Principios de análisis instrumental

aplican a las placas aceleradoras potenciales elevados (10 3 a 10 4 V) que permiten a los iones alcanzar sus velocidades finales antes de entrar en el analizador de masas. Las fuentes comerciales para ionización por electrones son más complejas que la que se mues– tra en la figura 20.3, y pueden utilizarse campos electrostáticos o magnéticos adicionales para manipular el haz de electrones o de iones. En el ejemplo 20.1 se calcula la energía cinética caracterís– tica producida en una fuente de ionización por electrones. ; )' ~~ í. ' ,~ ... ~ "" -· ""' ' '., EJEMPLO< 20.1 . - · · . ~~ . .. .~ ,_ ' - - ~ . . a) Calcule la energía cinética que adquiriría un ion con una sola carga (z = 1) si fuese acelerado mediante un potencial de 10 3 V en una fuente de impacto de electrones. b) ¿La energía ciné– tica de este ion depende de su masa? e) ¿La velocidad del ion depende de su masa? Solución a) La energía cinética (EC) suministrada al ion se debe al potencial de aceleración V y viene dado por la ecuación EC = qV = zeV donde e es la carga del electrón (1.6 X 10- 19 coulombs). Por tanto, para z = 1 EC = 1 X 1.6 X 10 - 19 C X 10 3 V = 1.6 X 10 - 16 J b} La energía cinética que adquiere un ion en la fuente es independiente de su masa y sólo depende de su carga y del potencial de aceleración. e) El componente de traslación de la energía cinética de un ion es función de la masa m del ion y de su velocidad v tal como lo indica la ecuación EC = (1/2)mv 2 o v = (2 EC/m) 112 Por consiguiente, si todos los iones adquieren la misma can– tidad de energía cinética, los iones con masas mayores deben tener velocidades menores. Espectros de masas por ionización por electrones Con el objetivo de formar una cantidad importante de iones gaseosos en una proporción reproducible, es necesario que los »> 20B Fuentes de iones 495 electrones generados por el filamento de la fuente sean acelera– dos mediante un potencial mayor a unos 50 V. La pequeña masa y la alta energía cinética de los electrones resultantes producen pequeños aumentos en la energía de traslación de las moléculas contra las que chocan. En consecuencia, las moléculas adquieren estados vibracionales y rotacionales altamente excitados. Por lo regular, la relajación posterior tiene lugar mediante una elevada fragmentación que origina un gran número de iones positivos de diferentes masas menores que la del ion molecular (en ocasiones son mayores a causa de los choques). Estos iones de masas más bajas se llaman productos o iones fragmentados . En la tabla 20.2 se muestran algunas reacciones de fragmentación características que se producen después de la formación de un ion molecular a partir de una molécula hipotética ABCD. En el ejemplo 20.2 se calcula la energía cinética de electrones acelerados a través de una diferen– cia de potencial de 70 V. " . ~. ''""·--~ ... ~, --~'" ~·~· ~'" EJEMPLO 2Ó~·2>: :;~r .: ;~-~' ·í!· ~,:. j O,; ::. , .. ~ ~ ,:.. O r • j • ',...• >' ~ a) Calcule la energía en J/mol que adquieren los electrones como resultado de ser acelerados por un potencial de 70 V. b} ¿Cómo se compara esta energía con la de un enlace quí– mico común? Solución a) La energía cinética (EC) de un electrón individual es igual al producto de la carga del electrón e por el potencial V por el cual ha sido acelerado. Al multiplicar la energía cinética de un único electrón por el número de Avogadro, N, se obtiene la energía por mol: EC = eVN = (1.60 X 10 - 19 C/e - )(70 V)N = (1.12 X 10 - 17 CV/e - )(6.02 X 10 23 e- /mol) = 6.7 X 10 6 J/mol o 6.7 X 10 3 kJ/mol b) Las energías de enlace típicas se sitúan en el intervalo de 200 a 600 k]lmol. Por tanto, un electrón que ha sido ace– lerado con 70 V posee por lo general una energía mucho mayor que la necesaria para romper un enlace químico. TABLA 20.2 Algunas reacciones características en una fuente de ionización por electrones Formación de ion molecular Fragmentación Reordenarniento seguido por fragmentación Colisión seguida por fragmentación ABCD. + + ABCD ---+ (ABCD )2 + ---+ BCD· + ABCDA +