Métodos instrumentales para identificar elementos y compuestos
Un envenenamiento
Digamos que un investigador de la escena del crimen se reporta a la escena del crimen donde alguien fue envenenado. El objetivo del agente de CSI es identificar el veneno utilizado para que los médicos puedan administrar el tratamiento adecuado a la víctima. El agente encuentra un polvo blanco sospechoso junto a la despensa de alimentos. ¿Fue este el químico utilizado para envenenar a nuestra víctima? El agente CSI no tiene forma de identificar la composición química solo por su apariencia. La sustancia puede ser cualquier cosa, desde azúcar hasta cianuro, una sustancia química muy venenosa. Muchos productos químicos diferentes vienen en forma de un polvo blanco fino, entonces, ¿cómo identifica el agente el químico?
Microscopios
El escenario anterior nos deja con la pregunta de cómo identificar algo de tamaño tan pequeño (el tamaño de átomos o moléculas) que es invisible para el ojo humano. Podría considerar usar una lupa o un microscopio. Sin embargo, los átomos y las moléculas son tan pequeños que la mayoría de los microscopios no pueden verlos. Algunos de los microscopios más poderosos del mundo se pueden utilizar para observar átomos, pero es difícil identificar un átomo o una molécula desconocidos utilizando esta técnica.
Pruebas químicas
Se utilizan otras técnicas para identificar átomos o moléculas, como las pruebas químicas. Las pruebas químicas se basan en una reacción química para identificar una muestra desconocida. Una prueba positiva para una sustancia química en particular generalmente se indica mediante un cambio de color después de que un reactivo conocido se mezcla con una muestra desconocida. Un ejemplo de este tipo de pruebas serían los equipos de campo que utilizan las oficinas de aplicación de la ley para identificar drogas ilegales. Si bien esta forma de identificación química todavía se usa ampliamente en la actualidad, existen muchas desventajas en el uso de pruebas químicas. Esta forma de prueba no solo funciona en una pequeña fracción de todas las sustancias químicas conocidas, la prueba tiene problemas para distinguir entre dos sustancias químicas diferentes con propiedades similares.
Radiación luminosa y electromagnética
Para superar los problemas de las pruebas químicas, los científicos utilizan luz o radiación electromagnética para identificar átomos y moléculas. Esto es parte del campo de la espectroscopia que se define como una rama de la ciencia que examina cómo la materia interactúa con la radiación electromagnética. Aunque la instrumentación puede volverse bastante compleja, la espectroscopia es generalmente un método más confiable para identificar átomos y moléculas. Estos métodos pueden identificar una gama más amplia de productos químicos y productos químicos presentes en concentraciones más bajas en comparación con las pruebas químicas por sí solas.
Cómo funciona la espectroscopia
Para comprender cómo funciona la espectroscopia , es importante comprender primero los niveles de energía. Los átomos y las moléculas tienen varios niveles de energía. El modelo básico que se muestra a continuación se denomina sistema de dos niveles porque tiene dos niveles de energía. En aras del argumento, podemos describir estos dos niveles de energía en términos de orbitales electrónicos. Generalmente, un electrón externo de un átomo estará en el nivel de energía más bajo ( E 1) u orbital, pero hay orbitales desocupados de mayor energía ( E 2 en este caso). Si el átomo está expuesto a suficiente energía, el electrón puede poblar un nivel de energía más alto. En este caso, la cantidad mínima de energía requerida para poblar un nivel de energía más alto es igual a la diferencia de energía entre E 1 y E2 niveles de energía. Una forma de excitar este electrón al siguiente nivel de energía es exponer el átomo a un fotón de luz. Los fotones son esencialmente paquetes de luz con una cantidad definida de energía (hv). Si un fotón con energía correspondiente a la energía entre dos orbitales golpea nuestro sistema teórico de dos niveles, puede excitar el electrón a un orbital de mayor energía. Al hacer esto, el átomo absorbe el fotón de luz. Este proceso se llama absorción . Una vez que el electrón está en un nivel de energía más alto, puede volver al nivel de energía más bajo emitiendo un fotón de luz que corresponde a la diferencia de energía entre los dos niveles de energía. Este proceso se conoce generalmente como emisión.
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Aplicación de espectroscopia
Ahora que hemos cubierto la absorción y la emisión , ¿cómo podemos usar estos dos procesos para identificar átomos o moléculas particulares? Bueno, los niveles de energía que posee cada átomo son específicos de ese átomo. Por tanto, podemos medir la energía de la luz absorbida o emitida por una muestra desconocida para identificarla. Veamos algunos ejemplos de diferentes tipos de espectroscopía y cómo se pueden usar para identificar átomos y moléculas. Los espectrómetros son el nombre de los instrumentos que se usan para identificar átomos o moléculas, y el diseño o tipo de radiación electromagnética que se usa generalmente depende de las propiedades de la sustancia química que estamos tratando de identificar.
Espectroscopía atómica
Como se describió anteriormente, la espectroscopía atómica se basa en el proceso de mover electrones de un orbital a otro y medir la luz absorbida o emitida. Una forma común de espectroscopía atómica es la espectroscopía de emisión atómica (AES) . La espectroscopia de emisión de llama es un tipo de AES que consiste en calentar una muestra con una llama para excitar electrones a orbitales de mayor energía y medir la energía de la luz emitida por los electrones a medida que regresan a niveles de energía más bajos. Los átomos tienen un espectro único , bandas de energía emitidas en forma de luz, que resultan, en este caso, de electrones que se mueven de un nivel de energía más alto a un nivel de energía más bajo. La luz emitida produce un patrón o espectro de luz.que es exclusivo de ese átomo. La rejilla de la figura es un componente instrumental importante que separa la luz emitida en función de la energía o la longitud de onda de la luz.
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Espectroscopia molecular
La espectroscopía molecular es un poco más complicada que la espectroscopía atómica . Con la espectroscopia atómica, el espectro producido a partir de transiciones electrónicas es específico para cada átomo. Este no es siempre el caso de las transiciones electrónicas en las moléculas, lo que hace que las moléculas sean más difíciles de identificar en función de su espectro de emisión o absorción electrónica . Sin embargo, existen niveles de energía molecular adicionales presentes en forma de niveles de energía vibratoria. Además de las transiciones electrónicas, podemos observar transiciones vibratorias para ayudar a identificar moléculas. Una técnica común utilizada para lograr esto es la espectroscopia infrarroja , más comúnmente conocida como infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)espectroscopia. Al igual que las transiciones electrónicas en los átomos, las transiciones vibratorias producen espectros muy específicos. Si bien esto no siempre es útil para determinar la identidad completa de una molécula, se puede utilizar para identificar varios tipos de enlaces presentes en la molécula, como CO, CC, CN, etc.
Resumen de la lección
Hemos aprendido que las pruebas químicas se pueden utilizar para identificar átomos o moléculas, y todavía se utilizan en la actualidad. Sin embargo, el método de espectroscopía es una técnica más sensible que puede identificar una gama más amplia de átomos y moléculas que las pruebas químicas por sí solas. La espectroscopia usa luz para medir la diferencia entre los niveles de energía en átomos y moléculas. AES es una forma común de espectroscopía atómica que puede identificar átomos calentando y midiendo el espectro de luz emitida por la muestra como resultado del movimiento electrónico de un nivel de energía más alto a un nivel de energía más bajo. Espectroscopia moleculartambién puede medir diferencias en los niveles de energía electrónica, pero estos son menos específicos en las moléculas. A diferencia de los átomos, las moléculas tienen niveles de energía vibracional y la espectroscopía FTIR se puede utilizar para medir las transiciones entre niveles de energía vibracional para identificar enlaces o grupos funcionales particulares.