Polarización de la Luz
Polarización: En las ondas electromagnéticas como la luz, el campo eléctrico oscila en un solo plano, conocido como plano de polarización. Esto se describe mediante vectores paralelos o perpendiculares al plano.
Métodos Ópticos en Química
Se dividen en dos categorías:
Métodos Espectroscópicos
Miden la intensidad y longitud de onda de la energía radiante. Algunos ejemplos son:
- Emisión
- Absorción
- Fluorescencia
Métodos No Espectroscópicos
No implican intercambio de energía ni transiciones entre estados energéticos. En cambio, modifican la dirección o las propiedades físicas de la radiación electromagnética (REM). Algunos ejemplos son:
- Dispersión
- Refracción
- Reflexión
- Difracción
- Polarización
Propiedades de la Radiación Electromagnética
Propiedades Ondulatorias
La REM se propaga en el espacio a una velocidad definida y con masa nula. La relación entre la longitud de onda (λ), la velocidad de la luz (c) y la frecuencia (ν) se expresa como:
λ = c / ν
Dualidad Onda-Partícula
La REM exhibe propiedades tanto de onda como de partícula. La energía (E) de un fotón se relaciona con su frecuencia (ν) y longitud de onda (λ) mediante las siguientes ecuaciones:
E = hν
E = hc / λ
Donde h es la constante de Planck.
A mayor longitud de onda, menor es la frecuencia y la energía de la radiación. Los rayos gamma son la radiación más energética, mientras que las ondas de radio son las menos energéticas.
Absorción de Radiación
La absorción de radiación ocurre cuando el campo eléctrico de la radiación interactúa con las cargas eléctricas de una sustancia. La energía de la radiación incidente debe coincidir con la energía cuantizada requerida para la transición entre estados energéticos.
Absorción Atómica
Involucra transiciones electrónicas entre niveles fundamentales y excitados, dando lugar a espectros de líneas.
Absorción Molecular
Involucra transiciones entre niveles electrónicos, vibracionales y rotacionales, dando lugar a espectros de bandas.
Emisión de Radiación
La emisión de radiación puede ocurrir de diferentes maneras:
- Emisión después de la absorción de REM (fluorescencia y fosforescencia)
- Emisión a partir de una excitación no electromagnética
- Emisión del núcleo radioactivo (rayos γ)
Potencia Radiante y Transmitancia
Potencia radiante: Energía por segundo y por unidad de área del haz de luz.
Transmitancia: Fracción de luz incidente que pasa a través de la muestra.
Ley de Beer-Lambert
La absorbancia de una muestra a una determinada longitud de onda depende de la cantidad de especie absorbente y la distancia que la luz recorre a través de la muestra. La ley se expresa como:
A = εbc
Donde:
- A es la absorbancia
- ε es la absortividad molar
- b es la longitud del camino óptico
- c es la concentración
Instrumentos Espectroscópicos
Los instrumentos espectroscópicos típicos constan de los siguientes componentes:
- Fuente de Radiación Luminosa: Puede ser continua (emite un amplio rango de longitudes de onda) o de líneas (emite a longitudes de onda específicas).
- Celda o Cubeta de Muestra: Contiene la muestra que se va a analizar.
- Selector de Longitud de Onda: Separa bandas estrechas de luz. Puede ser un filtro de absorción, un filtro de interferencia, un prisma o una red de difracción.
- Detector: Convierte la energía electromagnética en una señal eléctrica.
- Registro: Registra la señal del detector.
Dispersión, Refracción y Difracción
Dispersión: La luz blanca se descompone en diferentes colores al pasar por un prisma debido a la refracción.
Refracción: La luz cambia de dirección al pasar de un medio transparente a otro debido a la diferencia en la velocidad de propagación.
Difracción: La luz se curva y se dispersa al encontrar un obstáculo o al pasar por una rendija.
Características Ondulatorias de la REM
- Longitud de onda (λ): Distancia entre dos puntos de la onda que han pasado por un ciclo completo.
- Frecuencia (ν): Número de ciclos por unidad de tiempo.
- Número de onda (ν̃): Inversa a la longitud de onda, se mide en cm-1.
Propiedades Corpusculares de la Radiación
La REM también se puede considerar como un flujo de partículas llamadas fotones. La energía del fotón es proporcional a la frecuencia de la radiación.
Espectro Visible y Color
Cuando la luz blanca pasa a través de un objeto transparente que absorbe ciertas longitudes de onda, el objeto aparece coloreado.
Niveles de Energía Molecular
La energía interna de una molécula se divide en tres tipos:
- Rotacional
- Vibracional
- Electrónica: Potencial asociado a la distribución de electrones alrededor del núcleo.
Espectros Rotacionales
Las transiciones entre niveles rotacionales requieren poca energía y corresponden a la región del infrarrojo lejano y las microondas.
Transiciones Vibracionales-Rotacionales
Corresponden a la región del infrarrojo (2-100 μm). No hay transiciones vibracionales puras.
Transiciones Electrónicas
Corresponden a la absorción de radiación en las regiones visible y ultravioleta.
Procesos de Desactivación
- Relajación Vibracional: Transferencia de energía sin emisión de radiación, generalmente en forma de calor.
- Fluorescencia: Emisión de radiación al relajarse la molécula al estado fundamental. La longitud de onda emitida es mayor que la absorbida.
Deducciones de la Ley de Beer
La ley de Beer se basa en las siguientes suposiciones:
- El mecanismo de interacción es la absorbancia.
- La radiación es monocromática.
- Los centros absorbentes son independientes.
- La sección transversal de la muestra es uniforme.
Desviaciones de la Ley de Beer
Pueden ser reales, instrumentales, químicas o personales. Algunas causas comunes son:
- Variación del índice de refracción con la concentración
- Uso de radiación no monocromática
- Presencia de radiación parásita
- Equilibrios químicos
- Efectos del solvente
- Temperatura
- Uso inadecuado de las cubetas
Espectroscopia Infrarroja (IR)
La espectroscopia IR utiliza radiación con longitudes de onda entre 800 y 400000 nm. Su efecto sobre la materia orgánica es producir deformaciones en los enlaces de las moléculas.
Para que una molécula absorba radiación IR, se deben cumplir dos condiciones:
- La frecuencia de la radiación debe coincidir con la frecuencia natural del movimiento vibracional.
- La vibración del enlace debe provocar un cambio en el momento dipolar de la molécula.
Grados de Libertad y Modos Vibracionales
El número de modos independientes de vibración de una molécula se describe mediante los grados de libertad. Para una molécula lineal, el número de grados de libertad es 3N-5, donde N es el número de átomos. Para una molécula no lineal, es 3N-6.
Tipos de Vibraciones Moleculares
- Vibración de Tensión (Stretching): Cambio en la longitud del enlace.
- Vibración de Flexión (Bending): Cambio en los ángulos de enlace sin modificar la longitud.
- Vibración Degenerada: Vibraciones con la misma energía.
Espectros Vibracionales-Rotacionales
En la espectroscopia IR, no hay transiciones vibracionales puras. Las transiciones también involucran cambios en los niveles rotacionales.
Instrumentación IR
Los instrumentos de espectroscopia IR típicos incluyen una fuente de radiación, un interferómetro, una celda de muestra, un detector, un amplificador y un sistema de registro.