ELABORACIÓN DE UN ESPECTROFOTÓMETRO CASERO, MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE UN CD

ELABORACIÓN DE UN ESPECTROFOTÓMETRO CASERO, MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE UN CD.Estudiantes: Margy Paola Acevedo, Eidy Catalina Ardila y Luz Andrea Navarro Universidad Santo Tomás, sede Floridablanca. Facultad Química Ambiental.

Introducción
Muchas disoluciones o compuestos inorgánicos presentan color (frecuentemente los correspondientes a metales de transición).
Si una disolución es coloreada existe alguna especie química en la disolución que absorbe luz en la parte visible del espectro.
Estas absorciones se suelen extenderse a las regiones vecinas del infrarrojo cercano y ultravioleta próximo, todas ellas incluidas en el espectro de absorción visible y/o ultravioleta.

Tales espectros se utilizan para explicar los colores y propiedades magnéticas de los complejos, así como para cuantificar la presencia de un ion en una disolución.
Los instrumentos destinados al análisis de la luz se conocen como espectroscopios estos tienen la capacidad de descomponer la luz visible en sus componentes de diferentes colores, es decir, es su espectro, mediante un prisma o una red de difracción. Con este análisis se puede obtener información sobre un gran número de fenómenos físicos o propiedades de los cuerpos, por lo que, en la actualidad se emplean en una gran diversidad de áreas, que incluyen desde la investigación teórica en química o física cuántica hasta la industria química o la medicina.
También existen una gran diversidad de métodos y técnicas relacionadas con la espectroscopia y, como consecuencia de eso, un gran número de diseños de espectroscopios con características muy diferentes entre sí. El fundamento de los primeros espectroscopios es muy sencillo de entender, se basaban en un proceso que separaba la luz blanca visible en sus diferentes colores.
En esta práctica se llevo a cabo la construcción de un espectroscopio basado en una red de difracción, usando para ello un CD. El montaje suministra una manera sencilla y fácil de construirlo proporcionando resultados reproducibles.


Marco teórico
Los seres humanos son bañados constantemente por irradiaciones electromagnéticas, entre ellas, la radiación que puede verse o luz visible. Como se sabe, la luz visible consta de un espectro de colores que abarca desde el rojo en el extremo de mayor longitud de onda del espectro, hasta el violeta en el extremo de la longitud de onda más corta. Sin embargo, la luz visible constituye tan sólo una pequeña porción del espectro electromagnético total.
Newton fue el primero en reconocer que la luz blanca es una mezcla de luz de todos los colores aproximadamente de igual intensidad. Para ello, hizo pasar un rayo de luz solar través de un prima de vidrio y observo el espectro de la luz refractada.

El haz refractado de difunde en el espacio separándose sus colores o longitudes de onda, como en el arco iris.Fig 1. Espectro electromagnético.

Para que una sustancia sea activa en el visible debe ser coloreada y esto se debe a que la sustancia absorbe ciertas frecuencias a ciertas longitudes de onda de espectro visible y transmite las demás, es por eso que se observa un gama de colores.
Los colores son característicos del tipo de átomo o molécula que los emiten, al igual que el tono de un diapasón es la característica de su tamaño, espesor y tipo de metal. Estas estrechas bandas se conocen como líneas espectrales, porque en la mayoría de los espectrógrafos la luz entra a través de una estrecha rendija, de tal forma que cada emisión surge como una línea en la imagen resultante.
Un espectro que solo contiene radiación de longitud de onda especificas se denomina espectro de líneas; mientras que la gama de colores, el cual contiene todas las longitudes de onda es un espectro continuo.
El color de una disolución es el complementario del color de la luz que absorbe. El color que se percibe depende no solo de la longitud de onda de la luz, sino de su intensidad.

Tabla 1. Colores de la luz visible.

Los colores complementarios cumplen las siguientes normas:El complementario de un color primario es siempre uno secundario.
El complementario de un color terciario es siempre otro terciario.
Para "descubrir" cuáles son las parejas de complementarios basta con observar un gráfico estándar (como el que se ha presentado) y ver cuales están "enfrentados" (amarillo y violeta / naranja y azul / rojo y verde / rojo-naranja y azul-verde /....).

Actualmente se ha extendido el uso de otro tipo de fuentes entre ellas las lámparas de vapor de mercurio y de sodio, y las fluorescentes. Las lámparas de mercurio y de sodio se encienden al calentarse el vapor que contienen en su interior.

En cambio, las lámparas fluorescentes son del tipo de fuente de luz de descarga eléctrica, en estas la luz se produce por la fluorescencia del fosforo excitado por la energía de los rayos ultravioleta, energía que provienen del choque de la descarga de electrones con los átomos de mercurio vaporizado.Las lámparas de este tipo están formadas por un tubo de vidrio con un electrodo de tungsteno en cada extremo, además, llevan en su interior una pequeña gota de mercurio y un gas inerte a baja presión, o una mezcla de gases para el encendido. Las paredes interiores del tubo están cubiertas con una capa de fosforo en polvo. Estos choques emiten sólo una pequeña cantidad de radiaciones visibles, no obstante, hay una gran emisión de radiaciones visibles ultravioleta. Estos invisibles y nocivos rayos, son convertidos en luz visible e inofensiva al pasar a través de los polvos de fósforo fluorescentes colocados en la pared interna del tubo.

Materiales
• 2 Cartulinas tamaño din-A4
• CD
• Cartón de un rollo de papel higiénico
• Papel de aluminio
• Colbón
• Cinta aislante negra
• Cinta scotch Magic
• Tijeras
• Silicona líquida
• Bisturí

Procedimiento
Se dibujo el modelo de la plantilla mostrada en la fig 2. Sobre las cartulinas.
A continuación se recorto la cartulina siguiendo las líneas trazadas usando las tijeras y el bisturí para cortar la sección de la rendija.

Enseguida se cortaron dos tiras de cinta aislante negra y se pegaron paralelas a la rendija (definiendo así, la forma precisa la anchura de la rendija).
Una vez hecho esto, también se cortaron dos trozos de cinta Scotch Magic y se pegaron tapando la rendija por las dos caras de la cartulina (mejorando significativamente la calidad del espectro, pues esto hace que la luz que incide sobre la superficie del CD sea difusa evitando que las líneas espectrales tengan la forma de la fuente luminosa).

A continuación se doblaron las cartulinas por las líneas punteadas o líneas guías. Hecho la mayoría de este paso se pego el CD a la cartulina, de forma que quedará al aire la cara reflectante y que estuviese lo más cerca posible a la rendija; una vez hecho esto se continúo pegando las pestañas que hacían falta.
Finalmente se introdujo el rollo de papel higiénico por el orificio sobrante y se pego a la cartulina en la parte superior con un trozo de cinta aislante formando un ángulo de 45º, así se fijo el tubo de la cartulina y se permitió que el ángulo de inclinación fuese variable. Como medida final se envolvió el espectroscopio con papel aluminio para evitar que penetrara la luz por cualquier lugar que no fuera la rendija, eliminado de esta forma la contaminación lumínica.









Resultados y Análisis
En la construcción del espectroscopio casero se utilizo un CD, él cual tiene una superficie reflectante que posee una serie de huecos y salientes mediante los cuales se codifica la información. Estos huecos y salientes están distribuidos a lo largo de un surco que describe una espiral desde el radio exterior hacia el radio interior del CD. Gracias a esta característica el CD puede utilizarse fácilmente como una red de difracción por reflexión.
Los colores provenientes de las diferentes fuentes lumínicas obtenidas y posteriormente comparadas se pueden ver cuando su haz de luz se propaga en el espectro proyectado en el espectroscopio. De esta forma se pueden observar todos los colores que componen la luz de diferentes fuentes.

Cada longitud de onda de la luz incidente sobre el espectroscopio forma una figura de difracción de la rendija. La luz de cualquier longitud de onda se extiende sobre una región finita del espectro, entonces, no será de una sola longitud de onda, sino que contendrá una gama de longitudes de onda. Las regiones que están separadas por regiones negras, corresponden a longitudes de onda que están ausentes en la luz.
Las sustancias absorben ciertas longitudes de onda de la luz blanca, y nuestros ojos detectan las longitudes de onda que no se absorben. El color observado se llama el complementario del color absorbido.
A continuación se muestran algunas imágenes obtenidas por el espectroscopio construido al irradiar sobre la rendija un tipo de luz diferente para cada caso:

a. Bombilla incandescente

Espectro de emisión continúo de la radiación de cuerpo negro del filamento incandescente de tungsteno.

El espectro obtenido muestra una gama continua de colores donde el azul funde al verte, el verde al rojo etc, sin espacios.



b. Bombillo fluorescente
En el siguiente espectro se observan varias líneas espectrales y un continuo de emisión a lo largo de todo el espectro visible.

Estas líneas espectrales se deben principalmente al vapor de mercurio, mientras que el espectro continuo se debe a las sales de fósforo que recubren el interior del vidrio de este tipo de luz.


c. Luz solar En el siguiente espectro se observan varias líneas espectrales y un continuo de emisión a lo largo de todo el espectro visible.

Estas líneas espectrales se deben principalmente al vapor de mercurio, mientras que el espectro continuo se debe a las sales de fósforo que recubren el interior del vidrio de este tipo de luz.


d. Bombilla incandescente irradiando una solución de Naranja de Metilo


Al observar el espectro obtenido al irradiar la solución de naranja de metilo observamos que es continuo y que no se presentaron algunos colores como el azul y el amarillo.
Al presentarse el color naranja en el espectro indica que la solución absorbe todas las radiaciones menos la correspondiente al color naranja.
El color verde revela que la solución absorbe el color complementario a este el cual es el purpura.
La solución la observamos de color naranja debido a que en nuestros ojos inciden todos los colores de la luz visible excepto el azul. Esto se debe a que el naranja y el azul son colores complementarios; la supresión del color azul de la luz visible hace que la luz se vea naranja y viceversa.


e. Bombilla incandescente irradiando una solución de Azul de metileno


Cuando la muestra absorbe la luz visible de la bombilla incandescente, se transmiten solo determinados colores según se observa en el espectro obtenido

En este caso el naranja nos indica que la solución absorbió el azul presentándose la característica contraria a la solución de naranja de metilo.


• Las longitudes de onda que atraviesan son las únicas que se ven; ellas determinan el color del objeto


A continuación algunos espectros obtenidos en el espectroscopio mediante el uso de un tipo de luz (bombilla incandescente) y su interacción con el papel celofán.

Papel celofán de color verde irradiado con una bombilla incandescente



Papel celofán de color naranja (sencillo) irradiado con una bombilla incandescente




Papel celofán de color naranja (doble) irradiado con una bombilla incandescente



Papel celofán de color azul irradiado con una bombilla incandescente






Un objeto sólo se ve con su propio color si se ilumina con luz blanca o con luz de su mismo color. Una superficie que refleja únicamente la luz verde, por ejemplo, se verá verde únicamente cuando la luz que está iluminándola contenga el color verde
En los tres ejemplos mostrados anteriormente el papel celofán actúa como filtro. Los filtros dejan pasar la radiación correspondiente al color con que vemos el filtro. Es por ello que en el ejemplo con el papel celofán verde se observa este color en el espectro obtenido en el espectroscopio. Un comportamiento similar se observa en el papel celofán naranja y azul.
Al comparar los espectros obtenidos al irradiar las soluciones de azul de metileno y naranja de metilo con respecto a los obtenidos al irradiar el papel celofán con estos mismos colores se observó una gran similitud confirmándose así las propiedades características de absorción cuando se presentan estos dos colores.


Conclusiones
• No todos los colores del arco iris están siempre presentes en lo que nuestros ojos ven como luz blanca, por ello es interesante la realización de estos montajes para así lograr la percepción de estos.

• Con este espectroscopio se pueden diferenciar claramente fuentes de luz que a simple vista parecen iguales.

• Los colores de las cosas que vemos mediante la luz reflejada dependen del tipo de luz que cae sobre ellas.

• Cuando la luz atraviesa la disolución coloreada, parte de la radiación es absorbida, de forma que se pueden observar las bandas de absorción de la sustancia analizada.

• Los objetos o en este caso las soluciones tienen un color determinado ya sea porque refleja o transmite luz de ese color o porque absorbe luz del color complementario.


Bibliografía
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HOW TO BUILD A HOMEMADE SPECTROSCOPE WITH A CD Departament de Física, Enginyeria de Sistemes i Teoria del Senyal, Universitat d’Alacant, Apartat 99, E-03080 Alacant, Spain Rev. Eureka. Enseñ. Divul. Cien., 2009, 6(3), pp. 491-495

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