thumb|225x225px|El fotómetro de llama FP8800 de A.KRÜSS Optronic para la determinación simultánea de hasta 4 concentraciones de elementos alcalinos y alcalinotérreos en muestras acuosas.La fotometría emisión de llama, también conocida como fotometría de llama, es una técnica de análisis químico basado en la espectroscopia de emisión atómica, por lo que también se conoce como espectroscopia de emisión de llama. Se fundamenta en que los átomos e iones de los compuestos químicos, cuando reciben suficiente cantidad de energía térmica, pasan a estados excitados emitiendo radiación electromagnética generalmente de frecuencias características del espectro visible.Esta emisión de radiación electromagnética es característica de cada elemento químico y su intensidad proporcional al número de átomos que alcanzan el estado excitado, por lo que la fotometría de llama tiene interés analítico, tanto cualitativo como cuantitativo.

Fundamento Los átomos en estado gaseoso, cuando reciben una cantidad determinada de energía térmica pasan a estados excitados de energía. La fuente de energía térmica puede ser de diferente origen, como electrotérmica (hornos), plasmas, descargas de baja presión, láseres o como en el caso de la fotometría de llama, la combustión de una mezcla de un gas combustible con aire o con oxígeno puro. Cuando los átomos son calentados por cualquiera de estos medios, encontrándose es su estado energético más bajo o estado fundamental, absorben parte de la energía térmica y sus electrones pasan a orbitales de mayor energía, denominado estado excitado. Casi inmediatamente, tras varios nanosegundos en este estado excitado, los átomos se relajan y los electrones vuelven al estado energético basal o fundamental, liberando la energía térmica absorbida, pero ahora como energía electromagnética, mediante fotones de radiación ultravioleta o visible. alt=Niveles espectrales de l sodio|miniaturadeimagen|299x299px|Espectro de emisión de sodio y niveles de energía que lo produce En el caso de la fotometría de llama, la muestra se introduce en el interior de una llama producida por un gas combustible, generalmente acetileno, mezclada con oxígeno aunque se pueden utilizar otros comburentes, como el óxido nitroso. Con estas mezclas se consiguen llamas con temperaturas por encima de los 2000 K, temperatura suficiente para que una cantidad suficiente de átomos alcance el estado excitado, emitiendo la correspondiente radiación electromagnética.La cantidad de átomos excitados (N*), cuando se alcanza el equilibrio térmico, viene dada por la ecuación de distribución de Boltzmann, que para muchos elementos químicos a temperaturas inferiores a 5000 K, puede aproximarse a:

donde gi y g0 son factores estadísticos relacionados con el número de niveles de energía, Ei es la energía del estado excitado considerado, en relación con la del estado fundamental que se toma como E0 = 0, k es la constante de Boltzmann (1,3807 × 10-23 J/K) y T es la temperatura en kelvin. De esta ecuación se desprende que los estados excitados de menor diferencia de energía con respecto al estado fundamental, son los que presentan mayor población de átomos excitados, dando lugar a líneas de emisión más intensas. Puesto que a mayor temperatura mayor población de átomos excitados, la intensidad de las líneas de emisión también aumenta con la temperatura.

alt=Llama sodio|izquierda|miniaturadeimagen|305x305px|Llama amarillo-anaranjada característica del sodio Aunque, en principio, la temperatura de la llama, especialmente las más energéticas, permiten llegar a temperaturas próximas a los 5000 K (por ejemplo la llama cianógeno-oxígeno), lo habitual es que la temperatura máxima no sobrepase los 3000-3100 K, que suelen ser las llamas más habituales de aire-acetileno o de oxígeno-acetileno. A esta temperatura muchos de los elementos químicos presentes en la mayoría de las muestras en disolución, no se encuentran en concentración suficiente como para generar una emisión de intensidad suficiente que pueda ser medida sin cometer importantes errores de cuantificación. Es decir, aunque se pueden detectar en muchos casos, por estar por encima del límite de detección, no alcanzan el límite de cuantificación. Esto ha hecho que la espectrometría de llama se haya utilizado como método de análisis cualitativo desde mediados del , tras el descubrimiento de los científicos Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen de que cada elemento químico emite un espectro de líneas único. Respecto al empleo en el análisis cuantitativo, debido a la poca sensibilidad, su aplicación se restringe a la determinación de metales alcalinos, principalmente litio, sodio y potasio y, ocasionalmente, a la determinación de calcio, como alternativa a la absorción atómica en muestras no muy diluidas. Estos elementos se excitan a temperaturas típicas de las llamas dando lugar a espectros sencillos de pocas líneas de emisión, sin interferencias, algunas de las cuales con suficiente intensidad como para ser utilizadas en determinaciones cuantitativas. Esto permite que su análisis empleando espectrómetros sencillos y económicos, algunos específicamente diseñados para la determinación de dichos elementos en muestras concretas (aguas, sueros, materiales biológicos, etc.).

Dependiendo de los elementos presentes en la muestra, la llama puede presentar diferentes colores o tonalidades, según sean sus líneas espectrales de emisión. Así por ejemplo, el sodio emite preferentemente a 789 nm de longitud de onda en el visible, aunque también presenta algunas líneas menos intensas en el ultravioleta a 285 y 330 nm. Esto hace que las muestras que contienen sodio emitirán una luz amarillenta, muy característica de este elemento. Si en la muestra también se encontraran presentes otros elementos en suficiente concentración como para emitir radiación visible, mediante sistemas de filtros o de selección de longitud de onda, se puede dirigir hacia el detector solamente la radiación correspondiente a 789 nm, determinándose el sodio, sin que interfieran los otros elementos.

Algunos ejemplos de coloración de la llama mostrada por elementos en estado puro:

Ba verde claro Ca rojo - anaranjado Cu azul verde - intenso Cr amarillo

Cs rojo claro In violeta rosado K violeta Li rojo intenso

Na amarillo Pb azul gris claro Sr rojo

Fotómetro de llama Las medidas de emisión de aquellas sustancias que van a ser analizadas mediante emisión de llama se llevan a cabo mediante el empleo del instrumento denominado espectrofotómetro de llama o también, cuando el instrumento es muy sencillo, fotómetro de llama. A pesar de que esta técnica de análisis esta limitada a unos pocos elementos, su utilización está muy extendida, por lo que en el mercado existen diferentes instrumentos, algunos muy simples y sencillos, de uso manual y otros más complejos e incluso automatizados para poder realizar el análisis de múltiples muestras. alt=Fotómetro de llama|izquierda|miniaturadeimagen|375x375px|Esquema de un fotómetro de emisión de llama Básicamente, un fotómetro de llama consta de una fuente de emisión, consistente en un sistema de introducción de la muestra, del combustible y del comburente, que son llevados a una cámara de mezcla dispuesta de tal forma que genera la nebulización de la muestra líquida, tras lo cual, la mezcla pasa al quemador, donde entra en contacto con la llama, produciéndose la excitación y emisión atómica de los elementos objeto del análisis. La luz emitida por la llama es dirigida mediante rejillas colimadoras y espejos, hasta un monocromador capaz de aislar la línea de emisión del elemento analizado, generalmente una red de difracción, aunque en los instrumentos más sencillos se suelen utilizar filtros para esta función. Aislada la línea de emisión de interés analítico, esta se dirige hacia un detector que convierte la señal en una pequeña corriente eléctrica, proporcional a la intensidad, que a su vez, es proporcional a la concentración del analito en la muestra.

Puesto que los espectros de emisión atómica son muy simples, presentando un número reducido de líneas espectrales, los fotómetros de filtro para la determinación rutinaria de metales alcalinos son muy habituales. Estos fotómetros utilizan llamas de baja temperatura para evitar la excitación de otros elementos. Algunos fabricante ofrecen instrumentos, de un solo canal, diseñados específicamente para algunos elementos muy específicos o de varios canales, cada uno de ellos reservado para la determinación de cada elemento por separado. Algunos fotómetros de llama están adaptados para ser acoplados a sistemas de análisis por inyección en flujo (FIA), que permite la automatización de la introducción de la muestra, en aquellos casos en los que se requiere procesar muchas de ellas.

Usos de la Fotometría de Llama La fotometría de emisión de llama tiene varias aplicaciones, ya que se puede utilizar tanto para el análisis cuantitativo como para el cualitativo de elementos químicos.

En líneas generales se puede trabajar con la fotometría de llama para conocer la composición del suelo y determinar los metales alcalinos y alcalinotérreos presentes, también se pueden analizar las concentraciones de elementos en bebidas como jugos o bebidas alcohólicas.

No obstante, a continuación se presentan áreas donde la espectrometría de llama es común y muy útil: Industria azucarera; Industria Vinícola; Industria Nuclear; Aplicación Industrial.

Véase también

Espectrofotometría Espectrofotómetro Espectroscopía de emisión atómica Línea espectral

Referencias

Categoría:Técnicas analíticas