¿Cómo se pueden analizar los átomos?

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).

Nos vemos!!

¿Qué es el enlace químico y cómo se interpreta actualmente?

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.

Nos vemos!!