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Estudio de los espectros de radiación electromagnética emitida o absorbida por una sustancia.
La espectroscopia es de gran importancia en el análisis químico y la astrofísica, ya que ayuda a determinar la composición química de una sustancia desconocida.
Isaac Newton es generalmente considerado el fundador de la espectroscopia, porque fue el primero en comprender que el espectro de luz blanca obtenido por un prisma (la descomposición de la luz blanca en rayos de luz de diferentes colores) se debe a la naturaleza de la luz y no la del prisma (1666).
1. Principio de la espectroscopia
1.1. espectroscopia atómica
Cuando un átomo es excitado por un suministro externo de energía (energía térmica, radiación electromagnética, bombardeo de neutrones, etc.), los electrones de la capa externa de este átomo pueden pasar de un estado energético mimetro en un estado de mayor energía mino − estados mimetro y mino sólo puede tomar una secuencia discontinua de valores, de acuerdo con la teoría cuántica. Estos electrones luego pasan a un nivel superior inestable, más alejado del núcleo, luego tienden a regresar a su nivel inicial mediante una transición durante la cual emiten un fotón de energía. mi definido por la relación:
| mino – mimetro | = hνNuevo Méjico = hc / λNuevo Méjico
o h es la constante de Planck (h = 6,63 × 10−34 Js), contra la velocidad de la luz (contra = 3,00 × 108 Sra−1), λNuevo Méjico y vNuevo Méjico respectivamente la longitud de onda y la frecuencia de la radiación asociada con el fotón.
La emisión o absorción de un fotón se produce a energías muy específicas: así, cada transición de energía corresponde a la emisión de una radiación de determinada frecuencia, en forma de línea luminosa situada en el campo del visible, infrarrojo o ultravioleta. Por lo tanto, cada elemento químico genera un espectro de emisión o líneas de absorción específicas, que se pueden comparar con su «huella digital». Esta propiedad fue descubierta en 1859 por el físico Gustav Kirchhoff y el químico Robert Bunsen.
Además, el hecho de que un átomo solo pueda absorber radiación si es capaz de emitir un fotón de la misma energía, explica que las líneas negras del espectro de absorción de un elemento tengan exactamente la misma longitud de onda que las líneas coloreadas de su espectro de emisión ( ver el ejemplo de los espectros de emisión y absorción del mercurio).
1.2. espectroscopia molecular
Al igual que los átomos, las moléculas tienen niveles de energía discretos (que solo pueden tomar ciertos valores). Pero además de los niveles de energía asociados a los electrones de los átomos que las constituyen, las moléculas tienen niveles de energía correspondientes a sus energías de rotación y vibración. Por lo tanto, un espectro molecular es mucho más complejo que un espectro atómico. Generalmente observamos grupos de líneas características llamadas bandas y los espectros moleculares a menudo se denominan espectros de banda.
1.3. Espectroscopia infrarroja (IR)
Este tipo de espectros de banda se observa especialmente en la espectroscopia infrarroja (IR): cuando la radiación de luz atraviesa una muestra de materia, ciertos enlaces moleculares absorben energía de vibración; luego se observa la radiación faltante, después de que la luz ha pasado a través de la muestra, en el rango infrarrojo.
En la práctica, en un espectro IR, analizamos la transmitancia T (porcentaje de la intensidad de la radiación transmitida respecto a la intensidad de la radiación inicial) en función del número de ondas σ (en centímetros–1inversa de la longitud de onda: σ = 1/λ). Por lo tanto, un valle en la transmitancia corresponde a un pico en la absorbancia.
Por lo tanto, buscamos en el espectro la presencia de bandas características de ciertos enlaces, que brindan información sobre la(s) función(es) orgánica(s) presente(s) en la muestra analizada (→ química orgánica El análisis de espectro se realiza utilizando tablas que enumeran los rangos de absorción de los principales cautiverio.
1.4. Espectroscopia ultravioleta-visible
En la espectroscopia ultravioleta (UV)-visible – que se refiere a la absorción de energía electromagnética para la radiación perteneciente al rango visible (400-800 nm) y ultravioleta (100-400 nm) –, las propiedades de absorción de soluciones líquidas para conocer su composición química composición. Primero, la sustancia a analizar se disuelve en un solvente y la solución obtenida se vierte en un tanque destinado a ser colocado en el espectroscopio.
Luego definimos elabsorbancia : EN = – registro(T) = – registro(I / I0 )
con T los transmitancia : T = I / I0 ;
Ila intensidad de la luz medida después de pasar por la solución;
I0la intensidad de la luz de referencia, determinada durante la calibración del dispositivo.
La absorbancia es tanto proporcional a la longitud del tanque como a la concentración de las especies coloreadas. Establecemos así la Ley de Beer-Lambert :
EN = ∊(λ) × I × contra
con ∊(λ)el coeficiente de extinción molar en L mol– 1 cm– 1 ; I la longitud del tanque en cm; contrala concentración de las especies coloreadas en mol L– 1 ; ENla absorbancia sin unidades.
Se observará que la ley de Beer-Lambert sólo es aplicable si la concentración de las soluciones es baja. Más allá de cierta concentración, la absorbancia ya no es proporcional a la concentración y la ley ya no es aplicable.
Además, un espectro UV-visible siempre tiene una longitud de onda (λmáximo) para el cual la absorbancia es máxima (ENmáximo). Por lo tanto, lmáximo constituye una cantidad característica específica de cada especie química que luego es fácil de identificar en solución.
2. Instrumentos
Hay diferentes tipos de dispositivos utilizados en espectroscopia:
• el espectroscopio de prisma: Inventado en 1859 por el alemán Gustav Kirchhoff, incluye una rendija que deja pasar los rayos de una fuente de luz, un prisma, varias lentes y un ocular. Al colocar la muestra a analizar justo antes del prisma, se observan una serie de líneas negras correspondientes a las longitudes de onda absorbidas por la sustancia estudiada;
• el espectroscopio de rejilla de difracción: la dispersión de la luz se realiza mediante una rejilla de difracción (generalmente un espejo en el que se han grabado líneas paralelas) que es más eficiente que un simple prisma. Fue desarrollado en 1814 por el físico alemán Joseph von Fraunhofer;
• el espectrógrafo: espectroscopio cuyo visor es reemplazado por una cámara. En el caso del espectro del Sol producido por un espectrógrafo, las líneas negras son líneas de absorción: se deben a la absorción de radiación por parte de los elementos presentes en la atmósfera del Sol. El estudio de estas líneas permite así a los científicos identificar los elementos constitutivos de las estructuras solares. Por ejemplo, las líneas negras en amarillo indican la presencia de sodio;
• el espectrofotómetro: se utiliza para comparar la distribución espectral de una sustancia desconocida con la de un elemento químico estándar.
3. Aplicaciones de la espectroscopia
El análisis de espectros interviene principalmente en el análisis químico y en la astrofísica.
3.1. Análisis químico
La espectroscopia se usa comúnmente en el análisis químico para determinar la presencia o ausencia de un elemento químico en particular. Según la naturaleza de la muestra a analizar, se utilizan diferentes métodos que proporcionan diferentes tipos de espectros para caracterizar los elementos químicos buscados: espectros de emisión atómica (espectro de líneas finas de color) o espectros de absorción (espectro estriado continuo de líneas negras finas), Espectros de rayos X y rayos γ (utilizados en particular por la policía científica para identificar cantidades muy pequeñas de elementos químicos en una muestra).
Además, se utilizan otras técnicas espectroscópicas para determinar la estructura de las moléculas orgánicas:
– la espectroscopia Raman, descubierta en 1928 por el físico indio Sir Chandrasekhara Venkata Raman, que permite detectar determinados grupos de átomos en una molécula y especificar su configuración;
– resonancia magnética nuclear (RMN), que es la base de la formación de imágenes por resonancia magnética (IRM), una técnica médica de formación de imágenes utilizada para obtener vistas bidimensionales o tridimensionales del interior de un cuerpo;
– resonancia paramagnética electrónica (EPR) o resonancia de espín de electrones (ESR), que se utiliza en particular para el análisis de materiales y en la datación arqueológica.
3.2. Astrofísica
La espectroscopia es una técnica fundamental en astrofísica, ya que permite determinar la composición química de las estrellas, pero también la velocidad, la temperatura y la naturaleza de las estrellas.
De hecho, la observación de estrellas, planetas y sus satélites mediante espectroscopios proporciona información valiosa sobre la naturaleza de los elementos químicos que los componen. Así fue como, por ejemplo, se descubrió en el Sol el elemento helio, incluso antes de que se detectara en la Tierra (de ahí el nombre “helio” que proviene del griego helios» Sol «).
Además, cuando una estrella (o más generalmente una fuente de radiación) se acerca o se aleja de un observador, se observa un desplazamiento de la posición de las líneas espectrales. Este cambio en las longitudes de onda, conocido como efecto Doppler, proporciona un valor relativamente preciso de la velocidad relativa de la estrella. Un desplazamiento hacia el rojo de las líneas espectrales de una estrella indica que ésta se aleja de la Tierra. Por el contrario, si la estrella se acerca a la Tierra, el espectro se desplaza hacia el azul. La observación de estos desplazamientos de líneas en los espectros de las galaxias ha permitido probar que el Universo se está expandiendo (fenómeno cosmológico predicho por Georges Lemaître ya en 1927 y demostrado por Edwin Hubble en 1929).
