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Unidad 4
2.
La espectrometría de masas
La espectrometría de masas es una eficaz
técnica de análisis
, tanto
cualitativa
(identifica los isótopos de un elemento, los elementos que integran un compuesto o
los compuestos existentes en una muestra) como
cuantitativa
(mide la abundancia
de cada isótopo, elemento o compuesto). Se basa en cuatro operaciones:
1.
vaporizar
la muestra;
2.
ionizarla;
3.
separar los iones según su relación masa/carga
(m/Q)
y
4.
detectar cada ion. De ahí que un espectrómetro de masas conste de cuatro partes:
1.
Ventana para introducir la muestra y sistema vaporizador
(lo convierte en
gas): se emplean muestras muy pequeñas (micromuestras), que suelen introdu-
cirse directamente en fase gaseosa. La muestra o
analito
puede estar formada
por distintos isótopos de un elemento, por diferentes elementos o por diferentes
compuestos.
2.
Fuente de ionización:
existen varias formas de ionizar la muestra gaseosa. La
más utilizada es la del impacto electrónico, en la que un haz de electrones de alta
energía (acelerados mediante un campo eléctrico) producen, al chocar contra las
partículas que forman la muestra (M), una variedad de fragmentos ionizados.
El proceso principal es la formación de un ion monopositivo:
M
+
e
−
→
M
+
+
2 e
−
(M y M
+
tienen prácticamente la misma masa)
Una vez ionizada la muestra, se utiliza una placa con carga positiva para repeler
los iones y expulsarlos fuera del haz de electrones.
3.
Analizador:
separa los diversos iones que salen de la fuente de ionización. El mé-
todo más usual es el del
campo magnético:
una vez acelerados los iones median-
te la aplicación de un campo eléctrico (
E
), se dispone un campo magnético (
B
),
perpendicular a su movimiento, que les obliga a describir una trayectoria circular
de radio
r
=
mv/QB
(1), donde
m
es la masa del ion,
v
su velocidad y
Q
su carga.
Por otra parte, y como el incremento de energía cinética de los iones (
∆
E
c
=
½
mv
2
)
equivale a su pérdida de energía potencial eléctrica (
∆
E
p
=
QV
), se tiene: ½
mv
2
=
QV,
donde
V
es la diferencia de potencial eléctrico aplicado.
Si se despeja la velocidad:
v
=
2
VQ
/
m
y se sustituye en (1) se tiene:
r
=
1/
B
2
Vm
/
Q
(2)
Esta ecuación nos dice que, para unos valores dados de diferencia de potencial
eléctrico
(V)
y campo magnético
(B),
cada ion, identificado por una determinada
relación
m/Q,
seguirá su particular trayectoria circular de radio el señalado en (2).
Midiendo este radio podremos calcular la relación
m/Q,
y dado que la mayoría
de los iones formados tienen una sola carga (
Q
=
1),
la relación
m/Q
coincide
con la propia masa del ión M
+
,
de ahí el nombre de espectrómetro de
masas.
Por otra parte, como M
+
tiene prácticamente la misma masa que M, la espec-
trometría de masas es el método más exacto y directo para
determinar masas
atómicas y moleculares.
4.
Detector:
es el elemento final del espectrómetro y el encargado de mostrar el nú-
mero de iones de cada clase que se han formado (su abundancia). Básicamente,
está constituido por un cátodo emisor que, al recibir el impacto de los iones,
emite un número diferente de electrones según el tipo de ion que ha impactado.
Las diversas corrientes, convenientemente amplificadas, son registradas y repro-
ducidas por un ordenador en forma de
espectrograma de masas.
Se define
poder de resolución de un espectrómetro de masas
a la capacidad
del mismo para separar dos partículas de masas muy próximas.
B
Iones más ligeros
Iones más
pesados
Pantalla
Imán
Muestra
Haz de iones
positivos
Cañón de
electrones
Placa
aceleradora
+
–
F
Figura 4.4.
Componentes de un
espectrómetro de masas. Para que el camino
del ion está libre de obstáculos (contra los
cuales impactaría y falsearía los resultados),
en el interior del espectrómetro debe
haber un alto vacío. El poder de resolución
de la mayoría de los espectrómetros de
masas actuales es tal que las masas exactas
se pueden expresar con tres o cuatro
decimales.
Actividades
3
Indica cómo serán los radios
de las circunferencias que descri-
ben dos iones de distinta masa
y con la misma carga, si entran
con igual velocidad en una re-
gión donde existe un campo
magnético uniforme perpendi-
cular a su movimiento.
4
Completa la siguiente frase
incluyendo
menor
o
mayor
se-
gún corresponda: «Cuanto ma-
yor sea la relación
m/Q __
será el
radio que describen los iones al
atravesar el campo magnético.»
