Espectroscopia de rayos X; Qca. Analítica II PDF

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Apuntes de Rayos X...

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ESPECTROSCOPIA DE RAYOS X

QUÍMICA ANALÍTICA II

ESTUDIANTE: FERNANDO JOSÉ PAYARES GÓMEZ

DOCENTE: EDINELDO LANS CEBALLOS

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 2020

ESPECTROSCOPIA RX La espectroscopia de rayos X es una técnica de análisis químico que se basa en fenómenos de absorción o emisión, en fenómenos de fluorescencia, difracción y dispersión electromagnética. De estos fenómenos, la fluorescencia y absorción por medio de rayos x son muy utilizados para la determinación cualitativa y cuantitativa de todos los elementos de la tabla periódica, con la condición de que deben tener un peso atómico mayor al peso del sodio (Na). FUNDAMENTOS BÁSICOS Para explicar los fundamentos básicos, es necesario aclarar que son los rayos x. Los rayos x son un tipo de radiación electromagnética de onda corta, cuya radiación es muy energética, ¿Cómo se produce esta radiación? Cuando un electrón se desacelera o acelera, produce radiación y será un tipo de radiación u otra dentro del espectro electromagnético dependiendo de la energía que tenga dicho electrón, por lo tanto, si se desea producir rayos X es necesario desacelerar electrones que tengan una energía suficiente para producir este tipo de rayos. Los valores de las longitudes empleadas en espectroscopia de rayos X están entre 0,1Å y 25Å. Para fines completamente analíticos existen tres maneras de obtener rayos X: 1. Por bombardeo de un blanco metálico con un haz de electrones de elevada energía. 2. Mediante la exposición de una sustancia por un rayo X, conocido como haz primario, que genera un segundo haz de fluorescencia de rayos X. 3. Mediante una fuente radioactiva, que al ser desintegrada emite radiación X. Estas tres maneras o fuentes de obtención de rayos X producen dos tipos de espectros, como son, espectros de líneas y espectros continuos. El espectro continuo surge a partir de un tubo de electrones, el cual está formado por un ánodo y un cátodo; el cátodo se calienta y libera electrones, los cuales son acelerados en dirección al ánodo mediante un voltaje proporcionado por una fuente. Cuando los electrones chocan con el ánodo emiten rayos X con longitudes de onda en un intervalo continuo. Espectros de líneas; cuando se bombardea un blanco se producen líneas intensas alrededor de 0,63 y 0,71Å, este es un intervalo de longitud de onda corta, este grupo se denomina serie K y un segundo grupo, que tiene un intervalo de longitud mayor, que se encuentra comprendido entre 4 y 6Å, que produce líneas sencillas es denominado serie L. Este tipo de espectros surge a partir de transiciones electrónicas que se llevan a cabo en los orbitales atómicos muy cercanos al núcleo. Algunas Características: Una característica esencial del espectro continuo, es que este es independiente del material del blanco, siendo el blanco el ánodo metálico, este tipo de espectros dependen del voltaje que sea aplicado.

Una segunda característica es que el voltaje mínimo que se necesita para la excitación de cada elemento aumenta con el aumento del número atómico. Los elementos con número atómico inferior a 23 solo producen espectros de líneas de la serie K, es decir que se encuentran entre 0,63 y 074Å. El espectro de rayos X de un elemento en concreto es independiente de su estado o entorno. Es decir, que, si se tiene, por ejemplo, molibdeno metálico, molibdeno solido o gaseoso, su espectro será el mismo. INSTRUMENTACIÓN La instrumentación en espectroscopia de rayos X consta de una fuente, un dispositivo que regula la longitud de onda que incide en la muestra, un porta muestras, un detector de radiación o transductor, un procesador de señal y un sistema de lectura. También cuentan con dispersores de señal y amplificadores. Fuentes: Se usan tres tipos de fuentes para rayos X, tubos, radio isotopos y fuentes de fluorescencia. Para fines analíticos la fuente más común es el tubo de rayos X. Para regular y trabajar con la longitud de onda deseada se usan filtros o un monocromador, la necesidad de usar filtros o monocromadores surge de que, en ocasiones se requiere trabajar con longitudes de onda especificas o restringidas. Detector: Los equipos actuales están equipados con dispositivos capaces convertir la energía irradiada en una señal eléctrica. Se usan tres tipos de transductores o detectores; transductor de gas, contador de centelleo y transductores semiconductores. Estos detectores funcionan por medio de conteo de fotones, que no es más que, la producción de un pulso de carga individual que es absorbido por el detector y a su vez es contado. Procesador de Señal: Los espectrofotómetros de rayos X están equipados con discriminadores, que eliminan pulso a un nivel mínimo definido y a un nivel máximo establecido, de esta manera se reduce el ruido que produce el amplificador de la señal y el transductor.

Imagen 1. En la imagen 1 se muestra un esquema de la instrumentación en conjunto para espectroscopia de rayos X. Describiremos como funciona: En primera instancia nos encontramos con la fuente de rayos X, la radiación que esta produce es monocromatizada antes de impactar la muestra, lo que permite aprovechar la intensidad de la radiación X. Esta radiación llega a la muestra, la cual se encuentra fija y en donde, su compartimiento debe mantenerse al vacío con la finalidad de evitar que el haz de radiación se atenúe y evitar contaminación en la muestra. Seguido al compartimiento de la muestra se encuentra el analizador de dispersión, donde el haz de electrones es desviado de tal manera que los electrones siguen una trayectoria definida. Por último, se recogen los datos en el detector y es procesada la señal en una computadora. FLUORESCENCIA DE RAYOS X Es una técnica de análisis elemental no destructiva que permite la cuantificación rápida de elementos, a excepción de elementos ligeros. Permite la cualificación de elementos con número atómico mayor al número atómico del oxígeno (Z = 8). En cuanto a la instrumentación, existen dos principales tipos de espectrómetros, que son: dispersores de onda y dispersores de energía. El sistema de dispersión de onda, es donde los rayos X provenientes de la fuente (Tubos de rayos X) inciden en la superficie de la muestra, se produce la fluorescencia y la emisión producida es dispersada por un cristal de difracción, en consecuencia, las intensidades son medidas en base a los ángulos de difracción.

El sistema de dispersión de energía, es aquel donde los rayos X que provienen de la fuente (Tubo de rayos X o material radioactivo) inciden en la superficie de la muestra, se produce la fluorescencia y la intensidad se mide con un detector. Cada uno de los sistemas ofrece ventajas, por ejemplo, el sistema de dispersión de energía mide todos los elementos de manera simultánea lo que conlleva a un análisis rápido, pero la resolución de los espectros no es muy optima y este sistema a su vez, es más sensible. En cuanto al sistema de dispersión de onda es que ofrece una mayor resolución, sin embargo, el análisis es más lento y es menos sensible. METODOS DE ABSORCIÓN DE RAYOS X Estos métodos se centran en el estudio de absorción de los rayos X por los átomos dentro de la estructura del compuesto que se desea analizar. Es un método útil cuando se desea determinar un único elemento con alto número atómico, con la condición de que la matriz que lo contenga este compuesta por elementos más ligeros. Debido que la medición mediante estos métodos puede ser tediosa, se prefiere analizar muestras donde el efecto de la matriz sea mínimo. En cuanto a la instrumentación se encuentra una fuente, un monocromador, una alternativa para el uso del monocromador es usar una fuente radioactiva de radiación monocromática, cristal analizador y detectores. Los espectros producidos por absorción de rayos X son muy sencillos si se comparan con los espectros de absorción en regiones UV y visible. Una técnica basada en absorción de rayos X es la espectroscopia de absorción de rayos X. Es una técnica que permite acceder a información relacionada con la estructura electrónica y geometría de un material. La técnica detalla como los rayos X con energías cercanas a la del núcleo de un átomo central, es absorbida por este. Esta absorción depende de parámetros atómicos, como es la masa y el número atómico, en consecuencia, existe un espectro para cada átomo que absorbe radiación. Dentro de las ventajas que brinda la técnica, está, que permite diferenciar entre dos compuestos similares, siempre y cuando uno de ellos sea conocido y con características marcadas, ofrece gran ventaja para analizar materiales, porque ofrece información estructural de la distribución de los átomos en el material alrededor del átomo central. MÉTODOS DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X Los métodos de difracción son importantes para la identificación de estructuras de algunos productos complejos, como vitaminas. También proporciona información cualitativa de compuestos cristalinos, esta característica permite al método determinar de manera cuantitativa y cualitativa compuestos cuya matriz el solida debido a que cada sustancia cristalina presenta un patrón característico de difracción. Esta es una técnica no destructiva. Es importante que, para fines analíticos la muestra sea tratada hasta que su estado sea un polvo fino y homogéneo. La instrumentación costa de un tubo de rayos X que trabaja

con alta potencia generando electrones que se dirigen hacia la muestra; el compartimiento de la muestra es móvil, lo que permite al analista mover la muestra y así, conseguir que la radiación interactúe de mejor manera con la muestra, y eventualmente es detectada. Algo a destacar de los instrumentos es la variedad de accesorios, por ejemplo, si se desea analizar una muestra en polvo se tiene un accesorio característico para dicho análisis, se cuentan con dos tipos de detectores, los cuales son detectores de área y un detector de línea, esta variedad amplia la variedad de muestras que se pueden analizar. Un análisis más que se puede hacer empleando difracción de rayos X es la reflectometria, este tipo de análisis brinda información sobre el espesor, la densidad y la rugosidad de una o más capas de una muestra de interés....