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Criterio de Aprendizaje:

Explicar espectroscopia de absorción.


Didáctica de Enseñanza:

Ex. El profesor explicará a los educandos el tema de espectroscopia de absorción.


Espectroscopia de Absorción

La Espectroscopia es una técnica que se incluye en los llamados Métodos Instrumentales del Análisis Químico, dichos métodos están basados en las propiedades físicas de los átomos y moléculas de las sustancias como son: indice de refracción, coeficiente de absortividad molar, difracción y polarización de la luz, coeficiente de distribución molecular, etc.

Los métodos instrumentales tienen las siguientes ventajas: la muestra requiere de una mínima o nula preparación para el análisis; es mucho menos frecuente, en comparación con los métodos clásicos, que se presenten interferencias; en gran numero de muestras, el costo unitario por muestra es relativamente bajo; y el análisis requiere de mucho menos tiempo que el de los métodos clásicos.

En espectrometría de absorción se hace incidir sobre una muestra radiación electromagnética haciendo variar la longitud de onda. Se obtiene una gráfica de la energía absorbida por la muestra como función de la longitud de onda, y de esta manera se obtiene un espectro de absorción. El espectro de absorción de una molécula es continuo, debido a que las transiciones posibles son muy numerosas, esto es, existe en la molécula un gran numero de niveles cuánticos. El espectro del átomo es diferente debido a que las posibilidades de transiciones son menores y el espectro que se obtiene es de picos.

Una vez que se ha obtenido el espectro de absorción y se ha determinado el pico de máxima absorción, se puede llevar a cabo un análisis cuantitativo, para lo cual es necesario obtener la curva de calibración. Para obtenerla, se preparan soluciones de concentración conocida del elemento a determinar y que estén dentro del rango en el cual se sepa que se cumpla la Ley de Beer. La o las muestras problema se preparan procurando que la absorbancia de éstas estén dentro del rango lineal de la curva de calibración.



Criterio de Aprendizaje:

Practicar el uso del espectrofotometro.


Didáctica de Enseñanza:

Ej. El profesor indicara al los educandos las partes del espectrofotometro y mostrara su manejo en el laboratorio.


Espectrofotometro de Absorción

La dispersión y la reflexión de la radiación disminuyen el poder de la radiación incidente, sin embargo, para la mayoría de los sistemas estas pérdidas son mínimas y pueden ser parcialmente compensadas.

Los instrumentos utilizados en el estudio de la absorción o emisión de la radiación electromagnética como función de la longitud de onda, son llamados Espectrometros o más frecuentemente Espectrofotómetros. Los principios de óptica y electrónica empleados en los instrumentos son los mismos para espectroscopía UV, visible o IR, sin embargo, hay ligeras diferencias en componentes específicos del instrumentos para cada región del espectro electromagnético.

Los componentes esenciales de un espectrofotómetro son:

1.Una fuente estable de energía radiante. Estas consisten de materiales que son excitados a niveles de mayor energía por medio de descargas eléctricas de alto voltaje o por calentamiento. Cuando los electrones del material regresan del estado excitado al estado basal, emiten energías características correspondientes a E, la diferencia de energía entre el estado basal y el estado excitado.

2.Un sistema de lentes, espejos y aberturas, que definan, colimen (hagan paralelo) y enfoquen el haz de radiación y un monocromador que separe la radiación en bandas estrechas de longitud de onda. Todos los monocromadores tienen: unos lentes colimadores o un juego de espejos para producir un haz paralelo de radiación; un prisma o rejilla como elemento de dispersión y un elemento de enfoque, el cual proyecta una serie de imágenes sobre una superficie plana. Adicionalmente, la mayoría de los monocromadores tienen ventanas en las aberturas de entrada y salida para proteger los componentes del monocromador del polvo y los humos corrosivos que puedan existir en el ambiente.

3.Un componente transparente a la radiación que contenga la muestra. Las muestras para espectroscopia UV, Visible o IR pueden ser líquidas o gaseosas. Para UV es necesario utilizar celdas de cuarzo, ya que el vidrio absorbe radiación UV, para Visible puede utilizarse cuarzo o vidrio común.

Las celdas en UV u Visible pueden ser cilíndricas o cuadradas, se prefieren éstas ultimas por tener mejor óptica. Las celdas deben estar marcadas para que el paso del haz de radiación sea siempre en el mismo lugar de la celda y de esta manera compensar por imperfecciones ópticas en las paredes de la celda.

4.Un detector de radiación o transductor que recibe la señal de radiación electromagnética y la convierte en una señal eléctrica de magnitud proporcional a la intensidad de la radiación recibida. Los detectores modernos generan una señal como resultado de los fotones que llegan y chocan con él. Esta señal activa una aguja, envía una señal digital a un microprocesador y/o activa un graficador.

5.Un sistema amplificador que produzca o genere una señal eléctrica mucho mayor a la señal recibida. La señal electrónica generada por un detector de radiación, debe ser convertida a una señal que el operador del instrumento pueda leer e interpretar fácilmente. Este proceso se efectúa con amplificadores, amperímetros, potenciómetros y graficadores potenciométricos.

6.Un sistema de lectura tal como: una escala de aguja, un registrador, un sistema de dígitos o una computadora, que transforme la señal eléctrica en una señal que el operador pueda interpretar. Frecuentemente es conveniente obtener un registro de la señal en función del tiempo o al hacer variar la longitud de onda por ejemplo, para obtener un espectro de absorción de una especie química. En este caso, lo más conveniente es registrar la señal continuamente y obtener de ella una gráfica que indique la variación de la propiedad en función del tiempo, la longitud de onda, etc.


Objetivo de Aprendizaje:

Emplear los conceptos básicos de espectrofotometría de absorción y emisión.

Interpretar los espectros de absorción.

Utilizar las técnicas de espectrofotometría para determinación de analitos.


Criterio de Aprendizaje:

Explicar la Ley de Beer


Didáctica de Enseñanza:

Ex. El Profesor explicará a los educandos la Ley de Beer.


Ley de Beer


A = a * b * C

Donde

A = Absorbancia

b = espesor de la celda

C = Concentración

a = coeficiente de absorción


Ambos a y b son constantes para un elemento dado y configuración de instrumento.


Criterio de Aprendizaje:

Ilustrar las regiones de absorción de los grupos funcionales y elementos.


Didáctica de Enseñanza:

Di. El profesor mostrará a los educandos las regiones de absorción UV – Vis e indicará los grupos funcionales y elemntos que absorben en esta región.


Regiones del Espectro UV – VIS

La espectroscopía visible es una de las técnicas más amplias y frecuentemente usadas en el análisis químico. Para que una substancia sea activa en el visible debe ser colorida: el que una substancia tenga color, es debido a que absorbe ciertas frecuencias o longitudes de onda del espectro visible y transmite otras más. Por ejemplo: una solución es amarilla debido a que dentro de la región visible absorbe radiación en el rango de 435 a 480 nm. En este rango de longitudes de onda se encuentra el color azul del visible y transmite los colores complementarios que dan origen al color amarillo de la solución mencionada.

La absorción y transmisión de las longitudes de onda de la región visible de esta parte del espectro no es la misma en substancias que den diferentes tonalidades de amarillo, por lo que podemos tener una gama diferente de tonalidades.

El rango visible se considera de los 380 a los 750 nm. La base de la espectroscopía visible y ultravioleta consiste en medir la intensidad del color (o de la radiación absorbida en UV) a una longitud de onda específica comparándola con otras soluciones de concentración conocida (soluciones estándar) que contengan la misma especie absorbente. Para tener esta relación se emplea la Ley de Beer, que establece que para una misma especie absorbente en una celda de espesor constante, la absorbancia es directamente proporcional a la concentración.

La siguiente tabla nos da una relación entre el rango de las longitudes de onda en que absorbe el compuesto, color absorbido y color observado o transmitido.


DIFERENTES REGIONES DEL ESPECTRO ULTRAVIOLETA Y VISIBLE Y SUS ZONAS COMPRENDIDAS

Rango de longitudes de onda (nm)

Color absorbido

Color transmitido

100 – 190

Ultravioleta del vacío

Ninguno

190 – 380

Ultravioleta cercano o de cuarzo

Ninguno

380 – 435

Violeta

Amarillo-verde

435 – 480

Azul

Amarillo

480 – 500

Verde-azul

Naranja-rojo

500 – 560

Verde

Púrpura

560 – 580

Amarillo-verde

Violeta

580 – 595

Amarillo

Azul

595 – 650

Naranja

Verde-azul

650 – 780

Rojo

Azul-verde


La coloración de la solución se debe a la especie absorbente y esta coloración puede ser natural o inducida. La coloración natural puede ser la base de la cuantificación de una especie, como por ejemplo, la clorofila en ciertas plantas, los complejos metálicos que se encuentran presentes en solución acuosa, como son los iones cobre, manganeso, cobalto, etc.

Mas frecuentemente se induce la formación de un complejo colorido que absorba en el visible, y que sea específico para el elemento o compuesto que se desea cuantificar colorimétricamente. Ejemplo: la formación de un complejo colorido cuando el cloro reacciona con la ortolidina, o la cuantificación de glucosa en sangre y orina por la acción del molibdato en determinadas condiciones, o la intensificación del color del ion cobre, al formar un complejo amoniaco-cobre, el cual se forma cuando una solución acuosa que contiene iones cobre se le agrega hidróxido de amonio.

Para esto se requiere del control de ciertas condiciones que inhiben o favorecen la formación de compuestos coloridos: pH, temperatura, tiempo, orden de adición de los reactivos y concentración de sales concomitantes.

La espectroscopia visible es una técnica con gran aplicación en el análisis químico.

Es un requisito de una substancia ser colorida para que ésta sea activa en el visible. Una substancia tiene color debido a que absorbe ciertas frecuencias o longitudes de onda del espectro visible y transmite otras más.

El rango visible se considera de 380-750 nm y el ultravioleta de 190-380 nm.

La espectroscopia visible se basa en medir la intensidad del color y la espectroscopia ultravioleta la radiación absorbida, a una longitud de onda específica comparándola con otras soluciones de concentración conocida que contengan la misma especie absorbente.

Son cuatro las aplicaciones más importantes de la absorción de radiación visible y ultravioleta.

1. Análisis Cualitativo. La espectroscopia de absorción proporciona un útil instrumento para el análisis cualitativo.

Este análisis tiene como finalidad la identificación de un compuesto puro, la determinación de la presencia o ausencia de una sustancia particular en una

mezcla o la identificación de un compuesto en ciertos grupos funcionales en un compuesto cuya estructura se esta investigando.

A pesar de que esta aplicación es limitada debido a que las bandas de absorción tienden a ser anchas y, por consiguiente, carecen de detalle; es útil en la detección de impurezas altamente absorbente en medios no absorbentes.

2. Análisis cuantitativo de una o más especies en una mezcla.

Las características más importantes de los métodos espectrométricos y fotométricos son:

- Gran aplicación. Una gran variedad de especies orgánicas e inorgánicas absorben en las longitudes de onda ultravioleta y visible, por lo que son susceptibles de determinación cuantitativa.

- Alta sensibilidad. Absortividades molares de la escala de 10 000 a 40 000 son comunes. El análisis de concentraciones en la escala de 10-9 a 10-5 M son ordinarios.

- Selectividad moderada a alta. Puede ser posible encontrar una longitud de onda en la que el único componente absorbente de una muestra sea la substancia que se determina.

- Buena precisión. El error relativo en las mediciones de concentración se encuentra en los límites de 1 a 3%.

- Facilidad y comodidad. Utilizando instrumentos modernos las mediciones se hacen con facilidad y rapidez.

3. Titulaciones Espectrofotométricas.

Se emplean mediciones de absorción para localizar el punto de equivalencia de una titulación. El punto final en una titulación fotométrica directa es el resultado de un cambio en la concentración de un reactivo o en un producto, o en ambos; sin duda, por lo menos una de estas especies debe absorber radiación.

4. Determinación de constantes de equilibrio.

En estudios cuantitativos de absorción de la radiación, se mide la cantidad de energía que es absorbida por una muestra que contiene una especie absorbente, comparándola con la cantidad de energía absorbida por otra muestra de concentración conocida, y tomando como referencia una solución la cual no contiene la sustancia que absorbe radiación.


Criterio de Aprendizaje:

Describir la identificación de los componentes de una muestra en base al espectro de absorción.


Didáctica de Enseñanza:

Ej. El profesor indicará a los educandos la identificación de los componentes de una mezcla en base al espectro de absorción.


Espectros de Absorción e Identificación de Componentes

En un proceso de relajamiento o pérdida de energía por procesos no radiactivos, las moléculas pierden su energía pasando en forma sucesiva a niveles inferiores de energía. De cada uno de los procesos posible, tanto de absorción como emisión, se originan diferentes tipos de espectroscopia, cada uno de ellos con aplicaciones específicas como son: la espectroscopia visible (VIS), ultravioleta (UV), Infrarrojo (IR), de fluorescencia y fosforecencia, etc.

Dichas técnicas espectroscopicas son sumamente valiosas para el analista y casi siempre son complementarias, no competitivas; esto significa que cuando se desea conocer la naturaleza, forma, propiedades, composición, etc., de las sustancias casi siempre se requiere del concurso de diferentes técnicas espectroscopicas, las cuales proporcionan información determinada sobre las propiedades de las sustancias o material en estudio.

Así por ejemplo, la espectroscopia infrarrojo es una excelente técnica cualitativa, por medio de un espectro infrarrojo es posible identificar ciertos grupos funcionales en la molécula y caracterizarla.

En espectroscopia de absorción atómica se pueden detectar prácticamente todos los metales y metaloides en una muestra específica; al nivel de partes por millón (ppm) y aún al nivel de partes por billón (ppb).

La espectroscopia visible es la técnica más versátil y más ampliamente utilizada. Con esta técnica es posible efectuar análisis en base a la naturaleza e intensidad del color de la sustancia analizada.

Algunas especies no son coloridas pero son activas en la región ultravioleta, para lo cual se emplea esta región del espectro en la identificación de grupos funcionales, así como en análisis cuantitativo de las sustancias que absorben radiación ultravioleta.

El potencial de la espectroscopia es amplio y variado, por lo que la química analítica emplea estas técnicas muy frecuentemente y esa es la razón de su importancia.

El espectro ultravioleta y visible de las moléculas está asociado a transiciones electrónicas entre los diferentes niveles energéticos de ciertos grupos o átomos de la molécula como entidad. En contraste, la absorción de energía en la región infrarroja estimula la molécula completa y causa cambios vibracionales y rotacionales en ésta, lo cual caracteriza la entidad estructural de dicha molécula.

Los grupos de átomos que dan origen a la absorción en el UV cercano o ultravioleta del cuarzo, se conocen como grupos cromóforos. La mayoría de los grupos insaturados y heteroatómicos que tienen pares de electrones no compartidos son cromóforos y estos grupos son la base de la elucidación de grupos estructurales en las moléculas activas en el UV cercano.

La absorción molecular en las regiones ultravioleta y visible consiste en bandas de absorción formadas por líneas que están muy cercanas unas de otras. Una molécula verdadera tiene muchos niveles de energía vibracionales; por lo que las bandas de absorción comunes están constituidas por numerosas líneas. Puesto que en una solución las especies absorbentes están rodeadas por moléculas de disolvente, se pierden las características de la banda de absorción molecular porque las colisiones tienden a hacer más difusas las energías de los estados cuánticos, originando picos de absorción uniformes o continuos.

Las mediciones de absorción en las regiones visible o ultravioleta del espectro proporcionan información cualitativa y cuantitativa sobre moléculas orgánicas, inorgánicas y bioquímicas.

Las técnicas analíticas UV-Visible han recibido gran aceptación debido a las siguientes razones:

1.Amplio campo de aplicación: Las técnicas espectroscopicas UV-Vis son ampliamente empleadas ya que son muchas las especies que son activas en el visible, y muchas más las que con un tratamiento adecuado son capaces de formar especies coloridas. Lo mismo puede decirse de la espectroscopia UV.

2. Selectividad adecuada: Aunque no es muy común, si es posible tener interferencias en UV-VIS. Cuando esto ocurre, es posible emplear los métodos para análisis de multicomponentes. Otra alternativa es aislar el analito de la interferencia, o separar la interferencia misma.

3. Buena exactitud y precisión: En estas técnicas de espectroscopia es normal tener errores relativos del 1 al 3 %, por lo cual se puede considerar que se tendrán resultados analíticos con un mínimo de incertidumbre si se procede en la forma correcta.

4. Facilidad y conveniencia: Aunque existen instrumentos altamente sofisticados, acoplados a computadoras y con sistemas ópticos y electrónicos de alta precisión, es posible obtener resultados muy aceptables para análisis de rutina, con instrumentos o Espectrofotómetros de los más sencillos en el mercado, a un costo muy accesible.


Criterio de Aprendizaje:

Aplicar la preparación de estándares y obtención de curvas de calibración.


Didáctica de Enseñanza:

Ej. El profesor indicará a los educandos como preparar las curvas de calibración y el manejo del espectrofotometro.


Curvas de Calibración

Las técnicas analíticas instrumentales son sistemas relativos de medición. Cuando se efectúan lecturas de absorbancia, se compara la absorbancia de la muestra analizada con las lecturas de los estándares y de esta forma se determina la concentración de la muestra problema.

Un estándar es una solución de concentración conocida, y que sirve como medida de referencia o patrón para en base a la lectura obtenida comparar con la lectura de una muestra problema y así calcular la concentración.

Una solución estándar o patrón se prepara disolviendo un elemento o compuesto de gran pureza química que contenga el analito en un volumen medido de agua o algún otro solvente adecuado. Generalmente se prepara una solución primaria de 1000 ppm y a partir de ésta se hacen diluciones para preparar los estándares adecuados.

Las soluciones estándar preparadas deberán renovarse periódicamente, y su vida útil deberá determinarse por experiencia o por antecedentes. Para determinar si dichos estándares son útiles deberán hacerse las lecturas en dichos estándares y obtener la curva de calibración.

La solución blanco sirve como referencia para establecer el cero de absorbancia. Un blanco es una solución que contiene el solvente más todos los demás componentes de la muestra excepto el analito.

Con el blanco se ajusta a cero el aparato, y se realizan las lecturas de muestras y estándares para su comparación.




Ejercicio

Se indicará la preparación de estándares y manejo del espectrofotometro en una sesión de laboratorio.


Objetivo de Aprendizaje:

Reconocer la importancia de la espectrofotometría infrarroja en el análisis químico cuantitativo y cualitativo.


Criterio de Aprendizaje:

Esbozar los aspectos básicos de la espectrofotometría infrarroja.


Didáctica de Enseñanza:

Ex. El Profesor explicará a los educandos los aspectos básicos de la espectrofotometria infrarroja.


Espectrofotometría Infrarroja

El espectro infrarrojo de una molécula es el resultado de las transiciones entre dos niveles de energía vibracional diferentes.

La espectroscopia infrarroja se ha empleado para el análisis tanto cualitativo como cuantitativo. Sus aplicaciones cualitativas son las más importantes.


Aplicaciones Cualitativas

La espectroscopia de absorción infrarroja es una de las herramientas más poderosas e importantes de las que dispone el químico para la identificación y determinación de la estructura de especies orgánicas, inorgánicas y bioquímicas. Todas las especies moléculares absorben radiación infrarroja con excepción de un conjunto de especies homonucleares, como hidrógeno molecular, oxígeno y nitrógeno. Además, el espectro de compuestos relativamente más simples son complejos y proporcionan numerosos máximos y mínimos que son útiles con fines de identificación.


Aplicaciones Cuantitativas

Las aplicaciones cuantitativas de la espectroscopia infrarroja son mucho más limitadas que las de radiación UV/VIS debido a las absortividades molares bajas y lo angosto de los picos infrarrojos y las dificultades instrumentales en la medición de transmitancia con exactitud.


Criterio de Aprendizaje:

Demostrar la identificación de grupos funcionales a partir del análisis de espectros IR.


Didáctica de Enseñanza:

Ej. El profesor mostrará a los educandos las tablas de Espectroscopia Infrarroja y resolverá junto con ellos la identificación de grupos funcionales y compuestos a partir del espectro de absorción.


Identificación de Grupos Funcionales

La identificación de las bandas de absorción características causadas por los diferentes grupos funcionales constituye la base de la interpretación de los espectros infrarrojos.

Para realizar ejercicios en este tema se sugiere utilizar las tablas y ejemplos propuestos en el libro:

Análisis Espectral de Compuestos Orgánicos

Creswell, C. J. , Runquist, O. y Campbell, M. M.

Editorial Diana

1979


Objetivo de Aprendizaje:

Establecer la importancia de la espectrofotometría de absorción atómica para el análisis químico y determinación de concentración de metales.


Criterio de Aprendizaje:

Explicar los principios y materiales y reactivos necesarios para los métodos de espectrofotometría de absorción atómica.


Didáctica de Enseñanza:

Ex. El Profesor explicará a los educandos los principios de la espectrofotometría de absorción atómica.


Espectrofotometría de Absorción Atómica

Cada elemento tiene un número específico de electrones asociados a su núcleo. La configuración del orbital normal y más estable es conocida como "estado basal". Si se aplica energía a un electrón, está será absorbida y un electrón será promovido a un "estado excitado". Debido a que el estado es inestable, el átomo regresará inmediatamente al "estado basal" y liberará energía radiante. La espectroscopia de absorción atómica es utilizada para detectar prácticamente todos los metales y metaloides en una muestra específica al nivel de partes por millón y partes por billón.

El término espectroscopia significa la observación y el estudio del espectro, o registro que se tiene de una especie tal como una molécula, un ion o un átomo, cuando estas especies son excitadas por alguna fuente de energía que sea apropiada para el caso. Uno de los pioneros de la espectroscopia fue Isaac Newton, quien a principios de 1600 observó y estudió el comportamiento de la luz solar cuando ésta atraviesa por un prisma.

Las aplicaciones de la espectroscopia en el análisis cualitativo fueron casi inmediatas, sin embargo, su utilidad en el aspecto cuantitativo tuvo que esperar muchos años, ya que el desarrollo científico y tecnológico de ese momento era insuficiente.

El potencial de la espectroscopia en el análisis cuantitativo era conocido desde fines del siglo pasado, su desarrollo y amplia aplicación en el análisis químico es tan reciente que apenas en 1952 tuvo desarrollo el primer equipo comercial de espectroscopia de absorción atómica para la cuantificación de metales.

Las aplicaciones de la espectroscopia son innumerables. En química clínica, en control de calidad en los procesos industriales, en análisis de aguas residuales y potables, en análisis de tierras, en análisis de fertilizantes, en medicina forense, en metalurgia, en farmacia, en control de procesos industriales y en muchas otras áreas de la ciencia y la tecnología.

La espectroscopia atómica se puede dividir en tres clases:

  • Espectroscopia de Emisión Atómica (EEA)

  • Espectroscopia de Absorción Atómica (EAA)

  • Espectroscopia de Fluorescencia Atómica (EFA)

ESPECTROSCOPIA DE EMISION ATOMICA.

Es ampliamente utilizada en el análisis elemental y se usa principalmente para la cuantificación de sodio, potasio, litio y calcio especialmente en tejidos y líquidos biológicos. Esta técnica también es conocida como espectroscopía de emisión en llama o fotometría de llama.

Por razones de conveniencia, rapidez y relativa falta de interferencias, la espectroscopía de emisión en llama se ha transformado en el método de elección para el análisis de los elementos antes mencionados y que son difíciles de determinar por medio de otras técnicas.

En emisión atómica, la muestra es sujeta a un ambiente de alta energía térmica con el fin de producir átomos en estado excitado. Este ambiente puede ser provisto por una flama o, más recientemente, un plasma. Sin embargo, debido a que el estado excitado es inestable, los átomos espontáneamente regresan al "estado basal" y emiten energía. El espectro de emisión de un elemento consiste en una colección de longitudes de onda de emisión llamadas líneas de emisión por la naturaleza discreta de las longitudes de onda emitidas. La intensidad en una línea de emisión se incrementa a medida que el número de átomos excitados de los elementos aumenta.


ESPECTROSCOPIA DE ABSORCION ATOMICA.

En el proceso de absorción atómica el átomo en estado basal absorbe energía de una longitud de onda específica por lo que entra en un estado excitado. A medida que el número de átomos en la trayectoria de la energía de excitación aumenta, la cantidad de energía absorbida también se incrementa. Por medición de la cantidad de energía absorbida se puede hacer una determinación cuantitativa del analito. El uso de fuentes de energía especiales y la selección cuidadosa de longitudes de onda permite la determinación específica de elementos individuales.

Hay algunas diferencias básicas entre la emisión y la absorción atómica:

1.En la emisión atómica, la flama tiene dos propósitos: convertir la muestra de aerosol a un vapor atómico y después elevar térmicamente los átomos a un estado excitado. Cuando estos átomos regresan al estado basal, emiten energía, la cual es detectada por el instrumento. La intensidad de la radiación emitida es relacionada a la concentración del elemento de interés (analito).

2.En la absorción atómica, la única función de la flama es convertir la muestra de aerosol a vapor atómico el cual puede absorber energía de la fuente de radiación.

Los componentes instrumentales de un equipo de espectrofotometría de absorción atómica son los similares a los de un fotometro o espectrofotómetro de flama, excepto que en EAA se requiere de una fuente de radiación necesaria para excitar los átomos del analito. Los componentes son los siguientes:

1.Una fuente de radiación que emita una linea específica correspondiente a la necesaria para efectuar una transición en los átomos del elemento analizado.

2.Un nebulizador, que por aspiración de la muestra líquida, forme pequeñas gotas para una atomización más eficiente.

3.Un quemador, en el cual por efecto de la temperatura alcanzada en la combustión y por la reacción de combustión misma, se favorezca la formación de átomos a partir de los componentes en solución.

4.Un sistema óptico que separe la radiación de longitud de onda de interés, de todas las demás radiaciones que entran a dicho sistema.

5.Un detector o transductor, que sea capaz de transformar, en relación proporcional, las señales de intensidad de radiación electromagnética, en señales eléctricas o de intensidad de corriente.

6.Un amplificador o sistema electrónico, que como su nombre lo indica, amplifica la señal eléctrica producida, para que en el siguiente paso pueda ser procesada con circuitos y sistemas electrónicos comunes.

7.Por ultimo, se requiere de un sistema de lectura, en el cual la señal de intensidad de corriente, sea convertida a una señal que el operario pueda interpretar.

Los instrumentos utilizados para la espectroscopía de absorción atómica son:

Espectrofotómetros de un solo haz.

Espectrofotómetros de doble haz.

Para las determinaciones por absorción atómica es necesario usar como fuente de radiación una lámpara distinta para cada elemento que se analiza.

Los instrumentos para el trabajo de espectroscopía de emisión en flama poseen una estructura semejante a los de absorción en flama, excepto por el hecho de que en los primeros la flama actúa como fuente de radiación; en consecuencia, la lámpara no es necesaria.

La técnica de absorción atómica en flama en una forma concisa consta de lo siguiente: la muestra en forma líquida es aspirada a través de un tubo capilar y conducida a un nebulizador donde ésta se desintegra y forma un rocío o pequeñas gotas de líquido.

Las gotas formadas son conducidas a una flama, donde se producen una serie de eventos que originan la formación de átomos. Estos átomos absorben cualitativamente la radiación emitida por la lámpara y la cantidad de radiación absorbida está en función de su concentración.

La señal de la lámpara una vez que pasa por la flama llega a un monocromador, que tiene como finalidad el discriminar todas las señales que acompañan la línea de interés. Esta señal de radiación electromagnética llega a un detector o transductor y pasa a un amplificador y por último a un sistema de lectura.


Criterio de Aprendizaje:

Aplicar la espectrofotometría de absorción atómica.


Didáctica de Enseñanza:

Ej. El profesor indicara la uso del espectrofotometro de absorción atómica para que los educandos lo utilicen en la realización de la práctica.


Espectrofotometría de Absorción Atómica

En sesión de laboratorio el profesor indicará el uso del espectrofotometro de absorción atómica.


Evidencia Final:

Pa9. Manejo del espectrofotómetro UV-VIS.


Práctica 9. Manejo del espectrofotómetro UV-VIS.

Instrucciones: El educando será habil en el manejo del espectrofotómetro UV-VIS y realizará determinaciones utilizando las técnicas de espectrofotometría.



REACTIVOS, MATERIALES Y EQUIPO

vasos de precipitados 100 Ml

probeta de 100 ml

matraces aforados de 100 ml

matraz aforado de 100 ml

KmnO4

muestra

Espectrofotómetro uv / vis


METODOLOGÍA

1.Se prepara una solución de 1000 ppm de ion Manganeso (VII) a partir de permanganato de potasio (KMnO4 ) . Para preparar esta solución se pesan 2.8779 g de permanganato de potasio, se disuelven en agua y se afora a 1000 ml.

2.Con esta solución se prepara una de 100 ppm a partir de la cual se preparan soluciones estándar de 5, 10, 15, 20 y 25 ppm de ion manganeso.

3.Con una de las soluciones estándar se corre el espectro de ion manganeso en el visible para determinar el máximo de longitud de onda que debe ser a 525 nm.

4.Siguiendo las instrucciones del aparato se leen las absorbencias de cada uno de las soluciones estándar y de las soluciones problema.



RESULTADOS

1. Presentar en el reporte de prácticas el espectro de absorción obtenido.

2. Hacer la curva de calibración para el ión manganeso ( gráfica de la concentración de las soluciones estándar contra la señal o lectura obtenida de cada una de ellas).

3. Determinar la concentración de ión manganeso en la muestra:


ANÁLISIS DE RESULTADOS


CONCLUSIONES


CUESTIONARIO

1.¿ A qué longitud de onda se obtiene el máximo de absorción

2.¿ Cuál es la razón de hacer las lecturas al máximo de absorbencia de la gráfica abs/concentración?

3.¿ Cuál es el coeficiente de absortividad específico promedio para el manganeso a 525 nm?

4.¿ Cuál es el coeficiente de absortividad promedio para el manganeso a 525 nm?

5.¿ Cuál sería el % de transmitancia de la solución de 10 ppm en una celda de 75 mm de espesor ?


REFERENCIAS

Rocha, C. E. L. 1997. Manual de Espectroscopia. Facultad de Ciencias Químicas, División de Estudios de Posgrado. U.A.Ch. Chihuahua, México.

Skoog, A. Douglas, Donald M. West. 1984. Análisis Instrumental. Editorial. Interamericana., México.

Skoog, D.A.; West, M.D. y Holler, F.J. 1998. Química Analítica.Editorial McGraw-Hill., E. U. A.

Willard, H.H.; Merrit, L.L. y Deán, J.A. 1981. Métodos Instrumentales de Análisis. Editorial. C.E.C.S.A., México.


Evidencia Final:

Pa10. Determinación de fosfatos por espectroscopía visible.


Práctica 10. Determinación de fosfatos por espectroscopía visible.

Instrucciones: El educando utilizará las técnicas de espectroscopía para la determinación de elementos o compuestos en algunas muestras.


REACTIVOS, MATERIALES Y EQUIPO

vasos de precipitados de 100 ml

vasos de precipitados de 500 ml

Matraz aforado de 500 ml

pipetas volumétricas 10 ml

probeta de 100 ml

matraces aforados 100 ml

matraces Erlen meyer 250 ml

molibdato de amonio

ácido Sulfúrico

tartrato antimonico

ácido ascórbico

fenoftaleína

muestras

Espectrofotómetro uv/vis


METODOLOGÍA

Para el análisis de fosfatos se prepararan los siguientes reactivos:

1.Molibdato de amonio. Se pesan 4 g de molibdato de amonio y se disuelven en 100 ml de agua destilada.

2.Acido sulfúrico 5 N. Se prepara a partir de ácido sulfúrico concentrado. Se preparan 100 ml de ácido de esta normalidad. El volumen de ácido requerido para preparar la solución es 13.52 ml.

3.Tartrato antimonico de potasio. Se pesan 1.375 g de tartrato de antimonio y potasio y se disuelven en 500 ml de agua destilada.

4.Acido ascórbico 0.1 M. Se pesa la cantidad de ácido ascórbico necesaria para preparar 100 ml de este reactivo.

5.Reactivo combinado. Se prepara una mezcla de reactivos: Se mezclan 50 ml de H2SO4 5 N, 5 ml de tartrato, 15 ml de molibdato y 30 ml de ácido ascórbico.

1.Soluciones Estándar. La solución estándar de 1000 ppm de fósforo como fosfato se prepara pesando 4.3936 g de KH2PO4 y disolviendo esta sal en 1000 ml de agua destilada. A partir de esta solución se hacen las diluciones necesarias para preparar estándar de 0 - 1 ppm.

1.Se toman 50 ml de la muestra que se va a analizar, así como de un blanco y de las soluciones estándar preparadas y con cada una de éstas se hace lo siguiente:

2.Se agrega una o dos gotas de fenolftaleina. Si la solución adquiere un color rosa significa que la solución es alcalina, por lo que debe agregarse gota a gota ácido sulfúrico 5 N hasta desaparición del color rosa.

3.A los 50 ml de solución, se agrega 8 ml de reactivo combinado y a los 10 minutos se efectúan las lecturas de absorbancia en blanco, soluciones estándar y soluciones problema a 800 nm de longitud en el espectrofotómetro.


RESULTADOS

Obtener la curva de calibración a partir de las lecturas obtenidas para cada una de las soluciones estándar.

Determinar la concentración de fosfatos en las muestras:


ANÁLISIS DE RESULTADOS


CONCLUSIONES


CUESTIONARIO

  1. ¿Que aplicaciones prácticas tiene la determinación de este compuesto?

  2. Mencione otras determinaciones importantes que se pueden hacer a través de la espectroscopía visible.

  3. Explique en forma general cómo se lleva a cabo la absorción en el espectro visible.

  4. Realice un diagrama que muestre cómo se lleva a cabo la determinación de un analito por espectroscopía visible.

  5. Explique la Ley de Beer e indique las ecuaciones relacionadas con esta ley.


REFERENCIAS

Rocha, C. E. L. 1997. Manual de Espectroscopia. Facultad de Ciencias Químicas, División de Estudios de Posgrado. U.A.Ch. Chihuahua, México.

Skoog, A. Douglas y Donald M. West. 1984. Análisis Instrumental. Ed. Interamericana., México.

Skoog, D.A.; West, M.D. y Holler, F.J. 1998. Química Analítica.Editorial Mc

Willard, H.H.; Merrit, L.L. y Deán, J.A. 1981. Métodos Instrumentales de Análisis. Editorial. C.E.C.S.A., México.


Evidencia Final:

Pa11. Determinación de nitratos por espectroscopía ultravioleta.


Práctica 11. Determinación de nitratos por espectroscopía ultravioleta.

Instrucciones: El educando utilizará las técnicas de espectroscopía para la determinación de elementos o compuestos en algunas muestras.


REACTIVOS, MATERIALES Y EQUIPO

Vaso de precipitados 100 ml

Pipeta volumétrica 5 ml

Probeta de 100 ml

Matraces aforados 100 ml

Matraces Erlen.meyer 250 ml

Sal de nitrato

HCl concentrado

Muestras

Espectrofotómetro uv/vis


METODOLOGÍA

1.Se prepara una solución de nitratos de 1000 ppm a partir de una sal de nitrato grado analítico. Con esta solución se prepara un estándar de 100 ppm y posteriormente estándares de 2.5, 5, 7.5 y 10 ppm.

2.Tomar 25 ml de las muestras y agregar 1 ml de HCl concentrado para evitar la interferencia del ion carbonato y bicarbonato.

3.Se obtiene el espectro del ion nitrato en el rango del ultravioleta en el espectrofotómetro para determinar la longitud de onda de máxima absorción.

Debido a que la materia orgánica disuelta también absorbe en el ultravioleta en la misma longitud de onda que el nitrato, debe corregirse por este efecto en las muestras. Para esto se efectúa la lectura de las muestras a 275 nm y la absorbancia obtenida a esta longitud de onda se multiplica por dos y el resultado obtenido se resta de la absorbancia de las muestras en la longitud de onda de máxima absorción.

Este método no es adecuado para muestras que contienen un alto contenido de material orgánico disuelto. Si la corrección es mayor a un 10 % de la lectura de absorbancia a la longitud de máxima absorción, este método no debe emplearse.


RESULTADOS

Obtener la curva de calibración a partir de las lecturas obtenidas para cada una de las soluciones estándar.

Determinar la concentración de nitratos en las muestras haciendo las correcciones necesarias.


ANÁLISIS DE RESULTADOS


CONCLUSIONES


CUESTIONARIO

  1. ¿Que aplicaciones tiene la determinación de nitratos?

  2. ¿Cuáles son los electrones que contribuyen a la absorción de la radiación UV-VIS en las moléculas orgánicas?

  3. Mencione a qué grupo pertenecen los iones y complejos que absorben radiación visible:

  4. ¿A qué se refieren los términos Radiación y Emisión de la radiación electromagnética?

  5. Defina espectro de absorción:


REFERENCIAS

Rocha, C. E. L. 1997. Manual de Espectroscopia. Facultad de Ciencias Químicas, División de Estudios de Posgrado. U.A.Ch. Chihuahua, México.

Skoog, A. Douglas y Donald M. West. 1984. Análisis Instrumental. Editorial. Interamericana., México.

Willard, H.H.; Merrit, L.L. y Deán, J.A. 1981. Métodos Instrumentales de Análisis. Editorial. C.E.C.S.A., México.


Evidencia Final:

Pa12. Determinación de cobre, zinc y fierro por espectroscopía de absorción atómica.


Práctica 12. Determinación de cobre, zinc y fierro por espectroscopía de absorción atómica.

Instrucciones: El educando utilizará las técnicas de espectroscopía para la determinación de elementos o compuestos en algunas muestras.


REACTIVOS, MATERIALES Y EQUIPO

vasos de precipitados de 100 ml

pipeta volumétrica de 5 ml

probeta de 100 ml

matraces aforados de 100 ml

matraces Erlen Meyer de 250 ml

solución estándar Cu

solución estándar Fe

solución estándar Zn

muestras

Espectrofotómetro de un solo haz.

Espectrofotómetro de doble haz.


METODOLOGÍA

A partir de una solución de 1000 ppm se preparan soluciones estándar de diferente concentración. Se utiliza un Espectrofotómetro de Absorción Atómica y lámparas de cátodo hueco de cada elemento como fuentes de radiación.

Las lecturas se hacen bajo las siguientes condiciones estándar de Absorción Atómica y de acuerdo a las especificaciones de operación del manual del equipo.

COBRE

Longitud de onda 384.8 nm

Slit (nm) 0.7

Flama aíre - acetileno

ZINC

Longitud de onda 213.9 nm

Slit (nm) 0.7

Flama aíre - acetileno

FIERRO

Longitud de onda 248.3 nm

Slit (nm) 0.2

Flama aíre - acetileno


RESULTADOS

Obtener la curva de calibración a partir de las lecturas obtenidas para cada una de las soluciones estándar.

Determinar la concentración de cada uno de los elementos en las muestras.


ANÁLISIS DE RESULTADOS


CONCLUSIONES


CUESTIONARIO

1. ¿En que consiste un Espectrofotómetro de absorción atómica.?

2. Señale cada una de sus partes principales.

3. ¿A que longitudes de onda trabaja?

4. ¿Porque no se utiliza el mismo filtro para todos los elementos determinados?

5.¿Cuál es la importancia de los métodos de absorción atómica?



REFERENCIAS

Rocha, C. E. L. 1997. Manual de Espectroscopia. Facultad de Ciencias Químicas, División de Estudios de Posgrado. U.A.Ch. Chihuahua, México.

Skoog, A. Douglas y Donald M. West. 1984. Análisis Instrumental. Editorial. Interamericana. México.

Skoog, D.A.; West, M.D. y Holler, F.J. 1998. Química Analítica.Editorial McGraw-Hill. E.U.A.

Willard, H.H.; Merrit, L.L. y Dean, J.A. 1981. Métodos Instrumentales de Análisis. Editorial. C.E.C.S.A. México.




Evaluación Final: Entregar reporte de Pa9, Pa10, Pa11 y Pa12.

Lista de Cotejo

EVIDENCIA

SI

NO

Diagrama de bloques de la práctica: Indicando cada una de las etapas y las variables más importantes en la determinación.



Resultados y Cálculos: Presentar los resultados más relevantes de la práctica. Presentar los cálculos realizados, así como datos y formulas empleadas.



Discusión de resultados: Realizar la discusión en base a los resultados obtenidos, causas y efectos de éstos.



Conclusiones: Concluir en base a los objetivos planteados en la práctica.



Cuestionario: Se debe resolver completamente cada una de las preguntas expuestas en éste.



Bibliografía: Reportar la bibliografía consultada de la siguiente manera, se escribe primero el apellido paterno (y el materno sí lo hay) luego una coma y enseguida la inicial o iniciales únicamente del nombre de pila. A cada inicial sigue un punto; recuérdese que cuando haya dos iniciales tendrá que dejarse un espacio después del punto; año de la edición del libro, título del libro, nombre de la editorial, numero de edición, país de edición y número de las páginas consultadas.



















CAPITULO 4

MÉTODOS ELECTROQUÍMICOS DE ANÁLISIS



INTRODUCCIÓN

En está unidad se busca que el educando conozca los conceptos fundamentales de los métodos electroquímicos.

Se recordarán los métodos de balance de reacciones de óxido-reducción.

El educando será capaz de identificar los tipos de electrodos y sus características así como su uso en los métodos potenciométricos.

Se registrarán los aspectos básicos de la voltametría y polarografía así como la aplicación de estos métodos en el análisis químico.




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