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10.-ESPECTROSCOPÍA INFRARROJA

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:

Figura Nº1

Luego, toda la radiación electromagnética está relacionada con la energía de los fotones, a través de su frecuencia o longitud de onda. La materia absorbe o emite esta radiación cuánticamente, es decir, usa estos paquetes de energía para pasar desde un estado basal a otro excitado o viceversa. La igualdad matemática que describe esta relación es:

ε = hv

Fórmula Nº1

Donde ε es la energía de la radiación que en este caso corresponde a la de un solo fotón y está expresada en calorías; h es la constante de Planck, que tiene un valor de 1,58x10-34 calorías segundo; v corresponde a la frecuencia de esa radiación expresada en hertz o seg-1.

A los químicos les interesa calcular estos valores refiriéndose siempre a la energía absorbida por un mol de moléculas, por lo tanto, la energía calculada con la expresión Nº1 debe ser multiplicada por N que es el número de Abogadro o número de moléculas que se encuentra en un mol de cualquier sustancia química. El valor de esta constante es 6,023x10 23 moléculas por mol.

E = N*ε = N h v

Fórmula Nº2

La frecuencia  también está relacionada con la longitud de onda λ de la radiación mediante la igualdad:

 = c/λ

Fórmula Nº3

donde c es la velocidad de la luz con un valor de 3x1010 cm/seg. Por lo tanto la longitud de onda está expresada en cm. Así, cada fotón tendrá asociada una frecuencia y una longitud de onda. Al sustituir la expresión Nº2 en la Nº1 se obtiene:

ε = h c/λ

Fórmula Nº4

Y por mol tenemos que la energía es:

E = N ε = N h c / λ

Fórmula Nº5

Esta relación es muy importante porque nos está diciendo que según la igualdad Nº1, la frecuencia de una radiación es directamente proporcional a la energía y según la Nº2, la longitud de onda de una radiación es inversamente proporcional a la energía de aquella radiación.

Para cada tipo de energía, hay un diferente tipo de detector que cubre un pequeño rango del espectro electromagnético. Los rayos cósmicos son detectados entre una longitud de onda de 10-12 y 10-10 cm. Esta radiación es una de las más fuertes,y de ahí es que su longitud de onda sea tan pequeña. A su vez los rayos X entre 10-8 y 10-6 cm. La luz visible, que es la que captan nuestros ojos, está comprendida en un pequeño rango del espectro electromagnético, es decir, con longitudes de onda entre 3,8x10-5 y 7,8x10-5 cm.

El estudio de la interacción entre los diferentes tipos de radiación y la materia se llama espectroscopia, y el gráfico que describe la intensidad de esta interacción se llama espectro. De aquellos gráficos puede obtenerse una enorme cantidad de información sobre la estructura de la materia.

Para los químicos orgánicos, existen dos tipos particulares de espectroscopia que le son especialmente útiles. Estas son, las de resonancia magnética nuclear y la de infrarrojo. La primera tiene su ámbito en la región de las microondas y la segunda en la región del infrarrojo medio, es decir, entre los 2,5x10-4 y 2,5x10-3 cm.

Los espectros infrarrojos, como veremos, se expresan en unidades de longitud de onda con números fáciles de manejar, es decir micrómetros (m) o en unidades llamadas número de ondas, definida como el número de ondas que habría en una unidad de longitud.

Por definición se tiene que si Ũ es el número de ondas por centímetro, entonces:

Ũ = 1/ (λ[ cm ])

Fórmula Nº6

La relación que hay entre el número de ondas Ũ (cm-1) y la longitud de onda de una de las señales del espectro (micrómetros) puede obtenerse al transformar los micrómetros a centímetros. Así, si la posición de una absorción (longitud de onda) que está expresada en micrómetros, (un micrómetro equivale a 10-4 cm), entonces, la relación que hay entre estas dos unidades es biunívocamente:

Ũ = 1 / λ*10-4 cm

Fórmula Nº7

Es decir:

Ũ = (104/ λ ) [cm-1]

Fórmula Nº8

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, figura Nº2, o un movimiento de deformación en donde uno de los átomos del enlace M1-m2 se aparta del eje del enlace, figura Nº3.

Figura Nº2

Figura Nº3

Una molécula biatómica como la de la figura Nº4, 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.

Figura

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