Espectroscopia Infraroja

INTRODUCCIÓN (El espectro electromagnético.)

La energía puede presentarse como onda o bien, como corpúsculo o fotón. Un fotón puede manifestarse con diferentes energías lo que constituye el espectro electromagnético. A su vez, el espectro electromagnético ha sido dividido arbitrariamente por los científicos, según un criterio instrumental. Por ejemplo, de mayor a menor energía están:

ESPECTROSCOPÍA INFRARROJA

Generalmente, se piensa que las moléculas son estructuras formadas por una red estática de núcleos atómicos unidos entre sí por enlaces electrónicos. Sin embargo, la realidad es muy diferente, y puede decirse que, cada átomo que la constituye está desplazándose permanentemente, uno con respecto al otro, sobre una distancia promedio llamada longitud de enlace, es decir, las distancias interatómicas oscilan continuamente alrededor de un valor que le es propio, manteniéndose por ejemplo, en el estado basal de energía y a temperatura ambiente, a una distancia promedio llamada longitud de enlace. Cada enlace entonces, dentro de una molécula, está vibrando a una frecuencia determinada que le es característica, y puede efectuar un movimiento de estiramiento a lo largo del eje del enlace, o un movimiento de deformación en donde uno de los átomos del enlace M1-m2 se aparta del eje del enlace.

Una molécula biatómica , solo poseerá un modo de vibración que será el de estiramiento a lo largo del enlace. La deformación no existe ya que correspondería a una rotación antes que a una vibración.

Si la molécula tiene más de dos átomos, los posibles modos de vibración aumentan de manera considerable, como se puede observar en las figuras de más abajo, llegando a (3n-5), los modos en moléculas lineales.

Para moléculas no lineales más complejas, se esperan (3n-6) modos vibracionales, donde n es el número de átomos que forman la estructura. Así, una molécula como el tetracloruro de carbono, que tiene cinco átomos según la fórmula, presentará nueve modos vibracionales. Sin embargo, no todas ellas serán activas al infrarrojo. Veremos más tarde que solo son activos aquellos modos en los que el momento dipolar asociado a uno de los enlaces varíe su posición relativa con la vibración. En este caso específico, aquel modo vibracional que implica el movimiento simétrico de los cuatro átomos de cloro alrededor del carbono hace que el momento dipolar permanezca invariante y por lo tanto inactivo al infrarrojo.

Como puede verse, las vibraciones moleculares son en realidad, el resultado de la contribución de todos los átomos que la componen. Sin embargo, con el propósito de simplificar los cálculos, es posible analizar algunas vibraciones moleculares como si en ellas interviniesen solo unos pocos átomos. Si nos concentramos en la vibración de un enlace individual en una molécula poliatómica cualquiera, una aproximación muy útil y simple, es aquella que considera a ambos átomos involucrados, como si se movieran al igual como lo hacen dos partículas en un oscilador armónico, es decir, como dos partículas unidas por un resorte.

Es posible predecir de esta manera en una forma cualitativa y bastante aceptable, la frecuencia de vibración del enlace expresado en cm-1, calculando la expresión:

Ñ = 3,1416*((1/2)*C)*(k / MR)1/2

Aquí MR = (m1*m2)/(m1+m2) que expresada en gramos es la masa reducida y, m1 y m2 son las masas atómicas también en gramos, de los dos átomos involucrados.

C = velocidad de la luz 3*1010 cm/seg

k = es una constante que representa físicamente la resistencia del resorte (enlace) al estiramiento o constante de fuerza del resorte, según la ley de Hooke.

Para k es posible encontrar en literatura, valores de k = 5 x 105 dinas/cm para un enlace simple C-C y para uno doble 1,0 x 106 dinas/cm y par un enlace triple 1,5 x 106 dinas/cm.

Cuando hay más de dos átomos involucrados en una molécula, pueden encontrarse distintos modos de vibración, algunos simétricos y otros asimétricos como se muestra en la figura Nº5.

EL ESPECTROFOTÓMETRO IR.

Un espectrofotómetro clásico y ampliamente difundido, son los de “doble as”. Ellos están configurados con los siguientes componentes:

1.-Una fuente de radiación.

2.-Un portamuestra y blanco.

3.-Una rejilla o monocromador.

4.-Un detector.

5.-Un CPU con pantalla, impresora y teclado lo que permite fácilmente ampliar o reducir zonas específicas del espectro.

El diagrama de un instrumento IR clásico puede verse más abajo.

1.-La fuente de radiación IR puede contener un láser (He-Ne) en los equipos modernos, o una cerámica contaminada con óxidos de Zirconio, Torio y Cesio, conocida como filamento de Nernst. Esta cerámica es calentada eléctricamente hasta 1000-1800 ºC. Otra fuente de radiación es el Globar, que es una pequeña esfera de carburo de silicio, que al ser calentada al igual que la anterior, emite una radiación de amplio espectro que va desde los 5500 cm-1 hasta los 600 cm-1. El Nernst en cambio, muestra un espectro de energía o frecuencia que va desde 7100 cm-1 hasta los 550 cm-1. Estos rangos de frecuencia son más que suficiente para los espectroscopistas orgánicos. Ellos necesitan el rango que va desde los 4000 cm-1 hasta los 650 cm-1 aproximadamente.

2.- El porta-muestra, puede ser según el propósito, para aceptar gases, líquidos y sólidos. En gases, las celdas disponibles tienen entre 10 y 40 cm de longitud y los espectros en estos casos son el resultado del paso, a través de la celda con múltiples reflexiones, de manera que, en realidad la luz ha recorrido muchas veces la longitud de la celda antes

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