectrometría de masas atómica, las muestras también se atomizan, sin embargo, en este caso, los átomos en estado gaseoso se convierten en iones positivos (generalmente con una única carga) y se separan en función de su relación masa-carga. Los datos cuantitativos se obtienen por el recuento de los iones separados. En la espectrometría de rayos X, se necesita atomizar, ya que, para la mayoría de los elementos, los espectros de rayos X son independientes de cómo se encuentren dichos elementos combinados químicamente en una muestra.
Espectrometría de absorción molecular La espectroscopia de absorción molecular se basa en la medida de la transmitancia T o de la absorbancia A de disoluciones que se encuentranen cubetas transparentes que tienen un camino óptico de b cm. Normalmente, la concentración c de un analito absorbente está relacionada linealmente con la absorbancia como representa la ecuación A= -logT=logP0P=εbc
Todas las variables de esta ecuación se definen en la Tabla 13-1. Esta ecuación es una representación matemática de la ley de Beer
Fundamentos de la absorción molecular
Transmitancia y Absorbancia Cuando un rayo de luz de una determinada longitud de onda de intensidad Io incide perpendicularmente sobre una disolución de un compuesto químico que absorbe luz o cromóforo, el compuesto absorberá una parte de la radiación incidente (Ia) y dejará pasar el resto (It), de forma que se cumple: Io = Ia + It
La transmitancia (T) de una sustancia en solución es la relación entre la cantidad de luz transmitida que llega al detector una vez que ha atravesado la muestra, It, y la cantidad de luz que incidió sobre ella, Io, y se representa normalmente en tanto por ciento:
% T = It/Io x 100 La transmitancia nos da una medida física de la relación de intensidad incidente y transmitida al pasar por la muestra. La relación entre %T y la concentración no es lineal, pero asume una relación logarítmica inversa. La absorbancia (A) es un concepto más relacionado con la muestra puesto que nos indica la cantidad de luz absorbida por la misma, y se define como el logaritmo de 1/T, en consecuencia:
A = log 1/T = -log T = -log It/ Io. Cuando la intensidad incidente y transmitida son iguales (Io = It), la transmitancia es del 100% e indica que la muestra no absorbe a una determinada longitud de onda, y entonces A vale log 1 = 0. La cantidad de luz absorbida dependerá de la distancia que atraviesa la luz a través de la solución del cromóforo y de la concentración de éste.
Ley de Lambert-Beer
Esta ley expresa la relación entre absorbancia de luz monocromática (de longitud de onda fija) y concentración de un cromóforo en solución:
A = log I/Io = ε·c·l La absorbancia de una solución es directamente proporcional a su concentración a mayor número de moléculas mayor interacción de la luz con ellas; también depende de la distancia que recorre la luz por la solución a igual concentración, cuanto mayor distancia recorre la luz por la muestra más moléculas se encontrará-; y por último, depende de ε, una constante de proporcionalidad -denominada coeficiente de extinción- que es específica de cada cromóforo. Como A es adimensional, las dimensiones de ε dependen de las de c y l. La segunda magnitud (l) se expresa siempre en cm mientras que la primera (c) se hace, siempre que sea posible, en M, con lo que las dimensiones de ε resultan ser M-1·cm-1. Este coeficiente así expresado, en términos de unidades de concentración molar (o un submúltiplo apropiado), se denomina coeficiente de extinción molar (εM). Cuando, por desconocerse el peso molecular del soluto, la concentración de la disolución se expresa en otras unidades distintas de M, por ejemplo g·L-1, las dimensiones de ε resultan ser distintas, por ejemplo g-1·L·cm-1, y al coeficiente así expresado se denomina coeficiente de extinción específico (εs). La ley de Lambert-Beer se cumple para soluciones diluidas; para valores de c altos, ε varía con la concentración, debido a fenómenos de dispersión de la luz, agregación de moléculas, cambios del medio, etc.
Instrumentación para la medición de absorbancias de la luz visible y ultravioleta: espectrofotómetro UV-visible
La medición de absorbancia de la luz por las moléculas se realiza en unos aparatos llamados espectrofotómetros. Aunque pueden variar en diseño, en especial con la incorporación de ordenadores para el análisis de datos, todos los espectrofotómetros constan, según se indica en la figura, de:
1. Una fuente de energía radiante: lámpara de deuterio y tungsteno. 2. Un monocromador para la selección de radiaciones de una determinada longitud de onda: filtros, prismas, redes de difracción. 3. Un compartimento donde se aloja un recipiente transparente (cubetas o tubos) que contenga la muestra Pueden ser de vidrio, cuarzo o plástico transparente. Para medir en UV se deben usar las de cuarzo o sílice fundido, porque el vidrio no transmite la radiación UV. 4. Un detector de luz y un amplificador convertidor de las señales luminosas en señales eléctricas. 5. Un registrador o sistema de lectura de datos. Desde el punto de vista operativo, el primer paso es seleccionar la fuente de luz y longitud de onda a la que se va a realizar la medida. Hay espectrofotómetros de un solo haz (con una sola celdilla para alojar la cubeta con la muestra) y de doble haz (con dos celdillas para dos cubetas); en nuestro caso se trabajará con los de un solo haz.
Se mide primero la absorbancia del disolvente (conocido como blanco) y al que se le asigna el valor de cero mediante el ajuste del mando, de forma que la intensidad incidente y transmitida sean iguales (Io = It), y por tanto la absorbancia es cero. A continuación se pone en la celdilla la cubeta con la muestra y se lee la absorbancia de ésta.
Obtención de un espectro de absorción El espectro de absorción es una representación gráfica que indica cantidad de luz absorbida (ε) a diferentes valores de λ. A partir de una solución diluida de un compuesto, cuya absorbancia máxima entra dentro del rango de medida del espectrofotómetro, se verá el valor de absorbancia a diferentes longitudes de onda frente a un blanco que contenga el disolvente de la solución de la muestra a caracterizar. A partir del espectro de absorción se obtendrá el valor de λ al que el compuesto presenta la mayor absorbancia (λmax). Dicho λ se utilizará a la hora de hacer determinaciones cualitativas y cuantitativas del compuesto. El espectro de absorción de un cromóforo depende, fundamentalmente, de la estructura química de la molécula.
No obstante, hay una gran cantidad de factores que originan variaciones en los valores de λmax y εM, entre los que se incluye el pH, la polaridad del solvente o moléculas vecinas y la orientación de los cromóforos vecinos; y cada uno afecta de forma particular. Por ejemplo, variaciones originadas por cambios de pH son debidas al efecto de éste sobre la ionización del compuesto. A continuación se muestran como ejemplo los espectros de absorción de HNTS (un reactivo empleado para la determinación de especies oxidantes) y comprobándose que por espectrotometría se puede seguir el efecto que ejercen
Cálculos de absorbancia Para obtener una curva de calibrado de un compuesto se preparan soluciones de diferentes concentraciones del mismo, determinándose para cada una de ellas el valor de absorbancia a λmax. Estos valores de absorbancia se representan en el eje de abscisas (eje de x) y los de concentración en el eje de ordenadas (eje de y). Se observará que, a bajas concentraciones, el aumento de concentración se corresponde con un incremento lineal en la absorbancia (zona de cumplimiento de la ley de Lambert-Beer). A concentraciones altas la linealidad se pierde y se observa que la línea se aplana, por lo que las medidas son poco fiables. La representación de Lambert-Beer, A = ε·c·l, nos permitirá calcular el valor del coeficiente de extinción molar, que corresponde a la pendiente de la recta.
Trazado de la curva espectral (Espectro de absorción del compuesto).
Preparar a partir de una droga p.a. una solución del componente que se desea determinar en una concentración estipulada y trazar la curva espectral, realizando para ello una serie de medidas de absorbancia a distintas longitudes de onda y [c] constante. Sobre la curva espectral, seleccionar la longitud de onda de trabajo que corresponda a un máximo de la curva. Se logra así máxima sensibilidad y reproducibilidad. Preparar una serie de soluciones patrones de concentraciones crecientes y perfectamente conocidas en el componente a determinar.
Parte experimental a) Instalación y encendido del espectrofotómetro de absorción:
Breve descripción del equipo: durante la presente práctica se trabajó con un espectrofotómetro de absorción de un solo haz, el cual presenta compartimientos para 4 celdas (las cuales contienen el analito), un estabilizador de voltaje, entre otras características. Dicho equipo nos permite determinar la transmitancia, absorbancia y la concentración del analito a distintas longitudes de onda, entre otras funciones. Al momento de encender el equipo se debe tomar las siguientes consideraciones: 1. Enchufar el equipo y luego prender el estabilizador, esperar unos minutos 2. Encender el espectrofotómetro y esperar a q el sistema eléctrico y de lámparas se caliente
b. Trabajo con el espectrofotómetro: determinación de la transmitancia.
Al momento de trabajar con el espectrofotómetro, se debe tener precaución y precisión, debido a que el deterioro de algunas de las partes del equipo conlleva al error en la lectura de las muestras, y en el peor de los casos inutilización del mismo. Durante la experiencia con tres tipos diferentes de reactivos (azosulfamida, azul de metileno, dicromato de potasio), se siguieron los siguientes pasos: 1. Lavar la celdita (en la cual contendrá el analito) con agua destilada y limpiar con sumo cuidado debido a que la ralladura de la celda o el ingreso de objetos extraños (como pelos) afectarán las lecturas de la muestra a analizar (se recomienda limpiarlas con papel fino) 2. Introducir las celdas, una de las cuales contiene el analito y la otra; la sustancia “blanco” (sustancia en la cual se encuentra disuelta mi analito), al espectrofotómetro para su posterior análisis. 3. Calibrar el equipo, analizando primero la muestra blanco, para el posterior análisis de la muestra problema. 4. Determinar la transmitancia del analito, estableciendo las longitudes de onda con las que se desea irradiar la muestra problema (como el equipo es de un solo haz se deberá jalar una palanca hasta permitir que la fuente de luz irradie a la celdita en la posición en la que se encuentra).
Azosulfamida Λ (nm)
%T
A
450
60.7
0.2168113
460
57.7
0.2388242
470
52.7
0.2781894
480
46.7
0.3306831
490
41.5
0.3819519
500
36
0.4436975
510
33.7
0.4723701
520
31.9
0.4962093
530
31.7
0.4989407
540
33.4
0.4762535
550
37.6
0.4248122
560
44.1
0.3555614
570
51.9
0.2848326
580
63.7
0.1958606
590
68.4
0.1649439
600
74.6
0.1272612
610
79.4
0.1001795
620
83.1
0.080399
630
86.7
0.0619809
640
90.2
0.0447935
650
93.2
0.0305841
660
95.6
0.0195421
670
97.4
0.011441
680
98.5
0.0065638
690
99.4
0.0026136
Azul de metileno Λ (nm)
%T
A
550
84.1
0.075204
560
77.5
0.1106983
570
70.3
0.1530447
580
61.2
0.2132486
590
51.4
0.2890369
600
42.6
0.3705904
610
37.3
0.4282912
620
35.7
0.4473318
630
33.5
0.4749552
640
28.6
0.543634
650
23.1
0.636388
660
20.8
0.6819367
670
25.3
0.5968795
680
47.2
0.326058
690
75.5
0.122053
700
92.6
0.033389
710
98.6
0.0061231
Bicromato de Potasio Λ (nm)
%T
A
420
33.7
0.4723701
430
33.5
0.4749552
440
33.2
0.4788619
450
34.9
0.4571746
460
39.3
0.4056074
470
46.3
0.334419
480
55.3
0.2572749
490
65.1
0.186419
500
74.5
0.1278437
510
82.4
0.0840728
520
88.4
0.0535477
530
92.5
0.0338583
540
94.7
0.02365
550
95.7
0.0190881
560
95.9
0.0181814
Resultados 1. Espectrofotometría
azosulfamida
de
absorción
molecular
de
Gráfica estándar:
Pico: a. Λ (nm) = 525 nm b. Λ (nm) = 530 nm
A: 0.232 (Teórico) A: 0.4989 (Practico)
1. Espectrofotometría de absorción molecular de Azul de
metileno
En comparación con el espectro obtenido experimentalmente, podemos apreciar que, al igual que el espectro patrón, el mayor pico de absorbancia se presenta en la longitud de onda aproximada de 660nm. Esto puede deberse a los dobles enlaces presentes en la molécula de azul de metileno, los cuales posiblemente originen grupos cromóforos, como por ejemplo los enlaces dobles conjugados de su sistema de anillos.
Pico: Λ (nm) = 660
% T = 20.8 A = 0.6819367
2. Espectrofotometría de absorción molecular de Dicromato
de potasio
En comparación con el patrón de K 2Cr 2O4, podemos apreciar similitudes en ambos espectros, como por ejemplo el mayor pico de absorción. Sin embargo, no se dispone de la información suficiente, dado que el espectro patrón trabaja un mayor rango de longitudes de onda que el espectro obtenido experimentalmente. Podemos afirmar que el espectro posee sus características gracias a los grupos cromóforos que posee y a sus dobles enlaces.
Pico: Λ (nm) = 440
Discusión
% T = 33.2
A = 0.4788619
Si comparamos nuestra gráfica de absorbancia con nuestra gráfica estándar nos daremos cuenta que en la gráfica experimental el pico se encuentra en la longitud de onda de 530 nm con una absorbancia de 0.4989 y en nuestra gráfica estándar se encuentra en la longitud de 525 nm con una absorbancia de 0.232. Nos damos cuenta que las longitudes difieren en pequeñas cantidades comprobando que exactamente se trataba de azosulfamida al coincidir los picos. La diferencia en la absorbancia se debería más a las concentraciones con las que se ha trabajado notándose que nuestra muestra se encontraba más concentrada. Cabe recordar que hay una gran cantidad de factores que originan variaciones en los valores de λmáx, entre los que se incluye el pH, la polaridad del solvente o moléculas vecinas y la rientación de los cromóforos vecinos afectando cada uno de forma particular.
Cuestionario
1. ¿Cuáles son los errores que se cometen en un laboratorio analítico? Los errores cometidos a lo largo de la práctica en el laboratorio son explicados de 2 formas; podemos verlos desde un punto de vista objetivo y clasificarlos (sistemáticos y aleatorios), de acuerdo a la bibliografía, a fin de manejar conceptos esquematizados. Pero existe otra gama de errores a los cuales los podemos denominar “errores subjetivos” ocasionados por el usuario -el encargado de manejar la maquinaria. Los errores, generalmente, se presentan en conjunto, con esto quiero decir que, tanto el usuario como los resultados presentan un margen de equivocación. Ciertos cálculos y mediciones hacen engorroso a un método –y a sus resultados- y por ende, acarrean una serie de complicaciones hacia el ordenador lo cual se manifiesta como: error.
(a)Exacto y preciso (b)Inexacto e preciso (c) Exacto e impreciso (d)Inexacto e impreciso Entonces podemos decir que la exactitud depende de la comparación entre el valor verdadero y el valor central de los resultados. Y la precisión se visualiza como el grado de concordancia de los resultados (repetitividad). Los errores aparecen cuando se pierde la exactitud (error sistemático) y cuando los valores del resultado nos oscilan alrededor de su valor central; dispersos (error aleatorio).
Distribución de errores Numerosos estudios indican que al repetir mediciones de un mismo parámetro, la función de probabilidad obtenida sigue el modelo de distribución Gaussiana o normal. Estos estudios estadísticos afirman que la repetitividad de un experimento generan una serie de resultados que, así como presentan un valor medio, también poseen un grado de dispersión entre sí mismos. Este grado es medible gracias a un estadígrafo denominado “desviación estándar”, así como también la “varianza” o el coeficiente de variación determina el grado de dispersión entre los resultados.
Errores en el muestreo Los errores más importantes que pueden cometerse en todo el procesos de toma de muestra, preparación y análisis, en especial para el análisis de trazas, son debidos a la contaminación, pérdida de analitos y variaciones de la composición y forma química de los mismos. Contaminación La contaminación durante el muestreo puede ser debida al medio ambiente, a la operación del muestreo en sí (error objetivo) y/o al personal muestreador (error subjetivo). La contaminación por el medio ambiente puede provenir del polvo y de contaminantes volátiles existentes en el aire. Por otra parte, si las herramientas empleadas en el muestreo no son del material adecuado para las diferentes muestras a tomar y elementos a analizar, también pueden contribuir significativamente a la contaminación de las muestras. En el muestreo de muchos materiales se recomienda el empleo de material no metálico (polietileno, polipropileno, teflón, cuarzo, ágata) que a veces hay que recurrir a fabricarlos en el laboratorio, pero aun así muchos de estos materiales son potencialmente contaminantes de ciertos elementos.
1. Clasificación y la forma de evitar y disminuir los errores en el laboratorio de analítica instrumental. Clasificación Los errores no siguen una ley determinada y su origen está en múltiples causas. Atendiendo a las causas que los producen, los errores se pueden clasificar en dos grandes grupos: 1. Errores indeterminados o aleatorios Son errores de los que no se puede determinar el tamaño o el signo. Este tipo de errores lleva a que el resultado de la medición tenga una cierta distribución, es decir que al repetir la medición varias veces el valor medido fluctúe. Son inevitables pero se pueden reducir repitiendo la medición y tomando un promedio. Posibles causas:
interacción del operador y el aparato de medición condiciones experimentales fluctuantes variabilidad inherente en los instrumentos de medición 1. Errores sistemáticos o determinados
Son errores que se repiten constantemente a lo largo del experimento, siendo su influencia de una única forma ya sea por exceso o bien por defecto. Las posibles causas de este tipo de errores son:
una calibración incorrecta del instrumento de medición
un error consistente en el uso del instrumento el uso de fórmulas incorrectas condiciones experimentales inadecuadas
Este tipo de error no se puede reducir repitiendo la medición. Para evitar errores sistemáticos causados por una técnica de medición específica se utilizan distintas técnicas de medición. 1. ¿Cuáles son las características que deben presentar
una fuente de radiación, un monocromador y un detector espectrofotométrico? Las partes mencionadas deben cumplir con las siguientes características: a. Fuentes: Una fuente de radiación debe generar un haz de radiación con potencia suficiente para que se detecte y se mida con facilidad para poderla utilizar en estudios espectroscópicos. Además su potencia debe ser estable durante períodos de tiempo razonables.
La potencia radiante de una fuente varía exponencialmente con la tensión de su fuente de alimentación. Por ello, para proporcionar la estabilidad requerida se necesita a menudo una fuente e potencia regulada. b. Monocromador: Los monocromadores se diseñan para realizar barridos espectrales (variar en forma continua y en un alto intervalo la longitud de onda una radiación. Son similares en cuanto a su construcción mecánica, ya que todos poseen rendijas (de entrada y salida), espejos (lente colimadora o espejo que produce un haz de luz paralelo de radiación), un prisma o red (dispersa la radiación en sus longitudes de onda individuales) y un focalizador.
Para ser fiables, los materiales con los que se fabrican estos componentes dependen de las regiones de longitud de onda a la que se destine su uso. c. Detectores: Se definen como dispositivos que convierten la energía radiante en energía eléctrica.
Un detector ideal debe tener una elevada sensibilidad, una elevada relación señal/ruido y una respuesta constante en un intervalo considerable de longitudes de onda. Además, debe de tener un tiempo de respuesta rápido y una señal de salida igual a cero en ausencia de iluminación. En adición, la señal eléctrica producida por el transductor debería ser directamente proporcional a la potencia radiante. 1. ¿Qué diferencia hay entre calibrar un instrumento y
calificar un instrumento? Un instrumento es calificado de acuerdo a las especificaciones del fabricante para un instrumento dado: su modelo y serie así como las modificaciones
implementadas y puestas de manifiesto en el manual. La calibración en cambio es un procedimiento del analista quien modifica las lecturas del instrumento con una sustancia patrón o estándar (generalmente el solvente en el cual se encuentra el analito) para poder adaptar una lectura del instrumento a las necesidades del analista para una muestra o un conjunto de ellas. La forma de calibración más sencilla es la que utiliza un solo patrón. Este modelo es útil sólo cuando el patrón es absolutamente confiable. Además, se supone que la señal cero del instrumento corresponde al cero de concentración de la especie que se quiere determinar. Entre el cero y valor obtenido para el patrón se realiza una interpolación lineal, pero la extrapolación más allá de la concentración de patrón no es recomendada.
2. ¿Por qué se utiliza celdas de cuarzo cuando se trabaja con radiaciones ultravioleta? Al igual que los elementos ópticos de los monocromadores, las celdas o cubetas que contienen las muestras se deben fabricar de un material que sea transparente a la radiación de la región espectral de interés. Para trabajar en la región ultravioleta (por debajo de 350 nm), se considera uno de los materiales más adecuados las celdas de cuarzo, debido a que transmite las radiaciones comprendidas entre 200 nm y 3300nm; es por esto que se puede afirmar que este material es transparente a la región UV y visible (algo que no ocurre con las celdas de vidrio, que no son transparentes a la región ultravioleta). Sin embargo, dicho material es muy costoso, por lo que se debe trabajar con él con sumo cuidado.
3. Determinar la energía, la frecuencia y el número de ondas de las longitudes de onda analítica obtenidos en los espectros trazados λ (nm)
Energía (Joules)
Frecuencia (s-1)
Número de ondas (onda por metro)
450
4.4173792×10-21
6.666×1012
2222222
460
4.3213492×10-21
6.521×1012
2173913
470
4.2294056×10-21
6.382×1012
2127659
480
4.1412930×10-21
6.249×1012
2083333
490
4.0567768×10-21
6.122×1012
2040816
500
3.9756413×10-21
5.999×1012
2000000
510
3.8976875×10-21
5.882×1012
1960784
520
3.8227320×10-21
5.769×1012
1923076
530
3.7506050×10-21
5.660×1012
1886792
540
3.6811493×10-21
5.555×1012
1851851
550
3.6142194×10-21
5.454×1012
1818181
560
3.5496797×10-21
5.357×1012
1785714
570
3.4874046×10-21
5.263×1012
1754386
580
3.4272770×10-21
5.172×1012
1724137
590
3.3691875×10-21
5.084×1012
1694915
600
3.3130344×10-21
4.999×1012
1666666
610
3.2587224×10-21
4.918×1012
1639344
620
3.2061623×10-21
4.838×1012
1612903
630
3.1552709×10-21
4.761×1012
1587301
640
3.1059697×10-21
4.687×1012
1562500
650
3.0581856×10-21
4.615×1012
1538461
660
3.0118495×10-21
4.545×1012
1515151
670
2.9668965×10-21
4.477×1012
1492537
680
2.9232656×10-21
4.411×1012
1470588
690
2.8808995×10-21
4.347×1012
1449275
700
2.8397438×10-21
4.285×1012
1428571
(*) La longitud de onda subrayada representa a la longitud óptima, la de máxima absorción.
Anexos Célula fotoeléctrica
Una célula fotoeléctrica, también llamada célula, fotocélula o celda fotovoltaica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones) mediante el efecto fotovoltaico. Compuestos de un material que presenta efecto fotoeléctrico: absorben fotones de luz y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. La eficiencia de conversión media obtenida por las células disponibles comercialmente (producidas a partir de silicio monocristalino) está alrededor del 11-12%, pero según la tecnología utilizada varía desde el 6% de las células de silicio amorfo hasta el 14-19% de las células de silicio monocristalino. También existen Las células multicapa, normalmente de Arseniuro de galio, que alcanzan eficiencias del 30%. En laboratorio se ha superado el 42% con nuevos paneles experimentales.[cita requerida] La vida útil media a máximo rendimiento se sitúa en torno a los 25 años, período a partir del cual la potencia entregada disminuye. Al grupo de células fotoeléctricas para energía solar se le conoce como panel fotovoltaico. Los paneles fotovoltaicos consisten en una red de células solares conectadas como circuito en serie para aumentar la tensión de salida hasta el valor deseado (usualmente se utilizan 12V ó 24V) a la vez que se conectan varias redes como circuito paralelo para aumentar la corriente eléctrica que es capaz de proporcionar el dispositivo. El tipo de corriente eléctrica que proporcionan es corriente continua, por lo que si necesitamos corriente alterna o aumentar su tensión, tendremos que añadir un inversor y/o un convertidor de potencia.
Principio de funcionamiento En un semiconductor expuesto a la luz, un fotón de energía arranca un electrón, creando al pasar un «hueco». Normalmente, el electrón encuentra rápidamente un hueco para volver a llenarlo, y la energía proporcionada por el fotón, pues, se disipa. El principio de una célula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en él: así, se producirá una diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las dos partes del material, como ocurre en una pila. Para ello, se crea un campo eléctrico permanente, a través de una unión PN, entre dos capas dopadas respectivamente, P y N: Estructura de una célula fotovoltaica:
La capa superior de la celda se compone de silicio dopado de tipo N. En esta capa, hay un número de electrones libres mayor que una capa de silicio puro, de ahí el nombre del dopaje N, como carga negativa (electrones). El material permanece eléctricamente neutro: es la red cristalina quien tiene globalmente una carga positiva.
La capa inferior de la celda se compone de silicio dopado de tipo P. Esta capa tiene por lo tanto una cantidad media de electrones libres menor que una capa de silicio puro, los electrones están ligados a la red cristalina que, en consecuencia, está cargada positivamente. La conducción eléctrica está asegurada por los huecos, positivos (P).
En el momento de la creación de la unión PN, los electrones libres de la capa N entran en la capa P y se recombinan con los huecos en la región P. Existirá así durante toda la vida de la unión, una carga positiva en la región N a lo largo de la unión (porque faltan electrones) y una carga negativa en la región en P a lo largo de la unión (porque los huecos han desaparecido); el conjunto forma la «Zona de Carga de Espacio» (ZCE) y existe un campo eléctrico entre las dos, de N hacia P. Este campo eléctrico hace de la ZCE un [diodo]], que solo permite el flujo de corriente en una dirección: los electrones pueden moverse de la región P a la N, pero no en la dirección opuesta y por el contrario los huecos no pasan más que de N hacia P.no En funcionamiento, cuando un fotón arranca un electrón a la matriz, creando un electrón libre y un hueco, bajo el efecto de este campo eléctrico cada uno va en dirección opuesta: los electrones se acumulan en la región N (para convertirse en polo negativo), mientras que los huecos se acumulan en la región dopada P (que se convierte en el polo positivo). Este fenómeno es más eficaz en la (ZCE), donde casi no hay portadores de carga (electrones o huecos), ya que son anulados, o en la cercanía inmediata a la (ZCE): cuando un fotón crea un par electrón-hueco, se separaron y es improbable que encuentren a su opuesto, pero si la creación tiene lugar en un sitio más alejado de la unión, el electrón (convertido en hueco) mantiene una gran oportunidad para recombinarse antes de llegar a la zona N (resp. la zona P). Pero la ZCE es necesariamente muy delgada, así que no es útil dar un gran espesor a la célula. En suma, una célula fotovoltaica es el equivalente de un Generador de Energía a la que hemos añadido un diodo. Es preciso añadir contactos eléctricos (que permitan pasar la luz: en la práctica, mediante un contacto de rejilla, una capa antireflectante para garantizar la correcta absorción de fotones, etc. Para que la célula funcione, y produzca la potencia máxima de corriente se le añade la banda prohibida de los semiconductores a nivel de energía de los
fotones. Es posible aumentar las uniones a fin de explotar al máximo el espectro de energía de los fotones, lo que produce las células multijuntas.
Bibliografía
