Absorción Atómica | Conceptos Básicos, Análisis y Aplicaciones: Aprende cómo se mide la concentración de elementos químicos mediante la absorción de luz.
Absorción Atómica: Conceptos Básicos, Análisis y Aplicaciones
La absorción atómica es un método comúnmente utilizado en análisis químico para determinar la concentración de un elemento en una muestra. Desde su desarrollo inicial en la década de 1950, ha encontrado múltiples aplicaciones en campos como la medicina, la geología, la biología y la industria alimentaria. En este artículo, exploraremos los conceptos básicos de la absorción atómica, las teorías subyacentes y las fórmulas esenciales que debemos conocer.
Conceptos Básicos de la Absorción Atómica
La absorción atómica se basa en la capacidad de los átomos para absorber luz a una longitud de onda específica. Cuando un átomo en estado fundamental (no excitado) absorbe una cantidad de energía correspondiente a la diferencia entre su estado fundamental y un estado excitado, pasa a este último. Esta transición de energía es específica para cada elemento, lo que permite su identificación y cuantificación.
Teoría de la Absorción Atómica
La teoría detrás de la absorción atómica se fundamenta en la mecánica cuántica y la teoría de bandas electrónicas. A continuación, se describen los principales aspectos teóricos:
- Niveles de Energía Cuántica: Los átomos tienen niveles de energía discretos, y la energía de la luz absorbida debe coincidir exactamente con la diferencia entre dos de estos niveles. Según la ecuación de energía de Planck, esto se expresa como E = h \nu , donde E es la energía, h es la constante de Planck, y \nu es la frecuencia de la luz.
- Espectros de Absorción: Cada elemento químico tiene un espectro de absorción único, similar a una “huella dactilar”, que se presenta como líneas oscuras en el espectro continuo de la luz, indicando las longitudes de onda específicas que son absorbidas.
- Ley de Beer-Lambert: Esta ley relaciona la absorción de luz con la concentración de los átomos absorbentes y la distancia que la luz recorre a través de la muestra. Matemáticamente, está descrita como:
A = \epsilon \cdot c \cdot l
donde:
- A es la absorbancia.
- \epsilon es el coeficiente de absorción molar.
- c es la concentración del analito.
- l es la longitud del camino óptico.
Análisis por Absorción Atómica
El análisis por absorción atómica se puede realizar mediante diferentes técnicas, siendo las más comunes la espectroscopia de absorción atómica con llama (FAAS) y la espectroscopia de absorción atómica con horno de grafito (GFAAS).
- FAAS: La muestra se atomiza en una llama de aire-acetileno o de óxido nitroso-acetileno. La fuente de luz, comúnmente una lámpara de cátodo hueco, emite luz de una longitud de onda específica que es absorbida por los átomos en la llama. La cantidad de luz absorbida es proporcional a la concentración del elemento en la muestra.
- GFAAS: La muestra se coloca en un pequeño tubo de grafito y se calienta a temperaturas extremadamente altas, atomizando los elementos. Esta técnica es más sensible que FAAS y permite la detección de concentraciones mucho más bajas de los analitos.
Instrumentación
El equipamiento necesario para la absorción atómica incluye varios componentes clave:
- Fuente de Luz: Normalmente, se utiliza una lámpara de cátodo hueco. Esta debe emitir luz a la longitud de onda específica del elemento que se está analizando.
- Sistema de Atomización: Puede ser una llama o un horno de grafito. Este sistema es responsable de convertir la muestra en átomos libres en estado gaseoso.
- Monocromador: Se utiliza para aislar la longitud de onda de interés de la luz emitida por la fuente para asegurar que solo la longitud de onda específica llegue al detector.
- Detector: Suele ser un fotomultiplicador, que mide la cantidad de luz absorbida y convierte esta señal en datos legibles por el analista.
El proceso básico de análisis es el siguiente:
- La muestra se prepara y se introduce en el sistema de atomización.
- El sistema de atomización convierte la muestra en átomos libres.
- La fuente de luz emite radiación en la longitud de onda específica del elemento a analizar.
- El monocromador selecciona la longitud de onda de interés.
- El detector mide la cantidad de luz absorbida por los átomos en la muestra.
Formulas y Cálculos
El uso de la ley de Beer-Lambert es esencial para la interpretación de los resultados obtenidos a partir de la absorción atómica. Vamos a desglosar esta ley en pasos simples para facilitar su comprensión.
Se expresa como:
La absorbancia (A) es una medida adimensional que indica la cantidad de luz absorbida. Para calcular la concentración del analito (c), se reordenaría la fórmula como sigue:
Considerando que \epsilon es una constante conocida para cada elemento en una longitud de onda específica y l es la longitud del camino óptico, la absorbancia medida puede transformarse directamente en la concentración del analito.
Es importante señalar que, en la práctica, se utilizan patrones de calibración con concentraciones conocidas para construir una curva de calibración, permitiendo así estimar las concentraciones de muestras desconocidas de manera más precisa.