LEYES-FOTOMÉTRICAS

Universidad Católica Santa María

Fac. De Ciencias Farmacéuticas, Bioquímicas y Biotecnológicas

Programa Profesional:

Ingeniería Biotecnológica

Materia: Análisis

Docente: Ing.

Nombres y Apellidos :

Químico II

Armando Salinas

Nardelly Cristhell Carazas Barrios  Xiomara Bustinza Fernandez

 Arequipa 2016 2016

Índice 1. Introducción………………………………………………………………  3 2. Fotometría……………………… …………………………………………………… ……………………………………. ………. …. 4 2.1 Análisis fotométrico…………………………………………………. 5 2.1.1

Radiación electromagnética ……………………………….

2.1.2

Longitud de onda……………………………………….

2.1.3

Frecuencia de la radiación ………………………………….

2.1.4

Numero de onda ……………………………………………

2.2 Análisis de absorción atómica …………………………………….. 2.3 Análisis turbidimétrico……………………………………………. 2.4 Análisis nefelométrico ……………………………………………… fotometría…………………………………… … 11 3. Conceptos básicos de fotometría…………………………………

3.1 Flujo luminoso……………………………………………………… 3.2 Iluminancia………………………………………………. 3.3 Excitación luminosa………………………………………… 3.4 Intensidad luminosa ……………………………………….. 3.5 Energía luminosa………………………………………… 3.6 Luminancia………………………………………………. 4. LUZ Y LA PERCEPCIÓN DEL COLOR…………………………………….14 5. TRANSMITANCIA…………………… TRANSMITANCIA……………………………………………………… ………………………………….16 ABSORBANCIA………………………………………………………… ………………………….17 6. ABSORBANCIA………………………………

s

7. LEYES FOTOMÉTRICAS…………………………………………… ........18

t

a icr é m o t

Beer………………………………………… ………………… 7.1 Ley de Beer……………………… o F s e

Lamber………………………………………. …. 7.2 Ley de Lamber…………………………………… y e L

7.3 Ley Lambert-Beer…………………………….

    –

II o ci ím u q si isl á n A

2

LEYES FOTOMÉTRICAS

1. INTRODUCCIÓN Un estudio de la interacción de la luz (u otra radiación electromagnética) con la materia es una herramienta importante y versátil para el químico. De hecho, gran parte de nuestro conocimiento de las sustancias químicas proviene de su absorción o emisión de luz específica. En este trabajo, nos enfocaremos en los procedimientos analíticos basados en la cantidad de luz absorbida (o transmitida) a medida que pasa a través de una muestra. Supongamos que nos fijamos en dos soluciones de la misma sustancia, uno un color más oscuro que el otro. Su sentido común le dice que el color más oscuro es el más concentrado. En otras palabras, como el color de la solución se profundiza, se infiere que su concentración también aumenta. Este es un principio subyacente de la espectrofotometría de: la intensidad del color es una medida de la cantidad de un material en solución. Un segundo principio de espectrofotometría es que cada sustancia absorbe o transmite ciertas longitudes de onda de la energía radiante, pero no otras longitudes de onda. Por ejemplo, la clorofila absorbe siempre la luz roja y violeta, mientras que transmite longitudes de onda de color amarillo, verde y azul. Las longitudes de onda transmitidas y reflejadas aparecen verde -el color de su ojo "ve". La energía de la luz absorbida o transmitida debe coincidir exactamente con la energía s

necesaria para provocar una transición electrónica (un movimiento de un electrón de un

t

a icr é m ot

nivel cuántico a otro) en la sustancia que se consideración. Sólo ciertos fotones de o F s e

longitud de onda satisfacen esta condición de energía. Por lo tanto, la absorción o la transmisión de determinadas longitudes de onda es característica de una sustancia, y un

y e L     –

o

II ci

análisis espectral sirve como una "huella dactilar" del compuesto. En los últimos años se ím u q

han convertido en métodos espectrofotométricos los métodos usados con más si si l

frecuencia e importantes de análisis cuantitativo. Son aplicables a muchos problemas á n A

3

industriales y clínicos que implican la determinación cuantitativa de compuestos que son de color o que reaccionan para formar un producto coloreado. 2. FOTOMETRÍA La fotometría es la ciencia que estudia la medición de la respuesta visual humana a la luz. Debido a que el ojo es un órgano muy complejo, esto no es en absoluto una tarea sencilla. Se trata de la reunión de muchas disciplinas: la psicología, la fisiología y la física entre ellos. Otro concepto de la fotometría es que es la parte de la óptica que se ocupa del estudio de las características de los focos luminosos, así como de las iluminaciones que producen. Todos los focos luminosos emiten energía, y en la mayor parte de los casos lo son a causa de su elevada temperatura, gracias a la cual tiene lugar en ellos una emisión térmica de energía cuya longitud de onda corresponde precisamente a la zona visible del espectro.

s a icr t

2.1 Análisis fotométrico é m o t o F s e

Es el conjunto de métodos de análisis químico cuantitativo en base a la relación entre y e L

    –

la concentración de una sustancia en una solución o gas y la absorción de radiación.

II o ci

Para la radiación monocromática, se expresa esta relación (dentro de un rango ím u q

específico de concentraciones) por la ley de Bouguer-Lambert-Beer. si isl á n A

4

El análisis fotométrico incluye mediciones en el visible, ultravioleta, y las regiones infrarrojas del espectro. Por lo general, implica la comparación de la intensidad de la radiación que pasa a través de una muestra del material que se analiza con la intensidad inicial o la intensidad de una muestra de referencia. El método de análisis fotométrico que utiliza la luz visible se llama colorimetría. El análisis fotométrico en el que se escanean las intensidades de las componentes monocromáticas de radiación transmitida se llama espectrofotometría. Los métodos similares al análisis fotométrico incluyen el análisis de absorción atómica, análisis turbidimétrico, y el análisis nefelométrico. Uno de los métodos ópticos del análisis es la espectroscopia UV-Vis que se basa en la capacidad de la especie química de absorber radiación electromagnética en el diapasón óptico, es decir en el rango de la luz visible. 2.1.1 Radiación electromagnética La radiación electromagnética es un tipo de campo electromagnético variable, es decir, una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.1 Desde el punto de vista clásico la radiación electromagnética son las ondas electromagnéticas generadas por las fuentes del campo electromagnético y que se propagan a la velocidad de la luz. La generación y la propagación de estas ondas son compatibles con el modelo de ecuaciones matemáticas definido en las ecuaciones de Maxwell. s a icr

La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras como t é m

calor radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma. A diferencia de otros tipos de ot o F

onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se

s e y e L     –

II

pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada éter, que ocupaba el o ci ím

vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El u q si si

estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina electrodinámica y l á n A

es un subcampo del electromagnetismo. 5

Esta radiación puede caracterizarse por los siguientes parámetros: longitud de onda (), frecuencia de la radiación ( ), numero de onda (V) y la energía correspondiente (E). 2.1.2 Longitud de onda La longitud de onda es la distancia real que recorre una perturbación (una onda) en un determinado intervalo de tiempo. Ese intervalo de tiempo es el transcurrido entre dos máximos consecutivos de alguna propiedad física de la onda. En el caso de las ondas electromagnéticas esa propiedad física (que varía en el tiempo produciendo una perturbación) puede ser, por ejemplo, su efecto eléctrico (su campo eléctrico) el cual, según avanza la onda, aumenta hasta un máximo, disminuye hasta anularse, cambia de signo para hacerse negativo llegando a un mínimo (máximo negativo). Después, aumenta hasta anularse, cambia de signo y se hace de nuevo máximo (positivo). Esta variación del efecto eléctrico en el tiempo, si la representamos en un papel, obtenemos "crestas" y "valles" (obtenemos una curva sinusoidal) pero la onda electromagnética no "tiene" crestas y valles. Otra propiedad física, que podríamos haber utilizado para medir la longitud de onda de las ondas electromagnéticas, es su efecto magnético (su campo magnético), que también varía en el tiempo. En el caso de las ondas llamadas "olas del mar", esa propiedad puede ser la s a icr

posición de una de sus moléculas respecto al nivel medio del mar. La t é m

perturbación avanza a una determinada velocidad (que depende de varios o t o F

aspectos que aquí no son relevantes). Si medimos lo que avanza la perturbación s e y e

en el transcurso de tiempo empleado por una de sus moléculas en pasar dos

L

    –

II

veces consecutivas por un máximo en su posición respecto al nivel medio del o ci ím

mar, obtendremos la longitud de onda de esa onda que llamábamos "olas del u q si isl

mar". En este caso, esa distancia (esa longitud de onda) coincide con la á n A

separación entre dos crestas consecutivas, pero no es conveniente quedarse con 6

la idea de que todas las ondas tienen "crestas". La luz no las tiene. La definición de "distancia recorrida por la perturbación (no por el material, moléculas, etc. ) en una determinada duración de tiempo" es la definición válida. Si representamos en dos dimensiones cómo varía esa propiedad física con la distancia que recorre la onda obtenemos una curva cuyo aspecto muestra cierta periodicidad. En muchos casos esa curva tiene aspecto sinusoidal. La distancia entre dos máximos de esa curva sinusoidal nos muestra el valor (expresado en metros, centímetros o cualquier otra unidad de medida de distancia) de la longitud de onda, pero no "es" la longitud de onda. La longitud de onda es una distancia real recorrida por la onda. No es la distancia entre dos máximos de una curva pintada en un papel. Como es lógico, para poder representar esta curva, necesitamos conocer la velocidad a la que avanza la onda. Las ondas electromagnéticas que llamamos "luz visible" pasan de un máximo de su campo eléctrico a un mínimo y otra vez a un máximo varios billones de veces por segundo. A pesar de que la onda va a una velocidad de casi 300 000 km/s, la distancia que puede recorrer la onda entre dos máximos consecutivos de su campo eléctrico es pequeñísima (nanómetros). En cambio, las ondas electromagnéticas que llamamos "ondas de radio" tienen la propiedad de que su campo eléctrico se hace máximo y mínimo a un ritmo muchísimo menor que el de la luz visible. Por ello, las ondas de radio pueden avanzar centímetros, metros e incluso kilómetros en el transcurso de dos máximos consecutivos de su campo eléctrico. Es por ello que la longitud de onda y la frecuencia (número de veces que su campo eléctrico se hace máximo por segundo) son parámetros que s a icr

necesariamente están relacionados. t é m ot o F

Es necesario recalcar que la longitud de onda no es la distancia que recorren las partículas implicadas en la propagación de la onda (moléculas de agua en las olas

s e y e L     –

II

del mar, átomos o moléculas de la corteza terrestre en un terremoto, moléculas o ci ím

de la atmósfera terrestre propagando un sonido, etc.). Es la distancia que recorre u q si si

la onda. l á n A

7

En lenguaje físico/matemático podemos decir que la longitud de onda, es una magnitud física que describe la distancia entre dos puntos consecutivos de una onda sinusoidal que poseen la misma fase. La longitud de onda es descrita frecuentemente con la letra griega lambda ( λ). El concepto de longitud de onda suele extenderse también a cualquier onda periódica aunque no sea sinusoidal. La longitud de onda se mide en metros en unidades del Sistema Internacional de Unidades. En aquellas ondas que se desplazan a una velocidad constante, la longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia y directamente proporcional al período de la onda. Ejemplos comunes de ondas son las ondas elásticas (como el sonido) y las ondas electromagnéticas (como la luz). 2.1.3 Frecuencia de la radiación Consiste en el número de vibraciones de la onda en un segundo. Es igual a la relación que existe entre la velocidad de la luz y la longitud de onda. =C/

La frecuencia se mide en segundos recíprocos s -1 o en hertzios (hz); 1hz=1s-1 2.1.4 Numero de onda

Comentado [NCCB1]:

El número de onda es una magnitud de frecuencia que indica el número de veces que vibra una onda en una unidad de distancia. En la literatura científica se suele representar con la letra griega nu con virgulilla. Sus unidades en el sistema internacional son los ciclos por metro (o metros recíprocos, m-1). Sin embargo, en campos como la espectroscopia de infrarrojos, resulta más útil emplear los s a icr

ciclos por centímetro (o centímetros recíprocos, cm-1), una unidad que el sistema t é m

cegesimal de unidades también denomina Kayser (K). o t o F s e y e

2.2 Análisis de absorción atómica

L

    –

II o ci ím

Es un método de química analítica cuantificable que está basado en la atomización u q si isl

del analito en matriz líquida y que utiliza comúnmente un nebulizador prequemador á n A

(o cámara de nebulización) para crear una niebla de la muestra y un quemador con 8

z

forma de ranura que da una llama con una longitud de trayecto más larga, en caso de que la transmisión de energía inicial al analito sea por el método "de llama". La niebla atómica queda desolvatada y expuesta a una energía a una determinada longitud de onda emitida ya sea por la llama susodicha, o por una lámpara de cátodo hueco (Hollow Cathode Lamp o HCL) construida con el mismo analito a determinar o una Lámpara de Descarga sin Electrodo (Electrodeless Discharge Lamp o EDL). Normalmente las curvas de calibración no cumplen la ley de Beer-Lambert en su estricto rigor. La temperatura de la llama es lo bastante alta como para que no mueran los átomos de la muestra de su estado fundamental. El nebulizador y la llama se usan para desolvatar y atomizar la muestra, pero la excitación de los átomos del analito se consigue con el uso de lámparas que brillan a través de la llama a diversas longitudes de onda para cada tipo de analito. En AA la cantidad de luz absorbida después de pasar a través de la llama determina la cantidad de analito existente en la muestra. Hoy día se utiliza frecuentemente una mufla de grafito (u horno de grafito) para calentar la muestra a fin de desolvatarla y atomizarla, aumentando la sensibilidad. El método del horno de grafito también puede analizar algunas muestras sólidas o semisólidas. Debido a su buena sensibilidad y selectividad, sigue siendo un método de análisis comúnmente usado para ciertos elementos traza en muestras acuosas (y otros líquidos). Otro método alternativo de atomización es el generador de hidr uros. s a icr t é m

2.3 Análisis turbidimétrico ot o F s e y

El turbidímetro mide la absorbancia de la muestra en estudio. Es uno de los

e L     –

II

instrumentos más utilizados y la técnica empleada consiste en el uso de un cultivo de o ci ím

microorganismos en un medio líquido, que actúa como una suspensión coloidal, la u q si si

cual bloquea y refleja la luz que pasa a través de él. La luz es absorbida de manera l á n A

directamente proporcional a la concentración de células que hay en el cultivo.5,14-17 9

El turbidímetro que revela la tasa o relación de intensidades luminosas, mide tanto la transmisión de la intensidad de la luz como su dispersión. Este diseño es muy apropiado para los productos líquidos que presenten colores intensos y para muestras de gran turbidez.5 Esta configuración es la clave para obtener buenas características de rendimiento en las mediciones de turbidez, así como una buena estabilidad, linealidad, sensibilidad, baja luz difusa y rechazo del color.

2.4 Análisis nefelométrico El nefelómetro cuantifica la intensidad de la luz dispersada por la muestra bajo análisis. El sensor se encuentra montado en un ángulo normalmente de 90° del rayo de luz incidente. Este diseño tiene una precisión limitada a elevadas turbiedades. A medida que aumenta la turbidez aumenta la cantidad de luz dispersa, ocurriendo una dispersión múltiple que disminuye la intensidad de luz difusa que llega al detector situado a los 90°. La unidad nefelométrica de turbidez, (UNT) expresada habitualmente con el acrónimo NTU del inglés Nephelometric Turbidity Unit, es una unidad utilizada para medir la turbidez de un fluido, sólo líquidos y no aplicable a gases o atmósfera. Corresponde con una concentración del producto utilizado como patrón llamado Formacina, que es una solución que se puede crear utilizando Sulfato de Hidracina y Hexametilentetraamina en unas proporciones conocidas para formar el patrón de turbidez de 400 NTU. El instrumento usado para su medida es el nefelómetro o turbidímetro, que mide la s a

intensidad de la luz dispersada a 90 grados cuando un rayo de luz pasa a través de icr t é

una muestra de agua. m o t o F s

La unidad usada en tiempos antiguos era la Unidad de Turbidez de Jackson (Jackson Turbidity Unit - JTU), medida con el turbidímetro de vela de Jackson. Esta unidad ya

e y e L

    –

II o

no está en uso estándar. En lagos la turbidez se mide con un disco Secchi. ci ím u q si isl á n A

10

Una medición de la turbidez puede ser usada para proporcionar una estimación de la concentración de TSS (Sólidos Totales en Suspensión), lo que de otra forma es un parámetro tedioso y no fácil de medir

3. CONCEPTOS BÁSICOS DE FOTOMETRÍA 3.1 Flujo luminoso El flujo luminoso se expresa en lúmenes, la unidad fundamental de la fotometría. Es una medida de la salida óptica total de una fuente de luz visible. La medida requiere que todo el poder de una fuente a concentrarse en un detector. Esto puede ser un problema con las fuentes de divergentes como LEDs y lámparas. En estos casos,  las esferas de integración se utilizan a menudo.

s a icr

3.2 Iluminancia t é m ot

La iluminancia es una medida de la cantidad de luz visible que incide sobre una o F s e

superficie prescrita. En unidades inglesas, un lumen de flujo que cae sobre un pie cuadrado se denomina una bujía-pie. El equivalente métrico, un lumen por metro

y e L     –

II o ci

cuadrado, se denomina lux (10,76 lux = 1 pie-bujía). ím u q

Por supuesto, los detectores no tienen superficies tan grandes. Así que el área del detector se multiplica proporcionalmente. Especial atención se debe cuando el

si si l á n A

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detector no está suficientemente lleno o usado detrás óptica correctiva, ya que el área del sensor ya no se define la superficie que está siendo iluminado. Por ejemplo, las mediciones de iluminancia son particularmente susceptibles a los errores introducidos por la luz fuera del eje. Así difusores coseno de corrección se utilizan con el cabezal detector. Dado que el difusor de coseno se forma la imagen esencialmente en el sensor, el área del difusor, no el sensor de, representa la superficie de medición. 3.3 Excitación luminosa Es una propiedad intrínseca de una fuente de luz. Se calcula mediante la medición de flujo luminoso (lúmenes), y dividiendo por el área de superficie de la fuente. Esta medida también se expresa en lúmenes por metro cuadrado, pero no debe ser confundido con las mediciones de iluminancia o lux. El ámbito descrito en la exitancia luminosa es la de la fuente de luz, no la superficie iluminada. Esta medida es más aplicable a emisores con superficies planas.

s a icr t é m o t o

3.4 Intensidad luminosa F s e y

La intensidad luminosa es también una propiedad de origen, pero una en la dirección

e L

    –

II o

y divergencia de la fuente entran en juego. Se define como la cantidad de flujo ci ím

luminoso emitido de manera uniforme en un ángulo sólido, la unidad básica de la u q si isl

intensidad luminosa es la candela, igual a un lumen por estereorradián. á n A

12

Hay varias cosas que son sugeridos por esta definición. Uno, esta medida no es aplicable a las fuentes de luz colimada. Dos, es inexacta para los emisores no uniformes. Para el cálculo de la intensidad luminosa, el área del detector (o el área prescrita por la abertura en frente de ella), y su distancia de la fuente de luz deben ser conocidas. De estos, el ángulo sólido se puede calcular, a continuación, dividido en la lectura de flujo. 3.5 Energía luminosa En fotometría la energía lumínica es la fracción percibida de la energía transportada por la luz y que se manifiesta sobre la materia de distintas maneras, una de ellas es arrancar los electrones de los metales, puede comportarse como una onda o como si fuera materia, pero lo más normal es que se desplace como una onda e interactúe con la materia de forma material o física. La energía lumínica es de hecho una forma de energía electromagnética. La energía luminosa no debe confundirse con la energía radiante ya que no todas las longitudes de onda comportan la misma cantidad de energía. s

Su símbolo es Q v y su unidad es el lumen por segundo ( lm·s). a icr t é m ot o F

3.6 Luminancia s e y e L     –

II

También conocido como brillo fotométrico, la luminancia es una medida del flujo o ci ím

reflejado por o emitida desde, una superficie relativamente plana y uniforme. La u q si si

técnica tiene en cuenta el área de la superficie medida, y el ángulo de sub-atendida por un observador que mira en él.

l á n A

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La luminancia puede ser pensada como la intensidad luminosa por unidad de superficie, y por lo tanto en términos métricos se expresa como candelas por metro cuadrado. Sin embargo, una serie de otros términos se utilizan para esta medición, algunos para describir un área de medición circular en lugar de un punto de partida. Para medir la luminancia, el campo de visión-detector debe ser restringido, y su ángulo calculado. Por lo general, una lente o deflector se utiliza para lograr esto. De hecho, el ojo humano, con su lente y la abertura, funciona como un medidor de luminancia. Tenga en cuenta que tanto tiempo como campo de visión-del detector se llena, esta medición es independiente de la distancia entre los planos del detector y de medición. Eso es porque el tamaño del campo y la intensidad de la fuente varían en proporción directa a la otra como una función de la distancia. 4. LUZ Y PERCEPCIÓN DEL COLOR s a icr

La luz es una forma de radiación electromagnética. Cuando cae en una sustancia, t é m

pueden ocurrir tres cosas: o t o F s

• La luz puede ser reflejada por la sustancia • Que puede ser absorbido por la sustancia •

e y e L

    –

II o

Ciertas longitudes de onda pueden ser absorbidos y el resto transmitida o ci ím u

reflejada q si isl á n A

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Desde la reflexión de la luz es de interés mínimo en espectrofotometría, nosotros ignoramos y nos volvemos a la absorción y transmisión de la luz. El color que vemos en una muestra de la solución se debe a la absorción selectiva de ciertas longitudes de onda de la luz visible y la transmitancia de las longitudes de onda restantes. Si una muestra absorbe todas las longitudes de onda en la región visible del espectro, aparecerá negro; si absorbe ninguna de ellas, aparecerá blanco o incoloro. Vemos los distintos colores cuando las longitudes de onda particulares de la energía radiante golpean nuestros ojos. Por ejemplo, la longitud de onda que percibimos como el verde es 0.0000195 pulgadas o, expresado más científicamente, 495 nanómetros. Supongamos que brille un rayo de luz blanca en una sustancia que absorbe la luz azul. Dado que el componente azul de la luz blanca es absorbido por la sustancia, la luz que se transmite es principalmente amarillo, el color complementario del azul. Esta luz amarilla llega a nuestros ojos, y "ver" la sustancia como una sustancia de color amarillo. La siguiente tabla muestra los pares de colores complementarios y las correspondientes longitudes de onda.

Longitud de

Color

Color

onda

absorbido

observado

400

Violeta

Amarillo verdoso

435

Azul

Amarillo

495

Verde

Purpura

560

Amarillo

650

Anaranjado

Azul verdoso

800

rojo

Verde azulado

Azul s a icr t é m ot o F s e y e L     –

II o

Debemos recordar, por supuesto, que el rango visible es sólo una pequeña parte ci ím u

del espectro electromagnético. Ultravioleta y métodos espectrofotométricos q si si

infrarrojos son apropiados para muchas sustancias incoloros que absorben fuertemente en las regiones espectrales de UV o IR.

l á n A

15

5. Transmitancia La transmitancia se define como la cantidad de energía que atraviesa un cuerpo en determinada cantidad de tiempo. Existen varios tipos de transmitancia, dependiendo de qué tipo de energía consideremos. La transmitancia óptica se refiere a la cantidad de luz que atraviesa un cuerpo, en una determinada longitud de onda. Cuando un haz de luz incide sobre un cuerpo traslúcido, una parte de esa luz es absorbida por el mismo, y otra fracción de ese haz de luz atraversará el cuerpo, según su transmitancia. El valor de la transmitancia óptica de un objeto se puede determinar según la siguiente expresión: I es la cantidad de luz transmitida por la muestra e I0 es la cantidad total de luz incidente. Muchas veces encontraremos la transmitancia expresada en porcentaje, según la fórmula:

Podemos hablar de transmitancia térmica como la cantidad de energía en forma s a icr

de calor que atraviesa un cuerpo, en cierta unidad de tiempo. Si tenemos en t é m

cuenta un cuerpo con caras planas y paralelas, y entre sus caras hay una diferencia o t o F

térmica, esta diferencia constituye la transmitancia térmica del cuerpo. La transmitancia térmica es el inverso de la resistencia térmica. Se puede definir

s e y e L

    –

II

según la siguiente fórmula: o ci ím u q si isl á n A

16

En esta expresión tenemos que U = transmitancia en W/m2. Kelvin S = superficie del cuerpo en m2. K = diferencia de temperaturas en grados Kelvin. El concepto de este tipo de transmitancia es aplicado en los cálculos para construir aislamientos térmicos y para calcular pérdidas de energía en forma de calor. También se toman en cuenta estos conceptos al momento de calefaccionar una habitación, ya que hay que calcular qué potencia se necesitará en un determinado período, para lograr una cierta temperatura en la habitación, teniendo en cuenta la pérdida de calor debido a la transmitancia de las paredes de la habitación. 6. Absorbancia Cuando un haz de luz incide sobre un cuerpo traslúcido, una parte de esta luz es absorbida por el cuerpo, y el haz de luz restante atraviesa dicho cuerpo. A mayor cantidad de luz absorbida, mayor será la absorbancia del cuerp o, y menor cantidad de luz será transmitida por dicho cuerpo. Como se ve, la absorbancia y la transmitancia son dos aspectos del mismo fenómeno. La absorbancia, a una determinada longitud de onda lambda, se define como:

s a icr t é m

Donde I es la intensidad de la luz que pasa por la muestra (luz transmitida) y I0 es ot o F

la intensidad de la luz incidente. s e y e L     –

II

La medida de la absorbancia de una solución es usada con mucha frecuencia en o ci ím

laboratorio clínico, para determinar la concentración de analitos tales como u q si si

colesterol, glucosa, creatinina y triglicéridos en sangre. Cada uno de estos analitos se hace reaccionar químicamente con determinados compuestos, a fin de obtener

l á n A

17

una solución coloreada. A mayor intensidad de color, mayor será la absorbancia de la solución en una determinada longitud de onda. La absorbancia es entonces directamente proporcional a la concentración del analito en sangre. Para medir esta absorbancia, se hace incidir un haz de luz con determinada intensidad y longitud de onda, sobre la solución, y se mide la luz transmitida al otro lado de la cubeta que contiene dicha solución. Estas técnicas están comprendidas en el área de la espectrofotometría. 7. Leyes fotométricas 7.1 Ley de Beer Relaciona las absorbancias con las concentraciones. Consideremos un bloque de materia absorbente (sólido, líquido o gas). Un haz de radiación monocromática paralelo con intensidad I o llega al bloque perpendicular a la superficie; luego pasa a través de la longitud b del material, que contiene n partículas absorbentes (átomos, iones o moléculas), la intensidad del haz disminuye a I como resultado de la absorción. Consideremos ahora una sección transversal del bloque que tiene un área S (X x Y) y un espesor infinitesimal Dentro de esta sección hay

dn partículas

dx.

absorbentes; asociada a cada partícula

podemos imaginar una superficie en que ocurrirá la captura del fotón. Esto es, si un fotón alcanza una de esas áreas por casualidad, ocurrirá inmediatamente la absorción. El área total de esas superficies de captura dentro de la sección se designa ds; la relación del área de captura al área total es

ds/S.

En un promedio s a icr t

estadístico, esta relación representa la probabilidad para la captura de fotones dentro de la sección. La intensidad del haz que entra en la sección, proporcional al número de fotones por

cm 2  y

por segundo, y

Ix

é m o

es

dIx  representa

t o F s

la

cantidad removida por segundo dentro de la sección, la fracción absorbida es

e y e L

    –

II o ci

entonces -dIx/Ix y esta relación también es la probabilidad promedio por captura. ím u q

El término tiene signo negativo para indicar que la intensidad del haz disminuye. si isl á n A

18

7.2 LEY DE LAMBER. El ley de Lambert trata sobre la iluminancia de una superficie situada a una cierta distancia de una fuente de luz. Determina que la iluminación producida por una fuente luminosa sobre una superficie es directamente proporcional a la intensidad de la fuente y al coseno del ángulo que forma la normal a la superficie con la dirección de los rayos de luz y es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a dicha fuente. La ley de Lambert muestra que un mismo flujo de energía emitido por una fuente de luz se distribuye sobre una superficie cada vez mayor al aumentar la distancia entre la superficie y la fuente. Esto significa que si para una unidad de distancia r el área que intercepta la radiación es 1 m ^ 2 , a una distancia 2r la radiación se distribuye sobre un área cuatro veces mayor y en consecuencia recibirá 1/4 de la irradiación anterior. 7.3 LEY BOUGUER-LAMBERT-BEER La ley de BOUGUER-LAMBERT-BEER también se conoce como ley de BeerLambert-Bouguer y fue descubierta de formas diferentes e independientes en primer lugar por el matemático y astrónomo francés Pierre Bouguer en 1729´Luego por el filósofo y matemático alemán, Johann Heinrich Lambert en 1760 y por último el físico y matemático también alemán, August Beer en el año 1852. Se puede decir que esta ley se trata de un medio o método matemático, el cual es utilizado para expresar de que modo la materia absorbe la luz. En óptica s a icr

(Rama de la física que se encarga del estudio de la luz) La ley de Beer afirma que t é m

la totalidad de luz que emana de una muestra puede disminuir debido a tres ot o F

fenómenos de la física, que serían los siguientes: 1. El número de materiales de absorción en su trayectoria, lo cual se denomina concentración 2. Las distancias

s e y e L     –

II

que la luz debe atravesar a través de las muestra. Denominamos a este o ci ím

fenómeno, distancia del trayecto óptico 3. Las probabilidades que hay de que el u q si si

fotón de esa amplitud particular de onda pueda absorberse por el material. Esto es la absorbencia o también coeficiente de extinción.

l á n A

19

La relación anterior puede ser expresada de la siguiente manera:   = . . 

Donde: A = Absorbencia ε = Coeficiente molar de extinci ón

d = Recorrido (en cm) c = Concentración molar A medida que la luz atraviesa un medio que la absorbe, la cantidad de luz absorbida en cualquier volumen corresponde a la intensidad de luz que incide, luego se multiplica por el coeficiente de la absorción. Frecuentemente la intensidad de un haz de luz incidente declina significativamente a medida que pasa a través del medio absorbente. Cuando esta relación se expresa como Ley de BOUGUERLAMBERT-BEER, tenemos que: −ε.c.d

 = 10

−

 = 10

s a icr t é m o t o F s e y e L

    –

II o ci ím u q si isl á n A

20

Donde: T = Transmitancia ε = Coeficiente molar de extinci ón

c = Concentración molar del absorbente d = Recorrido en cm Esta ley es también aplicada para representar la disminución de la radiación solar al pasar por la atmósfera. En este caso hay una propagación de la radiación además de la absorción. La ley de BOUGUER-LAMBERT-BEER para la atmósfera se suele expresar de la siguiente forma:

Cada kx corresponde a un coeficiente de extinción en el cual el subíndice se encarga de identificar la fuente de absorción: a  hace referencia a los aerosoles densos, estos absorben y dispersan. g  corresponde a los gases uniformemente mezclados, en especial dióxido de carbono (CO2) y oxígeno molecular (O2) el cual solo absorbe. NO2

 

corresponde al dióxido de nitrógeno, debido especialmente a la

contaminación (sólo absorbe) ω  corresponde a la absorción que se

produce por el vapor de agua

O3  corresponde al ozono (sólo absorbe) r es correspondiente a la dispersión de Rayleigh para el oxígeno molecular (O2) y nitrógeno (N2)

Bibliografía 1) http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/Photometric+Analysis

2) [BURBANO, 1993] Cap. 47: Dispersión de la luz, radiación térmica, fotometría y colorimetría.

3) [CATALÁ, 1988] Cap. 45: Fotometría y teoría física del color. 4) http://employees.oneonta.edu/kotzjc/LAB/Spec_intro.pdf 5) http://www.gamma-sci.com/photometry/ 6) https://www.uam.es/docencia/qmapcon/QUIMICA_GENERAL/Practica_ 4_Colorimetria_Ley_de_Lambert_Beer.pdf s a icr t é m o t o F s e y e L

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