Espectroscopia de emision I
- 1. UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS LABORATORIO DE QUIMICA ANALITICA INSTRUMENTAL II Práctica #1 1. TÍTULO: ESPECTROSCOPIA DE EMISIÓN I 1.1 OBJETIVOS: Examinar y operar el espectroscopio de Bunsen. Observar espectros continuos y espectros de líneas. Manejar tablas de información espectroscópica. Conocer y manejar un espectrofotómetro de emisión Analizar la concentración de K en varias muestras. 1.2 TEORÍA 1.2.1 Fundamento Los elementos químicos tienen la propiedad de emitir espectros de líneas características cuando se someten a diferentes formas de excitación (llama, arco, chispa, descarga). Estas líneas de emisión son útiles para fines analíticos ya que a medida que aumenta la concentración de dichos elementos, la intensidad de sus líneas de emisión también aumenta, por lo tanto podemos construir curvas de calibración para estos elementos como E vs C. 1.2.2 Consulta Fundamento de la emisión atómica Los átomos al ser excitados por una fuente de energía de alta temperaturapasan a niveles de energía altos y pueden caer a niveles menores emitiendo radiación, esta emisión de luz es comúnmente llamada emisión atómica u óptica (espectroscopia de emisión atómica) (Scribd.com, 2009). 1 Emisión atómica (González Pérez) La espectroscopia de emisión atómica (AES) utiliza la medición cuantitativa de la emisión óptica deátomos excitados para determinar la concentración de la sustancia analizable. Los átomos del analíto enla solución son aspirados en la región de excitación donde son disueltos, vaporizados y atomizados por una llama, descarga o plasma. Estas fuentes de atomización a altas temperaturas proveen energíasuficiente para promover los átomos a niveles de energía altos. Los átomos vuelven a niveles más bajoemitiendo luz(Scribd.com, 2009). La espectroscopia de emisión por llama (FES), se aplica en el análisis cuantitativo y cualitativo elemental de metales y metaloides, en especial en la determinación de sodio, potasio, litio y calcio en fluidos biológicos y tejidos(Scribd.com, 2009).
- 2. Espectros de bandas, continuos y discretos Espectros de bandas Estos espectros presentan bandas aisladas separadas por regiones de oscuridad, no son continuas, sino que están formadas por líneas muy juntas que pueden resolverse por espectroscopia de alta resolución. Los espectros de bandas están asociados a las rotaciones y vibraciones de las moléculas, que se excitan al absorber la radiación electromagnética en determinados intervalos de longitud de onda. Los espectros de bandas son característicos de moléculas aisladas, tanto en fase gaseosa como en disolución(González Arias). Espectros continuos Un especio continuo se caracteriza por: Una emisión ininterrumpida en una región de longitudes de onda considerable. La ausencia de líneas agudas o de bandas discretas. Los espectros continuos son emitidos por sólidos incandescentes, que emiten radiación de cuerpo negro (emisión de luz visible cuando la temperatura de un metal o de una cerámica se eleva por encima de los 800 °C) la cual depende principalmente de la temperatura y no de la composición química del emisor. Un cuerpo negro es un cuerpo imaginario capaz de absorber toda la radiación incidente. Por consiguiente, un espectro continuo no es útil para el análisis espectroquímico y se elimina por volatilización de la muestra antes de la excitación.(Olsen, 1999, pág. 261). No obstante, a pesar de ser continuo, la distribución de intensidades usualmente varía de una fuente a otra. Los espectros continuos se originan por la interacción interatómica causada por la alta temperatura, que origina radiación en todas las frecuencias(González Arias). Espectros discretos Cuando se refiere a un espectro discreto,esto quiere decir que está formado de varios puntos separados en lugar de una forma continua. El espectro está compuesto por líneas de emisión o líneas espectrales, cada línea se produce cuando un electrón cambia de órbita. Si absorbe un fotón, se hace más energético y salta a un nivel superior (y tenemos una línea de absorción) y cuando vuelve al reposo, desciende a un nivel inferior y emite un fotón (y tendremos líneas de emisión).(Nebrija, 2005, pág. 13 y17) Tipos de compuestos químicos que forman las diferentes clases de espectros Espectros continuos: emitido por sólidos y líquidos incandescentes. También con los líquidos y sólidos, cuyos átomos están muy próximos entre sí. Ejemplo:
- 3. El espectro de la luz solar contiene una gama continua de longitudes de onda, su espectro es continuo(Nebrija, 2005). Espectros discretos: emitido por fuentes con únicamente elementos químicos puros, gases y elementos individuales. Ejemplo: El espectro de un átomo de Hidrógeno en estado gaseoso(Nebrija, 2005). Valores normales de los principales cationes en el agua potable Limitaciones de las mediciones cuantitativas por fotometría de emisión de llama 1. El equipo es relativamente caro y en especial los instrumentos grandes que serequieren en análisis de elementos pesados o muestras muy complejas. 2. La precisión y la exactitud están limitadas a un 5%, por lo que, a menudo, latécnica resulta no competitiva con otros métodos. 3. La muestra (aunque muy pequeña) se destruye durante el proceso analítico. 4. El método se limita al análisis de elementos(Olsen, 1999). 1.3 METODOLOGÍA 1 .3.1 Materiales y reactivos Espectroscopio de Bunsen Espectrofotómetro de emisión atómica (Flapho 4 óPerkinElmer AA200) Lámpara de sodio Lámpara de Tungsteno Lámpara fluorescente Soluciones de metales (Sr, Li, K, Ba, Ca). Soluciones patrón de Na y K Agua tipo I Balones volumétricos Tubos Nessler 1.3.2 Procedimiento
- 4. Parte A Observar el espectroscopio de Bunsen, examinar sus partes y su funcionamiento. Encender de la lámpara de sodio y situarla frente a la rendija de entrada del espectroscopio. Buscar la línea amarilla intensa que debe encontrarse alrededor de los 590nm. Ubicar la línea en el centro del ocular y determinar si en la escala de longitudes de onda, se marcan los 589nm, si no coincide la longitud de onda entonces el aparato se halla descalibrado y es necesario volverlo a calibrar según indicaciones. Encender la lámpara de tungsteno y colocarla justo frente a la rendija de entrada del espectroscopio. Observar y anotar las longitudes de onda de los diferentes colores que forman la luz blanca. Hacer un gráfico. Observar con la lámpara de mercurio en la rendija lateral. Encender la lámpara fluorescente y ubicarla frente a la rendija de entrada, observar y anotar. Introducir las diferentes soluciones en el quemador del fotómetro de llama y observar laintensidad de las líneas de emisión del elemento químico. Parte B Soluciones stock: A partir de reactivos KCI químicamente puros, preparar soluciones de 1000 ppm K (para todas éstas soluciones utilizar agua tipo I) A partir de la solución stock preparar las soluciones de la siguiente tabla: Tabla 1-1 Soluciones estándar de cloruro de sodio y cloruro de potasio. K (ppm) Na (ppm) 0,00 0.00 0,50 0.20 0,75 0.40 1.00 0.60 1.50 0.80 2.00 1.00 Leer el porcentaje de Emisión, de cada estándar según indicaciones del ayudante y posteriormente leer los valores de emisión de cada muestra. Muestras a analizar: Agua envasada Marca Uniagua Con los valores de emisión obtenidos para los estándares preparar una curva de calibración (%E vs C) e interpolar el valor de las muestras. Tabla 1-2 Preparación de la curva de calibración para el K+ y Na+. V1 (ml) V2 (ml) K+ (ppm) 0.0 100 0.00 1.0 100 0.50 1.5 100 0.75 2.0 100 1.00 3.0 100 1.50
- 5. 4.0 100 2.00 Tabla 1-3 Preparación de la curva de calibración para el Na. V1(ml) V2 (ml) Na+ (ppm) 0 50 0.0 2 50 0.2 4 50 0.4 6 50 0.6 8 50 0.8 10 50 1.0 1.4 TABLAS DE DATOS 1.4.1 Espectro continúo de una lámpara de tungsteno 1.4.2 Espectro de líneas emitido por una lámpara de sodio. Longitud de onda Color de la línea Intensidad (débil, media, intensa) 589 Amarilla Débil 568 Verde Débil COLOR Rangodeλaprox. Rojo 740 Anaranjado 625 Amarillo 590 Verde 565 Azul 500 Violeta 435
- 6. 1.4.3 Espectro de una lámpara fluorescente Longitud de onda A Color de línea Intensidad (débil, media, intensa 583 Blanca Media 581 Blanca Amarilla Media 549 Verde Fosforescente Media 437 Azul Media 1.4.4Espectro de una lámpara de Mercurio Longitud de onda Color de la línea Intensidad (débil, media, intensa) 404.7 Violeta Media 435.8 Azul Intensa 546.1 Verde Intensa 579 Amarillo Débil 1.4.5 Espectro de las líneas de varios elementos químicos
- 7. Tabla 1-3 Valores de tablas de emisión de soluciones estándar de KCl. St Concentración (ppm) Emisión (leída) Emisión (ajustada) 0 0.0 31 -1034.21 1 0.5 4524 5735.73 2 0.75 8360 9120.69 3 1.00 13534 12505.66 4 1.50 18495 19275.60 5 2.00 26705 26045.53 Muestra 0.096 K+ λ = 766.5 nm Tabla 1-3 Valores de tablas de emisión de soluciones estándar de NaCl.
- 8. St Concentración (ppm) Emisión (leída) Emisión (ajustada) 0 0.0 139 2022.28 1 0.2 9901 7869.16 2 0.4 13863 13716.05 3 0.8 26258 25409.81 4 1.0 30113 31256.70 Muestra 6824 Na+ λ = 589.6 nm 1.5 CÁLCULO Y RESULTADOS: Solución patrón (500 ppm K+) diluida en agua: Solución patrón (500 ppm Na+) diluida en agua: Pesar 0.0954 gKCL 100 ml 5 ml 50 ml C = 500 ppm K+ C= 50 ppm K+ Pesar 0.1272 gNaCL 100 ml 5 ml 50 ml C = 500 ppm Na+ C= 50 ppm Na+ 5 ml 50 ml C= 5 ppm Na +
- 9. Preparación de Estándares V1= (0.50ppm*100ml)/50ppm =1.0ml V1= (0.75ppm*100ml)/50ppm =1.5 ml V1= (1.00ppm*100ml)/50ppm = 2.0ml V1= (1.50ppm*100ml)/50ppm = 3.0ml V1= (2.00ppm*100ml)/50ppm = 4.0ml St V1 (ml) V2 (ml) K+ (ppm) 0 0.0 100 0.00 1 1.0 100 0.50 2 1.5 100 0.75 3 2.0 100 1.00 4 3.0 100 1.50 5 4.0 100 2.00 St V1(ml) V2 (ml) Na+ (ppm) 0 0 50 0.0 1 2 50 0.2 2 4 50 0.4 3 6 50 0.6 4 8 50 0.8 5 10 50 1.0 Ajuste de los datos experimentales obtenidos a rectas del tipo y = a + bx Para el K+: St Concentración (ppm) Emisión (leída) 0 0.0 31 1 0.5 4524 2 0.75 8360 3 1.00 13534 4 1.50 18495 5 2.00 26705 Muestra 0.096 265.62
- 10. a= Intersección con el eje -1034.208163 b=Pendiente 13539.86939 r=Coef de relación 0.98883378 Curva de Calibración para el K+: Concentración de la muestra: 0.096 mg/L Factor de dilución de la muestra Agua Uniagua ; Dilución 5:50 C = 0.96 mg/L Partes por millón de Potasio Porcentaje de Potasio meq/10ml de potasio y = 13540x - 1034. R² = 0.988 -5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Señal Concentración Señal vs Conc Señal vs Conc Señal vs Conc
- 11. Kg/m3 de Potasio ppmKCl %P/V KCl meq/10ml de KCl Kg/m3KCl ppm K2SO4 %P/V K2SO4 Kg/m3 K2SO4
- 12. meq/10ml de K2SO4 Curva de Calibración para el Na+: St Concentración (ppm) Emisión (leída) 0 0.0 139 1 0.2 9901 2 0.4 13863 3 0.8 26258 4 1.0 30113 Muestra 0.16 6824 a= Intersección con el eje 2022.27907 b=Pendiente 29234.4186 r=Coef de relación 0.98373136 Concentración de la muestra: 0.16 mg/L Factor de dilución de la muestra Agua Uniagua ; Dilución 5:50 por dos disoluciones C = 3.2 mg/L y = 29234x + 2022. R² = 0.983 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Señal Comcentración Señal vs Conc. Señal vs Conc. Señal vs Conc.
- 13. Uniagua Uniagua ppm K 0.96 ppm Na+ 3.2 %P/V K+ 0.000096 %P/V Na+ 0.000032 meq/10ml K+ 0.2456 meq/10ml Na+ 1.39 Kg/m3 K+ 0.00096 Kg/m3 Na+ 0.0032 ppm KCl 1.832 ppm NaCl 8.14 %P/V KCl 0.0001832 %P/V NaCl 0.000814 meq/10ml KCl 0.246 meq/10ml NaCl 1.39 Kg/m3KCl 0.001832 Kg/m3NaCl 0.0032 ppm K2SO4 2.14 ppm Na2SO4 9.88 %P/V K2SO4 0.000477 %P/V Na2SO4 0.00304 meq/10ml K2SO4 0.246 meq/10ml Na2SO4 1.392 Kg/m3 K2SO4 0.00214 Kg/m3 Na2SO4 0.00988 Calcular los límites de detección, sensibilidad de calibración, desviación estándar, límite de confianza Para el potasio Y Ycorregido (ni-nc) (ni-nc)^2 31 -1034.21 1065.21 1134672.34 4524 5735.73 -1211.73 1468289.59 8360 9120.69 -760.69 578649.28 13534 12505.66 1028.34 1057483.16 18495 19275.60 -780.6 609336.36 26705 26045.53 659.47 434900.68 SUMA 5283331.41 Desviación 1327.06837 LC 0.98011904 LD 0,29403571 Límite de detección LD=0.2940 ppm K Límite de cuantificación
- 14. LC=0.9801 ppm K Para el sodio Y Ycorregido (ni-nc) (ni-nc)^2 139 2022.28 -1883.28 3546743.56 9901 7869.16 2031.84 4128373.79 13863 13716.05 146.95 21594.3025 26258 25409.81 848.19 719426.276 30113 31256.70 -1143.7 13080449.69 SUMA 9724187.61 Desviación 1800.3877 LC 0.61584522 LD 0,18475357 Límite de detección LD=0.1847 ppm Na Límite de cuantificación LC=0.6158 ppm Na 1.5 CUESTIONARIO: 1. Consulte las tablas de emisión e incluya el cuadro con las líneas de emisión más intensas de los elementos analizados
- 15. Potasio 2. Haga un diagrama con los niveles orbitales de sodio que explique el origen de sus principales líneas de emisión 3. ¿Para cuál de los dos elementos es el mejor método y por qué? Para el sodio porque tiene concentraciones más altas y es mucho más detectable en comparación con el potasio.
- 16. 1.6 DISCUSIONES: El límite de detección fue de 0.2940 K+, es la mínima concentración de K+ que pudo ser detectada por el equipo de emisión atómica, de igual forma el límite de detección para el sodio fue de 0.1847 Na+. El límite de cuantificación fue de K+, es la cantidad más pequeña de K+ presente en los estándares preparados que fue determinada cuantitativamente con exactitud por el método de emisión atómica, de igual forma el límite de cuantificación para el sodio fue de 0.6158 Na+. Si se pudo realizar la cuantificación de K+ debido a que el LC es mayor al LD. En la práctica se requería obtener concentraciones pequeñas (0.5; 0.75; 1.0, 1.5y 2.0) para ello se partió de una solución madre de 500ppmK+, de la cual se realizó una dilución 5:50 obteniéndose una solución de 50ppm K+, con la cual se prepararon los estándares necesarios para la curva de calibración. A diferencia que en la preparación del sodio se realizó dos disoluciones 5:50 obteniéndose una solución de 5 ppm Na+, para preparar los estándares del sodio. El espectro de emisión atómica de un elemento es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento, en estado gaseoso, cuando se le comunica energía. El espectro de emisión de cada elemento es único y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte de un compuesto desconocido. 1.7 CONCLUSIONES: En el espectroscopio original de Bunsen, un primer objetivo conduce luz emitida por la llama del mechero "Bunsen" hasta un prisma, que produce la separación de los diversos colores. Un brazo, situado después del prisma, contiene una escala graduada sobre vidrio, colocada de forma que su imagen se refleja sobre una de las caras del prisma y se dirige hacia otro objetivo. Gracias a este diseño, el observador puede contemplar a través del tercer objetivo dos imágenes superpuestas: la de la escala graduada y la procedente de la muestra con las líneas espectrales. Para analizar dichas líneas se calibra el instrumento mediante líneas producidas por algunas sustancias cuyo espectro es conocido, en este caso utilizamos el sodio ya que muestra que cada átomo produce un espectro de emisión y otro de absorción, que son característicos y discontinuos. En el análisis de la lámpara de sodio, con el espectroscopio de Bunsen se observó dos bandas una de color amarillo muy fuertes y claras. En el análisis de la lámpara de mercurio, con el espectroscopio de Bunsen se observó cuatro bandas de coloración, blanca, amarilla, verde fosforescente y roja, con una intensidad media. En el análisis de la lámpara fluorescente, con el espectroscopio de Bunsen se observó seis bandas de coloración, blanca amarillenta, amarilla, verde fosforescente, verde azulado, celeste, y roja, con una intensidad media. Tanto en la lámpara de sodio, lámpara fluorescente como en la de mercurio se observaron espectros de líneas muy claras. En la espectroscopia de emisión, son los electrones de valencia de los elementos los que se excitan, para dar lugar a espectros atómicos formados por picos bien definidos y estrechos, empleándose como líneas analíticas las líneas últimas o de referencia. Existen varias fuentes de excitación utilizadas en la espectroscopia de emisión atómica entre ellas se encuentran: la llama, el arco eléctrico de corriente alterna (c-a), el arco eléctrico de corriente directa (c-d), y la chispa eléctrica. Cada uno
- 17. tiene ventajas y aplicaciones especiales. Sin embargo, la función de cada unidad de excitación es que la muestra se vaporice y excitar los electrones en los átomos vaporizados a niveles de energía superiores. Un espectro de emisión atómica es generado cuando se produce una excitación en un sistema atómico y/o molecular, ya que el sistema puede emitir radiación al decaer desde los estados más excitados hasta los de más baja energía. El coeficiente de correlación mide el grado de intensidad de la relación entre las variables, este coeficiente se aplica cuando la relación que puede existir entre las variables es lineal, así nuestra curva de calibración para el potasio tiene un coeficiente de correlación de 0.9888 y para el sodio el coeficiente de correlación es de 0.9837, es decir que tienen una correlación positiva fuerte y directa, que no afecta mucho en los cálculos, pero si se ve una ligera variación en estos. Con los datos experimentales se obtuvieron los siguientes resultados: Uniagua (F.D.=10) ppm K+ 0.96 Uniagua (F.D.=20) ppm Na+ 3.20 1.8 BIBLIOGRAFIA: 1) González Arias, A. (s.f.). Dpto. Física Aplicada, UH. Recuperado el 19 de Marzo de 2013, de Dpto. Física Aplicada, UH: http://www.fisica.uh.cu/bibvirtual/fisica_aplicada/fisica1y2/fisica2/pdf/cap8.pdf 2) González Pérez, C. (s.f.). Métodos atómicos de emisión. Recuperado el 18 de Marzo de 2013, de Métodos atómicos de emisión: http://ocw.usal.es/ciencias- experimentales/analisis-aplicado-a-la-ingenieria- quimica/contenidos/course_files/Tema_6.pdf 3) Nebrija, e. (2005). Física Aplicada. Recuperado el 19 de Marzo de 2013, de Física Aplicada: http://www.nebrija.es/~cmalagon/Fisica_Aplicada/transparencias/05- Luz/17_-_luz.pdf 4) Olsen, E. D. (1999). Métodos Óptinos de Análisis. En E. D. Olsen, Métodos Óptinos de Análisis (pág. 261). Barcelona: REVERTÉ S.A. 5) Scribd.com. (16 de Agosto de 2009). Recuperado el 18 de Marzo de 2013, de Scribd.com: http://es.scribd.com/doc/18665768/ESPECTROSCOPIA-DE-EMISION 6) Schrenk, W.G. Applied Spectroscopy. 40 (1), XIX, 1986. 7) Slavin, M. Atomic Absorption Spectroscopy. John Wiley & Sons, New York. 1978. 8) Van Loon, J.C. Analytical Atomic Absorption Spectroscopy. Academic Press, New York. 1980. 9) Welz, B. Atom-Absorptions Spektroskopie. VerlagChemie, Weinheim. 1983.