La espectroscopia o espectrometría óptica es una técnica de análisis que se basa en la interacción de la luz con la materia que proporciona información, cualitativa y cuantitativa, de una sustancia objeto de estudio.
En 1800 W. Herschel, cuando se dio cuenta que "más allá" del rojo había una luz invisible al ojo humano pero detectable por su calor. Esto es lo que hoy denominamos infrarrojos.
Un año después, J. Ritter encontró otra radiación solar invisible más allá del violeta que no generaba calor pero ennegrecía el cloruro de plata. Esto es lo que actualmente se conoce como ultravioleta.
Alrededor de 1870, Maxwell y Hertz demostraron que las ondas electromagnéticas en vez de ser materiales, son electromagnéticas. Esto permitió el descubrimiento de las microondas, los rayos X y los rayos Y..
Si se ordenan en un gráfico todos estos tipos de radiaciones, se obtiene el espectro de la radiación electromagnética. Comúnmente se ordenan de forma creciente. Hay varios tipos de espectrometrías: atómica, infrarroja, de masas...
Espectroscopía atómica
Los átomos aislados pueden emitir y absorber radiación electromagnética. Para explicar esto hay que recurrir a la teoría cuántica: cuando los átomos son excitados (buscad el término excitación cuántica en Wikipedia) mediante una fuente de energía externa emiten luz. Si descomponemos y analizamos dicha luz se obtiene un espectro de emisión óptica. Sin embargo, si se analiza el espectro se luz que ha atravesado los átomos se consigue un espectro de absorción atómica.
Estos espectros son discontinuos ya que no contienen todas las frecuencias sino solo algunas. A cada espectro le corresponde en el espectro una fina raya que se denomina línea (se esforzaron mucho en ponerle nombre). Las líneas de emisión son brillantes sobre fondo negro y las de absorción son negras sobre fondo luminoso. La anchura de estas líneas determina qué elemento químico es (algo así como su carnet de identidad). Si analizamos las líneas de un espectro atómico detectamos el número de elementos presentes en la muestra (análisis cualitativo). Si además se mide la intensidad de las líneas se obtiene con precisión la proporción elemental (análisis cuantitativo). Pincha aquí para una experiencia interactiva con estos espectros.
Espectroscopía IR
Los átomos de una molécula vibran cuando se excitan por medio de una fuente que les comunique la energía adecuada debido a que los enlaces atómicos no son rígidos y se alargan, contraen y flexionan. La luz infrarroja posee la frecuencia y energía precisas para provocar vibraciones moleculares.
Cada enlace tiene una frecuencia de vibración característica. De este modo, si se ilumina un compuesto desconocido con radiación IR, cada tipo de enlace presente en él absorbe su frecuencia característica, lo que da lugar a una serie de banda que constituyen su espectro de absorción IR.
A diferencia de los espectros atómicos, se obtienes zonas mucho más anchas de absorción que se denominan bandas del espectro de absorción IR. Si comparamos las bandas del espectro de absorción IR con los valores de frecuencias propias del enlace se obtienen la fórmula estructural del compuesto que se analiza. Esta es la técnica que más se utiliza para la identificación molecular.
Espectroscopía de masas
No todas las técnicas espectroscópicas se basan en la interacción luz-materia. El método más usado actualmente es la espectrometría de masas. El espectro que se obtiene no es una serie de radiaciones electromagnéticas, sino de fragmentos de materia.
Si una partícula cargada de masa m penetra perpendicularmente y con velocidad v en un campo magnético se ve sometida a una fuerza magnética de valor Fm, que obliga a la partícula a describir una trayectoria circular. En el espectrómetro de masas, una minúscula muestra se vaporiza e introduce en una zona donde se somete a un bombardeo de electrones muy energéticos. La muestra se fragmenta y genera iones positivos cuyo tamaño varía según requiera el análisis. Los iones formados así son acelerados eléctricamente y colimados por rendijas que forman un haz estrecho que penetra en un potente campo magnético donde se descompone. Por último, los iones separados llegan al detector y este genera un espectro de masas donde la posición de las líneas indica la masa y la altura su masa relativa. Pese a que esta técnica es muy destructiva (ya que la muestra se consume), permite detectar las pequeñas diferencias de masa que producen los isótopos que la muestra contiene (análisis isotópico).
FUENTES
Zubiaurre, S. Vílchez, J.M. y Arsuaga, J.Mª (2015). Física y Química 1º Bachillerato. Madrid: ANAYA.
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