Espectrometría de emisión
La espectometría de emisión es un procedimiento que se utiliza para analizar las longitudes de onda. Dentro de esta técnica encontramos la espectrometría de emisión atómica, espectrometría de emisión óptica, espectroscopia de emisión de llama y el espectrómetro de chispa.
Estas espectrometrías realizan análisis por medio de los fotones emitidos por átomos o moléculas durante su transición, desde un estado excitado a un estado de menor energía. Una de las espectrometrías que realiza ese análisis es la espectroscopia de emisión de llama.
En la metalurgia y en la industria de los semiconductores, la espectrometría de emisión óptica tiene una importancia destacada en el control de la producción tanto de materias primas como de productos terminados.
Finalmente, la espectrometría de emisión permite identificar los elementos presentes en el sol y las estrellas, ayudándonos a comprender mejor la naturaleza del universo.
Estos son solo algunos ejemplos de disciplinas científicas y técnicas en las que la espectrometría de emisión ha hecho una contribución significativa.
Historia de la espectrometría de emisión
El primer espectro solar fue observado por Isaac Newton en el siglo XVII. De igual forma, en el mismo siglo, T. Melville descubrió que, si quemaba una mezcla de alcohol y sal, se producía una llama amarilla, pero el color desaparecía al eliminar la sal de la mezcla.
En el año 1770, Volta crea un método para generar chispas eléctricas y luego observó que cada sustancia producía una chispa de color específico. De esta manera, identificó un elemento por el color característico de su chispa a través de la espectrometría de emisión óptica.
En el siglo XIX, Kirchhoff & Bunsen, determinaron que las líneas espectrales características de las espectroscopias de emisión de llama, no eran emitidas por moléculas, sino por átomos dentro de una sustancia.
Finalmente, ya para el siglo XX, se crearon nuevos métodos para usar los patrones espectrales con el fin de estudiar diferentes elementos. Esto fue de ayuda para realizar análisis de espectrometría de emisión óptica y otro tipo espectrométricos.
En los últimos años, la espectrometría de emisión ha creado un impacto para las industrias de los metales analizando los materiales y sus muestras. Estas muestras se realizan a través de la espectrometría de emisión óptica y otro tipo de espectrometrías.
4 esenciales que debes saber sobre la espectrometría de emisión
Se emplea para identificar sustancias mediante el espectro emitido o absorbido por las mismas.
También es utilizada como un procedimiento para valorar la concentración o la cantidad de especies determinadas.
El instrumento que realiza las medidas es un espectrómetro o espectrógrafo.
La espectrometría de emisión óptica también se usa en la rama de la química, física y en la astronomía.
Función de la espectrometría de emisión
Su función es realizar un análisis de las aleaciones metálicas. Por ende, se trata de un método de análisis rápido, fiable y sencillo, para del aseguramiento de la calidad en la industria metalúrgica.
El espectro de aplicaciones abarca desde el control en procesos de producción hasta el desarrollo de productos. La espectrometría de emisión óptica es utilizada en la industria, en las áreas donde se requiere la detección de elementos y su determinación cuantitativa.
Es la herramienta industrial que se usa con el fin de realizar análisis cualitativos o cuantitativos de una muestra de sustancia. Es decir, se usa para saber qué tipo de componentes químicos se encuentran dentro de una muestra de prueba y también sobre la concentración de los componentes.
Espectrómetro de chispa
El espectrómetro de chispa hace un análisis químico para representar el espectro de emisión de sustancias químicas. Este procedimiento permite la detección de los metales, como el nitrógeno, el oxígeno, el fosforo, el carbono, el azufre.
El proceso que se usa para este análisis del espectrómetro de chispa, se logra al encender un plasma en una atmósfera de argón entre un fragmento del analito y un electrodo de cobre o plata, a través de una descarga de chispa de energía.
Luego la emisión de luz resultante se mide a través de la espectrometría de emisión óptica, por lo tanto, todos los elementos químicos luego pueden ser estudiados cuantitativamente y cualitativamente por el espectrómetro de chispa.
La radiación se descompone en sus componentes espectrales individuales, y que se transmite a través de guías de luz a los sistemas ópticos.
Después los elementos químicos logran ser medidos y detectados de manera individual a través de fotomultiplicadores del espectrómetro de chispa o la espectroscopia de emisión de llama. Cada elemento contenido en la muestra a estudiar en el espectrómetro de chispa se emite a varias longitudes de onda, por lo que puede ser detectado y medido individualmente.
La detección de estos metales es una ventaja de la espectrometría de emisión óptica, ya que con otros métodos analíticos se logra detectar un cierto grupo de elementos dentro de la espectrometría de emisión óptica.
¿Cómo se realiza la espectrometría de emisión de chispa?
Creando una chispa para la detección de iones de calcio en un fotómetro. Luego coloca en la chispa una muestra de un material, la muestra puede ser como solución pulverizada o como gas. El calor de la chispa evapora el solvente y crea una ruptura en los enlaces químicos para crear átomos libres.
Dentro del espectrómetro de chispa o la espectroscopia de emisión de llama la energía térmica excita los electrones hasta estados electrónicos de gran energía que emiten luz cuando vuelven al estado fundamental. Cada elemento en el espectrómetro de chispa emite luz con una longitud de onda característica, que es dispersada por una un prisma y se detecta en el espectrómetro.
El espectrómetro de chispa una utilidad de la medición de las emisiones con la chispa es la regulación de los metales alcalinos para análisis de farmacia.
Espectrometría de emisión atómica de plasma
La espectrometría de emisión atómica se basa en promover los átomos a niveles electrónicos de alta energía, cuando se calientan a altas temperaturas con una fuente de plasma, emitiendo radiación a longitudes de onda características.
Esta técnica de espectrometría de emisión atómica permite un análisis de preconcentración o dilución de las muestras. También la realiza la espectroscopia de emisión de llama
Espectrometría de emisión de plasma acoplado inductivamente.
Es un procedimiento de análisis que usa la intensidad de la luz emitida por una chispa, en una longitud de onda particular para saber la cantidad de un elemento en una muestra.
Usa plasma acoplado inductivamente para crear electrones excitados que permitan radiación electromagnética en longitudes de onda de un elemento.
El análisis requiere de un espectrómetro el cual consta de:
Un sistema dispersivo, el cual se encarga de dispersar la radiación.
Una fuente de excitación, esta parte del equipo genera la chispa encargada de llevar la muestra a un estado excitado.
Un sistema de detección y análisis, que se usa para medir la radiación emitida por los átomos.
Espectrometría de emisión atómica de chispa y arco
La espectrometría de emisión atómica de chispa y arco es una técnica de análisis químico. Su objetivo es medir la cantidad de elementos presentes en una muestra a través de un espectrómetro de chispa tras exponer a una fuente de luz interna.
Esta puede devenir de un arco eléctrico o una chispa de espectroscopia de emisión de llama, de allí el origen de su nombre.
Durante el proceso de espectrometría de emisión se emite una onda característica de la línea espectral atómica, su longitud determinada la identidad del elemento presente. Mientras que la intensidad luminiscente ultravioleta emanada corresponde a la cantidad de átomos de dicho elemento.
Este resultado lo emite un espectrómetro de chispa o en la técnica de espectroscopia de emisión de llama, se dispersa con un monocromador, dispositivo óptico.
Esta técnica de la espectrometría de emisión atómica fue de las primeras en aplicar en los análisis de mezclas a través de un espectrómetro de chispa. La razón es que permite hacer una recopilación cualitativa y cuantitativa de varios elementos metálicos presentes en una muestra.
Actualmente el espectrómetro de chispa mantiene su posición preferencial en cuanto a los análisis no numéricos de sólidos. Pero, sí de matemáticas y muestras líquidas y gaseosas se trata, los métodos de plasma lo han desplazado.
En el procedimiento que realiza la espectrometría de emisión atómica la muestra se pulveriza y destruye. Esto ocurre porque se ataca con una chispa eléctrica para llevarla a temperaturas muy elevadas. Esto la volatiliza y excita los átomos de su superficie.
Normalmente en esta técnica en la espectrometría de emisión atómica se utiliza como conductores el argón (Ar) o el dihidrógeno (H2). En su defecto, una mezcla de ambos también es factible en porcentaje de 95% Ar y 5% H2.
Ventajas y desventajas de la espectrometría de emisión atómica de chispa y arco
En la espectrometría de emisión atómica la excitación de la muestra ocurre en un pequeño espacio localizado entre un par de electrodos. El paso de la electricidad en esta intercepción proporciona la energía necesaria para atomizar el componente expuesto. En consecuencia, se producen iones alterados.
Las ventajas del método son el análisis y registro múltiple en simultáneo que se realizan por un espectrómetro de chispa, poca interferencia entre elementos y presenta varios órdenes de magnitud en intervalos de concentración.
Por otro lado, entre las desventajas tenemos el tiempo de aplicación que toma y el costo de los equipos.
Cabe destacar que los espectrómetros de chispa tienen aplicaciones en distintos campos, como agricultura y alimentos, análisis clínicos y de aguas residuales, y en geología.
Energía de excitación
Para que un elemento en estado de oxidación emita una línea espectral, es necesario que haya absorbido una energía equivalente a su potencial de excitación. Pero para que este muestre una emisión, debe absorber una energía equivalente a su potencial de ionización.
Cada fuente de energía tiene una cantidad de energía fija, esto hace que los potenciales de ionización sirvan para conocer las sensibilidades relativas de los distintos elementos en espectroscopía de emisión.
Así, aquellos elementos que tienen bajos potenciales de ionización, se podrán determinar con gran sensibilidad, mientras que los elementos no metálicos con alto potencial de ionización se determinarán con poca sensibilidad.
No obstante, con una fuente de energía se puede excitar los elementos, los de alto potencial de ionización tendrán líneas energéticas. Es decir que los espectros de emisión dependerán de la configuración electrónica del elemento, por lo que los metales alcalinos presentan espectros muy simples, mientras que los de transición los presentan muy complejos.
Fuentes de excitación
Existen varias fuentes de excitación entre ellas están, el arco eléctrico de corriente, la espectroscopia de emisión de llama, y la chispa eléctrica. Cada uno tiene ventajas y aplicaciones especiales. Pero 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.
La espectroscopia de emisión de llama crea una temperatura baja para que algunas líneas se exciten, primordialmente los elementos con baja energía de ionización. Esto puede constituir una ventaja, puesto que las interferencias pueden crear otros elementos, quedan eliminadas al no emitir energía.
Mientras que el arco eléctrico con corriente directa, producido por un alto nivel de energía, es un método común para introducir la muestra en la descarga. La vaporización es causada por el paso de la corriente. Las líneas de emisión producidas son debidas a átomos neutros.
El arco eléctrico con corriente de alta energía, crea un potencial de más voltios. Para resultados reproducibles, deben estar controlados los electrodos, el potencial y la corriente. La chispa con corriente rotativa, brinda un estado de excitación mucho más alto que el arco, con menor efecto de calentamiento.
La chispa se produce conectando un transformador de gran energía a través de los dos electrodos.
Podemos decir que la chispa es la fuente que requiere una gran precisión, más que una sensibilidad. Hay varios tipos de fuentes de chispa, cada uno con usos especiales. Ellos difieren, en el mecanismo empleado para disparar el rompimiento de la abertura analítica, de manera que se provean rupturas discretas e idénticas.
Fuentes térmicas empleadas en la actualidad
Se emplean diversas fuentes térmicas además de espectroscopia de emisión de llama, y otros tipos de liberaciones eléctricas como plasmas, el cual son utilizadas como fuentes de atomización y excitación. Este procedimiento contiene el Plasma Inductivamente Acoplado.
Cabe destacar que el plasma está constituido por un gas ionizado. En la tierra no hay, pero sí en la corona solar y espacios interesterales. El número de átomos excitados y los distintos niveles de excitación son grandes. Los plasmas analíticos se nombran de diferentes maneras, haciendo referencia a cómo se forman.
Argón y el Helio y sus usos como gases plasmógenos
El Helio logra llegar a grandes temperaturas, pero tiene menor densidad, al producirse la nebulización, la capacidad es menor que la del argón. El movimiento en función de que sea un campo magnético o eléctrico da lugar a los diferentes tipos de plasma.
Puesto que las fuentes de plasma presentan ventajas comparadas con los métodos de espectroscopia de emisión de llama y electrotérmicos. Una de las ventajas constituye la de ser un procedimiento para elementos múltiples. Las fuentes de plasma actuales brindan un método más fácil para la manipulación de muestras gaseosas y líquidas.
El espectro para muchos elementos puede ser registrado al mismo tiempo, algo muy importante cuando la muestra es sumamente pequeña. Las temperaturas altas alcanzadas aumentan el número de elementos que se pueden determinar, tanto cualitativa como cuantitativamente, ya que la temperatura se puede estabilizar.
Presenta una gran, exactitud y reproducibilidad, permitiendo trabajar con pequeños volúmenes de muestra, disminuyendo los límites de detección.
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