Espectroscopia Fotoelectrónica (Fotoemisión): Definicion, gráficos y ejemplos

Publicado el 12 junio, 2024 por Rodrigo Ricardo

Ciencia

Espectroscopia electrónica

La espectroscopia electrónica es la técnica analítica utilizada en los laboratorios para analizar la configuración electrónica de los átomos. Dentro de un átomo hay tres partículas básicas: protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones residen dentro del núcleo, mientras que los electrones se mantienen en niveles de energía discretos (a veces denominados capas y subcapas) que rodean el núcleo. Estos niveles de energía están cuantificados, lo que significa que los electrones sólo pueden residir dentro de los niveles discretos, no entre ellos. Naturalmente, todos los electrones intentarán estar lo más cerca posible del núcleo. Sin embargo, dado que ciertos niveles sólo pueden contener un número determinado de electrones, el número total de electrones en el átomo generalmente determinará el número total de nubes de electrones. Si hay espacio en los diferentes niveles de energía de los electrones, los electrones pueden moverse entre ellos. Pero para ello se necesita energía. Para subir un nivel de energía, es decir, alejarse más del núcleo, es necesario que el electrón absorba energía. Para bajar un nivel de energía o acercarse al núcleo, el electrón emitirá energía. La energía emitida y/o absorbida durante este proceso es directamente correspondiente a cuánto se movió el electrón. Por ejemplo, un electrón que se mueve dos niveles de energía requerirá más energía que un electrón que se mueve un nivel de energía. La mayoría de las veces, la energía que utilizan estos electrones es en forma de luz. Es este movimiento de electrones el que se analiza y estudia durante la espectroscopia electrónica. Dado que la espectroscopia es el estudio de la luz, la espectroscopia electrónica puede traducirse literalmente como el estudio del movimiento de los electrones utilizando la luz.

Diagrama de un modelo de Bohr de un átomo que muestra electrones moviéndose entre niveles y liberando energía.

Gráfico PES

Saber interpretar un gráfico PES es tan importante como entender cómo funciona. Dado que los datos sin procesar tomados de los sensores pueden contener mucho ruido de fondo, la mayoría de los gráficos PES que usan y estudian los estudiantes de química de nivel inferior se han normalizado e idealizado. De esta manera es más fácil interpretar los datos.

Cuando se observa un gráfico PES normalizado, el eje y representa el número relativo de electrones que se emitieron. El eje x representa la energía de enlace. A veces, esto se denomina simplemente energía de enlace, energía de ionización, electronvoltios (eV) o megajulios por mol (MJ/mol). Es importante destacar que el eje x se lee al revés, lo que significa que cuanto más cerca del eje y, mayor será la energía de enlace necesaria para eliminar los electrones. Interpretándolo de esta manera, se puede ver que los electrones de valencia, o aquellos más fáciles de eliminar, estarán más alejados del eje y, mientras que los electrones del núcleo estarán más cerca del eje y y tendrán la mayor energía de enlace.

Cada pico en el gráfico corresponde a una subcapa de la cual se expulsaron electrones. Estos datos apoyan el modelo actual del átomo, el modelo cuántico. De esta manera, los científicos pueden comprender mejor la configuración electrónica no sólo de diferentes elementos, sino también de moléculas.

Ejemplos de datos de PSA

Usando el modelo cuántico del átomo, la configuración electrónica del boro es {eq}1s^2, 2s^2, 2p^1 {/eq}. Un gráfico PES idealizado tendría tres picos diferentes correspondientes a los tres subniveles diferentes. El primer pico (más cercano al eje y) tendría dos electrones, el segundo pico dos y el tercer y último pico contendría un electrón. La suma de todos los electrones suma cinco, el número total de electrones que se encuentran en un átomo de boro neutro. El último pico es la capa de valencia y tiene la menor cantidad de energía de enlace. El primer pico son los electrones del núcleo, que requieren la mayor energía de enlace.

Otro ejemplo es el del berilio con la configuración electrónica de {eq}1s^2, 2s^2 {/eq}. Este gráfico PES tendrá dos picos que corresponden a las dos subcapas que se encuentran en el berilio. Cada pico contiene dos electrones para un total de cuatro. Nuevamente, el pico más cercano al eje y son los electrones que se encuentran en el subnivel 1s, mientras que los más alejados del eje y son los que se encuentran en el subnivel 2s.

Cuando se presentan gráficos PES idealizados en los que se debe determinar el elemento en cuestión, la mejor manera de hacerlo sería etiquetar los picos. Comenzando con el pico más a la izquierda, el primer subnivel siempre es 1s. El siguiente pico es 2s, el siguiente 2p, y así sucesivamente a lo largo del patrón de configuración electrónica. Al contar el número de electrones en cada subcapa, sumar el número total de electrones y ver visiblemente la configuración de los electrones, uno debería poder identificar elementos con éxito con solo mirar el gráfico PES.

Usos de la espectroscopia fotoelectrónica

Hay varias aplicaciones diferentes de PSA, incluidas

Comprender la estructura electrónica molecular de los compuestos que se encuentran en nuestra atmósfera y cómo interactúan con ellos los diferentes productos químicos (por ejemplo, clorofluorocarbonos y ozono).
Comprensión de la estructura electrónica molecular de compuestos utilizados en biofísica.
Comprender la reactividad de diferentes iones utilizados en la producción de baterías.

Resumen de la lección

La espectroscopia electrónica es una herramienta analítica utilizada por los científicos para comprender la configuración electrónica de diferentes átomos y moléculas. Un tipo específico de espectroscopia electrónica es la espectroscopia de fotoelectrones/fotoemisión o PES para abreviar. Utilizando el efecto fotoeléctrico, los científicos pueden medir la energía cinética de los electrones emitidos durante el proceso y, así, calcular la energía de enlace de los electrones. Esto muestra la estructura electrónica de la muestra, ya que cada pico en los datos revela la posición relativa del electrón con respecto al núcleo. Los electrones más cercanos al núcleo requieren la mayor energía para eliminarse, mientras que los electrones más alejados requieren la menor. Esto respalda el último modelo del átomo en el que los electrones están organizados en capas y subcapas que son discretas y cuantificadas. Al leer un gráfico PES, el eje x se refiere a la energía requerida para eliminar el electrón y se lee al revés, lo que significa que más cerca del eje y significa más energía y más lejos hay menos energía. Las unidades que se utilizan con frecuencia son energía de enlace, MJ/mol, electronvoltios (eV) o energía de ionización. El eje y se refiere al número relativo de electrones. Al leer gráficos PES idealizados, se pueden identificar fácilmente elementos simplemente contando el número y la ubicación de los electrones emitidos. PES tiene muchas aplicaciones prácticas, incluso en meteorología/climatología, biofísica y química.

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