Espectroscopia
Un espectro relaciona una interacción física con una señal medida. Antes de asignar un pico, identifica los ejes y el mecanismo que origina la señal.
Origen físico de la señal
Para un fotón, E = hν = hc/λ. Si la materia cambia entre dos estados separados por una energía ΔE, la frecuencia del fotón resonante cumple ΔE = hν. Por tanto, una mayor separación de energía corresponde a una frecuencia más alta y una longitud de onda más corta.
Esto no significa que toda diferencia de energía posible produzca una línea intensa. Las reglas de selección de la mecánica cuántica y el acoplamiento detallado entre radiación y materia determinan si una transición está permitida y cuál será su intensidad.
En espectroscopia de absorción, la radiación incidente pierde determinadas energías de fotón porque la muestra pasa a estados de mayor energía. En espectroscopia de emisión, una muestra excitada libera fotones al pasar a estados de menor energía. Por tanto, la misma diferencia de energía puede aparecer como una característica de absorción en un experimento y de emisión en otro.
En espectroscopia de dispersión, el fotón detectado ha interactuado con la muestra y ha cambiado de dirección. La mayor parte de la dispersión es elástica, pero en espectroscopia Raman una pequeña fracción de los fotones intercambia energía con vibraciones moleculares. El desplazamiento de frecuencia de la luz dispersada revela así información vibracional sin medir la absorción IR ordinaria.
Un átomo aislado posee niveles electrónicos de energía. Una transición entre dos de ellos produce una energía de fotón bien definida, por lo que los espectros atómicos suelen contener líneas relativamente estrechas. El hidrógeno es el ejemplo clásico: las líneas visibles de Balmer corresponden a transiciones que terminan en n = 2, mientras que las series de Lyman y Paschen se encuentran principalmente en el ultravioleta y el infrarrojo.
Las moléculas tienen más formas de almacenar energía. Los estados electrónicos contienen subniveles vibracionales, y estos a su vez presentan estructura rotacional. Muchas transiciones muy próximas pueden solaparse y formar bandas. En fases condensadas, las colisiones y las interacciones con moléculas vecinas ensanchan aún más esas bandas. Un espectro molecular no es «más desordenado porque el instrumento sea peor»; gran parte de esa complejidad pertenece a la propia molécula.
Cómo leer un espectro
El eje horizontal no es universal. Según la técnica, puede representar la longitud de onda λ, la frecuencia ν, la energía del fotón E, el número de onda ṽ en cm⁻¹ o el desplazamiento químico δ de RMN en ppm. El eje vertical puede representar intensidad, absorbancia, transmitancia, cuentas de emisión u otra respuesta del detector.
Esto importa porque el sentido visual puede invertirse. En espectroscopia IR, los espectros suelen representarse con los números de onda altos a la izquierda. Un espectro de transmitancia muestra las absorciones hacia abajo; uno de absorbancia muestra las mismas absorciones hacia arriba. Antes de atribuir significado químico a un pico, identifica los ejes, las unidades y la convención de representación.
| Técnica | Interacción | Información habitual |
|---|---|---|
| UV-visible | Transiciones electrónicas | Absorción, color, concentración |
| IR | Vibraciones | Enlaces y grupos funcionales |
| Raman | Dispersión inelástica | Vibraciones complementarias a IR |
| RMN | Espines nucleares | Entornos locales y conectividad |
Técnicas habituales
UV-visible
La radiación UV-visible suele promover electrones de valencia entre orbitales moleculares o estados electrónicos. Los sistemas π conjugados y los complejos de metales de transición son ejemplos frecuentes porque sus separaciones energéticas caen en la región UV o visible. La absorción de determinadas longitudes de onda visibles también explica el color: una disolución parece coloreada porque absorbe unas zonas de la luz visible con mayor intensidad que otras.
UV-Vis es especialmente útil cuando el objetivo no es solo identificar una especie absorbente, sino medir su concentración. La relación central es la ley de Beer-Lambert:
A = εbc
Aquí A es la absorbancia (adimensional), ε es la absortividad molar, a menudo expresada en L mol⁻¹ cm⁻¹, b es la longitud del trayecto óptico en cm y c la concentración en mol L⁻¹. A una longitud de onda elegida, la absorbancia es proporcional a la concentración cuando la forma química permanece estable y las condiciones experimentales se mantienen en el régimen lineal.
Infrarrojo
La radiación infrarroja puede inducir transiciones entre estados vibracionales moleculares. Las frecuencias de estiramiento y flexión dependen de la rigidez del enlace, de las masas atómicas y del entorno molecular. Una banda intensa de estiramiento C=O, por ejemplo, aparece a un número de onda muy distinto de la región de estiramiento O–H.
Una vibración absorbe IR solo si produce un cambio en el momento dipolar de la molécula. Esta regla de selección explica la importancia de la simetría y por qué los espectros IR y Raman suelen complementarse. La congestionada región de huella digital puede ser muy característica de una molécula, incluso cuando resulta difícil asignar una a una las bandas individuales.
Raman
La espectroscopia Raman mide la pequeña componente inelástica de la luz dispersada. Una vibración molecular es activa en Raman cuando cambia la polarizabilidad de la molécula. La actividad IR depende, en cambio, de un cambio del momento dipolar. Como estas condiciones son distintas, una vibración débil o ausente en IR puede ser intensa en Raman, especialmente en moléculas simétricas.
Esta complementariedad es más útil que declarar que una técnica es «mejor». El experimento debe elegirse según la interacción física capaz de revelar la característica que interesa.
RMN
La resonancia magnética nuclear no estudia principalmente vibraciones moleculares ni color electrónico. Ciertos núcleos poseen espín y, en un campo magnético, pueden ocupar distintos estados de energía magnética. La radiación de radiofrecuencia induce transiciones entre ellos.
La distribución electrónica local apantalla ligeramente un núcleo frente al campo aplicado. Por eso hidrógenos o carbonos químicamente distintos resuenan a diferentes desplazamientos químicos, normalmente expresados en ppm. El número de señales, el desplazamiento químico, el área integrada y el desdoblamiento espín-espín aportan informaciones estructurales distintas. Por ello, la RMN es muy potente para reconstruir cómo están conectados los átomos, no solo para preguntar qué grupo funcional está presente.
Cálculos
Beer-Lambert
Un analito tiene ε = 1,50 × 10⁴ L mol⁻¹ cm⁻¹ en su máximo de absorción. Una cubeta de 1,00 cm da A = 0,720. Entonces:
c = A/(εb) = 0,720 / [(1,50 × 10⁴)(1,00)] = 4,80 × 10⁻⁵ mol L⁻¹.
El cálculo es sencillo; el juicio experimental no. Un blanco distinto de cero, la luz parásita, la dispersión, un equilibrio químico que cambie con la concentración o valores de absorbancia fuera del intervalo lineal útil pueden hacer que la aparente relación lineal deje de ser fiable. Por eso, una buena espectrofotometría utiliza blancos y, normalmente, una serie de calibración en lugar de confiar ciegamente en una sola ecuación.
Energía del fotón
Una línea a 486,1 nm corresponde aproximadamente a una energía de fotón de:
E ≈ 1240 eV·nm / 486,1 nm = 2,55 eV.
Si esa línea procede de una transición atómica, 2,55 eV es la diferencia de energía entre los dos estados participantes. La longitud de onda no es una etiqueta arbitraria de color: es una medida de energía.
Espectros reales e instrumentación
Los átomos de cada elemento tienen un patrón característico de diferencias de energía permitidas. Por ello, sodio, hidrógeno, helio o hierro excitados emiten y absorben conjuntos distintos de longitudes de onda. La espectroscopia atómica de laboratorio utiliza esas firmas para el análisis elemental; la astronomía emplea la misma física para deducir la composición de atmósferas estelares sin recoger una muestra física.
La posición de una línea identifica una diferencia de energía. Su intensidad depende de factores adicionales, como la población de los estados, la probabilidad de transición, la cantidad de especie presente y la respuesta instrumental. Por tanto, la intensidad no mide directamente «cuánta energía contiene ese nivel».
Ninguna línea espectral real es infinitamente estrecha. Una vida finita del estado excitado produce ensanchamiento natural. El movimiento térmico causa ensanchamiento Doppler porque emisores o absorbentes en movimiento presentan frecuencias ligeramente desplazadas. Las colisiones originan ensanchamiento por presión. El propio instrumento añade una anchura de respuesta finita.
Resolución describe la capacidad para distinguir características espectrales próximas. Aumentar la resolución puede separar picos que antes se solapaban, pero no crea información que la muestra física nunca codificó. Los ajustes del instrumento también implican compromisos entre resolución, intensidad de señal, tiempo de adquisición y ruido.
Los instrumentos pueden tener aspectos muy distintos, pero la mayoría sigue la misma secuencia lógica: generar o recibir radiación, seleccionar o codificar su contenido espectral, hacerla interactuar con la muestra, detectar la respuesta y convertirla en un espectro. Un instrumento UV-Vis dispersivo puede utilizar una red o un monocromador para seleccionar longitudes de onda de forma secuencial. La espectroscopia IR por transformada de Fourier registra, en cambio, un interferograma que contiene muchas frecuencias simultáneamente y lo transforma matemáticamente en un espectro.
La traza mostrada ya es, por tanto, el resultado de la óptica, la electrónica y el tratamiento de datos. La sustracción del fondo, la sensibilidad del detector, la calibración y la corrección de la línea base forman parte de la medición; no son retoques cosméticos añadidos después de la ciencia «real».
Interpretación analítica
La espectrometría de masas suele estudiarse junto con IR, UV-Vis y RMN porque todas son fundamentales para la identificación química. Sin embargo, en sentido estricto, la espectrometría de masas no detecta absorción o emisión electromagnética en función de la energía de los fotones. Ioniza especies y separa o analiza iones según su relación masa/carga m/z.
La distinción importa porque la información es complementaria. La espectrometría de masas puede acotar la masa y la fórmula molecular o revelar fragmentación; IR puede identificar tipos de enlace; RMN puede mostrar entornos atómicos locales y conectividad; UV-Vis puede estudiar estructura electrónica y concentración. La determinación moderna de estructuras es mucho más sólida cuando coinciden estas pistas independientes.
- Identifica la técnica. IR, UV-Vis, RMN y emisión atómica no utilizan los mismos ejes ni las mismas reglas de interpretación.
- Lee los ejes y las unidades. Nunca asignes un pico antes de hacerlo.
- Distingue posición, intensidad y anchura. Responden a preguntas distintas.
- Busca patrones, no picos aislados. Las series, las formas de banda, los desdoblamientos y las intensidades relativas suelen ser más informativos que una característica aislada.
- Comprueba la plausibilidad física. ¿La transición o el grupo funcional propuestos encajan con el resto de la química de la muestra?
- Combina técnicas. Trata los espectros independientes como restricciones sobre una misma estructura, no como juegos de identificación separados.
La asignación de un pico es una hipótesis respaldada por modelos físicos y comparaciones, no una etiqueta mágica que coloca el instrumento. Las bandas solapadas, las mezclas, las señales del disolvente, la fluorescencia, la dispersión, la saturación, los efectos de matriz y una calibración imperfecta pueden inducir a error. La comparación con bases de datos es potente, pero una coincidencia numérica sin contexto químico también puede ser incorrecta.
La conclusión más sólida suele ser la respaldada por varias observaciones independientes: posiciones de pico correctas, intensidades razonables, formas de línea adecuadas y concordancia con otro método analítico.
Ejercicios
Beer-Lambert
Se miden dos disoluciones de la misma especie en condiciones idénticas. La concentración de la segunda se duplica y se mantiene el régimen lineal. ¿Qué ocurre con la absorbancia?
Solución
Se duplica porque A = εbc y tanto ε como b permanecen constantes.
Elegir una técnica
Necesitas distinguir varios entornos de protones en una molécula orgánica. ¿Qué técnica es la más directa?
Solución
RMN, porque el desplazamiento químico depende del entorno electrónico local de los núcleos observados.