Ya se ha visto en el apartado anterior que la interacción
materia radiación es la base para que las moléculas absorban luz y sus
electrones promocionen desde el nivel fundamental a un nivel excitado. Si la
luz que se absorbe forma parte de la región visible del espectro
electromagnético, entonces se produce la aparición de color. La cuestión que
surge es: ¿qué ocurre con los electrones excitados? ¿Permanecen indefinidamente
así?
Las moléculas, al igual que nuestro organismo, tienden a
estar de forma natural en su estado de mínima energía. Por ejemplo, podemos
correr 50 metros para no perder un autobús y seguramente cuando lo alcancemos y
podamos subir nos percataremos de que respiramos con mayor frecuencia y nuestro
corazón late más rápido. Pero poco a poco el organismo recupera su estado
normal previo a hacer el esfuerzo. Algo similar ocurre con las moléculas cuando
sus electrones son excitados a un nivel superior de energía. Pueden permanecer
un cierto tiempo en ese estado excitado, pero rápidamente decaen al estado
fundamental. El aspecto interesante es que el camino de regreso puede ocurrir
por varias vías, y de cada una de ellas la Fotoquímica puede extraer provecho.
En este apartado se explicará la desactivación de los estados
excitados por emisión de luz. Del mismo modo que la absorción de luz puede
producir el tránsito de un nivel de menor energía a otro de mayor energía,
también puede ocurrir el camino inverso por el que se emita un fotón de energía
correspondiente a la diferencia entre los dos niveles involucrados. Para ser
rigurosos, hay que decir que no todos los niveles electrónicos son iguales, y
que estas diferencias influyen a la hora de que se produzcan los tránsitos. Los
electrones que forman parte de los átomos o que se comparten en las moléculas
para formar los enlaces se caracterizan por tener spin, un número cuántico que
controla la rotación de los electrones sobre su propio eje. En los electrones,
este número de spin puede tener un valor de +1/2 o de -1/2, según el sentido de
rotación. Los enlaces covalentes, que son los que nos podemos encontrar en las
moléculas orgánicas, se forman por la compartición de electrones con spines
contrarios. Por ello, lo normal es que una molécula orgánica en su nivel
fundamental tenga todos sus electrones con los spines apareados, en cuyo caso
se dice que la molécula está en un estado singlete. Ahora bien, al excitar la
molécula, el electrón es promocionado a un nivel superior de energía. En esta
situación, cuando el electrón está solo en el nivel excitado de energía, sin
enfrentarse a otro electrón, tiene libertad para orientar su spin. Si mantiene
la orientación que tenía en el nivel fundamental, la molécula seguirá estando
en un estado singlete, aunque excitado (Figura 21 central). Si, por el
contrario, el electrón cambia su orientación, se dice que la molécula se
encuentra en un estado excitado triplete (Figura 21 derecha).
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Figura 21.
Configuración electrónica de una molécula en su estado singlete fundamental
(izquierda),
singlete excitado (centro) y triplete excitado
(derecha). (Fuente: Elaboración propia)
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Al proceso por el que una molécula en un estado excitado singlete
se desactiva por emisión de luz al estado fundamental singlete se le conoce
como fluorescencia y forma parte de los llamados procesos luminiscentes,
aquellos en los que se libera luz.
La primera observación de la fluorescencia se debió a los
españoles Bernardino de Sahagún en 1560 y Nicolás Monardes en 1565, quienes
notaron que las infusiones preparadas con la corteza de unos árboles procedentes
de América emitían luz. (VER EXPERIMENTO EN ESTE ENLACE)
La fluorescencia es un proceso de elevadísima importancia y
con el que convivimos y obtenemos beneficio todos los días, ya que los tubos
fluorescentes deben su funcionamiento a este proceso.
De forma esquemática, los fluorescentes suelen constar de un
tubo recubierto en su capa interna por una capa de fósforo y en cuyos extremos
se encuentran dos electrodos. Cuando se establece una diferencia de potencial
entre los extremos del tubo, los electrones viajan a grandes velocidades de un
electrodo a otro. Sin embargo, en su camino los electrones colisionan
violentamente con átomos de mercurio presentes en el interior del tubo, de
manera que los excitan. Los átomos de mercurio excitados se relajan emitiendo
luz ultravioleta. Esta luz ultravioleta es la encargada de excitar a los átomos
del recubrimiento de fósforo, los cuales, al relajarse, lo hacen emitiendo en
todo el espectro visible, de ahí que la luz obtenida sea blanca (Figura 22).
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Figura 22.
Esquema gráfico sobre el funcionamiento de un tubo fluorescente.
(Fuente: Luz fluorescente | Luis María Benítez |
Wikimedia)
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Como se ha comentado anteriormente, la fluorescencia no es
más que un tipo de proceso luminiscente. Otro ejemplo de este tipo de procesos
es la quimioluminiscencia, es decir, reacciones químicas en las que se emite
luz. El fundamento de estas reacciones es que la combinación de dos reactivos
da lugar a un producto en un estado electrónico excitado, que al pasar a su
estado fundamental de energía emite luz (Figura 23).
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Figura 23.
Esquema de una reacción quimioluminiscente. (Fuente: Elaboración propia)
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Una de las reacciones quimioluminiscentes más útiles es la
oxidación del luminol (Figura 24) con agua oxigenada y catalizada por hierro
(Figura 25). Esta reacción es empleada en investigaciones forenses para la
detección de sangre, ya que la hemoglobina de la sangre contiene hierro que
puede catalizar la reacción.
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Igualmente hay que destacar la biolumiscencia, que también se
trata de una reacción química, pero que tiene lugar en organismos vivos. El
mejor ejemplo lo constituye la oxidación de la luciferina catalizada por la enzima luciferasa, proceso
que es empleado por las luciérnagas.
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