1. Indica el tipo y fundamento de los transductores utilizados para detectar REM de las siguientes longitudes de onda

a) 250 nm — UV

Detector: detector fotoeléctrico basado en la fotoemisión (fototubo). Los fototubos constan de un cátodo y un ánodo situados dentro de un recipiente al vacío. Sobre el cátodo se deposita un material que tiende a ceder electrones (e−) cuando la radiación incide; los electrones emitidos pasan al ánodo. La intensidad de la corriente es proporcional a la intensidad de la radiación electromagnética (REM) incidente. Se suele utilizar un potencial de ~90 V porque así la corriente resultante suele ser máxima.

b) 750 nm — VIS

Detector: detector fotoeléctrico basado en la fotoconducción, en concreto el fotodiodo (por ejemplo, estructura p–i–n). Está constituido por una capa de silicio intrínseco (sin dopar) unida a dos capas dopadas: la superior de tipo p y la inferior de tipo n. Cuando la REM atraviesa la unión, los electrones (y huecos) se excitan y pasan a la banda de conducción, aumentando la conductividad; la respuesta eléctrica es proporcional a la intensidad de la REM recibida.

c) 2500 nm — IR

Detector: detector térmico. La energía de la radiación infrarroja no es suficiente para producir un efecto fotoeléctrico apreciable en detectores convencionales, por lo que se utilizan detectores térmicos (termopares, bolómetros, celdas termoeléctricas) que transforman el calentamiento producido por la radiación en una señal eléctrica. Por ejemplo, un termopar se basa en la generación de un potencial eléctrico proporcional a la diferencia de temperatura entre dos metales distintos; la variación de temperatura es proporcional a la potencia de REM absorbida y, por tanto, a su intensidad.

2. Tipos de llamas utilizadas en fotometría de emisión de llama e interferencias habituales

Se pueden utilizar llamas calientes (alrededor de 3 000 °C) o llamas frías (alrededor de 2 000 °C).

• Las llamas frías presentan con frecuencia interferencias químicas: disociación incompleta (MA → M + A), formación de radicales y especies oxidadas (óxidos, hidróxidos) que pueden reducir la señal atómica deseada.
• Las llamas calientes disminuyen las interferencias químicas y suministran mayor energía para la excitación atómica, mejorando la sensibilidad. Sin embargo, si la temperatura es demasiado elevada puede producirse una mayor ionización (M ⇄ M+ + e−), lo que genera interferencias de ionización y disminuye la señal de átomos neutros.

3. Acoplamiento (apareamiento) espín–espín en RMN: concepto, información y forma de medirlo

En RMN (resonancia magnética nuclear), el desdoblamiento de señales por acoplamiento espín–espín se produce por la interacción del espín nuclear de un grupo de protones con el de protones cercanos (generalmente adyacentes). Ejemplo: en el espectro de etanol (CH3CH2OH) la banda del CH2 se desdobla en múltiples líneas por interacción con los protones del CH3 adyacente. Esta separación no depende de la intensidad del campo magnético aplicado, sino de la constante de acoplamiento J, que es característica de la interacción entre los núcleos.

Información proporcionada:

• Conectividad estructural entre protones (proton–proton vecinos).
• Valor de la constante de acoplamiento J (en Hz), que indica el grado de interacción magnética entre núcleos.
• Multiplicidad (n+1 para protones, derivada de la regla general (2nI + 1) con I = 1/2).

Cómo medirlo: a partir de la separación en Hz entre las componentes del pico (constante J) y el patrón de multiplicidad (singulete, doblete, triplete, etc.). La altura integrada de los picos está relacionada con el número de protones equivalentes en cada entorno.

4. Tiempo de vida de fluorescencia y rendimiento cuántico

Si kf es la probabilidad por unidad de tiempo de que el electrón decaiga radiativamente al estado fundamental, el tiempo de vida de fluorescencia (τ) es el intervalo de tiempo medio que el electrón permanece en el estado excitado:

τ = 1 / (kf + Σkn)

donde Σkn representa las constantes de velocidad de los procesos no radiativos. Si la emisión fluorescente fuese la única vía de desactivación, τ = 1 / kf.

El rendimiento cuántico de fluorescencia (Φf) es la fracción de fotones absorbidos que se emiten por fluorescencia:

Φf = kf / (kf + Σkn)

Es una medida crucial para valorar la eficiencia de la fluorescencia y los procesos competitivos no radiativos en moléculas.

5. Disociación química y disociación espectroscópica

Disociación química: proceso por el cual un compuesto o molécula se separa en partículas más pequeñas al suministrar energía suficiente.

Disociación espectroscópica: cuando la energía absorbida al excitar la molécula la eleva a un nivel tal que la separación internuclear aumenta hasta producir la ruptura (disociación) de enlaces; es decir, la absorción de REM lleva a estados excitados que conducen a la ruptura molecular.

8. De qué depende el coeficiente de absorción molar y qué información proporciona

El coeficiente de absorción molar (ε) es un coeficiente de proporcionalidad fundamental en espectroscopia y en química analítica. Proporciona:

• En análisis cualitativo: la magnitud de la absorción de una sustancia a una determinada longitud de onda.
• En análisis cuantitativo: la pendiente de la recta de Beer–Lambert que relaciona absorbancia y concentración (A = ε b c).

ε depende de la sustancia disuelta, del disolvente, de la longitud de onda empleada, de las condiciones ambientales (temperatura, pH) y de las unidades de la anchura de la cubeta (b, usualmente en cm) y la concentración (c, en mol·L−1).

8) Indique la fuente emisora, monocromador y detector que utilizarías en instrumentos de espectroscopía molecular de las regiones correspondientes a las siguientes longitudes de onda

a) 25 m: ondas hertzianas (radio). Fuente: emisores de radio; detección por antenas y receptores adecuados para radiofrecuencias.

b) 250 nm (UV cercano): Fuente: lámpara de arco de hidrógeno o deuterio, o lámpara de xenón; monocromador: prisma o red adecuada con ventana de cuarzo; detector: fotomultiplicador o fototubo.

c) 650 nm (VIS): Fuente: lámpara de tungsteno o xenón; monocromador: prisma o red adecuada; detector: fotodiodo de silicio, fotomultiplicador o fototubo.

d) 2500 nm (IR): Fuente: lámpara de Nernst (óxidos cerámicos, p. ej. ZrO2 con estabilizantes), o filamento de nicromo; monocromador: prisma o redes apropiadas para IR (a veces prismas de NaCl u otros materiales que transmiten IR); detector: detectores térmicos (termopar, bolómetro) o detectores fotoconductores especiales (PbS, PbSe, Ge, según rango y tecnología).

9. Tipos de plasmas analíticos y procesos que tienen lugar en el plasma

El plasma es un gas fuertemente ionizado, eléctricamente neutro pero conductor. Está formado por electrones, iones positivos, átomos y moléculas neutras. Tipos de plasmas analíticos:

• Plasma eléctrico de corriente continua (DCP).
• Plasma de acoplamiento inductivo de radiofrecuencia (ICP-RF o ICP).
• Plasma de acoplamiento capacitivo de radiofrecuencia (CCP).
• Plasma de acoplamiento inductivo de microondas (MIP).
• Plasma de acoplamiento capacitivo de microondas (CMP).

Procesos que tienen lugar en el plasma: nebulización, eliminación de gotas grandes, evaporación del disolvente, volatilización, excitación, emisión, asociación, disociación, ionización y recombinación.

10. ¿Por qué los espectrofotómetros moleculares de absorción se usan en el laboratorio científico principalmente para la cuantificación en disolución?

Porque presentan una alta sensibilidad que permite detectar elementos o compuestos a concentraciones muy bajas (p. ej. del orden de ng·mL−1 en técnicas optimizadas), y buena selectividad cuando se trabaja a longitudes de onda características. Además, las fluctuaciones de la fuente y de la llama (cuando se usan) afectan poco al resultado si el instrumento está bien diseñado y estabilizado. En técnicas atómicas (EAA), las lámparas específicas para cada elemento proporcionan selectividad adicional.

4) ¿Qué es el desplazamiento químico y qué información proporciona en RMN?

El desplazamiento químico es la diferencia en la posición de resonancia (frecuencia) de núcleos equivalentes en el espectro RMN respecto a una referencia. Estas diferencias se deben al distinto apantallamiento electrónico de cada átomo de hidrógeno o núcleo, provocado por el entorno químico y la densidad electrónica. El desplazamiento químico aporta información sobre la naturaleza del entorno químico de los núcleos y permite la identificación de distintos tipos de átomos en una molécula. La intensidad (integral) de las señales permite saber el número relativo de núcleos en cada posición.

5) Transiciones en sistemas orgánicos: clasificación de mayor a menor energía e importancia en UV–Vis

Ordenadas de mayor a menor energía (y por tanto de menor a mayor longitud de onda):

1. σ → σ* (mayor energía): transiciones en enlaces σ (C–H, C–C). Requieren mucha energía; aparecen en el UV de vacío (λ < 150–180 nm) y generalmente no interesan en UV–Vis clásico.
2. n → σ*: transiciones desde pares electrónicos no enlazantes (n) a orbitales σ*; suelen aparecer en UV de alta energía.
3. π → π*: transiciones características de sistemas insaturados (dobles enlaces conjugados, cromóforos). Absorben en el UV (por encima de ~180–200 nm) con valores altos de ε y son las más relevantes en espectroscopia UV–Vis para cromóforos típicos.
4. n → π* (menor energía entre las listadas): se producen en grupos con heteroátomos (auxocromos), absorben en el UV cercano y vacío (≈150–250 nm según caso) y suelen tener ε más bajos que π→π*.

Los auxocromos pueden modificar la absorción de los cromóforos (efectos batocrómico/desplazamiento hacia el rojo o hipsocrómico/desplazamiento hacia el azul) y alterar la absortividad máxima (efectos hipercrómico/hipocrómico).

6. Absorbancia y transmitancia. Relación con la concentración

Por la ley de Beer–Lambert:

A = ε b c

donde A es la absorbancia (adimensional), ε el coeficiente de absorción molar (L·mol−1·cm−1), b la longitud de la cubeta (cm) y c la concentración (mol·L−1). La absorbancia es proporcional a la concentración y presenta relación lineal en el rango donde la ley se cumple.

La transmitancia (T) es la relación entre la intensidad transmitida (I) y la incidente (I0):

T = I / I0

Existe la relación A = −log10(T), por lo que T = 10^(−A). La transmitancia suele expresarse en porcentaje (%T = T·100).

7.) ¿Qué son modos normales de vibración?

En una molécula con n átomos, cada partícula puede moverse en tres direcciones, lo que da 3n grados de libertad. Tres de estos movimientos corresponden a traslación de la molécula entera y otros tres (o dos si la molécula es lineal) corresponden a rotación. El resto, 3n − 6 (o 3n − 5 para moléculas lineales), son los modos normales de vibración, que describen las oscilaciones independientes de los átomos en la molécula.

8.) ¿Se puede utilizar una fuente emisora de espectro continuo en espectrofotometría de absorción atómica (EAA)?

Sí, se puede utilizar una fuente de espectro continuo, seleccionando la longitud de onda deseada con un monocromador. No obstante, las fuentes continuas presentan desventajas: menor intensidad en las líneas atómicas estrechas y la necesidad de un monocromador de alta resolución y buena sensibilidad. Lo más habitual en EAA son las lámparas de cátodo hueco (HCL) o lámparas de electrodo hueco, que emiten líneas estrechas e intensas correspondientes al elemento de interés y ofrecen mayor sensibilidad y selectividad. Las HCL permiten, además, que los átomos del metal se redepositen en el cátodo, manteniendo la emisión característica.

9.) Factores que afectan a la emisión de fluorescencia molecular: descripción y orden de importancia

Factores que determinan si una sustancia emite fluorescencia (ordenados de mayor a menor importancia, y con indicación de la necesidad de cada uno):

1. Presencia de grupos cromóforos (esencial): sin un cromóforo capaz de absorber en la región considerada no habrá fluorescencia observable. Es el requisito imprescindible.
2. Estructura química: conjugación, sustituyentes, rigidez y simetría afectan la eficiencia fluorescente. Aumentos de rigidez y conjugación suelen incrementar la fluorescencia.
3. Factores estéricos y conformacionales: moléculas planas y simétricas dan espectros de absorción y emisión más definidos; cambios conformacionales entre estados fundamental y excitado afectan la intensidad y forma de los espectros.
4. Parámetros físicos del medio: temperatura (a mayor temperatura suele disminuir la intensidad fluorescente por aumento de procesos no radiativos), viscosidad (a mayor viscosidad, menor difusión y a menudo mayor fluorescencia), pH y naturaleza del disolvente (interacciones solvente–soluto modulan la fluorescencia).

2.) Amplitud espectral y paso de banda de un monocromador

Las rendijas (o ranuras) de los monocromadores definen un intervalo de longitudes de onda que pasa por el sistema; este intervalo es la amplitud espectral (o ancho de banda). El paso de banda se define usualmente como el intervalo de longitudes de onda para el cual la intensidad es al menos el 50 % de la intensidad máxima transmitida por la rendija (full width at half maximum, FWHM).

18.) Fuentes de emisión en absorción atómica. Características exigidas

Las líneas espectrales de los átomos son extremadamente estrechas, por lo que las fuentes de REM usadas en EAA deben ser intensas justo en la estrecha línea de absorción del elemento. Las dos grandes familias de fuentes son:

• Fuentes continuas: emiten bandas anchas; tienen la desventaja de baja intensidad por línea específica y requieren monocromadores de alta resolución.
• Fuentes lineales (de líneas): emiten radiación muy intensa en líneas estrechas que coinciden con las líneas atómicas; son las más adecuadas para EAA. Desventaja: suele ser necesario cambiar la fuente para cada elemento. La lámpara de cátodo hueco es la más utilizada.

19.) Fuentes de emisión en espectrofotometría UV–Vis

Para la región ultravioleta se utilizan lámparas de descarga con ventana de cuarzo (porque el vidrio absorbe por debajo de ≈340 nm). Gases usados: hidrógeno (185–373 nm efectivo) y deuterio (espectro similar y mayor intensidad). También se usan lámparas de xenón o de vapor de mercurio en aplicaciones específicas.

Para la región visible se usan lámparas de filamento de wolframio (tungsteno) que emiten eficazmente entre ≈350 y 2 500 nm con un máximo cerca de 800 nm; lámparas halógenas (iodo–tungsteno) amplían la respuesta hacia el UV cercano; lámparas de arco de xenón cubren desde UV hasta VIS (≈150–700 nm) pero requieren una alimentación eléctrica estable.

20.) Sistemas detectores en espectroscopía IR. ¿Se puede usar detectores de fotoemisión en IR?

En IR no se pueden usar receptores fotovoltaicos convencionales basados en efectos fotoeléctricos de semiconductores para todo el rango, porque la energía de los fotones IR es baja. Por ello se emplean detectores térmicos (termopares, bolómetros, celdas Golay) que miden el calentamiento por absorción de IR. No obstante, existen detectores fotoconductores o fotovoltaicos especiales (PbS, PbSe, Ge, InSb, HgCdTe según rango) que responden en el infrarrojo medio y cercano; estos detectores basados en semiconductores pueden considerarse detectores por fotoemisión o fotoconductivos adaptados al IR.

21) Fundamento e instrumentación de la RMN

Los núcleos atómicos con espín poseen un momento magnético asociado. En presencia de un campo magnético externo, las orientaciones del momento magnético son cuantizadas y corresponden a niveles de energía discretos. Si se aplica radiación electromagnética de frecuencia igual a la diferencia de energía entre dos niveles, se producen transiciones detectables: eso es la espectroscopía de RMN.

Instrumentalmente, el campo magnético se crea mediante un imán (superconductores o permanentes) y se aplican bobinados para ajustar finamente el campo. La muestra se sitúa en un tubo en el interior del campo y se excita con pulsos de radiofrecuencia; la señal de resonancia es detectada por bobinados receptores que captan la señal inducida por el cambio de magnetización nuclear. La señal detectada es procesada (transformada de Fourier) para obtener el espectro.

22) ¿Por qué en espectrofotometría de emisión de plasma se utilizan monocromadores dobles y en emisión de llama suele ser suficiente con filtros interferenciales?

En emisión de plasma (p. ej. ICP), la fuente excitadora es muy energética y genera un gran número de líneas de emisión, muchas de ellas muy próximas entre sí. Las líneas tienen una anchura espectral muy pequeña (orden de 10⁻³ nm), por lo que se requieren monocromadores de alto poder de resolución; el uso de monocromadores dobles mejora la resolución espectral y reduce la luz dispersa para separar líneas estrechas y próximas.

En emisión de llama, la energía es menor y la separación entre líneas de interés suele ser mayor; por ello, en aplicaciones sencillas bastan filtros interferenciales o monocromadores simples para seleccionar la banda de interés. Esto se refleja en las aplicaciones: la espectrometría de plasma es más sensible y permite determinar muchos elementos simultáneamente; la emisión de llama es menos sensible y más limitada a ciertos elementos.

23.) Explica cómo funciona una red de difracción

Una red de difracción basa su funcionamiento en el fenómeno de difracción: cuando una onda luminosa incide sobre una estructura periódica con rendijas o surcos, la luz se dispersa en varias direcciones. Cada orden de difracción corresponde a longitudes de onda que satisfacen la condición de interferencia constructiva (ec. de la red), de modo que la red separa la luz en sus componentes espectrales enviando cada longitud de onda a un ángulo distinto. Las redes se usan como elementos dispersivos en monocromadores para separar longitudes de onda con alta resolución.

24) Fundamento e instrumentación en la fotometría de llama

La fotometría de llama se basa en la emisión de radiación por átomos excitados térmicamente por una llama al retornar a estados de menor energía. Instrumentalmente se emplea una fuente de llama, un sistema de nebulización para convertir la muestra en aerosol (cámara de niebla), un selector de longitud de onda (filtros interferenciales o monocromadores) y un detector (células fotovoltaicas en sistemas sencillos o tubos fotomultiplicadores en sistemas de mayor sensibilidad).

25) Determinación de constantes de disociación (Ka) de sustancias con grupos chromóforos

La espectrometría UV–Vis permite determinar constantes de disociación de sustancias ionizables porque los espectros de absorción dependen del pH. Si se representan los espectros a diferentes pH, a menudo se observa un punto isobéstico donde los espectros se cruzan (característico de sistemas con dos especies interconvertibles).

Si se grafica la absorbancia a una longitud de onda distinta del punto isobéstico frente al pH, se obtiene una curva en forma de S. El pKa se define como el pH en el cual las formas disociada y no disociada están en igual concentración. En el punto de inflexión (máxima pendiente) de la curva absorbancia vs. pH se cumple [A−] = [HA] y, por tanto, pKa = pH en ese punto.

Relación práctica: cuando [A−] = [HA] → pKa = pH.