Espectroscopia de fotoelectrones: descripción y aplicaciones

¿Qué es la espectroscopia de fotoelectrones?

Espectroscopía de fotoelectrones. ¿Alguna parte de este término te recuerda algo?

• La foto podría tener que ver con luz, radiación, fotones o tal vez incluso con una imagen de algo.
• Los electrones son las diminutas partículas cargadas negativamente que zumban alrededor del núcleo de un átomo.
• La espectroscopia es cualquier técnica de laboratorio que utiliza radiación para analizar la materia.

¡Junta todos estos términos y tendremos una idea de lo que es la espectroscopia de fotoelectrones!

La espectroscopia de fotoelectrones, generalmente abreviada PES, es una técnica de laboratorio que consiste en disparar un haz de radiación intenso a una muestra de un elemento y medir la energía de los electrones que son expulsados de la muestra. Si bien esta técnica definitivamente suena un poco a ciencia ficción, es muy útil. Los datos de PES se pueden utilizar de diversas formas, desde determinar las configuraciones electrónicas hasta comprender mejor la estructura atómica. Pero más sobre eso más adelante. Por ahora, vayamos al laboratorio y revisemos nuestro instrumento PES.

En este instrumento, un haz de radiación (ya sea ultravioleta o rayos X) se dirige a una muestra de un elemento.

Idealmente, es una muestra pura. La energía de la radiación intensa hace que los electrones de la muestra salgan volando. Estos electrones golpean un detector de electrones que mide la energía cinética de los electrones. La energía cinética es energía en movimiento. Por lo general, se registra en electronvoltios (eV), una unidad que mide la energía de los electrones. Las energías electrónicas se registran y luego se analizan. Al final de la recopilación de datos, los científicos saben dos cosas: la energía de la radiación que ingresa al experimento y la energía cinética de los electrones expulsados. A partir de estos datos, se puede determinar la energía de enlace, o la energía que se necesita para eliminar un electrón de un átomo. La energía de enlace de electrones está muy relacionada con el concepto de energía de ionización, la energía necesaria para eliminar un electrón de un átomo en estado gaseoso. Está bien pensar en la energía de enlace como energía de ionización.

Para hacerlo, usamos la ecuación:

E (fotón) = Energía cinética (KE) + Energía de enlace (BE)

La energía de la radiación es igual a la energía cinética del electrón más la energía de enlace.

La energía de la radiación se puede calcular a partir de la fórmula:

E (fotón) = hv

h = constante de Planck (6.362 x 10 ^ -34 Js)
v = frecuencia de la longitud de onda

Cuando se usa radiación de energía constante, los electrones con energías de enlace más altas se registrarán con menos energía cinética. Los electrones con energías de enlace más bajas se registrarán con más energía cinética. Luego se hace un gráfico de los datos de energía de enlace para elementos individuales.

Gráficas hechas de PES

A menos que esté en cursos de química universitaria de nivel superior, los gráficos que verá para PES son gráficos idealizados, por lo que se ha eliminado gran parte del ruido de fondo.

Lo que podemos ver son gráficos que trazan la intensidad de la señal, a menudo informada como número relativo de electrones, contra la energía de enlace de los electrones. A veces, como en el gráfico que se muestra aquí, no hay unidades; el título es simplemente “Energía”.

Otras veces, las unidades pueden expresarse en megajulios por mol (MJ / mol) o electronvoltios (eV). Los picos que muestran energías electrónicas a veces incluso se etiquetan con el número relativo de electrones responsables de la señal.

Antes de profundizar en este gráfico para el litio, pensemos por un minuto en lo que sabemos sobre las configuraciones electrónicas. Sabemos que el litio tiene tres electrones en una configuración 1s ^ 2 2s ^ 1. Esto significa que hay dos electrones centrales muy cerca del núcleo y que hay un electrón de valencia que pasa la mayor parte del tiempo más lejos del núcleo. De estos electrones, ¿cuál está más apretado por el núcleo? ¿Cuál (o cuáles) debería ser más difícil de eliminar?

Es bastante fácil eliminar ese primer electrón. Tiene una energía de enlace baja en comparación con los electrones del núcleo. En nuestro gráfico de litio, vemos que hay una señal a una energía muy baja de 0.52 que es aproximadamente la mitad de la altura de la otra señal, que se registra en 6.26.

Observe que el eje x desciende. Esto está destinado a ayudarlo a usted, como estudiante, a visualizar dónde están los electrones con respecto al núcleo.

Los electrones que se mantienen más cerca del núcleo, que tienen energías de enlace más altas, se encuentran más cerca del eje y.

Mira este gráfico (ver video). Vemos tres señales. El primero tiene una altura relativa de 2 y se registra en 19,3. El siguiente tiene una altura relativa de 2 y se registra en 1,36. La última señal ocurre a 0.80 y tiene una altura relativa de 1. ¿Alguna idea de qué elemento podría ser responsable de esta gráfica?

La primera señal son los dos electrones en el orbital 1s. La segunda señal proviene de dos electrones en el orbital 2s. La última señal proviene de un electrón solitario en el orbital 2p. ¿A qué configuración del elemento corresponde esto? 1s ^ 2, 2s ^ 2, 2p ^ 1? ¡Boro!

Aplicaciones de PES

PES se ha vuelto importante para el plan de estudios de química avanzada porque explica cómo conocemos las estructuras atómicas y las configuraciones electrónicas.

Al igual que en el ejemplo anterior con boro, los gráficos de PES se pueden utilizar para determinar configuraciones de electrones. Los datos de PES también apoyan la idea de un modelo de caparazón y subcapa. Observe cómo en la gráfica del argón tenemos tres agrupaciones de picos. El primer pico es para los dos electrones en el primer nivel de energía. El siguiente grupo es para la segunda capa, pero se divide en dos picos, uno correspondiente a los dos electrones en la capa s, el otro correspondiente a los seis electrones en la capa p. El último conjunto está compuesto por los electrones de la tercera capa. La misma división entre las subcapas sy p es visible.

Comprender las energías de enlace de los electrones, que está relacionado con el efecto de la carga nuclear: los elementos con números atómicos más altos tienen más protones en el núcleo. Esto significa que los núcleos cargados positivamente tendrán electrones centrales que son mucho más difíciles de eliminar. Por ejemplo, la energía de enlace de los electrones 1s en el oxígeno es 52,6 MJ / mol, y la energía de enlace de los electrones 1s en el flúor es de 67,2 MJ / mol. El flúor tiene nueve protones en su núcleo, mientras que el oxígeno tiene ocho. Esta diferencia en un protón mantiene los electrones centrales en flúor más apretados.

Resumen de la lección

La espectroscopia fotoelectrónica (PES) es una técnica de laboratorio que consiste en disparar un haz de radiación intenso a una muestra de un elemento y medir la energía de los electrones que son expulsados de la muestra. La energía cinética es energía en movimiento. En PES, la energía de los electrones se mide en electronvoltios (eV), una unidad que mide la energía de los electrones. La energía de enlace es la energía que se necesita para eliminar un electrón de un átomo.

La energía de enlace se puede determinar mediante la ecuación:

E (fotón) = Energía cinética (KE) + Energía de enlace (BE)

Los gráficos producidos a partir de PES trazan el número relativo de electrones frente a las energías de enlace de los electrones. Los datos de PES se pueden utilizar para:

• Determinar configuraciones electrónicas y estructuras atómicas de átomos.
• Describir los modelos de caparazón y subcapa
• Comprender las energías de enlace y las energías de ionización de los electrones.
• Comprender el efecto de la carga nuclear sobre la energía de enlace.

Términos clave

• espectroscopia de fotoelectrones (PES): una técnica de laboratorio que implica disparar un haz de radiación intenso a una muestra de un elemento y medir la energía de los electrones que son expulsados de la muestra
• energía cinética: energía en movimiento
• electronvoltios (eV): unidad que mide la energía de los electrones
• energía de enlace: la energía que se necesita para eliminar un electrón de un átomo

Los resultados del aprendizaje

Debido a todo lo que aprendió en esta lección, posteriormente podría:

• Defina la espectroscopia de fotoelectrones (PES) diseccionando el término
• Comprender gráficos hechos con PES
• Describir aplicaciones de PES en el mundo real