La luz que vemos cada día proviene de una gran variedad de fuentes, incluyendo el Sol, las luces artificiales y los fuegos artificiales, por ejemplo.
Pero, si observamos esta luz con instrumentos especiales, podemos descubrir algo fascinante: patrones de líneas brillantes u oscuras, que nos dan información sobre la composición química y la estructura de la fuente de luz. Estas líneas de luz son una huella dactilar única de cada elemento químico, que nos permite descubrir la presencia de elementos en objetos distantes, como estrellas y planetas. Además, el estudio de estas líneas de luz ha llevado a una mejor comprensión de la estructura atómica y las interacciones de los electrones y los núcleos de los átomos.
En este artículo, exploraremos los distintos espectros atómicos que emiten los diferentes elementos químicos, así como todo lo relacionado con ellos. ¡Continúa leyendo para aprender más!
Fig. 1: El Sol y todas las estrellas emiten luz, que puede ser analizada para conocer mejor sus características.
- Este artículo trata sobre los espectros atómicos.
- En primer lugar, estudiaremos qué es un espectro atómico y qué es un espectrógrafo.
- A continuación, analizaremos en profundidad los distintos tipos de espectros atómicos, empezando por el espectro atómico de emisión y los tipos de espectros de emisión que existen: el espectro continuo y el espectro lineal o discontinuo.
- Después, veremos los espectros atómicos de absorción.
- Continuaremos estudiando la diferencia entre la espectroscopia de absorción y emisión, centrándonos en la definición de cada una de ellas.
- Para terminar, exploraremos la relación entre el modelo de Bohr y las líneas espectrales.
¿Qué es un espectro atómico?
El espectro atómico es la presencia de una amplia gama de longitudes de onda de radiaciones de diferentes frecuencias.
Veamos un ejemplo:
Un arcoíris es un espectro constituido por diferentes longitudes de onda de luz. El prisma también es un ejemplo ideal para describir el espectro de la radiación. Cuando la luz blanca atraviesa el prisma, se separa en diferentes longitudes de onda de luz, conocidas como espectro.
Fig. 2: El arcoíris es un ejemplo de espectro.
Si excitamos un átomo, este comenzará a emitir fotones, en forma de radiación electromagnética. Aunque, los átomos también tienen la capacidad de absorber fotones de radiación electromagnética, cuando se encuentran rodeados de ellos. Las frecuencias de estas emisiones y absorciones son específicas para cada átomo y se corresponden con las transiciones entre los diferentes niveles de energía que tiene cada uno.
Los espectros atómicos pueden ser de dos tipos:
- Espectros de emisión: se producen cuando los átomos emiten radiación electromagnética.
- Espectros de absorción: se producen cuando los átomos absorben radiación electromagnética.
El estudio de estos espectros nos permite conocer la estructura de los distintos átomos y moléculas, así como sus propiedades características. Gracias a ello, podemos aplicar el estudio de los espectros en varias ramas de la ciencia.
¿Qué es un espectrógrafo?
El espectrógrafo es el instrumento utilizado para separar las radiaciones de diferentes longitudes de onda.
Un espectrógrafo tiene un prisma o una rejilla de difracción que se usa para dispersar la luz. La luz que emerge del prisma, tras la dispersión, se examina mediante una película fotográfica.
Espectro atómico de emisión
El espectro atómico de emisión es el espectro formado por la radiación emitida por los electrones en moléculas o átomos excitados.
El espectro de emisión comprende las frecuencias de radiación electromagnética debidas a la influencia de elementos o compuestos químicos emitidos como resultado de la transición de un átomo o molécula de un estado de alta energía a un estado de menor energía. Estos electrones excitados deben emitir energía para volver al estado básico, desde el estado excitado, que es inestable. Las frecuencias de esta luz emitida forman el espectro de emisión.
Dependiendo de la fuente, el espectro de emisión se clasifica en dos tipos:
- Espectro continuo.
- Espectro lineal o discontinuo.
Espectro continuo
El espectro continuo es un tipo de un espectro que no tiene interrupciones ni huecos entre las longitudes de onda.
Espectro lineal o discontinuo
El espectro lineal o discontinuo es aquel que muestra una línea discreta, que puede clasificarse como átomos excitados.
El hidrógeno y el helio, por ejemplo, producen espectros lineales o discontinuos:
Fig. 3: Espectros atómicos del hidrógeno (H) y del helio (He). Observa que ambos son espectros discontinuos.
Espectro atómico de absorción
El espectro atómico de absorción de un material es la frecuencia específica a la que absorbe la radiación.
El espectro de absorción está formado por las frecuencias de la luz transmitida con bandas oscuras a medida que los electrones absorben energía en el estado básico hacia estados de mayor energía. Este tipo de espectro se produce cuando los átomos absorben energía.
Cuando la luz procedente de cualquier fuente atraviesa la solución, o el vapor, se produce un patrón de líneas oscuras. Este patrón se analiza con el espectroscopio. Dependiendo de la naturaleza del producto químico, o del elemento, este absorbe determinadas radiaciones, al atravesarlo. El patrón de líneas oscuras aparece exactamente en el mismo lugar que las líneas de color en el espectro de emisión. El espectro resultante se conoce como espectro de absorción.
Los espectros de emisión pueden emitir todos los colores de un espectro electromagnético, mientras que en el espectro de absorción pueden faltar algunos colores, debido a la redirección de los fotones absorbidos. Las longitudes de onda de la luz absorbida se utilizan para determinar el número de sustancias presentes en la muestra.
Espectro de bandas
Un espectro de bandas es la parte de la radiación original que se absorbe cuando la luz blanca atraviesa una solución acuosa.
- Las bandas negras del espectro resultante se denominan bandas de absorción.
El color de la solución que contiene iones se debe a la radiación absorbida.
Espectro de línea de absorción
Un espectro de línea de absorción es la porción de la radiación inicial absorbida cuando la luz blanca atraviesa un gas.
Las líneas de emisión de un elemento gaseoso tienen las mismas longitudes de onda que las líneas absorbidas por el mismo elemento.
Diferencia entre espectroscopia de absorción y de emisión
Es muy importante que conozcas la diferencia entre la espectrometría de absorción y la de emisión. Para empezar, veamos cada una de ellas.
¿Qué es la espectrometría de absorción?
La espectroscopia de absorción es una técnica espectroscópica utilizada para medir la absorción de la radiación cuando esta interactúa con la muestra. La radiación puede depender de la frecuencia o de la longitud de onda.
La espectroscopia de absorción está relacionada con el espectro de absorción, ya que la muestra utilizada interactúa con los fotones del campo radiante. La intensidad de la absorción difiere, en función de la frecuencia, y esta variación constituye el espectro de absorción.
Fig. 4: Absorbancia vs. Longitud de onda en un espectro de absorción.
Aplicaciones de la espectroscopia de absorción
La especificidad y la naturaleza cuantitativa de la espectroscopia de absorción la convierten en la opción ideal para muchas aplicaciones de la química analítica.
Análisis químico
La espectroscopia de absorción permite distinguir el espectro de absorción de unos compuestos de otros. Esto es posible gracias a la especificidad del espectro de absorción. También se usa para determinar muestras desconocidas de una mezcla dada.
Un analizador de gases por infrarrojos es una aplicación de la espectroscopia de absorción usada para identificar la presencia de contaminantes en el aire. Puede diferenciar los contaminantes del nitrógeno, el oxígeno, el agua y otros constituyentes.
Teledetección
En teledetección, la espectroscopia de absorción se utiliza con fines analíticos, como medir la presencia de elementos peligrosos, sin poner la muestra en contacto con el instrumento.
¿Qué es la espectroscopía de emisión?
La espectroscopía de emisión es una técnica espectroscópica usada para analizar la luz que emite una muestra cuando se excita por un tipo concreto de energía. Cuando se excita, la muestra emite luz en varias longitudes de onda, dependiendo de los distintos niveles de energía en los que se encuentren los electrones de los átomos.
Este tipo de espectroscopía está basada en la característica que tienen los elementos químicos de emitir espectros con una longitud de onda concreta para cada tipo de elemento.
Líneas espectrales y modelo de Bohr
Como ya hemos visto, los espectros atómicos se producen gracias al paso de los electrones de un estado de excitación a otro, ya sea a un estado de mayor energía o a un estado de menor energía. Pero, ¿sabes realmente qué son los estados o niveles de energía? Veamos el modelo atómico de Bohr, para asegurarnos de que comprendas todo bien.
El modelo atómico de Bohr se basa en la existencia de unos niveles de energía (orbitales/capas) en el átomo en los que los electrones pueden moverse sin perder energía. Al pasar de una órbita a otra, solamente pueden absorber o emitir las energías correspondientes a la diferencia de energía entre las órbitas.
Fig. 5: Ejemplo del modelo atómico de Bohr; en concreto, para un átomo de oxígeno.
Los electrones están representados en azul: observa que se encuentran orbitando alrededor del núcleo. Cuando un electrón sube o baja de capa —es decir, cuando pasa de una capa con menor energía a una de mayor energía, o viceversa—, se produce la emisión de fotones.
¡Ya has aprendido lo más importante sobre los espectros atómicos!, ¡Felicidades!
Espectros atómicos - Puntos clave
- El espectro atómico es la presencia de una amplia gama de longitudes de onda de radiaciones de diferentes frecuencias.
- El espectrógrafo es el instrumento utilizado para separar las radiaciones de diferentes longitudes de onda.
- El espectro atómico de emisión es el espectro formado por la radiación emitida por los electrones en moléculas o átomos excitados
- Un espectro de bandas es la parte de la radiación original que se absorbe cuando la luz blanca atraviesa una solución acuosa. Las bandas negras del espectro resultante se denominan bandas de absorción.
- El espectro lineal o discontinuo es aquel que muestra una línea discreta que puede clasificarse como átomos excitados.
- La espectroscopia de absorción es una técnica espectroscópica utilizada para medir la absorción de la radiación cuando esta interactúa con la muestra. La radiación puede depender de la frecuencia o de la longitud de onda.
- La espectroscopía de emisión es una técnica espectroscópica utilizada para analizar la luz que emite una muestra cuando se excita por un tipo concreto de energía. Al exitarse, la muestra emite luz en varias longitudes de onda, dependiendo de los distintos niveles de energía en los que se encuentren los electrones de los átomos.
References
- Fig. 2: Where Rainbow Raises (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:WhereRainbowRises.jpg) by Wing-Chi Poon (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Wingchi) is licensed by CC BY-SA 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)
- Fig. 3: Atomic emission spectrum of helium (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atomic_emission_spectrum_of_helium.svg) by Ranjithsiji (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Ranjithsiji) is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0).
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