Espectroscopia de absorción para niños
La espectroscopía de absorción es un conjunto de técnicas científicas que nos permiten estudiar cómo la luz (o cualquier otra forma de energía radiante) es absorbida por diferentes materiales. Cuando la luz pasa a través de una muestra, algunas de sus "partículas" de energía, llamadas fotones, son absorbidas por las moléculas o átomos de la muestra.
La cantidad de luz que se absorbe cambia según el tipo de luz (su frecuencia o longitud de onda). Esta variación es lo que llamamos el espectro de absorción. Es como la "huella digital" de un material, porque cada sustancia absorbe la luz de una manera única.
Esta técnica es muy útil en la química analítica para saber si una sustancia está presente en una muestra y, en muchos casos, para medir cuánto hay de ella. Por ejemplo, se usa mucho la espectroscopía infrarroja y ultravioleta-visible. También se utiliza para estudiar átomos y moléculas, en la astronomía y para la detección a distancia.
Para medir un espectro de absorción, generalmente se envía un haz de luz a través de una muestra y luego se mide cuánta luz la atraviesa. La energía que pasa se usa para calcular cuánta luz fue absorbida.
Aquí tienes algunos tipos principales de espectroscopía de absorción, según el tipo de radiación que se usa:
| No | Radiación electromagnética | Tipo espectroscópico |
|---|---|---|
| 1 | Rayos X | Espectroscopía de absorción de rayos X |
| 2 | Ultravioleta: visible | Espectroscopía de absorción UV-vis |
| 3 | Infrarrojo | Espectroscopía de absorción de infrarrojos |
| 4 | Microonda | Espectroscopía de absorción de microondas |
| 5 | Onda de radio | Espectroscopía de resonancia de espín electrónico
Resonancia magnética nuclear espectroscópica |
Contenido
¿Qué es un espectro de absorción?
El espectro de absorción de un material nos muestra qué parte de la luz que le llega es absorbida en diferentes frecuencias. Este espectro depende principalmente de cómo están formados los átomos y las moléculas del material.
La luz se absorbe más fácilmente en aquellas frecuencias que coinciden con la energía necesaria para que las moléculas cambien de estado. Cuando esto ocurre, se forma lo que llamamos una línea de absorción. Un espectro suele tener muchas de estas líneas.
Las frecuencias donde aparecen estas líneas y su intensidad nos dan mucha información sobre la estructura electrónica y molecular de la muestra. También pueden verse afectadas por el ambiente, como la temperatura, la presión o si el material es un cristal.
¿Cómo se relaciona con otros espectros?
Espectro de transmisión
El espectro de absorción y el espectro de transmisión nos dan información similar. El espectro de transmisión muestra cuánta luz pasa a través de la muestra. Donde la absorción es más fuerte, la transmisión es más débil, y viceversa.
Espectro de emisión
La emisión es cuando una sustancia libera energía en forma de luz. Esto puede ocurrir en las mismas frecuencias donde hay absorción. Aunque los patrones de intensidad son diferentes, podemos usar la información de un espectro de emisión para entender el espectro de absorción.
¿Para qué se usa la espectroscopía de absorción?
La espectroscopía de absorción es muy útil en la química analítica porque es muy específica y permite medir cantidades. Su especificidad permite distinguir diferentes compuestos en una mezcla. Por ejemplo, los analizadores de gases infrarrojos pueden identificar contaminantes en el aire, diferenciándolos del nitrógeno, oxígeno y otros gases.
También se puede usar para identificar sustancias desconocidas comparando su espectro con una base de datos de espectros conocidos. Incluso si no se encuentra una coincidencia exacta, los espectros infrarrojos, por ejemplo, tienen "bandas" características que indican la presencia de ciertos enlaces químicos, como los de carbono-hidrógeno.
Además, la cantidad de material presente en una muestra se puede calcular usando una regla llamada ley de Beer-Lambert. Para esto, se necesita conocer el coeficiente de absorción de la sustancia, que a veces se encuentra en tablas o se mide con muestras de concentración conocida.
Sensores remotos: ¿Cómo funciona a distancia?
Una gran ventaja de la espectroscopía es que se pueden hacer mediciones sin tocar la muestra. La luz que viaja entre la muestra y el instrumento lleva la información espectral, lo que permite medir a distancia. Esto es muy valioso en situaciones donde la muestra es peligrosa o tóxica, o cuando no queremos contaminarla.
Sin embargo, medir a distancia tiene sus desafíos. El espacio entre la muestra y el instrumento también puede absorber luz, lo que puede confundir la medición. Además, la fuente de luz a menudo es natural (como la luz del sol), y hay que asegurarse de que los cambios en la luz se deban a la muestra y no a la fuente.
Astronomía: Estudiando el universo
La espectroscopia astronómica es un tipo muy importante de detección a distancia. Los objetos en el espacio están tan lejos que la luz es la única forma de estudiarlos. Los espectros de los objetos celestes contienen información tanto de emisión como de absorción.
La espectroscopía de absorción ha sido clave para entender las nubes interestelares y descubrir que algunas de ellas contienen moléculas. También se usa para estudiar planetas fuera de nuestro sistema solar. Cuando un planeta gigante pasa frente a su estrella (un "tránsito"), la luz de la estrella atraviesa la atmósfera del planeta. Al analizar el espectro de absorción de esa luz, podemos saber de qué está hecha la atmósfera del planeta, su temperatura y presión.
Física atómica y molecular: Entendiendo la materia
Los modelos teóricos, especialmente los de la Mecánica cuántica, nos permiten relacionar los espectros de absorción de átomos y moléculas con otras propiedades físicas, como su estructura electrónica, su masa atómica o molecular y su geometría molecular. Así, las mediciones de espectros de absorción se usan para determinar estas propiedades. Por ejemplo, la espectroscopía de microondas permite medir con mucha precisión las distancias y ángulos entre los átomos en una molécula.
¿Cómo se realizan los experimentos?
El enfoque básico
La forma más sencilla de hacer espectroscopía de absorción es usar una fuente de luz, un detector y la muestra. Primero, se mide la luz de la fuente sin la muestra (esto es el "espectro de referencia"). Luego, se coloca la muestra entre la fuente y el detector y se mide la luz que la atraviesa. Comparando estas dos mediciones, podemos saber cuánto absorbió la muestra.
Se usan muchas fuentes de luz diferentes para cubrir todo el espectro electromagnético. Lo ideal es que la fuente emita luz en un rango amplio de longitudes de onda para poder medir una gran parte del espectro de absorción. Algunas fuentes, como las lámparas de mercurio o la Radiación de sincrotrón, ya emiten un espectro amplio. Otras, como los láseres, emiten un espectro estrecho, pero se pueden ajustar para cambiar la longitud de onda.
Los detectores también varían según el tipo de luz que se quiere medir. La mayoría de los detectores son sensibles a un rango amplio de luz. Algunos ejemplos son los fotodiodos y los tubos fotomultiplicadores para luz visible y ultravioleta.
Si tanto la fuente como el detector cubren un rango amplio, se necesita un espectrógrafo para separar las diferentes longitudes de onda de la luz y medirlas por separado. También se usa la interferometría, como en la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier.
Es importante elegir los materiales adecuados para la óptica (lentes, espejos) y para el recipiente de la muestra (llamado cubeta o celda). Estos materiales deben absorber muy poca luz en el rango que nos interesa, para que no interfieran con la medición de la muestra. A veces, es necesario hacer la medición en vacío o en un ambiente de gas noble porque los gases de la atmósfera también pueden absorber luz y confundir los resultados.
Otros tipos de espectroscopía de absorción
- Espectroscopía de anillo de cavidad (CRDS)
- Espectrometría de absorción láser (LAS)
- Espectroscopia Mössbauer
- Espectroscopia fotoacústica
- Espectroscopia de fotoemisión
- Microscopía óptica fototérmica
- Espectroscopia fototérmica
- Espectroscopia de reflectancia difusa
- Espectroscopia de absorción de láser de diodo sintonizable (TDLAS)
- Estructura fina de absorción de rayos X (XAFS)
- Absorción de rayos X cerca de la estructura del borde (XANES)
- Espectroscopía de absorción total (TAS)
- Espectroscopía infrarroja de reflexión-absorción (RAIRS)
Galería de imágenes
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Una descripción general de la absorción de radiación electromagnética. Este ejemplo analiza el principio general que utiliza luz visible. Una fuente de haz blanco, que emite luz de múltiples longitudes de onda, se enfoca en una muestra (los pares de colores complementarios se indican mediante líneas de puntos amarillos). Al golpear la muestra, los fotones que coinciden con la brecha de energía de las moléculas presentes (luz verde en este ejemplo) se absorben para excitar la molécula. Otros fotones se transmiten sin verse afectados y, si la radiación está en la región visible (400–700 nm), el color de la muestra es el color complementario de la luz absorbida. Comparando la atenuación de la luz transmitida con la incidente, se puede obtener un espectro de absorción.
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La primera detección directa y análisis químico de la atmósfera de un exoplaneta, en 2001. El sodio en la atmósfera filtra la luz estelar de HD 209458 cuando el planeta gigante pasa frente a la estrella.
Véase también
En inglés: Absorption spectroscopy Facts for Kids
- Absorción (óptica)
- Densitometría
- HITRAN
- Analizador infrarrojo de gases
- Espectroscopia infrarroja de carbonilos metálicos
- Densidad óptica
- Espectroscopia de fotoemisión
- Materiales transparentes
- Absorción de agua
- Células de absorción espectroscópica multipaso
- Espectroscopia de absorción de rayos X
Enlaces externos
