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Caracterizacin de Materiales y Defectos
Introduccin a las Tcnicas de Caracterizacin
INTRODUCCIN A LAS TCNICAS DE CARACTERIZACIN1.- Introduccin Desarrollo de nuevos materiales caracterizacin. desarrollo de tcnicas de preparacin y
1.1.- Qu es la caracterizacin de Materiales?Obtencin de informacin a partir de la respuesta de un material al ser perturbado por una seal. (Caracterizacin anlisis instrumental) Lugar que ocupa la caracterizacin en la Ciencia e Ing. de Materiales
1.2.- Por qu es necesaria la caracterizacin de materiales?Conocer o predecir las propiedades de un material y as valorar su utilidad en diversas aplicaciones.
1.3.- Qu informacin ofrecen las tcnicas de caracterizacin y cmo se utiliza?Composicin, estructura, topologa, topografa, morfologa, propiedades (Color, Tm, etc.)Fco. Javier Gonzlez Benito
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2.- Definiciones previas
2.1.- Tcnica instrumental o de anlisisProceso cientfico fundamental que ha demostrado ser til para proporcionar informacin acerca de la caracterizacin de sustancias y/o materiales (ej. IR).
2.2.- Mtodo instrumental o de anlisisAplicacin especfica de una tcnica instrumental para resolver un problema determinado. a) Procedimiento.- Son las instrucciones (no detalle) escritas para llevar a cabo un mtodo (Normas ASTM, American Society for Testing and Materials, son procedimientos normalizados) b) Protocolo.- Es un procedimiento detallado (receta) Resultados comparables (Reproducibilidad)
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3.- Clasificacin de las Tcnicas y Mtodos de caracterizacin y anlisis
3.1.- Tcnicas Clsicasa) Separacin.- Destilacin, precipitacin, extraccin. b) Reacciones qumicas productos con caractersticas fcilmente observables o medibles c) Anlisis cualitativo.- color, olor, pto. Fusin, etc. Identificacin d) Anlisis cuantitativo.- Gravimetras, volumetras. Cantidad de
3.2.- Tcnicas instrumentalesSe basan en la medida de una propiedad fsica de la sustancia a analizar a) Separacin.- Cromatografa b) Tipos de Tcnicas instrumentales
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Introduccin a las Tcnicas de CaracterizacinPerturbacin Tcnica Respuesta
Espectrometra de masas de iones secundarios (Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS) Iones, Iones Espectrometra de iones retrodispersados (Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS). Iones, Iones Emisin de Rayos X inducida por protones (Proton-Induced X-Ray Emisin, PIXE). Iones, Fotones Espectrometra de Electrones Auger (Auger Electrn Spectrometry, AES). Electrones, Electrones Microscopa Electrnica Analtica (Analytical Electrn Microscopy, AEM). Electrones, Electrones Microscopa Electrnica de Barrido (Scanning Electrn Microscopy, SEM). Electrones, Electrones Microanlisis de Rayos X (Electrn Probe Microanalyzer, EPM). Electrones, Fotones Difraccin de electrones de baja energa (Low-Energy Electrn Diffraction, LEED). Electrones, Fotones Espectrometra fotoelectrnica de rayos X (X-Ray Photoelectron Spectrometry, XPS y ESCA). Fotones, Electrones Difraccin de rayos X (X-Ray Diffraction, XRD). Fotones, Fotones Fluorescencia de Rayos X (X-Ray Fluorescence, XRF). Fotones, Fotones Espectroscopia Infrarroja (Infrarred Spectrometry, IR). Fotones, Fotones Microscopa ptica (Optical Microscopy, OM). Fotones, Fotones
Perturbacin Iones Fotones Electrones
Respuesta Iones Fotones Electrones
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Seales analticas y tcnicas instrumentales asociadasSeal Emisin de radiacin Tcnicas Instrumentales Espectroscopa de emisin (rayos X, UV, visible, de electrones), fluorescencia, fosoforescencia (rayos X, UV, visible e IR) Espectrofotometra y fotometra (rayos X, UV, visible, IR); espectroscopa fotoacstica; resonancia magntica nuclear y resonancia de espn electrnico Turbidimetra, espectroscopa Raman Refractometra, interferometra Rayos X, electrones, neutrones Potenciometra Polarografa, amperometra Conductimetra Espectrometra de masas
Absorcin de radiacin
Dispersin de radiacin Refraccin de radiacin Difraccin de radiacin Potencial elctrico Corriente elctrica Resistencia elctrica Relacin masa a carga
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4.- Instrumentos (equipos) para la caracterizacin y anlisis Convierten una seal analtica a un formato entendible por el ser humano.
4.1.- Componentes de un instrumento de anlisisa) Generadores de seal - La seal procede de la muestra (ej. espectroscopa de emisin atmica) - La seal no procede de la muestra (ej. espectroscopa de absorcin atmica) b) Transductores de entrada (Termopar, fotoclula, brazo balanza, etc.) c) Procesadores de seal (amplificador, filtros, atenuadores, integradores, rectificadores) d) Dispositivo de lectura (medidor de escala, registro, microprocesadores)Medidor de escala
Transductores de salida
Generador de seal
Seal analtica
Transductor de entrada o detector
Seal de entrada mecnica o elctrica
Procesador de sealesRegistrador Display digital
0.213
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4.1.- Componentes de un instrumento de anlisis
Instrumento
Generador de seal
Seal analtica
Transductor de entrada
Seal transducida
Procesador de seal
Lectura
Fotmetro
Lmpara de wolframio, filtro de vidrio, muestra
Haz de luz atenuado
Fotoclula
Corriente elctrica
Ninguno
Medidor de corriente
Espectrmetro de emisin atmica
Llama, monocromador, muestra
Radiacin UV-VIS
Tubo fotomultiplicador
Potencial elctrico
Amplificador, desmodulador
Registrador sobre papel. Computador
Difractmetro de rayos X
Tubo de rayos X, muestra
Radiacin difractada
Pelcula fotogrfica, contador de fotones de rayos X
Imagen latente. Potencial elctrico
Revelador qumico. Amplificador, desmodulador
Imgenes ennegrecidas en una pelcula. Computador
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5.- Evaluacin de un mtodo instrumental a) b) c) d) Conocer en qu se basa la tcnica y en qu consiste el mtodo (teora general) Ventajas y limitaciones del mtodo (tipo de muestra a utilizar, precisin , etc.) Instrumentacin ilustrativa y aspectos bsicos del mtodo (dificultad, costo, etc.) Aplicaciones (ejemplos de utilizacin)
5.1.- Seleccin de una Tcnica y/o mtodo instrumentala) Definicin del problema Qu exactitud y precisin se necesitan? (Perfilmetro, AFM) De cunta muestra se dispone? (DSC, DMTA) Cul es el intervalo de deteccin que se precisa? (Balanzas) Qu componentes de la muestra interferirn? (FT-MIR, FT-NIR) Cuntas muestras deben analizarse?
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b) Caractersticas de funcionamiento de los instrumentos. Parmetros de calidad Criterios cuantitativos (parmetros de calidad):Criterio cuantitativo 1. Precisin Parmetro de calidad Desviacin estndar absoluta, desviacin estndar relativa, coeficiente de variacin, varianza Error absoluto sistemtico, relativo sistemtico Sensibilidad de sensibilidad analtica error
2. Exactitud
3. Sensibilidad
calibracin,
4. Lmite de deteccin
Blanco ms tres veces la desviacin estndar del blanco Concentracin entre el lmite de cuantificacin (LOQ) y el lmite de linealidad (LOL) Coeficiente de selectividad
5. Intervalo de concentracin
6. Selectividad
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b) Caractersticas de funcionamiento de los instrumentos. Parmetros de calidad Criterios cualitativos: - Velocidad - Facilidad y comodidad - Habilidad del operador - Coste y disponibilidad del equipo - Coste por muestra
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b) Caractersticas de funcionamiento de los instrumentos. Parmetros de calidad Criterios cuantitativos (parmetros de calidad):Trminos Definicin*
Desviacin estndar absoluta, ss=
(xi =1
N
i
x)2
i) PrecisinGrado de cuidado con que se realiza una medida Error aleatorio
N 1
Desviacin estndar relativa (RSD)
RSD =
s x
Desviacin estndar de la media, sm Coeficiente de variacin, CV
sm =CV =
s N
s 100% x
Varianza
s2
*x i
= valor numrico de la isima medida
x = media de N medidas =
xi =1
N
i
N
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b) Caractersticas de funcionamiento de los instrumentos. Parmetros de calidad Criterios cuantitativos (parmetros de calidad):
ii) ExactitudAproximacin al valor verdadero (error sistemtico o determinado) Blancos y calibracin (eliminacin de error) Exactitud = - xt
iii) SensibilidadCapacidad de discriminar entre pequeas diferencias en el valor de un parmetro de anlisis. Factores de los que depende: -Pendiente de la curva de calibracin -Precisin IUPAC(International Union of Pure Applied Chemists) Sensibilidad Pendiente en curva de calibracin S = Sbl + mC (S=seal, Sbl=blanco, m=pendiente y C=concentracin)Fco. Javier Gonzlez Benito
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b) Caractersticas de funcionamiento de los instrumentos. Parmetros de calidad Criterios cuantitativos (parmetros de calidad):
iv) Lmite de deteccinMenor valor detectable para un nivel de confianza dado Seal mnima detectable = Sm =< Sbl> + kbl
Lmite de deteccin =
S m < Sbl > cm = m
v) Relacin Seal RuidoS/N = Amplitud media de la seal/Amplitud media del ruido Mejora de S/N dispositivos electrnicos (filtros, amplificadores, etc.) o algoritmos programados (promediado de conjunto, promediado por grupos, transformadas de Fourier, etc.)Fco. Javier Gonzlez Benito
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b) Caractersticas de funcionamiento de los instrumentos. Parmetros de calidad Criterios cuantitativos (parmetros de calidad):
vi) Intervalo de medida aplicableLmite de cuantificacin, LOQ Lmite de linealidad Mtodo aplicable intervalo 102
vii) SelectividadGrado con que se evitan interferencias de especies sin inters analtico
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6.- Evaluacin de resultados. Errores Los datos de fiabilidad desconocida son, en el mejor de los casos, intiles y en el peor, pueden conducir a una respuesta incorrecta. 6.1.- Tipos de errores a) Aleatorios (indeterminados)Distribucin gaussiana de valores Errores instrumentales Errores de mtodo Errores personales
b) Sistemtico (determinado o de procedimiento) c) Errores grandes 6.2.- Expresin del error a) Error absoluto Ea = - x b) Error relativo Er = Ea/
6.3.- Precisin y Exactitud 6.4.- Precisin y cifras significativas
Preciso y exacto
Preciso y no exactoFco. Javier Gonzlez Benito
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6.5.- Cuantificacin de los errores experimentales Desviacin estndar -Desviacin estndar muestral, ss=
(xi =1
N
i
x) 2
N 1
-Desviacin estndar poblacional,
=
(xi =1
N
i
x) 2
N
Desviacin estndar relativa
s RSD = x
s CV = 100 x
Varianza, s2 2
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6.5.- Cuantificacin de los errores experimentales Lmites de confianza a) La prueba QN de medidas 3 Rechazo con 90% de confianza 0.941 0.765 0.642 0.560 0.507 0.468 0.437 0.412 Rechazo con 95% de confianza 0.970 0.829 0.710 0.625 0.568 0.526 0.493 0.466 Rechazo con 99% de confianza 0.994 0.926 0.821 0.740 0.680 0.634 0.598 0.568
Qexp =
d = w x h xl
xq xn
4 5 6 7 8 9 10
b) La prueba T
Tn
(x =
q
xn s
)
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6.5.- Cuantificacin de los errores experimentales Lmites de confianza Los lmites de confianza definen un intervalo de valores a cada lado de la media calculada que describe la probabilidad de encontrar all la media verdadera.
CL = x
t s N
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6.6.- Sistemas de control y aseguramiento de calidad Control de calidad Regulacin de la calidad y el mecanismo con el que se alcanza Sistema de aseguramiento de la calidad Conjunto de procedimientos vigentes para asegurar que se lleven a cabo las actividades del control de calidad. Acreditaciones. Materiales de referencia certificados (patrones) 6.7.- Grficos de control de calidad
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7.- Bibliografaa) D.A. Skoog, J.J. Leary, Anlisis Instrumental, McGraw-Hill, Madrid (1996). Samus P.J. Higson. Qumica analtica. McGraw-Hill, Madrid (2004). H.H. Willard, L.L. Merritt Jr.,J.A. Dean, F.A. Settle Jr., Mtodos Instrumentales de anlisis, Grupo Editorial Iberoamericana S.A. de C.V., Mxico (1991). Concise Enciclopedia of Materials Characterization. Editors: R.W. Cahn FRS & E. Lifshin. Pergamon Pres (1993). Teora de errores: http://vppx134.vp.ehu.es/fisica/agustin/errores/error_p.html
b) a)
b)
c)
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