La absortividad molar es una propiedad fundamental en la espectroscopia y la química analítica, especialmente relevante para comprender cómo un analito (la sustancia de interés) interactúa con la luz. Se refiere a la capacidad intrínseca de una sustancia para absorber luz a una determinada longitud de onda.
Fundamentos de la Absorbancia y la Ley de Beer-Lambert
¿Qué es la Absorbancia?
La absorbancia es un concepto fundamental en el campo de la espectroscopia y la química analítica. Se refiere a la medida de la cantidad de luz que absorbe una sustancia cuando la luz la atraviesa. Cuando la luz interactúa con un material, ciertas longitudes de onda son absorbidas mientras que otras son transmitidas o reflejadas.
La absorbancia mide cuánta luz se absorbe, y se calcula mediante la fórmula A = -log(I/I0), donde A es la absorbancia, I es la intensidad de luz transmitida e I0 es la intensidad de luz incidente.
La Ley de Beer-Lambert
La ley de Beer-Lambert relaciona la absorción de la luz por una sustancia con su concentración y la longitud del recorrido de la luz a través de la solución. Se expresa como A = ϵ • c • l, donde:
- A es la absorbancia (adimensional).
- ϵ (épsilon) es la absortividad molar (una constante de proporcionalidad).
- c es la concentración de la sustancia absorbente.
- l es la longitud del camino que la luz recorre a través de la solución (generalmente la longitud de la celda o cubeta).
Según la ley de Beer-Lambert, la absorbancia es directamente proporcional a la concentración de una sustancia en una solución. A medida que aumenta la concentración, aumenta también la absorbancia, siempre que la longitud del camino y la absortividad molar permanezcan constantes.
La absorbancia mide la cantidad de luz absorbida por una sustancia, mientras que la transmitancia se refiere a la cantidad de luz que la atraviesa. La ley de Beer-Lambert relaciona matemáticamente la absorbancia con la concentración de una sustancia, la longitud del recorrido de la luz y la absortividad molar.
Espectroscopia de Absorbancia
La espectroscopia de absorbancia es una potente técnica analítica utilizada para determinar la concentración de una sustancia en una solución. Midiendo la absorbancia de la luz a longitudes de onda específicas, los científicos pueden identificar y cuantificar diversos compuestos.
¿Qué es la Absortividad Molar (ϵ)?
La absortividad de una solución es la cantidad de luz que esta es capaz de absorber. Si la concentración de la solución está expresada en moles por litro, entonces estaremos hablando de absortividad molar.
La absortividad molar es una propiedad química que indica cuánta luz puede absorber una especie en solución. Como la luz se compone de fotones con energías (o longitudes de onda) propias, dependiendo de la especie o mezcla analizada, un fotón puede absorberse en mayor grado que otro. Así, el valor de la absortividad molar es directamente proporcional al grado de absorción de la luz a una determinada longitud de onda. Por ejemplo, una especie que absorbe luz roja reflejará un color verde.
La absortividad molar es una constante definida en la expresión matemática de la ley de Lambert-Beer, y señala simplemente cuánta luz absorbe la especie química o la mezcla. Dada λ (longitud de onda), expresada en nanómetros, el valor de ϵ permanece constante. Si se conoce su valor máximo, ϵmax, se determina al mismo tiempo λmax, que es la longitud de onda de máxima absorción.
Unidades y Relación Gráfica de la Absortividad Molar
Unidades de Medida
La concentración de la especie absorbente puede expresarse bien sea en g/L o mol/L, y la longitud del camino (l o b) usualmente se expresa en cm o m (porque es la longitud de la celda que atraviesa el haz de luz).
Así, multiplicando las unidades de l y c se obtiene, por ejemplo, M∙cm (molar por centímetro). Para que la absorbancia (A) sea adimensional, las unidades que debe tener ϵ son aquellas que, al multiplicarse por M∙cm, den un valor de 1 (M∙cm x U=1). De hecho, utilizar las unidades de M-1∙cm-1 o L∙mol-1∙cm-1 agiliza los cálculos para determinar la absortividad molar. Sin embargo, también suele expresarse con unidades de m2/mol o cm2/mol.
Cálculo y Representación Gráfica
Si se conoce la concentración de la especie absorbente, la longitud de la celda, y cuál es la absorbancia obtenida a una longitud de onda, puede calcularse ϵ mediante el despeje de la Ley de Beer-Lambert.
Si se observa detenidamente la ecuación de la ley de Lambert-Beer (A = ϵ • c • l), se notará que se parece a la ecuación de una recta (Y = aX + b). Esto significa que si se grafican los valores de A en el eje Y, y los de c en el eje X, debe obtenerse una línea recta que pasa por el origen (0,0), asumiendo que ϵ y l son constantes. Por lo tanto, graficada la recta, la pendiente de esta recta es igual a ϵ • l.
Los errores experimentales pueden hacer que una recta no pase por dos, tres o más puntos de manera perfecta, por lo que en realidad se utiliza la recta obtenida tras aplicar el método de los mínimos cuadrados (una función que ya viene incorporada en las calculadoras y software de análisis de datos) para obtener la mejor línea de ajuste.
Significado y Variabilidad de la Absortividad Molar
El significado de la longitud del camino y la concentración son evidentes, y su efecto sobre la extensión de la absorbancia también es claro: cuanto más especies absorbentes están presentes (concentración) y más oportunidad para que una molécula absorba la luz (longitud de la trayectoria), mayor es la absorbancia. El significado de la absortividad molar, lo que representa, es menos intuitivo.
Se trata, por supuesto, de una constante de proporcionalidad que convierte el producto de la longitud del camino y la concentración (l • c) en absorbancia. Los valores máximos para ϵ son del orden de 105 L/(mol•cm) para moléculas simples, y son proporcionales al área transversal de la especie absorbente y la probabilidad de que se absorba un fotón que pasa por esta área transversal.
Aunque los valores de absortividad molar a menudo se reportan en la literatura, sus valores suelen variar significativamente de estudio a estudio. Esto se debe presumiblemente a diferencias en la pureza de los reactivos, los disolventes utilizados para preparar soluciones, la precisión con la que se mide la longitud de la trayectoria y el instrumento utilizado para las mediciones.
Aplicaciones en la Química Analítica y Clínica
Los conceptos de absorbancia y absortividad molar son muy utilizados en diversas técnicas de química clínica, que se emplean para determinar la concentración de colesterol, triglicéridos, glucosa, entre otros metabolitos, en sangre.
El proceso generalmente implica hacer incidir un haz de luz, con una determinada longitud de onda y una cierta intensidad, de manera transversal a la cubeta en la cual se halla la solución. Los solutos absorben una cierta cantidad de luz y la luz que logra atravesar la solución se mide al otro lado de la cubeta mediante un espectrofotómetro.
En química clínica, estas sustancias presentes en suero o plasma se hacen reaccionar con determinados compuestos químicos, de manera de obtener una solución coloreada cuya intensidad de color es proporcional a la concentración del analito. Luego se procede a medir la absorbancia de la solución coloreada.
Previamente, se ha realizado una curva de calibración. Para esto, se utilizan soluciones de concentraciones conocidas y se mide la absorbancia de dichas soluciones. Supongamos que se tiene una muestra de plasma en la cual se quiere medir la concentración de glucosa. Se cuenta con una muestra de concentración conocida de glucosa, de la cual se pueden hacer diluciones para obtener varios puntos de referencia. Luego se realiza el procedimiento de agregar los reactivos que formarán el compuesto coloreado a partir de la glucosa presente, tanto para la muestra problema como para las de concentración conocida.
Posteriormente, se toma la solución más concentrada y se busca en el espectrofotómetro cuál es la longitud de onda de luz para la cual la solución presenta mayor absorción (λmax). Se sabe que a cada concentración conocida corresponde una determinada absorbancia, y la gráfica absorbancia-concentración obtenida será una recta (al menos hasta cierto punto, llamado linealidad de la técnica). Esta curva de calibración permite luego interpolar la absorbancia de la muestra problema para determinar su concentración de analito.
Cápsula: ley de lambert beer
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