Hoy acabamos estos blog sobre lo que no se puede ver con dos microscopios de escala atómica. Veremos dos microscopios menos conocidos pero probablemente con más resolución que los microscopios electrónicos, los que mucha gente supone que son los más potentes. Vamos con ellos...
Microscopio de fuerzas atómicas (AFM)
El microscopio de fuerzas atómicas (Atomic Forces Microscope, AFM, por sus siglas en inglés) es un microscopio basado en pasar una punta muy fina (de uno o pocos átomos de anchura) sobre un material y registrar, mediante el movimiento de un fleje o voladizo acoplado a la punta, su altura, teniendo una sensibilidad en la altura menor a la de un átomo, pudiendo mapear una superficie para ver si estructura superficial.
En la parte posterior de la punta lleva un espejo que refleja un láser, que por reflexión cambia la trayectoria del láser reflejado, impactando en diferentes fotodiodos, significando una altura diferente cada uno de ellos. Os dejo un pequeño esquema:
Esquema de un AFM
Este microscopio tiene la ventaja de que puede rastrear cualquier superficie, no siendo necesario que sea conductora (como por ejemplo en la microscopía electrónica). La principal limitación que tiene esta técnica es que la resolución máxima la marca la punta. Puntas menos "afiladas" darán resoluciones peores mientras que puntas muy afiladas, en teoría de un átomo de grosor, daría resoluciones atómicas en la altura.
Las puntas de AFM pueden ser funcionalizadas para cambiar su respuesta frente a ciertos grupos funcionales, metales o cualquier otra interacción. Esto puede hacer que sea más sensible a ciertas estructuras o hacerlo invisible a otras, dependiendo del interés del operador.
A continuación os dejo algunas imágenes obtenidas por AFM, podéis buscar más por Internet que, por cuestión de derechos legales, no puedo poner aquí:
Microscopio de efecto túnel (STM)
El microscopio de efecto túnel (Scanning Tunneling Microscope, en inglés) es un microscopio que utiliza un curioso efecto cuántico, el efecto túnel, para tomar imágenes de superficies conductoras. El efecto túnel consiste en que una partícula cuántica atraviese una barrera que tiene mucha más energía que la partícula. El equivalente en el mundo macroscópico es atravesar una pared con una pelota de fútbol, es decir, que el balón atraviese la pared sin romperla ni romper el balón y sin ningún agujero en ella.
El STM funciona haciendo pasar una punta conductora sobre el material, haciendo que pase una pequeña corriente por efecto túnel (recordemos que el aire es un aislante y que harían falta potenciales mucho más grandes de los usados en STM para romper el dieléctrico del aire). Se puede medir en STM de diferentes modos: Uno de ellos registra la señal como la intensidad de corriente que pasa mientras que otro eleva la punta con ayuda de un piezoeléctrico hasta que la intensidad permanece constante.
La principal desventaja es que el material a examinar debe ser conductor, no pudiéndose metalizar como en el caso de las microscopías. Además los tiempos de análisis son largos, también para AFM.
Lámina de oro por STM
Hasta aquí el post de esta semana. Espero que hayas aprendido que hay otras maneras de ver lo que no se ve y no sólo con la ayuda de un microscopio, sino con otras técnicas avanzadas.
Esta semana vamos a hablar sobre cómo poder ver cosas que son tan pequeñas que no podemos verlo con nuestros ojos, ni siquiera con un microscopio tradicional. Vamos a verlo...
¿Qué es un microscopio electrónico?
Un microscopio electrónico es un microscopio que utiliza un haz de electrones acelerados como fuente de iluminación. Los microscopios electrónicos utilizan campos magnéticos conformados para formar sistemas de lentes electrónicas que son análogos a las lentes de vidrio de un microscopio óptico de luz.
Estos electrones se aceleran a mucha energía hacia la muestra, que interactúa con ellos. La resolución de un microscopio depende de la velocidad a la que se aceleran esos electrones, proporcionándoles una energía; teniendo una mayor resolución a mayor energía.
Esto es debido a que no se pueden ver cosas menores a la longitud de onda del corpúsculo utilizado, ya sea luz visible en el caso del microscopio óptico o electrones en el caso del microscopio electrónico. Como la longitud de onda de un electrón puede ser hasta 100,000 veces más corta que la de los fotones de luz visible, los microscopios electrónicos tienen un mayor poder de resolución que los microscopios de luz y pueden revelar la estructura de objetos más pequeños.
Un microscopio electrónico de transmisión de exploración ha logrado una resolución superior a 50 pm y aumentos de hasta aproximadamente 10,000,000 × mientras que la mayoría de los microscopios de luz están limitados por difracción a una resolución de aproximadamente 200 nm y aumentos útiles por debajo de 2000 ×.
Tipos de microscopía electrónica:
Hay dos tipos principales de microscopía electrónica, dependiendo de si queremos ver la superficie o ver también el interior. Para ello, intentaremos que los electrones atraviesen la muestra (transmisión) o que reboten en su superficie, haciendo un barrido para ver toda la superficie (barrido)
Microscopía electrónica de transmisión (TEM)
Esta microscopía se emplea para ver el interior de los cuerpos a examinar. Para ello, los electrones atraviesan la muestra y son detectados por el lado opuesto. Al tener que atravesar los electrones la muestra, ésta debe ser muy fina, de unas pocas micras. Para ello, se cortan las muestras con un microtomo, parecido a un cepillo de carpintero, que va sacando pequeñas "lonchas" de las muestras.
Interior del virus de la viruela por TEM
CDC/ Fred Murphy; Sylvia Whitfield / Public domain
Las imágenes que se obtienen son las de mayor resolución con un microscopio electrónico, pudiendo ver la envolvente electrónica de los átomos en los equipos con mayor resolución. para ello es necesario que haya "columnas" de átomos para que tenga suficiente contraste.
Defectos en grafeno por TEM
http://www.nature.com/articles/srep03482
Microscopía electrónica de barrido (SEM)
La microscopía electrónica de barrido se emplea para ver la superficie de las muestras. Para ello, es necesario que la superficie de la muestra sea conductora de la electricidad. Si no lo es, como el el caso de la mayoría de las muestras biológicas, se puede depositar una pequeña capa de algún metal para hacerla conductora. Esta técnica no ofrece tantos aumentos como en el caso de la TEM, pero permite ver las cosas a un nivel de aumentos en el que se ven detalles que no nos imaginamos. Os dejo aquí un enlace donde ver una abeja por SEM del museo Smithsonian.
Detalle de la pata de una abeja por SEM
En química la SEM se emplea principalmente con criterios de identificación de estructuras o geometría de cristales, confirmación de intercrecimientos, estudio de cinéticas de formación de estructuras, etc., que serían imposibles de seguir a simple vista o con un microscopio tradicional. También se emplea para enfocar muestas donde hacer otros análisis extras, como un EDX para saber la composición elemental exacta de cada pequeña muestra (que a simple vista sería polvo).
Detalles de la superficie de un copo de nieve por SEM
AVISO!
Todas las imágenes obtenidas por microscopía electrónica son en blanco y negro, ya que es una representación en escala de grises de la cantidad de electrones que llegan al detector, donde el blanco es la máxima cantidad y negro es la mínima. La imagen se puede interpretar como una matriz donde cada pixel es el número de electrones que ha llegado.
Todas las imágenes de microscopía electrónica con color que veas SON COLOREADAS posteriormente con un software de edición digital de imágenes, no son imágenes nativas del microscopio. Obviamente, las imágenes se colorean para que reflejen mejor la realidad y sean más atractivas visualmente pero, lo recalco, son coloreadas posteriormente, las imágenes obtenidas son en BLANCO Y NEGRO.
Hasta aquí el post de esta semana. Si quieres ver más imágenes, sólo tienes que buscarlas y aparecerán muchas que, por tema de derechos legales, no he podido poner pero que son muy interesantes, te invito a que las busques por tu cuenta. Si hay algún problema, duda, aclaración o quieres que amplíe información sobre alguna de las microscopías, déjalo en los comentarios y contestaré lo antes posible. Como ves en el título es la parte I, si quieres una segunda parte con más técnicas para ver lo que no se puede ver, coméntamelo en los comentarios, en nuestra página de Facebook, en Twitter o en Instagram, en todas con @callofchemistry.
Ya comentamos en el post de la eficiencia energética que los LED son las fuentes de luz convencionales más eficientes actualmente. Aún así, a mucha gente le puede surgir la duda de qué es un LED, qué significan esas letras, cómo funcionan o cómo están hechos. Hoy, vamos a intentar dar respuesta a todas estas preguntas. Empezamos...
¿Qué es un LED?
LED son el acrónimo de Diodo Emisor de Luz (Light Emitting Diode, en ingles). Los diodos son componentes electrónicos presentes en la mayoría de circuitos electrónicos así como en casi todas los dispositivos de grabación digitales (fotodiodos). Básicamente, los diodos son componentes electrónicos que permiten que la corriente eléctrica pase en un sentido pero no en el contrario.
Esto es posible gracias a la manera de construir estos dispositivos, con dos tipos diferentes de semiconductores, un tipo P y un tipo N. Los semiconductores tipo P (positivo) tienen un defecto de carga. Este defecto se consigue dopando un elemento con otro que tenga menos electrones dejando "huecos electrónicos" que pueden ser ocupados por electrones libres. Por el contrario, los semiconductores N (negativo) son semiconductores que están dopados con elementos con más electrones, lo que hace que tenga un "exceso de electrones". Tanto los semiconductores N como los semiconductores P son eléctricamente neutros.
¿Cómo funcionan?
Cuando se juntan un semiconductor P y un semiconductor N se crea una unión P-N, que hace que parte de los electrones del semiconductor N pasen a algunos huecos del semiconductor P, dando lugar a una unión P-N.
Si conectamos una batería con el polo positivo a la parte P y el polo negativo a la parte N, los electrones extra de la parte P se irán al polo positivo, mientras que los electrones que le faltan a la parte N se rellenarán con los que salen del polo negativo, cerrando el circuito y provocando que la corriente fluya sin demasiado problema. A esta configuración se le denomina conexión directa.
Si por el contrario, conectamos la parte positiva con la parte N y la parte negativa con la parte P, la parte N se vaciará de sus electrones restantes y la parte P se llenará de los electrones de la batería, pero no será posible que la corriente fluya. Esta configuración se denomina conexión inversa.
Pero, ¿por qué emiten luz?
Como ya hemos visto, los electrones pasan del semiconductor N al semiconductor P. Al no corresponder exactamente los niveles electrónicos de ambos materiales, los electrones tienen que perder energía, siendo la emisión de radiación en forma de fotón una de las más eficaces. Si la diferencia de energía corresponde con alguna radiación visible, tendremos un diodo que emite luz, es decir, un LED.
Si ponemos algunos ejemplos concretos, el arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs) crea un LED de color rojo, el fosfuro de aluminio y galio (AlGaP) crea un LED verde, mientras que el seleniuro de zinc (ZnSe) crea un LED azul.
La luz LED blanca se puede obtener de varias maneras. Como ya se sabe, la luz blanca no es un único color, sino que es una mezcla de varios colores. Si se juntan en la proporción adecuada, uniendo pequeños LED de color rojo, azul y verde amarillento se puede crear un LED blanco. También se puede crear un LED blanco con un LED que emita en el ultravioleta recubierto de un material fluorescente (como el de los fluorescentes de casa), aunque estos LED son menos eficientes que los LED de mezcla de colores. Por eso, si te fijas mucho, en las pantallas LED verás que cada pixel blanco realmente está compuesto por LEDs de 3 colores.
¿Por qué cuando compro LEDs me los venden con una cajita al lado del enchufe?
Como ya hemos comentado, la corriente eléctrica en los LED sólo puede circular en un sentido, por lo que es necesario usar corriente continua para hacer que se iluminen. A los enchufes de casa llega corriente alterna, que varía hasta 50 veces por segundo el sentido de los electrones, por lo que es muy ineficaz conectarlos directamente a la luz. Además, los LED únicamente necesitan unos pocos voltios (entre 1.8 los rojos y 3.4 los azules) para que se iluminen ya que apenas ofrecen resistencia al paso de la corriente, por lo que los 220 voltios que llegan a casa acabarían friéndolos.
Por todas estas razones, los LEDs suelen venderse con un convertidor de corriente (de alterna a contínua) que, además, nos baja bastante el voltaje, hasta aproximadamente unos 5 voltios.
¿Qué son los OLEDs?
Los OLEDs, o Organic LEDs, son LEDs que en vez de usar compuestos inorgánicos, como los anteriormente mencionados, usan compuestos orgánicos cuya diferencia de energía corresponde a ciertos colores. Estos LED, al estar diseñados a propósito, crean colores más puros y su eficiencia es mayor, por lo que también son más caros.
Hasta aquí el post de esta semana. Recuerda que en la página de Facebook e Instagram (@callofchemistry) están todas las novedades y las encuestas para elegir nuevos temas (de donde, por ejemplo, ha salido este post). Si tienes alguna duda, comentario, quieres que se amplíe algún concepto del tema siempre puedes preguntar en cualquiera de los canales antes mencionados y en los comentarios de este post.
Esta semana hablaremos sobre cómo analizar los átomos que conforman una molécula, un material o cualquier cosa, qué técnicas son las más utilizadas y cuales son más sensibles. Empezamos...
¿Cómo analizar un átomo?
Los átomos, como todos sabemos a estas alturas, son demasiado pequeños y probablemente demasiado complicados como para poder verlos o sacarles algún tipo de fotografía para analizarlos, así que los científicos desde hace muchos años se han tenido que buscar la vida para poder determinarlos de manera indirecta.
La marcha análitica
La manera que se empleaba primariamente para identificar metales en disolución (se puede disolver en ácido un metal) se basaba en hacerlo reaccionar con diferentes sales inorgánicas y reactivos para formar precipitados coloreados. Si estos reactivos se añadían en el orden adecuado se podían identificar varios metales simultáneos en la misma disolución. Este orden de reactivos se conoce habitualmente como la marcha analítica.
Esta metodología tiene el problema de que funciona para un número pequeño y muy mayoritario (casi porcentajes) de átomos de metales. Aún así, es muy útil en ciertos lugares como en minas, donde las aguas que fluyen por en interior arrastran gran cantidad de mineral erosionado.
Fotómetros de llama
Cuando está metodología se empezó a quedar obsoleta debido a la gran cantidad de metales descubiertos y los niveles tan bajos (por ejemplo, en casos toxicológicos, en envenamientos por metales pesados) se hizo necesario el desarrollo de nuevas técnicas que permitiesen el análisis rápido y a bajas concentraciones.
Se conocía desde antiguo que al añadir metales a los fuegos artificiales, estos cambiaban el color de la explosión dependiendo del metal (además del aluminio, casi imprescindible). Empleando estos colores se desarrollaron los fotómetros de llama, en los que mediante una llama de acetileno (como una llama de soporte de soldador) se podían excitar ciertos metales, principalmente alcalinos y alcalinotérreos, y detectarlos dependiendo de su color de su emisión. Hay que remarcar que estos metales normalmente no eran detectables en la marcha analítica.
Basándose en estos fotómetros y en su capacidad de atomizar las muestras debido a su alta temperatura, se empezaron a utilizar para determinar metales que no emitían, simplemente excitándolos con una lámpara del "color" adecuado. Este principio, junto con el desarrollo de la espectroscopía en general y la ley de Lambert-Beer en particular, permiten determinar la concentración presente en muestras mucho más diluías y de prácticamente de todos los metales. Esta técnica se mejoró en algún orden de magnitud con la incorporación del horno de grafito, que permite la vaporización de los metales sin la radiación de fondo de la llama.
ICP-OES y ICP-MS
Ya en los años 80, se desarrolló la técnica de plasma acoplado inductivamente (ICP, por sus siglas en inglés). Esta técnica emplea una antorcha de plasma de argón que alcanza temperaturas entre 8000 y 10000 K, equivalente a la temperatura en la superficie del Sol. Inicialmente se empleó como fuente de emisión ya que alcanza más temperatura y puede hacer emitir a todos los metales, dando lugar a la espectrometría de emisión óptica por ICP, conocida como ICP-OES.
Tras el desarrollo de esta técnica se observó que debido a las altas temperaturas alcanzadas muchos de los metales emitían menos de lo esperado debido a que se producía una importante ionización de la muestra. En vez de convertirse en un problema, las mentes brillantes lo emplearon como fuente de iones, acoplando a la antorcha la entrada de un espectrómetro de masas, dando lugar a la espectrometría de masas acoplada a ICP. Esta nueva técnica fue una revolución por diferentes motivos.
En primer lugar era capaz, de manera muy sencilla, de determinar los isótopos de todos los metales y de muchos no metales, lo que produjo una revolución en muchos campos, especialmente de la geoquímica. Además, los límites de detección bajaron hasta las partes por trillón americano (1 en 1.000.000.000.000), incluso menores en algunos casos.
Especiación
La especiación se denomina a la determinación de distintas especies del mismo ión metálico. La respuesta frente a los detectores previamente expuestos es la misma, por lo que es necesaria una separación previa. Aquí es donde entra en juego nuestra ya conocida cromatografía. Empleando cromatografías iónicas, de exclusión por tamaños o, incluso, electroforesis, es posible separar las especies metálicas, obteniendo un tiempo de migración característico para cada especie.
Hasta aquí el tema de hoy. Muchas gracias por leerlo hasta el final y si hay dudas, comentarios, preguntas puedes dejarl@s en los comentarios de abajo, en la página de Facebook o de Instagram (ambos con @callofchemistry).
Hace unas semanas hablamos de cómo funcionaban los enlaces entre átomos (enlace químico) y por ello esta semana veremos por encima cómo funcionan las fuerzas intermoleculares. Empezamos...
¿Qué son las fuerzas intermoleculares?
Las fuerzas intermoleculares son las fuerzas que mantienen juntas a las moléculas de compuestos covalentes moleculares. El resto de compuestos (iónicos, metálicos y covalentes no moleculares) forman redes y no moléculas discretas por lo que en principio no presentarían está fuerzas, pero aparecen entre cadenas y/o láminas.
Estas fuerzas son de distinta intensidad dependiendo de varios factores que determinan cada fuerza, desde la deformación de la envolvente electrónica hasta interacciones iónicas.
Para entender estas deformaciones es necesario conocer algún concepto. Un dipolo es el campo eléctrico creado por dos átomos enlazados que tienen distinta electronegatividad. Estos dipolos son permanentes, si los átomos enlazados son diferentes, instantáneos, si se producen por deformaciones instantáneas, o inducido, que ocurren por deformación a partir de otros dipolos, ya sean permanentes o instantáneos.
Clasificación:
Las fuerzas intermoleculares, también conocidas como de Van Der Waals, clasificadas de menor a mayor intensidad, son las siguientes:
Fuerzas de dispersión de London o interacciones dipolo instantáneo-dipolo inducido. Son las interacciones más débiles. Ocurren cuando un dipolo instantáneo induce otro dipolo en una molécula apolar, sin dipolo, debido a las atracciones del núcleo de un átomo por la corteza electrónica del otro. Son deformaciones instantáneas que apenas tienen intensidad.
Fuerzas dipolo-dipolo inducido. Tienen lugar cuando un dipolo permanente induce un dipolo a un enlace no polar. Tienen intensidades mayores a las de London pero siguen siendo débiles.
Fuerzas dipolo-dipolo. Ocurren entre moléculas polares. Son mayores que las anteriores y son permanentes con el tiempo, por lo que unen más fuertemente a las moléculas polares.
Enlaces de hidrógeno. Uniones entre átomos con pares de electrones libres y átomos de hidrógenos. El hidrógeno suele tener una pequeña carga positiva, por lo que es atraido por pares de electrones libres. Estas uniones son generalmente más fuertes que las fuerzas dipolo-dipolo. No confundir con puentes de hidrógeno, que son otro tipo de enlaces.
Fuerzas iónicas. Son las más fuertes. Surgen por atracción de cargas netas entre átomos de las moléculas.
¿En qué influyen?
Estas fuerzas son responsables de los estados de la materia de las sustancias moleculares. Son capaces de modular las estructuras sólidas, las temperaturas de fusión y ebullición, las solubilidades en diversos disolventes, etc. Son responsables de la mayoría de sus propiedades fisicoquímicas supramoleculares, donde los enlaces covalentes apenas tienen influencia.
Son responsables de que el agua sea líquida, el oxígeno gaseoso o la gasolina líquida pero volátil. Es la razón por la que el agua sea un disolvente habitual, que el aceite no se solubilice en agua o de que las mezclas tengan sus propiedades.
Hasta aquí el post de esta semana en el que intento seguir con un poco de divulgación básica en química. Recordad que para dudas, consultas, ampliación de información o sugerencia de nuevos temas. Para todo esto podéis usar los comentarios más abajo, en Facebook o en Instagram (@callofchemistry).
Esta semana el tema elegido ha sido el enlace químico, un tema que aparentemente es sencillo pero mucho más complicado de lo que aparentemente podría parecer. Empezamos...
La Teoría de Lewis
Esta teoría fue propuesta por Gilbert Newton Lewis en 1916 en el artículo "La molécula y el átomo". Esta teoría consta en poner alrededor de un átomo un número de puntos tanto como electrones tenga en su última capa. A partir de aquí, se trata de que, compartiendo los electrones seamos capaces de dar a cada átomo 8 electrones. Esta regla se conoce como La regla del octete. Si se comparten un par de electrones se dice que tienen un enlace sencillo, si se comparten 4 electrones es un enlace doble y así sucesivamente.
A partir de aquí se fue capaz de justificar las relaciones estequiométricas observadas entre los átomos y poder predecir las fórmulas de compuestos que entonces no se conocían. Aún así, no es capaz de justificar la mayoría de propiedades, como forma, propiedades eléctricas, magnéticas o de color.
La Teoría del Mar de Electrones
Esta teoría fue propuesta para justificar las propiedades de los metales. Esta teoría supone que todos los metales son átomos que han perdido los electrones de la última capa, permaneciendo como iones positivos inmersos en un mar de electrones. Este mar o nube de electrones mantiene los iones unidos. Las justificaciones de este modelo son un poco "flojas" ya que los iones se repelerían. Intenta explicar de una manera muy somera las propiedades electricas y térmicas de los compuestos metálicos.
La Teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia (TRPECV)
Esta teoría se basa en unir los átomos como en la teoría de Lewis pero teniendo en cuenta los orbitales atómicos. Éstos únicamente se pueden combinar si cumplen criterios de simetría. Si este solapamiento es frontal, se denomina sigma (σ); mientras que si el solapamiento es lateral se denomina pi (π). Puede haber un enlace sigma y dos pi, haciendo un total de 3 enlaces entre dos átomos.
Además, teniendo en cuenta la repulsión electrónica entre orbitales llenos así como la combinación matemática entre ellos para formar orbitales nuevos (hibridación) se puede obtener de manera relativamente sencilla la forma y la distribución atómica espacial en una molécula. Aún así hay muchas propiedades en las que falla, como en el comportamiento magnético del O2, o en otras como en el color, del que no es capaz de predecirlo.
La teoría del campo del cristal
Esta teoría (menos conocida) fue desarrollada para un cierto tipo de compuestos, los complejos metálicos, en los que dependiendo de cómo se aproximen los ligandos se pueden modificar los niveles d de los átomos metálicos de manera que con la energía de ese desdoblamiento se es capaz de explicar el color y propiedades magnéticas. La pega de esta teoría radica precisamente en que únicamente vale para complejos metálicos, no es aplicable al resto de moléculas.
La teoría de orbitales moleculares
Esta teoría es la que se emplea en la actualidad y también la más compleja de todas. Permite explicar moléculas, materiales metálicos e iónicos que no podían ser explicados por las teorías anteriores. Esta teoría se basa en combinar los orbitales atómicos de las últimas capas de los átomos. Esto supone que al combinar dos orbitales atómicos surgen dos orbitales moleculares, uno enlazante (de menor energía) y otro antienlazante (de mayor energía). Dependiendo de cómo se coloquen los electrones el enlace será más o menos fuerte.
El principal problema de este modelo es la complejidad para obtener resultados, siendo necesario mucho tiempo (incluso semanas) de cálculo computacional para la obtención de estructuras. Igualmente, las geometrías y energías pueden no necesitarse con tanta precisión, habiéndose desarrollado modelos alternativos basados en físicas más sencillas. Este modelo aplicado completamente permite predecir comportamientos eléctricos, magnéticos, colores, formas e infinidad de energías necesarias para la caracterización de la molécula (UV, IR, RMN, etc).
Actualmente este modelo se usa no sólo para moléculas sino también para metales y compuestos iónicos, dando lugar a la teoría de bandas, que surge de aplicar la teoría de orbitales moleculares a redes (casi) infinitas.
Pues con este breve resumen lo dejamos esta semana. Si tienes dudas, preguntas o quieres ampliar cualquiera de las teorías sólo tienes que pedirlo. Para eso y más puedes utilizar también los comentarios en Facebook e Instagram.
Hoy vamos a comentar las características de una de las técnicas más potentes que existen en el ámbito del análisis químico hoy en día, la espectrometría de masas. Aunque realmente es una técnica completa e independiente puede ser acoplada a otras técnicas para complementar o añadir ciertas ventajas. Hoy, en primer lugar, empezaremos viendo la espectrometría de masas como detector para cromatografía (ya que así se llama el post) pero al final comentaremos muchas de las posibilidades que presenta como técnica en general. Empezamos...
¿Qué es la espectrometría de masas?
La espectrometría de masas (MS) es una técnica que se basa en separar iones en fase gaseosa dependiendo de su relación masa/carga, de manera que si somos capaces de darle a una molécula o átomo una sóla carga somos capaces de medir su masa molecular. Con ello, no sólo somos capaces de detectarlo, si no que además podemos seleccionar medir únicamente la molécula que nos interesa o uno de sus fragmentos.
Además de esta ventaja con respecto a otros detectores, los límites de detección con esta técnica son unos de los mejores (en muchos casos con mucha diferencia), pudiendo llegar a detectar partes por trillón (americano) de muchas sustancias (1 entre 1.000.000.000.000). En casos extremos, como en el detector Orbitrap, según los desarrolladores, son capaces de detectar una sóla molécula siempre que tenga al menos 5 cargas.
En los espectrómetros de masas hay que diferenciar 3 partes bien diferenciadas:
La fuente de iones: Es la parte del sistema encargada de convertir las moléculas (o átomos) en iones. Esta parte del sistema es muy importante, ya que dependiendo de la fortaleza de la ionización se obtendrán más fragmentos o menos, llegando en los casos más extremos a separar la molécula en iones o, en los casos más débiles, a obtener agregados de moléculas con muy pocas cargas. Por tanto, la interpretación del espectro de masas dependerá de la elección de la fuente de ionización. También hay que tener en cuenta que estas fuentes de ionización sirven como interfases entre el cromatógrafo y el analizador, habiendo incompatibilidades en algunos casos que comentaremos más adelante.
El analizador: Es la parte del sistema que se encarga de separar y/o filtrar los iones. Se podría decir que es el corazón del analizador de masas ya que dependiendo del tipo de analizador obtendremos mayor o menor resolución entre los picos de las masas. Es la parte más cara y más grande del sistema, necesita muy alto vacío y suele ser la parte más grande y sensible del equipo, dependiendo el coste del sistema, principalmente, del analizador elegido.
El sistema de detección: Es la última parte del equipo, la responsable de transducir los impactos de los iones en una señal eléctrica medible por un ordenador. Habitualmente se trata de algún tipo de multiplicador de electrones, siendo los más habituales la copa de Faraday o el detector ion-to-photon, dependiendo principalmente del nivel de concentración empleado. Es común que un equipo funcione con varios detectores a la vez. Existen analizadores, como en el caso del FT-ICR o el Orbitrap que ellos mismos sirven como sus propios detectores a partir de la corriente eléctrica inducida en su superficie.
Por tanto, vamos a ver cada una de estas partes aplicadas al acoplamiento con sistemas cromatográficos, principalmente de líquidos y de gases. Además veremos las posibilidades que ofrece cada combinación fuente+analizador para cada tipo de cromatografía. Empezaremos echando un vistazo a las fuentes de iones, clasificadas de más fuertes a más débiles; a continuación los analizadores de los más sencillos a los más complicados; la espectrometría de masas en tándem y, por último, algunas aplicaciones.
Fuentes de ionización
Plasma acoplado inductivamente (ICP)
El plasma acoplado inductivamente (Inductively Coupled Plasma, ICP) es la técnica de ionización más dura, más fuerte. Es tan fuerte que separa todos los átomos presentes y los ioniza en unas pocas décimas de segundo. Esto es posible a la antorcha de plasma de Argon a unos 8-10.000 K, aproximadamente la temperatura de la superficie del Sol. Esta técnica está especialmente indicada para el análisis de metales a niveles de traza y ultratraza en matrices acuosas.
Etapas en ICP-MS
(Laboratorio ICP-MS-SIdI-UAM)
Esta técnica se puede utilizar sin acoplar a ninguna otra técnica, pero su acoplamiento a LC o electroforesis capilar proporciona la capacidad de separar las especies que contienen los mismos átomos. Tengo mis dudas con respecto al acoplamiento con GC, aunque compuestos metálicos estables en fase gas no hay demasiados.
Como he comentado anteriormente, esta técnica está especialmente diseñada para el análisis de metales, ya que hay algunos átomos que no es capaz de ionizar. Estos son H, He, C, N, O, F y Ne. El análisis de otros átomos, como son Cl, S, I, Br y gases nobles en general, presenta otras dificultades, tales como solapamientos de masas (distintos isótopos de diferentes metales con el mismo peso atómico) o el solapamiento de aductos con la misma masa que el isótopo de interés, por ejemplo, la medida de Se en matrices marinas crea un aducto Ar-Cl (m/z 75) de la misma masa que el isótopo principal del Se.
Para evitar estos solapamientos se han desarrollado diferentes aproximaciones para eliminar estas interferencias, desde el KED (Kinetic Energy Discrimination) que hace colisionar los iones con He , eliminando los iones con mayor radio (normalmente los aductos) o la DRC (Dinamic Reaction Cell) que hace reaccionar los aductos con un gas, habitualmente metano o amoníaco, para romperlos y eliminar la interferencia.
Otra posibilidad es emplear un analizador de alta resolución, capaz de separar milésimas de unidades atómicas y así poder diferenciar, por ejemplo, el S del O2 o el 40Ar, generador del plasma.
El analizador típico es el cuadrupolo, debido a que la resolución necesaria suele ser de 1 m/z, aunque se pueden utilizar analizadores con mayor poder de resolución.
Si quieres más información, en la página del Dr. Ramón Fernández (RTL del laboratorio TXRF-SIdI-UAM) explica todo con mucho más detalle.
Impacto electrónico (EI)
El impacto electrónico es la primera técnica que existió de ionización para MS, siendo una técnica dura, que produce buenas fragmentaciones y que es la que se enseña principalmente en todas las asignaturas de determinación estructural. Hay que tener en cuenta que esta técnica es únicamente acoplable a GC.
Ionización por impacto electrónico
Thilini ukwaththage (Own work), via Wikimedia Commons
Esta técnica se basa en hacer pasar una corriente de gas a través de una cortina de electrones. Cuando un electrón impacta en una molécula, por repulsión electrostática, es capaz de arrancarle un electrón. Esta molécula deficiente de un electrón (catión radical) es capaz de reaccionar consigo misma fragmentándose. Las reacciones que se llevan a cabo dependen de la estructura de la molécula en cuestión, sus grupos funcionales, etc.
Espectro de masas por impacto electrónico del tolueno
Ionización química (CI, APCI)
La ionización química (Chemical Ionization, CI) trata de generar iones a partir de especies inestables que pueden sustraer, añadir o formar aductos cargados con las moléculas de un gas. Esta forma de ionización es más blanda y está basada en EI, ya que los iones primarios (de metano o amoníaco) se generan así. Para que los iones no colisionen con las moléculas del aire, la cámara de reacción se encuentra a vacío (aprox. 1 Torr), aunque actualmente existen equipos de APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionization) que trabajan a presión atmosférica con resultados muy buenos para HPLC y GC.
La fuente de ionización por electrospray (ElectroSpray Ionization, ESI) es una de las fuentes más utilizadas en LC para el análisis de moléculas grandes, especialmente ADN y proteínas. Se basa en un capilar metálico cargado por el que fluye de manera muy lenta un líquido. Debido a la diferencia de potencial entre el capilar y un electrodo, normalmente uno de los conos, se produce un cono de líquido que, eventualmente, es capaz de arrojar diminutas gotitas hacia el electrodo. Estas gotas, en su viaje por el aire, sufren la evaporación del disolvente, haciéndose cada vez más pequeñas hasta que la repulsión electrostática de las cargas que contiene hace que la gota estalle.
Ionización por electrospray
https://www.researchgate.net/figure/Schematic-representation-of-the-electrospray-ionization-process-Adopted-from-33_fig5_307606559
Una vez que la gota estalla, los iones en fase gas son introducidos en el analizador para su separación y posterior medida. Tras la aparición de los sistemas de UHPLC y UPLC que emplean columnas capilares o semi-capilares, se desarrolló una interfase capaz de trabajar con esos caudales tan bajos, dando lugar al nanoelectrospray, capaz de trabajar, incluso, con volúmenes estáticos.
Analizadores
Dentro de los analizadores hay que tener en cuenta varios factores. Dependiendo del modo de medida se clasifica en TIC (Total Ion Current) en el que el analizador únicamente sirve para enfocar los iones en el detector, SCAN (modo barrido) en el que el analizador modifica sus parámetros de enfoque para "barrer" un intervalo específico de masas o en modo SIM (Single Ion Monitoring) en el que se monitorizan una o unas pocas m/z, obviando el resto del espectro de masas con intención de aumentar la sensibilidad.
De igual manera, otro factor importante en muchos casos es el poder de resolución, no confundir con la resolución de la separación cromatográfica, no vayamos a tener un disgusto. Esta resolución es el cociente de la masa a medir entre la anchura a media altura del pico de masas obtenido. Lo vemos mejor con esta imagen:
Poder de resolución
http://fiehnlab.ucdavis.edu/projects/seven-golden-rules/mass-resolution
Dependiendo del analizador, éste será mayor o menor, dependiendo de las necesidades. En casos como en ICP con analizadores con un poder de resolución de 10 o 100 será más que suficiente pero en casos de análisis de aductos de macromoléculas es necesario tener una buena resolución para el cálculo fino de la masa molecular total.
Cuadrupolo (Q)
El analizador cuadrupolar (Quadrupole, Q) es el analizador más básico de todos y el que tiene menos resolución. Habitualmente se suele emplear para separar iones que no necesitan demasiada resolución. En los mejores casos se logran poderes de resolución de 1000, es decir, en masa 1000 Da tener una anchura de 1 Da, lo que es tener un poder de resolución bastante bajo.
Aún así, el analizador cuadrupolar es el más ampliamente utilizado de todos debido, principalmente, a su bajo coste, su nulo mantenimiento y su facilidad de modificación de parámetros. Consta de cuatro varillas (o polos) colocados paralelos y enfrentados dos a dos (en caso de ser 6 se llamaría hexapolo y, si son 8, octapolo). Estas varillas idealmente deberían tener forma hiperbólica pero, por facilidad de manufactura, muchas veces tienen forma de cilindro.
A dos de las varillas se le aplica una diferencia de potencial eléctrico constante mientras que a las otras se les aplica una diferencia de potencial variable, haciendo que de todos los iones que viajan por su interior únicamente aquellos con una determinada m/z sean resonantes en el campo eléctrico creado y sean capaces de atravesar las varillas sin colisionar con ellas (descargándose) o salir despedidos entre las varillas.
Sector magnético
Fue el primer tipo de analizador de masas desarrollado y, actualmente, ha resurgido como un analizador de masas de alta resolución debido a la mejora de la electrónica y del control de campos eléctricos. Este analizador consta de dos placas metálicas curvas a las que se le aplica un distinto potencial eléctrico, de manera que son capaces de desviar los iones de manera que únicamente las atraviesen una m/z determinada.
Analizador de sector magnético
http://orgchemguide.blogspot.com.es/2011/04/magnetic-deflection-or-sector-mass.html
Debido a la "simpleza" de este detector su poder de resolución también es limitado, por lo que es habitual colocar dos sectores en tándem, como veremos más adelante.
Tiempo de vuelo (TOF)
Los analizadores de tiempo de vuelo (Time Of Flight, TOF) también fueron de los primeros en desarrollarse. Su funcionamiento se basa en la primera ley de Newton:
F = m · a
Estos analizadores almacenan durante pequeños instantes de tiempo los iones que le llegan para, a continuación, dispararlos a lo largo de un tubo a vacío. Debido a que la fuerza aplicada a todos los iones es la misma, aquellos con menos masa adquirirán mayor aceleración que aquellos más pesados, difiriendo en su llegada al final del tubo.
Como en el caso del sector magnético, sufrió un renacimiento debido a la mejora de la electrónica, especialmente en la mejora para medir tiempos más pequeños, lo que permite mejorar el poder de resolución de estos equipos. Además, la introducción del reflectrón hizo que mejorase mucho el poder de resolución de estos equipos. El reflectrón es un dispositivo que se coloca al final del tubo y hace que los iones reboten, duplicando el camino recorrido por los iones, haciendo mayores las diferencias entre los pequeños y los grandes, aumentando enormemente el poder de resolución.
Trampa iónica (IT)
La trampa iónica (Ion trap, IT) consiste en un electrodo de anillo intercalado entre dos electrodos que hacen de tapa. Al igual que un sistema cuadripolar, la superficie interna de los electrodos es hiperboloidal, que se puede pensar como la entrada y salida de un cuadrupolo conectado en forma de anillo. Allí, debido al potencial aplicado los iones quedan atrapados dando vueltas dentro del anillo.
Analizador de trampa de iones
https://www.shimadzu.com/an/lcms/support/intro/lib/lctalk/61/61intro.html
Con la variación del potencial del anillo, los iones más ligeros con expulsados por fuerza centrífuga del anillo, creando una variación en la corriente inducida en las tapas del anillo, con lo que se puede obtener la cantidad de iones que estaban dando vueltas. Para vaciar el anillo, se aplica un potencial para expulsar todos los iones o se hace que choquen contra la superficie del anillo, descargándose.
Ciclotrón de resonancia iónica (FT-ICR)
Estos analizadores son muy poco comunes por ser muy grandes y muy caros (rondan casi el millón de euros) pero son los que tienen un poder de resolución mayor (superior a un millón, es decir, pueden sacar 5 o 6 decimales a la masa de un ión).
Fotografía de un ICR-MS
http://chemistry.rutgers.edu/grad/msfacility
Este analizador es un acelerador de partículas (ciclotrón), que trabaja con campos magnéticos muy potentes, que aceleran enormemente los iones. Estos iones acaban teniendo órbitas circulares estacionarias resonantes, como los electrones en el átomo. Mediante la aplicación de un pulso en la superficie exterior del equipo se produce una desviación de los iones de su órbita, que induce una corriente eléctrica en las tapas del acelerador. Esta corriente es una onda evanescente que, mediante una transformada de Fourier (Fourier Transform, FT) se convierte desde el dominio del tiempo al dominio de las masas.
Es por esta razón, principalmente, por la que el analizador ICR es comúnmente conocido como FT-MS. También hay que tener en cuenta que este analizador es su propio detector, no necesitando ninguno de los detectores comentados al principio, haciendo que también sea más sensible.
Orbitrap
El Orbitrap es un analizador-detector de masas similar al ICR pero de un tamaño mucho menor desarrollado por Thermo Scientific en el año 2005 y mejorado en el año 2011. Se basa en dos bloques metálicos con forma de huso entre los que se aplica una diferencia de potencial. Entre ellos, se disparan los iones de manera excéntrica, haciendo que oscilen con una frecuencia diferente dependiendo de su masa.
Tamaño Orbitrap (arriba, 2005; abajo 2011)
Ya que según el dicho, más vale una imagen que mil palabras, en este caso dejo un video para que veas cómo funciona este Orbitrap. Lo que aparece antes del Orbitrap (C-Trap + Orbitrap) simplemente son filtros iónicos que redirigen los iones y eliminan las moléculas neutras que hayan podido pasar por el vacío.
Movilidad iónica (IM)
El analizador de mobilidad iónica (IM) se basa en hacer avanzar los iones por un pequeño tubo con un gas en contra, haciendo que se separen de acuerdo a su m/z, debido a su dificultad para avanzar pero también con respecto a su radio aerodinámico, lo que proporciona una dimensión adicional a la separación cromatográfica. Estos detectores, frente a sus compañeros, no necesita vacío y puede funcionar a presión ambiente, lo que hace que, combinado con la ionización APCI, sea una potencial herramienta en el futuro para el trabajo de campo con un MS portátil.
Analizador de movilidad iónica
https://www.vanderbilt.edu/viibre/structural-mass-spec.php
Lamentablemente, este es el analizador que menos conozco y la información en internet es realmente escasa por lo que si alguien necesita más información no dude en pedirla o proponerlo como tema para un próximo post y así aprenderemos todos
Espectrometría de masas en tándem (MS/MS, MSn)
También existe la posibilidad de realizar una fragmentación, escoger uno de los iones resultantes y volverlo a fragmentar. A esto se le denomina espectrometría de masas en tándem (MS/MS). El más habitual es el triple cuadrupolo (QQQ) o el cuadrupolo-TOF (Q-TOF) en el que los primeros cuadrupolos actúan para separar los iones de la primera fragmentación, un segundo cuadrupolo con algún gas dentro (habitualmente helio) fragmenta los iones y el último analizador (Q o TOF) separa los iones de esa última fragmentación.
Hay analizadores que dentro de sí mismo pueden llevar a cabo diferentes fragmentaciones, como es el caso de las trampas iónicas, que pueden separar y fragmentar varias veces, denominándose MSn, donde n es el número de ciclos fragmentación-separación llevados a cabo.
Aplicaciones
Además de las aplicaciones obvias de estos analizadores debido a su sensibilidad y altas posibilidades dentro del análisis químico, me gustaría destacar dos aplicaciones muy concretas en las que el análisis por cromatografía-MS ha ayudado en gran medida:
Relación isotópica
La determinación de la relación isotópica es un campo bastante desconocido pero que ha ayudado a comprender bastante bien el mundo en el que vivimos y en el que unos nos comemos a los otros. Debido a las diferencias en los distintos isótopos de carbono (12 y 13) y nitrógeno (14 y 15) somos capaces de saber nuestra posición en la cadena trófica y qué animal se come a cual, ayudando a desvelar fraudes como en el caso del jamón de bellota, cuyos valores de estos isótopos es diferente a los alimentados con pienso.
Además, también se usa para conocer la distribución de ciertos metales de la dieta o de la alimentación de las plantas. Se realiza alimentando al ser objeto de estudio con una dieta rica en un isótopo poco común y viendo dónde se localiza.
Por último, pero no menos importante, esta aplicación tuvo cierta relevancia mediática cuando en el año 2006, al ciclista Floyd Landis se le retiró el Tour de Francia que había ganado por dopaje con testosterona, una hormona. Él se defendió diciendo que esa testosterona la había producido su propio cuerpo, pero los análisis por relación isotópica determinaron que su relación isotópica era diferente a la encontrada en la testosterona del análisis, por lo que era considerado dopaje. El título del Tour cayó entonces en Oscar Pereiro, segundo clasificado.
Proteómica
En este campo la introducción de la espectrometría de masas ha supuesto un gran avance. Además de poder obtener la masa molecular de proteínas enormes hemos sido capaces de secuenciarlas sin necesidad de recurrir a enzimas que las cortasen en pequeños fragmentos y luego montarlos como un rompecabezas. En este caso, la espectrometría de masas es capaz de romper selectivamente en los enlaces peptídicos, obteniendo diferentes fragmentos desde los dos extremos, siendo capaces a mano como mediante software informático secuenciar en un día una proteína que antiguamente habría llevado meses secuenciar.
Por hoy es suficiente, si has llegado hasta aquí del tirón te mereces un premio. Espero que hayas aprendido algo de este mundo tan pequeño como es la espectrometría de masas. Eso sí, recuerda que estas son sólo las posibilidades que ofrece al acoplamiento con cromatografía. Si tienes interés de las técnicas sin acoplar (que básicamente difieren en las técnicas de ionización) puedes sugerirlo aquí o en la página de Facebook, ya que puede que no seas la única persona interesada en ello. Además, la MS ofrece otro mundo de posibilidades aún muy poco conocidas con la MSI (Mass Spectrometry Imaging) imágen por espectrometría de masas, de la que espero hablar en algún post próximo pero de la que puedes buscar información.
Buenas! Esta semana el tema elegido en la encuesta ha sido la superconductividad por lo que voy a comentar este tema y qué ventajas puede aportar a tu vida. Empezamos!
¿Qué es la superconductividad?
Se denomina superconductor al material que es capaz de transportar la corriente eléctrica sin ofrecer resistencia. Esto supone que no hay que gastar energía para transportar esos electrones, convirtiéndose en un gran aliado para el ahorro y la eficiencia energética. Esta corriente permite transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a calentarse.
Empleando estos superconductores, el transporte de electricidad desde las centrales de producción (o el transformador más cercano) a tu casa sería prácticamente a coste cero (quitando el mantenimiento), tus aparatos eléctricos apenas gastarían electricidad ni se calentarían como si tuvieran un dragón dentro (excepto que necesiten tecnología de semiconductores, entonces no queda más remedio).
Otro de los efectos de los superconductores es la propiedad de "repeler" los campos magnéticos, rechazando sus líneas de campo, (conocido como efecto Meissner). Este es uno de los efectos más visuales de los superconductores, ya que repele todo tipo de imanes. Además, si se acercan un imán y un superconductor hasta introducir este último en su campo, quedará siempre a la misma distancia debido a que el imán también crea un campo magnético al lado opuesto del superconductor, conocido como el efecto spin-lock. Esto hace que aunque se ponga boca abajo, no se caiga.
Os dejo un pequeño video donde se explica y se observan estos dos fenómenos (está en inglés pero se le pueden poner subtítulos en latino).
¿Dónde se usan estos superconductores y por qué no son de uso común?
Estos superconductores actualmente son utilizados principalmente como superimanes, debido a que son capaces de conducir mucha corriente sin resistencia. Son utilizados, por ejemplo, en equipos de resonancia magnética, en imanes para aceleradores de partículas como en el CERN o en detectores de campo magnético como en los SQUID.
Aún así, la aplicación más conocida de los superconductores son los trenes MAGLEV o de levitación magnética (sí, como en el video pero a gran tamaño). Los más conocidos son el tren bala de Japón y de China, que viaja a una media de 250 km/h, con picos de más de 400 km/h.
El proyecto a más próximo alcance relacionado con los superconductores es el Hyperloop, de Space X y del mismo dueño que Tesla, empresa que ya salió en el post de eficiencia energética. Este proyecto se basa en crear un tren MAGLEV, que flota en el aire, pero dentro de un tubo de vacío, lo que eliminará el rozamiento con el aire y le permitirá conseguir velocidades supersónicas, de hasta 1200 km/h. En los primeros proyectos, se planea unir Los Ángeles con San Francisco (a 560 km) en aproximadamente 35 min (la distancia aproximada entre Madrid y Palma de Mallorca). Veremos que depara el futuro.
¿Qué necesitan estos superconductores para funcionar?
Lo primero que necesitan es un material que en algún momento pueda ser superconductor, que no son todos. Hay metales como el mercurio que tiene etapas superconductoras a pocos Kelvin hasta óxidos mixtos de itrio, bario y cobre (YBa2Cu3O9). La mayoría de los materiales superconductores, a temperaturas un poco superiores, son compuestos magnéticos (aunque no todos los compuestos magnéticos son superconductores.
Lo segundo que necesitan estos materiales es FRÍO. Actualmente, no hay ningún material superconductor a temperatura ambiente (ni cercana), por lo que es necesario enfriar estos materiales para que alcancen el estado superconductor. Hay materiales que pueden ser enfriados de forma barata con nitrógeno líquido (como la familia del YBa2Cu3O9 anteriormente comentado) aunque muchos necesitan aún más frío y deben ser enfriados con helio líquido a unos pocos Kelvin (el helio líquido se forma a menos de 5 K). Esto es el principal impedimento para la tecnología de superconductores, ya que el mantenerlos sumergidos constantemente en nitrógeno líquido es un gasto energético que no compensa a la pérdida de energía por calor en los cables corrientes. Un superconductor a temperatura ambiente es la panacea de estos materiales, ya que eliminaría el principal problema al que se enfrentan en la actualidad.
Otro problema, muchas veces, es el hacerles pasar la corriente eléctrica, ya que en las uniones con materiales conductores tradicionales existen pérdidas debido al ligero calentamiento de los conductores, que calientan el material superconductor, haciendo que deje de serlo. El inducir en ellos una corriente eléctrica a partir de un campo magnético tampoco es útil, debido a que repelen los campos magnéticos. En el caso de imanes superconductores en equipos de RMN, he comentado alguna vez sobre que técnicos que "encienden los imanes" hacen salirse a los dueños para ponerlos en funcionamiento. Esto es debido a que hacer pasar corriente por un superconductor no es una tarea fácil.
Bueno, esto es todo por esta semana. Espero que os haya servido para saber un poco qué son los superconductores y cómo su investigación puede cambiar el devenir de la sociedad. Si tenéis dudas, comentarios, aclaraciones o cualquier otra cosa, por favor, déjamelo en los comentarios de aquí abajo o en la página de Facebook.
Nos vemos la semana que viene en un nuevo post!! Cuídate
En este post voy a hacer un resumen de qué es la luz para la química, cómo se produce, cómo se propaga y cómo saber el color de un material o de una disolución. Vamos...
¿Qué es la luz?
Hay libros enteros tratando este tema pero vamos a simplificarlo. La luz es una radiación, por lo tanto es una onda, cuya energía depende de lo rápido que vibre. Si vibra más rápido, más energética.
Descomposición de la luz blanca en colores.
El rojo, con la onda más larga, es el menos energético mientras que el violeta, con la longitud de onda más corta, es el más energético.
http://p.ananas.chaoxing.com/star/1024_0/1383100525608punur.gif
Fisiológicamente, somos capaces de percibir este tipo de radiación por los ojos, son los colores. Cada onda, caracterizada por su frecuencia o su longitud de onda corresponde con alguno de los colores del arcoiris. Podemos ver ondas entre 700 y 400 nm, que corresponden al rojo y al violeta, respectivamente. Por debajo del rojo (ondas de más de 700 nm) percibimos algunas ondas en forma de calor, es la zona del infrarrojo. Por encima del violeta (ondas menores de 400 nm) tampoco son visibles, corresponden al ultravioleta, esas ondas que nos ponen morenos y nos achicharran en la playa y en la montaña.
¿Cómo interacciona la luz con la materia?
En las moléculas y los sólidos, esta luz visible corresponde al intervalo de energía de los tránsitos electrónicos entre los niveles de las moléculas. Si se ilumina una molécula o un sólido cristalino con una energía igual a la diferencia de energía entre sus niveles, es capaz de captar esa luz subiendo un electrón al siguiente nivel. A este fenómeno se le conoce como absorción de luz y la cantidad de luz absorbida por una disolución o un sólido está regida por la ley de Lambert-Beer.
Si algo es capaz de absorber luz, aumentando su energía, también puede ser capaz de reemitirla. Esta luz sería del mismo color de la absorbida. También puede ser capaz de absorber luz, perder un poco de energía y volver a emitirla. El color emitido sería de menor energía del absorbido. Este fenómeno se conoce como fluorescencia. Este fenómeno ocurre en los tubos fluorescentes de cualquier baño o cocina, ya hablamos de ello en el post de la eficiencia energética o en los gin-tonic bajo luz ultravioleta, que lucen de color azul.
Gin-tonic azul
Sharyn Morrow, Flickr
También puede pasar que un material absorba luz, la "almacene" incluso hasta algunos segundos y vuelva a reemitirla casi igual. Este fenómeno es la fosforescencia y es observables en carteles de emergencia, que incluso con las luces apagadas emiten luz durante un cierto tiempo.
Una vez entendido que la materia absorbe luz hay que irse a un terreno más "artístico" para explicar los colores. Cuando un material absorbe un color, también dispersa (no refleja) el resto de los colores, por lo que el material parece del color contrario al de la luz que absorbe. La rueda de colores os la dejo a continuación:
Rueda de color
Si se absorbe un color, el objeto se verá del color opuesto en la rueda
Cuando un sólido en polvo o prensado es blanco realmente es transparente, como la sal de casa, pero es capaz de desviar la luz debido al fenómeno de la refracción, en el que la velocidad de la luz depende del medio por el que viaja, pudiendo cambiar su dirección de propagación. Por contra, los materiales negros son capaces de absorber todos los colores, lo que supone que tienen bandas de energía continuas y vacías a la que es capaz de saltar un electrón de menor energía.
Los cristales en los que nos arreglamos todas las mañanas son capaces de absorber y reemitir sin perder energía todos los colores. Esto pasa porque tiene tantos niveles continuos de energía que los electrones son capaces de saltar dentro de su misma banda y volver a bajar sin pérdida apreciable de energía.
En el caso en el que un objeto emita luz, se verá del color que emite y, por tanto, se puede estimar el color que absorberá, el complementario.
Pregunta a responder:
¿Por qué el cielo es rojo al atardecer y azul durante el día?
Pista: no es porque refleja el azul del mar, que lo he oído varias veces
Hasta aquí el post de hoy, espero que os haya servido para entender qué es el color y cómo son los objetos coloreados. Si te has quedado con ganas de saber algo más (que todavía hay mucho más), con dudas, con algún comentario puedes dejarlo aquí abajo o en la página de Facebook.
En el post pasado hablamos de que los electrones estaban ordenados en niveles concretos y que no podían tomar cualquier valor porque están cuantizados. Vamos a ver a qué se refiere eso:
Fracaso de la física tradicional
A principio del siglo XX, los físicos se dieron cuenta que algunos fenómenos no sé podían explicar con la física que se conocía hasta entonces, siendo dos los casos más inexplicables la catástrofe ultravioleta (catástrofe de Rayleigh-Jeans) y el efecto fotoeléctrico.
Catástrofe ultravioleta o de Rayleigh-Jeans
By 4c y Alejo2083 (Own work, based on JPG versión), via Wikimedia Commons
La catástrofe ultravioleta consiste en que, con la mecánica clásica, los espectros de emisión del cuerpo negro en la zona del ultravioleta no se pueden explicar, ya que supondría emisiones de energía infinita. El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones de un material al aplicar luz. Se supone que al poner luz más intensa los electrones deben saltar más fuerte, pero no es así, saltan más pero todos igual de fuerte. Únicamente cambiando el color de la luz se puede variar la fuerza del salto de los electrones.Si quereis más información de estos fenómenos indicádmelo en los comentarios. Apunte: Einstein fue galardonado con el premio Nobel por su explicación del fenómeno fisico del efecto fotoeléctrico, no por la teoria de la relatividad como muchos piensan.
Hipótesis de Planck
A principios del siglo XX, Max Planck propuso una idea revolucionaria en el campo de la física, considerar que la energía no es contínua, si no que se se transfiere en pequeños paquetes de energía, denominados cuantos. Además dijo que la energía de estos cuantos depende únicamente de su frecuencia de vibración (veces que vibra por segundo), proporcionando su famosa ecuación:
E=h·v
donde E es la energía, v la frecuencia y h es la constante de Planck, que se puede considerar la energía mínima de cada paquete. Esta constante tiene un valor absurdamente pequeño (6.626·10-34 J·s) y, por eso, en el mundo común se observa esa variación como continua (puede tomar cualquier valor intermedio). Un equivalente sería ver una escalera de un edificio desde el espacio, desde tan lejos la escalera parece una rampa pero según te acercas van apareciendo los escalones, pues aquí pasa algo parecido, al irnos acercando a la escala atómica van apareciendo energías prohibidas (altura donde no hay escalón). Si unimos esta teoría con la dualidad onda-corpúsculo de de Broglie obtenemos la interesante conclusión de que todo es una onda y que como tales ondas (con una frecuencia asociada) tiene su energía cuantizada. Finalmente, Schrödinger propuso su famosa ecuación para definir una función que describiese ese comportamiento y poder calcular su energía. El cuadrado de esta función (eso que parece un candelabro, que no se poner aquí) permite conocer la probabilidad de encontrar una partícula en un espacio determinado.
Ecuación de Schrödinger
Probablemente, una de las ecuaciones más importantes y reconocibles de la cuántica
Química cuántica: Electrones
La química cuántica se basa en la aplicación de todos estos principios al átomo y a sus uniones, siendo el principal objeto de estudio los electrones. Estos electrones son los que proporcionan la mayoría de las propiedades de un átomo así como su capacidad para combinarse. Vimos en el post anteriores, que el modelo de Bohr ya suponía que el electrón únicamente podría estar en niveles determinados y no a cualquier distancia del núcleo. También en el post anterior sobre la tabla periódica vimos que los electrones estaban en niveles, subniveles y orientaciones,y además poseen un spin. Vamos a verlo con más detalle y a poner nombres a los números cuánticos de los electrones:
Número cuántico principal (n): Indica la energía que tiene un electrón. Puede tomar valores desde 1 a infinito (aunque sólo se conocen hasta 8), siendo 1 el menos energético.
Número cuántico secundario o azimutal (l): Indica la forma del orbital (espacio donde se encuentra el electrón). Puede tomar valores entre 0 y (n-1) de uno en uno. Se indican con letras, siendo s para l=0, p para l=1, d para l=2, f para l=3, etc.
Número cuántico magnético (m ó ml): Indica la orientación (en algunos casos la forma) de los orbitales. Varía entre l y -l. Cada combinación de l + m da lugar a un orbital con una orientación concreta.
Número cuántico de spin (s o ms): Es una propiedad magnética intrínseca al electrón (como la carga es una propiedad eléctrica) que le permite orientarse en presencia de un campo magnético. Tradicionalmente se consideró que el electrón giraba (spin=giro en inglés) pero actualmente se sabe que es una propiedad intrínseca (o sea, no se sabe por qué pero no es porque gire). Toma valores de +1/2 y -1/2.
Veamos un caso concretos:
El átomo de hidrógeno (que sólo tiene 1 electrón) tiende a colocarlo en el nivel más bajo, vamos a ver sus números cuánticos: Al estar en el nivel más bajo su número n=1, lo que implica m=0 y l=0, pudiendo tomar s cualquier valor. Por tanto, los números cuánticos del electrón del hidrógeno son (1,0,0,±1/2). A este orbital se le denomina 1s y a su configuración electrónica 1s1, donde el exponente indica el número de electrones en el orbital.
Estas "definiciones" únicamente sirven para el caso más sencillo, donde no hay interacciones entre los electrones, el átomo de hidrógeno, en el caso del átomo de helio la cosa se complica. Estos electrones interaccionan y necesitan tener spines opuestos para poder ocupar el mismo orbital. Además, en casos más complejos, la acumulación de electrones en orbitales con distinto l puede producir una variación en la energía de los niveles, intercambiando energía entre ellos y apareciendo una diferencia de energía entre ellos. Adicionalmente, por el principio de exclusión de Pauli, no puede haber más de dos electrones con los cuatro números iguales, por lo que si hay dos electrones en el mismo orbital deben tener el spin diferente, y por el principio de máxima multiplicidad de Hund, los electrones no apareados deben tener todos el mismo signo de spin para ser más estables. El átomo de helio tiene dos electrones, unos con los números (1,0,0,1/2) y otro con los números (1,0,0,-1/2), siendo indistinguibles entre ellos (orbital 1s para ambos y configuración 1s2). Si aportamos suficiente energía como para "subir" uno de los electrones al nivel de arriba, éstos estarían en los orbitales 1s y 2s mientras que sus números cuánticos serían (1,0,0,±1/2) y (1,0,0,±1/2). No me enrollo más en esto porque supongo que es más conocido, si tenéis dudas preguntad abajo en los comentarios por casos más complejos y excepciones.
Química cuántica: Moléculas
El paso más complejo es la formación de moléculas, ya que la molécula más sencilla (H2+, catión dihidrógeno) que únicamente contiene dos núcleos y un electrón ya supone un problema no resoluble por métodos de cálculo, la interacción de tres partículas entre sí. Por esta razón, se propuso la aproximación de Born-Oppenheimer (sale en el primer capítulo de The Big Bang Theory) que supone que los electrones se mueven muchísimo más rápido que los núcleos, por lo que los núcleos parecerían estáticos. Esta aproximación permite mantener los núcleos fijos y trabajar únicamente con el electrón. En moléculas polielectrónicas, el hecho de que el electrón sea una onda y pueda interactuar con otras, hace que se puedan acoplar, resultando de la interacción de dos orbitales otros dos orbitales, uno con la suma de la interacción y otro con la resta. Esto proporciona dos orbitales (en este caso moleculares, ya no atómicos) en los que uno tiene menos energía que la suma de los dos iniciales (enlazante, se ha estabilizado) y el otro tiene más energía (antienlazante, desestabilizado). Con estos principios se pueden calcular los niveles energéticos de los orbitales y calcular su diferencia de energía. Este es el principio básico de la teoría de orbitales moleculares, la única teoría de enlace aceptada hoy día, lo siento, los puntitos de las teorías de enlace de Lewis son mentira, como muchas de las cosas que visteis en el instituto, intentaremos ir destripándolas poco a poco, hoy ya van dos o tres. Tampoco me quiero meter mucho más en este tema porque su complejidad es alta. . Lo importante de este apartado es que os quedéis que los electrones en las moléculas (y en las redes infinitas) están también cuantizados y puede medirse su energía, proporcionando propiedades como el color o el comportamiento magnético. La teoría de orbitales moleculares es compleja y tiene una fuerte carga matemática detrás por lo que no voy a entrar más a fondo. Si alguien quiere más información, pedid y se os dará.
Diagramas de orbitales moleculares (MOs), a) H2+, b) He2+, c) He2.
Se observa que los iones son estables mientras que la molécula He2 es inestable
Si consideramos que los núcleos no son fijos (y ven a los electrones como una masa que los envuelve) sabemos que los átomos en una molécula vibran y estas vibraciones están cuantizadas. Para su cálculo se emplea el modelo del oscilador armónico, en el que tampoco tengo mucho interés en entrar, pero sabed que las vibraciones están cuantizadas y dan lugar a la absorción de luz en la zona de los infrarrojos ya que corresponde con la energía de estas vibraciones. De igual manera, las rotaciones están cuantizadas también, casi todo a esta escala lo está, pudiendo modelizarse por el modelo del rotor rígido. Esta diferencia de energía corresponde con la frecuencia de las microondas y la energía de estas rotaciones es la que utiliza tu horno microondas para calentarte el café por las mañanas.
Química cuántica: Núcleos atómicos
De igual manera que los electrones tienen un spin, también lo tienen los protones y los neutrones, haciendo que los núcleos atómicos se puedan orientar dentro de un campo magnético. El hecho de orientarse hace que exista una diferencia de energía de los que se alinean a favor y en contra del campo, siendo medible y cuantificable con campos magnéticos fuertes. Este principio es el utilizado en la resonancia magnética nuclear (RMN, NMR en inglés) empleado por ejemplo en el diagnóstico clínico (en este caso en particular es imagen por resonancia magnética, IMR). Estas imágenes se obtienen midiendo la diferencia de energía de los núcleos de los hidrógenos del agua, por eso los órganos con más agua se ven más blancos. Si en vez de medir una diferencia de energía medimos todas podemos saber, a partir de experiencias previas, a qué tipo de átomo está enlazado cada hidrógeno. Realmente sólo mide los núcleos de protio, cuyo núcleo contiene únicamente un protón, ya que los núcleos de deuterio, un protón más un neutrón, no dan señal en RMN ya que su spin nuclear es cero. Es por ello que los disolventes utilizados tienen en todos los hidrógenos el isótopo de deuterio, denominándose disolventes deuterados o pesados (cloroformo deuterado o agua pesada, entre otros). Este deuterio tiene una abundancia con respecto al protio de un 0.015%, por lo que casi todo el H es protio, pudiéndose estudiar bien en todos los casos. Hay más átomos que dan RMN como, por ejemplo, el flúor o el carbono. Debido a que todas las moléculas orgánicas contienen carbono es interesante el estudio del carbono por RMN ya que nos indica a qué grupo funcional pertenece y permite intuir el esqueleto carbonado. También, mediante una secuencia DEPT, permite conocer a cuántos hidrógenos está unido cada carbono. Por último, reseñar que también existen diagramas de RMN en dos dimensiones que permite conocer qué carbonos o hidrógenos están interaccionando o a qué hidrógenos está unido cada carbono. Si queréis un post de RMN, dejádmelo nuevamente en los comentarios. Como habréis podido comprobar, este tema es bastante complejo y constituye dos o tres asignaturas de la carrera de ciencias químicas. He intentado hacerlo lo más divulgativo posible, intentando evitar las matemáticas ya que son complejas, pero si quieres que profundice en algún tema indícamelo por cualquiera de los métodos de contacto. Nos vemos en el próximo post!! Cuídate!
