...de la tecnología.
La espectrofotometría visible ultravioleta...
...es una de las técnicas de uso rutinario...
...en los laboratorios químicos.
...de todo tipo de sustancias, entre las que destacan los polímeros.
Este documento ilustra la utilización...
...de la espectrofotometría visible ultravioleta...
...en la caracterización de un tipo de polímeros, los copolímeros.
Veamos en primer lugar en qué consiste la técnica.
A continuación, se desarrolla el método operativo...
...y finalmente, se Dan algunos ejemplos...
...de aplicaciones en la espectrofotometría.
Cuando una muestra se ilumina con radiación electromagnética...
...se difunde una parte de su intensidad, difunde otra...
...y transmite el resto.
El resultado de esta interacción se
recoge en los espectros de absorción...
...que son una representación de la intensidad transmitida...
...frente a la longitud de onda de la radiación empleada.
Si las muestras son transparentes, se suele considerar...
...que la difusión es despreciable, mientras que en las muestras...
...la turbidez puede superar a la absorción de luz.
En este documento, consideraremos que las muestras son transparentes.
La longitud de onda puede variar en un intervalo de valores muy amplio...
...que va desde el Armstrong, es decir, 10 elevado a menos 10 metros...
...a los miles de metros propios de las radiofrecuencias de onda larga.
De este amplio rango, el ser humano solo puede percibir...
...la longitud de onda, cuya longitud de onda está comprendida...
...entre unos 400 y 800 nanómetros, sin que los límites estén definidos.
La absorción de la radiación electromagnética...
...supone un aumento de la energía del material...
...mediante tránsitos a niveles de energía superiores.
Los niveles energéticos implicados dependen del tipo de radiación.
Así, por ejemplo, la absorción de radiación infrarroja...
...se desplaza a los niveles vibracionales y rotacionales...
...mientras que la absorción de radiación visible y ultravioleta...
...produce la transición a niveles
electrónicos superiores a los de partida.
Los grupos de átomos capaces de presentar bandas de absorción...
...en la zona ultravioleta visible reciben el nombre de cromóforos.
Un ejemplo de cromóforo es el grupo formado por dos carbonos...
...que se desplaza a mayores longitudes de onda...
...y aumenta de intensidad cuando los dobles enlaces están conjugados...
...formando un sistema aromático, como en el caso del acenaftileno.
Lambert comprobó que la fracción de luz incidente que es transmitida...
...decae exponencialmente con el grosor de la muestra medida...
...mientras que Bier, en 1852, comprobó...
...que la sustancia está en disolución, la transmisión depende...
...de la concentración en que se encuentran los cromóforos.
Los efectos del espesor de la muestra,
B, y de la molaridad del cromóforo, C...
...sobre la intensidad transmitida están
unificados en la ley de Lambert-Bier.
Donde A representa la absorbancia de una sustancia en disolución...
...B define el logaritmo de la fracción de luz incidente transmitida...
...y ε es el coeficiente de absorción molar.
Este es específico de cada sistema muestra disolvente...
...y depende de la longitud de onda, pero no depende de la temperatura.
La aplicabilidad de la ley de Lambert-Bier...
...se basa en la disolución del cromóforo y la estabilidad química.
Se puede decir que para una longitud de onda...
...se observan desviaciones de la ley cuando la concentración es alta.
Cuando las disoluciones son turbias, también aparecen desviaciones...
...de la ley debido a fenómenos de difusión de luz.
La degradación fotoquímica limita la aplicabilidad de la ley.
Los instrumentos que se emplean para obtener espectros...
...se denominan espectrofotómetros.
Estos constan de las siguientes partes.
Fuente de radiación.
Para la región visible, es una lámpara de volfráneo...
...y en la ultravioleta se utiliza un tubo de descarga relleno de deuterio.
Ambas lámparas se intercambian cuando el barrido de longitud...
...alcanza unos 350 nanómetros.
Se consigue que lleguen a la muestra radiaciones monocromáticas.
Es decir, de un intervalo de longitudes de onda estrecho.
Está formado por las rendijas de entrada
y salida y una red de difracción.
Detector. Suele ser un tubo fotomultiplicador...
...que transforma la señal luminosa en eléctrica...
...mediante el efecto fotoeléctrico.
La señal eléctrica es amplificada para su medida posterior.
Se utilizan dos Fuentes, el monocromador y el detector.
También traduce la señal del detector.
Las muestras líquidas cuyo espectro se quiere obtener...
...se colocan en las cubetas.
Existen muchos tipos de cubetas con diferentes pasos ópticos.
Las más empleadas son las cubetas prismáticas de base cuadrada.
En la zona visible, se utilizan las fabricadas con vidrio...
...y las de polimetacrilato de metilo.
En la región ultravioleta, estos materiales se absorben.
Existen espectrofotómetros de haz sencillo y de doble haz.
En este último caso, la radiación que sale del monocromador...
...recorre dos caminos ópticos.
Uno conduce a la cubeta de referencia, que suele contener disolvente...
...y el otro a la cubeta de medida.
El solo camino se consigue mediante un dispositivo...
...que envía luz alternativamente.
Cuando la sustancia problema, la longitud de onda más adecuada...
...para aplicar la ley de Lambert-Bier es la del máximo de absorción.
El error relativo debido al ruido de fondo y el error de lectura...
...son mínimos.
Cuando la sustancia está contaminada con otra con grupos cromóforos...
...se produce una onda a la que la impureza no absorbe.
Es conveniente buscar una zona del espectro de Baja pendiente...
...y de absorbancia lo más alta posible para minimizar errores.
Queremos determinar la composición de un copolímero...
...formado por un monómero transparente al visible...
...y un comonómero capaz de absorber luz como el acenaftileno.
Bastará con determinar en una disolución del copolímero...
...la concentración de uno de los comonómeros.
La espectrofotometría permite calcular la concentración...
...del comonómero si se conoce su absortividad molar...
...porque aparece en la bibliografía...
...o porque se ha determinado con una sustancia patrón.
(Música)
El objetivo de la caracterización de un copolímero...
...es la determinación de las fracciones molares...
...de los comonómeros que lo forman.
Esta puede hacerse con espectrofotometría ultravioleta...
...con un tipo cromóforo, como en los copolímeros de metacrilato...
...de metilo y acenaftileno.
Para hacer esta medida, además de un espectrofotómetro...
...ultravioleta visible, se necesitan los siguientes elementos.
Dos cubetas de cuarzo de un centímetro de Paso óptico.
Una balanza analítica capaz de proporcionar cuatro cifras decimales.
Varios matraces aforados.
Varias pipetas graduadas de uno y dos mililitros.
Un pez a sustancias.
Varios vasos de precipitados de 25 mililitros.
Una pipeta paster. Una espátula pequeña.
Una pera de goma.
Un chupete.
Y papel que no raye.
Es importante que el material esté limpio y seco...
...porque la impureza con grupos cromóforos puede invalidar las medidas.
Los productos necesarios son...
...los copolímeros que se quieren caracterizar...
...con acenafteno como patrón de calibrado...
...y cloroformo de calidad adecuada como disolvente.
Empezaremos por buscar el coeficiente de absorción molar...
...del copolímero a la longitud de onda adecuada.
Si no está publicado, deberemos hacer una recta de calibrado.
Se preparan cinco disoluciones de distintas concentraciones...
...con la misma estructura que el comonómero absorbente.
En este caso, el patrón más adecuado es el acenafteno.
Las disoluciones deben tener concentraciones de 10 elevado a -5 molar.
Se preparan por dilución...
...a partir de una disolución madre de acenafteno en cloroformo.
Empezamos preparando 100 ml de la disolución madre de concentración...
...que se va a multiplicar por pesada y disolución.
(Música)
A continuación, se ponen sendas alícuotas de la disolución madre...
...en matraces aforados y se enrasan a 25 ml.
De esta forma, se consiguen concentraciones del orden de 6, 8, 9, 11...
...y 12 por 10 elevado a -5 molar.
Una vez preparadas las disoluciones...
...se calcula la concentración real de todas ellas.
Una vez preparadas las disoluciones para el calibrado...
...podemos encender el espectrofotómetro.
Es aconsejable hacer un primer espectro...
...de cada una de las cuvetas llenas con disolvente...
...utilizando en los dos casos aire como referencia.
El intervalo de longitudes de onda, las condiciones de velocidad...
...y las rendijas deben ser los que se estimen adecuados...
...para las medidas posteriores.
Antes de introducir las cuvetas en el espectrofotómetro...
...hay que comprobar que las paredes exteriores estén limpias...
...y que no queden restos de la muestra, huellas dactilares...
...o cualquier tipo de sustancia adherida.
Su superficie se limpia con un papel especial que no raye.
Para transportar las cuvetas se sujetan por las esquinas...
...o por las caras por las que no pasa la luz, evitando ensuciarlas.
Una vez colocadas las cuvetas en el espectrofotómetro...
...se asigna el cero de absorbancia a una longitud de onda...
...a la que se sabe que la muestra no absorbe.
Esta operación se repite cada vez que se cambia de disolución.
La absorbancia de cada disolución a la longitud de onda elegida...
...se toma del espectrofotómetro.
Aunque solo se necesita conocer la absorbancia para una longitud...
...es conveniente barrer el espectro en el rango de absorción...
...para comprobar el estado de las disoluciones.
Se sigue un orden de concentraciones crecientes...
...desde la más diluida hasta la más concentrada.
La cuveta con disolvente empleada no se retira de su posición...
...hasta finalizadas todas las medidas.
Cada vez que se cambia de disolución...
...se enjuaga dos o tres veces la cuveta...
...con pequeñas cantidades de la disolución que se medirá.
Los restos de los enjuagues se echan en un vaso de precipitados...
...preparado para ello.
Cuando se termina la medida de la disolución más concentrada...
...se lava la cuveta de la muestra tres veces con disolvente.
En el caso de la disolución con disolvente...
...se lo lleva otras tres veces con disolvente.
La recta de calibrado se obtiene...
...representando la absorbancia de las disoluciones de acenazeno...
...a una longitud de onda frente a su concentración.
Dicha recta tiene una ordenada en el origen cercana a cero...
...y una distancia de epsilón por B.
Cuando se utilizan cuvetas de un centímetro de Paso óptico...
...la pendiente coincide con epsilón, la absortividad molar.
El siguiente Paso es la medida espectrofotométrica...
...de las disoluciones de los copolímeros.
Se necesita una disolución por cada copolímero.
Se escoge la concentración del copolímero...
...si su absorbancia está dentro del intervalo de absorbancias.
Para ello, hay que hacer una hipótesis sobre su composición.
Caben dos posibilidades.
Suponer que la composición del copolímero...
...es la de la mezcla de comunómeros en la que se ha sintetizado...
...o si esta no se conoce, que está compuesta por un 50 %...
...en moles de acenactileno.
Se necesitan 25 ml de una disolución...
...en la que la concentración en grupos cromóforos...
...se encuentra en la parte central de la recta de calibrado.
En nuestro caso, en torno a 9 x 10 elevado a -5 molar.
Como en el calibrado, las cantidades de muestra son pequeñas.
Es necesario hacer una disolución madre más concentrada...
...y obtener la concentración adecuada.
Una vez preparada la disolución final,
hay que calcular su concentración...
...a partir de las cantidades pesadas y los volúmenes empleados.
Metacrilato de metilo y acenactileno...
...pueden estar contaminados con restos de acenactileno.
Esto se puede constatar porque los copolímeros, que deben tener...
...un aspecto blanquecino, tienen un color anaranjado.
Para evitar las interferencias producidas por el acenactileno...
...es necesario elegir una longitud de onda de medida...
...en la que el monómero no absorba y el copolímero sea lo más alto.
No se debe trabajar en una zona del espectro...
...que presente una pendiente muy pronunciada.
La concentración de acenactileno se determina por interpolación...
...en la recta de calibrado.
Con la concentración del copolímero se puede obtener la concentración.
Se tienen los datos suficientes para determinar la fracción molar...
...de acenactileno en el copolímero.
La fracción molar del comonómero uno en cada copolímero...
...se calcula como cociente de la concentración molar...
...de las unidades monoméricas del comonómero uno...
...y la suma de las concentraciones de las unidades monoméricas.
La estructura de los copolímeros...
...depende de las razones de reactividad de sus comonómeros.
Cuando las razones de reactividad son más grandes que uno...
...se sintetiza un copolímero en bloques.
Si valen cero, se obtiene un copolímero alternante.
Las razones de reactividad con valores intermedios...
...determinan longitudes de secuencia de los dos comonómeros.
Las razones de reactividad R1 y R2...
...se calculan a partir de la proporción de cada comonómero...
...en la mezcla de reacción, representadas por F...
...y en el copolímero, representadas por F...
...utilizando expresiones de la ecuación del copolímero.
(Música)
La representación de los pares de valores obtenidos con F2...
...y F2 de varios copolímeros...
...perfila una recta cuya ordenada en el origen coincide con R1...
...y cuya pendiente es R2.
(Música)
La espectrofotometría...
...está en la investigación de problemas relacionados...
...con la caracterización de polímeros.
Cuando se tienen mezclas de dos polímeros conocidos...
...y uno de ellos presenta un cromóforo...
...se puede calcular el porcentaje de cada uno...
...con la ley de Lambert-Biert y el mismo método...
...que el antes descrito para los copolímeros.
(Música)
Cuando hay cambios significativos en el espectro de absorción...
...estas pueden estudiarse por espectrofotometría ultravioleta.
Se aprovecha la formación de complejos
de elementos e iones con tintes...
...para analíticamente determinar su presencia.
La formación de complejos y los espectros asociados...
...proporcionan información sobre la estequiometría...
...y a veces es posible obtener su constante de asociación.
Existen técnicas analíticas que necesitan un detector de concentración.
Por ejemplo, los cromatógrafos.
En particular, la cromatografía por exclusión de tamaños de polímeros.
Uno de los detectores de concentración más usados...
...es el basado en la absorción correspondiente a la zona ultravioleta.
Para ello, el analito debe tener cromóforos que absorban en esta zona.
Cuando en una reacción química uno más cromóforos cambian su entorno...
...se determina la función de la mezcla reactiva a lo largo del tiempo.
Es frecuente que todos los espectros tengan un punto común...
...que se conoce como punto isosbéstico.
Del análisis de la variación temporal de los espectros de absorción...
...se puede obtener la estequiometría de la reacción...
...y la constante de velocidad.
La absorción de luz determina el color de los objetos.
Si la luz blanca atraviesa un cuerpo...
...y absorbe luz de un intervalo de longitudes de onda...
...la luz emergente está coloreada y su color es el complementario.
Si se mezclan dos sustancias de colores complementarios...
...absorben toda la luz blanca y darán una mezcla de color negro.
Igualmente, algunos cuerpos opacos coloreados...
...absorben en su superficie y en las primeras capas de material...
...que se ve en la luz espectral y reflejan el color complementario.
Sin embargo, muchas sustancias en polvo son blancas...
...porque cuando las partículas son pequeñas...
...toda la luz incidente es reflejada por la superficie específica...
...antes de que penetre en las primeras capas de material.
El hielo o un cristal coloreado son buenos ejemplos de esto.
En bloques son transparentes...
...pero cuando están finamente pulverizados son blancos.
En todos estos casos, el color es sustractivo.
Es consecuencia de la sustracción de parte de la luz incidente.
Algunos cromóforos reemiten la luz absorbida...
...en forma de fluorescencia o fosforescencia.
Esta líquida suma su color al de la
luz emergente que no ha sido absorbida.
Estos colores aditivos pueden dar luz casi blanca.
Todos estos efectos cromáticos embellecen nuestro entorno...
...ya sea natural o creado por el ser humano.
[Música de cierre]