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OBJETIVOS

1. Entender

el

fundamento,

funcionamiento

y

los

cuidados

de

Espectrofotómetro de Absorción Atómica. 2. Construir la curva de calibración de una muestra de plomo en solución.

3. Aprender el mejor control de las variables en una excitación por llama.

un

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INTRODUCCIÓN

En esta práctica aprenderemos el uso del espectrómetro de absorción atómica, además de su importancia para el análisis de algunos elementos, especialmente metales, en muestras para determinar su grado de contaminación o toxicidad a partir de la concentración de esas trazas. El funcionamiento de este equipo, consiste básicamente en atomizar una muestra en solución, la cual pasara a través de una llama generada por un quemador. Esta llama producirá a los cationes de la solución a formar átomos puros y neutros, a los cuales se les hace incidir una radicación. Esta radiación es característica para cada muestra a analizar, por lo cual podemos afirmar que este método es específico. El análisis de los elementos mediante estas técnicas requiere la disolución eficaz de las muestras. Las soluciones de las muestras deben ser límpidas y no deben contener sólidos suspendidos ni sedimentados, de lo contrario es necesario emplear procedimientos apropiados de filtración. Generalmente usamos agua como diluyente, pero también se usan ácidos. Para ello, debe optarse por el empleo de la menor cantidad posible ya que su uso masivo conduce a cambios importantes en las propiedades físicas de la muestra en relación a la de los patrones acuosos por lo que pueden presentarse interferencias no espectrales asociadas al transporte de la muestra al atomizador.

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MARCO TEÓRICO ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN ATÓMICA EN FLAMA La espectroscopia de absorción atómica (EAA), tiene como fundamento la absorción de radiación de una longitud de onda determinada. Esta radiación es absorbida selectivamente por átomos que tengan niveles energéticos cuya diferencia en energía corresponda en valor a la energía de los fotones incidentes. La cantidad de fotones absorbidos, está determinada por la ley de Beer, que relaciona ésta pérdida de poder radiante, con la concentración de la especie absorbente y con el espesor de la celda o recipiente que contiene los átomos absorbedores.

Figura 1. Espectrofotómetro de Absorción Atómica (1)

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Los componentes instrumentales de un equipo de espectrofotometría de absorción atómica son los similares a los de un fotómetro o espectrofotómetro de flama, excepto que en EAA se requiere de una fuente de radiación necesaria para excitar los átomos del analito. Estos componentes se representan en la Figura 2

Figura 2: Componentes de un Fotómetro de Emisión de Flama y de un Espectrofotómetro de Absorción Atómica.

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ATÓMICA------UNMSM COMPONENTES DE UN ABSORCIÓN ATÓMICA

ESPECTROFOTÓMETRO

DE

1) Una fuente de radiación que emita una línea específica correspondiente a la necesaria para efectuar una transición en los átomos del elemento analizado. 2) Un nebulizador, que por aspiración de la muestra líquida, forme pequeñas gotas para una atomización más eficiente. 3) Un Quemador, en el cual por efecto de la temperatura alcanzada en la combustión y por la reacción de combustión misma, se favorezca la formación de átomos a partir de los componentes en solución. 4) Un sistema óptico que separe la radiación de longitud de onda de interés, de todas las demás radiaciones que entran ha dicho sistema. 5) Un detector o transductor, que sea capaz de transformar, en relación proporcional, las señales de intensidad de radiación electromagénetica, en señales eléctricas o de intensidad de corriente. 6) Un amplificador o sistema electrónico, que como su nombre lo indica amplifica la señal eléctrica producida, para que en el siguiente paso pueda ser procesada con circuitos y sistemas electrónicos comunes. 7) Por último, se requiere de un sistema de lectura en el cual la señal de intensidad de corriente, sea convertida a una señal que el operario pueda interpretar (ejemplo: transmitancia o absorbancia). Este sistema de lectura, puede ser una escala de aguja, una escala de dígitos, un graficador, una serie de datos que pueden ser procesados a su vez por una computadora, etc. (2) La EAA en flama es a la fecha la técnica más ampliamente utilizada (aunque cada vez más competida por la EEP) para determinar elementos metálicos y metaloides. Esta técnica tienen grandes convenientes y es de costo relativamente bajo, pudiéndose aplicar tal técnica a una gran variedad de muestras. Acoplado un instrumento de Absorción Atómica a un horno de Grafito y a un generador de hidruros se alcanzan límites de detección hasta de ppb, lo cual lo hace indispensable en áreas como son: estudios de contaminación ambiental, análisis de alimentos, análisis de aguas potables y residuales, diagnóstico clínico, etc. DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA DE EAA.- La técnica de absorción atómica en flama en una forma concisa consta de lo siguiente: la muestra en forma líquida es aspirada a través de un tubo capilar y conducida a un nebulizador donde ésta se desintegra y forma un rocío o pequeñas gotas de líquido.

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ATÓMICA------UNMSM Las gotas formadas son conducidas a una flama, donde se produce una serie de eventos que originan la formación de átomos. Estos átomos absorben cualitativamente la radiación emitida por la lámpara y la cantidad de radiación absorbida está en función de su concentración. La señal de la lámpara una vez que pasa por la flama llega a un monocromador, que tiene como finalidad el discriminar todas las señales que acompañan la línea de interés. Esta señal de radiación electromagnética llega a un detector o transductor y pasa a un amplificador y por último a un sistema de lectura. FUENTES DE RADIACIÓN Una vez que han sido formados los átomos, la flama tiene la misma función que una celda en espectroscopia visible o Ultravioleta. Los átomos de la flama absorben radiación de acuerdo a la Ley de Beer si esta corresponde a la diferencia en energía entre los niveles energéticos de algunos de los átomos presentes, del c o n t r a r i o , la radiación pasa por la flama sin disminuir la potencia de haz como efecto de los átomos contenidos en ella. El desarrollo de un equipo comercial de absorción atómica fue hasta principio de los cincuentas, ya que aunque su potencial se vislumbra desde fines del siglo pasado, no se sabía aún como tener una fuente de radiación para este tipo de espectroscopia. LÁMPARA DE CÁTODO HUECO.- Este tipo de fuente de radiación es de las ampliamente difundidas en la EAA. Las lámpara de cátodo hueco (LCH o HCL Hollow Cathode Lamp ) consisten de un cilindro de vidrio sellado al vacío y con un gas inerte en su interior. Dentro de este mismo cilindro se encuentran dos filamentos; uno de ellos es el cátodo y el otro el ánodo. El ánodo generalmente es un alambre grueso hecho de níquel o tungsteno, el cátodo es en forma de un cilindro hueco, en el interior del cual se encuentra depositado en forma de una capa el elemento metálico que se va a excitar. También regularmente y cuando esto es posible el cátodo está enteramente hecho del metal a analizar.(Figura 2)

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ATÓMICA------UNMSM Figura 3: Lámpara de cátodo hueco.

El cátodo es la terminal negativa y el ánodo es la positiva, cuando se aplica una diferencia de potencial entre las dos terminales ocurre una serie de eventos que se muestra en la Figura 3 y que son descritos a continuación:

Figura 4: Eventos que ocurren en una lámpara de cátodo hueco.

1. Por efecto del voltaje aplicado entre los dos electrodos ocurre una descarga eléctrica. Si el cátodo consiste de dos electrodos paralelos o de un cilindro hueco, bajo circunstancias adecuadas la mayor parte de la descarga ocurre dentro del cátodo. 2. Estas descargas eléctricas aumentan la energía cinética y favorecen la ionización de las moléculas de gas inerte. Estas especies ionizadas requieren carga positiva, por lo cual son atraídas hacia el cátodo. 3. Al chocar los iones de gas inerte (Ar+ en este caso) con las paredes del cátodo, son desprendidos átomos del metal de que está el cátodo o depositado sobre la superficie del mismo. 4. Después de desprenderse del cátodo, los átomos producidos son excitados por choques moleculares con los

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ATÓMICA------UNMSM iones y átomos de argón. 5. Los átomos excitados no pueden permanecer indefinidamente en un estado de energía superior y procede el paso de emisión electromagnética. A través de esta serie de procesos se obtiene un haz de radiación bien concentrado, ya que casi la totalidad de los eventos ocurren dentro del cátodo de la lámpara. También el resultado final es la obtención de un espectro característico del elemento del que está hecho el cátodo de la lámpara. (3) y (4)

Fotometría de llama Es una técnica de emisión que utiliza una llama como fuente de excitación y un fotodetector electrónico como dispositivo de medida. Se trata principalmente de un método de análisis cuantitativo y es uno de los métodos más sencillos y precisos para el análisis de metales alcalinos, la mayor parte de los metales alcalinotérreos y algún otro elemento metálico. También es posible realizar un análisis cualitativo examinando todas las longitudes de onda del espectro de emisión (espectrofotometría de llama o fotometría de llama). Su aplicación es limitada si se compara con la espectroscopía de emisión ordinaria, ya que la energía de la llama permite excitar únicamente de 30 a 50 elementos, siendo este número función del tipo de llama utilizada. La muestra debe estar disuelta.

Espectrofotometría de absorción atómica Es una técnica muy relacionada con la fotometría de llama ya que se utiliza una llama para atomizar la disolución de la muestra de modo que los elementos a analizar se encuentran en forma de vapor de átomos. Ahora bien, en absorción atómica existe una fuente independiente de luz monocromática, específica para cada elemento a analizar y que se hace pasar a través del vapor de átomos, midiéndose posteriormente la radiación absorbida. (5) En la siguiente figura se compara un esquema de espectrofotómetro de emisión de llama (a) y él de absorción atómica (b)

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PARTE EXPERIMENTAL 1. MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS Equipo: Espectrofotómetro de absorción atómica Perkin Elmer modelo 3300. Materiales: Matraz Aforado (100ml, 25ml) Pipeta volumétrica (15ml,10ml,5ml) Reactivos: Plomo Agua destilada 1. PREPARACIÓN DE LAS DILUCIONES A partir del stock de una muestra patrón de 1000 ppm preparamos 3 disoluciones de plomo, de las siguientes concentraciones: 5 ppm, 10 ppm y 15 ppm. a. 5 ppm Se retiró 0.5 ml de la muestra patrón y se llevó a una fiola de 100ml, con este procedimiento se obtuvo la concentración deseada. b. 10 ppm Se retiró 1 ml de la muestra patrón y se llevó a una fiola de 100ml, con este procedimiento se obtuvo la concentración deseada. c. 15ppm

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ATÓMICA------UNMSM Se retiró 12.5 ml de la fiola que contiene plomo a una concentración de 10 ppm y se llevó a una fiola de 25ml, con este procedimiento se obtuvo la concentración deseada.

1. LECTURA EN EL ESPECTROFOTÓMETRO DE ABSORCIÓN ATÓMICA Las 3 muestras fueron llevadas al espectrofotómetro de absorción atómica y se obtuvo las siguientes absorbancias:

Concentración M.P

Absorbancia

5 ppm

0.015

10 ppm

0.022

15 ppm

0.033 También se hizo la lectura de una muestra problema, cuya concentración era desconocida, el valor que arrojó el espectrofotómetro de absorción atómica fue el siguiente: 794 ug/dl, que es equivalente a 7,94 ppm. La gráfica obtenida es la siguiente:

Coeficiente de correlación: 0.97401

CUESTIONARIO 1. Explique el fundamento de la Espectroscopia de Absorción Atómica (EAA):

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ATÓMICA------UNMSM La Espectroscopia de Absorción Atómica (EAA) se basa en los principios de la interacción de la de las radiaciones electromagnéticas (energía luminosa) con la materia; dicha interacción se evidencia gracias al registro de cantidad de luz absorbida por una sustancia (moléculas y/o átomos) en términos de transmitancia y absorbancia; dicho principio es compartido por la espectroscopia de absorción molecular (UV/visible) Ahora en la EAA, a diferencia de la espectroscopia de absorción molecular, se trabaja con átomos neutros en estado gaseoso, por lo que la muestra (analito) en solución debe de pasar por un proceso denominado atomización. De esta manera, los átomos en estado fundamental absorberán haces de luz cuyas longitudes de onda presenta energía que el átomo requiere para pasar a un estado de excitación (transición electrónica) (1). La luz absorbida por el átomo atraviesa el portamuestras con una intensidad menor a la cual fue emitida y viaja hacia un detector, el cual mediante la conversión de energía luminosa a energía eléctrica, registra la absorción de dicho haz de luz de longitud de onda específica. Esta técnica tiene en común, con otras técnicas espectroscópicas que el instrumento empleado consta de una fuente de radiación, un monocromador, un portamuestras y un detector. Las diferencias son, en primer lugar que el portamuestras en EAA es generalmente una llama y segundo, que la fuente, es una fuente de líneas en vez de una fuente continua. A parte de estas diferencias, las medidas son las típicas de otros tipos de espectroscopias de absorción (2). Métodos de atomización: Existen diversos tipos de atomizadores, entre los cuales se encuentra la llama (1750 – 3150 oC), el plasma de argón de acoplamiento inductivo (ICP) (1200 – 3000 oC), el arco eléctrico (4000 – 5000 oC), entre otros. Dentro de estos, la atomización con llama resulta el método más habitual y el más reconocido a nivel de investigaciones de diversa índole. En atomización con llama, la muestra es nebulizada mediante un flujo de gas oxidante mezclado con un gas combustible, y se transporta a una llama donde se produce una llama donde se produce la atomización.

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ATÓMICA------UNMSM En una primera etapa se evapora el disolvente hasta producir un aerosol molecular sólido finamente dividido. Luego la disociación de la mayoría de las moléculas produce un gas atómico. La mayoría de estos átomos se ioniza originando cationes y electrones. Indudablemente se producen también otras moléculas y átomos en la llama como resultado de las interacciones del gas combustible con el oxidante y otras especies de la muestra. Se producen tantos procesos complejos en la llama (emisión y absorción de radiación, entre otros), que no es sorprendente que se a la etapa más crítica en la espectroscopia y la que limita la precisión de dichos métodos. (1) Estructura de la llama, importancia en la EAA: Las regiones más importantes de la llama son: la zona de combustión primaria, la región interconal y la zona de combustión secundaria. La región interconal, puede alcanzar varios centímetros de altura con fuentes ricas en combustible de acetileno/ oxígeno o acetileno/ óxido nitroso. La zona es frecuentemente rica en átomos libres y es la parte de la llama más utilizada en espectroscopia. (1)

Fuente de radiación: La lámpara de cátodo hueco está fabricada del analito metálico de interés, una pequeña cantidad de neón se introduce dentro del tubo el cual se cierra herméticamente La energía radiante emitida es característica del elemento catódico y del neón. Se aplica a la lámpara un voltaje que sea de suficiente magnitud como para provocar la ionización del neón. El voltaje se aplica para que el cátodo quede cargado negativamente. Los electrones son acelerados hacia el ánodo y adquieren una considerable energía en este proceso. Debido a su energía

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ATÓMICA------UNMSM cinética, los electrones generan más iones neón y electrones. Los iones neón son atraídos hacia el cátodo, provocando la vaporización de átomos metálicos desde la superficie del cátodo. Muchos de los átomos que son desalojados en fase gaseosa están en el primer nivel excitado y emiten fotones de radiación. (2) 2. Utilizando la tabla periódica, señalar que elementos no se pueden determinar por absorción atómica La espectroscopia de absorción atómica (EAA), es el método espectroscópico de absorción empleado para detectar elementos metálicos en estado gaseoso, se emplea sobre todo, en el análisis cuantitativo de metales en matrices complejas. (2) Es por esto, que los elementos considerados en la tabla como no metálicos no pueden ser determinados por EAA, aunque algunos elementos metálicos tampoco ser determinados por EAA

Los elementos sombreados con color celeste son aquellos que no pueden ser analizados por absorción atómica

3. Cuáles son las diferencias de un análisis por absorción atómica y espectroscopía de llama. Dada la estrecha relación existente entre absorción atómica y fotometría de llama es inmediata una comparación entre ellas. En fotometría de llama la sensibilidad es proporcional al número de átomos que se han excitado, mientras que, en absorción atómica la

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ATÓMICA------UNMSM sensibilidad depende del número de átomos que se encuentran en el estado fundamental. Normalmente, tan sólo un pequeño porcentaje de átomos se encuentran en estado excitado en la llama. Por lo tanto, la absorción atómica da lugar, en general, a una mayor sensibilidad que la fotometría de llama para un gran número de elementos. (1) Además, la absorción atómica es una técnica que presenta menos interferencias y es más simple que la fotometría de llama, lo que explica el espectacular desarrollo de la técnica en los últimos años. Hay que señalar que a pesar de ello, la absorción atómica no ha eliminado el uso de la fotometría, sino que ambos métodos deben considerarse complementarios, siendo la sensibilidad de cada uno de ellos superior a la del otro para determinados elementos. Las ventajas fundamentales de la utilización de la llama como fuente de excitación son que los espectros son muy sencillos y que los resultados cuantitativos tienden a ser más reproducibles. Los espectros son sencillos debido a la baja energía de excitación de la llama que da lugar a pocas líneas de emisión. Este hecho hace disminuir el problema de las interferencias espectrales a partir de líneas y bandas de otros elementos y además no implica la necesidad de un monocromador de elevada resolución. La mayor reproducibilidad de estos métodos se debe al mejor control de las variables en una excitación por llama. Las dos desventajas más importantes de los métodos de emisión en llama son que la energía de excitación es demasiado baja para la mayoría de los elementos y que la muestra debe estar disuelta. En absorción atómica la baja energía no es una desventaja tan importante ya que la misión de la llama, en ese caso, es únicamente atomizar la muestra y formar un vapor de átomos sin excitar; por esta razón es aplicable a un mayor número de elementos que la fotometría de llama. (1) 4. ¿En qué consiste una interferencia espectral, puede ocurrir esta interferencia en absorción atómica? En los métodos de absorción atómica se presentan dos tipos de interferencias. Las interferencias espectrales se producen cuando la absorción o emisión de una especie interferente se solapa o aparece muy próxima a la absorción o emisión del analito, de modo que su resolución por el monocromador resulta imposible. Las interferencias químicas se producen como consecuencia de diversos procesos químicos que ocurren durante la atomización y que alteran las características de absorción del analito. INTERFERENCIAS ESPECTRALES Dado que las líneas de emisión de las fuentes de cátodo hueco son muy estrechas, es rara la interferencia debida a la superposición

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ATÓMICA------UNMSM de las líneas. Para que exista esta interferencia, la separación entre las dos líneas tendría que ser menor de aproximadamente 0.1 Å. Por ejemplo, la línea del vanadio a 3.092,7 Å en lugar de aquella. Las interferencias espectrales también se producen debido a la presencia de productos de combustión, que poseen bandas de absorción anchas. O de productos en forma de partículas. Que dispersan la radiación. Ambos disminuyen la potencia del haz transmitido y dan lugar a errores analíticos positivos. Cuando la procedencia de estos productos es la mezcla de combustible y oxidante, se puede realizar fácilmente la corrección midiendo la absorbancia de un blanco. Obsérvese que esta corrección es necesaria tanto en los instrumentos de haz sencillo como en los de doble haz, ya que en estos últimos el haz de referencia no pasa a través de la llama. Cuando la absorción o dispersión se debe a la matriz de la muestra, entonces el problema es más complicado, En este caso, la potencia del haz transmitido, P. se reduce por la presencia de los componentes de la matriz, mientras que la potencia del haz incidente, P. no resulta afectada; por ello, se produce un error positivo en la absorbancia y, por consiguiente, en la concentración. Un ejemplo de una posible interferencia de matriz debida a la absorción se produce en la determinación de bario en mezclas de elementos alcalinotérreos, la longitud de onda de la línea del bario utilizada para su análisis por absorción atómica aparece en el centro de una banda ancha de absorción correspondiente al CaOH; en estas condiciones, es evidente que se ha de esperar la interferencia del calcio en el análisis del bario. En este caso en particular, se elimina fácilmente la interferencia sustituyendo el aire por óxido nitroso como oxidante, que produce una llama de mayor temperatura capaz de descomponer el CaOH y eliminar la banda de absorción. La interferencia espectral debida a la dispersión por los productos de la atomización se produce más frecuentemente cuando se aspiran en la llama disoluciones concentradas que contienen elementos, tales como Ti, Zr y W, que forman óxidos refractarios. En estos casos se forman partículas de óxidos metálicos, cuyos diámetros son mayores que la longitud de onda de la luz, lo que origina una dispersión del haz incidente. La interferencia debida a la dispersión también puede ser un problema cuando la muestra contiene especies orgánicas o cuando se utilizan disolventes orgánicos para disolver la muestra. En este

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ATÓMICA------UNMSM caso, la combustión incompleta de la matriz orgánica deja partículas carbonosas que son capaces de dispersar la luz. Afortunadamente, en la atomización con llama, las interferencias espectrales que provienen de los componentes de la matriz no siempre se producen, y con frecuencia se pueden evitar modificando los parámetros analíticos, como la temperatura y la relación combustible/oxidante. De una forma alternativa, si se conoce la causa de la interferencia, se puede añadir un exceso de la sustancia interferente tanto a la muestra como a los patrones. Si el exceso añadido a la muestra patrón es grande con respecto a su concentración en la matriz de la muestra, la contribución de esta última será insignificante. La sustancia añadida se denomina a veces amortiguador de radiación. Hace algún tiempo, el problema de la interferencia de matriz en la atomización electrotérmica era importante. Actualmente, con los recientes progresos en la tecnología de la plataforma, los nuevos materiales de grafito de alta calidad, la instrumentación fotométrica rápida y la corrección Zeeman del fondo se consigue reducir este tipo de interferencias al nivel que se encuentra en las llamas para corregir las interferencias espectrales debidas a los componentes de la matriz se han desarrollado varios métodos, tales como el Método de corrección de las dos líneas, el Método de corrección con una fuente continua, etc.

DISCUSIONES •

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Procedimos a aplicar el método de espectrometría de absorción atómica para la cuantificación de plomo en soluciones de 5ppm, 10 ppm y 15ppm. Tras optimizar la llama alineando el quemador y controlando los flujos de aire y acetileno, procedimos a llevar a cabo las lecturas. Tras llevar las absorbancias a un gráfico linealizado, se obtuvo lo siguiente:

El valor de la regresión es de 0.9686, valor que excede el limite ideal . Esto podría deberse a los errores al momento de hacer las diluciones, dado que todas ellas fueron hechas

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ATÓMICA------UNMSM usando pipetas de 2mL para volúmenes como 0.5mL. Trabajar con volúmenes tan bajos para diluir una solución cuyo análisis exige la máxima precisión posible no es recomendable, más aun si es que es a partir de esa dilución de las cual se prepararán las demás. La dispersión también se puede deber a que tan solo hemos trabajado con tres muestras.

CONCLUSIONES •

En la EAA se usa las unidades de ppm (partes por millón) puesto que este tipo de espectrofotómetro solo necesitan cantidades pequeñas para ser detectadas.

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Con referencia a la fotometría a la llama (5) y el espectro de absorción atómica podemos realizar una comparación respecto a su utilidad dado que la primera tiene límites respecto al análisis de algunos metales del grupo IA y IIA sin embargo el EAA no se limita puesto que es libre de elegir el metal de análisis ya que cuenta con una lámpara de descarga de cátodo hueco con el metal de análisis

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Para el uso del EAA necesitamos que los átomos se encuentren en esta excitado (fase gaseosa) por ello la necesidad de someter a la muestra a temperaturas elevadas.

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Las muestras deben ser de un solo tipo de analito mas no de mezclas o muestras en fase solida como en el caso del horno de grafico donde si se podrán aceptar mezclas

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BIBLIOGRAFÍA LIBRO: (1)Skoog, Douglas “Principios de análisis instrumental” Ed. McGraw Hill , España 2005 (2)Bender , Gary “Métodos Instrumentales en Química Clínica” Ed. Zaragoza, España 2000 PAGINAS WED: • •

http://pdf.umc.com/espectroscopia-de-absorcion-atomica.html http://www.buscadorpdf.com/pdf-Espectrofotometro-de-absorcionatomica/

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http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leia/choussy_ c_d/apendiceC.pdf http://www.fcq.uach.mx/index.php/documentos/category/2analisis-instrumental.html?download=12%3Alectura-9

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http://www.xtec.cat/~gjimene2/llicencia/students/bscw.gmd.de_bscw_bscw. cgi_d32817116-3_______AAS_final.html