¿¡Espectros en la química!?

En ocasiones anteriores les he compartido publicaciones sobre temas científicos, pero entre todas las cosas maravillosas que me sorprenden, el tema de la espectroscopia siempre ha sido mi favorito. Cuando le cuento a mis amigos sobre esto, a veces me es un poco difícil dar toda la información, a veces pienso que digo muy poco, y a veces me parece que mi explicación es incompleta, es por eso que en esta ocasión, la información aquí presentada es tanto de mi autoría, como de  Jorge , estudiante de Química en la UNAM, y colaborador  del Imperio de la Ciencia.

Antes que nada, me gustaría decirles por qué me interesó el tema, no nada más es hablar de ciencia por que sí y  ya. Cuando estaba estudiando química orgánica en la prepa, y llegamos al tema de la “química cuántica” (configuración electrónica),  la maestra explicó lo que eran los fotones. Yo quedé fascinada y comencé a hacerme muchas preguntas, ¿cómo percibimos los colores? ¿por qué cierto tipo de animales pueden ver otros colores? ¿cómo sería si pudieramos ver en infrarojo y en ultravioleta? ¿qué habrán sentido los primeros científicos al ver que cada elemento tenía una especie de “huella digital”?  Desde entonces, he buscado la manera de saber más sobre  la espectroscopia, a través de la química, la física y la astronomía, y siempre termino fascinada con todo lo que aprendo. Espero que ustedes encuentren el tema interesante, y que si no les gusta, al menos, cuando terminen de leer la entrada, sepan lo que es la espectroscopia, el salto cuántico y como funciona la materia a pequeña escala.

La espectroscopia por definición es el estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, con absorción o emisión de energía radiante. Pero ¿qué significa esto? Primero que nada, tenemos que recordar dos cosas muy importantes  de nuestras clases de química; -el electrón tiene la dualidad de partícula y onda -en un átomo los electrones se “acomodan” por niveles. Con estas dos cosas, podemos imaginarnos un electrón felizmente orbitando en su nivel de energía, cuando de repente (por alguna causa externa) “siente” que se quiere cambiar de lugar y pasar a un  nivel mayor. Cuando lo hace pasa algo maravilloso: ¡emite energía en forma de fotón! ¿y qué es un fotón? es la partícula portadora de radiación electromagnética, desde lo infrarojo hasta lo ultravioleta y los científicos lo llaman “el salto cuántico”. Lo maravilloso de esto, es que cada elemento tiene cierto número de partículas (de protones, electrones y neutrones) pero gracias a sus electrones, es que podemos VER de que elemento se trata, así como los humanos tenemos huella digital, los elementos tienen una especie de código de barras (emitidos a través de espectros), y es aquí dónde la explicación de Jorge comienza:

Los espectros son imágenes o registros de un objeto (que puede ser desde una estrella hasta una molécula o átomo) de la energía que absorbe o emite. Anteriormente, los químicos ponían a la flama las sustancias químicas y de acuerdo a la intensidad y colores de la llama, podían averiguar que átomos o compuestos contenía la muestra. Los primeros que se descubrieron fueron los espectros visibles. Consisten en atomizar, es decir, hacer que una sustancia pase a su estado gaseoso, pase a través de ella un haz de luz blanca que después pasará por un prisma, descomponiéndo el color del gas en los colores del arcoíris. Para gran sorpresa, aparecían “huecos” en ciertas partes.

Espectro de absorción del nitrógeno. Imagen cortesía de jersey.uoregon.edu

Y dependiendo que tipo de elemento se tratara, los patrones cambiaban. De esta manera, podían confirmar si algún químico había descubierto un nuevo elemento o no. La mejor parte es que también podían analizar compuestos y los patrones eran únicos. Hasta se llegó a la conclusión incorrecta de haber descubierto un nuevo elemento, el coronio, el cual se encontró en la corona solar (de ahí el nombre) Pero no duró mucho, ya que después de algunos años se descubrió que en realidad eran elementos conocidos en forma de plasma.

Pero la cosa no se detuvo ahí muchos años después,  los científicos se pusieron en marcha para explicar porqué sucedía esto, y proponer una teoría atómica capaz de explicar estos resultados experimentales. De aquí surgieron los modelos atómicos de Bohr que contribuyeron a darle forma a la teoría cuántica.

Resulta que la energía está cuantizada, es decir, la materia interacciona solo con cantidades fijas de energía. Por ejemplo, digamos que quieres comprarte unos pantalones que cuestan $100.00, pregunta ¿los puedes comprar con $99.99? o ¿puedes comprarte un pantalón y medio con $150? Las respuestas son no, si no tienes el dinero exacto no lo puedes comprar y si tienes de más no puedes comprar fracciones de objetos.

Lo mismo sucede con los átomos y compuestos, al brindarles la energía mínima para poder llevarlos a un nivel energético diferente. Cuando se analiza la energía que absorbe la sustancia, estamos hablando de un análisis espectral de absorción.

Pero también podemos analizar las sustancias por la energía que desprenden. A este tipo de análisis se les llama de emisión. Y una manera fácil de hacer eso, es aplicando luz. Dependiendo del tipo de análisis que realices, es el tipo de luz que utilizas. Por ejemplo, para estudiar qué tipos de átomos o compuestos tienes en una sustancia, se utiliza luz infrarroja. Este tipo de estudios se le llama espectroscopia Infrarroja. Si quieres averiguar el tipo de estructura que tiene la sustancia, utilizas rayos X, etc.

Imagen de difracción de rayos X (ADN cristalizado)// X ray diffraction – Dr. S. Dover, Division of Biomolecular Sciences, Kings College, London

Incluso, las tomografías (los estudios que siempre manda el Dr. House a sus pacientes) se podrían considerar un espectro. También tienen muchas aplicaciones, desde saber la composición y temperatura de las estrellas hasta que tipo de átomos componen una sustancia.

Espectros estelares. Imagen cortesía de http://www.astrosurf.com

Algo interesante y maravilloso que pasa en el mundo científico, es que al descubrirse algo (desde una partícula, un fenómeno, una ley o una teoría), puede que en ese momento no parezca la gran cosa, pero conforme van pasando los años, gracias a las nuevas tecnologías se van encontrando distintas aplicaciones a “viejos principios”. La espectroscopia comenzó como una herramienta para clasificar elementos, pero su estudio se especializado y dividido a diferentes ramas como:

  • Espectroscopia astronómica
  • Espectroscopia de absorción atómica (AA)
  • Espectroscopia de fluorescencia
  • Espectroscopia de rayos X
  • Espectroscopia de resonancia magnética nuclear
  • Espectroscopia de microonda
  • Espectroscopia infrarroja
  • Espectroscopia ultravioleta-visible

Cada una nos brinda información interesante y muy útil,  hoy en día nos ayuda a medir distancias con las estrellas, a saber de que están hechos los planetas, a saber más sobre los átomos, pero mañana quién sabe a dónde nos llevará tanta información, y en lo personal, es increiblemente “colorido” y fascinante el sólo pensarlo.

Referencias:

-Kazuo Nakamoto, INFRARED AND RAMAN SPECTRA OF INORGANIC AND COORDINATION COMPOUNDS: PART A, THEORY AND APPLICATIONS IN INORGANIC CHEMISTRY, A John Wiley & Sons Inc. Publication, USA New Jersey (2009)

-James E. Huheey , INORGANIC CHEMISTRY: PRINCIPLES OF STRUCTURE AND REACTIVITY, HarperCollins College Publishers, Fourth Edition, USA New York (1993)

imperiodelaciencia.wordpress.com

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El Cafetín de las 5

Revista cultural con sede en la Ciudad de México. 25 de abril 2011
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